Анализ предоставления услуг мультивещания в сетях LTE в виде системы с групповым обслуживанием заявок

Анализ предоставления услуг мультивещания в сетях LTE в виде системы с групповым обслуживанием заявок

В сетях сотовой подвижной связи третьего и четвертого поколений UMTS и LTE увеличение спроса на высокоскоростные услуги, такие как мобильное вещательное телевидение, видеоконференции, привело к необходимости решения задачи эффективного использования ограниченного объема частотно-временных ресурсов сети. Подход к решению этой зад ачи был найден в проводных сетях, в которых при предоставлении аналогичных услуг применяется многоадресный режим передачи информации, или мультивещание. В беспроводных сотовых сетях для этой цели разработана отдельная подсистема MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), реализующая передачу данных в режимах мультивещания и широковещания. Особенности беспроводной среды, в том числе, мобильность абонентов между сотами, приводят к необходимости постоянного мониторинга наличия пользователей, подключенных к той или иной услуге мультивещания. За подобный мониторинг в рамках нескольких сот отвечает отдельный функциональный элемент архитектуры MBMS — контроллер, — отслеживающий через небольшие по продолжительности такты времени (20 мс) наличие хотя бы одного пользователя, подключенного к каждой из поддерживаемых услуг мультивещания. Контроллер устроен таким образом, что за один такт времени получает информацию не об одной услуге, например, одном телевизионном канале, а сразу о нескольких услугах, т.е. обрабатывает информацию "группами". Именно этот принцип и позволил авторам статьи описать процесс предоставления услуг мультивещания, а если говорить точнее, соответствующий процесс мониторинга, в виде системы с групповым обслуживанием заявок. Проведен анализ ключевой характеристики системы — средней задержки реагирования контроллера на изменение состояния услуги мультивещания — "включена" / "выключена", — что сказывается, в первую очередь, на задержке подключения пользователей к услугам.

Бородакий В.Ю.,

Начальник центра ЗАО "ВИВОСС и ОИ", к.т.н., bvu@systemprom.ru

Гудкова И.А.,

Доцент кафедры систем телекоммуникаций РУДН, к.ф.-м.н., igudkova@sci.pfu.edu.ru

Острикова Д.Ю.,

Аспирант кафедры систем телекоммуникаций РУДН, dostrikova@gmail.com

Введение

В настоящее время активное развитие получили сотовые сети следующих за 30 поколений, а именно сети ЬТЕ [1,2]. Они предоставляют широкий перечень мультимедийных услуг и поддерживают высокие скорости передачи данных, что соответствует постоянно возрастающим запросам абонентов. Услуги, предоставляемые в сетях ЬТЕ, можно разделить на девять типов [3], которые, в свою очередь, делятся на услуги с гарантированной скоростью передачи, например, как голосовая и видео телефония, и услуги с переменной скоростью передачи, например, как просмотр вебстаниц и обмен электронной почтой.

С увеличением спроса на высокоскоростные услуги появилась потребность в эффективном использовании ресурсов сети. Для решения этой проблемы используется многоадресный режим передачи информации, или технология мультивещания (ротМо-тиШроиИ). В современных

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.U02.21.1874, проект 8.7962.2013) и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-07-00953-а..

сотовых сетях, начиная с третьего поколения (UMTS, Release 6) для данной цели была разработана отдельная подсистема MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service). В сетях четвертого поколения (LTE, Release 8) эта подсистема получила название E-MBMS (enhanced MBMS) [4—7].

К подсистеме MBMS выдвигается ряд требований, одним из которых является процесс постоянного мониторинга наличия пользователей, подключенных к той или иной услуге мультивещания. Выполнение этого требования необходимо для того, чтобы избежать занятия частотновременных ресурсов соты, в которой нет ни одного пользователя, заинтересованного в получении данной услуги мультивещаиия. Первоначально это требование предполагалось выполнять путем подсчета пользователей, заинтересованных в ее получении. Однако данная процедура требует большого количества ресурсов для передачи сигнальной информации между пользователями и сетевым контроллером (в качестве которого выступает, например, базовая станция). Очевидным решением, снижающим нагрузку на сеть раднодоступа, является:

1) переход от подсчета точного количества пользователей к определению наличия в соте хотя бы одного пользователя, заинтересованного в получении услуги мультивещаиия;

2) перемещение сигнального трафика с верхних уровней стека протоколов на нижние, в том числе первый физический уровень (L1).

Эти соображения послужили основой для ряда предложений, разработанных научно-исследовательскими коллективами в части разработки новых стандартов 3GPP. В частности, были предложены сначала метод [8], основанный на

Ключевые слова:

мультивещание, MBMS, мобильное вещательное телевидение, система с групповым обслуживанием.

