Бенавидес Эдуард Эдгарович
Факультет компьютерных информационных технологий и
автоматики
Кафедра автоматики и телекоммуникаций
Специальность «Телекоммуникационные системы и сети»
Разработка и исследование алгоритмов балансировки нагрузки на базовые станции в сетях LTE
Научный руководитель: к.т.н. Дегтяренко Илья
Вячеславович
Реферат
Содержание
Вступление
3. Определение оказываемых услуг
4. Критерий выбора базовой станции
6. Анализ результатов моделирования
С каждым днем в мире увеличивается потребность иметь возможность широкополосного доступа везде, где бывает современный человек, не только дома или в офисе, но и в транспорте, на улицах. Из прогнозируемого числа в 1.8 млрд людей, которые к 2012 году обзаведутся широкополосным доступом, примерно две трети будут пользоваться им в мобильном варианте, причем большинство таких пользователей получат услуги благодаря сетями с поддержкой HSPA (High Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution).
При внедрении сетей LTE появятся новые услуги, ранее не доступные при мобильном беспроводном доступе, например, интерактивное ТВ, мобильный видео-блоггинг, современные онлайновые игры и др. Повышение пропускной способности позволит в полной мере обеспечить пользователей данными услугами. Опыт, полученный при эксплуатации сетей с поддержкой HSPA показал, что если оператор обеспечивает качественное покрытие, предоставляет необходимые услуги и терминалы, использование мобильного широкополосного доступа быстро обретает популярность.
Для минимизации затрат оператора на развертывание сети LTE можно использовать концепцию Self Organizing Network – SON. Использование SON позволяет управлять диаграммой направленности антенн, дает возможность балансировать нагрузку на базовые станции. При внедрении уменьшаются операционные затраты за счет автоматизации выполнения типовых работ при планировании, разворачивании и оптимизации работы сети [8].
1. Постановка проблемы
Во всех мобильных сетях существует такая проблема, что пользователи расположены на территории не равномерно. Это связано со скоплением внутри общественных центров, парков, с перемещением абонентов в течении дня. В следствии, загрузка базовых станций оказывается не равномерной, некоторые базовые станции используются не эффективно, а другие перегружены и предоставляют пользователям услуги с низкими показателями качества.
В сетях LTE базовые станции имеют основную и периферийную зоны. Основные зоны не пересекаются. Периферийные зоны могут пересекаться. В периферийных зонах можно выбрать к какой из базовых станций подключить пользователя. В модели должен будет реализован критерий выбора.
Критерий должен учитывать скорость на которой может быть обслужен пользователь каждой из базовых станций, затухание, джитер, задержку сигнала. Таким образом пользователь будет подключен к наименее загруженной базовой станции с наилучшими характеристиками качества обслуживания.
2. Моделирование покрытия
Для реализации модели нужно определить покрытие и расположение абонентов. Количество базовых станций возьмем 225, абонентов 900.
Для расчета радиуса основной и периферийной зоны будет использована модель распространения радиоволн SUI. Данный метод основан на анализе результатов экспериментальных исследований функционирования сетей в частотном диапазоне 1,9 – 3,5ГГц, хотя и корректен для более высоких частот, однако на частотах свыше 5 ГГц точность расчетов заметно снижается. Типичные условия применения данной модели распространения радиоволн следующие [1]:
– радиус ячеек от 100 м до 8 км;
– антенны приемников смонтированы на стенах или крышах с 2-10 метровым возвышением;
– высота подвеса антенны базовой станции от 10 до 80 м.
В методе заложена высокая (80 – 90 %) вероятность приема в ячейке. Метод основан на анализе результатов экспериментальных исследований функционирования сетей рассматриваемого частотного диапазона.
Классифицируется три типа местности: тип А – соответствует максимальному затуханию сигнала в радиоканале и характеризуется холмистой местностью, покрытой от умеренной до густой растительностью; тип В – соответствует умеренному затуханию сигнала в радиоканале и характеризуется либо холмистой с небольшой растительностью местностью, либо ровным рельефом с плотностью растительности от умеренной до большой; тип С – соответствует минимальному затуханию сигнала в радиоканале и характеризуется плоским рельефом со скудной растительностью [1].
Для модели выбран частотный диапазон LTE 2,1 ГГц,
Затухание будет рассчитываться по формуле:
где A – определяет потери мощности при распространении волны в свободном пространстве на расстояние, равное опорному расстоянию d0; a,b,c – константы, зависящие от типа местности; hy – высота подвеса передающей антенны; d – расстояние до передающей антенны; Xf – корректирующий частотный параметр; Xh – корректирующий параметр, обусловленный высотой подвеса приемной антенны h; yv – среднеквадратическое отклонение величины ослабления мощности; x – случайная величина, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и единичным среднеквадратическим отклонением.
Высоту подвеса передающей антенны можно установить в модели, для опыта выбрана высота 10 м. Чем больше высота поднятия антенны, тем меньшие значения затухания мы будем получать.
При расчете радиуса покрытия необходимо учесть мощность передатчика, затухание в канале и чувствительность приемника.
Координаты базовых станций задаются случайным образом, но так чтобы основные зоны не пересекались. Расположение абонентов также случайно. Результат моделирование покрытия представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Расположение базовых станций и покрытие
На рисунке представлена территория 30 на 30 километров. Звездочками обозначены базовые станции, точками абоненты. Вокруг каждой базовой станции изображена основная и периферийная зоны. В реальности антенны базовых станций не будут иметь идеальной круговой диаграммы направленности, но в модели допущено данной упрощение.
Как видно на рисунке, пересекаются периферийные зоны двух-четырех базовых станций. Именно для пользователей, находящихся в этих зонах, нужно выбрать одну из базовых станций.
3. Определение оказываемых услуг
Для обеспечения лучших показателей качества, нужно разделить услуги на несколько категорий, чтобы в дальнейшем улучшать показатели QoS отдельно для каждой категории по разному.
Основными услугами для сетей LTE будут: VoIP, IPTV, интернет. Под услугой интернет будем понимать загрузку веб страниц, файлов и другие не учтенные приложения. По каждой из услуг нужно задать скорость на которой будет осуществляться работа. Для VoIP при использовании голосового кодека G.711 требуемая пропускная способность составит 90 кбит/с. Для IPTV зададимся значением 4 Мбит/с, интернет – 5 Мбит/с. Данные значения можно регулировать в модели.
Для голосового трафика будет предоставляться приоритет, скорость соединения будет оставаться постоянной и снижаться не будет. Для двух других видов услуг при преувеличении нагрузки на базовую станцию, скорость соединения будет снижаться.
Процент от всего количества пользователей будет: VoIP 10%, IPTV 45%, интернет 45%. Это соотношение может меняться, но данные значения выбраны для модели, так как предполагается, что сети LTE будут предоставлять в основном широкополосный доступ.
4. Критерий выбора базовой станции
Нужно определить к какой из базовых станций подключить абонента. Для этого нужно оценить параметры каналов связи, характер трафика, выбрать наиболее выгодный вариант распределения нагрузки с сохранением приемлемого качества обслуживания.
Каждый тип трафика характеризуется своими требованиями к параметрам каналов связи. Если голосовой трафик требователен к задержке и её отклонению, то передача данных – к искажениям и потерям пакетов. Поэтому для каждого типа передаваемых данных целесообразно ввести функцию полезности, которая служит оценкой приемлемости канала связи для передачи этого трафика в данный момент [3].
Для голосового трафика зависимость функции полезности u от доступной пропускной способности b будет иметь следующий вид :
где Bmin – минимальная пропускная способность необходимая для работы используемого кодека и протокола голосовой связи; b – предоставляемая пропускная способность.
Передача видео в реальном времени подобна по своим характеристикам к передаче голоса, однако при использовании адаптивных методов кодирования и контроле джиттера задержки допускается значительное снижение пропускной способности.
Наименее требовательной к полосе пропускания является передача данных. Функция полезности для данного типа трафика выглядит так:
где Bmax – максимальная пропускная способность; b – предоставляемая пропускная способность.
Значительное влияние на качество обслуживания оказывает задержка доставки данных. Также как и для пропускной способности, зависимость качества обслуживания от задержки у каждого типа трафика своя. Наиболее критичными к задержкам потоковая передача голоса и видео (особенно при использовании алгоритмов с большим коэффициентом сжатия). По рекомендации ITU-T G.114 для обеспечения качества голосовой связи выше среднего сквозная задержка должна быть меньше 400мс. Для передачи видео данных приемлемая задержка составляет 1000мс.
Джиттер также в основном влияет на передачу голоса и видео. Ограничение для голоса составляет 10 мс.
Таким образом сформированы зависимости уровня довольности пользователя от задержки, джиттера и пропускной способности, при пользовании каждой из трех услуг. Результирующим критерием будет произведением трех показателей на коэффициент, учитывающий затухание.
где Ub – показатель полезности для пропускной способности; Ut – показатель полезности для задержки; Uj – показатель полезности для джиттера; c – коэффициент учитывающий затухание.
5. Алгоритм работы модели
Рисунок 2 Работа модели [рисунок является анимацией, кол-во кадров – 4, кол-во циклов повторение – 4, размер – 93,1кБ]
Рисунок 2 наглядно отображает работу модели.
