Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ известных алгоритмов управления передачей в беспроводных сетях передачи данных 16
1.1 Обзор технологии адаптивной передачи 16
1.2 Обзор алгоритмов регулировки мощности 18
1.3 Обзор алгоритмов адаптивной квадратурной амплитудной модуляции для технологии ofdm 19
1.3.1 Технология water-filling 21
1.4 Обзор алгоритмов управления передачей в сетях передачи данных
На основе технологии ofdm и множественного доступа OFDMA 22
1.4.1 Обзор алгоритмов нерешающих задачу уменьшения взаимных помех пользователей 23
1.4.2 Обзор алгоритмов уменьшения взаимных помех пользователей... 35
1.4.3 Обзор алгоритмов с многокритериальной целевой фунщией 41
1.4.4 Обзор результатов сравнения результатов адаптации при использовании различных степеней свободы 44
1.5 Выводы 45
2 Разработка алгоритмов управления передачей в беспроводных сетях передачи данных на основе множественного доступа OFDMA . 47
2.1 Варианты целевой функции 47
2.2 Оптимизация для структуры кадра с частотным разнесением 53
2.2.1 Описание структуры кадра и используемые обозначения 53
2.2.2 Минимизация размера занимаемого ресурса 57
2.2.2.1 Постановка задачи 57
2.2.2.2 Оптимальное решение 59
2.2.2.3 Эвристические алгоритмы 60
2.2.3 Минимизация излучаемой мощности 68
2.2.3.1 Постановка задачи 68
2.2.3.2 Оптимальное решение 70
2.2.3.3 Эвристические алгоритмы 71
2.3 Оптимизация для структуры кадра с многопользовательским разнесением 80
2.3.1 Описание структуры кадра и используемые обозначения 80
2.3.2 Минимизация размера занимаемого ресурса 84
2.3.2.1 Постановка задачи 84
2.3.2.2 Оптимальное решение 86
2.3.2.3 Эвристические алгоритмы 89
2.3.3 Минимизация излучаемой мощности 95
2.3.3.1 Постановка задачи 95
2.3.3.2 Оптимальное решение 96
2.3.3.3 Эвристические алгоритмы 96
2.4 Выводы 100
3 Методика определения минимальной мощности передачи, при которой удовлетворяются требования QOS 102
3.1 Особенности обработки блоков данных на уровне мас в беспроводных сетях передачи данных 103
3.2 Особенности обработки пакетов данных на физическом уровне в беспроводных сетях передачи данных на основе множественного доступа ofdma 108
3.3 Прямой канал 112
3.3.1 Вариант обработки без использования повторной передачи, без использования контрольной суммы 112
3.3.2 Вариант обработки без использования повторной передачи, с использованием контрольной суммы 115
3.3.3 Вариант обработки с использованием повторной передачи 117
3.4 ОБРАТНЫЙ КАНАЛ 122
3.4.1 Вариант обработки без использования повторной передачи, без использования контрольной суммы 122
3.4.2 Вариант обработки без использования повторной передачи, с использованием контрольной суммы 123
3.4.3 Вариант обработки с использованием повторной передачи 125
3.5 Выводы 126
4 Анализ разработанных алгоритмов методом моделирования 128
4.1 Входные и выходные параметры моделирования 128
4.2 Минимизация размера занимаемого ресурса для структуры кадра с частотным разнесением 133
4.3 Минимизация излучаемой мощности для структуры кадра с частотным разнесением 136
4.4 Минимизация размера занимаемого ресурса для структуры кадра с многопользовательским разнесением 139
4.5 Минимизация излучаемой мощности для структуры кадра с многопользовательским разнесением 143
4.6 Выводы 146
заключение 148
список литературы
- Обзор технологии адаптивной передачи
- Оптимизация для структуры кадра с частотным разнесением
- Особенности обработки блоков данных на уровне мас в беспроводных сетях передачи данных
- Входные и выходные параметры моделирования
Введение к работе
Актуальность темы
Конец 1990-х годов характеризуется бурным развитием и широкой популярностью систем сотовой связи 2G и 2.5G, пониманием необходимости увеличения скорости передачи данных и количества сервисов, предоставляемых пользователям беспроводных сетей, а также, высокой популярностью Internet В рамках парадигмы развития глобальной системы высокоскоростной беспроводной связи, значительная роль была отведена системам фиксированного и мобильного высокоскоростного беспроводного доступа. К ним можно отнести современные беспроводные сети передачи данных по стандартам IEEE 802.16, HIPERMAN и WiBro. Ключевым является стандарт IEEE 802.16, а стандарты HIPERMAN и WiBro во многом его повторяют.
