РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ Кафедра прикладной информатики и теории вероятностей Ефимушкина Татьяна Владимировна ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В СЕТЯХ LTE по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Специальность – «Теоретические основы информатики» Научный руководитель доктор технических наук профессор Самуйлов Константин Евгеньевич Москва – 2014

Т. Ефимушкина, /21Цель и задачи исследования Введение Задачи: Разработка модели функционирования соты LTE с учетом адаптивной модуляции и кодирования (AMC, Adaptive Modulation and Coding), эластичных сеансов данных и хэндоверов в виде многолинейной СМО конечной емкости без ожидания и проведение численного анализа ее ВВХ Разработка модели функционирования соты гетерогенной сети LTE, состоящей из одной eNB (evolved Node B) и нескольких ретрансляционных станций (РС) в виде СМО сложной структуры конечной емкости для анализа на базе полученных ВВХ различных схем распределения ЧВР Разработка модели процесса передачи адаптивного видео потока по нисходящему каналу сети LTE с учетом межуровневой адаптации в виде двухфазной СМО, в которой на первой фазе моделируется процесс передачи видео, а на второй фазе рассматривается процесс декодирования видео потока терминалом пользователя, и численный анализ ее ВВХ Цель: разработка аналитических моделей в виде СМО сложной структуры, функционирующих в непрерывном и дискретном времени, позволяющих проанализировать распределение частотно-временных ресурсов (ЧВР) с учетом различных технологических решений в сети LTE

Т. Ефимушкина, /21Содержание диссертационной работы ГЛАВА 1. Исследование схем распределения ресурсов соты с несколькими режимами модуляции в сети LTE 1.1. Распределение ресурсов и технология адаптивной модуляции и кодирования в сети LTE 1.2. Модель функционирования соты с несколькими режимами модуляции и эластичным трафиком в сети LTE 1.3. Система уравнений равновесия для модели функционирования соты 1.4. Вероятностно-временные характеристики функционирования соты с несколькими режимами модуляции в сети LTE и их численный анализ 1.5. Выводы ГЛАВА 2. Исследование схем распределения ресурсов соты в гетерогенной сети LTE 2.1. Развертывание гетерогенных сетей 2.2 Модель функционирования гетерогенной сети LTE для нисходящего канала 2.3 Система уравнений равновесия для модели функционирования гетерогенной сети 2.4 Вероятностно-временные характеристики функционирования соты гетерогенной сети LTE 2.5 Выводы ГЛАВА 3. Анализ модели распределения ресурсов в сети LTE на основе межуровнего подхода при передаче видео 3.1 Формулирование задачи распределения ресурсов в сети LTE на основе межуровневого подхода при передаче видео 3.2 Двухфазная модель в дискретном времени с накопителями конечной емкости и учетом изменения параметров кодирования видео и параметров модуляции и кодирования в сети LTE 3.3 Система уравнений равновесия для двухфазной модели и ее решение 3.4 Вероятностно-временные характеристики для двухфазной модели передачи видео по сети LTE и их численный анализ 3.5 Выводы

Т. Ефимушкина, /21Аналитический обзор литературы Общая теория и методы исследования: Башарин Г.П. [1-6,57], Вишневский В.М. [9-11], Гнеденко Б.В. [14], Ефимушкин В.А. [4,5,19], Кучерявый А.Е. [15,35], Кучерявый Е.A. [36], Наумов В.А. [41,42], Пшеничников А.П. [33, 38], Самуйлов К.Е. [42,57,60,102], Севастьянов Б.А. [46], Степанов С.Н. [37,47], Шнепс- Шнеппе М.А. [52], Шоргин С.Я. [34], Iversen V.B. [82], Kelly F.P. [86, 87], Kobayashi H. [90], Rappaport S. [77] и др. Методы исследования мультисервисных сетей связи: Башарин Г.П. [3, 57], Деарт В.Ю. [18], Самуйлов К.Е. [42], Степанов С.Н. [37,47], Сычев К.И. [48] Методы исследования беспроводных сетей связи Вишневский В.М. [10,11], Гольдштейн [15,16], Кучерявый А.Е. [16,35], Самуйлов К.Е. [57,102], Тихвинский В.О. [49,60], Shariat M. Bouazizi I. [93], Capozzi F. [62], Khan F. [88], Shariat M. [105] Организации по стандартизации для беспроводных сетей связи Консорциум 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) [53-55, 94,95] Международная организация стандартизации (ISO, International Organization for Standardization) [80] Международный Союз Электросвязи, сектор радиокоммуникаций (ITU-R, International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) [81]

Т. Ефимушкина, /21Публикации по теме диссертации 1. Ефимушкина Т.В., Молчанов Д.А., Кучерявый Е.А. Исследование вероятностно-временных характеристик функционирования соты WiMAX с несколькими режимами модуляции и эластичным трафиком данных // Т-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, – 7. – С Efimushkina T., Vassileva N., Moltchanov D., Koucheryavy Y. Analytical Performance Evaluation of a WiMAX Cell with VoIP/Elastic Data Traffic // Proc. of the IEEE CCNC 2011, Las Vegas, USA, January 9-12, – Pp Ефимушкина Т.В., Самуйлов К.Е. Исследование методов распределения нагрузки в сетях LTE с ретрансляторами // Т-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, – 7. – С Ефимушкина Т.В. Исследование вероятностно-временных характеристик для усовершенствованной схемы распределения ресурсов в гетерогенной сети LTE //Т-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, – 7. – С Efimushkina T., Gabbouj M. Cross-Layer Adaptation-Based Video Downlink Transmission over LTE: Survey // Springer, CCIS, No – Pp.101– Efimushkina T., Samuylov K. Analysis of the Resource Distribution Schemes in LTE-Advanced Relay-Enhanced Networks // Springer, CCIS, Vol – Pp Ефимушкина Т.В., Самуйлов К.Е. Двухфазная модель процесса передачи видео с учетом межуровневой адаптации в сети LTE // Т-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, – 5. – С Ефимушкина Т.В., Габуж М., Самуйлов К.Е. Подход к моделированию передачи видео на базе технологии DASH с учетом межуровневой адаптации в сети LTE // Автоматика и вычислительная техника, 2014.

Т. Ефимушкина, /21Актуальность исследования Глава 1 Появление новых поддерживаемых функций в LTE- Advanced (3GPP TR , 3GPP TS ) Быстрый рост объемов трафика Высокие требования, предъявляемые пользователями к качеству предоставления современных телекоммуникационных услуг Рис.1.2. Сота с двумя режимами модуляции (РМ): 16QAM и QPSK 1 ЧВР = 1 ресурсный блок (180 [к Гц] х 0.5 [мс]) Задача технологии AMC заключается в компенсации нестабильности радиоканала и точной подстройки параметров передачи на основе измерений радиоканала, т.е. значения CQI. Рис.1.1. Ресурсная сетка сети LTE

Т. Ефимушкина, /21Модель функционирования соты с несколькими РМ Глава 1 и эластичным трафиком в сети LTE Параметр Обозна- чение Число РМ, поддерживаемых в соте, Число ЧВР Мин. число ЧВР, требуемое голосовым вызовом и сеансом данных для установления соединения в i-РМ,, Число обслуживающихся голосовых вызовов и сеансов данных в соте в i-РМ, Состояние системы Число ЧВР, занимаемых голосовыми вызовами, сеансами данных и общее занятое число ЧВР Порог числа ЧВР, которые не могут использоваться для приема на обслуживание новых вызовов Число свободной ШПП для нового вызова Число свободной ШПП для хэндовер- вызова и запроса изменения модуляции Описание модели: В соте рассматривается два типа трафика: голосовые вызовы и эластичные сеансы данных. Необязательно целое число ЧВР, предоставляемое сеансам данных с i-РМ дополнительно к минимально выделяемым ЧВР равно: В модели рассматривается три типа вызовов: новый вызов, хэндовер-вызов и запрос изменения модуляции. Правила принятия вызовов: нового голосового вызова с -РМ нового хэндовер-вызова с -РМ запроса изменения модуляции с -РМ на ( )-РМ нового запроса на открытие сеанса данных хэндовер-запроса на открытие сеанса данных запроса изменения модуляции с -РМ на ( )-РМ Пространство состояний системы:

Т. Ефимушкина, /21Распределение вероятностей состояний системы Глава 1 Интенсивность поступления Обозна -чение Нового голосового вызова с -РМ Голосового хэндовер-вызова с -РМ Нового запроса на открытие сеанса данных с -РМ Хэндовер-запроса на открытие сеанса с -РМ Интенсивность обслуживания Обозна -чение Голосового вызова с -РМ Сеанса данных с -РМ в состоянии Интенсивность изменения РМ Обозна -чение Вызова с -РМ на РМ Сеанса с -РМ на РМ Система уравнений равновесия Нормировочное условие Рис.1.3. Диаграмма интенсивностей переходов для состояния с двумя РМ

Т. Ефимушкина, /21ВВХ модели и численный анализ Глава 1 Для модели с фиксированными сеансами данных, интенсивность обслуживания – Вероятность, что поступающий вызов или сеанс данных будет заблокирован – Множества блокировок для голосовых вызовов: Среднее число голосовых вызовов и сеансов данных Среднее число занятых каналов для эластичных сеансов данных, Среднее число занятых каналов для случая фиксированных сеансов данных для сеансов данных Рис.1.4. Среднее число голосовых вызовов и сеансов данных Параметр Значение M, g, K 30, 8, 2, 0.006, 0.003,,,,,

Т. Ефимушкина, /21Актуальность исследования Глава 2 Рис.2.1. Гетерогенная сеть LTE с фиксированной инфраструктурой, Гетерогенная сеть характеризуется размещением традиционных eNB наряду с использованием станций с более низкой мощностью передатчика: пико-, фемто-станции и РС. Преимущества использования РС: Улучшение пропускной способности и зоны покрытия за счет предоставления альтернативных путей мобильным станциям, находящимся в «необслуживаемых» зонах. Снижение расходов на размещение сети связи за счет исключения необходимости обеспечения проводного доступа. Ускорение процесса развертывания сети. Централизованная архитектура сети LTE: eNB отвечает за распределение всех ЧВР своей соты, обладает информацией об уровне сигнала каждого канала в сети и состоянии буферного накопителя (БН) каждой РС.

Т. Ефимушкина, /21 Модель функционирования гетерогенной сети LTE для Глава 2 нисходящего канала, Параметры: K - число РС, k-заявка – заявка k-го типа, 0-заявка передается UE в зоне обслуживания eNB, k-заявка передается eNB в зоне РС k. с k – вероятность принадлежности заявки типу k S – общее число распределяемых ЧВР r 0, r k –емкость БН eNB и РС k h – такт, равный длительности кадра в LTE Рис.2.2. Временная диаграмма последовательности событий в СМО в дискретном времени Рис.2.3. Структура СМО Пространство состояний системы: Параметры для учета распределения приборов: – вектор, определяющий стратегию распределения приборов – функция распределения приборов

Метод М1 (не зависит от ) Метод М2 (не зависит от ) Метод М3 (с приоритетом для РС, зависит от ) Метод М4 (с ограничениями, зависит от ) Случай 1: – Случай 2: – Оставшееся число ЧВР предоставляется в СМО 0 для обслуживания других заявок. Т. Ефимушкина, /21 Схемы распределения ЧВР Глава 2 Итерационный алгоритм распределения ЧВР по методу М4 Шаг 1. Входные параметры: Шаг 2. Если переходим к шагу 3. В противном cлучае, происходит выход из алгоритма. Шаг 3. Шаг 4. Если Переходим к Шагу 2 В противном случае

Т. Ефимушкина, /21 Система уравнений равновесия Глава 2 Лемма Теорема. Стационарное распределение вероятностей находится из СУР и нормировочного условия, Некоторые ВВХ Вероятность потери k-заявок в СМО k, Среднее число заявок в СМО k Среднее число обслуженных заявок в СМО k за такт

Т. Ефимушкина, /21Численный анализ ВВХ модели Глава 2 Рис.2.4. Вероятность потери заявок в СМО 0 Имитационное моделирование Параметр Значение S 30 со скоростью 8 кбит/с Рис.2.5. Суммарное среднее число доставленных до абонентов заявок в СМО Рис.2.6. Среднее число потерянных заявок в СМО k

Т. Ефимушкина, /21Численный анализ ВВХ модели Глава 2 Аналитическое моделирование Параметр Значение S 20 со скоростью 8 кбит/с Метод М1 распределения ЧВР Рис.2.8. Среднее число приборов в СМО k Рис.2.6. Среднее число заявок в СМО 0 при имитационном и аналитическом моделировании Рис.2.7. Среднее число приборов в СМО 0

Т. Ефимушкина, /21Актуальность исследования Глава 3 Рис.3.1. Схема передачи видео на базе технологии DASH для нисходящего канала сети LTE, Межуровневая адаптация (CLA, Cross Layer Adaptation) позволяет за счет протокольного взаимодействия обеспечить оптимизированную передачу данных

Т. Ефимушкина, /21Двухфазная модель в дискретном времени с Глава 3 накопителями конечной емкости, Рис.3.2. Структура двухфазной модели Параметры: – емкость БН eNB – емкость БН UE h – такт, равный длительности кадра в LTE – значение передаваемого CQI, где S – общее число значений CQI – интенсивность поступающего потока – вероятность обслуживания на первой фазе – вероятность повторной передачи – вероятность истечения времени действия заявки – вероятность обслуживания на второй фазе Рис.3.3. Временная диаграмма последовательности событий в СМО в дискретном времени

Т. Ефимушкина, /21Система уравнений равновесия, Пространство состояний: Анализ первой фазы Пространство состояний СУР: Решение СУР имеет следующее рекуррентное представление где есть матрица у которой последний столбец заменен вектором Анализ второй фазы Пространство состояний СУР: Решение СУР: Стационарное распределения вероятностей Найденное распределение удовлетворяет условию 2 теоремы [Наумов В.А. 1976] о независимой работе фаз сложной системы.

Т. Ефимушкина, /21Некоторые ВВХ и численный анализ, Вероятность потери заявки на первой фазе в состоянии s Среднее число заявок, покинувших фазу 1 в СМО в состоянии s CQI из-за истечения срока их действия Среднее время пребывания заявки в СМО Рис.3.4. Семейство значений вектора веротностей обслуживания на первой фазе

Т. Ефимушкина, /21Численный анализ, Рис.3.5. Вероятность потери заявок в состоянии s сообщения CQI для городского и сельского сценариев слева направо Рис.3.6. Среднее время пребывания заявки в СМО в состоянии s сообщения CQI для городского и сельского сценариев слева направо

Т. Ефимушкина, /21Основные результаты диссертации, 1. Предложена и исследована модель в виде многолинейной СМО конечной емкости без ожидания с пуассоновским входящим потоком голосовых вызовов и ПД и экспоненциальным распределением длительностей обслуживания и периодом времени до изменении модуляции. Получены СУР и выражения для основных ВВХ для двух моделей с эластичными и фиксированными сеансами данных. Проведен численный сравнительный анализ полученных ВВХ. 2. Предложена и исследована аналитическая модель функционирования гетерогенной сети LTE для нисходящего канала с двумя типами узлов: eNB и РС в виде СМО сложной структуры. Получены формулы для основных ВВХ модели гетерогенной сети. Разработан экспериментально-программный комплекс, включающий программное обеспечение для имитационного и аналитического моделирования различных алгоритмов предоставления ЧВР для eNB и РС. Проведен численный анализ ВВХ для четырех различных алгоритмов распределения приборов. 3. Предложена и исследована модель с учетом межуровневой адаптации в виде двухфазной СМО. Получено решение СУР в результате декомпозиции двухфазной модели и отдельного анализа фаз. Доказано, что стационарное решение вычисляется мультипликативно на основе полученных распределений для первой и второй фаз.