. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Simulace přenosu v mobilní síti s technologií HSUPA
29. září 2010 - 8:38 | J. Hlídek, R. Bešťák | Simulace přenosu v mobilní síti s technologií HSUPA | Komentářů: 0  

Simulace přenosu v mobilní síti s technologií HSUPA

Článek seznamuje s výsledky simulace změn jednotlivých parametrů v síti UMTS s implementovanou technologií HSUPA. K uskutečnění simulace bylo využito prostředí Matlab pro naprogramování několika algoritmů vybraných částí MAC vrstvy, přičemž základem je model řízený událostmi.

Tento článek navazuje na příspěvek Popis technologie HSUPA, který přináší teoretický úvod pro zvýšení přenosové rychlosti ve směru od uživatele. Praktická demonstrace některých postupů užívaných v technologii HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) je provedena za jistých zjednodušení a omezení konkrétně ve vrstvě MAC (Medium Access Control).

Popis použitého modelu

Jak ukazuje i obr. 1, uvažovaný model je koncipován tak, že uvažuje odeslání (příchod) dat přímo z MAC vrstvy, přičemž např. modelování rádiového rozhraní je samozřejmě do modelu zahrnuto (simulace chyb – Gilbertův model – podmíněné pravděpodobnosti, že dojde či nedojde k chybě viz. [1] a [2]). Podíváme-li se na vyšší vrstvy, tak z nich se v případě UE dostávají na MAC vrstvu data v podobě bloků o konkrétní velikosti. Na přijímací straně (Node B) jsou data odesílána do páteřní sítě. Z obr. 1 je také vidět, že model shrnuje funkce základnové stanice a RNC (Radio Network Controller) do jednoho funkčního bloku, což je umožněno tím, že není uvažována implementace tzv. „soft handover“, kdy by uživatel mohl mít najednou aktivní spojení s více základnovými stanicemi.

Model také uvažuje zpětný kanál pro potvrzování dat, která byla na Node B úspěšně či neúspěšně přijata. Tento kanál je uvažován jako bezchybový, což prakticky znamená, že při přijetí potvrzení Ack je jisté, že data byla doopravdy na Node B přijata správně a není již třeba jejich opětovné zaslání.


Obr. 1: Část sítě UMTS pro zjednodušení simulace HSUPA

Z vyšší vrstvy přicházejí data v podobě tzv. SDU (Service Data Unit) těsně za sebou. Dle jejich velikosti a dalších parametrů dochází v MAC vrstvě k segmentaci na PDU (Protocol Data Unit). Model pracuje tak, že po přenesení daných PDU na základnovou stanici dochází v přijímací vyrovnávací paměti k vyčkávání na kompletaci celé SDU (v běžném případě se čeká na příchod všech PDU dané SDU – viz obr. 2). Pokud je SDU kompletní, je vyslána do páteřní sítě, přičemž se samozřejmě počítá s určitým zpožděním. Zde analýza provedená pomocí tohoto modelu končí a data jsou považována za úspěšně odeslaná. Výsledky modelování následně ukazují, jaký vliv na zpoždění a další parametry má např. počet opětovných zaslání, nastavení prodlev apod.

Použitá metoda simulace používá metody „Monte Carlo“, přičemž konkrétně je na čase závislá a řadí se do podskupiny „s náhodným krokem“. Po úvodní inicializaci je hlavní funkcionalitou programu tzv. plánovač, který dle aktuální naplánované události (např. vysílání) jde do příslušné části, která pak provede požadovanou akci. V této proceduře je pak možno vygenerovat, kdy dojde k nějaké jiné akci. Například při vysílání z UE je inicializováno přijetí bloku na Node B, kde je vygenerováno, že za určitý čas dojde k potvrzení (Ack / NAck).

Procedura HARQ

Hlavní součástí modelu je implementace víceprocesového HARQ s mechanizmem SAW (Stop And Wait), který je znázorněn na obr. 2. Jak bude ještě rozebráno dále, uvažuje se zde právě použití více procesů a možnost vícenásobného přeposílání. Obr. 2 je názornou ukázkou toho, jak konkrétně byla simulace HARQ naprogramována, když oproti realitě uvažujeme některá zjednodušení (např. pro jednoduchost je číslo procesu přenášeno apod.).