Стандарт IEEE 802.16 [62], [67] описывает требования к физическому уровню и уровню управления доступом к среде (MAC — media access control) для систем фиксированного и мобильного высокоскоростного беспроводного доступа. Стандарт вобрал в себя большинство ключевых современных технологий, такие как механизмы поддержки качества сервиса (QoS — quality of service), адаптивное кодирование и модуляцию, регулировку мощности, селективную и гибридную повторную передачу, технологию передачи данных на ортогональных по частоте поднесущих (OFDM -orthogonal frequency division multiplexing), а также множественный доступ с частотно-временным разделением (OFDMA - orthogonal frequency division multiple access). Это даёт широкие возможности для оптимизации беспроводных сетей передачи данных IEEE 802.16.
При оптимизации современных беспроводных сетей обязательно использование адаптивной передачи. Примерами адаптивной передачи являются регулировка мощности [145] и совместное назначение модности и скорости передачи [37], Технология OFDM, впервые представленная в [142],
7 добавила дополнительную степень свободы при адаптивной передаче. Так как условия приёма разные на разных поднесущих, то возможна адаптация отдельно по поднесущим [79].
Технология OFDM дала развитие множественному доступу OFDMA, который является очень хорошим решением для передачи мультимедийных данных, обеспечивая при этом требования QoS. Множественный доступ OFDMA предоставляет удобную возможность адаптивно выделять частотно-временной ресурс, назначать мошдость передачи и схемы кодирования и модуляции сервисным потокам с разными требованиями QoS. При выделении частотно-временного ресурса, в множественном доступе OFDMA возможно два подхода: частотное разнесение и многопользовательское разнесение. Оба направлены на борьбу с частотно-селективным федингом.
При частотном разнесении все поднесущие одного региона псевдослучайно разносятся по всему спектру OFDM сигнала. Эта операция называется перемежением в частотной области. При наличии частотно-селективного фединга есть вероятность, что соседние поднесущие попадут в область существенных замираний. После частотного перемежения вероятность того, что все поднесущие одного региона, псевдослучайно разнесённые по всему спектру сигнала, попадут в область замираний, значительно уменьшается, что повышает помехоустойчивость передачи.
При использовании частотного разнесения условия приёма для конкретной пользовательской станции характеризуются средними по всему спектру сигнала условиями. Соответственно, при частотном разнесении можно использовать алгоритмы адаптивной передачи, разработанные для множественного доступа с временным разделением, например [82], [112].
Идея многопользовательского разнесения основана на том, что картина частотно-селективных замираний в частотной области у разных пользовательских станций разная, так как фединги у них независимые. При этом достаточно вероятна ситуация, при которой у одной пользовательской
8 станции уровень сигнала группы поднесущих замер, а у другой эта же группа поднесущих наоборот усилена федингом. Если частота фединга достаточно низкая, то каждую группу поднесущих можно адаптивно назначать пользовательской станции с наилучшими текущими условиями приёма.
Оптимизации систем OFDMA с многопользовательским разнесением посвящено большое количество публикаций. Минимизация суммарного занимаемого частотно-временного ресурса проведена, например в [84], [13]. Максимизация пропускной способности приведена, например в [80], [149]. Минимизация суммарной излучаемой мощности рассмотрена, например в [97], [151]. Максимизация функции полезности представлена, например в [127], [12].
Популярным методом улучшения характеристик современных беспроводных сетей передачи данных является совместная оптимизация алгоритмов нескольких уровней системы, например алгоритмов физического уровня и уровня MAC. Это позволяет разрабатывать алгоритмы адаптации параметров передачи с учётом особенности обработки блоков данных сервисных потоков на физическом уровне и уровне MAC [127], [91]. При разработке алгоритмов, удовлетворяющих требованиям QoS, совместная оптимизация становится обязательной. Это утверждение можно обосновать следующим образом.
Блоки данных, поступающие с верхних уровней на уровень MAC, преобразуются в нём в пакеты данных с использованием операций упаковки и фрагментации. Набор пакетов данных перед передачей разбивается на кодовые блоки на физическом уровне, при этом каждый кодовый блок кодируется и декодируется независимо. Так как требования QoS предъявляются к потоку блоков данных, а передаются и принимаются кодовые блоки, то при разработке алгоритмов адаптивной передачи, удовлетворяющих требованиям QoS, учёт особенности обработки на физическом уровне и уровне MAC является обязательным.
9 Улучшение характеристик беспроводных сетей передачи данных достигается применением эффективных алгоритмов управления передачей, примером которых может служить адаптивная передача. При разработке алгоритмов управления передачей в беспроводных сетях передачи данных традиционно решают три задачи:
Планирование передачи
Управление ресурсом
Размещение выделенных частотно-временных ресурсов в кадрах прямого и обратного каналов.
Так как кадры прямого и обратного каналов имеют ограниченный частотно-временной ресурс, то первая задача, которую нужно решить — это выбрать, сколько данных и из каких очередей передавать в текущих кадрах прямого и обратного каналов. Эта задача называется планированием передачи (scheduling).
Вторая задача, которая должна быть решена — это выбор вида кодирования и модуляции, которые будут использованы для передачи блоков данных каждого сервисного потока в текущих кадрах прямого и обратного каналов. Дополнительно может выбираться мощность передачи. Эта задача называется управлением ресурсом (radio resource control). Две её подзадачи называются, соответственно, адаптивным кодированием и модуляцией (АМС — adaptive modulation and coding) и регулировкой мощности (PC — power control). Вспомогательной задачей здесь является оценка текущих условий приёма и предсказание условий приёма на момент передачи.
После того, как для сервисного потока принято решение о количестве данных, которое будет передаваться в текущем кадре, а также о виде кодирования и модуляции, который будет при этом использоваться, известен размер частотно-временного ресурса, который должен быть выделен этому сервисному потоку в текущем кадре. Третья задача, которая должна быть решена - это выбор расположения выделенных частотно-временных ресурсов в кадрах прямого и обратного каналов. При частотном разнесении расположение не влияет на эффективность передачи и задача становится тривиальной, а при многопользовательском разнесении — оказывает существенное влияние на эффективность передачи. Решение третьей задачи расширяет требования к вспомогательной задаче второй задачи. Теперь, оценивать и предсказывать условия приёма необходимо для всех возможных расположений вьщеленных частотно-временных ресурсов.
Задачи планирования передачи и управления ресурсом с математической точки зрения являются задачами условной оптимизации, которые могут решаться как раздельно, так и совместно, в том числе и совместно с задачей размещения выделенных частотно-временных ресурсов в кадрах прямого и обратного каналов.
Примерами целевой функции оптимизации могут выступать следующие функции:
Минимизация средней излучаемой за кадр мощности передачи
Минимизация суммарного занимаемого в кадре частотно-временного ресурса.
В качестве условий, при которых осуществляется оптимизация, могут выступать следующие условия:
Выполнение требований QoS
Ограничение на максимальную излучаемую мощность. Оптимальное решение поставленных задач условной оптимизации обладает экспоненциальной сложностью. Это связано с тем, что переменные, по которым осуществляется оптимизация, имеют смешанную область неопределённости - часть переменных, например излучаемая мощность, определена на непрерывном интервале значений, а часть, например вид кодирования и модуляции, принимает значения из дискретного набора. Кроме того, целевые функции (функции стоимости) и ограничения могут иметь достаточно сложный нелинейный вид. Это обусловило наличие большого
11 количества эвристических итеративных алгоритмов решения поставленных задач.
Известные ал горитм ы управления передачей в беспроводных сетях передачи данных на основе множественного доступа OFDMA обладают следующими существенными недостатками.
Все рассмотренные алгоритмы не учитывают особенностей обработки пакетов данных на уровне MAC и процедур преобразования блоков данных в пакеты данных. Также, не учитываются особенности приёма кодовых блоков при использовании технологии OFDM. Соответственно, они не могут обеспечивать выполнение требований QoS.
В беспроводных сетях передачи данных внутрисистемные помехи являются случайными. В ряде работ отмечено, что они плохо прогнозируемы. Вместе с тем, нет работ, в которых бы учитывался их случайный характер при разработке алгоритмов управления передачей.
Кроме того, в подавляющем большинстве работ не рассматривается такой эффективный механизм обеспечения низкого значения вероятности блоковой ошибки, как повторная передача.
Таким образом, задача управления передачей в беспроводных сетях передачи данных на основе множественного доступа OFDMA, обеспечивающих выполнение требований QoS, в настоящее время не решена.
Цель диссертации
Целью диссертации является повышение эффективности беспроводных сетей передачи данных на основе множественного доступа OFDMA за счёт использования новых алгоритмов управления передачей, обеспечивающих выполнение требований QoS.
Задачи, решаемые в работе
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научных задач:
Разработать алгоритмы минимизации размера занимаемого при передаче частотно-временного ресурса кадра.
Разработать алгоритмы минимизации излучаемой при передаче мощности.
Разработать методику определения минимальной мощности передачи, при которой удовлетворяются требования QoS.
Методы исследования
В основу исследования положены методы статистической радиотехники, теории вероятностей и математической статистики, математические методы оптимизации, численные методы и методы компьютерного моделирования.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны алгоритмы минимизации размера занимаемого при передаче частотно-временного ресурса кадра, отличающиеся от известных алгоритмов перераспределением ресурса между кадрами прямого и обратного каналов и быстрой итеративной процедурой понижения скорости передачи сервисных потоков.
Разработаны алгоритмы минимизации излучаемой при передаче мощности, отличающиеся от известных алгоритмов быстрой итеративной процедурой увеличения скорости передачи сервисных потоков, а также, для многопользовательского разнесения, быстрыми эффективными процедурами размещения сервисных потоков в кадре и перестановки положений сервисных потоков в кадре.
Разработана методика определения минимальной мощности передачи, при которой удовлетворяются требования QoS, отличающаяся от известных методик тем, что впервые для решения этой задачи применён статистический подход, а также тем, что она применима для случая селективной повторной передачи.
Практическая ценность
Практическая ценность разработанных итеративных алгоритмов минимизации размера занимаемого при передаче частотно-временного ресурса и минимизации суммарной излучаемой при передаче мощности заключается в том, что они не требуют больших вычислительных затрат и, поэтому, могут быть использованы в реальных беспроводных сетях передачи данных. Вместе с тем они достигают высоких значений пропускной способности, близких к верхней границе, рассчитанной теоретически.
Предлагаемые в диссертации итеративные алгоритмы, в отличие от классических алгоритмов оптимизации, построены специально для решения поставленных задач. Поэтому, они обладают существенно меньшей вычислительной сложностью.
Моделирование разработанных алгоритмов на симуляторе системного уровня на обычном персональном компьютере занимает приемлемое время. Это позволяет утверждать» что их реализация на существующих процессорах реального времени, применяемых в оборудовании современных беспроводных сетей, будет работоспособна. В настоящее время ведётся работа по реализации разработанных алгоритмов в прототипе беспроводной сети передачи данных.
Все разработанные алгоритмы обеспечивают выполнение требований QoS, причём произвольного набора значений трёх требований, включая максимальную вероятность ошибки передачи блока данных, максимальную среднюю задержку передачи блока данных и минимальную среднюю скорость передачи блоков данных. Это позволяет передавать с их использованием любой из известных автору типов трафика.
Внедрение результатов
Алгоритмы управления передачей, разработанные в диссертации, использованы в разработках ФГУП ВНИИС, что подтверждено соответствующим актом о внедрении по теме ОКР «Созвездие - М — MP 1».
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
10-ой международной конференции Wireless World Research Forum Meeting, 27-28 октября 2003, Нью Йорк, США (1 доклад)
11-ой международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация связь», 12-14 апреля 2005, Воронеж, Россия (4 доклада)
61-ой международной конференции IEEE Vehicular Technology Conference, 30 мая - 1 июня 2005, Стокгольм, Швеция (1 доклад)
16-ой международной конференции IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, 11-14 сентября 2005, Берлин, Германия (1 доклад)
Международной конференции European Conference on Wireless Technology, 3-4 октября 2005, Париж, Франция (1 доклад).
Публикации
Автор диссертации является соавтором 3 журнальных статей, 8 статей на международных конференциях, а также 3 патентов.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. В первом разделе представлен обзор известных алгоритмов управления передачей в беспроводных сетях передачи данных и проведён их анализ. Во втором разделе проведена разработка алгоритмов управления передачей в беспроводных сетях передачи данных. В третьем разделе разработана методика определения минимальной мощности передачи, при которой удовлетворяются требования QoS. В четвёртом разделе проведён анализ характеристик разработанных алгоритмов методом компьютерного моделирования с использованием симулятора физического уровня и симулятора системного уровня.
В приложении А дан обзор семейства стандартов IEEE 802.16. В приложении Б представлен обзор технологии OFDM и множественного доступа OFDMA. В приложении В описаны использованные программы моделирования. В приложении Г приведены графики зависимостей вероятности ошибки приёма кодового блока от отношения сигнал/шум.
Обзор технологии адаптивной передачи
Идея адаптивной передачи появилась и используется достаточно давно. В беспроводных сетях передачи данных адаптивная передача - основная технология при синтезе алгоритмов управления передачей.
В первом подразделе данного раздела дан обзор технологии адаптивной передачи. Далее приведён обзор алгоритмов регулировки мощности — существенного раздела адаптивной передачи. Затем приведён обзор алгоритмов адаптивной модуляции для систем связи с временным разделением и на основе технологии OFDM, отдельное внимание уделено алгоритму water-filling. Далее приведён обзор алгоритмов адаптивной передачи для систем связи на основе технологии OFDM и на основе множественного доступа OFDMA. В конце данного раздела дан обзор ряда работ, сравнивающих эффективность разных методов адаптации (степеней свободы).
В заключении к данному разделу систематизированы варианты постановки задачи управления передачей в беспроводных сетях передачи данных и методы их решения. Также отмечена вычислительная сложность известных алгоритмов и перечислены основные недостатки известных решений.
При передаче данных необходимо обеспечивать требуемое качество приёма, под которым обычно понимают требуемое значение ОСШ или максимальное значение вероятности ошибки приёма.
Мобильные беспроводные каналы связи характеризуются наличием фединга — частотно-селективной мультипликативной помехи, представляющей собой случайный процесс. Наличие фединга приводит к тому, что условия приёма меняются во времени. Для обеспечения требуемого качества приёма в таких условиях возможно два подхода: Использование защитного интервала ОСШ, т.е. выбор параметров передачи исходя из худших условий приёма Адаптация параметров передачи к текущим условиям приёма. Очевидно, что второй подход эффективнее первого по критерию максимизации скорости передачи. Технология адаптивной передачи с оценкой условий приёма на приёмной стороне и передачей этой оценки на передающую сторону появилась в конце 1960ых годов [59].
Известен ряд алгоритмов адаптивной передачи, которые адаптируют следующие параметры передачи: Излучаемую мощность [59], Скорость передачи символов модуляции [30] Скорость (размер созвездия) модуляции [106], [141], [113] Скорость и вид кодирования [139] Или комбинации перечисленных параметров передачи [19], [137], [130].
В работах [39], [54], [37] осуществляется адаптация скорости передачи и излучаемой мощности. Целевой функцией служит спектральная эффективность. В качестве ограничений при оптимизации выступают требования на вероятность ошибки приёма и на максимальную среднюю мощность передачи.
В работах [40], [38] осуществляется адаптация вида кодирования и модуляции в каналах с федингом.
В работе [20] рассмотрена адаптация скорости передачи при фиксированной мощности передачи, адаптация мощности передачи при фиксированной скорости передачи, а также совместная адаптация скорости и мощности передачи в каналах с федингом.
В работе [55] получено выражение для потенциально достижимой пропускной способности (Shannon capacity) канала с федингом. Также показано, что она достигается, если на передатчике идеально адаптируют мощность передачи, скорость передачи и схему кодирования к условиям приёма.
Приведённые в этом подразделе работы, как правило, рассматривают систему с одним передатчиком, одним приёмником и идеальным каналом обратной связи. Можно сказать, что рассмотренные работу решают задачу адаптивной передачи в «классической» постановке.
Одним из направлений адаптивной передачи является регулировка мощности, которая долгое время была самостоятельным разделом адаптивной передачи.
При этом задача регулировки мощности решается для сетей передачи данных с несколькими секторами (сотами) и несколькими пользователями в каждом секторе.
Для сетей связи с кодовым разделением каналов (CDMA) регулировка мощности в обратном канале решает задачу обеспечения одинаковых значений мощности принимаемых сигналов разных пользователей. Также в прямом и обратном каналах решается задача обеспечения требуемого значения ОСШ на приёмной стороне.
Решение задачи регулировки мощности в сетях связи с кодовым разделением каналов решена, например, в [100], [101], [102].
В сетях передачи данных с временным и частотным разделением пользователей с помощью регулировки мощности решают задачу минимизации излучаемой мощности при обеспечении требуемого значения ОСШ на приёмной стороне. Таким образом решается задача минимизации внутрисистемных помех. В такой постановке задача регулировки мощности рассмотрена, например, в [25], [18], [98], [120], [52], [136].
Оптимизация для структуры кадра с частотным разнесением
Совместно для кадров прямого и обратного каналов минимизировать излучаемую мощность, при удовлетворении требований QoS и ограничении на суммарную мощность, излучаемую в единицу времени.
Предполагается, что в сети передачи данных используется структура кадра с многопользовательским разнесением, т.е. дополнительно надо решать задачу выбора расположения выделенных частотно-временных ресурсов в кадрах прямого и обратного каналов.
При минимизации можно варьировать относительные размеры частотно-временного ресурса кадров прямого и обратного канала. Суммарный размер кадров прямого и обратного канала фиксирован.
Решение задачи управления передачей в четвёртой постановке обладает очень высокой вычислительной сложностью, но при этом позволяет достичь высокой эффективности передачи.
Назовём задачу управления передачей в четвёртой постановке «минимизация средней излучаемой мощности с многопользовательским разнесением».
Рассмотрим математическое описание структуры кадра с частотным разнесением.
Логическая структура кадра с частотным разнесением показана на рис. 4. Кадр имеет фиксированную длительность и содержит кадр прямого канала и кадр обратного канала. Граница между кадрами прямого и обратного каналов может адаптивно меняться от кадра к кадру. Есть крайнее левое положение границы Т}р и крайнее правое положение границы 7 /.
Во временной области кадры прямого и обратного канала разделены на временные слоты, каждый из которых содержит один или несколько OFDM символов. В частотной области поднесущие кадров прямого и обратного каналов разделены на частотные подканалы, каждый из которых содержит несколько поднесущих. Перед передачей поднесущие одного частотного подканала псевдослучайно распределяются во всей полосе частот OFDM сигнала. Будем называть один временной слот элементом временного ресурса, а один частотный подканала — элементом частотного ресурса кадра.
Предполагаем, что частотно-временной ресурс кадров прямого и обратного каналов выделяется сервисным потокам непрерывно начиная с верхней левой части каждого из кадров. Часть кадров прямого или обратного канала может быть уже занята для передачи служебных сообщений. Тогда ресурс для передачи данных выделяется в свободной части кадров используя описанное выше правило.
