średnia przepływność oferowana użytkownikowi systemu umts

średnia przepływność oferowana użytkownikowi systemu umts

Mariusz Głąbowski, Sławomir Hanczewski,
Maciej Stasiak
Politechnika Poznańska
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych
ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań
e-mail:(mglabows, shancz, stasiak)@et.put.poznan.pl
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
ŚREDNIA PRZEPŁYWNOŚĆ OFEROWANA UŻYTKOWNIKOWI
SYSTEMU UMTS-HSDPA
Streszczenie: W artykule została przedstawiona metoda
analityczna pozwalająca na wyznaczenie średniej przepływności oferowanej użytkownikowi w systemie UMTS poszerzonym o technologię HSDPA (ang. High-Speed Downlink
Packet Access). Zastosowanie HSDPA zwiększa szybkość
transmisji pomiędzy stacją bazową a terminalem użytkownika w sieciach UMTS, dzięki czemu możliwe stało się oferowanie przez operatorów systemów komórkowych nowych
usług wymagających większych przepływności (np. szerokopasmowy dostęp do Internetu).
1. WSTĘP
Budowa sieci telefonii trzeciej generacji (3G) ma
umożliwić użytkownikom dostęp zarówno do usług
głosowych, jak i do transmisji danych. Teoretyczne
opracowania systemu UMTS wykazały możliwość oferowania użytkownikom sieci przpływności nawet do
2Mb/s. Jednak budowa pierwszych sieci (laboratoryjnych i komercyjnych) pokazała, że osiągnięcie maksymalnej zakładanej szybkości transmisji nie jest możliwe. W tabeli 1 przedstawione zostały rzeczywiste
i teoretyczne szybkości transmisji w sieciach GSM i
UMTS [1].
„w dół”, ang. downlink ). Niemalże jednocześnie rozpoczęto prace nad metodą zwiększenia szybkości na łączy w górę - HSUPA High-Speed Uplink Packet Access
(planuje się, że pierwsze implementacje HSUPA w komercyjnych sieciach powinny pojawić się w przyszłym
roku). Usługi związane z HSDPA zostały udostępnione już w 2005 roku i obecnie cieszą się dużą popularnością. W tym roku ten sposób przesyłania danych
w sieciach UMTS pojawił się również w Polsce. Sieci
UMTS-HSDPA określane są często mianem telefonii
3,5G.
W rozdziale drugim omówiono sposób określania
pojemności systemu UMTS. Krótki opis technologii
HSDPA przedstawiono w rozdziale 3. W rozdziale
4 zaproponowano metodę wyznaczania średniej przepływności dostępnej dla użytkowników HSDPA.
2. System UMTS
2.1. Twarda i miękka pojemność systemu komórkowego
Rozpoczęto zatem prace nad rozszerzeniem systemu UMTS - które podobnie jak GPRS i EDGE
w systemach GSM - umożliwi zwiększenie szybkości
transmisji w sieciach UMTS. Zaproponowane w ramach 3GPP1 rozwiązanie HSDPA umożliwia nawet
kilkukrotne zwiększenie szybkości transmisji w kierunku od stacji bazowej do terminala użytkownika (łącze
Pojedynczą komórkę systemu komórkowego można
traktować jak wiązkę pełnodostępną o stałej lub
zmiennej pojemności, w zależności od możliwego
wpływu otoczenia na obciążenie interfejsu radiowego.
W systemie o twardej pojemności maksymalna
liczba abonentów obsługiwanych przez jedną komórkę jest jednoznacznie określona i zależy wyłącznie od
liczby wykorzystanych kanałów częstotliwościowych.
Przykładem takiego systemu jest system GSM.
W systemach o miękkiej pojemności pojemność pojedynczej komórki nie jest stała i zmienia się w zależności od wpływów zewnętrznych, których istotnym
elementem jest stopień obciążenia komórek sąsiednich.
Ideę zależności pojemności systemu od obciążeń komórek sąsiednich zilustrowano na rys. 1, na którym
przedstawiono komórkę dostępową 2 i dwie komórki
sąsiednie (w postaci walcowatych naczyń). Obciążenie
komórki odwzorowywuje wysokość wypełnienia naczynia. Na rysunku 1a) stosunkowo niewielkie obciążenie
1 3rd Generation Partnership Project - wspólny projekt organizacji standaryzujących mający na celu rozwój systemów komórkowych trzeciej generacji
2 Pojęcie komórki dostępowej zostało wprowadzone w modelach analitycznych systemów GSM i UMTS i oznacza komórkę
z której zasobów w danej chwili korzysta abonent
Tabela 1.
