автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка методов кооперации и оценки качества кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи

На правах рукописи

005533071

Пятгаев Александр Владиславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КООПЕРАЦИИ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КООПЕРАТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ В СЕТЯХ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 СЕН 2013

Санкт-Петербург - 2013

005533071

Работа выполнена Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича".

Ведущая организация ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт связи", г. Москва.

Защита состоится 10 октября 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 61, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 65.

Автореферат разослан 10 сентября 2013 года.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, Кучерявый Евгений Андреевич

Официальные оппоненты:

Сивере Мстислав Аркадьевич, доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича", профессор кафедры радиопередающих устройств и средств подвижной связи

Нестеренко Владимир Дмитриевич, кандидат технических наук, ОАО "Ростелеком", макрорегиональный филиал "Северо-Запад", г. Санкт-Петербург, директор департамента строительства объектов связи

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных сетях сотовой связи новые услуги и приложения, требующие все больше ресурсов, развиваются быстрее, чем стандарты сетей связи. В связи с этим, все чаще проявляется недостаток пропускной способности. Однако, это далеко не единственная проблема в сотовых сетях. Надежность покрытия, в силу особенностей планирования и организации сотовых сетей, тесно связана с емкостью сот: чем меньше размер соты, тем больше трафика она может обслуживать, и тем острее стоит проблема интерференции и качества приема сигнала. Таким образом, с неизбежным уменьшением размеров сот, приходит необходимость улучшения качества канала для абонентов, находящихся на границах сот. Одним из наиболее перспективных методов решения этой проблемы на сегодняшний день считается глобальное планирование ресурсов, когда сеть динамически выделяет дополнительные частотно-временные ресурсы для обслуживания краевых абонентов. К сожалению, задачи глобального планирования чрезвычайно сложны, и их точное решение в реальном времени практически невозможно. Современной альтернативой такому решению являются сети с кооперацией — когда абоненты сотовой сети могут выполнять функции ретранслятора друг для друга. Вопросы построения современных сетей сотовой связи и применения кооперации для улучшения качества обслуживания рассматривались в работах Г. Г. Яновского, М. А. Сиверса, Б. С. Гольдштейна, А. Е. Кучерявого, A. Ephremides, С. Hoymann, W. Chen и др.

В отличие от методов, рассмотренных в предыдущих работах, при практической реализации кооперативная передача требует значительно более точного управления, в частности:

- контроль интерференции необходим для того, чтобы кооперативные передачи не создавали избыточных помех на соседние соты;

- необходима эффективная схема регистрации оказанных услуг кооперации, а также механизмы позволяющие кооператорам использовать полученный в результате кооперации кредит;

- требуется достаточно простая схема сигнализации, реализующая указанные механизмы, учитывающая тот факт, что значительные изменения стандарта крайне маловероятны.

Таким образом, исследования, направленные на решение указанных задач, являются необходимыми для практического внедрения практически любой схемы

кооперации в сотовых сетях, и, как следствие, выбранная тема работы является актуальной.

Цели и задачи исследований. Цель диссертации состоит в разработке новых методов кооперации, оценки качества кооперативной передачи и исследовании характеристик предложенных методов. Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач:

- анализ существующих методов кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи и алгоритмов контроля интерференции,

- разработка нового метода кооперативной передачи для современных сетей сотовой подвижной связи,

- разработка новых методов оценки качества кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи,

- разработка новых методов учета кооперативных передач,

- исследование характеристик предложенных методов в современных сетях сотовой подвижной связи.

Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории вероятностей, теории массового обслуживания, математической статистике.

Для проведения численных расчетов также использовалась система имитационного моделирования сотовых сетей с кооперацией собственной разработки (с использованием программного окружения Python 3 и NurnPy, а также библиотеки Gnu Scientific Library - GSL). Для анализа и обработки данных, полученных в результате имитационного моделирования использовались пакеты математического моделирования Matlab (г2012) и Octave (версии 3.5).

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

- разработка нового метода кооперации абонентов в современных сетях сотовой подвижной связи, в частности при использовании систем длительной эволюции, обеспечивающего контроль уровня интерференции и организацию учета услуг кооперации с одновременной минимизацией объема передаваемых сигнальных сообщений,

- разработка алгоритма управления кооперацией, обеспечивающего повышение спектральной эффективности для всех абонентов, а не только для находящихся в районе границы зоны обслуживания базовой станцией,

- доказательство того факта, что при корректной настройке мощности на узле-источнике и на кооператоре можно обеспечить условия, при которых кооперативная передача не создает интерференцию большую, чем при повторной передаче пакета в сетях без кооперации,

- разработка метода взаимозачета кооперативных передач между абонентами и алгоритм, позволяющий абоненту расходовать кредит, полученный в процессе кооперации,

- разработка метода учета кооперативных передач для условий отсутствия в сети доступных кооператоров, основанного на обеспечении базовой станцией рационального режима энергопотребления для абонентов, имеющих неизрасходованный кредит.