Логическая структура кадра с частотным разнесением Будем использовать следующие обозначения: . rr(DL) rr(UL) SPL = JSPL 1SPL возможные значения положения границы между кадрами прямого и обратного каналов, TTF ( SPL) количество элементов временного ресурса кадра прямого канала при положении границы tSPL, TTF (tSPL) - количество элементов временного ресурса кадра обратного канала при положении границы tSPL, _1 T(DL) FTF (tsPL DL) ГДЄ т DL \TTF (tSPL) - количество элементов частотного ресурса в элементе mDL временного ресурса кадра прямого канала, F (tSPL,mUL), где mUL = 1,TJF (tSPL) - количество элементов частотного ресурса в элементе mUL временного ресурса кадра обратного канала, SF количество сервисных потоков прямого канала, наборы пакетов данных которых надо передать в этом кадре, Л " - количество сервисных потоков обратного канала, наборы пакетов данных которых надо передать в этом кадре, % количество пользовательских станций, наборы пакетов данных сервисных потоков обратного канала которых надо передать в этом кадре обратного канала, ss("ss %.)G{0 l} индикатор принадлежности сервисного потока nUL обратного канала пользовательской станции nss, где пш = U SF PmL \}sPL mDL) " ограничение на максимальную излучаемую мощность в элементе mDL временного ресурса кадра прямого канала, W ((spL»mt/z. nss) ограничение на максимальную мощность, излучаемую пользовательской станцией nss в элементе mVL временного ресурса кадра обратного канала, XSF (wDi) nDL = SF Р мер набора блоков данных сервисного потока nDL прямого канала, xfP(nUL), nUL = l,N - размер набора блоков данных сервисного потока nUL обратного канала, SQoS{nDL) - набор требований QoS сервисного потока nDL прямого канала, SQoS{nUL) — набор требований QoS сервисного потока nUL обратного канала, Q — количество схем кодирования и модуляции, VSF VIDL DL) размер частотно-времен но го ресурса, необходимого для передачи xSF {nDL), при использовании схемы кодирования и модуляции qDL, где qDL = 1,6, ysF {%L nuL) размер частотно-временного ресурса, необходимого для передачи x$F {nUL), при использовании схемы кодирования и модуляции qUL где qUL = \,Q, Ртх {QDL KDL) излучаемая мощность, назначенная сервисному потоку nDl прямого канала, Ртх {Яиь пиь) излучаемая мощность, назначенная сервисному потоку rtUL обратного канала, aDi{mDL hL nDL)G{ } индикатор занятости элемента частотно-временного ресурса {n DL,iDL) кадра прямого канала, где iDL — \,FjF { рь тоі) сервисным потоком nDL прямого канала, аиі.(ти[, іиі. піл)є{ Ц - индикатор занятости элемента частотно-временного ресурса {MUL , іщ) кадра обратного канала, где iUL = 1,/. {tSPL,mUL), сервисным потоком nUL обратного канала.
Особенности обработки блоков данных на уровне мас в беспроводных сетях передачи данных
В первых двух подразделах данного раздела описаны особенности обработки блоков данных на уровне MAC и на физическом уровне в беспроводных сетях передачи данных OFDMA.
В остальных подразделах рассмотрены следующие варианты преобразования блоков данных в пакеты данных на уровне MAC: Прямой канал о Без использования повторной передачи, без использования контрольной суммы о Без использования повторной передачи, с использованием контрольной суммы о С использованием повторной передачи (использование контрольной суммы в этом случае обязательно) Обратный канал о Без использования повторной передачи, без использования контрольной суммы о Без использования повторной передачи, с использованием контрольной суммы о С использованием повторной передачи (использование контрольной суммы в этом случае обязательно). Материал данного раздела основан на результатах, представленных в [1], [2], [8]-[10].
Предполагается, что алгоритм управления ресурсом функционирует на базовой станции. В прямом канале на входе алгоритма доступна информация обо всех блоках данных всех сервисных потоков, которые запланировано передать в текущем кадре прямого канала. В обратном канале доступна информация о суммарном размере блоков данных каждого сервисного потока. Поэтому, работа алгоритма управления ресурсом отличается в прямом и обратном каналах.
Для учёта особенности обработки поступающих с верхних уровней пакетов данных на уровне MAC и на физическом уровне необходимо для каждого сервисного потока п для каждой схемы кодирования и модуляции q получить значение излучаемой мощности РТх (q {п), п J, при котором выполняется набор требований QoS SQoS (;?). Для сервисных потоков без использования повторной передачи величина РТх(й(п)уп) будет определяться набором условий приёма (л) и максимальной средней вероятностью ошибочного приёма блока данных PQoS{n). Для сервисных потоков с использованием повторной передачи величина PTx(q(n),n) будет дополнительно зависеть от максимальной средней задержки передачи блока данных DQoS (л).
