Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2020 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Зміст

Анотація

Наведено результати розробки математичної моделі планування частотно-часового ресурсу спадного каналу зв'язку технології LTE. Запропонована модель спрямована на забезпечення гарантованої якості обслуговування користувачів бездротової мережі шляхом виділення користувальницьким станцій необхідних швидкостей передачі. Проведено порівняльний аналіз запропонованої моделі з існуючими методами з метою забезпечення загальної продуктивності низхідного каналу зв'язку, ступеня балансування пропускної здатності, а також вірогідності виділення користувальницьким станцій необхідної швидкості передачі. Показано, що запропонована модель в умовах високих вимог до швидкості передачі користувацьких станцій, у порівнянні з відомими методами, дозволяє на 5-20% підвищити ступінь балансування пропускної здатності низхідного каналу зв'язку, а також на 40-100% підвищити ймовірність виділення користувальницьким станцій необхідної швидкості передачі.

Введення

В технології LTE (Long-Term Evolution), розробленої 3GPP (3rd Generation Partnership Project), одним з ефективних шляхів підвищення продуктивності і поліпшення основних показників якості обслуговування (Quality of Service, QoS) є вдосконалення мережних протоколів і механізмів, відповідальних за планування доступних мережевих ресурсів. До подібного роду ресурсів, перш все, відносяться часовий ресурс — OFDM-символи (Orthogonal frequency-division multiplexing) і частотний ресурс — частотні поднесущие. Під OFDM-символом розуміється проміжок часу, протягом якого амплітуда і фаза модульованих піднесучих незмінна. Необхідно зауважити, що рішення задачі про виділення радіоресурсу в першу чергу ґрунтується на вимогах до QoS і може бути покладено на систему управління радиоресурсом (Radio Resource Management, RRM), а саме на планувальник (scheduler). У технології LTE, як і у HSDPA або WiMAX, механізми планування ресурсів низхідного каналу зв'язку (DownLink) не визначені стандартом, залишаючи право вибору за виробниками обладнання базових станцій (evolved NodeB, eNodeB). Результатом розв'язання задачі розподілу частотного і тимчасового ресурсів має бути закріплення блоків планування (Scheduling Block, SB) за клієнтськими станціями (User Equipment, UE) в низхідному каналі зв'язку одного кадру. Блок планування є найменшим структурним елементом, виділюваним однією користувача станції і формується двома сусідніми ресурсними блоками (Resource Block, RB) на однакових піднесучих (subcarrier). У роботі були проаналізовані методи розподілу частотного і тимчасового ресурсів, що використовують алгоритм Round Robin Scheduler. Використання алгоритму Round Robin Scheduler передбачає виділення в рівній мірі частотно-часового ресурсу для кожної UE. У базовій реалізації Round Robin Scheduler виділяє кожної UE часовий інтервал, у межах якого ця UE отримує монопольний доступ до каналу. При цьому швидкість передачі даних UE обмежується фактичним значенням відношення сигнал/шум (signal to noise Ratio, SNR). Також було проаналізовано методи, які використовують алгоритм Max C/I Ratio, який надає частотно-часовий ресурс користувальницької станції з найкращими значеннями SNR, не забезпечуючи справедливість цього розподілу ресурсу між UE. Крім того, в роботі проаналізовано методи розподілу частотного і тимчасового ресурсів, що використовують алгоритм пропорційного справедливого розподілу обслуговування (Proportional Fair Scheduling). Проведений аналіз показав, що алгоритм Proportional Fair Scheduling сприяє UE, яка має високе значення SNR, одночасно забезпечуючи достатню кількість частотних і часових ресурсів UE з найгіршим значенням SNR. Аналіз показав, що для надання доступу до частотно-часового ресурсу технології LTE найбільш прийнятним був би механізм, що включає в себе особливості Round Robin і Max C/I Ratio алгоритмів. Вибір алгоритму залежить від категорії і величини навантаження. Правильний вибір алгоритму для надання доступу особливо важливе при великому навантаженні. Використання алгоритму Proportional Fair Scheduling спрямована на застосування для інтерактивного «best effort» класу даних щоб уникнути ситуації, при якій деякі UE ніколи не отримають доступ до частотно-часового ресурсу. Зазначений клас обслуговування (Class of Service, CoS) забезпечує доставку даних UE по мірі можливостей без гарантій швидкості передачі даних. Підвищення якості обслуговування при плануванні частотно-часового ресурсу кожного UE повинно бути спрямоване на забезпечення гарантованої швидкості передавання з можливістю доступу до додаткової (не гарантованою) смузі пропускання. Однак ні один з проаналізованих механізмів не здатний забезпечити подібного CoS. В результаті проведеного аналізу прийнято рішення про необхідність розробки математичної моделі планування частотно-часового ресурсу в низхідному каналі зв'язку технології LTE, сформульованої як задача розподілу SB для забезпечення гарантованої швидкості передачі UE.

