MODEL CAPACITY ALLOCATION DOWNLINK WIMAX TECHNOLOGY WITH THE TRANSMISSION RATE RESTRICTIONS

Full Text

Введение В настоящее время в современных беспроводных телекоммуникационных сетях (БТС), в частности и в сетях технологии WiMAX, численные значения отдельных показателей качества обслуживания (Quality of Service, QoS), одним из которых является гарантируемая скорость передачи данных, во многом определяют эффективность решения задачи управления трафиком [1-2]. При этом в условиях гетерогенности и мультипрото-кольности современных БТС, а особенно при перегрузке и ограниченности частотных и временных ресурсов, на первое место выходит проблема повышения уровня согласованности решений «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 Гаркуша С.В. 19 задач распределения пропускной способности нисходящего канала связи между пользовательскими станциями (Subscriber Station, SS) и ограничения интенсивности трафика, поступающего в сеть. Кроме того, учитывая мультисервисный характер современных БТС, отказы в обслуживании должны касаться в первую очередь низкоприоритетного трафика. Также было установлено, что технология WiMAX имеет возможность предоставления мультисервисного доступа (VoIP телефония, IPTV, управление машинами и агрегатами, обеспечение работы корпоративных программных систем, мультимедийные услуги и др.). При решении задач дифференциации сервисов, приори-тизации трафика и поддержки QoS в технологии WiMAX используется механизм, называемый подуровнем конвергенции (Convergent Sublayer, CS), представляющий собой программный интерфейс канального уровня к сетевому уровню беспроводной сети. Основной задачей, решаемой CS, является фильтрация в общем сетевом трафике так называемых сервисных потоков (Service Flow, SF) путем предоставления каждому SF на подуровне MAC канального уровня сети требуемого QoS. На рис. 1 приведены примеры сервисных потоков, передаваемых в нисходящем канале связи нескольким пользовательским станциям. SS №2 Рис. 1. Пример сервисных потоков для поддержки работы приложений Data, VoIP и IPTV Как показал проведенный анализ, известные методы [3-7] распределения пропускной способности нисходящего канала связи в технологии WiMAX используют принцип Best Effort. При этом качество предоставляемых услуг не гарантировано, а между SS распределяется вся доступная пропускная способность [2]. Однако в технологии WiMAX кроме Best Effort поддерживается несколько классов обслуживания (Class of Service, CoS), среди которых выделяют Not Real Time, Real Time, Extended Real Time, Unsolicited Grant Service, ориентированные на выделение гарантированной пропускной способности [2; 8]. Таким образом, актуальной научной и практической задачей является разработка и исследование математических моделей и методов распределения пропускной способности нисходящего канала связи технологии WiMAX, гарантирующих выделение пользовательским станциям и их сервисным потокам требуемой пропускной способности, которые могли бы быть положены в основу перспективных технологических решений. В [9-10] предложена модель планирования пакетов данных, которая направлена на решение задачи распределения пропускной способности нисходящего канала связи технологии WiMAX. Основной особенностью данной модели является то, что в ее рамках для каждой SS производится выделение гарантируемой скорости передачи данных в условиях отсутствия перегрузки. При этом недостатком модели, предложенной в [9-10], является отсутствие возможности учета приоритетов пользовательских станций, а также приоритетов сервисных потоков. В этой связи целью данной работы является усовершенствование модели [9-10] для учета приоритетов и возможности ограничения запросов скорости передачи в условиях перегрузки. Модель приоритетного планирования пакетов данных в нисходящем канале связи технологии WiMAX В ходе решения задачи планирования пакетов данных для передачи сервисных потоков всех пользовательских станций в нисходящем канале связи в рамках предлагаемой модели необходимо обеспечить расчет булевой управляющей переменной ( хпк т ), определяющей порядок распределения слотов: 1, если т -ый слот на к- ом подканале выделен п-ый SS; (1) 0, в противном случае. Кроме того, вводится также величина ап, моделирующая долю отказов в выделении необходимой пропускной способности [11]. Тогда вектор искомых параметров с учетом (1) удобно представить в форме а (2) «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 20 Гаркуша С.В. Координатами вектора X является множество переменных xnk m , где n = \,N, m = \,M, k-l,K, и ряда параметров a”, где n = l,N. При этом множество переменных *; будет определяться выражением N х М х К , где N - общее количество сервисных потоков, передаваемых всеми SS; M - количество слотов на одном подканале нисходящего канала для передачи полезной информации; K - число подканалов в частотном канале; число параметров а", равное N. В соответствии с результатами расчета переменных (2) производится закрепление подканалов и распределение слотов за сервисными потоками SS, на которых будут передаваться данные в нисходящем канале. Кроме того, при расчете вектора искомых параметров X необходимо выполнить ряд важных условий-ограничений. 1. Условие закрепления к-го подканала на протяжении передачи m-го слота не более чем за одним сервисным потоком 2Хт<1 (* = 1,^ = 1,М). (3) 2. Условие закрепления за n-ым сервисным потоком количества слотов, обеспечивающего необходимую пропускную способность при схеме модуляции и кодирования (Modulation and Coding Scheme, MCS), используемой соответствующей SS м к r; £ £<, * ^ о-«'),(»=uv ), (4) т=1 k=1 где R sr:kks{i-bler) пропускная {ть + Tg )l + T’r-pq + Тткв способность одного слота, закрепленного за n-ым сервисным потоком, которая зависит от MCS, используемой соответствующей SS, и представляет собой количество переданных бит за время, равное длительности слота [12]; R - скорость кода, используемого при кодировании сигнала n-го сетевого потока соответствующей SS; kl - битовая загрузка символа n-го сервисного потока соответствующей SS; Ks - число поднесущих для передачи данных в одном подканале; Гкт0 =105,7 мкс - длительность интервала переключения с приема на передачу (receive/transmit transition gap, RТG); = 60 мкс - длительность интерва ла переключения с передачи на прием (transmit/ receive transition gap, TRG) [13]. 3. Условия формирования одного пакета для n-го сервисного потока соответствующей SS, что позволяет минимизировать количество слотов, выделенных для передачи служебной информации 0 - 2+l)- £ <« - 0 . (5) при (z = l,M-l; і -2,М; п - 1,7V ; к - \,К ; і > z ); *;x»(7-r+i)-£<^o, (6) при (г = \,К-l\ j = 2,К ; n = \,N; m = l,M; j>r). 4. Условие формирования пакетов «прямоугольной формы», соответствующее технологическим особенностям семейства стандартов IEEE 802.16, использующих OFDMA м к км ’ (7) d=і ь=1 g=1 A=1 при (n = l,N ; k = \,K ; m = \,M). 5. Условия резервирования необходимого количества слотов для передачи служебной информации о, <8) k=1 п=\ при(т = 1,т^,-l,[ß/if|>l); е>> И=1 при(^=1Дс^к >\Q/K l^1); £<і=0, (Ю) п=1 при (k = \,k^,\QIK\<\),TKe m^^QIK] - количество слотов, выделенных для передачи служебной информации и занимающих всю ширину частотного канала (располагаются вначале кадра после преамбулы); к^ =Q-К(тсщх -1) -количество слотов, выделенных для передачи служебной информации, занимающих лишь часть ширины частотного канала. При выполнении условий (8)-(10) производится резервирование слотов для передачи служебной информации. Кроме того, условия (8) и (9) используются, в случае если количество слотов, необходимое для передачи служебной информации, превышает или равно числу подканалов в частотном канале Ге/к>1- Также условие (8) позволяет произвести резервирование всех подканалов на протяжении передачи количества сло- «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 Гаркуша С.В. 21 тов равного ^служ? для передачи служебной информации. Условия (9) и (10) резервируют лишь часть подканалов к на протяжении длительности одного слота. В соответствии с физикой решаемой задачи и (1)-(10) на координаты ап вектора X накладываются следующие ограничения [11]: 0<ап <1 или а {0,1}, (П) (12) если на основе соглашения об уровне предоставляемых услуг (Service Level Agreement -SLA) допускается (11) или не допускается (12) частичное ограничение требуемой скорости передачи. Расчет искомых переменных (2) в соответствии с условиями-ограничениями (3)-(12) целесообразно осуществлять в ходе решения оптимизационной задачи, обеспечивая минимум линейной целевой функции [11]: _ К М N N min C'A = min££(£C;X,m +£спап), (13) к=1 т=1 п=1 л=1 характеризующей относительные стоимости распределения пропускных способностей на этапе планирования пакетов данных, а координаты вектора С можно представить следующим образом: С = uк,т (к-1,К; т-\,М\ п- \,N). (14) Координаты вектора С определяют величину удельного штрафа за использование слотов нисходящего канала связи ( скт ) и за ограничение в обслуживании трафиков пользователей ( с” ), при условии, что скт « с". Анализ влияния требуемой скорости передачи и приоритета сервисного потока на характер отказов В работе проведен анализ процесса планирования пакетов данных нисходящего канала связи при совместном обслуживании двух сервисных потоков, направляемых одной