∆ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΟΡΩΝ
ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ∆ΙΚΤΥΩΝ
Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ
Συμεών Παπαβασιλείου
1
Εισαγωγή
Η ολοένα αυξανόμενη χρήση των ασύρματων δικτύων και η
ταυτόχρονη αύξηση των απαιτήσεων των υπηρεσιών των χρηστών,
επιτείνουν την ανάγκη:
Μεγιστοποίησης της χωρητικότητάς τους,
Υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης,
Εξασφάλιση κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας.
Λόγω των παραπάνω απαιτήσεων, η δημιουργία αποτελεσματικών
αλγορίθμων διαχείρισης πόρων ασύρματων δικτύων αποτελεί
ζωτικής σημασίας παράγοντα διασφάλισης της εύρυθμης
λειτουργίας τους.
2
Βασικές Λειτουργίες Συστημάτων Κινητής
Τηλεφωνίας
∆ιευθέτηση πόρων συστήματος
(Resource Allocation)
Εξασφάλιση κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας
(QoS provisioning)
Αποδοχή/Απόρριψη αιτήσεων εξυπηρέτησης
(Call Admission Control)
∆ιαχείριση κινητικότητας - ∆ιαπομπές χρηστώv
(Mobility Management - Handovers)
Αναγνώριση χρήστη υπηρεσιών - Κοστολόγηση
Εξουσιοδότηση
χρήσης
(Authentication-Authorization-Accounting)
3
Βασικές ∆ομικές Μονάδες ∆ικτύου Κινητής
Τηλεφωνίας (Παρελθόν)
2G – GSM
HLR
Internet
VLR
MSC
Gateway
MSC
BSC
BTS
BTS
BTS
BTS
4
Βασικές ∆ομικές Μονάδες ∆ικτύου Κινητής
Τηλεφωνίας (Παρόν)
3GPP/LTE
Internet
Server
IP Network
PDN GW
IP-based Core Network
Tight
Coupling
Loose
Coupling
SGSN/S GW
WLAN Gateway
WLAN Area
CDMA Cell
EU (Mobile Node)
5
Κυψελωτή ∆ομή – Πολυπλεξία
K=3
TDMA / FDMA
{f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7, f8, f9}
{f2, f5, f8}
{f1, f4, f7}
{f3, f6, f9}
∆ιαχωρισμός συνολικού εύρους ζώνης σε διαύλους (fi)
Ανάθεσή τους σε ομάδες κυψελών
Ομάδες επαναχρησιμοποίησης (Κ=3,7,…)
Ανά δίαυλο πολυπλεξία χρόνου (8 χρονοσχισμές)
Ανά κυψέλη τουλάχιστον 1 χρονοσχισμή σηματοδοσίας
6
Παρεμβολές
Λόγω επαναχρησιμοποίησης και μικρού
κυψελών υπάρχουν δύο ήδη παρεμβολών.
μεγέθους
Ομοκυψελικές
Ομοδιαυλικές – Ετεροκυψελικές
Uplink
Downlink
7
Μειονεκτήματα TDMA / FDMA (2G GSM, ADC, JDC)
Περιορισμένη χωρητικότητα.
Περιορισμένοι ρυθμοί μετάδοσης.
Ακατάλληλο για υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου
(π.χ. ακόμα και τα SMS από δίαυλο ελέγχου).
Μικρές δυνατότητες επεκτασιμότητας.
8
Πολλαπλή Πρόσβαση ∆ιαίρεσης Κώδικα
(Code Division Multiple Access, CDMA)
•Ταυτόχρονη μετάδοση χρηστών πάνω στο ίδιο φέρον.
•Κάθε χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει όλο το διαθέσιμο φάσμα.
•Εξάπλωση και επανα-συμπίεση του αρχικού σήματος δεδομένων μέσω
χρήσης ορθογώνιων κωδικών ακολουθιών.
9
Πλεονεκτήματα CDMA
Orthogonal signals
• ∆υνατότητα πολλαπλής πρόσβασης.
• Προστασία από παρεμβολές πολλαπλών διαδρομών.
• Απόρριψη παρεμβολών.
• Προστασία από κακόβουλες παρεμβολές.
• Προστασία πληροφορίας
–
υποκλοπών στο εναέριο μέσο.