Практическая ценность. Основными результатами диссертационной работы, обладающими практической ценностью, являются предложенные методы управления кооперативной передачей в сотовых сетях подвижной связи, учитывающие интерференцию и предоставляющие возможность учета кооперативной деятельности абонентов.

Использование результатов работы в сотовой сети для управления кооперативной передачей позволяет увеличивать надежность и зону покрытия сотовых сетей без значительных капитальных вложений со стороны оператора, а также позволяет повышать емкость сети. Кроме того, самостоятельную практическую ценность имеет разработанная система моделирования для кооперативных сетей.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается учетом основных факторов, оказывающих влияние на емкость и область покрытия сети, а также применением физических и математических моделей, адекватных исследуемым проблемам, и подтверждается соответствием используемых методов с известными результатами.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы в системе имитационного моделирования, используемой для разработки и тестирования сетей 4 и 5 поколений. Имеются акты внедрения.

Апробация результатов работы. Результаты работы в процессе ее проведения были многократно представлены на международных конференциях, в частности, IEEE Globecom (2010) и ICCCN (2011), а новые методы моделирования сетей обсуждались на европейском конгрессе по имитационному моделированию EUROSIM (2010), конференции СПбНТОРЭС им. А.С.Попова (2013), в журналах

«Системы управления и информационные технологии» (2013) и «В мире научных открытий» (2013), а также на заседаниях кафедры «Сети связи» СПб ГУТ.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в обобщении полученных результатов, а также реализации и внедрении предлагаемых методов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, 31 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 54 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- метод кооперации в современных сетях сотовой подвижной связи, обеспечивающий контроль уровня интерференции и организацию учета услуг кооперации,

- методы оценки качества кооперативной передачи на основе анализа функций распределения качества обслуживания абонентов,

- алгоритм управления кооперацией, обеспечивающий повышение спектральной эффективности для всех абонентов зоны обслуживания базовой станции,

- метод и алгоритм взаимозачета кооперативных передач для расходования кредита, полученного в процессе кооперации,

- метод учета кооперативных передач при отсутствии в сети доступных кооператоров на основе рационального режима энергопотребления.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, а также перечислены результаты, полученные в процессе диссертационной работы. Определены практическая ценность и область применения этих результатов, рассмотрены сценарии их использования.

В первой главе рассмотрены существующие подходы к увеличению пропускной способности сотовых сетей, а также к увеличению качества покрытия. Приводится анализ существующих технологий, в том числе методов кооперации.

Современные технологии сотовой связи, такие как 3GPP-LTE (Long Term Evolution), обеспечивают использование каждого отдельного канала с такой эффективностью, что дальнейшее повышение скорости за счет улучшения алгоритмов физического уровня практически невозможно. К тому же, любое усложнение приемника приводит к его удорожанию и росту энергопотребления. Известной альтернативой является изменение топологии - увеличение плотности сот, а также превращение сети в гетерогенную, где большие макросоты дополнены микросотами. К сожалению, для такого подхода существуют известные ограничения - в сети с чрезвычайно маленькими сотами сложно обеспечить надежное покрытие большой территории и эффективное использование частотного ресурса одновременно. Кроме того, рационально использовать технологии частотного планирования для каждой микросоты (или фемтосоты), особенно для продаваемой пользователю, почти невозможно. Поэтому, значительную популярность получили методы планирования, в которых упор делается на обслуживание основной массы абонентов с максимальной скоростью, с тем чтобы освободить ресурсы сети для обслуживания остальных абонентов, ранее исключенных из обслуживания из-за низкого качества канала. Очевидно, что при высокой загрузке сети их обслуживание может быть предоставлено со значительной задержкой, либо не будет предоставлено вовсе. При этом кооперация между абонентами позволяет абонентам на краю соты передавать сигнал со значительно меньшей мощностью (поскольку теперь им не нужно достигать базовой станции, а лишь соседнего устройства), таким образом позволяя им получать обслуживание вместе с остальными абонентами соты.

Идея кооперации абонентов сотовых сетей многократно исследовалась в научной литературе, однако, большинство таких исследований используют сильно упрощенные модели системы передачи, не учитывающие некоторые существенные ограничения, присущие реальной системе. Например, для того, чтобы выполнить ретрансляцию какого-либо пакета, кооператор должен сначала принять и декодировать этот пакет. Одной из ключевых проблем, обычно не рассматриваемых в работах о кооперации, является задача обеспечения возможности такого приема при наличии собственного трафика у кооператора. На данном этапе развития радиоприемников одновременный прием и передача в одном и том же диапазоне трудно реализуемы, то есть кооператор никогда не должен быть спланирован базовой станцией одновременно с абонентами, которым он будет предоставлять услуги кооперации.

