К анализу методов балансировки нагрузки несущей в системах LTE-Advanced

21 декабря 2011 г. 16:47

"Инфокоммуникачионно-управленческие сети. Расчет и оптимизация систем связи"

К анализу методов балансировки нагрузки несущей в системах ИЕ-АОУАЫСЕО

Построена модель трафика для множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), используемого в сетях LTE и LTE-Advanced, исследованы методы балансировки нагрузки несущей. На основании построенной модели проведен сравнительный анализ методов балансировки нагрузки, исследованы такие параметры производительности как средняя пропускная способность соты и средняя пропускная способность на одного пользователя.

Ключевые слова: LTE-Advanced, эластичный трафик, адаптивная многоскоростная система.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 10-07-00487-а).

Самуйлов К.Е.,

заведующий кафедрой систем телекоммуникаций РУДН, ksam@sci.pfu.edu.ru

Сопин Э.С.,

аспирант кафедры систем телекоммуникаций РУДН, sopin-eduard@yandex.ru

Введение

Стандартизация и развитие радиоинтерфейса Е-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) продолжается в рамках Проекта долгосрочной эволюции (Long Term Evolution - LTE) партнерством 3GPP (3 Generation Partnership Project). Основной целью проекта LTE, начатого в 2004 году, является уменьшение задержек, увеличение скорости передачи данных, улучшение производительности системы, а также снижение затрат оператора. Система LTE-Advanced является дальнейшим развитием LTE в отношении поддерживаемой ширины частотного канала, спектральной эффективности и пиковой скорости передачи данных.

В системе LTE (3GPP Release 8 и 9) для масштабируемости и более гибкого использования частотного спектра ширина частотных каналов не была жестко зафиксирована, они могут быть 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц [2]. В отличие от LTE система LTE-Advanced должна поддерживать более широкий диапазон частот, до 100 МГц [1]. Для формирования таких широкополосных частотных каналов в системе LTE-Advanced используется принцип агрегации (суммирования) базовых каналов, называемых компонентными несущими (Component Carriers - СС).

Рассматриваются два метода балансировки нагрузки на компонентные несущие LTE-Advanced: метод выделения каждому пользователю всех компонентных несущих и метод RR (Round Robin, обслуживание по круговой системе) с прикреплением пользователя к некоторой компонентной несущей. Построена модель трафика системы LTE-Advanced как для случая одной компонентной несущей, так и для случая агрегации нескольких СС. На основе построенной модели проведено сравнение эффективности методов балансировки. Основными критериями эффективности считались

средняя пропускная способность соты и средняя скорость получения данных пользователем.

1. Основные принципы функционирования радиоинтерфейса LTE

В нисходящем канале LTE используется перспективная технология мультиплексирования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), изначально разработанная для систем WiMAX. В системе OFDM входной поток данных (пользовательских аудио-, видео- и медиапакетов) разделен на несколько параллельных под-потоков, каждый из которых модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.

Физический уровень сети LTE состоит из частотновременных блоков PRB (Physical Resource Block). Блок PRB является условной единицей использования частотно-временного ресурса. Блок включает в себя 12 под-несущих частот и имеет длительность одного временного слота (0,5 мс), т.е. семь или шесть OFDM-символов. Формирование сигнала с заданной шириной спектра осуществляется путем стыковки нескольких блоков PRB. Распределение блоков PRB между пользовательскими терминалами выполняется базовыми станциями.

II  I»

Рис. 1. Частотно-временная структура блока PRB (3).

136

Планировщик пакетов в частотном домене (FDPS -Frequency Donrrain Packet Scheduler), используя информацию о состоянии каналов (CQI - Channel Quality Information), может серьезно улучшить производительность системы. FDPS находится в базовой станции и для каждого подмножества пакетов но основе размера буфера и состояния канала принимает решение о скорости передачи, выделении блоков PRB в частотном диапазоне и других параметрах. Отчеты CQI поступают к программе-планировщику от пользовательских терминалов, такая информация может включать оценку интерференции, коэффициента соотношения сигнал/шум, и др. Как показывают исследования [4], выгода от применения FDPS сильно зависит от точности отчетов CQI и степени свободы планировщика в распределении блоков PRB между пользовательскими терминалами, в некоторых ситуациях она может достигать 40-55%.

Принцип агрегации компонентных несущих для формирования широкополосных частотных каналов в системе LTE-Advanced позволяет удовлетворить требования МСЭ и 3GPP к суммарной ширине полосы канала до 100 МГц и максимальной скорости передачи данных до 1Гбит/с, а также обеспечивает совместимость с системой LTE Release 8 и гибкое использование выделенного спектра. Отметим, что компонентные несущие необязательно должны быть смежными [6].