Μικρή
πιθανότητα
10
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές
Επικοινωνίες
Απώλειες ∆ιαδρομής
Pr =
Gt ⋅ Gr ⋅ Pt
dn
Gr
d
Gt
Base Station
όπου:
Pt ισχύς εκπομπής κεραίας,
Pt ισχύς λήψης,
Gt κέρδος κεραίας εκπομπής,
Gr κέρδος κεραίας λήψης,
d απόσταση κεραιών
n (n>2) εκθέτης απωλειών διαδρομής
User i
Pr
d
11
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές
Επικοινωνίες
∆ιαλείψεις:
Σκίαση
∆ιαλείψεις πολλαπλών
διαδρομών
Κατά την λήψη:
Pr
d
Μακροχρόνιες ∆ιαλείψεις
Αφορούν το μέσο όρο της περιβάλλουσας του λαμβανόμενου
σήματος.
Απότομες διακυμάνσεις του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος.
(Fast Fading)
12
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές
Επικοινωνίες
Εκμετάλλευση των βραχυπρόθεμων χρονικών διακυμάνσεων των
καναλιών των χρηστών.
Χωρισμός του χρόνου σε χρονοσχισμές
Εκπομπή από το BS πιλοτικού σήματος
1,67 ms
Μέγιστη ισχύς BS.
∆ύο φορές εντός προηγούμενης χρονοσχισμής.
DCR σήμα από κινητά προς BS.
Γνώση στιγμιαίων κερδών καναλιού χρηστών κατά την επόμενη χρονική
στιγμή.
Χρονισμός χρηστών.
Μήκος χρονοσχισμής αρκετά μικρό ώστε τα κέρδη καναλιού των
χρηστών να θεωρούνται σταθερά. (1,67 ms)
Τεχνολογίες HDR, cdma2000 EV-DO\WLAN
13
Χρονοδρομολόγηση Χρηστών με Βάση την
Στιγμιαία Ποιότητα Καναλιού τους
Θετική εκμετάλλευση των βραχυπρόθεσμων διακυμάνσεων των
ανεξάρτητων καναλιών των χρηστών με στόχο την
μεγιστοποίηση της ρυθμαπόδοσης του συστήματος (multiuser
diversity).
Αρχή: Σε μια κυψέλη όπου οι χρήστες έχουν ανεξάρτητα
χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια, κάποιος έχει πάντα καλύτερη
ποιότητα καναλιού από τους άλλους.
Ευκαιριακή Χρονοδρομολόγηση: Η συνολική ρυθμαπόδοση
του συστήματος μπορεί να μεγιστοποιηθεί με το να
εξυπηρετούνται κάθε χρονική στιγμή εκείνοι οι χρήστες με τον
υψηλότερο σηματοθορυβικό λόγο κατά την λήψη (SINR).
14
Μοντελοποίηση Συστήματος (3G CDMA)
High Data Rate (HDR)
CDMA
(για
την
υποστήριξη
ταυτόχρονων μεταδόσεων ) over
TDMA (για την εκμετάλλευση του
“multiuser diversity”)
O σταθμός βάση έχει πλήρη
επίγνωση των συνθηκών των
καναλιών
των
χρηστών
(ανά
χρονοσχισμη).
O σταθμός βάσης έχει πεπερασμένη
ισχύ εκπομπής.
Oι
κινητοί
χρήστες
έχουν
πεπερασμένες ισχύ εκπομπής.
Ο BS αποφασίζει την ταχύτητα
μετάδοσης και την ισχύ εκπομπής
των
χρηστών,
οι
οποίοι
ενημερώνονται μέσω του καναλιού
σηματοδοσίας.
Base Station
User i
User2
User1
15
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη καθόδου
Βασικοί περιορισμοί μετάδοσης:
PBS
Ελάχιστος σηματοθορυβικός
λόγος λήψης στο χρήστη.
W
Ri
Gi Pi
( hiθ
N
∑
j =1, j ≠ i
Pj + W η 0 )
Μέγιστη ισχύς
σταθμού βάσης:
≥ γi
Base Station
User i
εκπομπής
N
∑P ≤ P
όπου
i =1
i
User2
User1
BS
W :Εύρος ζώνης CDMA συστήματος, N: αριθμός ενεργών χρηστών
Gi : Κέρδος καναλιού χρηστών (από την κεραία προς τον χρήστη)
η0 : Μονόπλευρη πυκνότητα λευκού θορύβου (AWGN)
PBS:Μέγιστη ισχύς εκπομπής σταθμού βάσης
Pi : Ισχύς χρήστη i, θ : Παράγοντας ορθογώνιας συσχέτισης σημάτων
16
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη καθόδου
Αρχή : «Επιλογή ενός χρήστη ανά χρονική
στιγμή».
Η
συνολική ρυθμοπόδοση του συστήματος
μεγιστοποιείται όταν ένας χρήστης επιλέγεται
για μετάδοση κάθε χρονική στιγμή.