Другой известной проблемой кооперативных сетей является контроль интерференции и сигнализация в целом. Модели кооперации обычно разрабатываются для абстрактной сети, в которой передача сигнальных сообщений не требует ресурсов. На практике требуется детально проработанный протокол выбора кооператоров. Выбор кооператоров тесно связан с контролем уровня интерференции на соседние соты, поскольку в каждый момент времени интерференция на соседние соты есть взвешенная сумма интерференции от всех источников:

где х - номер абонента, га - доля частотных ресурсов, выделенных абоненту х, а

функция Ь определяет затухание сигнала. Таким образом, каждый раз, когда кооператор передает сигнал, он не только помогает абоненту своей соты, но и создает интерференцию на соседнюю соту. Каждая сота должна контролировать уровень создаваемой интерференции, иначе она нарушит работу соседних сот. То есть количество и мощность кооперативных передач должны быть подобраны так, чтобы суммарная интерференция на соседние соты не уменьшала их емкости больше, чем она увеличивается за счет кооперации.

В диссертационной работе детально рассматриваются проблемы планирования кооперативных передач, интерференции, выбора кооператоров, а также многие другие практически важные вопросы, традиционно не рассматриваемые в исследованиях по теме. Акцент делается на разработку практически ценных алгоритмов и численных результатов.

Во второй главе предлагается модель кооперативной передачи, использованная в рамках диссертационной работы. Предложенная модель отличается максимальным приближением к реальности при лишь незначительной потере точности при расчете пропускной способности сети и зоны покрытия.

Обратим внимание на ряд важных допущений, которые могут рассматриваться в качестве разумной аппроксимации реальной системы при определенных обстоятельствах. Пусть в сети присутствуют N абонентских терминалов. Одна базовая станция (БС) принимает пакеты от всех клиентов. БС не генерирует собственный трафик. Все узлы сети неподвижны (либо перемещаются со скоростями, незначительно влияющими на конфигурацию сети). Кроме того, каждый клиентский узел может перехватывать пакеты от других узлов и сохранять

их для последующей ретрансляции. Иллюстрация модели для N=2 представлена на рисунке 1.

Кооператор

Совместная

Источник 1 .. - - оДГвуфер (хчЧ1ередача

ГГТТТГИ^— прямая передача

Источник 2 Базовая

ГТТТПГ)-'

Рисунок 1 - Простейший пример сети с кооперацией

Предполагается, что система связи синхронная, и всем узлам доступно точное время. Системное время разделено на кадры, где каждому узлу известны границы кадров, а также в начале каждого кадра БС публикует расписание передачи для всех узлов. Расписание указывает для всех клиентов интервалы времени и логические каналы, в которых им разрешена передача. Подразумевается, что все передачи управляются планировщиком БС, алгоритмы которого могут быть разными. При этом ни один из клиентских узлов не имеет предустановленного класса о бслуживания.

Далее, в рамках простейшей модели кооператор может перехватывать сообщения от источников. Причем, в случае, когда вероятность перехвата выше вероятности прямой доставки до БС, кооперация может увеличить пропускную способность сети. Безусловно, в корректно спланированной сети вероятность прямой доставки от источника, даже если он находится на краю соты, редко бывает близка к нулю. Напротив, обычно она сопоставима с вероятностью прямой доставки от кооператора до БС, и терять этот шанс нежелательно. Поэтому, а также для уменьшения объема сообщений сигнализации, рассматривается схема при которой кооператор передает перехваченный пакет вместе с оригинальным источником, рассчитывая на то что БС сможет выполнить сложение полезных компонентов получающихся сигналов. Такая схема решает проблему сигнализации между кооператором и клиентом, и позволяет сети функционировать даже если кооператор по какой-либо причине не перехватил передачу источника.

Само решение о перехвате или не перехвате пакета в таком случае может приниматься оппортунистически - то есть кооператор перехватывает и ретранслирует пакеты тогда когда это ему удобно, а не по команде от БС. Более того, предложенный метод не требует никакой дополнительной сигнализации, а также может рассматриваться в контексте обязательной кооперации, когда кооператор обязан перехватывать и ретранслировать пакеты. График на рисунке 2 показывает, что такой метод дает выигрыш по пропускной способности соты.

бит в секунду на Герц

Рисунок 2 - Выигрыш от кооперации в сети, упрощенная модель

В третьей главе рассматриваются управление мощностью и интерференцией. Управление мощностью и интерференцией являются ключевыми механизмами, определяющими производительность той или иной системы. При передаче сообщений между узлами учитываются, в простейшем случае, полезный сигнал на целевом приемнике, а также интерференция, создаваемая на других приемниках. По итогам суммирования всех передач, вычисляется соотношение сигнал-шум для каждой из них:

где $=ра, и. N = рМа -»Ь), а х - узлы, создающие интерференцию.