1. Математична модель розподілу ресурсних блоків в низхідному каналі

Пропонована математична модель спрямована на застосування в бездротових мережах LTE технології, що використовує тимчасове і частотне розділення каналів. При розробці математичної моделі враховується той факт, що найменшою структурною одиницею радиоресурса, якої можна керувати при вирішенні задачі планування, є SB. У технології LTE запропоновано три види розподілу ресурсів. Розроблювана модель спрямована на використання нульового виду (Resource Allocation Type 0), передбачає об'єднання RB в так звані групи ресурсних блоків (resource block groups, RBG), які виділяються UE. При цьому кількість RB, входять до складу однієї RBG ( p ), залежить від використовуваної ширини частотного каналу. Якщо ділення кількості RB на параметр p не дає цілочисельного значення, то крайня RBG буде мати розмір, менший p. З метою обліку кількості подкадров, виділених для передачі інформації в низхідному каналі зв'язку, в математичну модель введено поняття матриці конфігурацій низхідного каналу — прямокутної матриці з кількістю рядків, відповідним кількістю конфігурацій кадру ( L ), і з кількістю стовпців, відповідним кількістю подкадров ( K ) в кадрі, тобто

формула (1)

де h1,k = 1, якщо k-ї подкадр при I-ї конфігурації використовується для передачі інформації в низхідному каналі зв'язку або 0, в іншому випадку.

В ході рішення задачі розподілу блоків планування в рамках запропонованої моделі необхідно забезпечити розрахунок булевої керуючої змінної (Xnk,m), визначає порядок розподілу блоків планування: Xnk,m = 1, якщо m-й блок планування на k-му подкадре виділений n-ї UE або 0, в іншому випадку.

При розрахунку шуканих змінних Xnk,m необхідно виконати ряд важливих умов-обмежень:

  1. Умова закріплення m-го SB низхідного каналу зв'язку на протязі передачі k-го подкадра не більш ніж за однією UE:
    формула (2)
  2. Умова виділення UE блоків планування тільки спадного каналу:
    3. формула (3)
  3. Умова закріплення за n -й UE кількості SB, що забезпечує необхідну швидкість передачі в низхідному каналі зв'язку при використовуваній схемі модуляції і кодування (Modulation and Coding Scheme, MCS):
    4. формула (4)
  4. Умова об'єднання RB в RGB розмірів, які відповідають ширині використовуваного частотного каналу:
    5. формула (5)

де [] — позначення округлення числа до найближчого цілого в меншу сторону. Умова (5) використовується для об'єднання блоків планування крайней групи ресурсних блоків, розміри якої можуть бути менше p.

 

Розрахунок шуканих змінних (1) відповідно до умов-обмеженнями (2) - (5) доцільно здійснювати в ході рішення оптимізаційної задачі, забезпечуючи мінімум або максимум попередньо обраного критерію якості рішення задачі розподілу SB. Завдання розподілу SB може бути вирішена з використанням критерію оптимальності, спрямованого на максимізацію загальної продуктивності спадного каналу зв'язку. Таким чином, критерій оптимальності прийме наступний вигляд:

формула (6)

при врахуванні умов-обмежень (2)–(5). Використання критерію оптимальності (6) спільно з умовами-обмеженнями (2)–(5) спрямовано на забезпечення гарантованої швидкості передавання з можливістю доступу до додаткової (не гарантованою) смузі пропускання, що в CoS відповідає підкласу B.

Сформульована задача з математичної точки зору є завданням змішаного цілочисельного нелінійного програмування — MINLP (Mixed Integer NonLinear Programming). Змінна, використовувана в критерії оптимальності (6), є цілочисловою, обмеження на шукані змінні (2)-(4) носять лінійний, а обмеження (5) — нелінійний характер.

