TBS / 332_53_УП_Технологии беспроводных сетей

По сравнению с ранее разработанными системами 3G радиоинтерфейс LTE обеспечит улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE ширина полосы пропускания может варьироваться от 1,4 до 20 МГц (по более ранним источникам – от 1,25 МГц), что позволит удовлетворить потребностям разных операторов связи, обладающих различными полосами пропускания. При этом оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соединений (т.е. 200 телефонных звонков) на каждую 5 МГц ячейку. Также ожидается, что LTE улучшит эффективность использования радиочастотного спектра, т.е. возрастет объем данных, передаваемых в заданном диапазоне частот. LTE позволит достичь внушительных агрегатных скоростей передачи данных – до 50 Мбит/с для восходящего соединения (от абонента до базовой станции) и до 100 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту) в полосе 20 МГц. При этом должна обеспечиваться поддержка соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350 км/ч. Зона покрытия одной базовой станции – до 30 км в штатном режиме, но возможна работа с ячейками радиусом более 100 км. Поддерживаются многоантенные системы MIMO.

Радиоинтерфейс LTE позиционируется в качестве решения, на которое операторы будут постепенно переходить с нынешних систем стандартов 3GPP и 3GPP2, а его разработка является важным этапом в процессе перехода к сетям четвертого поколения 4G. Фактически спецификация LTE уже содержит большую часть функций, изначально предназначавшихся для систем 4G, поэтому ее иногда именуют «технологией 3,9G».

Но развитие технологии LTE продолжается. Уже разрабатываются спецификации следующего поколения 3GPP Release 10, так называемые LTE-Advanced. На сегодня уже сформулированы основные требования, которым должен будет удовлетворять LTE Advanced. По сути, это требования к стандарту мобильных сетей четвертого поколения (4G):

∙максимальная скорость передачи данных в нисходящем радиоканале до 1 Гбит/с, в восходящем – до 500Мбит/с (средняя пропускная способность на одного абонента – втри раза выше, чем в LTE);

∙полоса пропускания в нисходящем радиоканале – 70 МГц, в восходящем – 40 МГц;

∙максимальная эффективность использования спектра в нисходящем радиоканале – 30 бит/c/Гц, в восходящем – 15 бит/c/Гц (втрое выше, чем в LTE);

∙полная совместимость и взаимодействие с LTE и другими 3GPP системами.

Для решения этих задач предполагается использовать более широкие радиоканалы (до 100 МГц), ассиметричное разделение полос пропускания между восходящим и нисходящим каналом в случае частотного дуплекса; более совершенные системы кодирования и исправления ошибок;

91

гибридную технологию OFDMA и SС-FDMA для восходящего канала, а также передовые решения в области антенных систем (MIMO).

Технология LTE сегодня находится в стадии бурного развития, ежемесячно происходят изменения, в том числе – и в самих стандартах. В самих спецификациях LTE еще хватает незаполненных мест, явных ошибок, неточностей и неопределенностей. Очевидно, следует ожидать появления новых документов в области сетевой архитектуры. Но явное достоинство технологии LTE – ее открытость.

92

Раздел 3. Задачи и методы исследования беспроводных сетей связи

3.1. Постановка задачи исследования беспроводных сетей

Исследование беспроводных сетей, характеризующихся стохастическим характером функционирования, осуществляется с использованием различных моделей и методов в зависимости от класса исследуемой сети, ее особенностей и требований, предъявляемых к качеству ее функционирования. В процессе исследования сети решаются две основные задачи:

∙анализ свойств системы и формирование рекомендаций для проектирования;

∙синтез системы с заданными свойствами и разработка проекта беспроводной сети связи.

Основной целью исследования любых систем является проектирование системы с заданными характеристиками функционирования. Для достижения указанной цели решается множество частных задач с использованием математических моделей разных классов.

На системотехническом уровне можно выделить следующие виды проектирования:

1)функциональное проектирование, заключающееся в определении стратегии управления потоками данных в беспроводной сети;

2)структурное проектирование, заключающееся в определении состава и требований к параметрам оборудования и топологии сети;

3)структурно-функциональное проектирование.

