Алгоритм управления ресурсами в гетерогенных сетях стандарта LTE

Размещено на http://www.allbest.ru/

АО Концерн ЦНИИ Электроприбор, Санкт-Петербург

Алгоритм управления ресурсами в гетерогенных сетях стандарта LTE

О.В. Зайцев

Стандарт LTE был разработан с целью объединения преимуществ высокоскоростной пакетной передачи данных и мобильной радиосвязи. Для улучшения качества обслуживания в зонах неуверенного приема или отсутствия сигнала операторы переходят к гетерогенным сетям. Задача обеспечения требуемой удельной скорости передачи информации в гетерогенных сетях может быть решена снижением внутрисистемных помех, наводимых макросотами в каналах передачи данных и управления фемтосот. Фемтосота (Femtocell) является маломощной базовой станцией сотовой связи и обслуживает небольшую территорию (радиус обслуживаемой территории 20-50 м). Мощность передатчика не превышает 20 мВ. Фемтосота используется в качестве дополнения к покрытию сотовых сетей в местах с плохим прохождением радиоволн и повышенным скоплением пользователей и предоставляет услуги передачи голоса и данных. Соединение с сетью оператора происходит посредством канала широкополосного доступа какого-либо оператора Интернет.

Следует отметить, что проблема распределения и использования канального ресурса в частотной и временной областях в гетерогенных сетях LTE относится к числу сложных, так как требует учета большого числа факторов. На сегодняшний день базовые алгоритмы управления канальным ресурсом в гетерогенных сетях LTE не разработаны. В этой связи тема проекта, посвященного разработке модифицированного алгоритма усиленной координации межсотовой интерференции, является актуальной.

Используемая в алгоритме технология подавления помех во временной области основывается на передаче макросотой почти пустых субкадров с пониженной мощностью и отсутствием данных и управляющей информации. В эти периоды времени фемтосоте разрешено обслуживать своих абонентов на границе соты.

Новизна предлагаемого подхода обусловлена тем, что для определения количества почти пустых субкадров и подверженных внутрисистемным помехам абонентов используются методы линейного программирования. Учет времени выполнения хэндоверов делает разработанное ПО перспективным для его использования в реальных сетях.

Целью работы является повышение удельной скорости передачи информации на границах фемтосот в сетях LTE за счет снижения внутрисистемных помех. В рамках поставленной цели решаются следующие задачи: аналитический обзор известных методов снижения внутрисистемных помех в гомогенных и гетерогенных сетях LTE;

В рамках поставленной цели решаются следующие задачи: аналитический обзор известных методов снижения внутрисистемных помех в гомогенных и гетерогенных сетях LTE;

разработка компьютерной имитационной модели сети LTE в симуляторе ns-3 [1]; разработка модифицированного метода усиленной координации межсотовой интерференции и проверка его эффективности в среде MATLAB.

Проблема снижения внутрисистемных помех в гетерогенных сетях стандарта LTE

Обзор алгоритмов снижения внутрисистемных помех в гомогенных и гетерогенных сетях

В сетях LTE существует возможность снизить уровень внутрисистемных помех и повысить пропускную способность на границах сот за счет статического распределения спектральных ресурсов в частотной области ICIC (Inter-Cell Interference Coordination, координация межсотовой интерференции) Release 8. Однако технология ICIC в частотной области ориентирована на гомогенные сети и эффективна при защите от внутрисистемных помех только физических каналов данных, а не каналов управления. Для устранения недостатка ICIC в 3GPP Release 10 была внедрена технология eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination, усиленная координация межсотовой интерференции). Для снижения внутрисистемных помех в частотной области предполагается использовать агрегацию частотных полос (Carrier aggregation, CA). Ряд проблем, возникающих при реализации CA, таких как отсутствие поддержки этой технологии абонентскими устройствами ранних релизов, повышенные требования к побочным излучениям, максимальной мощности и другим факторам, связанным с совмещением различных радиочастот в одном устройстве, а также невозможность агрегировать все частотные диапазоны, не дают использовать этот способ максимально эффективно [2].

В связи с этим предлагается усовершенствование методов снижения внутрисистемных помех во временной области с применением ABS-субкадров. Практически во всех известных работах по описанию данного подхода отсутствует критерий выбора точного числа ABS-субкадров, а также тех пользователей, которые должны быть обслужены в данных субкадрах. Обычно используются эмпирические способы [3-5] или приближенные аналитические формулы [6], не позволяющие эффективно использовать доступные канальные ресурсы.

