Исследование времени установления соединения в восходящем (uplink) направлении в сетях LTE

Исследование времени установления соединения в восходящем (uplink) направлении в сетях LTE

Ключевые слова: сеть LTE, процедура случайного доступа, процесс установления соединения, uplink-соединение/ моделирование.

Процесс установления восходящего (uplink) соединения в сетях LTE — это набор специальных процедур, которые должно выполнить абонентское устройство (UE—User Equipment) в целях последующей передачи данных в сторону базовой станции LTE (eNodeB). Одним из ключевых факторов, влияющих на качество предоставляемых услуг, является задержка при выполнении процесса установления uplink соединения, которая может крайне негативным образом повлиять на работу сервисов, чувствительных к задержке, или, например, в случае интеграции узлов беспроводной сенсорной сети WSN с сетью LTE [1, 2]. Для вычисления времени установления соединения в восходящем (uplink) направлении будет применен метод имитационного моделирования, в рамках которого реализуются все процедуры, участвующие в процессе установления соединения, согласно спецификациям 3GPP [3, 4, 5].

Дугаев Д.А.,

аспирант кафедры ПДС и М,

ФГОБУ ВПО СибГУТИ, dugdmitry@yandex.ru

Состояния абонентских терминалов

Абонентское устройство LTE может находиться в одном из трех состояний (рис. 1):

RRC_IDLE:

Пусть UE выполнил процедуру поиска eNodeB, а также процедуру первичного случайного доступа, но не получил от сети свой идентификатор C-RNTI, так как не передавал и не принимал данные от базовой станции. В данном состоянии UE не имеет никаких выделенных ресурсов на передачу и прием, а лишь осуществляет мониторинг служебного канала PCH и ожидает появления данных для uplink передачи. Кроме того, абонентское устройство переходит в это состояние после длительного периода неактивности uplink и downlink передачи;

RRC_CONNECTED-in-sync:

UE успешно выполнил процедуру случайного доступа, получил идентификатор C-RNTI и ресурсы для uplink передачи, а также синхронизировался с eNodeB. В этом состоянии возможна как uplink, так и downlink передача;

RCC_CONNECTED-out-of-sync:

UE выполнил uplink передачу, но вышел из синхронизации с eNodeB после определенного времени неактивности. Необходимо повторное выполнение процедуры случайного доступа RACH для восстановления синхронизации. В данном состоянии возможна только downlink передача.

Любое абонентское устройство, впервые оказавшееся в зоне покрытия одной из базовых станций, должно выполнить следующие действия:

— процедура поиска ближайшей соты/базовой станции;

— декодирование системной информации в блоках MIB и SIB (описаны ниже);

— первичная процедура случайного доступа (Initial RACH процесс):

— регистрация/аутентификация UE на базовой станции;

— переход в состояние RRC__IDLE;

— мониторинг канала PCH.

В случае, если UE необходимо передать данные в сторону eNodeB, или, если UE получил по каналу PCH запрос от базовой станции на uplink передачу, то абонентское устройство выполняет следующие действия:

— процедуру случайного доступа (RACH процесс):

— получение уникального идентификатора C-RNTI;

— получение ресурса в канале для передачи пользовательских данных UL-SCH на передачу;

— переход в состояние RRC_CONNECTED;

— передачу данных по выделенным ресурсам в UL-SCH канале;

— повторную передачу или передачу вновь полученных данных по вновь выделенным UL-SCH ресурсам из запроса по контрольному каналу PUCCH;

— переход в состояние RRC_CONNECTED-out-of-sync после некоторого промежутка времени неактивности uplink передачи;

— переход в состояние RRC_IDLE при перемещении UE или длительном простое.

Процесс установления соединения после поиска и регистрации на базовой станции

В рамках данной работы будут рассматриваться процессы установления uplink соединения, инициированные только со стороны абонентского устройства (т.е. без использования канала PCH) и в режиме дуплекса FDD.

При наличии данных и необходимости их передачи в сторону базовой станции, абонентское устройство UE может находиться в одном из трех RRC-состояний, описанных выше. Рассмотрим эти три возможных сценария.