Из этого соотношения вычисляется максимальная скорость каждой передачи, которую можно использовать как для аналитических расчетов, так и для

имитационного моделирования. Очевидно, что в рамках одной БС узлы не создают интерференции друг для друга, а лишь на соседние соты, работающие на той же частоте. Такая модель пригодна, в частности, для сетей, основанных на модуляции OFDM, поскольку в таких сетях на физическом уровне проводится перемешивание поднесущих, что обеспечивает равномерное распределение интерференции от каждого пользователя на все частоты. Схема перемешивания поднесущих уникальна для каждой соты, что обеспечивает дополнительную изоляцию передач от импульсных помех в результате передач абонентов соседних сот.

В процессе кооперации абоненты сети могут перехватывать передачи узлов своей соты (но не других сот, в силу вышеупомянутого перемешивания частот). Для перехвата передачи кооператор должен быть свободен от собственных передач, а также соотношение сигнал-шум между источником и кооператором должно быть достаточно высоким, чтобы декодирование было успешным. Далее кооператор может участвовать в доставке перехваченного пакета различными способами.

В рамках диссертации проанализированы различные способы организации кооперативной передачи. Простейшим способом является передача вместо собственных пакетов, когда кооператор жертвует собственным ресурсом ради клиента - источника сообщения. При такой схеме источник должен быть проинформирован о том, что кооператор получил какие-либо из его пакетов, особенно в том случае если они не были получены на БС, поскольку в противном случае он будет производить повторные передачи одновременно с кооператором, потребляя двойное количество ресурсов сети. Используемая схема решает проблему сигнализации между кооператором и источником, но усугубляет интерференционную ситуацию, так как кооператор будет создавать дополнительное излучение на тех же частотах и в то же время, что и источник.

В диссертации доказано, что при корректной настройке мощности на узле-источнике и на кооператоре, можно обеспечить условия, когда кооперативная передача не создает интерференции больше, чем было бы создано в нормальных условиях при повторной передаче пакета. При этом, безусловно, необходимо точное управление происходящим процессом со стороны БС, при котором будет всегда выполнено следующее условие

££PaL("->')>EZРМа->z) + РгЦго -> *),

adU :eQ aW

где Q - все БС в сети, С/ - клиенты, запланированные для осуществление передачи, ра - их мощности, а рг — мощности их кооператоров (га). Подразумевается, что БС

должна запретить оригинальному источнику выход в эфир для повторной передачи, а при изначальной передаче мощность ра подбирается так, чтобы достичь

кооператора, а не БС. Таким образом, обеспечивается выполнение условия уменьшения интерференции.

|Источник| |Кооператор|

1 БС |

пакет на передачу

А

Запрос на передану

Передача пакета

Ретрансляция пакета 1

Передача пакета 2

Объявление р кооперации

Подтверждение

Разрешение кооперации. Р.-Р:

Ресурс на передачу. Г'. = Р

Ошибка а пакете 1, Р„ = 0. ресурс на ретрансляцию

Кооперация для пакета 1

Подтверждение пакета 1

Ресурс на передачу. Р, - Р.:,

Рисунок 3 - Алгоритм кооперации для сотовой сети

Точный контроль над интерференцией также требует другого подхода к сигнализации в системе. В частности, БС должна иметь информацию о том, какие кооператоры и с какой мощностью будут участвовать в той или иной передаче. Для корректной настройки мощности на оригинальном источнике, БС должна быть уверена в наличии кооператора прежде, чем передача будет начата. Для выполнения всех этих (а также некоторых других) требований, в диссертационной работе предложен алгоритм управления кооперацией, представленный на рисунке 3.

Применение указанного алгоритма позволяет кооперации работать в сети ограниченной по интерференции, то есть в тех условиях, когда кооперация без управления ухудшает производительность сети (рис. 4). За счет снижения общего уровня интерференции в системе достигается повышение спектральной эффективности всех абонентов, а не только краевых. В данном случае подразумевается, что все абоненты готовы быть кооператорами, и БС всего лишь выбирает наилучшего кандидата.

Рисунок 4 - Выигрыш от кооперации в сети, сеть ограниченная по интерференции

В четвертой главе рассматривается механизм взаимозачета кооперативных передач между абонентами. Одной из основных трудностей внедрения механизмов кооперации в сотовых сетях является отсутствие механизма мотивации абонентов. Существующие схемы на основе теории игр (если все участвуют в кооперации, то все от нее выигрывают), скорее всего, не смогут мотивировать пользователей к кооперации, поскольку, в отличие от игр, она не приносит дохода в каком-либо материальном виде. Таким образом, мотивация пользователей жертвовать ресурсом своих устройств ради блага сети в целом является отдельной важной задачей при разработке сетей с кооперацией абонентов.

Для решения задачи мотивации абонентов к кооперации предложен механизм учета кооперативных действий, а также схема, позволяющая абоненту сети расходовать кредит, заработанный в процессе помощи другим абонентам. Например, предположим, что за каждые у байт, доставленные для кого-либо, кооператор получает единицу сетевого кредита. Далее, когда абоненту требуется услуга кооператора, он будет получать ее с повышенным приоритетом до тех пор, пока не исчерпает свой кредит. Безусловно, расход кредита должен происходить быстрее, чем его получение при кооперации, с тем чтобы у абонентов не скапливалось значительное количество кредита.

