Анализ одной схемы управления доступом к радиоресурсам сети lte1

Анализ одной схемы управления доступом к радиоресурсам сети LTE1

В сетях подвижной связи 4-го поколения LTE для дифференцирования услуг, предоставляемых пользователям, используется система классов (QoS Class identifier, QCI), определяемых на уровне логического соединения (Evolved Packet System Bearer, EPS Bearer). Услуги различных классов отличаются друг от друга наличием или отсутствием гарантированной скорости передачи (Guaranteed Bit Rate, GBR), например, голосовые услуги и передача данных соответственно, приоритетами в обслуживании (Allocation and Retention Priority, ARP), например, приоритет у го-лосовой телефонии выше, чем у видео телефонии, и т.д. Видео услуги могут быть реализованы на базе кодеков, позволяющие при наличии ресурсов, передавать информацию не только на гарантированной, но и на максимальной скорости (Maximum Bit Rate, MBR). В статье построена модель одной соты с двумя классами услуг - голосовая телефония и видео телефония - и с управлением доступом, реализующим принципы дифференцирования с учетом возможного вытеснения менее приоритетных запросов пользователей. В данном случае под вытеснением понимается ухудшение качества предоставления менее приоритетной услуги. Проведен численный анализ, иллюстрирую-щий поведение основных показателей качества обслуживания пользователей голосовой и видео телефонии.

Ключевые слова: НЕ, управление доступом, вероятность блокировки, коэффициент использования, среднее число пользователей

Гудкова ИА,

к. ф.-м. н., старший преподаватель кафедры систем телекоммуникаций РУДН, igudkova@sci.pfu.edu.iv

Маркова Е.В.,

аспирант кафедры систем телекоммуникаций РУДН, mkatyushka@mail.iv

Матвейчук И.В.,

бакалавр кафедры систем телекоммуникаций РУДН, ivmatvejchuk@gmail.com

Введение

Одной из ключевых особенностей сетей связи нового поколения является возможность одновременной поддержки приложений с различными требованиями QoS [1,2]. В LTE классификация предоставляемых пользователям услуг по параметрам QoS осуществляется на уровне установления логического соединения EPS (Evolved Packet System, EPS Bearer) [3, 4, 5]. EPS соединение представляет собой поток IP пакетов, который передается между сетевым шлюзом и пользовательским терминалом с определенными параметрами качества обслуживания. Каждой услуге, предоставляемой пользователям сети LTE, присваивается некоторое значение, называемое идентификатором класса QoS (QoS Class Identifier, QCI). Каждый QCI позволяет определить, к какому классу QoS относится услуга в зависимости от значения ее приоритета обслуживания, допустимой задержки и количества потерянных пакетов. Выделяют два типа услуг: услуги с гарантированной побитовой скоростью передачи (Guaranteed Bit Rate, GBR) и услуги без гарантированной скорости передачи (Non-GBR).

Услуги типа GBR имеют фиксированное значение минимальной скорости передачи. Однако, при наличии свободных ресурсов в сети, возможна передача данных со скоростью большей, чем минимально установленная. Такая скорость передачи называется максимальной по-

битовой скоростью (Maximum Bit Rate, MBR) и ограничивается ресурсами сети или другими дополнительными условиями. Таким образом, MBR может быть либо равной GBR, либо принимать большее значение.

При предоставлении услуг типа Non-GBR сеть не гарантирует даже минимальной скорости передачи данных, поэтому в случае перегрузки может происходить потеря пакетов данных. В данном случае управление ресурсами сети осуществляется при помощи введения суммарной максимальной скорости передачи данных (Aggregate MBR, AMBR), позволяющей дифференцировать услуги по приоритетам в обслуживании.

Также одной из важнейших характеристик предоставляемых услуг является приоритет в обслуживании (Allocation and Retention Priority, ARP). Параметр ARP отвечает за принятие или блокировку запроса на предоставление пользователю услуги, а также управляет перегрузкой сети при помощи вытеснения запросов с наименьшим приоритетом. Под вытеснением понимают как прекращение или прерывание обслуживания менее приоритетных пользователей, так и ухудшение качества менее приоритетных услуг.