Rzeczywiste (A) i teoretyczne (B) szybkości transmisji
w sieciach GSM i UMTS
System GSM GPRS EDGE UMTS
A [kb/s]
9,6
50
130
384
B [kb/s] 14,4
170
384
2048
a)
go samego operatora lub innych operatorów telefonii komórkowej,
Vmax
b)
Vmax
Komórka
dostępowa
Rys. 1. Ilustracja zjawiska miękkiej pojemności
komórek sąsiednich pozwala na utrzymanie dużej dopuszczalnej pojemności komórki dostępowej. Z kolei
wzrost obciążenia w komórkach sąsiednich powoduje
zmniejszenie dopuszczalnej pojemności komórki dostępowej (rys. 1b). Do systemów o miękkiej pojemności
zalicza się system UMTS.
W systemach z miękką pojemnością, dostępna
przepływność systemu może się zmieniać od teoretycznej przepływności maksymalnej – za miarę której możemy uznać przepływność idealnej komórki izolowanej, nie narażonej na wpływy zewnętrzne – do pewnej
pojemności minimalnej, kiedy wpływ obciążeń komórek sąsiednich jest największy.
2.2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym
WCDMA
Wykorzystywany w systemie UMTS interfejs radiowy
WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access) posiada dużą teoretyczną przepływność izolowanego interfejsu. Jednocześnie, dostępna przepływność
jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy interferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym
systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygnałów, pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona
na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]:
• wspólnokanałowych interferencji własnych komórki – pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru danej komórki,
• wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych
komórki – pochodzących od współużytkowników
kanału częstotliwościowego z obszaru komórek sąsiednich,
• interferencji sąsiedniokanałowych – pochodzących z sąsiednich kanałów częstotliwościowych te-
• wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących
z innych systemów i źródeł, zarówno szerokopasmowych jak i wąskopasmowych.
Podsumowując, w interfejsie radiowym WCDMA wraz
ze wzrostem obciążenia (ruchu) wzrasta szum generowany przez innych użytkowników obsługiwanych przez
tę samą komórkę lub przez inne komórki. W celu
zapewnienia odpowiedniego poziom usług, konieczne
jest ograniczanie liczby alokowanych zasobów przez
aktywne źródła ruchu. Szacuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez obniżenia jakości usług, będzie wynosiło około 50 – 80% [3].
Z tego też względu miękka pojemność interfejsu radiowego WCDMA jest określana mianem pojemności
ograniczonej szumowo (ang. noise limited ).
Z uwagi na wielusługowy charakter sieci UMTS,
interfejs radiowy obsługuje kilka klas ruchu, z których
każda do obsługi zgłoszenia żąda różnej przepływności i tym samym, w różnym stopniu obciąża interfejs.
Współczynnik obciążenia szumowego dla jednego źródła ruchu klasy i można określić na podstawie następującego wzoru:
Li =
1
1+
W
Eb
N0
Ri νi
.
(1)
i
We wzorze (1) przyjęto następujące oznaczenia:
W – przepływność sygnału rozpraszającego (tzw.
prędkość czipowa, w systemie UMTS standardowo wynosi 3,84 Mchip/s), tj. szybkość z jaką
rozpraszany jest sygnał wejściowy (sygnał danych lub sygnał rozmówny),
Ri – przepływność sygnału danych od jednego źródła ruchu klasy i,
νi – współczynnik aktywności źródła ruchu klasy i,
który oznacza procent czasu zajętości kanału
transmisyjnego, w którym źródło jest aktywne,
tj. nadaje sygnał o przepływności Ri ,
Eb /N0 – stosunek energii przypadającej na jeden bit
do gęstości widmowej szumu,
Li – obciążenie interfejsu radiowego przez zgłoszenie
klasy i.
Przykładowe obciążenia interfejsu radiowego
WCDMA przez zgłoszenia różnych klas przedstawiono w tabeli 2.
2.2.1. Łącze „w dół”
Uwzględniając podział źródeł ruchu na odpowiednie
klasy, całkowite obciążenie łącza „w dół” można zapisać w następującej postaci:
ηDL = (1 − ξj + δ)
Ni
M X
X
i=1
1
Li ,
(2)
Tabela 2.
