Содержание к диссертации
Введение
1. Механизмы энергосбережения в современных региональных системах передачи данных 15
1.1 Вводные замечания 15
1.2 Обзор технологий региональных систем передачи данных 16
1.3 Режим сбережения энергии при передаче потока данных от базовой станции 22
1.4 Способы сбережения энергии при передаче данных мобильной станцией 27
1.5 Оценки эффективности системы передачи данных 28
1.6 Модели входных потоков данных
1.6.1 Подходы к построению моделей входных потоков 30
1.6.2 Описание входных потоков HTTP и VoIP 31
1.6.3 Описание входного потока DBMAP 32
1.6.4 Описание входных потоков с помощью DBMAP 35
1.6.5 Упрощенные модели входных потоков 37
1.7 Выводы но разделу 39
2. Анализ эиергоэффективиости работы мобильной станции при приеме потока данных 40
2.1 Вводные замечания 40
2.2 Модель системы передачи данных 41
2.3 Постановка оптимизационной задачи 44
2.4 Анализ режима ожидания второго типа
2.4.1 Общий подход к анализу. 46
2.4.2 Расчет средней задержки и энергозатрат
2.5 Учет влияния изменчивости интенсивности входного потока 52
2.6 Вычисление коэффициента эиергоэффективиости 53
2.7 Решение оптимизационной задачи и численные результаты
2.8 Выбор длительности цикла ожидания для приема потоков с переменной интенсивностью 57
2.9 Увеличение энергоэффективности за счет переменного цикла ожидания 63
2.10 Выводы по разделу 65
3. Эффективный алгоритм управления режимом ожидания для приема потока с переменной интенсивностью 66
3.1 Обзор работ по режиму ожидания 66
3.2 Эффективный алгоритм управления режимом ожидания 68
3.3 Анализ режима ожидания
3.3.1 Общий подход к анализу 68
3.3.2 Анализ средней задержки 70
3.3.3 Анализ энергоэффективности 3.4 Численные результаты 76
3.5 Сравнение режимов ожидания 81
3.6 Выводы по разделу 82
4. Механизмы сбережения энергии при передаче данных к базовой станции 84
4.1 Вводные замечания 84
4.2 Расчет средней задержки передачи данных
4.2.1 Модель системы передачи данных 85
4.2.2 Анализ средней задержки при передаче информации 87
4.2.3 Численные результаты 90
4.3 Механизмы энергосбережения при передаче данных к базовой станции 92
4.3.1 Общие замечания 92
4.3.2 Конфигурация системы передачи данных 92
4.3.3 Распространение радиосигнала и шумы 94
4.3.4 Функционирование МС 96
4.3.5 Описание механизмов сбережения энергии при передаче
4.4 Сравнение механизмов сбережения энергии при передаче данных 101
4.5 Выводы по разделу 104
Заключение 107
Список использованных источников
- Режим сбережения энергии при передаче потока данных от базовой станции
- Учет влияния изменчивости интенсивности входного потока
- Эффективный алгоритм управления режимом ожидания
- Анализ средней задержки при передаче информации
Введение к работе
Актуальность темы. По мере того, как беспроводные сети передачи данных охватывают все большие территории и увеличивается число их пользователей, существенно возрастает сложность их проектирования и реализации. Прежде всего, это обуславливается мобильностью пользовательских устройств, требующей принципиально новых подходов к вопросам разработки и эксплуатации современных систем связи. Лидирующие позиции в области протоколов региональных (городских) сетей передачи данных прочно удерживают LTE и IEEE 802.16.
Так как мобильные пользовательские устройства имеют ограниченный запас энергии, снижение энергопотребления мобильных устройств является одной из основополагающих исследовательских задач при реализации имеющихся и разработке новых версий протоколов.
В диссертационной работе рассматривается наиболее современный протокол функционирования беспроводной системы передачи данных IEEE 802.16m, разработанный для мобильных пользовательских устройств и учитывающий особенности их беспроводного взаимодействия. Решается актуальная задача энергоэффективного управления передачей данных с учетом своевременной доставки данных на пользовательское устройство.
Различные аспекты управления передачей данных представлены в работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б. С. Цыбаков, В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, Л. Клейнрок, Ф. Тобаги, К. Блондиа). В последнее время появилось большое число работ, посвященных алгоритмам энергоэффективного управления передачей данных. Несмотря на это, ряд вопросов остается открытым. К их числу следует отнести учет динамического характера входного потока, требований к качеству обслуживания пользователей, особенностей беспроводного канала связи и других факторов. Также в ряде работ отмечаются недостатки распространенных алгоритмов энергоэффективного управления передачей данных, но не в полной мере исследованы способы улучшения этих алгоритмов.
