10.4. Пример алгоритмов распределения пакетов

10.4.1. Введение

Функция распределения пакетов заключается в совместном использовании имеющейся пропускной способности воздушного интерфейса пользователями пакетов. Распределитель пакетов может решить проблему, связанную с назначением скоростей передачи и продолжительностью назначения. В WCDMA это можно сделать двумя способами: по способу с кодовым разделением или с временным разделением (см. рис. 10.3). При кодовом разделении большое число пользователей может иметь одновременно канал с низкой скоростью передачи. Когда число пользователей, желающих воспользоваться пропускной способностью, возрастает скорость передачи, которая выделяется для одного пользователя, уменьшается. При планировании с временным разделением пропускная способность обеспечивается одному пользователю или лишь нескольким в каждый момент времени. Таким образом, пользователь может иметь очень высокую скорость передачи, но может ею воспользоваться лишь в течение очень короткого времени. В WCDMA максимальная временная разрешающая способность – это фрейм длительностью 10 мс. Когда число пользователей увеличивается при использовании способа с временным разделением, каждый пользователь должен стоять в очереди на обслуживание более длительное время.

Рис.10.3. Принципы распределения с использованием кодового и временного разделений.

В разделах 10.4.2 и 10.4.3 рассматриваются преимущества и недостатки планирования с кодовым и временным разделениями. Эти два способа являются примерами экстремальных случаев. На практике распределение пакетов – это комбинация способов с временным и кодовым разделениями. В разделе 10.4.4 показано, как использовать информацию о требуемой мощности передачи для улучшения пропускной способности при распределении пакетов.

10.4.2 Планирование с временным разделением

Когда распределитель пакетов назначает скорости передачи пакетированных данных, он должен учитывать характеристику (качество) радиосвязи. Высокие скорости передачи обычно дают меньше энергии на передаваемый бит: см. раздел 11.2.1.1. Поэтому планирование с временным разделением имеет преимущество в получении более низких значений E_b/N₀по сравнению с планированием с кодовым разделением. Результаты моделирования для пакетированных данных с различными скоростями передачи в восходящем канале показаны на рис. 10.4. Различие между передачей со скоростями 8 Кбит/с и 256 Кбит/с составляет2 дБ, т.е., увеличение скорости передачи от 8 Кбит/с до 256 Кбит/с обеспечивает улучшение в 10^{(2 дБ/10)}= 58 % в пропускной способности воздушного интерфейса.

Так как скорость передачи выше в способе с временным разделением, средняя задержка короче, чем при кодовом разделении. Более короткая задержка – еще одно основание помимо более низкого отношения E_b/N₀ для использования планирования с временным разделением.

Рис.10.4. Результаты моделирования на уровне линии (канала) пакетированных данных при различных скоростях передачи в восходящем канале. Скорость MS 3 км/час, ITU A-канал (пешеход), с заданным значением FER 10 %.

Недостатком способа с временным разделением является короткий период времени передачи. Установление и разъединение соединения требуют не более нескольких фреймов по времени в зависимости от реализации. В этот период времени физические ресурсы базовой станции такие, как, например, канальные блоки (модули), привязываются к соединению, которое не используется активно. Аналогичным образом в то же самое время расширяющие коды резервируются. Кроме того, должны устанавливаться линии сигнализации через радио и Iub-интерфейсы. Следовательно, при планировании с временным разделением процент времени, когда физические ресурсы не используются, выше, чем с кодовым разделением.

Использование распределения с временным разделением ограничивается небольшой дальностью связи при высоких скоростях передачи в восходящем канале из-за ограниченной мощности передачи подвижной станции: смотрите зону охвата в восходящем канале в разделе 11.2.1.1. В нисходящем канале никаких подобных ограничений дальности не существует: смотрите зону охвата в нисходящем канале в разделе 11.2.3. Кроме того, при назначении скоростей передачи должны учитываться максимально возможные поддерживаемые скорости передачи.

И, наконец, отметим, что при планировании с временным разделением используются высокие скорости передачи, и создается неравномерная нагрузка, которая приводит к более высоким изменениям в уровнях помех, чем при планировании с кодовым разделением.

Временное разделение, как правило, используется в совмещенных каналах, но может также использоваться и в выделенных каналах. Распределения скорости передачи в совмещенных каналах показаны на рис.10.5. Выделенный канал с низкой скоростью передачи обычно используется наряду с совмещенным каналом в нисходящей линии.

Рис.10.5. Принцип планирования совмещенных каналов.