2. Аналіз рішення задачі розподілу блоків планування

З метою аналізу рішень з планування ресурсних блоків в низхідному каналі зв'язку, одержуваних з використанням відомих методів, а також запропонованої моделі (2)–(6), розглянемо приклад, в якому для розподілу блоків планування в низхідному каналі зв'язку були використані наступні вихідні дані: кількість UE N = 5; число SB, що формуються на протязі передачі одного часового слоту, M = 15; кількість OFDM-символів, які формують один ресурсний блок,
NRBsymb =7; значення ефективності MCS-сигналів UE для різних ресурсних блоків — відповідно з рис. 1; вид поділу каналів — TDD; кількість подкадров, використовуваних для передачі інформації в низхідному каналі зв'язку, K=4 (конфігурація кадру– № 1); кількість SB, що входять до складу однією RBG, p=2.

Рішення сформульованої в роботі оптимізаційної задачі було отримано з використанням системи MATLAB R2012b. При цьому була задіяна програма minlpAssign пакету оптимізації TOMLAB. Всім користувальницьким станцій були встановлені однакові необхідні швидкості передачі, які приймали значення Rnтрб=0-0, 26 Мбіт/c

Як показали результати моделювання, загальна продуктивність низхідного каналу зв'язку при використанні відомих методів на протязі всього інтервалу вимірювання не змінювалася і становила для методу Round Robin 0,9622 Мбіт/c, для методу Proportional Fair – 1,2377 Мбіт/c, а для методу Max C/I Ratio – 1,4192 Мбіт/c. Загальна продуктивність низхідного каналу зв'язку при використанні запропонованої моделі (2)–(6) на ділянці Rnтрб=0-0,15 Мбіт/c мала максимальне значення, відповідне методом Max C/I Ratio, і становила 1,4192 Мбіт/c. На інтервалі Rnтрб=0-0,26 Мбіт/c загальна продуктивність зменшилася на 3%, до значення 1,3641 Мбіт/c.

Рис. 1. Значення ефективності MCS-сигналів користувацьких станцій
для різних ресурсних блоків, використовуваних у прикладі.
(Анімація: 4 кадру, 4 цикли повторення, 80,7 кілобайт)

На рис. 2а, наведено результати моделювання, що відображають динаміку зміни ступеня балансування пропускної здатності низхідного каналу між UE. Ступінь балансування пропускної здатності визначалася у відповідності з виразом [10]

формула (7)

де Rіn   швидкість передачі, виділена n-ї UE на i-му інтервалі вимірювання, n=1,N. Як показали результати моделювання (рис. 2а), ступінь балансування пропускної здатності низхідного каналу зв'язку при використанні відомих методів на протязі всього інтервалу вимірювання не змінювалася і становила для методу Round Robin 0,9421, для методу Proportional Fair — 0,9163, а для методу Max C/I Ratio — 0,8214. Ступінь балансування пропускної здатності низхідного каналу зв'язку при використанні запропонованої моделі (2)–(6) на ділянці Rnтрб=0-0,15 Мбіт/c мала мінімальне значення, відповідне методом Max C/I Ratio, і становила 0,8214. На інтервалі Rnтрб=0,15-0,26 Мбіт/c ступінь балансування пропускної здатності збільшилася до 0,9859.

Рис. 2. Ступінь балансування пропускної здатності низхідного каналу зв'язку (а)
і вірогідність виділення UE необхідної швидкості передачі (б).

На рис. 2б, наведені результати розрахунку ймовірності виконання вимог щодо швидкості передачі, виділеної всім UE. Ймовірність виконання вимог щодо швидкості передачі на i-му інтервалі вимірювання визначалась у відповідності з виразом

формула (8)

Як показали результати моделювання, при зміні необхідної швидкості передачі від 0,15 Мбіт/c і вище всі розглянуті відомі методи не забезпечують необхідного значення швидкості передачі для всіх користувацьких станцій. Виконання вимоги щодо швидкості передачі відомими методами забезпечується тільки при невисоких значеннях Rnтрб, а саме при Rnтрб=0-0,15 Мбіт/c. Використання запропонованої моделі (1)–(7) забезпечує виділення необхідної швидкості передачі UE на всьому інтервалі вимірювання Rnтрб = 0-0,26 Мбіт/c.