Целью диссертационного исследования является уменьшение потребляемой энергии мобильными устройствами за счет улучшения существующих и разработки новых алгоритмов управления передачей данных.
Основные положения диссертационной работы сформулированы, в основном, на примере современного протокола региональной (городской) сети IEEE 802.16m. Тем не менее, большинство полученных результатов может быть использовано и в других централизованных сетях связи, таких как Long term evolution (LTE).
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи.
Разработать модели системы передачи данных для проведения исследований типовых режимов сбережения энергии, используемых при передаче данных на мобильную станцию, и алгоритмов управления этими режимами.
Исследовать наиболее распространенные режимы сбережения энергии мобильной станции при передаче данных от базовой станции и алгоритмы управления этими режимами.
Разработать способы выбора оптимальных параметров для типовых вариантов режима сбережения энергии.
Предложить новый алгоритм управления режимом сбережения энергии для уменьшения количества потребляемой энергии мобильной станцией и произвести анализ этого алгоритма.
Разработать модели системы для исследования средней задержки и механизмов сбережения энергии при передаче данных от мобильной станции.
Методы исследования. При получении основных результатов работы использовались общие методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории случайных процессов, в частности регенерирующих и марковских процессов, теории систем массового обслуживания, численные методы линейной алгебры, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
Построена модель системы передачи данных для анализа режимов сбережения энергии и алгоритмов управления этими режимами, позволяющая достаточно легко производить сравнение различных режимов и алгоритмов управления этими режимами.
Разработан метод анализа режима сбережения энергии мобильной станции при передаче данных от базовой станции, учитывающий изменение интенсивности входного потока данных во времени.
Сформулирована оптимизационная задача для выбора параметров режима сбережения энергии при передаче данных от базовой станции и предложены способы ее решения для потоков с постоянной интенсивностью. Также сформулирован алгоритм выбора подоптимальных параметров режима сбережения энергии мобильной станции при передаче потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
4. Предложен алгоритм управления режимом сбережения энергии, который позволяет достичь более высоких показателей энергоэффективности по сравнению с существующими алгоритмами при передаче потока данных с переменной интенсивностью на мобильную станцию.
Практическая ценность диссертационной работы. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют уменьшить количество энергии, потребляемое мобильной станцией во время передачи данных от базовой станции, что, в свою очередь, ведет к продлению времени работы мобильной станции без дополнительной подзарядки аккумуляторных батарей.
Низкая вычислительная сложность предлагаемого алгоритма для поиска подоптимальных параметров режима сбережения энергии позволяет организовать его работу на стороне мобильной станции и, тем самым, избежать увеличения нагрузки на базовую станцию. При этом в данном алгоритме учитывается одно из основных преимуществ современных технологий передачи данных, а именно, соблюдение параметров качества обслуживания. Также использование предлагаемого алгоритма для поиска подоптимальных параметров режима сбережения энергии позволят выбрать значения параметров достаточно близкие к оптимальным, для вычисления которых требуются более сложные алгоритмы. Следует отметить, что реализация предлагаемого алгоритма не требует изменения существующих стандартов, поэтому он может быть использован при разработке программного обеспечения для мобильных станций сети IEEE 802.16. Кроме этого, данный алгоритм может быть применен с незначительными изменениями в технологии LTE.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах в период с 2008 по 2010 гг.: на научных сессиях ГУАП; на семинаре «On Multiple Access Communications»; конференции «On Ultra Modern Telecommunications»; на 7-ом и 9-ом семинарах «Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications»; на 8-ой конференции «Wired/Wireless Internet Communications»; на 10-ой конференции «On Next Generation Wired/Wireless Networking».
Внедрение результатов. Теоретические и практические результаты работы применяются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП).Результаты работы используются на практике в Санкт-Петербургском филиале ФГУП ЦНИИС - Л О ЦНИИС.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 10 печатных работах. Из них 2 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, утвержденных в перечне ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту.
Метод анализа энергоэффективности работы мобильной абонентской станции при передаче потока данных от базовой станции.