Таким образом, для дифференцирования услуг, предоставляемых пользователям, сетью LTE с учетом различных приоритетов и типов логических соединений выделяют девять QCI классов (габл. 1). Все значения параметров QoS, относящиеся к каждому из девяти QCI классов, определены в стандарте [5], это позволяет обеспечить одинаковую обработку запросов на установление соединений оборудованием различных производителей.

Для того чтобы обеспечить соблюдение требований QoS для различных услуг, предоставляемых пользователю, возникает задача расчета основных показателей качества обслуживания, таких как вероятности блокировок, коэффициент использования ресурсов сети, а также среднее число обслуживаемых пользователей, в том числе при помощи методов математической теории телетрафика [6]. Методы расчета этих характеристик представлены в работе [7], однако в данном случае не учитываются приоритеты. Модель [8] гарантирует соблюдение приоритетов за счет реализации механизма

ухудшения качества предоставления услуг с наименьшим приоритетом. Помимо исследования схем управления доступом к радиоресурсам сети LTE возникают задачи межуровневой оптимизации, например, задача минимизации мощности или задача максимизации скорости передачи, которые подразумевают оптимизацию некоторой функции полезности [9]. Отдельно стоит отметить вопрос анализа способов распределения частотного ресурса между сотами [10].

Наиболее простым вариантом для исследования является модель с двумя услугами типа GBR - услугой голосовой телефонии (QC1 = 1, приоритет 2) и услугой видео телефонии (QCI = 2, приоритет 4) - услугами “голос” и “видео” сокращенно. Трафик подобного типа получил название потокового [11]. Голосовая телефония имеет зарезервированный ресурс сети, и в случае необходимости с помощью вытеснения, за счет большего приоритета (параметр ARP), может использовать ресурсы, предназначенные для предоставления видео телефонии.

1. Построение модели многоскоростной системы

с вытеснением заявок

Рассмотрим одну соту сети LTE с суммарной для всех пользователей пиковой скоростью С (например, Кбит/с), пользователям которой предоставляются две услуги: голосовая и видео телефония. Услуга “голос”

Таблица 1

Классификация услуг в сетях LTE

Голосовая

телефония

* и ' Ь

Р2 = *21 > *22

Видео _________У2__________

телефония

п21*21

«22*22

•«1*1

0

1

О

II

OJ

О

Значе- ние QCI Тии требования к ресурсам сети Приоритет в обслуживании Примеры услуг

1 Гарантированная скорость передачи данных GBR 2 Голосовая телефония

2 4 Видео телефония

3 3 Игры в режиме реального времени

4 5 Потоковое видео с буферизацией данных

5 Переменная скорость передачи данных Non-GBR 1 Сигнальный трафик подсистемы IMS

6 6 11росмотр веб-страниц, обмен электронной почтой, обмен файлами по протоколам FTP и P2P для пользователей, подключенных к сети по тарифу, ориентированному на мультимедиа услуги

7 7 Интерактивные игры

8 8 Просмотр веб-страниц, обмен электронной почтой, обмен файлами по протоколам FTP и P2P для привилегированных пользователей

9 9 Просмотр веб-страниц, обмен электронной почтой, обмен файлами по протоколам FTP и P2P для непривилегированных пользователей

n =

Рис. 1, Схема многоскоростной системы с вытеснением заявок

предоставляется на скорости GBR Ь\, тогда как услуга “видео” не только на GBR £>22 > но и на MBR £>21  Приоритет у услуги “голос” выше, чем у “видео”, что, во-первых, отражено в зарезервированной для услуги “голос” скорости - ресурсе С-|. Во-вторых, управление доступом организовано таким образом, что в случае если ресурсов С-) недостаточно для принятия на обслуживание вновь поступившего запроса типа “голос”, то он принимается за счет перераспределения ресурсов, занимаемых пользователями услуги “видео” на MBR, а именно благодаря снижению скорости их обслуживания с MBR на GBR. Не ограничивая общности, примем, что число таких пользователей равно 1, т.е. [/^/(*21-/>22)1 = 1-

Предположим также, что предложенная нагрузка //у^ ,

к =1,2 является пуассоновской и экспоненциальной.