На рисунке 3 изображен алгоритм основной программы. Рассмотрим последовательность действий, которую он вы полняет. В начале задаются основные параметры системы: координаты базовых станций, координаты абонентов, рабочая частота, частотный диапазон и др. Далее для каждой базовой станции определяется основная и переферийная зоны, с использованием модели SUI. Абоненты, которые находятся в основных зонах, подключаются к соответствующим базовым станциям. Для пользователей, находящихся в переферийных зонах, выполняется алгоритм выбора базовой станции.
Алгоритм выбора базовой станции включает в себя: расчет критерия выбора, определение максимального критерия. Далее выполняется проверка, не перегружена ли базовая станция.
В модели максимальная пропускная способность БС составляет 40 Мбит/с. Эта цифра соответствует пропускной способности LTE-FDD (Frequency Division Duplex), при ширине канала 20 Мгц. При нагрузке на базовую станцию более 40 Мбит/с, скорость соединения пользователей IPTV, интернет снижается и при следующем проходе алгоритма будет выбрана другая менее загруженная станция.
Данный алгоритм будет выполняться до тех пор пока все базовые станции будут загружены менее максимальной пропускной способности.
Рисунок 3 Алгоритм работы модели
6. Анализ результатов моделирования
В результате работы алгоритма все пользователи подключены к базовым станциям с наилучшими показателями качества и все базовые станции нагружены более равномерно.
В модели сравнены два подхода, один стандартный, когда абоненты подключаются к БС в зависимости от соотношения сигнал/шум, второй – предложенный. В модели рассчитано СКО нагрузки базовых станций. При использовании предложенного метода СКО снижается на 6 % . Ниже на рисунке 3 представлены гистограммы нагрузки базовых станций по двум из методов.
На графике по оси Х нагрузка на базовые станции в кбит/с, по оси у количество базовых станций с загрузкой попадающей в один из 10 интервалов. На гистограммах видно что загрузка базовых станций более равномерна при использовании функций полезности. Данные гистограммы демонстрируют полученный эффект для оператора связи. Так же не следует забывать, что функции полезности отражают уровень «довольности» абонента, т.е. при их использовании гарантировано улучшается качество услуг предоставляемых пользователям.
В дальнейшем планируется улучшение показателей работы алгоритма и исследование, моделирование других алгоритмов для сравнения. Так же планируется задавать траекторию движения всех абонентов, для оценки работы системы в данном режиме и подсчета количества хендоверов.
Рисунок 4 – Гистограмма загруженности базовых станций а) алгоритм с использованием функций полезности б) без использования функций полезности
Перечень ссылок
1. Шабунин С.Н. Распространение радиоволн в мобильной связи: учебное пособие / Шабунин С.Н., Лесная Л.Л.. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2009. 103 с.
2. Rumney Moray. LTE and the Evolution to 4G Wireless: Design and Measurement Challenges. / Rumney Moray. – Agilent Technologies. – 2008. – 557 p.
3. Дегтяренко И.В., Шахов Д.С., Кнерцер Д.А., Орехов А.А. Модель розвитку мережі мобільного оператора при використанні технології LTE/SON // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск: 20 (182). 130-136 с.
4. Кнерцер Д.А., Дегтяренко И.В. Розробка та дослідження моделі cегмента мережі, що самоорганізується, на базі технології LTE // Тези всеукраїнського конкурсу студентських наукових робіт з природничих, технічних та гуманітарних наук у 2010/2011 р.р. ("Телекомунікаційні системи та мережі", "Інформаційні мережі зв'язку"). – Одеса: ВМВ, 2011. – 24 с.
5. Бенавидес Э.Э., Дегтяренко И.В. Разработка модели балансирования нагрузки на базовые станции в сетях LTE // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 14-17 травня 2013 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2013. – 23-27 с.
6. SOCRATES [Электронный ресурс] Self-optimisation and self-configuration in wireless networks, European Research Project – режим доступа http://www.fp7-socrates.eu
7. Гришаева А., Алтухов Д., Дегтяренко И.В. Применение механизма фаззи-логики для распределения потоков трафика в гетерогенной мультиоператорской среде // Сборник тезисов ХIІ Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» – Донецк, 2012. – 20-22 с.
8. Self Organizing Networks LTE [Электронный ресурс] – режим доступа http://www.sonlte.com/technology/
9. LteWorld [Электронный ресурс] – режим доступа http://lteworld.org/
10. 4G [Электронный ресурс] – режим доступа http://4g.co.ua/
Примечание
На момент написания автореферата (апрель 2013) работа не завершена. Срок окончательного завершения – декабрь 2013-го. Все материалы могут быть получены у автора или его начного руководителя после указанной даты.