Το
παραπάνω
προϋποθέσεις.
λίμα
ισχύει
κάτω
υπό
17
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη ανόδου
Βασικοί περιορισμοί μετάδοσης:
Ελάχιστος
σηματοθορυβικός
λόγος λήψης στη κεραία για κάθε
χρήστη.
W
Ri
Gi Pi
θ
N
∑ G P +Wη
j =1, j ≠i
j
j
≥ γi
Base Station
User i
0
Μέγιστη ισχύς εκπομπής χρήστη i:
User2
User1
Pi ≤ Pi max
Όπου
W :Εύρος ζώνης CDMA συστήματος, N: αριθμός ενεργών
χρηστών
Gi : Κέρδος καναλιού χρηστών (από τον χρήστη προς στην
κεραία)
η0 : Μονόπλευρη πυκνότητα λευκού θορύβου (AWGN)
PBS: Μέγιστη ισχύς εκπομπής σταθμού βάσης
Pi : ισχύς χρήστη i, θ : Παράγοντας συσχέτισης σημάτων
18
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη ανόδου
Ποσοτικοποίηση Χωρητικότητας Συστήματος
Power index capacity.
Υπό τους προηγουμένους περιορισμού, για να είναι ρεαλιστικό ένα
διάνυσμα ισχύων χρηστών θα πρέπει να ισχύει:
N
Ψ = ∑ gi ≤ 1 −
i =1
η0W
⎧⎪ max ⎛ Gi ⎞ ⎫⎪
min ⎨ pi hi ⎜ + 1⎟ ⎬
1≤i ≤ N
⎝ γi
⎠ ⎭⎪
⎩⎪
gi =
γi
γ i + Gi
∆ιαισθητικά, οι δείκτες ισχύος χρηστών μας δίνουν την επίδραση που
έχουν στο σύστημα και κατ’ επέκταση σε αυτούς η ισχύς μετάδοσης
των άλλον χρηστών. Μεγαλύτερος δείκτης ισχύος για ένα χρήστη
σημαίνει μεγαλύτερη ισχύς μετάδοσης για αυτόν αλλά και πρόκληση
μεγαλύτερων παρεμβολών στους άλλους.
19
Κριτήρια Ποιότητας Υπηρεσιών (QoS)
∆ιαχωρισμός σε δύο κατηγορίες:
Κριτήρια
εξασφάλισης ελάχιστων επιδόσεων .
Κριτήρια
δικαιοσύνης χρηστών
Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης
Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης
20
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
Εξασφάλιση ελάχιστης πιθανότητας
πρόσβασης στο σύστημα
χρόνου
Ένα
ελάχιστο ποσοστό χρόνου (ti) πρόσβασης στο
μέσο τίθεται για κάθε χρήστη i.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
s.t. Pr{Q(t ) = i} ≥ ti i = 1, 2,..., N
Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη i την χρονοσχισμή t.
Ui η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει.
Αν Ui=Ri , στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης
του συστήματος.
21
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
Εξασφάλιση ελάχιστων πόρων συστήματος
Ένας
περιορισμός εξασφάλισης ελάχιστων πόρων
(received system’s resources Ci,min) τίθεται για κάθε
χρήστη i.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
s.t. E(Ui 1Q (t ) =i ) ≥ Ci ,min i = 1, 2,..., N
Αν Ui=Ri , στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης
του συστήματος υπό την προϋπόθεση εξασφάλισης ενός ελάχιστου
μέσου ρυθμού μετάδοσης για κάθε χρήστη.
22
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
Εξασφάλιση ελάχιστων
συστήματος
& μέγιστων πόρων
Περιορισμοί
εξασφάλισης όχι μόνο ελάχιστου αλλά και
μέγιστου ποσού πόρων θέτονται για κάθε χρήστη i.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
s.t. E(ri ) ≥ Ri ,min i = 1, 2,..., N
E(ri ) ≤ Ri ,max i = 1, 2,..., N
Λόγοι ύπαρξης περιορισμού μέγιστης μέσης ρυθμαπόδοσης χρήστη:
1.
2.
Κοστολόγηση υπηρεσιών.
Αποφεύγεται η δραματική μείωση της ποιότητας υπηρεσιών των χρηστών, όταν ο
αριθμός τους στο σύστημα αυξάνει γρήγορα.
23
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
Αλγόριθμοι χρονοδρομολόγησης πακέτων
Επέκταση
Αρχικού Μοντέλου: Κάθε χρήστης έχει μια
ουρά αποθήκευσης πακέτων στον σταθμό βάσης για
τα εισερχόμενα προς αυτόν πακέτα.