В качестве альтернативы когда в соте нет доступных кооператоров, возможно альтернативное использование кредита. Если абонентское устройство работает от батареи, то существует способ увеличения энергетической эффективности его передачи, который в теории позволит продлить автономную работу. В частности,

при планировании передач от этого абонента (и к нему) БС может выделять ресурс в виде коротких по времени широкополосных всплесков, обеспечивая оптимальный режим энергопотребления — в те моменты когда приемник и передатчик активны, они работают на максимально возможной скорости, таким образом суммарное потребление энергии минимально. В диссертации показано, что если в системе с длиной кадра в t слотов и к каналами выделять абоненту ровно t слотов, то его энергопотребление, в худшем случае, будет:

P=tPtx+tPc>

а в лучшем случае будет

P=\t!k\Ptx+tPc,

где Р[х — энергия, потребляемая передатчиком при активной передаче, а Рс —

энергия, потребляемая передатчиком пассивно. При k>t, что выполняется для LTE, такое планирование обеспечивает значительный выигрыш в энергетической эффективности (пропорционально числу каналов в системе), увеличивая время автономной работы пользовательского устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ существующих подходов к кооперации, в рамках которого рассмотрены различные варианты организации кооперативных передач в сотовых сетях подвижной связи. Идентифицировано ключевое ограничение существующих методов кооперации и процедур управления кооперацией — отсутствие адекватного алгоритма контроля интерференции,

2. Разработан новый метод кооперации абонентов в современных сетях сотовой подвижной связи, в частности при использовании систем длительной эволюции, обеспечивающий контроль уровня интерференции и организацию учета услуг кооперации с одновременной минимизацией объема передаваемых сигнальных сообщений.

3. Разработан алгоритм управления кооперацией, обеспечивающий повышение спектральной эффективности для всех абонентов, а не только для находящихся в районе границы зоны обслуживания базовой станцией.

4. Доказано, что при корректной настройке мощности на узле-источнике и на кооператоре можно обеспечить условия, при которых кооперативная передача не

создает интерференцию большую, чем при повторной передаче пакета в сетях без кооперации.

5. Разработан метод взаимозачета кооперативных передач между абонентами и алгоритм, позволяющий абоненту расходовать кредит, полученный в процессе кооперации.

6. Разработан метод учета кооперативных передач для условий отсутствия в сети доступных кооператоров, основанный на обеспечении базовой станцией рационального режима энергопотребления для абонентов, имеющих неизрасходованный кредит.

7. Разработана новая система имитационного моделирования для исследования кооперативных сетей.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Pyattaev, A. Client relay simulation model for centralized wireless networks / Alexander Pyattaev, Sergey Andreev, Alexey Vinel, Boris Sokolov // Сборник 7ro конгресса EUROSIM (Congress on Modelling and Simulation). - 2010. - PP. 672-677.

2. Pyattaev, A. Some modeling approaches for client relay networks / Alexander Pyattaev, Sergey Andreev, Yevgeni Koucheryavy, Dmitri Moltchanov // Сборник конференции IEEE Workshop on Computer-Aided Modeling Analysis and Design of Communication Links and Networks (CAMAD). - 2010. - PP. 116-120.

3. Pyattaev, A. System-level evaluation of opportunistic client cooperation in wireless cellular networks / Alexander Pyattaev, Sergey Andreev, Olga Galinina, Yevgeni Koucheryavy // Сборник 20 конференции IEEE International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN). - 2011. - PP. 1-6.

4. Pyattaev, A. // Design and development of a client relay system level simulator / Alexander Pyattaev, Sergey Andreev, Olga Galinina, Yevgeni Koucheryavy // Сборник 10 конференции Finnish-Russian Cooperation in Telecommunication (FRUCT). -2011.-PP. 113-119.

5. Пяттаев, А. В. Метод поощрения кооперации в сотовых сетях связи / А. В. Пяттаев // Сборник 68 научно-технической конференции СПбНТОРЭС им. А. С. Попова. - 2013. - С. 61-63.

6. Пяттаев, А. В. Подходы к моделированию сетей связи с клиентской ретрансляцией / А. В. Пяттаев, Е. А. Кучерявый, С. Д. Андреев // Системы

\

управления и информационные технологии. - 2013. - №2(52). - С. 98-102 (из перечня ВАК).

7. Галинина, О. С. Анализ кооперации М2М устройств в сотовых сетях связи / О. С. Галинина, А. В. Пяттаев, С. Д. Андреев, А. М. Тюрликов // В мире научных открытий. - 2013. - № 7 (43). - С. 275-295.