Алгоритм выбора подоптимальных параметров режима сбережения энергии мобильной станции при передаче потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
Алгоритм управления режимом сбережения энергии для передачи потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 116 страниц основного машинописного текста, 36 рисунков и 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 89 наименований.
Режим сбережения энергии при передаче потока данных от базовой станции
Каждому соединению МС с БС приписывается идентификатор - CID. Каждому транспортному CID ставится в соответствие один из пяти определенных стандартом классов КО. Ниже приводится краткое описание классов КО.
1. Выделение ресурса без передачи запросов (UGS - unsolicited grant service). Данный класс КО разработай для поддержки потоков данных реального времени с постоянной скоростью (например VoIP без подавления пауз, Т1/Е1). В рамках данного класса КО БС предоставляет ресурс одинаковыми порциями через одинаковые промежутки времени, т.о. передача запросов не требуется.
2. Опросный сервис в реальном масштабе времени (rtPS - realime polling service). Данный класс КО разработан для поддержки потоков данных реального времени с переменной скоростью (например потоки MPEG). В рамках данного класса КО используется процедура индивидуального опроса. БС с заданным периодом выделяет АС часть ресурса для передачи запроса па резервирование. 3. Расширенный опросный сервис в реальном масштабе времени (ertPS - extended realime polling service). Данный класс КО разработан для поддержки потоков данных реального времени с переменным размером пакетов, требующих при этом жестких гарантий по задержке (например потоки VoIP с подавлением пауз). В рамках данного класса КО предоставление ресурса осуществляется порциями так же, как и в случае UGS. Однако выделенный ресурс может быть использован как для передачи данных, так и для передачи запроса на резервирование. Таким,образом в рамках данного класса КО возможно использование процедур резервирования как с коллизиями, так и без коллизий.
4. Опросный сервис вне реального масштаба времени (nrtPS - non-realtime polling service). Данный класс КО разработан для поддержки потоков данных с переменным размером пакетов и не требующих обслуживания в реальном масштабе времени (например FTP). В рамках данного класса КО используется процедура индивидуального опроса. Однако период между двумя соседними итерациями опроса значительно больше, чем в случае rtPS (порядка 1 сек.). Также отметим, что в рамках данного класса КО может использоваться и процедура резервирования с коллизиями.
5. Сервис «наилучшей попытки» (BE - best effort). Данный класс КО разработан для поддержки потоков данных, которые не требуют никаких гарантий по КО (например HTTP трафик). Соединения, относящиеся к данному классу КО, имеют самый низкий приоритет и обслуживаются в последнюю очередь. Основными механизмами резервирования ресурса в рамках данного класса КО являются процедуры с коллизиями. Однако время от времени ВС может выделять МС ресурс для передачи запроса.
Каждый класс КО задает определенный набор параметров, свойственных определенному типу соединения. В таблице 1.1 приводятся параметры КО, которые должны обеспечиваться для каждого класса КО.
Каждое соединение на уровне УДС полностью характеризуется парой идентификаторов {SFID,CID} (см. рисунок 1.4). Данная пара определяет все характеристики соединения (направление, параметры КО и т.д.). После Таблица 1.1. Поддерживаемые параметра КО для различных потоков создания соединения для передачи данных от МС к БС и определения его параметров (в том числе и КО), МС приступает к процедуре резервирования ресурса. Все принятые запросы на БС обрабатывает планировщик. Результатом этой обработки является составленное расписание передач, которое передается в служебном сообщении UL-MAP. Отметим, что стандарт не содержит какого-либо описания работы планировщика.
На рисунке 1.5 изображена диаграмма состояний МС при функционировании в сети IEEE 802.16. Начальное состояние и состояние «доступен» соответствуют этапу подключения МС к сети и регистрации на БС. Остальные два состояния выделяются на этапе функционирования МС в сети. Находясь в активном состоянии, МС может перейти в режим Данные Направление (DL/UL)j Параметры КО Так как мобильные устройства имеют ограниченный запас батареи, остро встает вопрос о разработке новых и улучшении существующих механизмов сбережения энергии. В данном подразделе описываются режимы ожидания стандартов IEEE 802.1бе и IEEE 802.16m, так как впервые описание режима ожидания появляется в версии IEEE 802.16е, а в версию IEEE 802.16m включен ряд изменений для повышения эффективности режима ожидания.