Przykładowe
obciążenia
interfejsu
radiowego
WCDMA przez zgłoszenia różnych klas
Usługa (i)
I
II
III
IV
W [Mchip/s]
3,84
Ri [kb/s]
12,2
64
144
384
νi
0,67
1
1
1
Eb /N0 [db]
4
2
1,5
1
Li
0,005 0,026 0,050 0,112
I - Rozmowa
II, III, IV - Transmisja danych
gdzie: δ jest to stosunek interferencji od innych komórek do interferencji własnych komórki, natomiast ξj
jest to współczynnik tłumienia interferencji. Współczynnik ten wskazuje na stopień redukcji interferencji
pomiędzy użytkownikami tej samej komórki dzięki stosowaniu sekwencji identyfikujących kanał, opartych na
technice ortogonalnych ciągów kodowych o zmiennym
współczynniku rozpraszania OVSF (ang. Orthogonal
Variable Spreading Factor ). Oznacza to, że mogą one
mieć różny współczynnik rozpraszania, a ich wzajemna korelacja wynosi zero [4].
2.2.2. Jednostki alokacji w interfejsie radiowym
z ruchem zintegrowanym
UMTS jest systemem ograniczonym szumowo, zatem
PJP (podstawowa jednostka pasma) może być wyrażone ułamkiem współczynnika obciążenia łącza. W systemach multi-rate przyjmuje się, że wartość PJP powinna być mniejsza lub równa największemu wspólnemu podzielnikowi zasobów żądanych przez poszczególne strumienie zgłoszeń [5] [6]. W przypadku interfejsu
radiowego WCDMA możemy napisać:
LPJP = NWP(L1 , L2 , . . . , LM ).
(3)
Pojemność systemu (interfejsu) możemy wyrazić
w liczbie określonych powyżej PJP:
V = bη/LPJP c ,
(4)
gdzie η jest pojemnością interfejsu radiowego dla łącza „w dół”. Podobnie możemy wyrazić liczbę PJP
wymaganą przez zgłoszenie danej klasy:
ti = dLi /LPJP e.
(5)
Na rysunku 2 przedstawiono sposób zamiany alokacji zasobów, wyrażonej w kbit/s, na alokację zasobów wyrażoną w PJP, zgodnie z definicją (5). Na
rysunku pokazano obsługiwane zgłoszenia dwóch klas
i ich odwzorowanie na obciążenie interfejsu radiowego,
wyrażone w PJP.
3. HSDPA
Technika HSDPA, zastosowana w systemie UMTS,
znacznie poprawia jakość transmisji na łączu „w dół”.
Poprawa jakości transmisji możliwa jest dzięki zwiększeniu szybkości transmisji oraz zmniejszeniu opóźnień. Teoretycznie, szybkość transmisji może osiągnąć
X
i
[kb / sek ]
Ri
ti
PJP
V PJP
X
k
[kb / sek ] Rk
Dostępna
przepływność
tk
PJP
Obciążenie
interfejsu w PJP
Rys. 2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym
z ruchem zintegrowanym
wartość nawet 14 Mb/s, czyli siedem razy więcej niż
w WCDMA. W systemach działających obecnie uzyskuje się szybkości około 2Mb/s.
HSDPA opiera swoje działanie na koncepcji
współdzielonego kanału transmisji (ang. fat-pipe).
HSDPA wprowadza do systemu UMTS dwa nowe
kanały:
- HS − DSCH - High Speed Downlink Shared
Channel - kanał transportowy współdzielony przez
wszystkich użytkowników komórki (sektora),
- HS − SCCH -High Speed Shared Control Channel
- kanał, który umożliwia urządzeniu użytkownika
określenie sekwencji, które identyfikują w kanale
HS − DSCH dane przesyłane do tego urządzenia.
Kanał HS − DSCH podzielony jest na ramki, których długość wynosi 2ms. W każdej ramce dostępnych
jest 16 sekwencji , z których 15 może posłużyć do identyfikacji danych użytkowników. Zatem w każdej ramce
dostępnych jest 15 równoległych kanałów do przesyłania danych. Kanały te mogą być przypisane jednemu
użytkownikowi lub rozdzielone pomiędzy użytkowników HSDPA. Określając szybkość transmisji danych
w systemie HSDPA należy pamiętać, że dane te są
przesyłane w komórce, w której realizowane są także połączenia rozmówne. A zatem szybkość transmisji
oferowana w systemie zależy od:
• obciążenia komórki, wynikającego z obsługi połączeń własnych (UMTS) komórki oraz oraz interferencji międzykomórkowych,
• liczby użytkowników korzystających z transmisji
danych z wykorzystaniem HSDPA.