Data v podobě transportních bloků, dále nazývána také PDU jednotky, jsou nejdříve přiřazena jednotlivým procesům. Daný proces pak řeší přeposílání přiřazené PDU, pokud náhodou nebyla korektně přijata na základnové stanici. K uvolnění procesu pak dochází v okamžiku úspěšného přenesení dané PDU, nebo pokud je dosaženo nastaveného maximálního počtu přeposlání (v obr. 2 je max. počet přeposlání dosažen u procesu 2 při přenosu PDU s číslem 2). Jakmile je proces uvolněn, je možné, aby mu byla přiřazena další data, pokud samozřejmě jsou nějaká na vysílací straně k dispozici.


Obr. 2: Využití víceprocesového SAW mechanizmu pro přeposílání – HARQ

Pokud dojde k popsané situaci, že PDU není přenesena, nebude možno složit SDU (Service Data Unit), která se většinou skládá z více PDU, a předat danou SDU vyšší vrstvě ke zpracování (odeslání dále do sítě). V tomto případě jsou tedy všechny PDU dané SDU vymazány na Node B z vyrovnávací paměti a o doručení těchto dat se musí postarat vyšší vrstvy. Tato operace bývá nazývána jako tzv. „SDU discard“. Následné sledování chybovosti v tomto modelu je prováděno právě na základě sledování, kdy došlo k vypuštění SDU.

Perioda s jakou jsou data posílána z MAC vrstvy na fyzickou se nazývá TTI (Transmission Time Interval). Konkrétní parametry pro model jsou v tab. 1, přičemž jeho detailní popis včetně způsobu programování jednotlivých částí je uveden v [2].

TTI 2 [ms]
Velikost PDU 2688 [bit]
Velikost okna (kolik PDU připraveno k odeslání) 20 PDU
Doba nutná pro zpracování přijatých dat (na UE i Node B) 4 [ms]
Max. povolený počet přeposlání mechanizmem HARQ 5 -
Počet HARQ procesů 4 -
Zpoždění SDU při předání do páteřní sítě 250 [ms]
Zpoždění při přenosu na rádiovém rozhraní 1,7 [µs]
Tab. 1: Výchozí parametry simulace, pokud není uvedeno jinak u konkrétních grafických výstupů

Diskuze výsledků z modelu

Nejdříve budou zobrazeny a popsány výsledné charakteristiky pro závislost zpoždění jednotek SDU na chybovosti BLER (Block Error Ratio) pro různé parametry modelu.

Závislost zpoždění jednotky SDU na chybovosti a velikosti TTI

Obr. 3 ukazuje, jak se mění zpoždění, uvažujeme-li použití odlišných TTI (prakticky doba, po kterou se musí čekat, než je blok kompletní a lze ho předat další vrstvě). V HSUPA je totiž možné použít pro přenos bloky v čase dlouhém buď 2 ms nebo 10 ms. Jak je z obr. 3 vidět, dochází k větším zpožděním, pokud je použito TTI = 10 ms, přičemž se zvyšující se chybovostí rozdíly ve zpožděních ještě rostou. To je jeden z důvodů, proč byla v UMTS zavedena možnost využívat TTI = 2 ms. Je dobré ale upozornit na to, že pro kratší dobu TTI je zpoždění sice menší, ale je možno přenést méně bitů. Je tedy třeba dobrého uvážení, pro jaké aplikace bude využito jaké TTI, také s přihlédnutím k potřebě zvýšeného využití signalizačního kanálu. Pro delší TTI se ukazuje, že dochází k většímu rozptylu kolem aproximační křivky, než je tomu pro menší TTI.