Подписано в печать 05.09.2013. Формат 60x84 1/16. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Сапкт-Пегербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

На правах рукописи

Пяттаев Александр Владиславович

Разработка методов кооперации и оценки качества кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций гг

^^ Диссертация на соискание ученой степени

О

кандидата технических наук

V/ со <£) £

СО Я О Г

СЧ ^ Научный руководитель

О кандидат технических наук

Кучерявый Евгений Андреевич

Санкт-Петербург-2013

Содержание

Введение 5

1 Рассматриваемые проблемы и методы их решения 11

1.1 Обчор исследований................................................11

1.1.1 0( новные принципы нос [роения коопера тивных coi ей . 11

1.1.2 Рачработ ки в учких облжчих, об зор исс [сдований ... 14

1.1.3 Стчемный подход к решению чадач кооперации .... 16

1.2 Задачи исследования................................................17

1 2 1 Основные задачи, решаемые в рамках д иссер ищиопной

работы........................................................18

1.2.2 Донолшпетьпые чадачи....................................19

1.2 3 Границы применимое! и исполняемых меюдов и моде1 ieíí 19

1.3 Принципы решения носгавтенных чадач..........................20

1.3.1 Имитационное моделирование..............................20

1.3.2 Ana. ш i пчеекое моделирование............................21

2 Модель кооперативной передачи 22

2.1 Базовая системная модель и ее свойспза..........................22

2 1.1 CitcicMa дои\тений ........................................23

2.1.2 Алгоритм работы сети......................................27

2.1.3 Аиалп з системной модечп дня трех уч.юв................27

2.1.4 Апалич ба зоной модели для множества узлов............35

2.1.1 Пример расчсча на языке Matlab..........................38

2 16 Матемашчес кое ожидание1 проичводи 1елыюетп при

с туча Пион naip\ зке ........................................39

2.17 Разделение >члов па ipynnbi для решения проблем

дуплекса......................................................42

2.2 Расширенная еисюмная модель, включающая абстракцию

реальной среды передачи..........................................45

22 1 Модель еоювои cei и........................................46

2.3 Обчор предложенных системных моделей........................47

3 Производительность кооперативных сетей, управление мощеюстью и интерференцией 48

3.1 Проичводи [отынхл ь пеуправтяемой кооперации ¡5 рамках

ба ;овой моле ш......................................................48

3.1.1 Проичводи icjn.iiocT i. кооперации при ра ¡личных схемах

планирования................................................50

3 2 Производи i елыю< i ь неуправляемой кооперации в рамках

расширенной модели................................................52

3.2.1 Сеч ь с временным pa1'.деленнем доступа (OFDM ТОМА) 52

3.2.2 Сеп» с часто'] ным и временным разделением доступа (OFDMA FDD).....................\ . 56

3.3 Управление ассоциацией с кооперачорами и пи терферспцней . 59

3.4 Использование кооперации для повышении производительности выбранного аСюпента........................61

3.5 Планирование кооперативных передач............................62

3.6 Алгоритм работы сечи при управляемой кооперации............67

3.7 Производпчельносч ь при управляемой кооперации..............70

3.8 Применимость кооперации в реальных сотовых сетях..........73

4 Учет, оценка качества и поощрение кооперации 74

4.1 У4(4' кооперативной работы........................................74

4.1.1 Учет количества ретранслируемых данных..............74

4.1.2 Учет затраченной -энергии..................................75

4.1.3 Учет повышения мюрпнффекч ивпоп и..................76

4.2 Оценка качества кооперативной работы..........................77

4.2.1 Обязательная неуправляемая кооперация................77

1.2.2 Добровольная неуправляемая кооперация................78

4.2.3 Управляемая кооперация..................................78

4.3 Способы компенсации услуг коопераiоров........................80

4.3.1 Приоритетный поиск коонера'торон........................81

4.3.2 Повышение эпергозффективпос i и по требованию ... 81

Заключение 84

Решенные задачи..........................................................84

Направления дальнейших исследований................................87

Список литературы 91

Список иллюстраций 98

Список таблиц 99

Приложение 1 - детали программной реализации системы

имитационного моделирования 100

Принцип проведения измерений ..................................100

Алгоритм спстомы имитационного моделирования..............101

Пропзвочитсльног! ь системы......................................101

Организация рабочего процесса....................................102

Используемое окружение..........................................104

Регенеративный анализ............................................106

Компенсация погрешностей генерачоров случайных чисел . . 108

Прочие подходы к измерениям....................................109

Приложение 2 - Конфигурационные файлы системы

имитационного моделирования 111

Базовая системная модель ..............................................111

Сценарии л,ля проверки по аналитической мол,ели..............111

Настройки для проверки по апалич нческой модели ............113

Расширенная системная модель ........................................116

Сценарий, создающий сотовую сеть с 19 coia.Mii ................116

Настройка физического уровня для OFDMA режима..........120

Введение

Беспроводные сети связи являются одним из самых быстрорастущих сегментов телекоммуникационного рынка. Это объясняется удобством для конечных пользователей, а также невысокой стоимостью развертывания по сравнению с проводными или спутниковыми сетями. Бурный рост рынка беспроводных сетей связи в сочетании с конвергенцией сетей привел к появлению целого ряда новых услуг, в частности, связанных с передачей данных.

