Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

 

Шивелин М.А., к. ф.-м. н. Федулина И.Н

Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан

Сравнительный анализ методов передачи данных от базовой станции к абонентской в сети LTE

 

Ключевой особенностью технологии LTE является использование возможности управления радиоресурсом с целью увеличения производительности системы и приближения к границе Шеннона. Планирование передачи данных в данном вопросе играет важнейшую роль, так как отвечает за распределение (как во времени, так и по частоте) радиоресурса среди рабочих станций, при этом учитываются характеристики канала и требования к QoS. Эта цель может быть достигнута путем нахождения компромисса между спектральной эффективностью и равнодоступностью.

В данной статье приводится обзор и сравнение существующих и предлагаемых в научной литературе математических моделей передачи сигнала от базовой станции к абонентской для стандарта LTE. Рассмотрим данные модели.

Алгоритм максимальной пропускной способности (МПС). Данный алгоритм нацелен на достижение максимального значения пропускной способности путем назначения ресурсных блоков тем пользователям, которые могут достигнуть максимального значения пропускной способности в данный интервал передачи.

Математически алгоритм выражается как [1]:

,                                           (1)

где  – результирующее значение для i-го пользователя, использующего k-ый ресурсный блок,  – ожидаемая скорость передачи данных для i-го пользователя в момент времени t при использовании k-го ресурсного блока. Из формулы очевидно, что данный алгоритм позволяет достичь максимального значения пропускной способности одной соты, но, с другой стороны, пользователи с приемным каналом низкого качества получат лишь небольшую долю от всего доступного ресурса (или вообще не получат доступа).

Алгоритм пропорционального разделения по времени (ПРВ). Алгоритм представляет собой объединение алгоритма максимальной пропускной способности и равной пропускной способности выражается как:

                                           (2)

где  (3), а  – средняя пропускная способность, достигнутая i-м пользователем в момент времени, предшествующем t.

Подставляя (3) в (1), получаем [2]:

                       (4)

При данном алгоритме среднее значение пропускной способности используется как весовой множитель для вычисления ожидаемой скорости передачи данных, что позволяет пользователям с плохими условиями приема получать доступ к ресурсным блокам в течение определенного времени.

Алгоритм средней пропускной способности (СПС) представляет собой компромисс между 2мя алгоритмами, описанными выше [3]:

                                                       (5)

 – ожидаемая скорость передачи данных канала для i-го пользователя в момент времени t.

В данном случае достигаемая пропускная способность в данный интервал передачи используется для нормализации достигаемой пропускной способности определенного ресурсного блока.

При таком алгоритме гарантируется минимальное качество обслуживания для каждого пользователя.

Для сравнения представленных выше алгоритмов проведем моделирование, использую программную среду с открытым исходным кодом LTE-Sim.

В разработанном сценарии моделирования используется 19 сот (рисунок 1), количество пользователей изменяется от 20 до 100, передвижение пользователей случайно, скорость передвижения пользователей 30 км/ч. Другие параметры моделирования представлены в таблице 1.

Рисунок 1 –Сеть, состоящая из 19 сот, объединенных в кластеры по 4 соты.

Таблица 1 – Параметры моделирования

Параметр

Значение

Длительность симуляции

100 с

Период измерений

1 мс

Несущая частота

2 ГГц

Ширина полосы пропускания «вниз»

10 МГц

Количество поднесущих ресурсного блока

12

Разнос частот между поднесущими

15 кГц

Повторное использование частот

Кластеры из 4 сот

Мощность передатчика eNB (равномерно распределена по всем каналам)

43 dBm

Модель распространения радиоволн

Город, макро-соты

Радиус соты

500 м.

Траффик

H.264 (MPEG-4)

Полученные в результате моделирования данные представим в виде графиков.

Рисунок 2 - Зависимость максимальной пропускной способности соты от количества пользователей

На рисунке 2 видно, что пропускная способность соты немного возрастает с увеличением количества пользователей в ней. Это связано с тем, что с увеличением количества пользователей возрастает вероятность найти такого, у которого в данный момент на данной частоте наилучшие условия для приема сигнала.

Это справедливо в первую очередь для алгоритма МПС, в то время как ПРВ принимает в учет равнодоступность. Алгоритм СПС напротив не получает никакого преимущества от многопользовательского разнесения, так как в нем не используется информация о качестве канала для увеличения спектральной эффективности. Напротив, при данном алгоритме наблюдается снижение пропускной способности при увеличении числа пользователей. Это связано с тем, что алгоритм пытается распределить ресурсы среди всех пользователей в каждый интервал передачи.

На рисунке 3 видно, что средняя пропускная способность для каждого пользователя снижается с увеличением числа пользователей. Этот результат закономерен, так как одно и то же количество ресурсов приходится распределять среди увеличивающегося числа пользователей.

Рисунок 3 – Зависимость средней пропускной способности соты от количества пользователей

На рисунке 4 показан индекс равнодоступности Джайна [4].

Уравнение Джайна

                                    (6)

показывает равнодоступность набора значений, где n – кол-во пользователей, а xi – пропускная способность i-го соединения. Значения индекса варьируются от 1/n (наихудший случай) до 1 (наилучший случай – все пользователи получают равный доступ к ресурсам).

Из рисунка 4, видно, что алгоритм МПС, показывающий высокий уровень пропускной способности, здесь показал наихудший результат. Это связано с тем, что данный алгоритм гарантирует высокую пропускную способность ограниченному числу пользователей, в то время как остальным достается её малая часть. Алгоритмы ПРВ и СПС, напротив, способны обеспечивать высокий уровень равнодоступности в независимости от числа пользователей.

Рисунок 4 – Изменение индекса Джайна в зависимости от количества пользователей

Осведомленность о состоянии канала связи является основным параметром, позволяющим достичь высокой производительности при беспроводной передачи данных. Так как оператору необходимо одновременно учитывать как спектральную эффективность, так и равнодоступность сетевых ресурсов, то наиболее подходящим методом передачи данных является алгоритм пропорционального разделения по времени, способный обеспечить в равной мере высокую пропускную способность и гарантировать доступ к ресурсам всем пользователям.

 

Литература:

1.     P. Kela, J. Puttonen, N. Kolehmainen, T. Ristaniemi, T. Henttonen, and M. Moisio, “Dynamic packet scheduling performancein UTRA Long Term Evolution downlink,” in Proc. of International Symposium on Wireless Pervasive Comput., Santorini, Greece, May 2008, pp. 308 –313.

2.     R. Basukala, H. Mohd Ramli, and K. Sandrasegaran, “Performance analysis of EXP/PF and M-LWDF in downlink 3GPP LTE system,” in Proc. of First Asian Himalayas International Conf. on Internet, AH-ICI, Kathmundu, Nepal, Nov. 2009, pp. 1 –5.

3.     B. Sadiq, R. Madan, and A. Sampath, “Downlink scheduling for multiclass traffic in LTE,” EURASIP J. Wirel. Commun. Netw., vol. 2009, pp. 9–9, 2009.

4.     R. Jain, The Art of Computer Systems Performance Analysis. John Wiley & Sons, 1991.