Velikost SDU 4x PDU
Počet SDU odesláno v jednom běhu 300
Velikost „okna“ 20x PDU
Počet opakování celé simulace s postupnou změnou pravděpodobnosti chyby pro jeden druh TTI 250
Tab. 2: Parametry simulace pro různé hodnoty TTI


Obr. 3: Zpoždění v závislosti na chybovosti s porovnáním pro dvě různé hodnoty TTI

Maximální povolený počet přeposlání

Obr. 4 je velmi názorný ohledně vlastností přenosu dle různě nastavených možností přeposílání. Ukazuje dva velmi odlišné stavy, kdy je povoleno přeposlání maximálně jedenkrát a desetkrát. Zobrazena je i charakteristika ukazující počet, který může být běžně použit – pětkrát.

Pro charakteristiku, kdy je povoleno pouze jedno přeposlání je vidět, že není zobrazeno stejné množství „bodů v grafu“, jako u ostatních. To je způsobeno tím, že dochází k velké chybovosti, kterou již charakteristika nezobrazuje. Z obr. 4 je pěkně vidět, že pokud je povoleno pouze jedno přeposlání, tak dochází k nedoručení velkého množství PDU a tím pádem i k vypuštění mnoha SDU. Chybovost se pak ukazuje jako enormně vysoká pro horší poměry na rádiovém rozhraní. Důležitou vlastností ale je, že téměř nedochází ke zpoždění. Opakem je charakteristika pro deset přeposlání, kde je chybovost velice nízká, naproti tomu co se týká zpoždění, stoupá závislost velmi strmě.

Důležitost vhodného zvolení počtu přeposílání je tedy zřejmá. Nejenže pro vysoké počty přeposílání dojde k nárůstu rušení pro okolní UE a buňky, ale hlavně zde dochází k velkým zpožděním, která mohou být kritická pro aplikace probíhající v reálném čase. Pro služby jako je např. VoIP, videohovory apod. je vhodné zvolit nižší hodnoty maximálního počtu přeposlání, protože když data dojdou na přijímací stranu správně, ale pozdě, tak již stejně není možné jejich využití.

TTI 2 ms
Velikost SDU 10x PDU
Velikost „okna“ 30x PDU
Počet SDU odesláno v jednom běhu 300
Počet opakování celé simulace s postupnou změnou pravděpodobnosti chyby pro jedno "dovolené maximum přeposlání" 250
Tab. 3: Parametry pro závislosti dle maximálního počtu přeposlání


Obr. 4: Souvislost zpoždění a chybovosti pro různé maximální dovolené meze počtu přeposílání PDU

Závislost zpoždění a přenosové rychlosti na počtu použitých HARQ procesů

Dále se jedná o zajímavou úlohu, kolik paralelních procesů víceprocesového SAW HARQ mechanizmu je třeba využít, aby byl přenos co nejvýhodnější.

Nejdříve však bude dobré pro názornost zobrazit závislost na počtu procesů tak, jak bylo obvyklé u předchozích grafů – tedy ve vztahu ke zpoždění SDU a chybovosti BLER. Tyto charakteristiky ukazuje Obr. 5, z kterého je patrné, že je výhodnější využít několik SAW HARQ procesů spíše než jeden. Klesne díky tomu zpoždění, a to hlavně při zhoršených podmínkách na rádiovém rozhraní, kdy je nutno častěji znovu přeposílat chybně přenesené PDU. Další závislosti se budou zabývat tím, kolik takových procesů se vyplatí použít.

Velikost SDU 4x PDU
Počet SDU odesláno v jednom běhu 100
Doba zpracovani UE, Node B 4 ms
Rozestup odesílání PDU 0 ms
Tab. 4: Parametry pro závislost zpoždění a chybovosti na počtu užitých HARQ SAW procesů


Obr. 5: Závislost zpoždění a chybovosti na počtu užitých HARQ SAW procesů

V tab. 5 jsou uvedeny parametry pro následující dva grafy v obr. 6. Pro názornost ukazuje jeden graf závislost zpoždění SDU na počtu procesů HARQ a druhý graf přenosovou rychlost v závislosti na počtu HARQ procesů. Velikosti PDU z hlediska počtu přenášených bajtů je volena dle tab. 1.