Услуги передачи данных в беспроводных сетях связи, в свою очередь, породили резкое увеличение нагрузки на сети. Несмотря на желание производителей и операторов предоставлять широкополосной доступ, потребность в пропускной способности и качестве обслуживания до сих пор не удовлетворена. Подавляющее большинство сетей работает с перегрузкой, или же услуги настолько дорогие, что пользователи избегают их частого использования. Кроме того, надежная передача голосового трафика и трафика реального времени до сих пор требует капальпо-ориентированного доступа, что объясняется непредсказуемыми и значительными задержками в сетях с пакетной передачей. Простейшим, и долгое время единственным, решением возникающих проблем было увеличение пропускной способности на физическом уровне (определение согласно модели OSI). Так родились технологии EDGE, WiMAX, HSPA, LTE и многие другие.

Однако, в результате быстрого прогресса в области передающих устройств и схем кодирования, современные системы связи достигли точки развития, когда дальнейшее увеличение скорости передачи при заданном пороге мощности не представляется легко достижимым. Частотный ресурс в большинстве стран давно исчерпан, и использование дополнительных диапазонов не представляется возможным. Встает вопрос о том. как добиться большей эффективности от уже имеющихся технологий физического уровня и частотных ресурсов. Интерес представляет не компромиссное решение, а оптимизация одновременно нескольких параметров - пропускной способности, задержки, спектральной и энергетической эффективности передачи.

Существует несколько принципиальных подходов к решению такой проблемы. Во-первых, можно увеличивать количество фиксированных точек доступа, в пределе то тех пор пока они не будут расположены повсеместно. Очевидно, что такая сеть будет иметь огромное количество проблем связанных с интерференцией, а также будет невероятно дорогой в развертывании (подробнее эти проблемы будут рассмотрены в разделе 1). Более реалистичной! выглядит сеть, где более редкие точки доступа объединены между собой! беспроводными каналами; при этом отдельные точки доступа имеют выход в магистральную сеть (так работают неоднородные сети). Другим крайним случаем является сеть, где все

узлы равноправны и являются маршрутизаторами трафика друг для друга. Вышеуказанные схемы, безусловно, позволяют значительно снизить мощность передачи и увеличить пропускную способность сети в целом. К сожалению, ни одна из них не решает всех проблем, при этом создавая целый ряд новых. В частности, усложнение структуры сети ведет к росту издержек на управление, что в свою очередь компенсирует получаемые выигрыши. Более того, недостаточная точность аналитических моделей делает задачу управления почти неразрешимой.

Кооперативная передача представляет из себя некоторый компромисс между полностью иерархической и одноранговой структурами. В частности, в отличие от иерархической структуры, кооперативная сеть подразумевает что абоненты имеют некоторую степень свободы перемещения, а также способны принимать самостоятельные решения по маршрутизации и организации сети. При этом подразумевается наличие некоторой степени контроля над всеми абонентами, производимого со стороны базовой станции. Подробнее эти и другие ограничения рассмотрены в разделах 1 и 2. Предполагается, что такая организация позволит получать достоинства обеих структур, избегая специфичных для них проблем. Успешное внедрение кооперативной передачи в имеющиеся сети связи могло бы значительно повысить стабильность и качество соединения без существенного усложнения алгоритма работы сети, как это происходит в одноранговых сетях с динамической топологией (иногда, не совсем корректно, называемых ad-hoc сетями).

На сегодняшний день не существует пи одной! коммерчески успешной! сети с кооперативной передачей!. На то есть множество причин как технического характера, так и экономического. В частности, в одноранговых сетях кооперация на сетевом уровне (маршрутизация чужого трафика) является обязательной, и она же делает их непригодными для широкого потребителя - далеко не каждый! абонент пожелает делиться зарядом батареи своего мобильного устройства с незнакомцем. Более того, не получая за это никакого поощрения, абонент не видит никакого личного выигрыша от использования такой! технологии. В сетях со случайным множественным доступом к каналу кооперация затруднена тем, что кооператор вынужден получать доступ к каналу, увеличивая количество коллизий и затрудняя передачу для источника пакета. Таким образом, даже при значительно более хорошем канале до точки назначения, кооператор может вредить работе сети при неверной! реализации схемы разделения ресурсов. Несмотря па вышесказанное, кооперативная передача не имеет никаких ограничений на внедрение в сетях с протоколом доступа на основе расписания, таких как 3GPP LTE или IEEE-802.16. В частности, в рамках 3GPP и IEEE существуют рабочие группы, занимающиеся проблемами внедрения кооперации в сотовые сети, аналогично этими вопросами занимаются и сторонние исследователи [ ].