Решение перечисленных задач осуществляется с учетом вида ограничений, налагаемых на показатели эффективности системы беспроводной связи, основными среди которых являются время задержки передачи пакетов и вероятность потери пакетов. В системе, в общем случае, может циркулировать несколько классов пакетов (аудио, видео, компьютерные данные), к которым могут предъявляться различные требования в виде ограничений разных видов.

В общем случае ограничения налагаются на средние значения uk

времени задержки (доставки) в сети пакетов класса k = 1, H в виде:

передаваемых в беспроводной сети.

Для мультимедийного трафика важной характеристикой качества передачи аудио и видео данных является вариация или джиттер задержки σ uk , задаваемый в виде ограничения для разных типов трафика ( k = 1, H ) :

93

Кроме того, при решении задач проектировании реальных систем в качестве критерия эффективности часто используется стоимостной показатель.

Задача функционального проектирования для ограничений любого вида решается с использованием достаточно простых моделей, в частности базовых моделей с неоднородным трафиком, и состоит в определении стратегии управления неоднородным потоком данных. Задачи структурного и структурно-функционального проектирования предполагают, в общем случае, использование более сложных – сетевых моделей, причем при структурном проектировании предполагается, что стратегия управления трафиком либо задана, либо используется бесприоритетная стратегия FIFO.

При решении задач структурного и структурно-функционального проектирования можно выделить два основных этапа:

∙определение параметров минимальной конфигурации беспроводной сети, обеспечивающих функционирование сети минимальной стоимости без учета ограничений на время задержки пакетов;

∙определение оптимальных параметров беспроводной сети, обеспечивающих заданные ограничения на время задержки пакетов при минимальной стоимости.

3.2.Общие принципы моделирования сложных систем

Моделирование представляет собой метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование.

При оптимизации и решении задач исследования беспроводных сетей предпочтительным оказывается использование математического моделирования.

Особым классом математических моделей являются имитационные модели, которые шаг за шагом воспроизводят события, происходящие в реальной системе. Имитационные модели беспроводных пакетных сетей воспроизводят процессы генерации сообщений приложениями, разбиение сообщений на пакеты и кадры определенных протоколов, задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров в сетевом оборудовании, процесс получения доступа устройств к разделяемой сетевой среде, процесс обработки поступающих пакетов маршрутизатором и т.д. При имитационном моделировании сети не требуется приобретать дорогостоящее оборудование - его работа имитируется программами, достаточно точно воспроизводящими все основные особенности и параметры такого оборудования. Результатом работы имитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающими

94

событиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временах реакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерь пакетов и т.п.

Существуют специальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесс создания программной модели по сравнению с использованием универсальных языков программирования, например

SIMULA, GPSS, SIMDIS.

Система имитационного моделирования GPSS (General Purpose System Simulator) предназначена для разработки имитационных моделей дискретных систем, например систем и сетей массового обслуживания. В системе GPSS моделируемая система представляется с помощью набора абстрактных элементов, называемых объектами, каждый из которых принадлежит к одному из типов объектов. Объект каждого типа характеризуется определенным способом поведения и набором атрибутов, отражающих его свойства. Например, прибор обслуживания имеет некоторую производительность, выражаемую числом заявок, обрабатываемых им в единицу времени. Сама заявка может иметь атрибуты, учитывающие время ее пребывания в системе, время ожидания в очереди и т.д. Характерным атрибутом очереди является ее текущая длина, наблюдая за которой в ходе работы системы (или ее имитационной модели), можно определить ее среднюю длину за время работы (или моделирования). В языке GPSS определены классы объектов, с помощью которых можно задавать приборы обслуживания, потоки заявок, очереди и т.д., а также задавать для них конкретные значения атрибутов.

Имитационная модель беспроводного транспортного сегмента корпоративной сети позволяет провести оценку вероятностно-временных характеристик (ВВХ) трафика: в частности, трафика реального времени и потокового видео с учетом предъявляемых требований.

3.3.Принципы разработки моделей беспроводных сетей

Кмоделям, используемым для исследования беспроводных сетей, предъявляются два противоречивых требования: простота модели и ее адекватность исследуемой системе.

Требование простоты модели обусловлено необходимостью построения модели, которая может быть рассчитана доступными методами. Построение сложной модели может привести к невозможности получения конечного результата имеющимися средствами в приемлемые сроки и с требуемой точностью.