Рассматриваются два метода балансировки нагрузки по компонентным несущим. Метод выделения пользователю всех СС агрегирует все компонентные несущие в единый логический канал. Такой метод оптимально распределяет нагрузку и, таким образом, достигается наилучшая производительность. Агрегирование компонентных несущих поддерживается только с 10-го релиза 3GPP, т.е. только для систем LTE-Advanced.

Основная идея балансировки нагрузки методом RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей в том, что вновь поступивший в систему пользователь прикрепляется к той СС, которая меньше всех загружено. В случае, когда наименьшая нагрузка приходится на несколько компонентных несущих, вновь поступивший пользователь прикрепляется к одной из них равновероятно. Таким образом, данный метод тоже обеспечивает неплохую балансировку нагрузки между компонентными несущими.

2. Построение модели АМС с эластичным трафиком.

Сначала мы построим модель системы, состоящей из одной компонентной несущей. Будем считать, что в систему поступает пуассоновский поток требований с интенсивностью Л на передачу данных. Пользователи передают некоторый объем данных, распределенный по экспоненциальному закону со средним /' (Мбит), и затем покидают систему. В системе может одновременно обслуживаться не более V пользователей. Пропускная способность частотного канала равна С(Мбит/с). Обозначим р - kF /С - предложенная нагрузка.

Характерная особенность адаптивных многоскоростных систем (АМС) в том, что интенсивность обслуживания пользователей зависит от состояния системы. Если в момент поступления пользователя на обслуживание система находится в состоянии к (т.е. ширина частотного канала

разделена на к пользователей), то АМС-система перераспределяет частотный ресурс между к1 пользователями. По завершении обслуживания происходит обратный процесс: освободившийся частотный ресурс распределяется между оставшимися пользователями.

Для расчета выгоды от применения планировщика ГОРБ используется следующее приближение [4, 5]:

(I к = \:

О(А-) - 0.11 * 1п(А-) + 1.1, 1 < А13:

[1.З8. къ 13:

где к - число обслуживающихся пользователей (состояние системы). Тогда суммарная скорость передачи

данных в системе в состоянии к равна (’ Ык) г а ско.

О

рость передачи данных на каждого пользователя -С* д.\ _- Таким образом, интенсивность

ю'ь’ A-G

обслуживания удовлетворяет соотношению

г с,

* ^АО

Построенный процесс является процессом рождения-гибели, стационарные вероятности рк. О й к £ которого находятся по формуле

П * А Г~Т (*(°°) . ,

Рк=рЛ\—=а>р ПтчТГ 1йкй'г-

-1

1 +

3 Г

где р - - предложенная нагрузка. На основе фор-

С

мул (3) и (4) вычисляется вероятность блокировки системы /Г:

Г'Р^РоР П—

Пусть теперь, при сохранении остальных предположений, имеется // компонентных несущих с пиковой скоростью передачи данных С 9 / = |4ц.

Если для балансировки нагрузки используется метод выделения пользователю всех компонентных несущих, то для вычисления стационарных вероятностей можно в полной мере воспользоваться формулами (3), (4) и (5),

обозначив ^ •

В случае использования метода RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей получаем // -мерный процесс рождения-гибели с пространством состояний

- к, S V. OS*, £

I-]

где

kj - количество пользователей, прикрепленных к / -й компонентной несущей. Пусть

/"“"(к)»

О,

<•, > пип J. к, = mm U!

137

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

и .V | к| = V/"""(к) Введем подпространства

/=1

Я, ={ке5:(/,т‘*(к) = |)п(*.<у)} и ^ = |к€л|(/,пип(к| = о)^(*.=>)| Подпространство

»V, - это множество состояний системы, при которых вновь поступивший пользователь может быть прикреплен к / -й СС с ненулевой вероятностью, о подпространство Я * множество состояний, при которых вновь поступивший пользователь не может быть прикреплен к / -й компонентной несущей. Фрагмент диаграммы интенсивности переходов данного процесса представлен на рис. 2.

Рис. 2. Фрагмент диаграммы интенсивностей переходов

Здесь /,(к) имеет смысл вероятности того, что при поступлении новой заявки система перейдет из состояния к в состояние к +е,:

|0. если к є.У,;

/,<к>“< I

-------. если к € .V

Обозначим /4,= О и выпишем уравнения глобального баланса для данного процесса.