Βασικοί Χρονοδρομολογητές:
MAX-WEIGT
Στόχος: Ελαχιστοποίηση μέσου μεγέθους ουρών χρηστών
(qi(t))
Αλγόριθμος:
arg max ρi (t )qi (t )
i
Όπου ρi(t) οι συνθήκες καναλιού του χρήστη i κατά την χρονοσχισμή t.
24
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
MAX-DELAY
Στόχος: Ελαχιστοποίησης της καθυστέρησης του πρώτου στην
ουρά πακέτου. (Head of Line packets delay (∆i(t)))
Αλγόριθμος:
arg max ρi (t )Δi (t )
i
Largest-Weighted-Delay-First (LWDF)
Στόχος: Εξασφάλιση ελάχιστης πιθανότητας καθυστέρησης
εξυπηρέτησης με βάση κατώφλι καθυστέρησης (Wi ) για κάθε
χρήστη i.
Pr {W > T } ≤ δ
i
Αλγόριθμος:
arg max(−
i
i
log(δ i )
i
Τi
) ⋅Wi (t )
25
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων
Exponential
Rule
Goal: Ελαχιστοποίησης της καθυστέρησης του πρώτου
στην ουρά πακέτου. (Head of Line packets delay
(∆i(t)))
και
μεγιστοποίηση
της
συνολικής
ρυθμαπόδοσης του συστήματος.
⎛ a Δ (t ) − a Δ (t ) ⎞
i i
⎟
Αλγόριθμος: arg max γ i ri (t ) exp ⎜ i i
⎜ 1 + a Δ (t ) ⎟
i
i i
⎝
⎠
όπου:
ai Δi (t ) = 1
N ∑i
ai Δi (t )
και γi και αi σταθερές.
26
Κριτήρια ∆ικαιοσύνης Χρηστών
Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης
(Υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου)
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης
Πιθανοτική
μακροπρόθεσμη
δικαιοσύνη
πρόσβασης
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης
χρόνου
Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης
(Υπηρεσίες πραγματικού χρόνου)
Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης
Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια καθυστέρησης
Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης
27
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Βασική Αρχή – GPS Μοντέλο
Βασικός στόχος οιασδήποτε μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης είναι
κάθε χρήστης να λαμβάνει συγκεκριμένο ποσοστό πόρων
συστήματος
Si
αναλογικά
με
κάποιο
συγκεκριμένο
προκαθορισμένο βάρος φi .
Si
φi
=
φj
Sj
Generalized Processor Sharing μοντέλο.
28
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης
Στόχος: Οι χρόνοι πρόσβασης των χρηστών στο σύστημα ai
(αριθμός χρονοσχισμών) να είναι ανάλογος προκαθορισμένων
βαρών φi.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
ai a j
=
i,j = 1, 2,..., N
s.t.
φi φ j
Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη i την χρονοσχισμή t.
Ui η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει.
ai το μέσο ποσοστό πρόσβασης στο μέσο του χρήστη i. ai = E 1Q ( t ) = i
(
)
Αν Ui=Ri , στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του
συστήματος.
29
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Πιθανοτική
πρόσβασης
μακροπρόθεσμη
δικαιοσύνη
χρόνου
Στόχος: Φράξιμο πιθανοτήτων χρόνου πρόσβασης των χρηστώ
στο σύστημα ai (αριθμός χρονοσχησμών) ανάλογα με
προκαθορισμένα βάρη φi.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
ai (t1 , t2 ) a j (t1 , t2 )
s.t. Pr(|
|≥ x) ≤ f (i, j, x)
−
φi
φj
Αν Ui=Ri , στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος.
30
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης
Στόχος: Η μέση ρυθμαπόδοση χρηστών Ε[ri] να είναι ανάλογη
προκαθορισμένων βαρών φi.
Σχηματισμός προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
ri rj
s.t.
=
i,j = 1, 2,..., N
φi φ j
Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη i την χρονοσχισμή t.
Ui η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει.
το μέσο ποσοστό πρόσβασης στο μέσο του χρήστη i.
ri η μέση ρυθμαπόδοση του χρήστη i.
ri = E ri 1Q ( t ) = i
(
)
Αν Ui=Ri , στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος.
31
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Βασικές τεχνικές επίλυσης προβλημάτων
βελτιστοποίησης
με
μακροπρόθεσμους
περιορισμούς δικαιοσύνης.
