Модель управления доступом к радиоресурсам с индивидуальными потолками на скорость передачи данных в сети LTE

Модель управления доступом к радиоресурсам с индивидуальными потолками на скорость передачи данных в сети LTE

Сети подвижной связи 4-го поколения НЕ предполагают предоставление пользователям мультимедиа услуг в любом месте и в любое время. Одни услуги предоставляются на постоянной скорости, например, голосовая и видео телефония, другие — на переменной — услуги передачи данных, например, просмотр веб-страниц, обмен электронной почтой, файлами и т.д. Услуги, предоставляемые на постоянной скорости, генерируют потоковый трафик. Услуги, предоставляемые на переменной скорости, принято относить к эластичному трафику. Разные типы услуг передачи данных отличаются друг от друга, в первую очередь, объемом данных. Безусловно, помимо этого параметра, на задержку передачи данных влияют и технические характеристики абонентских устройств, которые не обязательно поддерживают стандарт 4-го поколения НЕ, что накладывает ограничения на максимально достижимую скорость передачи данных. В статье предложена модель соты сети НЕ с двумя типами услуг передачи данных, скорость передачи которых может динамически варьироваться от максимального "индивидуального потолка" до минимального значения, необходимого для соблюдения требований ко времени передачи данных. Значение минимальной скорости передачи данных определяется в соответствии с ограничением, установленным на максимальное число передаваемых блоков данных. Данные передаются на максимальной для них скорости в случае невысокой загрузки соты. Если же загрузка соты становится такой, что обеспечить каждому передаваемому блоку данных максимальную скорость представляется невозможным, то скорости снижаются пропорционально индивидуальным потолкам до тех пор, пока общее число передаваемых блоков данных не достигнет порогового значения. В связи с тем, что для моделей схем доступа, реализующих одновременно пороговое управление и снижение скорости передачи информации, стационарное распределение вероятностей состояний моделей не представимо в аналитическом мультипликативном виде, для расчета вероятностной характеристики модели — вероятности блокировки запросов на передачу данных двух типов предложен приближенный метод.

Ключевые слова: LTE, управление доступом к радиоресурсам, Non-GBR, негарантированная скорость, индивидуальный потолок, приближенный метод, вероятность блокировки.

Гудкова ИА,

Российский Университет Дружбы Народов (РУДН), Доцент кафедры систем телекоммуникаций РУДН, к.ф.-м.н., igudkova@sci.pfu.edu.ru

Маркова Е.В.,

Российский Университет Дружбы Народов (РУДН), Ассистент кафедры систем телекоммуникаций РУДН, mkatyushka@mail.ru

Введение

В настоящее время технологическое развитие сетей подвижной связи направленно на внедрение стандартов 4-ого поколения LTE и LTE-Advanced [1], позволяющих расширить спектр предоставляемых пользователям услуг. Согласно рекомендациям (TS 36.300, TS 23.401, TS 23.203) консорциума 3GPP каждый тип услуг, отличается друг от друга приоритетами и требованиями к качеству предоставления услуги, которые могут быть выражены, например, в ограничениях на потери пакетов, на скорость передачи данных и т.д. По скорости весь спектр услуг делится на два класса: услуги с гарантированной скоростью передачи данных (Guaranteed Bit Rate, GBR) - например, голосовая и видео телефония, - и услуги без гарантированной скорости передачи данных (Non-GBR) -например, электронная почта, просмотр веб-страниц, интерактивные игры и т.д.

Для обеспечения требуемого качества предоставления услуг, и учитывая ограниченность частотного диапазона, перед

сотовыми операторами возникает необходимость оптимального распределения радиоресурсов. Поэтому актуальными являются задачи разработки различных схем управления доступом к радиоресурсам сети LTE [2-8], а также управления распределением радиоресурсов между пользователями, управления межсотовой интерференцией и пр. [9-12]. Управление доступом может быть реализовано как за счет введения ограничений на скорость передачи данных [2-4] в случае перегрузки сети, так и за счет введения правил приема новых запросов [5,6]. Алгоритмы управления доступом направлены на оптимизацию некоторой функции, например, максимизирующей число пользователей в соте [2] или минимизирующей число пользователей, скорость передачи данных для которых должна быть снижена [3]. Ухудшение качества предоставления услуг может осуществляться как для одного определенного оператором класса услуг [4], так и для всего спектра услуг [5]. Для анализа эффективности различных схем управления доступом используются математические методы, в первую очередь, методы теории массового обслуживания и математической теории телетрафика [13].