Достижение разумного компромисса между простотой модели и ее адекватностью исследуемой системе является одной из сложнейших проблем моделирования.

95

3.3.1. Классификация математических моделей

При проектировании сложных технических систем наиболее широко применяются математические модели, которые строятся на основе концептуальной модели и позволяют получать конкретные значения параметров проектируемой системы.

Многообразие систем, проявляющееся в многообразии их структурно-функциональной организации, определяет использование множества разных математических моделей, которые могут быть классифицированы в зависимости от:

1)назначения – структурные, функциональные, структурнофункциональные;

2)характера функционирования исследуемой системы –

детерминированные, стохастические;

3)режима функционирования системы – стационарные,

нестационарные.

3.3.2. Параметризация моделей

Количественно любая модель, как и соответствующая ей беспроводная сеть, описывается совокупностью величин, которые могут быть разбиты на параметры и характеристики. Состав параметров и характеристик модели определяется составом параметров и характеристик исследуемой системы и может в идеальном случае совпадать с ним. В общем случае составы параметров и характеристик модели и системы различаются, т.к. в первом случае они формулируются в терминах того математического аппарата, который используется при построении модели, а параметры и характеристики системы формулируются в терминах соответствующей прикладной области, к которой принадлежит исследуемая система. В связи с тем, что, в общем случае, параметры и характеристики системы и модели различаются, их принято называть соответственно системными и модельными.

В связи с тем, что состав и номенклатура системных и модельных параметров и характеристик, в общем случае, различается, возникает необходимость установления соответствия между значениями системных и модельных параметров и характеристик, которое выполняется на этапе

параметризации модели.

Этап параметризации модели в процессе беспроводной сети имеет большое значение для получения корректных результатов. На этом этапе фактически закладывается фундамент адекватности модели исследуемой системе, поскольку именно в процессе параметризации определяются значения исходных параметров, которые будут использованы в модели и обеспечат достоверность получаемых результатов. Ошибки, заложенные при неудачной параметризации, не смогут быть компенсированы даже применением сверхточной (адекватной) модели и точных методов расчета. Более того, ошибки параметризации могут многократно увеличиться и привести к получению абсолютно неправильных значений исследуемых

96

характеристик и, следовательно, к получению некачественного проекта разрабатываемой системы.

Параметризация – это промежуточный этап установления взаимнооднозначного соответствия между концептуальной и математической моделями.

3.4. Базовые модели беспроводных сетей

При решении задач системотехнического проектирования беспроводных сетей со стохастическим характером функционирования в качестве простейших моделей могут использоваться системы и сети массового обслуживания различных классов.

3.4.1.Простейшая модель ресурса

Впростейшем случае в качестве модели некоторого ресурса (устройства) сети, обрабатывающего однородные пакеты, поступающие в сеть в случайные моменты времени, может использоваться одноканальная система массового обслуживания (СМО) с одним обслуживающим прибором (ресурсом) с однородным потоком заявок и накопителем неограниченной емкости.

Вкачестве таких ресурсов и устройств в беспроводных сетях выступают базовые и мобильные станции, маршрутизаторы и коммутаторы, радиоканалы передачи данных и т.д.

Пусть средний интервал между пакетами равен a, и средняя

ресурсоемкость, измеряемая количеством работы, которое затрачивается на обработку или передачу одного пакета, равна θ . Скорость обработки (передачи), измеряемую количеством работы, выполняемой за единицу времени, обозначим через V . В каждый момент времени ресурс может

обрабатывать или передавать только один пакет. Пакеты, заставшие ресурс занятым обработкой ранее поступившего пакета, располагаются в накопителе перед ресурсом, где ожидают его освобождения.

Положим, что пакеты, поступающие к ресурсу, образуют простейший поток с интенсивностью λ = 1/ a , а длительность обработки (передачи) одного пакета распределена по экспоненциальному закону

накопителе перед ресурсом и полная задержка пакета определяются как:

3.4.2. Оценка быстродействия ресурса

Рассмотренная модель может быть использована для решения задач проектирования, в частности, для оценки требуемой производительности ресурса (устройства), в частности, скорости обработки пакетов в устройстве или пропускной способности радиоканала связи. В простейшем

97

случае может быть получена нижняя оценка быстродействия устройства – быстродействие, при котором в системе отсутствуют перегрузки.