Z obr. 6 je vidět, že do určitého počtu procesů zpoždění klesá. Další zvyšování počtu již ale nemá smysl, protože procesy se pak spíše zdržují mezi sebou, než aby přinášely výhodu. Obr. 6 ukazuje situaci, která v praxi příliš nenastává, kdy by přinášelo užitek ještě 7 procesů. Většinou se využívají 3 až 4 procesy. Zde je to způsobeno tím, že je uvažováno vysílání PDU bloků těsně za sebou, takže než se stihne vrátit potvrzení o úspěšném přenosu v prvním procesu, tak ostatní mohou zatím přenášet.

Velikost SDU 4x PDU
Počet SDU odesláno v jednom běhu 1000
Doba zpracovani UE, Node B 4 ms
Rozestup odesílání PDU 0 ms
BLER 0%
Tab. 5: Parametry pro závislost zpoždění a přenosové rychlosti na počtu HARQ SAW procesů


Obr. 6: Závislosti zpoždění a přenosové rychlosti na zvoleném počtu HARQ procesů pro vysílání PDU těsně za sebou

Lze zkoumat také závislost, kdy jsou jednotlivé PDU odesílány s konstantním časovým odstupem mezi sebou (např. 20 ms). Jedná se pak o deterministické rozložení. Zde již doopravdy stačí jen několik procesů, konkrétně 3 až 4, aby byly uspokojeny požadavky na efektivní přenos co nejvyšší přenosovou rychlostí (s minimálním zpožděním). K obdobnému závěru se dojde, pokud se naprosto minimalizuje doba zpoždění při zpracování na Node B a UE.

Závěr

Podařilo se shrnout některé poznatky z praktického programování simulace. Byla demonstrována závislost zpoždění a propustnosti na chybovosti radiového kanálu a diskutován vliv počtu procesů při přeposílání datových jednotek.

Jako další využití vytvořeného programu by bylo možné například implementovat sledování rušení v buňce a podle toho nastavovat schémata pro přenos dat, což umožní plně využít připravenost programu simulovat provoz pro více uživatelů.

Tento článek vznikl v souvislosti s výzkumným záměrem Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014.

Literatura:
[1] KONRAD, Almudena, et al. A Markov-Based Channel Model Algorithm for Wireless Networks. ACM Wireless Networks : ACM WINET Special Issue: Selected papers from MSWiM 2001. 2003, vol. 9, no. 3. Dostupný z WWW: http://www.cs.berkeley.edu/~adj/publications/paper-files/winet01.pdf.
[2] HLÍDEK, Jan. Technologie HSUPA v UMTS. [s.l.], 2009. 66 s. České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická. Vedoucí diplomové práce Ing. Robert Bešťák Ph. D.
[3] 3GPP TS 25.321 V7.11.0. Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release 7). 3GPP, 2008. 147 p.
[4] 3GPP TR 21.905 V7.4.0. Vocabulary for 3GPP Specifications (Release 7). 3GPP, 2007. 55 p.
[5] 3GPP TS 25.211 V7.6.0. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) (Release 7). 3GPP, 2008. 54 p.
[6] 3GPP TS 25.212 V7.9.0. Multiplexing and channel coding (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 103 p.
[7] 3GPP TS 25.213 V7.6.0. Spreading and modulation (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 36 p.
[8] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. HSDPA/HSUPA for UMTS : High Speed Radio Access for Mobile Communications. England : John Wiley & Sons Ltd, 2006. 245 s. ISBN 0-470-01884-4.
[9] 3GPP TS 25.214 V7.9.0. Physical layer procedures (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 85 p.
[10] DAHLMAN, Erik, et al. 3G Evolution : HSPA and LTE for Mobile Broadband. Great Britain : Elsevier, Oxford, London, 2007. 448 s. ISBN 978-0-123-72533-2
[11] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS : HSPA Evolution and LTE. 4th edition. England : John Wiley & Sons Ltd, 2007. 539 s. ISBN 970-0-470-31933-8.

Autoři: J. Hlídek, R. Bešťák - Interoute Czech s.r.o., České vysoké učení technické v Praze, FEL







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
RTL SDR-3+
Nová generace moderních, snadno použitelných RTL SDR přijímačů vychází z vynikajících vlastností obvodů R820T.
Skladem od 1490 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007