временном мультиплексировании информации о различных услугах, а затем метод [9], основанный на кодововременном мультиплексировании информации о различных услугах, позволяющий за один тает времени получать информацию уже не об одной услуге, а о группе услуг. Необходимо отметить, что метод [9] применяется в конечных решениях поставщиков услуг в сетях LTE. В [9,10] предложена математическая модель мониторинга наличия в соте пользователей, заинтересованных в услугах мультивещания в виде системы массового обслуживания (СМО) с групповым обслуживанием заявок. Подобные системы применяются, например, для исследования сигнального трафика протокола SCTP [11]. Отметим, что аппарат теории массового обслуживания и математической теории телетрафика также широко применяется для анализа принципов управления радиоресурсами в сетях LTE, в частности, для решения задач управления доступом [12] и управления межсото-вой интерференцией [13].

1. Характеристика и механизмы реализации

технологии мультнвещания в сетях LTE

В сетях LTE услуги мультивещания предоставляются в режиме односотовой передачи (single-cell transmission, информация передается в пределах одной соты), и многосотовой передачи (multi-cell transmission, информация передается в пределах нескольких сот). При этом многосотовая передача для выделенной услуги реализуется посредством синхронизации работы базовых станций и одновременной передачи идентичных радиосигналов на территории нескольких сот. Такой режим передачи принято называть одночастотной групповой вещательной сетью MBSFN.

Рассмотрим архитектуру подсистемы MBMS, которая является дополнительным компонентом, встроенным в базовую архитектуру сети LTE. На рис. 1 ключевые элементы базовой архитектуры отмечены белым цветом, а элементы подсистемы MBMS - серым цветом. Компоненты подсистемы MBMS входят как в сеть радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN), так и в базовую сеть (Evolved Packet Core, ЕРС). На рисунке также отмечены интерфейсы между элементами архитектуры — как для передачи медиа-трафика (сплошные линии), так и для сигнального трафика (пунктирные линии).

Рис. 1. Архитектура сети LTE с подсистемой MBMS

Елавным элементом в архитектуре сети сотовой связи для оказания услуги MBMS является центр вещательных услуг BM-SC (Broadcast Multicast Service Center). Центр BM-SC осуществляет функции обработки запросов пользователей, инициации, управления и прекращения соединения, тарификации, а также может выступать в роли входной точки для третьей стороны (контент-провайдера), желаю-

щей предоставлять свои услуги через подсистему MBMS вещания оператора.

Шлюз мультимедийного вещания MBMS GW (MBMS Gateway) контролирует входящий широковещательный/многоадресный график. Его роль заключается в гранс-ляции пакетов на все базовые станции в пределах зоны обслуживания, а также в управлении MBMS сессиями (например, начало сессии и окончание сессии).

Узел управления мобильностью ММЕ (Mobile Management Entity) не только сетевой элемент архитектуры MBMS, но и ключевой контролирующий модуль для сети доступа LTE, выполняющий все задачи, не связанные с воздушным интерфейсом, а именно процедуры обеспечения мобильности, хэндовера, слежения и пейджинга.

Ключевым элементом архитектуры подсистемы MBMS является контроллер (Multi-cell/Multicast Coordination Entity, MCE) ответственный за распределение частотно-временных ресурсов для многосотовой MBMS передачи. MCE является логическим узлом, который может являться либо отдельным элементом сети, либо интегрирован в базовую станцию.

Интерфейс между пользователем и сетевым контроллером к настоящему времени не до конца стандартизован, именно поэтому существует множество решений по организации их взаимодействия. Одним из решений является процесс мониторинга сетевым контроллером наличия пользователей, подключенных к той или иной услуге мультивещания.

• Диаграмма установления сессии мультивеща-

ния, представленная на рис. 2, состоит из трех основных процедур: с точки зрения пользователя - это подписка на услугу, подключение к услуге и отключение от услуги; с точки зрения BM-SC - это объявление о начале предоставления услуги, начало сессии и конец сессии. Причем данные процедуры может инициировать как пользователь (вариант I), так и BM-SC (вариант II).

Объявление о начале предоставления услуги

Подключение к услуге

Отключение от услуги

Рис. 2. Диаграмма установления и завершения сессии мультивещания

• «Subscription» - Пользователь подписывается на услугу, посылая сообщение subscription центру вещательных услуг BM-SC, который, в свою очередь, записывает информацию о подписанных абонентах.

• «Service announcement» - BM-SC посылает пользователю IP-адрес услуги и время начата вещания в сообщении service announcement.

• «Joining» - Пользователь подключается к услуге, посылая BM-SC сообщение joining. Тем самым, пользователь становится членом определенной группы.