пользовательской станции, с различными приоритетами, задаваемыми путем изменения значения отношений AC = cnkmlcn. В ходе исследования установлено, что характер возможных отказов при использовании предложенной модели ( 1)-( 11), ( 13)-( 14) зависит, во-первых, от количества пользователь ских станций и используемой этими станциями MCS, во-вторых, от отношения стоимостей за загруженность нисходящего канала связи ( спк т ) к стоимости за ограничение в обслуживании трафиков пользователей ( с )• При решении задачи планирования пакетов данных в нисходящем канале в качестве исходных данных были использованы следующие: количество сервисных потоков - N = 2; используемый подрежим OFDMA - DL FUSC; количество подканалов в одном канале - К = 32 (определяется подрежимом OFDMA); число поднесущих для передачи данных на один подканал - Ks =48 (определяется подрежимом OFDMA); частотный разнос между поднесущими - А/*11,16 кГц; вид MCS сигнала первой и второй SS - 16 QAM 1/2; требуемая скорость передачи ( /? ) для обслуживания каждой SS изменялась в пределах Мбит/c; вероятность блоковой ошибки -BLER = 0; длительность кадра - 5 мс; длительность защитного интервала относительно длины полезной части символа - Tg - Тъ / 8 = 11,2 мс; число символов в кадре - L = 49; число символов, формирующих один слот, - S = 2 (определяется подрежимом OFDMA); отношение длительности нисходящего канала к длительности восходящего канала - 3:1 (U = 3/4). R ^ . Мбит/с 5 5 Иф, Мбит/с а) отказы высокоприоритетного запроса Мбит/С б) отказы низкоприоритетного запроса Рис. 2. Зависимость доли отказов в выделении необходимой пропускной способности высокоприоритетного (а1) и низкоприоритетного (а2) сервисных потоков от их запросов на требуемую скорость передачи (<6, К*) «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 22 Гаркуша С.В. На рис. 2 представлены зависимости доли отказов в выделении необходимой пропускной способности высокоприоритетного (а ) и низкоприоритетного (а2) сервисных потоков, соответственно, от их запросов на требуемую скорость передачи при использовании модели (1)-(11), (13)-(14). Результаты анализа показали, что в рамках предложенной модели (1)-(11), (13)-(14) реализуется обслуживание запросов от SS на основе так называемых абсолютных приоритетов. Так, во-первых, в случае, когда сумма запросов на требуемую скорость передачи превышает пропускную способность нисходящего канала связи, превентивное ограничение испытывает в первую очередь запрос от низкоприоритетного сервисного потока, вплоть до полного отказа в доступе (см. рис. 2б). Во-вторых, запрос на скорость передачи от сервисного потока с более высоким приоритетом не будет ущемляться до тех пор, пока можно отказать низкоприоритетному запросу (см. рис. 2а). Выводы Установлено, что одной из основных задач в беспроводной сети WiMAX является задача обеспечения необходимого качества обслуживания, которая заключается в выделении пользовательским станциям сети гарантируемой скорости передачи в нисходящем канала связи. Обеспечение гарантируемой скорости передачи в технологии WiMAX может быть достигнуто путем решения задачи распределения пропускной способности нисходящего канала связи. В связи с этим проанализированы существующие подходы по распределению пропускной способности нисходящего канала связи беспроводной сети технологии WiMAX, в результате чего установлено, что все они используют принцип Best Effort. Предложена математическая модель, новизна которой заключается в возможности превентивного ограничения скорости передачи, выделяемой сервисным потокам пользовательских станций в нисходящем канале связи технологии WiMAX, при учете их приоритетов. Кроме того, предложенная модель направлена на решение задачи распределения слотов между пакетами данных как задачи балансировки доступной пропускной способности нисходящего канала технологии WiMAX для передачи полезной информации в направлении пользовательских станций при учете вида MCS. В результате анализа решений установлено, что обслуживание запросов от сервисных пото ков пользовательских станций реализуется на основе так называемых абсолютных приоритетов. Так, в случае, когда сумма запросов от сервисных потоков пользовательских станций превышала пропускную способность нисходящего канала связи, превентивное ограничение испытывал в первую очередь запрос от низкоприоритетного сервисного потока, вплоть до полного отказа в доступе. Запрос на скорость передачи от сервисного потока с более высоким приоритетом не ущемлялся до тех пор, пока можно было отказать низкоприоритетному запросу.

About the authors

S. V Garkusha

Email: sv.garkusha@mail.ru

References

Supplementary files