Адаптивный алгоритм управления равномерностью загрузки фрагмента сети LTE

АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ РАВНОМЕРНОСТЬЮ ЗАГРУЗКИ ФРАГМЕНТА СЕТИ LTE

1.,  2.

1Московский технический университет связи и информатики, *****@***ru,  2МГТУ им. Баумана, *****@***com

Предложен метод адаптивной диспетчеризации фрагмента сети LTE. Описан алгоритм корректировки планов распределения служебных и информационных потоков. 

Ключевые слова: коэффициент отношения служебной информации к пользовательской, система штрафов и поощрений.

Введение

Одним из основных направлений развития сетей 4G является технология LTE [1,2]. Оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соединений на каждую 5-МГц  ячейку, оно позволяет достигать скорости до 50 Мбит/с для восходящей связи и до 100 Мбит/с для нисходящей связи. При этом должна обеспечиваться поддержка соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350 км/ч. Сеть LTE состоит из сети радиодоступа E-UTRAN, содержащей усовершенствованные базовые станции eNB, и базовой сети SAE, построенной на коммутации пакетов. Базовая сеть, в свою очередь, состоит из элементов управления мобильностью MME и элементов плоскости пользователя UPE. Контроллеры отсутствуют, их функции выполняют базовые станции, которые соединены по принципу «каждая с каждой». За распределение соединений и передачу служебной информации к базовым станциям отвечает элемент ММЕ. За передачу данных пользователя отвечает элемент UPE. Зона покрытия одной базовой станции – до 30 км, но возможна работа с ячейками радиусом больше 100 км. То есть элемент ММЕ может диспетчеризировать соединения между базовыми станциями  eNB, что позволяет обеспечивать максимальное использование ресурсов, и осуществлять контроль и управление всеми активными сессиями передачи. В сети LTE каждое соединение устанавливается с индивидуальными параметрами качества QoS. 

Взаимное влияние информационного и служебного трафика

Структуру базовой сети SAE, передающую информацию в реальном времени, можно представить как совокупность двух виртуальных взаимодействующих сетей: информационной сети  (ИС), соединяющей элементы управления UPE, по которой передается информация пользователей, и служебной сети (СС), соединяющей элементы управления ММЕ, по которой передается служебная информация для установления соединений и информация для предоставления дополнительных услуг. Мобильные сети, в отличие от стационарных,  подвержены резким перекосам создаваемой абонентами нагрузки. Перекосы возникают при перемещении абонентов по зонам покрытия сети. Учитывая, что в сети LTE находящиеся рядом абоненты могут обслуживаться разными базовыми станциями eNB, возникает ряд задач, связанных с управлением информационной и служебной нагрузкой в  изменяющихся на сети условиях.

В данной работе исследуется критерий, позволяющей оценивать на сетевом уровне взаимное влияние информационного и служебного трафика – , введенный в [3]. Он вводит границу, разделяющую ресурсы сети на информационные и служебные, и определяется как отношение среднего числа служебных пакетов, необходимых для установления и поддержания соединения, к среднему числу пакетов, непосредственно передающих информацию. Этот критерий можно рассматривать как некоторую интегральную характеристику сети, косвенно отражающую качество обслуживания QoS. Очевидно, что при повышении качества обслуживания в сети, в частности использования различных схем бронирования  ресурсов, этот коэффициент будет увеличиваться. В [4] предложен метод адаптивной маршрутизации, основанный на игровом методе. Система штрафов и поощрений за отклонение от заданного времени установления соединения формируется на основе числа произведенных соединений. В качестве критерия используется заданное время установления соединения в сети.

Метод оптимального распределения служебной нагрузки

В работе предлагается метод оптимального распределения служебной нагрузки в базовой сети  SAE. В основу метода положена идея равномерного распределения служебной информации, не связанной с установлением информационного соединения, через наименее нагруженные ММЕ. При этом коэффициент  адекватно реагирует на загрузку служебной сети, а именно: изменяется в соответствии с изменением служебной нагрузки на тех или иных маршрутах. Поэтому, он может быть использован в качестве критерия маршрутизации служебной нагрузки между базовыми станциями eNB.