10.4.3. Планирование с кодовым разделением

При планировании с кодовым разделением всем пользователям назначается канал, когда они в нем нуждаются. Скорость передачи на много ниже, чем при планировании с временным разделением, если имеется несколько пользователей пакетной передачи, которые запрашивают для себя пропускную способность. Из-за более низкой скорости передачи для распределения ресурсов при планировании с кодовым разделением требуется времени больше, чем при планировании с временным разделением.

При планировании с кодовым разделением задержки при установлении и разъединении соединений вызывают меньшие потери в пропускной способности из-за более низкой скорости передачи и из-за более длительного времени передачи. Из-за более низких скоростей на распределение ресурсов потребуется больше времени при планировании с кодовым разделением, чем при планировании с временным разделением. Это делает уровни помех воздушного интерфейса более прогнозируемыми, что можно рассматривать как преимущество для планирования с кодовым разделением.

Планирование с кодовым разделением может быть статическим или динамическим. При статическом планировании назначенная скорость передачи поддерживается фиксированной на протяжении всего соединения. Этот способ напоминает соединения с коммутацией каналов и требует точной оценки назначенной скорости передачи. К сожалению, пакетный трафик часто является неравномерным и непрогнозируемым. Соединение может обслуживать передачу только одного короткого документа или много последовательных документов. Для того чтобы получить возможность точно вычислить необходимую скорость передачи, требуются емкие буферы или же трафик должен быть достаточно постоянным. Во многих случаях это непрактично или нереально, и необходим какой-то способ видоизменения уже назначенной скорости передачи, т.е. кодовое разделение должно быть динамичным. Должна иметься возможность увеличивать или уменьшать назначенную скорость передачи. Изменение скорости передачи может быть основано на количестве данных в буферах.

Так как в способе с кодовым разделением используются более низкие скорости передачи, он устанавливает более низкие требования для пропускных способностей MS. Кроме того, более низкие скорости передачи приводят к большей дальности связи в восходящем канале – смотрите раздел 11.2.1.1 для дальности связи по восходящему каналу для различных скоростей передачи.

В табл. 10.2 приводятся различия между планированием с временным и кодовым разделением.

Таблица 10.2.

Сравнение стратегий планирования с временным и кодовым разделением.

	Временное разделение	Кодовое разделение
Количество одновременных передач пакетов на ячейку в воздушном интерфейсе	Небольшое	Большое ( 20 – 50)
Мгновенная скорость передачи на пользователя пакетного сервиса	Высокая ( 100 Кбит/с)	Низкая ( 50 Кбит/с)
Преимущества	Более короткая полная задержка Лучше отношение Eb/N0	Более высокая дальность связи в восходящем канале из-за более низкой скорости передачи Ниже требования к пропускной способности MS Меньшее изменение помех из-за большего числа пользователей

10.4.4. Планирование, основанное на мощности передачи

Выделенная скорость передачи пакетированных потоков данных могла бы быть основана на требуемой мощности передачи соединения: более высокая скорость передачи для пользователя, требующая меньшую мощность передачи на переданный бит. Этот способ минимизировал бы среднюю требуемую мощность передачи на бит и создаваемые помехи для сети; и увеличил бы среднюю пропускную способность ячейки по сравнению с планированием с одинаковой скоростью передачи. На практике пользователи, близко расположенные к базовой станции, получили бы более высокую скорость передачи, чем те, что находятся на краю ячейки, и пропускная способность пользователя зависела бы от месторасположения, если бы использовалось планирование, основанное на мощности передачи. В GPRS(пакетной коммутации в сетях подвижной радиосвязи) адаптация канала обычно обеспечивает более высокую пропускную способность ближе кBS, чем на краю ячейки, т.е. скорость передачи вGPRSзависит от расположения. Во всех результатах моделирования потоков пакетированных данных, приведенных в этом разделе, предполагается планирование с одинаковой скоростью передачи.

Для осуществления планирования, основанного на мощности передачи, распределитель пакетов должен знать или оценить мощность передачи каждого пользователя, когда он назначает скорости передачи. И в восходящем, и в нисходящем каналах измерения E_b/I₀принимаемого пилот-сигнала могут использоваться для оценки мощности передачи.

Планирование, основанное на мощности передачи, дает больший выигрыш в средней пропускной способности в нисходящем канале, чем в восходящем по сравнению с планированием с одинаковой скоростью передачи. В восходящем канале обычно, по меньшей мере, 50 % помех возникают от других пользователей внутри одной и той же ячейки, и эти помехи не зависят от мощности передачи, а только от принимаемых мощностей: смотрите рис.9.6. В нисходящем канале мощность передачи определяет непосредственно пропускную способность воздушного интерфейса и при планировании, основанном на мощности передачи, несомненно, можно увеличить среднюю пропускную способность в нисходящем канале.