Porównanie transmisji danych w systemie UMTS i
HSDPA przedstawiono na rysunku 3 [10]. W górnej
części rysunku została pokazana transmisja danych
użytkowników sieci UMTS. Z każdym użytkownikiem
skojarzony jest dedykowany kanał fizyczny DPDCH
(ang. Dedicated Physical Data Channel ), którym przesyłane są dane użytkownika. Ze względu na długość
ramki zmiany szybkości transmisji danych mogą następować co 10 ms. W dolej części rysunku 3 przedstawiono transmisje danych rozważanych użytkowni-
10 ms
B
UMTS
HSPDA
Wielodostęp z podziałem
kodowym
HSDPA
UMTS
Rys. 4. Podział przepływności systemie
UMTS-HSDPA
2 ms
Wielodostęp w czasie
Rys. 3. Transmisja danych w systemie UMTS i
UMTS-HSDPA
ków z wykorzystaniem transmisji HSDPA. Dzięki zastosowaniu we wspólnym kanale zwielokrotnienia kodowego i zwielokrotnienia w czasie uzyskano dużą jego
przepustowość. Zgodnie z prawem wiązki, kanał taki
może obsłużyć więcej zgłoszeń niż byłoby to możliwe
w systemie UMTS przy identycznych wartościach ruchu oferowanego. Dzięki czemu możliwa jest obsługa
kolejnego użytkownika. Zmiany szybkości transmisji
mogą następować co 2 ms. Należy jednak pamiętać, że
w obecnych implementacjach technologii HSDPA stanowi ona tylko rozszerzenie systemu UMTS. Większy
priorytet mają zgłoszenia realizowane przez UMTS i
każde takie zgłoszenie zmniejsza pojemność wspólnego
kanału. W skrajnym przypadku jego pojemność może
być równa zero.
W systemie HSDPA nie ma mechanizmu sterowania mocą sygnału. Aby dopasować transmisję do
warunków panujących w łączu radiowym zastosowano modulację adaptacyjną wykorzystującą modulacje
QPSK oraz 16QAM [11]. W systemie tym nie występuje również miękkie przenoszenie połączeń.
4. Średnia przepływność dostępna dla
użytkowników HSDPA
W sieci UMTS-HSDPA każda komórka obsługuje dwa
rodzaje zgłoszeń. Pierwszą grupę stanowią zgłoszenia
związane z realizacją usług obsługiwanymi przez system UMTS (tabela 2), drugą zgłoszenia korzystające z
transmisji HSDPA. W pierwszej kolejności realizowane są usługi UMTS. Do realizacji usług HSDPA wykorzystywane są zasoby łącza radiowego niewykorzystane przez zgłoszenia UMTS (rysunek 4). Każde nowe
zgłoszenie UMTS ogranicza pasmo dostępne dla usług
HSDPA. Może zatem dojść do sytuacji, w której pasmo dostępne dla usług HSDPA zostanie ograniczone
do zera.
Z punktu widzenia inżynierii ruchu, pojedyncza
komórka w systemie UMTS traktowana jest tak, jak
wiązka doskonała obsługującą ruch zintegrowany o pojemności określonej wzorem (4).
Aby wyznaczyć średnią przepływność (średnią liczbę PJP) oferowaną zgłoszeniom HSDPA, niezbędne
jest wyznaczenie rozkładu zajętości PJP przez zgłoszenia UMTS. Do tego celu wygodnie jest posłużyć
się rozkładem Kaufmana-Robertsa [7], [8]:
n [Pn ]V =
M
X
Ai ti [Pn−ti ]V ,
(6)
i=1
gdzie:
Ai - ruch oferowany przez zgłoszenia UMTS klasy i,
ti - liczba żądanych PJP przez zgłoszenia klasy i,
[Pn−ti ]V = 0, jeżeli n < ti , a wartość [P0 ]V wynika
z warunku normującego:
V
X
[Pn ]V = 1.
(7)
n=0
Dla każdego stanu zajętości wiązki wyznaczana jest na
podstawie rozkładu (6) średnia liczba obsługiwanych
zgłoszeń poszczególnych klas [9]:
yi (n) = Ai [Pn−ti ]V / [Pn ]V .
(8)
Dysponując średnią liczbą zgłoszeń każdej klasy
yi (n), można dla każdego stanu n wyznaczyć pasmo
(liczbę dostępnych PJP), które może być wykorzystane przez użytkowników HSDPA jako różnicę pomiędzy
całkowitą pojemnością komórki i liczbą zajętych PJP
przez zgłoszenia UMTS. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS jest równa:
"
#
V
M
X
X
Tx =
V −
yi (n)ti [Pn ]V .