Большинство схем управления доступом предложены исследовательским коллективом для услуг, предоставляемых пользователям на гарантированной скорости (GBR) [2,4,7,8]. Однако, в связи с тем, что доля трафика передачи данных составляет большую часть от всего создаваемого различными услугами трафика, построена модель схемы управления доступом для услуг, предоставляемых пользователям без гарантированной скорости (Non-GBR).

Рассматривается сота сети LTE, пользователям которой предоставляются две услуги передачи данных. Скорость передачи данных зависит не только от технических характеристик базовой станции и сети радиодоступа, но и от характеристик используемых мобильных устройств, что приводит к различным значениям максимальных скоростей, на которых передаются данные. Для обеспечения гарантированного времени передачи данных не зависимо от характеристик используемых устройств вводится пороговое значение на максимальное число запросов, принимаемых в сеть на обслуживание. Таким образом, определены индивидуальный потолок на скорость - максимальная скорость передачи данных, предоставляемая пользователям при наличии свободных ресурсов в сети [14], и порог на суммарное число передаваемых блоков данных [15]. В случае перегрузки сети снижение скорости происходит пропорционально индивидуальному потолку услуги, т.е. осуществляется ухудшение качества предоставления услуги (service degradation), которое также называется «частичным прерыванием» (partial preemption) [4]. В следующих разделах построена модель соты с индивидуальными потолками на скорость передачи данных и порогом на число передаваемых блоков данных и предложен приближенный метод расчета вероятности блокировки.

1. Построение модели управления доступом

с ухудшением качества обслуживания пользователей

Рассмотрим еоту сети LTE с пиковой пропускной способностью С единиц канального ресурса (ЕКР) [бит/с], поддерживающую передачу блоков данных двух типов. Каждый тип данных характеризуется индивидуальным потолком на скорость. Обозначим максимальное число ЕКР. которые могут быть выделены для передачи блока данных ¿-типа d,

к = 1,2- Будем считать, что d{ > d2

Предполагается, что входящий поток запросов на передачу блоков данных ¿-типа является пуассоповским с интенсивностью Я, [1/ед.вр, = 1/с], а длина блока распределена по экспоненциальному закону со средним 0 [ЕКРхед.вр. — бит]. Обозначим рк г-Аквк [ЕКР] соответствующую интенсивность предложенной нагрузки, ¿ = 1,2-

Пусть пк число передаваемых блоков данных ¿-типа, к-1,2- Тогда вектор (/?,,«,} описывает состояние соты в

некоторый момент времени. Обозначим у >

lA

пороговое

меньше , а суммарное число передаваемых блоков данных меньше порогового значения т.е. при пМ, + > С -о1, и <N скорость передачи блока данных равна

^ /(а,и2) = -—----<| - коэффициент

ухудшения качества обслуживания. Отметим, что снижение скорости происходит одновременно для обоих типов данных и пропорционально Индивидуальным потолкам ¿¡х и (/,.

Запрос на передачу блока данных ¿-типа блокируется, если суммарное число передаваемых блоков данных равно пороговому значению N, т.е. при л, + л, = N, к - 1,2

0 0 0 0

АЛ

i.è

d,

d.

tf,

dJ{U

dj( U

d,f

d,f{ 1.4

dj( 1,4

¿¿/(1,4

urn

ij{ 1,5

IJ{1,5

1J{\,5

lf( 1.5

lf{ 1,5

l,J( 1.5

Q a s

о с.

