A contention/reservation access protocol for speech and data integration in TDMA-based advanced mobile systems

Transcript

1 A contention/reservation access protocol for speech and data integration in TDMA-based advanced mobile systems Παρουσίαση: Νικητάκης Αντώνης 1

2 Service Integration for Radio Access (SIR) To SIR εξελίχθηκε από το PRMA++ Πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης (multiple access protocol) Έχει το πλεονέκτηµα ότιπροσαρµόζεται στις απαιτήσεις για µετάδοση φωνής και εκρηκτικών δεδοµένων Οι απαιτήσεις για εξυπηρέτηση φωνής ικανοποιούνται µέσα από τους µηχανισµούς του PRMA++ 2

3 PRMA++ TDMA based πρωτόκολλο Τα slots για δέσµευση και µεταφορά δεδοµένων διαχωρίζονται σε κάθε πλαίσιο (frame) Τα πλαίσια uplink και downlink είναι συγχρονισµένα Τα πλαίσια αποτελούνται από: R-slots : δηµιουργία σύνδεσης, διαδικασία µεταβίβασης, δέσµευση bandwidth I-Slots: µετάδοση πακέτων πληροφορίας χωρίς συγκρούσεις FP-slots (Fast Paging): ενηµερώνουν τα κινητά ποιο downlink η uplink κανάλι πρέπει να ακούσουν µετά τη δέσµευση των Ι-slots. A-slots: η κατάσταση ανταγωνισµού για τα R-slots παρέχεται µέσω των Ack-slots στο κανάλι downlink Η διαδικασία ανταγωνισµού (contention) περιορίζεται µόνο στην αίτηση για bandwidth (reservation process) 3

4 PRMA++ Frame Format Γιαναδεσµευθούν I-slots το κινητό τερµατικό πρέπει να µεταδώσει αίτηση (request) στον σταθµό βάσηςµέσω διαθέσιµων R-slots Αν υπάρξει σύγκρουση τότε γίνεται επανεκποµπή στο επόµενο διαθέσιµο R-slot µε πιθανότητα ρ (permission probability) 4

5 PRMA++ και σταθερότητα Παράµετροι λειτουργίας πρωτοκόλλου Slots per frame 72 Αυξάνοντας τον αριθµό τωνr-slots ο µέγιστος αριθµός χρηστών που µπορεί το σύστηµα ναλειτουργήσειµε σταθερότητα αυξάνει Η σταθερότητα δεν εξασφαλίζει απαραίτητα και την αποδοτική λειτουργία του συστήµατος R-slots I-slots FP-Ack slots Talkspurt mean length Silence mean length Packet dropping delay threshold Permission probability Carrier bitrate s 1.35 s 10 ms Mbit/s 5

6 SIR access protocol [1/2] Υιοθετεί τη µορφή του frame του PRMA++ Εισάγει περαιτέρω διαχωρισµό τωνslots στο κανάλι uplink (Voice,Data Slots) SIR phase Connection set-up Bandwidth request notification Speech VR-slots, access contention VR-slots, access Data VR-slots, access contention DR-slots, contention free contention (Round Robin) Transmission VI-slots, Dedicated DIslots, if any, plus unused VI-slots, contention free (contention free) (Round Robin) 6

7 SIR access protocol [2/2] Τα δεδοµένα µπορούν να χρησιµοποιήσουν VI-slots που στιγµιαία δεν χρησιµοποιήθηκαν από φωνή. Τα κινητά τερµατικά ενηµερώνονται για τα Voice-slots που µένουν διαθέσιµα γιαχρήσηdata µέσω του slot AP στο κανάλι downlink VR-slots : πρόσβαση µε διαδικασία ανταγωνισµού (access contention) χρησιµοποιούνται επίσης για δηµιουργία σύνδεσης (connection set up) τόσο για data όσο και για speech DR-slots : πρόσβαση µε διαδικασία Round Robin DI,VI-slots: πρόσβαση χωρίς διαδικασία ανταγωνισµού 7