Основная идея режима ожидания заключается в том, что МС чередует интервалы активности и ожидания. Во время активного интервала радиотракт на МС включен и МС слушает радиоканал. А во время интервалов ожидания МС отключает свой радиоинтерфейс, таким образом снижая свои энергозатраты. Для того, чтобы описать различные способы организации режима ожидания, введем следующее определение. Определение 1.1.. Циклом ожидания будем называть интервал времени, состоящий из активного интервала и интервала ожидания.
Режим ожидания стандарта IEEE 802.16е. Как отмечалось выше, во время интервалов ожидания МС отключает свой радиоинтерфейс и становится недоступной для БС, поэтому никакой передачи данных от БС к МС во время интервалов ожидания не происходит. Каждый цикл ожидания начинается с интервала прослушивания, в течение которого БС сообщает МС информацию о том, имеются ли в буфере на БС данные, адресованные данной МС. Если такие данные есть, то начинается их передача. В противном случае МС переходит к интервалу ожидания. Интервал времени, в течение которого осуществляется прием данных мобильной станцией, будем называть интервалом приема.
Набор параметров для режима ожидания называется классом сохранения энергии (КСЭ). А тип КСЭ определяет алгоритм управления режимом ожидания. В стандарте [46] определены три различных типа КСЭ. КСЭ первого типа задает режим ожидания с переменным интервалом ожидания. При использовании данного КСЭ если за время предыдущего интервала ожидания не было поступлений данных в очередь на БС, то длительность следующего интервала ожидания вычисляется по формуле: Si = min(Sma , 25І_І), (1.1) где Si-\ - длительность предыдущего интервала ожидания; SmaT -максимальная длительность интервала ожидания. В случае, когда в очереди па БС имеются данные для МС, происходит выход из режима ожидания и начинается передача данных. КСЭ второго типа имеет постоянную длину интервала ожидания, тогда как КСЭ третьего типа определяет длительность однократного интервала ожидания.
Учет влияния изменчивости интенсивности входного потока
Для последующего анализа алгоритмов сбережения энергии и других характеристик следует ввести набор допущений относительно системы передачи данных и правил функционирования абонентов в ней. Следуя работам [70], [7], сформулируем такой ряд допущений.
Под абонемтами региональной системы передачи данных понимаются мобильные станции (МС). Далее в работе используются оба понятия, которые рассматриваются как синонимы.
Рассматриваемая система передачи данных синхронна, то есть у всех ее абонентов имеется некоторый единообразный способ отсчета времени. Единицей такого отсчета назовем кадр. В такой системе передача очередного сообщения возможна только в начале некоторого кадра. Допущение 1. Синхронизация в системе. Время работы системы разбивается на равные интервалы времени, называемые кадрами. Кадры нумеруются натуральными числами, и кадру с номером / соответствует интервал времени [/ — 1, /). Далее будем называть кадр с номером / просто кадром, / для краткости. Границы кадров известны всем абонентам системы и каждый абонент может начинать передачу имеющегося у него сообщения только в начале очередного кадра.
Строго говоря, в технологии IEEE 802.16 допускается передача абонентом сообщений не с начала кадра, а с некоторого произвольного момента времени, который указан в расписании. Время начала передачи данных и длительность передачи сильно зависят от текущей нагрузки, имеющейся в системе, алгоритма планировщика и условий радиоканала. Введенное выше допущение позволяет рассматривать наиболее общий случай и не накладывает ограничений на применимость модели.
Сообщение представляет собой некоторую информацию, закодированную и представленную конечной последовательностью бит. Пакет данных — это сообщение, снабженное дополнительной информацией для упрощения его передачи по сети. Возможно, Однако что ввиду большого размера сообщение не может быть отправлено за одну передачу и должно быть фрагментировапо па пакеты. Сообщение состоит из целого числа пакетов, которое, вообще говоря, может меняться по случайному закону. Размер пакета и состояние канала связи определяют время, которое требуется для передачи пакета. Допущение 2. Сообщения и пакеты данных. Одному сообщению соответствует один пакет данных, все передаваемые пакеты имеют одинаковую длину, а передача каждого пакета от БС к МС занимает в точности один кадр. Пакеты данных обслуживаются в порядке их поступления в буфер.