• «Session start» - BM-SC информирует MBMS GW о начале оказания услуги при помощи сообщения session start.

• «MBMS notification» - BM-SC сообщает пользователям о начале передачи данных при помощи сообщения MBMS notification. После этого между пользователями и BM-SC устанавливается сессия для обмена данными.

• «Session stop» - BM-SC сообщает MBMS GW об окончании предоставления услуги при помощи сообщения session stop. Затем происходит разъединение.

• «Leaving» — Пользователь информирует систему о том, что больше не может принимать данные, посылая сообщение leaving.

2. [lociроение модели мониторинга

предоставления услуг мультивещания

В сетях LTE выделение частотно-временных ресурсов для услуги мультивещания происходит после того, как пользователь подписывается на эту услугу, при этом он может не сразу ее подключить. Таких пользователей будем называть заинтересованными. Освобождение частотновременных ресурсов происходит тогда, когда в соте нет ни одного заинтересованного пользователя. Поэтому необходимо отслеживать, существует ли в соте хотя бы один пользователь, заинтересованный в получении услуги мультивещания. По реализации данного процесса мониторинга было предложено несколько решений, одно из которых рассматривалось в данной работе. Метод [9] основан на кодововременном мультиплексировании информации о различных услугах, позволяющий за один такт времени получать информацию уже не об одной услуге, а о группе услуг.

В упомянутом выше процессе мониторинга сетевой контроллер широковещательно опрашивает пользователей относительно услуг мультивещания по протоколу RRC. Если пользователь заинтересован в услуге, то он посылает ответ по канату случайного доступа RACH. После получения положительного ответа в виде преамбулы от первого пользователя в соте относительно данной услуги, сетевой контроллер широковещательно посылает подтверждение получения ответа и останавливает процедуру мониторинга относительно этой услуги для всех пользователей данной соты. Такая последовательность действий выполняется для всех К услуг. Данная процедура мониторинга длится 20 мс.

Рассмотрим процесс мониторинга более подробно. Кон-теиг-провайдер предоставляет услуги через подсистему MBMS, а сетевой контроллер хранит информацию о подключенных услугах в виде таблицы. Изменение в таблице происходит двумя способами: информация в таблицу добавляется после того, как пользователь подписывается на новую услугу, т.е. у этой услуги начинается период «ON»; информация из таблицы удаляется в конце периода опроса, если ни один пользователь не ответил относительно данной

услуги за этот период. Таким образом, данный процесс можно описать СМО с групповым обслуживанием заявок, где заявка - это начало периодов «ОН» суммарно по услугам, время обслуживания - период между соседними опросами пользователей, подписанных на услугу. При этом отметим, что обслуживание является детерминированным, а заявки могут поступать на обслуживание, если их в очереди меньше К. Однако, в [9] рассматривается модель с экспоненциальным обслуживанием, а заявки могут поступать на обслуживание, только если их в очереди больше или равно К.

Y-------V--------^-------V-------^--------Y-------время

1 Интервал опроса 2 Имтермл опроса 3 Нигерия опроса 4

пользователей на пользователей на пользователей на

подключение К услуг подключение а: услуг подключение а: услуг

Рис. 4. Кодово-временное мультиплексирование информации о различных услугах мультивещания

В терминах ТМО прибор с интенсивностью // = | / Т обслуживает одновременно К заявок, где Т - средняя длина временного интервала опроса пользователей. Предположим, что поступление заявок на обслуживание представляет собой пуассоновский поток интенсивности д _ у i , где

/L. интенсивность поступления на обслуживание / -заявки,

N- число заявок.

Таким образом, в качестве математической модели мониторинга наличия в соте пользователей, заинтересованных в услугах мульгивещания в сетях LTE может быть рассмот-

репа система массового обслуживания М / М 1*1 /1 / оо с групповым обслуживанием заявок.

На рис. 5 представлен граф интенсивности переходов марковского процесса, описывающего функционирование рассматриваемой СМО, где под состоянием понимается общее число заявок в системе:

Л Л Л ' '

2К-1 2К

и и и и

Рис. 5. Граф интенсивностей переходов

Пусть р вероятность того, что в некоторый момент

времени система находится в состоянии у. Тогда соответствующая система уравнений равновесия имеет вид:

Лр0 = /'Рк  Лр]=Лрн+ ///>*+;, 1<7<*-1

(Л + /;)/>, = Лрм + /лрк+)'

Из вероятностных характеристик построенной модели наибольший интерес представляет средняя задержка реагирования контроллера на изменение состояния услуги мультивещания — «включена» / «выключена»:

1) для К = 1 /у - Р

2)

М'-р)

для л: >1 \у _ -0 + 2___1_>

2Л(гк-\) »

где 2К \гк | > 1 - корень уравнения Лгк*] -(Я+/и)гк +// = 0.