8 Τύποι Συνδέσεων στο SIR Open Connection ηµιουργία σύνδεσης µεταξύ τερµατικού και βάσης για την ανταλλαγή δεδοµένων του χρήστη Active Connection Ηπερίοδοςπουµία σύνδεση µεταδίδει δεδοµένα NAC = Number Of Active Data Connections Q = NAC, Q τοπική µεταβλητή που διατηρείται σε κάθε κινητό τερµατικό NOC = Number Of Open Data Connections 8

9 έσµευση του Bandwidth εδοµένων Εξετάζεται µόνο η περίπτωση µεταφοράς data από το χρήστη προς τον base station Παραδοχή: για την απλοποίηση της περιγραφής υποτίθεται ότι κάθε κινητό τερµατικό µεταδίδει ή µόνο δεδοµένα ή µόνο φωνή Τα δεδοµένα του χρήστη χωρίζονται σε πακέτα µεγέθους 1-slot και µπαίνουνστηνουράl_q(i), i: κινητό τερµατικό Η ουρά αδειάζει όταν προγραµµατιστεί η µετάδοση των δεδοµένων, µετά από έγκριση του base station Η διαδικασία της έγκρισης για µετάδοση περιγράφεται από τον Request Algorithm 9

10 Request Algorithm [1/2] Request Algorithm: Τα DR-slots προσφέρονται κυκλικά σε κάθε ανοικτή σύνδεση δεδοµένων (NOC) για τη δέσµευση bandwidth Κάθε κινητό τερµατικό i διατηρεί έναν µετρητή DR_POS(i) ο οποίος αρχικοποιείται µε τοναριθµό των ανοικτών συνδέσεων (= NOC) από τον base station Ο µετρητής µειώνεται κατά ένα κάθε φορά που το τερµατικό i παρατηρεί ένα DR-Slot Όταν ο DR_POS(i) =1 το τερµατικό µεταδίδει στο επόµενο DR-Slot 10

11 Request Algorithm [2/2] Key parameters for SIR operation NOC NAC Q R_BKG T_BKG DR_POS T_POS Number of open connections Number of active connections Number of active connections, i.e., with at least one packet in the transmission buffer Number of packets in the request buffer Number of packets in the transmission buffer Counter for controlling transmission of requests for data bandwidth on DRslots Counter for controlling transmission of data packets on reserved bandwidth, DI-or VI-slots 11

12 Transmission Algorithm [1/2] Transmission Algorithm: Εξασφαλίζει τη δέσµευση του διαθέσιµου bandwidth για την εξυπηρέτηση των αιτήσεων που συλλέχθηκαν κατά την request process Key parameters for SIR operation Q R_BKG T_BKG T_POS Number of active connections, i.e., with at least one packet in the transmission buffer Number of packets in the request buffer Number of packets in the transmission buffer Counter for controlling transmission of data packets on reserved bandwidth, DI-or VI-slots 12

13 Transmission Algorithm [2/2] Ηδέσµευση DΙ & VI-slots για τη µετάδοση δεδοµένων γίνεται µε ένανµηανταγωνιστικό τρόπο Κάθε τερµατικό διατηρεί µια τοπική µεταβλητή Q(i)=NAC που καθορίζει το ρυθµό επανάληψηςτηςµετάδοσης πακέτων στο κανάλι (Round Robin) 13

14 Παραλλαγές για την εξυπηρέτηση διαφορετικών ειδών κίνησης Προτεραιότητα στον έλεγχο επιβεβαίωσης αιτήσεων (Priority base request acknowledgement control) O base station µπορεί να καθυστερήσει την έγκριση αιτήσεων για µετάδοση προκειµένου να διατηρηθεί χαµηλά ο NAC και κατά συνέπεια ο κύκλος επανάληψης της µετάδοσης Υβριδική δέσµευση slots: εφαρµογές data ή video µε ιδιαίτερες απαιτήσεις σε bandwidth 14

15 Μέτρηση Απόδοσης reservation delay: ο χρόνος που διανύεται από τη στιγµή που ένα πλήρες µήνυµα είναι διαθέσιµο στην πηγή προς µετάδοση µέχρι την επιβεβαίωση της αίτησης για bandwidth (Ack) για τη µετάδοση του µηνύµατος αυτού queuing delay: ο χρόνος που διανύεται από την έγκριση για bandwidth µέχρι την εκκίνηση της µετάδοσης του πρώτου πακέτου του µηνύµατος. transmission delay: ο χρόνος που διανύεται από την έναρξη της µετάδοσης του πρώτου πακέτου ενός µηνύµατος µέχρι την ολοκλήρωση της µετάδοσης του τελευταίου πακέτου του ίδιου µηνύµατος 15

16 16

17 Μεθοδολογία Ανάλυσης Απόδοσης [1/2] Συνολικά 4 sets παραµέτρων (basic, Α, Β, C) δηµιουργούν τα σενάρια προς εξέταση Όλατασενάρια εξετάστηκαν για 150 sec συµπεριλαµβανοµένου 30 sec warm up Pareto Distribution: P{ T a k t} = 1, k, a 0, t t k Ο µέσος ρυθµός άφιξης µηνύµατος ανά σύνδεση ήταν 17 0,8 µηνύµατα/ sec

18 Μεθοδολογία Ανάλυσης Απόδοσης [2/2] Μέγιστος αριθµός επιτρεπτών συνδέσεων φωνής και µέσος αριθµός µηχρησιµοποιούµενων VI-slots ως συνάρτηση του N_D. N_D Max # πηγών φωνής E {free VIslots} Pdrop vs Speech connections (για διάφορες τιµές data slots) Η απόδοση του SIR δοκιµάστηκε για διάφορες τιµές N_D Επιλέχθηκε η τιµή N_D=8 για την ανάλυσης της απόδοσης στο basic set 18

19 Basic Set Transport Delay Αριστερά φαίνεται ότι για µικρό αριθµό data connections η αύξησηn_dr έναντι του N_DI βελτιώνει την καθυστέρηση µεταφοράς (transport delay) εξιά φαίνεται η ύπαρξη µίας ιδανικής αναλογίας N_DR / N_DI για κάθε αριθµό data connections (3,5) 19

20 Basic Set ηεξάρτησητωνεπιµέρους καθυστερήσεων 20

21 Συµπεράσµατα από τη µελέτη του Basic Set Reservation, queuing + transmission delay παρουσιάζουν αντίθετες µεταβολές σε συνάρτηση µε την αναλογία: N_DR / N_DI για δεδοµένο αριθµό συνδέσεων Υπάρχει µία ιδανική τιµή N_DR ηοποία ελαχιστοποιεί την transport delay Η transport delay εξαρτάται από τον αριθµό των συνδέσεων δεδοµένων και η βελτιστοποίησή της επιτυγχάνεται από την κατάλληλη επιλογή του N_DR αναλόγως την περίπτωση 21

22 Μελέτη του Set A [1/2] Σκοπός: Η επίδραση της κατανοµής άφιξης των µηνυµάτων στην καθυστέρηση µεταφοράς και τα συστατικά αυτής Λαµβάνονται υπόψη οι κατανοµές, Poisson και MMPP1/ MMPP2 Κατά τη µελέτη εξετάζονται οι διάφορες καθυστερήσεις σε συνάρτηση µε τις συνδέσεις δεδοµένων (NOC) για κάποιο βέλτιστο συνδυασµό N_DR / N_DI 22

23 Οι κατανοµές MMPP 1,2 Arrival Process parameter s σ1 [s 1] σ2 [s 1] λ1 [msg/s] λ2 [msg/s] MMPP MMPP Η MMPP2 παρουσιάζει µεγαλύτερη εκρηκτικότητα (burstiness) απ ότι η MMPP1 23