Висновок

Встановлено, що одним з основних завдань в бездротовій мережі, що функціонує з використанням технології LTE, є завдання забезпечення необхідної якості обслуговування, до складу якої входить виділення користувальницьким станціям мережі необхідної швидкості передачі в низхідному каналі зв'язку. Також встановлено, що забезпечення необхідної швидкості передачі технології LTE може бути досягнуто шляхом вирішення задачі розподілу блоків планування в низхідному каналі зв'язку. У зв'язку з цим проаналізовано існуючі механізми розподілу блоків планування між клієнтськими станціями в низхідному каналі зв'язку бездротової мережі, що функціонує з використанням технології LTE. На підставі виявлених недоліків відомих рішень запропоновано математичну модель, представлена поруч лінійних і нелінійних умов-обмежень. Новизна моделі полягає у формулюванні задачі розподілу блоків планування як завдання перерозподілу доступної пропускної здібності низхідного каналу технології LTE для передачі інформації в напрямку користувацьких станцій при обліку їх територіальної віддаленості (виду системи модуляції і кодування). Порівняльний аналіз показав, що в умовах високих вимог до швидкості передачі користувацьких станцій використання моделі (1)–(7), у порівнянні з відомими методами, що дозволяє на 5-20% підвищити ступінь балансування пропускної здатності низхідного каналу зв'язку (рис. 2, а), а також на 40-100% підвищити ймовірність виділення користувальницьким станцій необхідної швидкості передачі (рис. 2, б). При цьому продуктивність низхідного каналу зв'язку, в умовах високих вимог до швидкості передачі, на 3% менше продуктивності, одержуваної з використанням методу Max C/I Ratio, і на 10-42% більше продуктивності з використанням методів Round Robin і Proportional Fair.Використання запропонованої моделі направлено на забезпечення кожної користувальницької станції гарантованої швидкості передачі в низхідному каналі зв'язку з можливістю доступу до додаткової (негарантіруемой) смузі пропускання. Це в класах сервісу відповідає підкласу B CoS, тоді як інші методи не гарантують виділення необхідної швидкості передачі, що в класах сервісу CoS відповідає підкласу А

Перелік посилань

  1. Ghosh A., Zhang J., Muhamed R., Andrews J. Cr. Fundamentals of LTE. — Prentice Hall, USA, 2010. — 464 p.
  2. 3GPP TS 36.211. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 11). — Valbonne, France: Sophia Antipolis, 2012. — 108 p.
  3. Dahlman E., Parkvall S., Skold J., Beming P. 3G Evolution — HSPA and LTE for Mobile Broadband. — Academic Press, 2008. — 608 p.
  4. Iosif O., Banica I. On the Analysis of Packet Scheduling in Downlink 3GPP LTE System // The Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability, and Quality of Service (CTRQ 2011). — 2011. — P. 99–102.
  5. Galaviz G., Covarrubias D. H., Andrade A. G., Villarreal S. A resource block organization strategy for scheduling in carrier aggregated systems // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. — 2012. — P. 107–124.
  6. Kawser M. T., Farid H. M. A. B., Hasin A. R., Sadik A. M. J., Razu I. К. Performance Comparison between Round Robin and Proportional Fair Scheduling Methods for LTE // International Journal of Information and Electronics Engineering. — 2012. — V. 2. — № 5. — P. 678–681.
  7. 3GPP TS 36.213. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures (Release 11). — Valbonne, France: Sophia Antipolis, 2012. — 104 p.
  8. Girici T., Zhu C., Agre J.R., Ephremides A. Proportional Fair Scheduling Algorithm in OFDMABasedWireless Systems with QoS Constraints // Journal of communications and networks. — 2010. — V. 12. — № 1. — P. 30–42.
  9. Adibah M. R. H., Kumbesan S., Riyaj B., Leijia W. Modeling and simulation of packet scheduling in the downlink long term evolution system // Proceedings of 15th Asia-Pacific Conference on Communications (APCC 2009). — 2009. — P. 68–71.
  10. Ермолаев В. Т. Флаксман А. Г. Теоретические основы обработки сигналов в системах мобильной радиосвязи. — Нижний Новгород: НГУ им. И. Н. Лобачевского, 2010. — 107 с.