Αλγόριθμοι
στοχαστικής προσέγγισης
Χρονικά μεταβαλλόμενα βάρη wi(t) ανατίθενται σε όλους τους
χρήστες, τα οποία επηρεάζουν την προτεραιότητα εξυπηρέτησης
τους και αντανακλούν την έως τώρα επιτευχθείσα δικαιοσύνη.
arg max ρi (t )wi (t )
i
Τα βάρη, μέσω στοχαστικής διαδικασίας, συγκλείνουν σε τέτοιες τιμές
ώστε να εξασφαλίζονται τα κριτήρια δικαιοσύνης των χρηστών.
Παράδειγμα μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης χρόνου :
1
wi (t + 1) = wi (t ) + (1Q(t ) =i − φi )
t
32
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Βασικές
τεχνικές
επίλυσης
προβλημάτων
βελτιστοποίησης με μακροπρόθεσμους περιορισμούς
δικαιοσύνης.
Αν είναι γνωστή εκ’ των προτέρων η μέση τιμή του καναλιού του
χρήστη.
ρi (t ) − ρi
arg max
φi
i
Όπου
ρi
οι μέση τιμή του καναλιού του χρήστη i.
Τεχνικές βασισμένες σε Κουπόνια
(Credit or Tokens Based Techniques)
Για κάθε χρονοσχισμή ένα κουπόνι προστίθεται στην εικονική ουρά
κουπονιών του χρήστη. Το ποσό των κουπονιών του χρήστη επηρεάζει
την προτεραιότητα εξυπηρέτησής του.
33
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ∆ικαιοσύνης
Βασικές
τεχνικές
επίλυσης
προβλημάτων
βελτιστοποίησης με μακροπρόθεσμους περιορισμούς
δικαιοσύνης.
Χρήση τεχνικών Heavy Traffic Approximation
Χρήση θεωρίας τυχαίων περιπάτων.
(Random Walks Theory)
Μοντελοποίηση καναλιών χρηστών ως Rice ή Rayleigh τυχαίες
μεταβλητές.
34
Κριτήρια δικαιοσύνης χρηστών
Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης
(Υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου)
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης
Πιθανοτική μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης
Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης
Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης
(Υπηρεσίες πραγματικού χρόνου)
Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης
Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια καθυστέρησης
Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης
35
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών
Γιατί είναι σημαντική η εξασφάλιση βραχυπρόθεσμων
κριτηρίων σε χρήστες:
Οι υπηρεσίες πραγματικού χρόνου απαιτούν την εξασφάλιση
ελάχιστων χρόνων καθυστέρησης μετάδοσης δεδομένων.
Μονόδρομη καθυστέρηση φωνής 100-150 msec
Μήκος χρονοσχισμής 1,67 msec (HDR)
Οι βραχυπρόθεσμες καθυστερήσεις των χρηστών επηρεάζουν
σημαντικά την λειτουργία πρωτοκόλλων ανώτερων επιπέδων.
(TCP - ACK)
36
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών
Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης
Στόχος: Ο κάθε χρήστης εντός μη επικαλυπτόμενων χρονικών
παραθύρων (W) αποκτά πρόσβαση στο σύστημα συγκεκριμένο
αριθμό χρονοσχισμών, με βάση προκαθορισμένοo βάρος φi.
Σχεδιασμός Προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
W
s.t.
∑1
Q(t)=i
=φi W i = 1, 2,..., N
t=1
N
∑φ
i =1
Το
παραπάνω
κριτήριο
χρονοδρομολογιτή.
μειώνει
i
=1
αισθητά
των
ευκαιριακό χαρακτήρα
του
37
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών
Πιθανοτικά
βραχυπρόθεσμα
καθυστέρησης
κριτήρια
μέγιστης
Στόχος: Η πιθανότητα καθυστέρησης εξυπηρέτησης ενός
χρήστη περισσότερο από Ti διαδοχικές χρονοσχισμές να είναι
άνω φραγμένη (pi).
Σχεδιασμός προβλήματος:
⎛N ⎞
max imize E ⎜ ∑Ui ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
s.t.
Pr(di > Ti ) ≤ pi
38
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών
Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης
Στόχος: Η πιθανότητα ενός χρήστη να λάβει ποσό δεδομένων
μικρότερο από Bi εντός παραθύρου Wi διαδοχικών
χρονοσχισμών πρέπει να είναι άνω φραγμένη (pi).
