Реферат на тему: «Аналіз ефективності алгоритмів планування передачі пакета в мережах LTE»
Мобільні мережі четвертого покоління, засновані на використанні технологій багатостанційного доступу з ортогональною модуляцією OFDMA та методом просторового кодування сигналу MIMO, дають можливість істотно збільшити передачу трафіку від абонентів.
Початок XXI століття пов'язаний із кардинальною зміною транспортних телекомунікаційних мереж – основним видом зв'язку у світі став мобільний зв'язок. До кінця першого десятиліття мобільний зв'язок і бездротовий доступ стали розглядати як мережі радіодоступу Radio Access Network, що взаємодіють між собою. GSM EDGE RAN (GERAN), UMTS Terrestrial RAN (UTRAN), Wireless Local Area Network (Wi-Fi) та ін. Стандарти 3-го покоління є мережами радіодоступу [1] .
Відмінними рисами цих мереж є: гнучкість архітектури, можливість динамічної зміни топології мережі при підключенні, пересуванні та відключенні мобільних абонентів, висока швидкість передачі інформації, високий ступінь захисту від несанкціонованого доступу, а також відмова від дорогої і не завжди можливої прокладки чи оренди оптоволоконного чи мідного кабелю. У мережах стандарту LTE керуючі функції перейшли до базових станцій, які, крім обслуговування радіочастини, почали приймати рішення маршрутизації абонентського трафіку. При цьому однією з головних проблем є проблема керування трафіком на радіоінтерфейсі з метою забезпечення заданих норм якості (QoS) за кожною наданою послугою більшості абонентів, зокрема для тих, хто перебуває в роумінгу.
У стільникових мережах 3-го покоління пропускна спроможність каналів зв'язку склала близько одиниць мегабіт на секунду. Для отримання більших швидкостей знадобилося збільшити робочу смугу пропускання до 20 мегагерц і більше, що призвело до появи стандартів 4-го покоління: LTE (Long-Term Evolution) та WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).
Зростання обсягу мультимедійних мобільних додатків призводить до того, що необхідна якість обслуговування може бути забезпечена лише при використанні ефективних методів підвищення пропускної спроможності радіоінтерфейсу, оскільки саме при бездротовому доступі виникають різкі перекоси навантаження через стохастичне переміщення абонентів. Постійне здешевлення послуг на мобільний зв'язок, поява нових типів абонентських терміналів, розвиток сервісів за адресною передачею потокового відео веде до зростання трафіку реального часу, швидкість якого має бути постійною. При цьому, Програма Міністерства Зв'язку та Масових Комунікацій «Цифрова економіка Російської Федерації» прогнозує різке збільшення найближчим часом також трафіку від міжмашинної 7 взаємодії (М2М), який, як правило, володіє еластичними властивостями і дозволяє змінювати швидкість передачі даних в деяких межах, залежно від умов мережі, тобто збільшення еластичного трафіку.
Найбільш значний вплив на управління продуктивністю в мобільних мережах мають такі фактори: порушення цілісності інформації команд управління мережевими процесами; блокування інформації; порушення логіки роботи програмного забезпечення Аналіз результатів роботи існуючих мереж LTE показав, що їх управління використовується автоматична функція управління мережею SON, яка апаратно вбудовується в устаткування вузлів мережі. Однак ця функція може тільки вводити пороги за кількістю сполук, не обмежуючи при цьому швидкість передачі даних, що є нераціональним, зокрема, при організації роумінгу.
Спочатку моделі оцінки радіоресурсу мобільних мереж включали лише однорідний тип трафіку, для яких були знайдені аналітичні рішення і розроблені рекурентні алгоритми. Пізніше було розроблено алгоритми рішення для різнорідного трафіку, що має постійну швидкість. У зв'язку з появою додатків, які потребують постійної швидкості передачі, почав проводитися обрахунок моделей еластичного трафіку даних. Однак ці дослідження проводилися без урахування схем доступу, що реалізують пріоритетне обслуговування мультисервісних мобільних мереж четвертого покоління.
У діючих та перспективних мобільних мережах зв'язку актуальним є завдання зниження нестачі ресурсів у зв'язку з появою сервісів, що потребують великої швидкості передачі. Тому, щоб підвищити ефективність ресурсу передачі, пропонується керувати швидкістю еластичного трафіку. Це дозволить не лише підвищити пропускну здатність, а й покращити якість обслуговування.
Стандарт LTE орієнтований тільки на пакетну передачу трафіку на основі технології HSPA (High Speed Packet Access), вперше реалізованої в мережах стандарту UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), та технології EVDO (Evolution-Data Only), вперше реалізованої в мережахстандарту CDMA2000, в основі яких лежить ідея використання каналів передачі із загальною смугою частот, але з різними псевдовипадковими двійковими послідовностями передавача. Всі інтерфейси мережі LTE, крім радіоінтерфейсу, базуються на використанні протоколу IP, тому мережі стандарту LTE відносять до IP-мереж [2].
LTE є еволюцією стандарту 3GPP UMTS. LTE включає мережу радіодоступу E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) та нову системну архітектуру EPC (Evolved Packet Core Network).
Мережі стандарту LTE орієнтовані на використання глобальної пакетної мережі GERAN та UTRAN для організації роумінгу [3]. Архітектура інтегральної мережі мобільного зв'язку показана на малюнку 1.
Малюнок 1 - Архітектура інтегральної мережі мобільного зв'язку
Архітектура мережі стандарту LTE розроблялася таким чином, щоб забезпечувати передачу пакетного трафіку з мінімальними затримками доставки показниками якості обслуговування QoS [4]. У зв'язку з поставленим завданням є актуальним підвищення ефективності алгоритмів планування передачі пакетів у мережах LTE. У процесі забезпечення показників якості QoS необхідно здійснювати планування пакета для визначення черговості обслуговування пакетів у конкретній черзі [5]. Необхідно відзначити, що час планування тут відіграє важливу роль [6].
Мережі стандарту LTE повинні підтримувати процедури хендовера та роумінгу з усіма існуючими мережами, для кінцевого обладнання необхідно забезпечити повсюдне покриття послуг бездротового широкосмугового доступу.
Пакетна передача дозволяє об'єднати безліч сервісів [7], включаючи передачу голосового трафіку з використанням Circuit Switched FallBack (CSFB), Over the top (OTT) та основного Voice over LTE (VoLTE). На відміну від стандартів мереж попередніх поколінь, для яких характерна розподілена мережева відповідальність, архітектура мереж стандарту LTE є плоскою, оскільки мережна взаємодія відбувається між базовими станціями LTE (eNodeB) та вузлом управління мобільністю (Mobility Management Entity, MME), як правило, що включає мережевий шлюз – комбіновані пристрої MME/GW.
Методом імітаційного моделювання було проведено низку експериментів. Кількість згенерованих пакетів N=104 / 105 розмір пакетів генерувався випадковим чином. Інтенсивність вхідного потоку та інтенсивність обслуговування задавалися в діапазоні від 0 до 1. Крім дослідження залежностей середнього часу обробки пакетів, середнього часу очікування в черзі від різних параметрів, особливий інтерес представляє аналіз залежності середнього часу обслуговування від інтенсивності вхідного потоку та залежності кількості пакетів, що обслуговуються, від інтенсивності вхідного потоку. Було реалізовано 4 стратегії обслуговування: FIFO (First In, First Out) або FCFS, RR (Round Robin) [8], SJF (Shortest Job First) [9] та RED (Random early detection) [10]. Графік залежності середнього часу обслуговування від інтенсивності вхідного потоку показаний малюнку 2, а графік залежності кількості обслужених пакетів від інтенсивності вхідного потоку показаний малюнку 3. Результати отримані при заданої ймовірності обслуговування 0.5.
Малюнок 2 - Графік залежності середнього часу обслуговування пакету від інтенсивності вхідного потоку
Стратегія обслуговування SJF дозволяє забезпечити найменший середній час обслуговування, це відбувається внаслідок того, що короткі пакети проходять вперед у черзі і не чекають, поки виконаються довгі. Графіки черг FIFO та RR також досить схожі, черги при використанні FIFO та RR заповнюються дуже швидко. Черги під час використання стратегії SJF заповнюються більш плавно. ARED дозволяє утримувати черги не заповненими до кінця, тому при перевантаженні мережевий пристрій може прийняти додаткові пакети і забезпечити необхідний рівень обслуговування, на відміну від інших стратегій. Середній час обслуговування під час використання стратегій FIFO та RR більш ніж у 2 рази перевищує ідентичний показник при використанні стратегії SJF. Слід зазначити, що з інших вхідних значеннях, відмінність може становити більш, ніж 10 раз.
Малюнок 3 - Графік залежності кількості пакетів, що обслуговують, від інтенсивності вхідного потоку
На графіку залежності кількості обслужених пакетів від інтенсивності вхідного потоку видно, що відмови в обслуговуванні є у всіх стратегій, що розглядаються, через помірне заповнення черги при використанні стратегії SJF даний показник дещо кращий. Необхідно відзначити, що при інших вхідних значеннях кількість обслуговуваних пакетів може відрізнятися більш ніж у 2 рази.
Проаналізовано різні підходи до планування, які входять до складу системи забезпечення якості обслуговування QoS у мережах стандарту LTE. Аналіз алгоритмів планування показав, що стратегії FIFO і RR мають найбільший середній час обслуговування пакета за інших рівних умов, а використання стратегії SJF дозволяє досягти значних результатів порівняно з FIFO і RR. Черги при використанні стратегії SJF заповнюються більш плавно, ніж при використанні FIFO і RR, а ARED дозволяє утримувати черги не заповненими до кінця, тому цікавить розробка та використання в мережах стандарту LTE комбінованих стратегій обслуговування.
Література
- Zhang X. LTE Optimization Engineering Handbook. Wiley, 2018. 844 p.
- Mousavi H. LTE physical layer: Performance analysis and evaluation // Applied Computing and Informatics, 2019. Vol. 15(1), pp. 34-44.
- Asadi A. A survey on device-to-device communication in cellular networks // IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2014. Vol. 16(4). pp. 1801- 1819.
- Седов В.А., Седова Н.А. Самооценка системы менеджмента качества с использованием теории нечетких множеств // Программные системы и вычислительные методы, 2014. № 4. С. 456-463.
- Шапошников, Д.Е. Применение принципа гарантированного результата для учёта качественной информации о предпочтениях при комплексной оценке качества функционирования телекоммуникационных сетей // Инженерный вестник Дона, 2014, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2574.
- Ажмухамедов И.М., Гостюнин Ю.А. Выбор стратегии технического обслуживания и ремонта оборудования сетей связи на предприятиях нефтегазового комплекса // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4202.
- Сироткин А.В., Бархатов Н.И. Модель системы автоматизированного управления информационным обслуживанием // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2021.
- Rojas-Cessa, R., Oki E. Round-Robin Selection With Adaptable-Size Frame in a Combined Input-Crosspoint Buffered Switch // IEEE Communications Letters, 2003. Vol. 7(11). pp. 555-557.
- Peckol J. Embedded Systems: A Contemporary Design Tool. Wiley, 2019. 900 p.
- Floyd S., Jacobson V. Random early detection gateways for congestion avoidance // IEEE/ACM Transactions on Networking, 1993. Vol. 1(4). pp. 397-413