Введем следующие обозначения:

число пользователей, для

П11

предоставления услуги голос кото-

2

рым используется ресурс Cj, Д| -

число пользователей, для предоставления услуги “голос” которым используется ресурс С2 = С - Cj, П21 -число пользователей, которым предоставляется услуга “видео” на скорости MBR, г?22 ~ число пользователей, которым предоставляется услуга “видео” на скорости GBR. Состояние соты будем описывать вектором П = (П11.П12.П21.П22)- Можно

доказать, что пространство всех возможных состояний системы задается множеством

В заключение авторы выражают благодарность профессору К.Е. Самуйлову за важные советы при подготовке статьи, а также студентке магистратуры Н.В. Масловской за помощь в построении модели.

Литература

1. Тихвинским В.О., Терентьев С.В., ЮрчукА.Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

2. Stasiak М., Glabowski М., Wisniewski A., and Zwierzvkowski P. Modelling and dimensioning of mobile wireless networks: from GSM to LTE // Willey, 2010. - 340 p.

3. ETSI 3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2: V. 11.0.0. -ETSI 3GPP.-2011. - 194 p.

4. ETSI 3GPP TS 23.401: General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access: V. 11.0.0. - ETSI 3GPP. -2011.-287 p.

5. ETSI 3GPP TS 23.203: Policy and charging control architecture: V. 11.4.0. - ETSI 3GPP. - 2011. - 167 p.

6. Башарин Г.П. Лекции no математической теории телетрафика: Учеб. пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: РУДН, 2009. - 342 с.

7. Wong Т.С., Mark J.W., and C'hua K.C. Resource allocation in mobile cellular networks with QoS constraints // Proc. of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference WCNC-2002 (March 17-21, 2002, Orlando, Florida, USA). -IEEE. - 2002. - Vol. 2. - P. 717-722.

8. Qian М., Huang Y., ShiJ., Yuan Y., Tian L., and Dutkie-wicz E. A novel radio admission control scheme for multiclass services in LTE systems // Proc. of the 7th IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM-2009 (November 30 - December 4, 2009, Honolulu. I lawaii. USA). - IEEE. - 2009. - P. 1-6.

9. Бутурлин И.А., Гайдамака Ю.В., Самуилов A.K. О задачах максимизации функции полезности для двух алгоритмов межуровневой оптимизации в сети OFDM // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. -2012. - №7. - С. 31-33.

10. Гайдамака Ю.В., Гудкова И.А., Медведева Е.Г. К анализу схем повторного использования частот в беспроводной сети OFDMA II T-Comm — Телекоммуникации и Транспорт. - 2012. - №7. - С.56-60.

11. Гудкова И.А., Маркова Е.В. К анализу вероятностных характеристик простейшей модели с потоковым и эластичным трафиком // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. -2011. - №7. - С.55-58.

Analysis of One Radio Admission Control Scheme for LTE Network

Gudkova Irina A., Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, senior lecturer, igudkova@sci.pfu.edu.ru,

Markova Ekalerina V., Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, PhD student, mkatyushka@mail.ru,

Matveychuk Ivan V., Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, Bachelor of Science, ivmatvejchuk@gmail.com.

Abstract: In mobile networks of 4th generation LTE for differentiation of the services provided to users QoS class identifier (QCI) for classes defined at the EPS bearer level is used. Services of different classes differ from each other in presence or absence of the guaranteed bit rate (GBR), for example, voice services and data transfer respectively, allocation and retention priority (ARP), for example, voice telephony's priority level is higher than video telephony's, etc. Video services can be implemented on the basis of the codices allow'ng in the presence of resources to transfer the information not only at guaranteed, but also at the maximum bit rate (MBR). In this article the model of one cell with two classes of services (voice telephony and video telephony) and with the access control which implements principles of differentiation taking into account possible preemption of users' requests with low-priority is constructed. In this case preemption is understood as degradation of QoS of low-priority service. The numerical analysis which illustrates behavior of main characteristics of the quality of services for users of voice and video telephony is carried out.

Keywords: LTE, radio admission control, blocking probability, utilization, mean user number.