ю

и (IS

J2f( 1.5

/./(1.5

¿/(1.5

Рис, 1. Принцип ухудшения качества обслуживания

Функционирование рассматриваемой системы описывает двумерный случайный процесс над пространством состояний X:

Х=!(л^л,): п, >0л2 >0, цс!, <С\'( 1/Д >Слп, +>г2 <Л,Г)| = ={(«,,»>): ^>(Ы>0, ^+л,<Л'{.

На рис. 2 представлена диаграмма интенсивностей переходов.

(л,,л,)еХ

n.d. + n2d1 <С -d. n.d. + iud, < С - d.

и, +1 ,n.

значение суммарного числа передаваемых блоков данных, т.е. л, + < N.

Управление доступом к радиоресурсам соты сети LTE реализовано следующим образом (рис. 1):

Запрос на передачу блока данных ¿-типа принимается на обслуживание на максимальной скорости, если на момент его поступления число свободных ресурсов соты больше либо равно dk, т.е. при ^d, + < С - dk скорость передачи

блока данных равна dk.

Запрос на передачу блока данных ¿-типа принимается на обслуживание на скорости меньшей чем максимальная, если на момент его поступления число свободных ресурсов соты

n,d, + n2d2 > С-d, л, + |,л

Л Т

п. * О, n.d, + л,Л > С л. -1, и,

и,, л, +

Л А

ft

л,,л, + 1

л,, л.

в,

К К!

Л. - Lu, л.,л, - I

л,</, + n2d2 >C-d2

4 ft

л.,л, -1

л, * 0. n.d. + > С

d,

— л, ft '

n,dl + n2d1 < С, y,idl + tud2 £ C, By * 0 П; * 0

l'ut. 2. Диаграмма интенеивностеп переходов.

У

«(»H*,

Cd,n ЧК >

где

= X P{(w,,/i,)e Х(«)| и, +и, «л} Р{п, +И, = ж

¿It^t'"-') '

K,(N,{/j)) = X ^(^,«-17,) = = X «lÎifiij.iïjVe Х(и)| и, +«2 = в}Р{И| = iïJ-»

X

Отметим, что q

Таким образом, вероятность того, что в сиетеме передается ровно п блоков данных ] и 2-ти па Pf и) / У. д( и) •

л-0

А вероятность блокировки запросов на передачу блоков данных 1,2-типа:

п-Ч

Заключение

Построена модель соты сети LTE с даумя типами данных, передаваемых либо на максимальной скорости, либо на скорости меньше максимальной, но зависящей от индивидуального потолка. Так как распределение вероятностей состояний системы не представимо в мультипликативном виде, предложен рекуррентный алгоритм для получения приближенного решения и расчета одной из основных характеристик модели - вероятности блокировки запроса на передачу блока данных 1,2-тина. 13 дальнейшем пред] г слагается провести численный эксперимент, направленный на определение точности предложенного алгоритма, а также расчет основных характеристик модели.

Авторы статьи выражают благодарность доценту кафедры систем телекоммуникаций Гайдамака Ю.В. за ценные советы но разработке приближенного .метода.

Литература

1. Stasiak M., GtabowsM M. WisniewsM A., and Zwierzykowski P. Modelling and dimensioning of mobile wireless networks: from GSM to LTE. Wiliey, 2010.340 p.

2. Qian M.. Huang Y., Shi J., Yuan )', Tian L., and Dutkiewicz E. A novel radio admission control scheme for multiclass services in LTE systems /11 roc, of the Till IEEE Global Telecommunications Conference G LOB ECOM-2009, IEEE, 2009. Pp. 1-6.

3. Nasser N. and Hassanein H. Combined admission control algorithm and bandwidth adaptation algorithm in multimedia cellular networks for QoS provisioning / Proc. of the I 7th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering С С ECE-2004, IEEE, 2004, vol. 2. Pp. 1183-1186.

4. Khabozian M., Kubbar O.. and Hassanein H. A fairness-based pre-emption algorithm for LTE-Advanced / Proc. of the 10th IEEE Global Télécommunications Conference GLOBECOM-2012, IEEE,

2012. Pp. 5320-5325.

5. Kwan R.. Arnott R.. Trivisonno R.. and Kubata M. On preemption and congestion control for LTE systems / Proc. of the 72nd Vehicular Technology Conference VTC2010-Fall, IEEE, 2010. Pp. 1-5.