Таким образом, актуальность работы обусловлена объективной необходимостью повышения производительности сотовых сетей связи, а также интересом поставщиков сетевого оборудования и стандартизирующих организаций к схемам кооперации в беспроводных сетях связи. Исследования в рамках диссертационной работы также решают ряд аналитических и инженерных задач, связанных с внедрением кооперативной передачи, таких как:

• контроль интерференции на соседние соты,

• регистрация и поощрение оказанных услуг кооперации,

• разработка схема сигнализации, реализующей указанные механизмы.

Таким образом, существуют не только объективные предпосылки исследований по теме диссертационной работы, но также требует решения целый ряд проблем, тормозящих внедрение кооперации на сетях сотовой связи.

Цели и задачи исследования Обобщая вышесказанное, цель диссертации состоит в разработке новых методов кооперации, пригодных ко внедрению на современных сетях, а также в решении сопутствующих инженерно-технических и прочих задач. Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач:

• анализ существующих методов кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи и алгоритмов контроля интерференции,

• разработка нового метода кооперативной передачи для современных сетей сотовой подвижной связи,

• разработка'новых методов оценки качества кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи,

• разработка новых методов учета кооперативных передач,

• исследование характеристик предложенных методов в современных сетях сотовой подвижной связи.

Основные методы, используемые в диссертационной работе

Как говорилось выше, достижение поставленной цели представляет из себя многоступенчатый процесс, включающий в себя анализ существующих решений, разработку новых алгоритмов и протоколов с последующей их апробацией. С тем чтобы ограничить область научных изысканий, обозначим основные методы и подходы к исследованиям.

Кооперация в сотовых сетях рассматривается как вариант организации альтернативной топологии за счет современных приемо-иередатчиков. Таким образом, одним из основных инструментов в организации кооперативной! сети являются современные технологии физического уровня, позволяющие создавать топологии, не возможные ранее. Например, несколько узлов могут передавать один и тот же пакет данных одновременно, увеличивая полезную мощность на приемной стороне. На физическом уровне реализацию обеспечивают технологии многопользовательского многолучевого приема (оригинальный термин Multi-User MIMO, возможно, более полно описывает суть технологии). Указанный режим передачи является лишь частным случаем рассматриваемого набора схем физического уровня, призванных обеспечить реализуемость кооперации. Одной из ключевых предпосылок для выбора новых возможностей физического уровня как отправной точки для разработки способов кооперации являлись работы A. Ephremides и К. Doppler по кооперации и сетевому кодированию.

В целях анализа имеющихся и предлагаемых решений, применяется спектр аналитических инструментов и средств имитационного моделирования. В частности, для абстракции физических каналов связи применяются инструменты статистики и теории кодирования; для анализа процессов ретрансляции и синтеза сценариев используются инструменты теории телетрафика; также задействованы методы Монте-Карло для анализа и агрегации результатов.

Основываясь на результатах анализа, синтез новых протоколов производился на основе подходов, применявшихся A. Epheremides и С. Hoymann.

Научная новизна

Основными результатами диссертации, обладающими научной! новизной, являются:

• разработка нового метода кооперации абонентов в современных сетях сотовой подвижной! связи, в частности при использовании систем длительной эволюции, обеспечивающего контроль уровня интерференции и организацию учета услуг кооперации с одновременной! минимизацией объема передаваемых сигнальных сообщений,

• разработка алгоритма управления кооперацией, обеспечивающего повышение спектральной эффективности для всех абонентов, а не только для находящихся в районе границы зоны обслуживания базовой станцией,

• доказательство того факта, что при корректной настройке мощности на узле-источнике и на кооператоре можно обеспечить условия, при

которых кооперативная передача не создает интерференцию большую, чем при повторной передаче пакета в сетях без кооперации,

• разработка метода взаимозачета кооперативных передач между абонентами и алгоритм, позволяющий! абоненту расходовать кредит, полученный в процессе кооперации,

• разработка метода учета кооперативных передач для условий отсутствия в сети доступных кооператоров, основанного на обеспечении базовой станцией рационального режима энергопотребления для абонентов, имеющих неизрасходованный кредит.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается учетом основных факторов, оказывающих влияние на емкость и область покрытия сети, а также применением физических и математических моделей, адекватных исследуемым проблемам, и подтверждается соответствием используемых методов с известными результатами.

Апробация результатов работы

Результаты работы в процессе ее проведения были многократно представлены на международных конференциях, в частности, IEEE Globecom (2010) и ICCCN (2011), а новые методы моделирования сетей обсуждались на европейском конгрессе по имитационному моделированию EUROSIM (2010), а также на заседаниях кафедры "Сети связи" СПб ГУТ. Система имитационного моделирования, разработанная для этого исследования автором, нашла применение в научно-исследовательской работе других групп.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 печатных изданиях [ - ], 2 из которых изданы в журналах, рекомендованных высшей аттестационной комиссией [ , ], 5 сопровождали доклады на российских и международных конференциях [ , - ].

Личный вклад автора

Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в обобщении полученных результатов, а также реали