1. UE в состоянии RRC_IDLE.

Инициализация процедуры случайного доступа для получения идентификатора C-RNTI и ресурсов в канале UL-SCH. Переход в состоя-

Рис. 1. Различные RRC состояния абонентских устройств

ние RRC_CONNECTED. Кроме того, абонентскому устройству выделяется ресурс в контрольном канале PUCCH для последующих запросов ресурсов из состояния RRC_CON-NECTED-in-sync.

2. UE в состоянии RRC_CONNECTED-out-of-sync

В данном состоянии абонентское устройство инициализирует процедуру случайного доступа для установления синхронизации с базовой станцией и получения ресурсов в UL-SCH канале. Для последующих запросов ресурсов используется канал PUCCH.

3. UE в состоянии RRC_CONNECTED-in-sync.

В состоянии RRC_CONNECTED-in-sync абонентское устройство отправляет запрос на uplink передачу по каналу PUCCH.

Как видно из вышеизложенного, в процессе установления соединения важную роль играют два служебных канала: канал случайного доступа RACH и контрольный L1 /L2 канал PUCCH.

В сценариях 1 и 2 для запроса ресурсов используется процедура случайного доступа RACH, подробно описанная в [1, 6].

Служебный канал PUCCH.

Канал PUCCH используется для передачи контрольной L1 /L2 информации в uplink направлении. Транспортный блок PUCCH в формате 1 передает информацию о необходимости повторной передачи (HARQ — ACK/NAK), а также запросы на ресурсы в канале UL-SCH из состояния RRC_CONNECTED.

Количество абонентских устройств посылающих запрос в одном и том же подкадре может варьироваться от 1 до 36.

В режиме FDD, при запросе по каналу PUCCH, ресурсы в канале UL-SCH выделяются через 4 подкадра после приема сообщения по PDCCH, как показано на рис. 2.

Ответное сообщение приходит по контрольному каналу PDCCH, которое означает, что передача по UL-SCH будет возможна ровно через четыре подкадра.

Таблица 1

Перечень входных параметров симулятора

Название параметра Описание

Т Время симуляции

Р Вероятности неправильного приема пакета

N Количество абонентов в сети

К Количество доступных преамбул для процедуры случайного доступа

L Средняя интенсивность запросов на uplink передачу

out_of_sync_window Окно перехода в состояние RRC_CONNECTED-out-of-sync

disconnwindow Окно перехода в состояние RRC_IDLE

Симулятор процедуры поиска сети и установления uplink соединения.

Для вычисления средней задержки установления соединения в восходящем (uplink) направлении, был написан симулятор на языке программирования Python, реализующий все вышеописанные процедуры, входящие в процесс установления соединения.

Процесс моделирования может быть разделен на две основные части:

1. Процедура поиска базовой станции.

Программа вычисляет среднее время поиска и регистрации абонентского устройства на базовой станции LTE в зависимости от заданной вероятности неправильного приема пакета.

2. Процедура моделирования процесса установления uplink соединения.

Программа вычисляет среднюю величину времени установления соединения для каждого абонентского устройства, в зависимости от следующих входных параметров: количество абонентов N, средняя интенсивность запросов на uplink передачу L, вероятность неправильного приема пакета p, количество доступных преамбул для процедуры случайного доступа К. Перечень входных параметров симулятора представлен в табл. 1.

Описание работы программы/ процесса моделирования.

Рассмотрим процесс работы программы при наличии пяти абонентских устройств в зоне обслуживания базовой станции LTE.

После завершения процедуры поиска базовой станции все абонентские устройства готовы для uplink передачи. Запросы на uplink передачу генерируются при помощи пуассонов-ского закона распределения со средней интенсивностью X и функцией вероятности:

р(к )=

к!

где р(к) — вероятность возникновения к запросов на передачу; к — количество запросов на передачу; X — средняя интенсивность потока запросов на передачу в восходящем канале.

Полученные таким образом к запросов, случайным образом равномерно распределяются по всему множеству абонентских устройств.