я

к|(л£/<к) + £*//, 1 = /.£ /;<к - е, )/Хк-е,Н

V »-» »-I / »-I

+Х(*.+1К.1/,,к+е.)- ке'>'

г 1

С помощью системы уравнений глобального баланса и условия нормировки вычисляются стационарные вероятности системы и вероятность блокировки 71. Для этого обозначим множество блокировок

Яв = {к е .V: к. = г} и получим ,= £ /)(к|.

2. Сравнительный анализ методов балансировки нагрузки

При сравнении рассмотренных методов балансировки нагрузки на компонентные несущие учитывались два критерия: суммарная пропускная способность сети и средняя пропускная способность на пользователя.

Суммарная пропускная способность сети вычисляется по формуле (9), а средняя пропускная способность на пользователя по формулам (10) и (11) для метода выделения пользователю всех СС и балансировки ме-

тодом (№ с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей соответственно.

/-•1 V1 Л ... Г4

паты ~ 2I* Л палы * ’ — Л ~Г 7Т

м м * °(х>

^ латы 'Е.1’{к)('па,ьА'='Е.1Лк) —

у

’ О

к=5 к€$

Численный эксперимент проводился со следующими начальными данными. Четыре компонентные несущие по 10МГц каждая дают суммарную пиковую скорость передачи данных ('=49Мбит/с. В система одновременно может обслуживать не более Г=50 пользователей, средний объем данных Ь', передаваемых пользователем, равен 2Мбит.

и ъо

X

5 40

£

1 30

1 20

1

10

1 с

выделение всех СС для иЕ

— — - ЯЯ с прикреплением иЕ кСС

0.16 0.33 0.49 0.65 0.82 0.98 1,14 1.31 1.47

Предложенная нагрузка, Эрл

Рис. 3. Зависимость пропускной способности соты от предложенной нагрузки

На рис. 3 показана зависимость пропускной способности соты от предложенной нагрузки. График показывает, что пропускная способность системьгпрактически инвариантна относительно методов балансировки нагрузки, только при сильных перегрузках

30

£ £ І " 5 2 3 3 1 2 5 2 1* выделение всея СС для ІІЕ

20 — — - ЯЯ с прикреплением иЕ к СС

— —

-

0.16 0.33 0.49 0.65 0.82 0.98 1.14 1.31 1.47

Предложенная нагрузка, Эрл

Рис. 4. Зависимость средней пропускной способности на одного пользователя от предложенной нагрузки На рис. 4 представлена зависимость пропускной способности на одного пользователя от предложенной нагрузки. На графике видно, что метод выделения всех СС пользователю позволяет достичь очень весомого улучшения (200 - 300%) этого параметра эффективно-

138

сти при низких и средних нагрузках. Однако выгода от применения этого метода уменьшается с увеличением нагрузки, и при сильных перегрузках исчезает полностью.

Заключение

Б работе рассмотрены два метода балансировки нагрузки на компонентные несущие для систем LTE-Advanced: выделение всех компонентных несущих

пользователю и балансировка методом RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей. Построена математическая модель трафика для рассмотренных методов. На основе построенной модели проведен сравнительных анализ методов балансировки по двум критериям: пропускная способность системы и средняя скорость передачи данных пользователем.

Литература

1. 3GPP 'Draft LTE Advanced Requirements', REV-080057, 2008.

2. 3GPP TS 36.104 v.9.6.0 'Evolved Universal Terrestrial Radio Access; Base Station radio transmission and reception', 2010.

3. 3GPP TS 36.21 1 v.9.1.0 'Evolved Universal Terrestrial Radio Access; Physical Channels and Modulation", 2010.

4. Pokhariyal A., Kolding T.E., Mogensen P.E., 'Performance of downlink frequency domain pocket scheduling for the UTRAN long term evolution', IEEE PIMRC, cc. 1-5, 2006.

5. Wang Y., Pedersen K.I., Mogensen P.E., Sorensen T.B. 'Carrier Load Balancing Methods with Bursty Traffic for LTE-Advanced Systems', IEEE PIMRC, cc. 22-26, 2009.

6. Chen L., Chen W., Zhang X., Yang D., "Analysis and Simulation for Spectrum Aggregation in ITE-Advanced System', IEEE VTC, cc. 1-6, 2009.

7. Тихвинский B.O., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи 1ТЕ: технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

CARRIER LOAD BALANCING METHODS FOR LTE-ADVANCED SYSTEMS Samouylov K.E., Sopin E.S.

In this paper we propose traffic model for orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) used in LTE and LTE-Advanced systems. On the basis of our model carrier load balancing methods are analyzed and QoS parameters such as cell throughput and average user throughput are investigated.

Keywords: LTE-Advanced, elastic traffic, adaptive multirate system.

139