Таким образом, необходим алгоритм оптимизации временного управления канальным ресурсом при взаимодействии макро и фемтосот.

Алгоритм управления ресурсами в гетерогенных сетях стандарта LTE

Алгоритм определяет оптимальное значение коэффициента б - количество почти пустых субкадров в битовой последовательности. Оптимизация производится по критерию достижения максимума удельной скорости передачи на границах сот.

Рис. 1. Пример кадра битовой последовательности c коэффициентом б = 0.1

На первом шаге проводится первичный отбор пострадавших от внутрисистемных помех пользователей, значение средней мощности пилотных сигналов RSRP мобильных терминалов которых меньше порога -80 дБм. Если такие абоненты есть, производится запуск режима передачи в почти пустых субкадрах. Фемтосотами проводится вторичный отбор пострадавших абонентов и вычисляется оптимальное количество почти пустых субкадров б. Во время описанных процедур производится сканирование уровня RSRP абонентских терминалов и, когда он превышает уровень заданного порога, производится деакцивация режима ABS.

Схема предлагаемого алгоритма приведена на рисунке.

Рис. 2. Этапы модифицированного алгоритма усиленной координации межсотовой интерференции

Для нахождения оптимального значения б необходимо максимизировать целевую функцию в системе из M макросот и F фемтосот (1):

(1)

Где: , - целевые функции, вычисляемые на макросотах и фемтосотах соответственно.

Часть алгоритма, выполняемая на макросотах, отвечает за максимизацию целевой функции вида (2):

 (2)

Где: - количество UE, закрепленных за макросотой i; б - процентное содержание ABS-субкадров в битовой последовательности; - удельная скорость передачи данных «нормальных» абонентов.

Вторичный отбор абонентов производится фемтосотами итерационно по формуле (3):

(3)

Где: m, n - множества «пострадавших» и «нормальных» абонентов, - удельная скорость передачи данных «пострадавших» абонентов.

Инициализация функции (3), при m = 0, n = 0 задается формулой (4):

(4)

Где: - количество «пострадавших» абонентов после первичного отбора. Ограничения при максимизации задаются выражениями (5):

, (5)

Где: K - количество абонентов, участвующих во вторичном отборе.

При обмене данными в режиме ABS информация о временной конфигурации передается между макро БС и фемтосотой через центр коммутации в виде битовой последовательности (bitmap pattern) длиной 40 бит, т.е. 4 кадра (рисунок 1). Таким же образом передаются рассчитанные значения целевых функций. При этом каждая макросота суммирует переданные ей значения целевых функций со своим значением и максимизирует функцию (1). Соответствующее данной функции значение б является оптимальным и вычисляется для каждой макросоты независимо.

Для тестирования алгоритма в сетевом симуляторе ns-3 была создана имитационная модель системы, состоящая из 1 макро и 1 фемтосоты. Блок-схема имитационной модели приведены на рисунке. Принятие решения о применении режима передачи с использованием ABS производится по измеренному уровню RSRP. Важной особенностью является проведение повторных измерений через 4-5 секунд при первичном отборе. Таким образом, те абоненты, у которых низкое значение RSRP являлось следствием пересечения границ сот, и которым предстояла процедура хэндовера, успеют его пройти.

Рис. 3. Этапы модифицированного алгоритма усиленной координации межсотовой интерференции

Анализ результатов моделирования

Рассматривается система из одной макросоты и одной фемтосоты, и моделируются два сценария абонентской нагрузки: обе соты перегружены, перегружена только фемтосота. Для оценки количества абонентов в системах массового обслуживания с очередями используется модель Клейнрока [7]. Пропускную способность макросоты считаем равной 12.8 Мбит/с, пропускную способность фемтосоты - 6.7 Мбит/с. Соответственно, фемтосота считается перегруженной, если количество абонентов в ней достигает 50, а макросота ? если количество абонентов в ней достигает 1800.

Для оценки удельной скорости передачи, определяемой по формуле (6) [8], из генеральной совокупоности моделируемых значений берется выборка объемом, равным числу абонентов. По формуле (7) вычисляется статистическая функция распределения выборки.