6. Rashwan A.M.. Taha A.-E.M., and Hassanein H.S. Considerations for bandwidth adaptation mechanisms in wireless networks / Proc. of the 24th Biennial Symposium on Communications QBSC-2008, IEEE, 2008, Pp. 43-47. '

7. Borodakiv V.Y.. Gudkova /Л., Samouylov K.E.. and Markova E.V. Modelling and performance analysis of pre-emption based radio admission control scheme for video conferencing over LTE i Proc. of the 2014 ITU Kaleidoscope Academic Conference, 2014. Pp. 53-59.

8. Gudkova J.A. and Samouylov K.E. Modelling a radio admission control scheme for video telephony service in wireless networks / Lecture Notes in Computer Science, 2012, vol. 7469. Pp. 208-215.

9. Samouylov K.E. and Gudkova I.A. Analysis of an admission model in a fourth generation mobile network with triple play traffic / Automatic Control and Computer Sciences, 2013, vol. 47, no.4. Pp. 202-210.

10. Gudkova LA. and Samouylov K.E. Modelling a radio admission control scheme for video telephony service in wireless networks / Lecture Notes in Computer Science, 2012, vol. 7469. Pp. 208-215.

11. Borodakiy V. Y.. Butwlin ¡.A.. Gudkova I.A., and Samouylov K.E. Modelling and analysing a dynamic resource allocation scheme for M2M traffic in LTE networks / Lecture Notes in Computer Science,

2013, vol.8121.Pp. 420-426.

12. Samouylov K.E.. Gudkova I.A., and Maslovskaya N.D. A model for analysing impact of frequency reuse on inter-cell interference in LTE network / Proc. of the 4th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems ICUMT-2012. IEEE, 2012. Pp. 298-301.

13. Basilar in G.P., Gaidamaka Y.V., and Samouylov K.E. Mathematical theory of tcletraffic and its application to the analysis of multiservice communication of next generation networks / Automatic Control and Computer Sciences, 2013, vol. 47, no. 2. Pp. 62-69.

14. Bonald T. and Virianio J. A recursive formula for multirate systems with elastic traffic / IEEE Communications Letters. 2005, vol. 9, no. 8, Pp. 753-755.

15. Bonald T. and Tran M.-A. Balancing elastic traffic sources / IEEE Communications Letters, 2007, vol. 11, no. 8. Pp. 692-694.

On radio admission control scheme model for non real-time services with maximum bit rate in LTE network

Irina A. Gudkova, Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, associate professor, igudkova@sci.pfu.edu.ru Ekaterina V. Markova, Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, Teaching Assistant, mkatyushka@mail.ru

Abstract: One of the main goals of mobile network 4th generation LTE is providing users of wireless multimedia services anywhere and at any time. One services provided on guaranteed bit rate - voice and video telephony, the others - on variable bit rate, for example, data services: web browsing, e-mail, file sharing, etc. Services provided on guaranteed bit rate correspond to streaming traffic. Services provided wthout guaranteed bit rate correspond to elastic traffic. Different types of data services differ from each other, first of all, in data volume. Certainly, in addition parameter, transfer lag of data is influenced also by technical features of subscriber devices, which not necessarily support the standard of the 4th generation of LTE that superimposes restrictions on the maximum data rate. The paper presents a model of cell LTE network with two types of data services, bit rate can dynamically vary from maximum "a personal ceiling" to the minimum value, which is necessary for observance of requirements to transmission time. The value of minimum bit rate is determined in accordance with a restriction imposed on the maximum number of transferred data blocks. Services are provided on maximum bit rate in case of low loading of cell. If cell loading such that it is not possible to transfer data of both types on maximum bit rate, bit rate to decrease in proportion to personal ceilings. Due to the fact that the state probability distribution of model can not be represented in an analytical form, for calculation of blocking probability the approximate method is offered. Keywords: LTE, radio admission control (RAC), Non-Guaranteed Bit Rate (Non-GBR), approximate method, blocking probability