Σχεδίαση προβλήματος:
⎛ N
⎞
max imize E ⎜ ∑U i ⎟
Q
⎝ i =1 ⎠
t+W
s.t. Pr(∑1Q (t ) =i ri (t ) ⋅ ts < Bi ) ≤ pi
t
Όπου ts το μήκος χρονοσχισμής.
39
Ετερογενές Περιβάλλον Χρηστών
Το βέλτιστο της επιλογής:
« Επιλογή ενός χρήστη ανά χρονοσχισμή, εκείνου με το
μεγαλύτερο γινόμενο σηματοθορυβικού λόγου και
κατάλληλου βάρους»
ισχύει μόνο υπό υποθέσεις. Ένα περιβάλλον που υπακούει
σε αυτές τις υποθέσεις χαρακτηρίζεται ως ομοιογενές.
Ετερογένια Ασύρματου Περιβάλλοντος
1.Φυσικοί περιορισμοί υλικού χρηστών λόγω των οποίων
οι μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων είναι άνω
φραγμένη (όχι μόνο η ισχύς μετάδοσής τους).
0 ≤ Ri ≤ R
max
i
i = 1,..., N
40
Ετερογενές Περιβάλλον Χρηστών
Ο περιορισμός κατωφλιού:
W
Ri
Gi Pi
(hiθ
N
∑
j =1, j ≠ i
Pj + Wη0 )
≥ γi
o οποίος ισχύει στα (2G)
δίκτυα φωνής (GSM)
κρίνεται ακατάλληλος.
2. Οι πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης πακέτου χρηστών εξαρτάται από το
σχήμα μετάδοσης δεδομένων που χρησιμοποιείται στιγμιαία (modulation &
coding) τα οποία εξαρτώνται με την από την εφαρμογή και τις δυνατότητες
του δικτύου.
41
Συναρτήσεις Ωφέλειας Χρηστή
Utility Function
Μια συνάρτηση ωφελείας,
“αντικατροπτίζει την ευχαρίστηση του εκάστοτε χρήστη με βάση το βαθμό
ικανοποίησης των QoS κριτηρίων της υπηρεσίας του”
Προσφέρει ένα
∆ιαφανή - Ενοποιημένο- Ευέλικτο - Ενοποιημένο - Κανονικοποιημένο
τρόπο:
Απεικόνισης των διαφόρων QoS κριτηρίων διαφόρων υπηρεσιών
∆ιαχείρισης των πόρων πολλαπλών ασυρμάτων δικτύων
Σχεδιασμό Προβλήματος Βελτιστοποίησης
Απεικόνισης QoS κριτηρίων διαφόρων
υπηρεσιών
}
Κάτω από ένα
ενοποιημένο πλαίσιο
συναρτήσεων
ωφελείας
42
Σχεδιάζοντας μια συνάρτηση ωφελείας ….
*
*
*
Ui*(x1,..., xl ,..., xm,..., xn ) =UTL
(
x
,...,
x
)
⋅
U
(
x
,...,
x
)
⋅
U
l
SL,i l
m
PE,i (xm,..., xn )
,i 1
Αποτελείται από τρία βασικά στοιχειά :
∆είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την μετάδοση
δεδομένων (π.χ. BER).
∆είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη
ικανοποίηση των QoS κριτηρίων του.
∆είκτες για πρόληψη (παρατηρήσεις πραγματικού χρόνου).
ως
προς
την
43
∆είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς
την μετάδοση δεδομένων
Κατάλληλη ενσωμάτωση των φυσικών χαρακτηριστικών και
περιορισμών των χρηστών σε δείκτες επίδοσης/ευχαρίστησης
χρήστη ως προς την μετάδοση δεδομένων .
Μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων,
Σχήμα μετάδοσης,
Περιβάλλον μετάδοσης.
Παράδειγμα από τα CDMA δίκτυα:
*
U TL
,i ( x1 ,..., xl )
Όπου η πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης πακέτου χρηστών είναι σιγμοειδής
συναρτήσεις του στιγμιαίου σηματοθορυβικού λόγου.
44
∆είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς
την ικανοποίηση των QoS κριτηρίων των χρηστών.
Κατάλληλη ενσωμάτωση των δεικτών εξασφάλισης των
QoS κριτηρίων της υπηρεσίας του χρήστη.
Στιγμιαίος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων.
Μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων,
QoS κριτήρια υπηρεσιών πραγματικού και μη-πραγματικού
χρόνου.
Παράδειγμα από το ενσύρματο περιβάλλον:
U
*
SL ,i
( xl ,..., xm )
όπου η συνάρτηση ωφελείας των χρηστών μπορούν να πάρουν τις ακόλουθες
μορφές,
45
∆είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς
την ικανοποίηση των QoS κριτηρίων των χρηστών.