(6)

Где: - единица пакет передачи данных конкретной услуги для i-ого абонента;

- длительность активного соединения; - доступная полоса системы;

(7)

Где: f_i - относительная частота попадания в интервалы; n - объем выборки;

Доверительный интервал взят в границах 3сигма для доверительной вероятности P = 98%. Удельная скорость передачи для мобильной станций на границе сектора и средняя удельная скорость передачи определяется по значению кривой накопленной частоты распределения [9] в точке 5% и 50 % соответственно [10-11]. На рисунках 4, 5 представлены кривые накопленной частоты до и после применения алгоритма для пользователей макросоты, пользователей фемтосоты и всех пользователей для первого и второго сценария.

Рис. 4. Кривые накопленной частоты распределения среднего значения удельной скорости передачи до и после применения алгоритма (1 сценарий)

Рис. 5. Кривые накопленной частоты распределения среднего значения удельной скорости передачи до и после применения алгоритма (2 сценарий)

Численные значения средней и граничной скорости передачи, соответствующие точках кривых накопленной частоты, представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Результаты симуляции (1 сценарий)

Таблица 2. Результаты симуляции (2 сценарий)

Рассматривалась система из одной макросоты и одной фемтосоты. С помощью моделирования сравнивались средняя и граничная удельная скорость передачи информации для двух сценариев нагрузки: обе соты перегружены, макросота недогружена, фемтосота перегружена. Когда обе соты перегружены, после применения алгоритма граничная удельная скорость передачи в частотных каналах абонентов фемтосот увеличилась в 1.69 раза, абонентов макросот - уменьшилась 3.81 раза. Средняя удельная скорость передачи в частотных каналах абонентов фемтосот увеличилась в 1.77 раз, абонентов макросот - уменьшилась в 2.41 раза. Коэффициент б = 0.4. Т.к. избыточное количество ABS-субкадров в общем передаваемом потоке уменьшает время обслуживания абонентов макросот, их удельная скорость передачи уменьшается.

Когда перегружена фемтосота, а макросота недогружена после применения алгоритма граничная удельная скорость передачи в частотных каналах абонентов фемтосот увеличилась в 6.95 раза, абонентов макросот - уменьшилась 1.13 раза. Средняя удельная скорость передачи в частотных каналах абонентов фемтосот увеличилась в 6.816 раз, абонентов макросот - уменьшилась в 1.19 раз.

Коэффициент б = 0.6. Уменьшение удельной скорости передачи для абонентов макросот в данном случае слабо выражено из-за низкой плотности макро абонентов в соте. Полученные в результате симуляции значения удельной скорости передачи для двух рассмотренных сценариев укладываются в диапазон средних значений 0.08-0.12 бит/с/Гц [12], определяемый стандартом сотовой связи 3GPP.

Т.о. цель работы - повышение удельной скорости передачи информации на границах фемтосот в сетях LTE за счет снижения внутрисистемных помех - достигнута.

Литература

передача информация частотный канал

1. Открытое программное обеспечение ns - 3 [Электронный ресурс].ЇРежим доступа: https://www.nsnam.org/.

2. Морей Румни Введение в LTE - Advanced // Agilent Technologies. 10.06.2015. - 5 p.

3. Wang Y., Pederson K.I. Time and Power Domain Interference Management for LTE Networks with Macro-Cells and HeNBs // IEEE Proc. Vehic. Tech. Conf. Sept. 2011. - 7 p.

4. 3GPPR1 - 112331 Performance evaluation in heterogeneous networks, Aug. 2011. - 43 p.

5. 3GPP R1 - 112411 Scenarios for further enchanced non ca-based ICIC for LTE, Aug. 2011.- 56 p.

6. Hisham el Shaer. Interference Management in LTE-Advanced Heterogeneous Networks Using Almost Blank Subframes // Master's Degree Project Stockholm, Sweden, 2012. - 76 p.

7. Рыжков А.Е. UMTS. Стандарт сотовой связи третьего поколения // А.Е. Рыжков, А.Н. Волков, М.А. Сиверс. - СПб.: Линк, 2008 -131 c.

8. REPORT ITU-R M.2134 Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s).2008. - 8 p.

9. Закс Л. Статистическое оценивание. - Москва «Статистика», 1976. - 600 с.

10. 3GPP TR 36.913 version 9.0.0 Release 9.2010. - 15 p.

11. Narcis Cardona, Jose F. Monserrat, Jorge Cabrejas. LTE-Advanced and Next Generation Wireless Networks: Channel Modelling and Propagation // Published Online: 2 OCT. 2012.-566 p.

12. Nakamura Takahiro. Proposal for Candidate Radio Interface Technologies for IMT-Advanced Based on LTE Release 10 and Beyond (LTE-Advanced) // December. 2009. - 63 p.

Размещено на Allbest.ru