(9)
n=0
i=1
Przepływność Tx może być dostępna tylko dla jednego użytkownika (wówczas osiągnie największą szybkość transmisji) lub może być podzielona pomiędzy
wielu użytkowników UMTS-HSDPA.
Na rysunkach 5 oraz 6 przedstawione zostały rezultaty obliczeń średniej wartości przepływności Tx
z uwzględnieniem klas zgłoszeń UMTS przedstawionych w tabeli 2, w zależności od ruchu oferowanego przez te klasy na jedną podstawową jednostkę pasma. Przedstawione wyniki na rysunku 5 otrzymano
przy założeniu, że system UMTS obsługuje trzy klasy zgłoszeń, żądających następujących przepływności:
rozmowa 12,2 kb/s, transmisja danych 64 kb/s oraz
144 kb/s. Na rysunku 6 przedstawiono rezultaty uzyskane dla przypadku, w którym obsługiwane są 4 klasy
zgłoszeń przedstawionych w tabeli 2. W obu przypadkach rozważano 100%, 80% i 50 % możliwe obciążenie komórki, natomiast ruch oferowany miał następującą strukturę: a1 t1 : a2 t2 : a3 t3 = 1 : 1 : 1 oraz
a1 : a2 : a3 : a4 = 1 : 1 : 1 : 1.
180
160
PJP
140
120
Literatura
100
80
[1] Korhonen J.
HSDPA
www.ttpcom.com, 2004.
60
40
20
a
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Rys. 5. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom
UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego:
—— 100% (V = 200 PJP), – – – 80% (V = 160
PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP))
-
An
Introduction.
[2] Laiho J., Wacker A., Novosad T. Radio Network Planning and Optimization for UMTS. John Wiley &
Sons, Ltd., 2006.
[3] Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. Radio Access For Third Generation Mobile Communications.
John Wiley & Sons, Ltd., 2000.
[4] Faruque S. Cellular Mobile Systems Engineering. Artech House, London, 1997.
[5] Roberts J., redaktor. Performance Evaluation and
Design of Multiservice Networks, Final Report COST
224. Commission of the European Communities,
Brussels, Holland, 1992.
180
160
Obecnie prowadzone są również badania nad możliwościami zwiększenia przepustowości systemu na łączu w górę (HSUPA). Dzięki tym technologiom sieci
oparte na systemie UMTS staną się sieciami w pełni
szerokopasmowymi.
Zaproponowana w artykule metoda wyznaczania
średniej przepustowości przeznaczonej do realizacji
usług w oparciu o HSDPA może zostać wykorzystana do analizy sieci telefonii 3,5G lub może być przydatnym narzędziem w trakcie projektowania tych sieci. Proponowana metoda opiera się na dobrze znanym
i sprawdzonym rozkładzie Kaufmana-Robertsa. Obliczenia prowadzone zgodnie z przedstawionymi w metodzie wzorami nie są skomplikowane, co jest niewątpliwie dużą zaletą z punktu widzenia inżynieraprojektanta sieci.
PJP
[6] Roberts J., Mocci V., Virtamo I., redaktorzy. Broadband Network Teletraffic, Final Report of Action
COST 242. Commission of the European Communities, Springer, Berlin, 1996.
140
120
100
80
[7] Kaufman J. Blocking in a shared resource environment. IEEE Transactions on Communications,
29(10):1474–1481, 1981.
60
40
20
a
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Rys. 6. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom
UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego:
—— 100% (V = 200 PJP), – – – 80% (V = 160
PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP))
5. Podsumowanie
Wprowadzana do systemu UMTS technologia transmisji danych HSDPA może nawet kilkukrotnie zwiększyć przepustowość systemu UMTS na łączu w dół.
[8] Roberts J. A service system with heterogeneous user
requirements — application to multi-service telecommunications systems. Pujolle G., redaktor, Proceedings of Performance of Data Communications Systems and their Applications, strony 423–431, Amsterdam, Holland, 1981. North Holland.
[9] M. Stasiak. Efektywna dostępność w zagadnieniach
modelowania pól komutacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2005.
[10] Nortel. HSDPA and beyond. www.nortel.com, 2005.
[11] Physical Layers of UTRA High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), Release 4. 3GPP TS 25.848
V5.2.0, 2001.