Поведение данной характеристики в зависимости от суммарной интенсивности предложенной нагрузки при /у = 1 / 20 мс_| И Р = я / р е (0,8) Эрл представлено на рис. 6.

Рис. 6. Средняя задержка реагирования контроллера на изменение состояния услуги мультивещания

Анализируя данный рисунок, можно сделать вывод о том, что при сравнительно небольшой нагрузке средняя задержка реагирования контроллера на изменение состояния услуги мультивещания зависит от времени формирования группы заявок. Действительно, чем меньше нагрузка, тем реже поступают заявки, и тем больше требуется време-

ни для формирования группы, и, следовательно, тем большее значение средней задержки. При увеличении интенсивности поступления заявок в систему средняя задержка реагирования контроллера на изменение состояния услуги мультивещания убывает до некоторого минимального значения, а потом начинает возрастать, так как группы заявок накапливаются в очереди на обслуживание.

Заключение

Предложенная в [9,10] модель СМО не в полной мере корректно описывает процесс подключения пользователей к услугам мультивещания. В построенной модели поступление группы заявок на обслуживающий прибор производится только в том случае, когда в очереди находятся по крайней мере К заявок. Поэтому в дальнейшем планируется оптимизировать предложенную модель, чтобы размер группы не был фиксированным, и на обслуживание могли поступать заявки, даже если их в очереди меньше К.

Литература

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

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

3. 3GPP TS 23.203: Technical Specification Group Services and System Aspects; Policy and charging control architecture (Release 11), 2012.

4. 3GPP TS 22.146: Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Stage 1 (Release 11), 2012.

5. 3GPP TS 23.246: Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description (Release 11), 2012.

6. 3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 11), 2012.

7. 3GPP TS 25.346: Introduction of the Multimedia

Broadcast/Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN); Stage 2 (Release 11), 2012.

8. 3GPP R2-062271: Layer 1 signalling based user detection for LTE MBMS.-2006.

9. 3GPP R2-072758: LTE MBMS User Detection Scheme. - 2007.

10. Sheng Y„ Guo X., Peng M, and Wang W. Analysis of novel user detection scheme based on polling for e-MBMS networks // Proc. VTC Fall 2008, 2008.-P. 1-5.

11. Самуилов K.E.. Перишков H.B.. Гудкова И.А. Построение и анализ моделей системы с групповым обслуживанием заявок // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика», 2007. -№3-4.-С. 45-52.

12. Gudkova /.A. andSamouylov К.Е. Modelling a radio admission control scheme for video telephony service in wireless networks // Lecture Notes in Computer Science, 2012. - Vol. 7469. - P. 208-215.

13. 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 Modem Telecommunications and Control Systems ICUMT-2012 (October 3-5, 2012, St. Petersburg, Russia). - IEEE, 2012. - P. 311-314.

Batch service queue model for analyzing monitoring scheme of multicast services in LTE networks

Vladimir Y. Borodakiy, 'V/VOSS and Ol", Head of the Center, bvu@systemprom.ru,

Irina A. Gudkova, Peoples1 Friendship Universiy of Russia, Telecommunication Systems Department, associate professor, igudkova@sci.pfu.edu.ru,

Darya Y. Os rikova, Peoples1 Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, PhD student, d.oslTikova@gmail.com

Abstract: In the 3G and 4G mobile communication systems (UMTS and LTE) appeared the necessity of resolving the problem of efficient use of limited time-frequency network's resources due to the increase of demand for high-speed services, such as mobile television broadcasting or video conferences. The approach of this problem's resolution was found in wired networks, where the same services are provided along with the multi-address information transfer mode, or multicasting. For this purpose in the wireless mobile networks was elaborated the subsystem MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), which realizes the data transfer in multi- and broadcasting mode. Certain particularities of the wireless communication medium, including mobility of subscribers across several cells, result in necessity of constant monitoring of presence for subscribers, who are connected to one or another multicasting service. There is a separate functional unit in the MBMS architecture, the controller, which performs this monitoring inside several cells and traces the presence of at least one subscriber, connected to every of supported multicasting service - and every very little time interval (20 ms). The controller is so constructed that it receives information not about one single service (e.g., one television channel), but about several services at once - thus, it processes information in groups. This very approach let the article's authors describe the process of multicasting services providing or, more properly, the corresponding monitoring process as the queue system of group serving of requests. The article also provides analysis of key system characteristic - the average delay in the controller's response to states' changing of the multicasting service - "on"/"off" - which, first of all, has the impact on the delay of connection of users to these services.

Keywords: LTE, multicasting, MBMS, mobile broadcast television, batch seivice queue.