24 Μελέτη του Set A [2/2] 24

25 Συµπεράσµατα από τη µελέτη του Set A Όλες οι εξεταζόµενες κατανοµές παρουσιάζουν παρόµοια συµπεριφορά στην transport delay σε συνάρτηση µετοναριθµότωνανοικτών συνδέσεων (NOC) H queuing delay µειώνεται καθώς η εκρηκτικότητα µειώνεται (poisson, telnet) Γιατί: Η άφιξη των µηνυµάτων κατανέµεται οµοιόµορφα στα DR-slots Η transmission delay µειώνεται καθώς η εκρηκτικότητα αυξάνεται (MMP2) 25

26 Μελέτη Set B Σκοπός: Ηεπιρροήτουbandwidth που αφιερώνεται στα δεδοµένα στην transport delay Μεθοδολογία: ιατηρούµε τη βέλτιστη αναλογία N_DR / N_DI µεταβάλλοντας το άθροισµα: N_DR + N_DI Μέτρηση καθυστερήσεων 26

27 Set B Απότηστιγµή πουοικαµπύλες δεν τέµνονται συµπεραίνουµε ότι όταν το σύστηµα βελτιστοποιηθεί για συγκεκριµένο N_DR / N_DI τότε µεγαλύτερη απόδοση επιτυγχάνεται µόνο µε την αύξηση του bandwidth που δεσµεύεται για την εξυπηρέτηση data 27

28 Μελέτη Set C [1/2] Σκοπός: Πώς το µέγεθος του µηνύµατος επηρεάζει την απόδοση του SIR Μεθοδολογία: ιατηρείται σταθερός ο αριθµός των ανοικτών συνδέσεων (NOC=100) Οαριθµός των πακέτων ανά µήνυµα µεταβάλλεται από 3-24 µε βήµατα του 3 Στο basic set ο ταπακέταανάµήνυµα ήταν 6 Μέτρηση καθυστερήσεων για διάφορες αναλογίες N_DR / N_DI 28

29 Μελέτη του Set C [2/2] -Η reservation delay εξαρτάται από τον αριθµό των ανοικτών συνδέσεων και όχι από το traffic που εµπλέκεται -Από τη στιγµή που το χρονικό διάστηµα µεταξύ δύο διαδοχικών DR-slots είναι σταθερό, η reservation delay του µηνύµατος (= 3 έως 24 πακέτα) είναι σταθερή -Εποµένως η reservation delay ανά πακέτο µειώνεται µε καµπύλη υπερβολής καθώς ο αριθµός των πακέτων ανά µήνυµα αυξάνει -Οι καθυστερήσεις queuing και transmission αυξάνονται καθώς το προσφερόµενο φορτίο αυξάνει. 29

30 Συµπεράσµατα για το Set C Σε χαµηλά φορτία η καθυστέρηση µεταφοράς (transport) µειώνεται απότηστιγµή πουη καθυστέρηση reservation επικρατεί έναντι των queuing και transmission Σε υψηλά φορτία η καθυστέρηση µεταφοράς (transport) αυξάνεται απότηστιγµή πουοι καθυστερήσεις queuing και transmission επικρατούν έναντι της reservation. 30

31 Συµπεράσµατα για το SIR Το SIR βασίστηκε στο πρωτόκολλο PRMA++ δίνοντας έµφαση στη µετάδοση δεδοµένων To SIR προσπαθεί να επιτύχει υψηλή απόδοση στη µετάδοση φωνής και δεδοµένων (κυρίως εκρηκτικών) κάτω από διάφορα σενάρια λειτουργίας Τα σενάρια λειτουργίας στα οποία δοκιµάστηκε το SIR προκύπτουν από πραγµατικές συνθήκες κίνησης και διασφαλίζουν τη σταθερή λειτουργία του αλγορίθµου κάτω από αυτές τις συνθήκες 31

32 Ευχαριστώ για την Προσοχή Σας! 32