       В данной работе предполагается производить корректировку планов распределения информационных и служебных потоков на основании постоянных  наблюдений за предложенным критерием взаимного влияния , отражающим складывающуюся на сети ситуацию [3]. Корректировка, в частности, может происходить на основе игрового метода [4], который является достаточно инерционным, поэтому коррекцию предлагается производить не для каждого соединения, а для группы соединений, для которой система управления вычисляет различные средние характеристики. Размер группы обслуживаемых соединений определяется индивидуально для каждой базовой станции eNB и зависит, в основном,  от его пропускной способности.

В работе проведено моделирование участка сети LTE, имеющего три базовые станции eNB, при равномерном распределении на нем абонентов. Предполагается, что информационная и служебная нагрузка рассчитаны  заранее с помощью  заданного коэффициента . Задана структура потоков первого рода, для которых служебная информация должна совпадать с соответствующими информационными потоками. Другая часть потоков служебной информации второго рода, в частности информация о регистрации и перемещениях абонентов, не имеющая отношения к соответствующему eNB, может, в случае перегрузки, быть передана по обходным путям. 

Таким образом, образуется двухуровневая система управления. Устройства динамического управления представляются в виде коллектива конечных автоматов с переменной структурой, функционирующих в случайной среде. Для управления каждым порогом введен стохастический автомат с переменной структурой с двумя входами а1 и а2. Состояние входа а1 соответствует отсутствию свободных информационных ресурсов, то есть соединение должно быть перемаршрутизировано на другой eNB,  или получить отказ в обслуживании, назовем его штрафом и обозначим z1. Состояние входа а2, при котором время установления соединения, или предоставления услуг  превышает заданное, назовем также штрафом  и обозначим  z2.

       При наступлении штрафа z1 повышается граница m1, т. е. уменьшается размер буфера для приема  служебных пакетов, соответствующих установлению новых соединений. При наступлении штрафа z2  повышается граница m2, соответствующая перемаршрутизации служебной информации второго рода, не связанной с установлением информационных соединений. Кроме событий штрафов на входы автомата а1 и а2 могут поступать сигналы, соответствующие событиям успешного установления соединения в заданные сроки. При наступлении этих событий автомат поощряется. Такие состояния q1 и q2  названы поощрениями. Величины штрафов и поощрений для каждого порога могут иметь различный характер.

Заключение

Процессы, протекающие в ИС и СС, требуют введения двух порогов управления информационной и служебной информацией: первый порог m1 срабатывает при перегрузке ИС  и направляет пользовательскую информацию на  обходные направления; второй порог m2 срабатывает при перегрузке СС и направляет на обходные направления  служебную информацию второго рода. При этом необходимо задавать минимальное и максимальное значение каждого порога. В работе показано, что метод дает результаты даже при двукратном увеличении нагрузки. Для устранения случайных колебаний предложено вводить определенную инерцию с учетом величины запаздывания.

Литература

1. , , Энциклопедия WiMAX. Путь 4 G. Москва: Техносфера, 2009. - 472 с.

2. , Технология LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие: СПБ.: Изд-во Политехнического, 2011. - 204 с.

3. Анализ пропускной способности сигнального пути в ЦСИО. Электросвязь, № 3, 2003, с. 41-43.

4. , Динамическое управление потоками информации в сетях связи. М.: Радио и связь, 1983. - 235 с.

ADAPTIVE ALGORITHM OF THE LTE NETWORK LOAD UNIFORMITY CONTROL

Antonova V. M.1., Malikov A. Y.2

1Moscow Technical University of communications and informatics, *****@***ru, 2Bauman Moscow State University, *****@***com

A method of adaptive dispatch on the LTE network fragment is proposed. An algorithm of service and information flows allocation plans correction is described.

Key words: the ratio of the service information to the user information, the system of penalties and rewards.