Влияние расписания передач одной МС на расписания передач других МС полностью определяется алгоритмами и правилами, используемыми планировщиком на БС. Однако описание работы, планировщика оставлено за пределами серии стандартов IEEE 802.16. В настоящее время в литературе-предлагается большое множество различных алгоритмов для организации работы планировщика на БС и МС [42], [83], [40], [77]. Однако вопрос влияния расписаний передач МС друг на друга изучен не полностью и остается открытой исследовательской задачей, поэтому будем предполагать, что наличие, либо отсутствие данных для передачи к одной МС не влияет на расписание передач к другой МС. Поэтому вместо множества МС можно рассматривать только одну МС. Введем следующее допущение. Допущение 3. Число абонентов. В системе имеется один абонент (МС), который взаимодействует с БС. Между БС и МС установлено одно соединение для приема данных от БС.
Также сделаем, допущение относительно момента начала рассмотрения системы передачи данных.
Допущение 4. Момент начала рассмотрения системы. Моментом начала рассмотрения системы передачи данных является момент первого переключения МС в состояние ожидания. Таким образом, предполагается, что МС уже прошла регистрацию в сети и установила с БС необходимые соединения. А также были согласованы параметры режима ожидания, отправлен запрос на БС па переключение в данный режим и получен положительный ответ.
Канал связи представляет собой некоторую среду, но которой данные передаются от отправителя к получателю. Канал связи можно назвать бесшумным, если при передаче единственным абонентом его сообщение всегда принимается адресатом успешно. Альтернативной моделью канала связи является канал с шумом, в котором могут возникать ошибки при передаче данных. При этом ошибки между последовательными передачами могут быть зависимы между собой. Наконец, в канале связи может использоваться специальное кодирование, при котором даже в случае возникновения ошибки получатель может восстановить полную или частичную информацию о переданных данных.
Допущение 5. Бесшумность канала связи. Шумы в нисходящем канале отсутствуют. Абонент безошибочно принимает данные, которые передаются от БС.
Приведенное выше допущение практически нереально. На практике беспроводной канал связи в подавляющем большинстве случаев подвержен воздействию шума [1]. Рассматриваемые ниже утверждения несложным образом обобщаются на случай канала с шумом, в частности, при наличии некоторой реалистичной модели беспроводного канала связи [25].
Сообщения, поступающие к МС или к БС, сохраняются в буфере объема Bs- Размер буфера Bs может быть как конечным, так и бесконечным. Допущение 6. Буферизация сообщений. У каждой МС и БС имеется буфер для хранения бесконечного числа сообщений, Bs = со.
Последнее допущение нереально. Так как на практике БС и МС имеют ограниченные размеры буфера для хранения входящих сообщений. Однако в настоящее время размеры этого буфера достаточно большие, что позволяет хранить большое множество сообщений. В то же время приводимый ниже анализ может быть легко адаптирован для случая, когда есть строгое ограничение на размер буфера для входящих сообщений. Допущение 7. Поступление пакетов данных. Предполагается, что моменты поступления пакетов данных представляют собой пуассоиовский процесс.
Эффективный алгоритм управления режимом ожидания
В предыдущем разделе производится рассмотрение режима ожидания и алгоритма управления этим режимом, который описывается в стандарте IEEE 802.16m. В данном разделе предлагается модифицированный алгоритм управления режимом ожидания, который получен путем комбинации алгоритмов управления режимом ожидания, приводимых в стандартах IEEE 802.16е и IEEE 802.16m.
В силу того, что алгоритм управления режимом ожидания, описанный в стандарте IEEE 802.16е, имеет ряд недостатков (см. подразделы 1.3, 3.2), его анализ оставлен за рамками данной работы. Однако, так как предлагаемый алгоритм управления режимом ожидания частично основан на алгоритме из стандарта IEEE 802.16е, то ниже приводится обзор работ, в которых можно найти анализ алгоритма [57], [86], описываемого стандартом IEEE 802.16е.
Оценка различных параметров КО и эффективности механизмов сбережения энергии, определяемых стандартом IEEE 802.16е, стали предметом множества исследовательских работ. В одной из первых работ [88], рассматривающих режим ожидания стандарта IEEE 802.16е, представлен анализ среднего энергопотребления МС при приеме пуассоповского потока данных. Кроме этого приводится выражение для приблизительного вычисления средней задержки. В работе [43], кроме анализа энергопотребления и задержки, авторы также проводят исследование влияния параметров режима ожидания на эти две характеристики. В работе [73] "режим ожидания рассматривается как система M/GI/1/N с перерывами и анализируется среднее время ожидания в очереди и вероятность потери сообщения с данными.