Для рассматриваемых вариантов преобразования блоков данных в пакеты данных на уровне MAC получим выражения для величины PTx(q[n),n\.
Считаем, что известна зависимость вероятности ошибки приёма кодового блока от номера схемы кодирования и модуляции и от набора условий приёма
АЗДЛЯ ЙД"))- Также считаем известной совместную плотность распределения вероятности условий приёма W[S [п)).
Приходящие с верхних уровней на уровень MAC блоки данных имеют в общем случае произвольный размер. Для увеличения эффективности их передачи, на уровне MAC они обрабатываются и преобразуются в пакеты данных.
Операции, которые осуществляет с блоками данных уровень MAC, различны в различных сетях передачи данных. Для большинства современных сетей передачи данных [60], [61], [62], [67] характерны следующие операции: Разбиение блоков данных на фрагменты (фрагментация) Объединение нескольких блоков данных или их фрагментов в один пакет данных (упаковка) Вычисление и добавление контрольной суммы.
Также, в современных беспроводных сетях передачи данных широко применяется процедура повторной передачи (ARQ — automatic repeat request). В этом случае обработка блоков данных на уровне MAC имеет свои особенности. Рассмотрим сначала форматы пакетов данных без добавления контрольной суммы.
Входные и выходные параметры моделирования
При моделировании разработанных алгоритмов на симуляторе системного уровня использовались следующие входные параметры.
Моделировалась беспроводная сеть передачи данных по стандарту IEEE 802.16 OFDMA [62], [67], [8], [9], [10], включающая 19 сот, каждая из которых включает 3 сектора (см. рис. 13).
Шесть сот первого круга и двенадцать сот второго круга окружают центральную соту. Радиус всех сот одинаковый. Он равен 1000 м при моделировании алгоритмов для структуры кадра с частотным разнесением и 1200 м при моделировании алгоритмов для структуры кадра с многопользовательским разнесением.
Коэффициент повторного использования частоты равен 3, частота несущей равна 2.4 ГГц, полоса частот равна 10 МГц в каждом секторе.
Каждый сектор имеет максимальное значение излучаемой мощности 10 Вт и ширину диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости 120 градусов по уровню 3 дБ. Пользовательские станции имеют максимальное значение излучаемой мощности 1 Вт и всенаправленную антенну.
В качестве модели канала распространения была использована модель "Vehicular В" [56]. Канал распространения включает диаграммы направленности передающей и принимающей антенн, затухание на распространение и быстрый фединг.
Результаты моделирования собираются только для трёх секторов центральной соты. Соты первого и второго круга моделируются для того, чтобы создавать внутрисистемные помехи секторам центральной соты.
В каждом помеховом секторе равномерно распределены 10 пользовательских станций. Каждая помеховая пользовательская станция имеет один сервисный поток в прямом канале и один сервисный поток в обратном канале. Нагрузка (суммарная скорость поступающего трафика) в помеховых секторах выбиралась таким образом, чтобы загрузка кадра была приблизительно равна 75%.
В каждом секторе центральной соты равномерно распределялись 5, 10, ... пользовательских станций. Каждая пользовательская станция центральной соты имеет 8 сервисных потоков в прямом канале и 2 сервисных потока в обратном канале. По каждому сервисному потоку передаётся трафик Video [31] со средней скорость поступающего трафика 32 кб/с. Таким образом, 5 пользовательских станций создают нагрузку на сектор, равную 1.6 Мб/с.
Для варианта обработки без использования повторной передачи, без использования контрольной суммы задавались следующие требования QoS для каждого сервисного потока центральной соты: Максимальная вероятность ошибки передачи блока данных 0.01 Максимальная средняя задержка передачи блока данных 200 мс Минимальная средняя скорость передачи блоков данных 32 кб/с.
Для варианта обработки с использованием повторной передачи задавались следующие требования QoS для каждого сервисного потока центральной соты: Максимальная вероятность ошибки передачи блока данных 0.001 Максимальная средняя задержка передачи блока данных 200 мс Минимальная средняя скорость передачи блоков данных 32 кб/с. Во всех помеховых секторах задавалась структура кадра с частотным разнесением. В секторах центральной соты задавалась структура кадра, соответствующая моделируемому алгоритму.