Нагрузка y и загрузка ρ устройства определяются соответственно

как:

Последнее выражение можно рассматривать как ограничение, налагаемое на быстродействие ресурса (скорость работы устройства) и обеспечивающее отсутствие перегрузок в устройстве. Величина V0 = λθ представляет собой нижнее быстродействие устройства. Если быстродействие устройства будет меньше или равно V0 , то устройство будет перегружено, что приведёт к неограниченному возрастанию длины очереди пакетов перед ресурсом.

Для выбранного быстродействия V средняя задержка пакетов в устройстве:

Рассмотрим теперь задачу определения быстродействия при заданном ограничении на среднее время задержки пакетов в устройстве.

Пусть для описанной выше системы задано ограничение на среднее время задержки пакетов в устройстве в виде:

V > λθ + θ . u*

3.4.3. Оценка ёмкости накопителя

Одной из задач проектирования систем с использованием простейших базовых моделей является оценка ёмкости накопителя (буферной памяти), обеспечивающей заданный уровень потерь поступающих пакетов из-за переполнения накопителя.

В общем случае для точного решения этой задачи необходимо знать

98

определения ёмкости накопителя формулируется следующим образом: определить ёмкость накопителя Е, при которой вероятность потери поступающих пакетов, то есть вероятность того, что количество пакетов К в системе окажется больше ёмкости Е накопителя, не превысит заданное

Как видно из представленных зависимостей, для сохранения заданного уровня потерь заявок ёмкость накопителя существенно должна быть увеличена при увеличении загрузки, начиная со значения ρ = 0,6 . В частности, при увеличении загрузки от значения ρ = 0,8 до значения

ρ= 0,9 ёмкость накопителя должна быть увеличена примерно в 2 раза.

3.4.4.Модели систем с несколькими устройствами

Всистемах с несколькими идентичными устройствами поступающие пакеты могут обрабатываться любым свободным устройством. Если все устройства заняты, то пакеты ожидают в накопителе его освобождения. При этом могут использоваться два способа организации накопителей перед устройствами:

1) накопители формируются перед каждым устройством, при этом поступивший пакет случайным образом направляется в один из накопителей; такие системы называются системами с индивидуальными накопителями и моделируются в виде совокупности одноканальных СМО,

99

число которых равно числу устройств и, следовательно, числу накопителей;

2) перед всеми устройствами формируется один общий накопитель, в который заносятся пакеты, при этом пакеты из накопителя на обработку поступают в первое освободившееся устройство; такие системы называются системами с общим накопителем и моделируются в виде многоканальной СМО, в которой число обслуживающих приборов равно числу устройств в системе.

Расчёт характеристик системы с индивидуальными накопителями сводится к расчёту N независимых одноканальных СМО с однородным потоком пакетов, причём разные устройства могут иметь разные быстродействия.

В случае равновероятного распределения пакетов по всем N накопителям, интенсивность их поступления ко всем устройствам системы

одинакова и равна λ = λ . Если при этом все приборы идентичны, то

расчёт характеристик системы сводится к расчёту одной одноканальной СМО, поскольку характеристики всех устройств будут одинаковы. Если разные устройства имеют разные быстродействия, расчёт выполняется для всех N одноканальных СМО.

Расчёт характеристик системы с общим накопителем сводится к расчету многоканальных СМО, содержащих N идентичных обслуживающих приборов (устройств) и накопитель неограниченной ёмкости.

Рассмотрим задачу определения минимального количества устройств в системе.

Под минимальным количеством устройств в системе будем понимать такое количество, при котором в системе отсутствуют перегрузки.

Для того чтобы в системе с несколькими устройствами не было

перегрузок, необходимо выполнение условия: ρ = min( y ; 1) < 1, из

N

которого следует:

NV > λθ .

Полученное выражение можно рассматривать как ограничение, налагаемое на суммарное быстродействие системы, обеспечивающее существование установившегося режима в системе. Величина V0 = λθ представляет собой минимально возможную производительность (суммарное быстродействие) системы. Если суммарное быстродействие системы будет меньше или равно V0 , то в системе возникнут перегрузки,

100