Μη-πραγματικού χρόνου υπηρεσίες
Πραγματικού χρόνου υπηρεσίες
Concave
Sigmoidal
Convex
46
∆είκτες για πρόληψη (παρατηρήσεις πραγματικού
χρόνου)
Παρατηρήσεις πραγματικού χρόνου:
(εντός μικρών χρονικών διαστημάτων)
Καθυστέρησης μετάδοσης.
Ποσότητας μεταδιδόμενων δεδομένων.
*
U PE
,i ( xm ,..., xn (t ))
Παράδειγμα από τα CDMA δίκτυα :
Χρονικά
μεταβαλλόμενη συνάρτηση λόγω
ύπαρξης xn(t), για απεικόνιση βραχυπρόθεσμων
κριτηρίων υπηρεσιών πραγματικού χρόνου.
47
Βασική Μορφή Συναρτήσεων Χρησιμοποίησης σε
CDMA Ασύρματα ∆ίκτυα
Εκφράζει την ικανοποίηση του χρήστη ως προς την
πραγματική ταχύτητα μετάδοση δεδομένων (goodput):
U i* ( Ri , P ) = Ri f i ( γ ι ( Ri , P ), ai , bi )
(
i = 1, 2,..., N
)
1
⎧
⎫
fi γ i ( Ri , P) , ai ,bi = ci ⎨ −ai (γi −bi ) − di ⎬
⎩1+ e
⎭
ab
ab
όπου ci = (1 + e ) e
i i
i i
and
(
d i = 1 1 + e ai bi
)
ai, bi δύο παράμετροι που καθορίζουν την μορφή της συνάρτησης fi.
48
Προκύπτων Πρόβλημα Βελτιστοποίησης
Downlink
N
max ∑U i* ( Ri , P , ai , bi )
R,P
s.t.
i =1
∑
N
P ≤ Pmax
i =1 i
0 ≤ Pi ≤ Pmax i = 1, 2,..., N
0 ≤ Ri ≤ Rimax i = 1, 2,..., N
Βέλτιστη λύση , όταν η κυψέλη στέλνει με την
μέγιστη δυνατή ισχύ εκπομπής:
∑
N (t )
i =1
Pi = Pmax
49
Λύση Μέσω της Συνάρτησης Λαγκράνς του
Προβλήματος
Η Λαγκρασιανή της συνάρτησης πλέγματος κάθε
χρήστη, εκφράζει την επιθυμία του να εξυπηρετηθεί σε
σχέση με την ποιότητα υπηρεσίας που θα επιτύχει
αναλογικά με την ισχύ που θα καταναλώσει :
λ
max
i
{
{
Ri*
i
}
}
= min λ ≥ 0 | max U ( Pi , ai , bi ) − λ Pi = 0
0 ≤ P ≤ Pmax
Όσο μεγαλύτερη η τιμή της Λαγκρασιανής ενός χρήστη
τόσο μεγαλύτερη και η πιθανότητα εξυπηρέτησης του.
50
Προκύπτων Πρόβλημα Βελτιστοποίησης
Uplink
max
R,P
U i ( Ri , P , ai , bi )
U =
Pi
*
i
s.t. 0 ≤ Pi ≤ Pi max i = 1, 2,..., N
0 ≤ Ri ≤ Rimax i = 1, 2,..., N
Εξέταση προβλήματος μέσω θεωρίας παιγνίων και
επαναληπτικών αλγορίθμων που καταλήγουν σε
σημείο ισορροπίας (Nash equilibrium point) με
Pareto optimal ιδιότητες.
51
Τρέχουσες Ερευνητικές Εξελίξεις
4G ∆ίκτυα
Ενοποίηση
και
συνεργασία
των
διάφορων
τεχνολογιών πρόσβασης – Βέλτιστη διαχείριση των
διαθεσίμων πόρων.
Αυτόνομα ∆ίκτυα
Αυτόβουλα
δίκτυα των οποίο η αποτελεσματική
διευθέτηση των πόρων τους θα αποτελεί εγγενή
συμπεριφορά τους.
52
Τρέχουσες Ερευνητικές Εξελίξεις
IPv6 – MIPv6 – PMIPv6
∆υνατότητα
ταυτόχρονης
διασύνδεσης
περισσότερα του ενός δίκτυα πρόσβασης.
με
Turbo Coding
Μεγιστοποίηση
της μεταδιδόμενης πληροφορίας
εντός περιορισμένου εύρους ζώνης. Ελαχιστοποίηση
σφαλμάτων μετάδοσης.