В работах [66] и [65] представлен наиболее полный анализ режима ожидания стандарта IEEE 802.16е. Этот анализ основан па рассмотрении системы M/GI/1/K с перерывами. Также авторы приводят алгоритм оптимизации для случая, когда имеется ограничение на вероятность потери сообщения с данными. Также детальный анализ режима ожидания можно найти в статье [20]. Данный анализ построен на изучении системы М/G/l с перерывами, длительность которых может иметь различные распределения. Кроме полного анализа режима ожидания авторы приводят набор оптимизационных алгоритмов в зависимости от того, какие параметры системы известны.
В работе [64] приводится анализ задержки и энергопотребления в режиме ожидания в условиях низкой загрузки, приводимый анализ основан на изучении системы М/РН/1. Отметим, что данный анализ неприменим в случае высокой загрузки системы. Кроме этого, авторы предлагают функцию эффективности режима ожидания, которая объединяет значения задержки передачи данных и энергопотребления в одну величину. В работе [44] производится сравнение КСЭ первого и второго типов и приводятся графики для отношения энергопотребления и задержки.
Во всех отмеченных выше работах для описания входного потока данных используется поток Пуассона. Отдельный интерес представляет рассмотрение входных потоков, отличных от иуассоиовского. В частности, в работе [63] изучается влияние вида входного потока на энергопотребление МС в режиме ожидания и производится сравнение результатов для случаев с иуассоновским входным потоком и входным потоком Эрланга. Кроме этого, построенная в данной работе модель системы учитывает как прием данных от БС, так и передачу данных к БС. Учет влияния передачи потока данных на энергопотребление можно найти в работах [89] и [36]. Анализ задержки и энергопотребления в режиме ожидания при использовании модели входного потока DBMAP [32] представлен в работах [36] и [37]. В работе [87] авторы представляют анализ энергопотребления и средней длительности периода ожидания в случае использования распределения Парето для генерации принимаемого потока данных. Кроме этого, предлагается алгоритм для выбора начального периода ожидания. Согласно этому алгоритму длительность начального периода ожидания устанавливается равной половине длительности последнего периода ожидания, т.е. половине той длительности, которая была достигнута перед началом передачи данных. Далее в данном разделе описывается измененный алгоритм работы режима ожидания. Приводится анализ средней задержки передачи данных с использованием результатов теории массового обслуживания. Кроме этого описывается метод расчета энергоэффективности и коэффициента эиергоэффективпости.
В разделе 1.3 приводится описание режима ожидания стандартов IEEE 802.16е и IEEE 802.16m. Напомним, что в стандарте IEEE 802.16m вводится ряд улучшений и дополнений для того, чтобы сделать режим ожидания более гибким и эффективным. В данном разделе предлагается вариант алгоритма управления режимом ожидания, который сочетает в себе алгоритм управления работой режима ожидания стандарта IEEE 802.16е и улучшения для данного алгоритма из стандарта IEEE 802.16m.
Основные отличия предлагаемого алгоритма управления режимом ожидания от алгоритма управления, описанного в стандарте IEEE 802.16е, заключается в том, что в данном варианте допустим прием данных во время периодов прослушивания и период прослушивания может быть расширен, если еще есть данные для передачи на ВС (см. рисунок 3.1). Отличия данной версии от режима ожидания стандарта IEEE 802.16m заключается в том, что в предлагаемой версии нет жесткого разбиения на циклы ожидания (см. подраздел 1.3). И в данном варианте момент начала следующего цикла ожидания не известен в момент начала текущего цикла.
Анализ средней задержки при передаче информации
Как было отмечено в подразделе 1.2 МС может запросить ресурс для передачи данных различными способами. Так как МС и ВС могут не поддерживать механизм передачи запросов «piggyback» [46], введем следующее допущение относительно способа резервации ресурса. Допущение 4.1.7. Механизм резервирования ресурса. Для резервирования ресурса МС используется механизм индивидуального опроса (unicast polling). То есть ВС периодически предоставляет ресурс каждой МС для передачи запроса на резервирование капала. Для проведения опроса мобильные станции разбиваются на группы. В каждом кадре осуществляется опрос только одной группы МС.
Для упрощения последующего описания анализа сделаем допущение относительно алгоритма работы планировщика. Допущение 4.1.8. Алгоритм, планировщика. В качестве планировщика на БС используется алгоритм циклического планирования (Round-Robin, RR). Также введем допущение о количестве МС, функционирующих в системе. Допущение 4.1.9. Количество МС в системе. В системе имеется N МС, при этом N 1. Все МС, функционирующие в системе, разбиваются на L групп.