При возникновении запроса на передачу, абонентское устройство выполняет соответствующие действия, в зависимости от того, в каком из трех состояний оно находится в данный момент, а именно:

1^С_Ю1_Е:

Запуск процедуры случайного доступа 1

RRC_CONNECTED-in-sync:

Отправка запроса на передачу по служебному каналу PUCCH

RRC CONNECTED-out-of

sync:

Рис. 2. Запрос ресурсов и задержка ответа

Запуск процедуры случайного доступа 2

Диаграмма переходов абонентского устройства из различных состояний представлена на рис. 3.

Промежуточные результаты работы программы представлены в табл. 2.

к

Л

Рис. 3. Диаграмма состояний абонентского устройства

Таблица 2

Состояния пяти абонентских устройств в различные промежутки времени. Время симуляции Т=50, I=2, N=5

Номер кадра Состояние UEI Состояние UE2 Состояние UE3 Состояние UE4 Состояние UE5

1 Not registered Not registered Not registered Not registered Not registered

7 IDLE IDLE IDLE IDLE IDLE

9 IN SYNC IDLE IN SYNC IDLE IN SYNC

И IN SYNC IDLE IN SYNC IDLE IN SYNC

12 IN SYNC IDLE IN SYNC IDLE IN SYNC

13 OUT OF SYNC IDLE IN SYNC IN SYNC IN SYNC

14 IN SYNC IDLE IN SYNC IN SYNC OUT OF SYNC

15 IN SYNC IDLE IN SYNC IN SYNC OUT OF SYNC

16 IN SYNC IDLE IN SYNC IN SYNC IDLE

21 IN SYNC IN SYNC IN SYNC IN SYNC IDLE

23 IN SYNC IN SYNC OUT OF SYNC OUT OF SYNC IDLE

24 OUT OF SYNC IN SYNC OUT OF SYNC OUT OF SYNC IDLE

Результаты моделирования

В результате проведенного моделирования, были получены зависимости времени установления восходящего соединения в зависимости от различных параметров, таких как количество зарегистрированных абонентских терминалов, интенсивность потока запросов на uplink передачу, число доступных преамбул для процедуры случайного доступа.

На рис. 4 представлен график зависимости времени установления соединения от общего количества абонентских устройств при различной средней интенсивности запросов на передачу (L = 0,1; L = 0,3; L = 1).

Как видно из графика, при достаточно низком числе активных абонентских устройств (0 < N < 25), интенсивность трафика практически не влияет на среднее время установления соединения. Это можно объяснить тем, что служебные каналы RACH и PUCCH не перегружены запросами от абонентов. В частности, канал PUCCH при определенной конфигурации может обработать uplink-запросы от 30 абонентских устройств всего за 2 кадра (20 мс).

Однако при дальнейшем увеличении количества устройств, время установления соединения увеличивается по линейному закону, где параметр интенсивности потока запросов можно интерпретировать как коэффициент.

Линейная зависимость времени установления соединения от числа устройств может быть объяснена особенностями функционирования служебного канала PUCCH. Как было описано выше, для запроса на uplink-передачу, в канале PUCCH резервируются ресурсы для каждого активного абонента, которые циклически повторяются в кадрах LTE с течением времени. С ростом числа активных устройств резервиру-

Рис. 4. График зависимости среднего времени установления соединения от количества зарегистрированных абонентских устройств при различной интенсивности потока запросов

Рис. 5. График зависимости времени установления соединения от средней интенсивности потока запросов на ир!1пк-передачу при N = 200

Количество абонентских устройств

РИс. 6. 1рафик зависимости времени установления ир^пк-соединения от количества абонентских устройств в сети при К = 1 и К = 64

ется все больше ресурсов, и терминал должен

ожидать своей очереди все большее количество времени.

На рис. 5 представлен график зависимости времени установления ир^пк-соединения от средней интенсивности потока запросов на передачу от одного абонентского устройства при количестве абонентских устройств N = 200.

На графике видно, что при росте интенсивности запросов, увеличивается время установления соединения и при максимальном 1тах = 1 достигает 80 мс при количестве абонентских устройств N = 200.

Еще одним интересным аспектом исследования является оценка влияния количества доступных преамбул, используемых в канале ВДСН при процедуре случайного доступа, на среднее время установления ир!1пк соединения. На рис. 6 приведен соответствующий график при количестве доступных преамбул К = 1 и К=64 .

На графике, изображенном на рис. 6, приведены! два граничных случая: КтП = 1 и Ктах = 64.

Как видно из графика, разница во времени задержки между двумя случаями примерно равна = 10 мс при небольшом количестве устройств

(5 ~40). При дальнейшем росте числа абонентских терминалов, разница в задержке увеличивается ( ~20 мс при N = 120). Такая тенденция является вполне логичной и предсказуемой, так как очевидно, что при росте числа устройств, все большее их количество будет попадать в состояние 1^С_Ю1_Е, где используется процедура случайного доступа с использованием канала ВДСН и преамбул. А так как, число преамбул ограничено, то будет возникать больше коллизий и последующих повторных процедур случайного доступа, что неизбежно влечёт за собой увеличение длительности всего процесса установления соединения.

Заключение

В результате проведенного моделирования, были получены зависимости времени установления ир!1пк-соединения от количества абонентских устройств и интенсивности запросов на ир!1пк-передачу. Кроме того, было численно оценено влияние числа доступных преамбул в процедуре случайного доступа на время установления соединения.

При относительно небольшом количестве активных абонентов на базовой станции НЕ, время установления соединения в восходящем направлении не превышает 25 мс (что соответствует результатам, приведенным в [7, 8]) вне зависимости от интенсивности трафика, генерируемого абонентами. Однако, при дальнейшем росте числа устройств, время задержки линейно возрастает. Как показано на рис.6, весомую долю в общей задержке может играть

числа доступных преамбул способно существенно снизить общее время установления соединения.

Поэтому, для уменьшения задержки установления uplink соединения при наличии большого числа активных абонентских устройств, можно предложить использовать максимально возможное количество преамбул, а также конфигурацию PRACH (PRACH Configuration Index, спецификация TS36.211), максимально использующий ресурс физического канала случайного доступа PRACH.

Литература

1. Michael Burakov, Albin Eldstal-Damlin. An LTE Random Access Channel Model for Wireless Sensor Network Applications, Master Theses, Lule? University of Technology, Sweden, 2012, 66 P

2. Suh, C., Ko, Y Design and implementation of intel-igent home control systems based on active sensor networks. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2008, 54(3), pp. 177-1184.

3. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation. (3GPP TS 36.211 version 10.0.0 Release 10, 2011-10).

4. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation. (3GPP TS 36.213 version 10.0.0 Release 10, 2011-10).

5. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation. (3GPP TS 36.331 version 10.0.0 Release 10, 2011-10).

6. Дугаев ДА. Расчет коэффициента готовности служебного канала RACH при использовании его в качестве ресурса для передачи пакетов из внешней сенсорной сети в сеть LTE // IV Международная научно-практическая конференция 'Телекоммуникационные и вычислительные системы". — Москва, 2012.

7. Markus Laner, Philipp Svoboda, Peter Romirer-Maierhofer. A Comparison Between One-way Delays in Operating HSPA and LTE Networks. 8th International Workshop on Wireless Network Measurements, 14-18 May 2012 .

8. D. Singhal, M. Kunapareddy, and V Cheliapalii. LTE-Advanced: Latency Analysis for IMT-A Evaluation. Tech Mahindra, Tech. Rep., 2010.

процедура случайного доступа, а увеличение

Evaluating uplink connection establishing time in LTE networks Dygaev D.A., dugdmitry@yandex.ru

Abstract.

An uplink connection establishing process in LTE networks is a set of special procedures which have to be performed by User Equipment (UE) in order to transmit data to LTE base station (eNodeB). The delay during the uplink connection establishing phase is one of the key factors which affect a quality of provided services. It might extremely affect the work of delay-sensible applications, or in the case of convergence wireless sensor networks (WSN) with LTE [1, 2]. For purposes of evaluating the uplink connection establishing time the simulation method is used, and all necessary procedures are implemented which contribute to the process corresponding to 3GPP specifications [3, 4, 5].

Keywords: LTE network, random access procedure, connection establishing process, uplink connection, simulation.