Smart antennas
Ελαχιστοποίηση
παρεμβολών
κατευθυνόμενη εκπομπή/λήψη.
–
πλήρως
53
References
P. Bender, P. Black, M. Grob, R. Padovani, N. Sindhushyana, and S. Viterbi, "CDMA/HDR: a
bandwidth efficient high speed wireless data service for nomadic users," Communications
Magazine, IEEE , vol.38, no.7pp.70-77, Jul 2000., pp. 1-10.
D. N. Tse, “Optimal power allocation over parallel Gaussian broadcast channels,” in Proc. Int.
Symp. Information Theory Ulm, Germany, June 1997, p. 27.
Fredrik Berggren, Seong-Lyun Kim, and Jens Zander, "Joint Power Control and Intracell
Scheduling of DS-CDMA Nonreal Time Data," IEEE JSAC, vol. 19, no. 10, pp. 1860--1870,
October 2001.
S. Borst, and P. Whiting,"Dynamic rate control algorithms for HDR throughput optimization,"
INFOCOM 2001. Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and
Communications Societies. Proceedings. IEEE , vol.2, no.pp.976-985 vol.2, 2001.
M. Andrews, L. Qian, and A. Stolyar, "Optimal utility based multi-user throughput allocation
subject to throughput constraints," in Proceedings of IEEE INFOCOM '05, 2005.
M. Andrews, K. Kumaran, K. Ramanan, A. Stolyar, P. Whiting, and R. Vijayakumar, "Providing
quality of service over a shared wireless link," Communications Magazine, IEEE , vol.39,
no.2pp.150-154, Feb 2001.
M. Andrews, K. Kumaran, L. Ramanan, A.L. Stolyar, R. Vijayakumar, P. Whiting, CDMA data
QoS scheduling on the forward link with variable channel conditions Bell Labs Technical
Report, April 2000.
M. Hu, J. Zhang and J. Sadowsky, "Traffic aided opportunistic scheduling for downlink
transmissions: algorithms and performance bounds", Proc. IEEE INFOCOM, Hong Kong, Mar.
7-11, 2004, pp. 1652-1661.
X. Liu, E.K.P. Chong and N.B. Shroff, "Opportunistic transmission scheduling with resourcesharing constraints in wireless networks," IEEE Journal on Selected Areas in Communications,
vol.19, no.10pp.2053-2064, Oct 2001.
54
References (cont’d)
F. Berggren and R. Jantti, "Asymptotically fair transmission scheduling over fading channels,"
IEEE Transactions on Wireless Communications, vol.3, no.1pp. 326- 336, Jan. 2004.
Y. Liu, S. Gruhl, and E. Knightly, "WCFQ: An Opportunistic Wireless Scheduler with Statistical
Fairness Bounds," IEEE Trans. Wireless Comm., vol. 2, no. 5, Sept. 2003.
Li Chuxiang, and Wang Xiaodong, "Adaptive opportunistic fair scheduling over multiuser
spatial channels," Communications, IEEE Transactions on , vol.53, no.10pp. 1708- 1717, Oct.
2005
X. Liu, E. Chong, and N. Shroff, “A framework for opportunistic scheduling in wireless
networks,” Computer Networks, vol. 41, pp. 451–474, March 2003.
S. Papavassiliou and C. Li, “Efficient and Fair Bandwidth Scheduling and Allocation in Next
Generation Wireless Networks with Multimedia Services”, in Resource Allocation in Next
Generation Wireless Networks, Series on Wireless Networks and Mobile Computing, Vol. 5,
Nova Science Publishers, Hardbound, 2005.
C. Li and S. Papavassiliou, “Fair channel-adaptive rate scheduling in wireless networks with
multirate multimedia services,” IEEE J. Select Areas Commun., vol. 21, pp. 1604–1614, Dec.
2003.
T.F. Coleman and Y. Li, "On the Convergence of Reflective Newton Methods for Large-Scale
Nonlinear Minimization Subject to Bounds," Mathematical Programming, Vol. 67, Number 2,
pp. 189-224, 1994.
J. J. Moré, "The Levenberg-Marquardt Algorithm: Implementation and Theory," Numerical
Analysis, ed. G. A. Watson, Lecture Notes in Mathematics 630, Springer Verlag, pp. 105-116,
1977.
M. J. Karam, F. A. Tobagi, "Analysis of the Delay and Jitter of Voice Traffic Over the Internet",
In Proc. IEEE INFOCOM, Vol. 2, pp. 824--833, April 2001.
55
© Copyright 2024 Paperzz