На рисунке 4.2 представлен пример работы модели. Обозначим количество МС в одной группе через Р (Р N, где N общее количество МС в системе). Передавать данные в текущем кадре могут только МС, которые относятся к одной группе (при этом опрашиваться и передавать данные в одном кадре могут МС из различных групи). В следующем кадре передачу данных осуществляют МС следующей группы и так далее.
В данной работе рассматривается средняя задержка только для высокоприоритетных потоков данных. Анализ и вычисление средней задержки для низкоприоритетных потоков данных оставлен за рамками этой работы, так как к передаче таких потоков не предъявляется строгих требований по КО. Рассчитаем количество групп МС в системе по следующей формуле: N L=l-p- (4.1) Далее будем обозначать г -ую МС из j-ой группы через i(j). Вычислим период времени, за который будет проведен опрос всех МС, функционирующих в системе: С = LTS, (4.2) где Т/ - длительность кадра. Согласно допущению 4.6, число поступивших пакетов в МС i(j) в каждом кадре является одинаково распределенной случайной величиной, которая не зависит от предыдущих значений. Обозначим время передачи одного пакета данных через г, а первый и второй момент интенсивности поступления пакетов в МС i(j) через А - и А- -, соответственно. Отсюда общая интенсивность поступления пакетов данных в систему равна А = Y2j=i Y2i=i i,j- Размер пакетов данных обозначим через b j.
Введем обозначения для длительности нисходящего и восходящего нодкадра (см. подраздел 1.2) Td и Ти, соответственно. Длительность периода опроса в одном кадре обозначим через Тп-, а длительность интервала времени предназначенную для передачи данных в восходящем канале через Тид-Согласно введенным обозначениям можно записать следующие выражения: Ти = Tri + Tud- (4.3) Tud = Ти - Pa, (4.4) где а - длительность опроса одной МС. Из сказанного выше следует, что доля времени для передачи данных для каждой группы МС вычисляется по следующей формуле: р Tud = J2bi JT І = 1,-.і- (4-5) г=1 Обозначим коэффициент загрузки МС i(j) через pij. Согласно введенной выше модели, каждая МС может передать максимум один пакет данных за L кадров, поэтому ptj = Xi,jLTf. (4.6) Можно показать, что система стабильна и обладает стационарным распределением при соблюдении следующего условия рц = XijLTf 1, і = 1,.., Р, j = 1,..., L. (4.7) Общая задержка передачи одного пакета данных состоит из следующих величин Di7J = ULj + а + ? + Д . + 6г-.,т, (4.8) где Z)[ задержка запроса ресурса. Определяется как интервал времени от момента поступления пакета данных в буфер на МС i(j) до момента начала передачи соответствующего запроса, а - время передачи запроса. Df-- задержка планирования. Определяется как интервал времени от момента окончания передачи запроса до момента выделения ресурса для передачи пакета данных. Djj - задержка передачи. Определяется как интервал времени от момента выделения ресурса до момента начала передачи пакета данных. bijT - время передачи пакета данных.
Утверждение 4.1. Средняя задержка передачи пакета данных может быт,ь вычислена по следующей формуле
Доказательство. Рассмотрим задержки запроса ресурса и планирования вместе. Так как система дискретна и длительность цикла опроса МС фиксирована, можно показать, что поведение одной МС в установившемся режиме не зависит от поведения других МС. Отсюда следует, что поведение одной МС в установившемся режиме может быть рассмотрено с помощью системы с одной очередью.
Когда пакет данных поступает в МС i(j) во время интервала ее опроса, до передачи запроса на резервацию ресурса для этого пакета необходимо ждать следующего интервала опроса, т.е. один цикл С. Таким образом между двумя соседними интервалами опроса МС i(j) и передачами пакетов данных наблюдается одна и та же длительность С. Поэтому рассмотрим систему GI/D/1 с перерывами, в которой длительность перерывов и времени обслуживания детерминированы и равны С = LTj. Используем формулу среднего времени ожидания для системы с циклическим обслуживанием и дискретным временем [33] для нашей модели с соответствующими параметрами. Используя формулы (4.1) и (4.2), средняя сумма задержек резервации ресурса и планирования для одного пакета данных равна:
