«Επιλογή τύπου καναλιού πολυεκποµπής σε δίκτυα UMTS»

Transcript

1 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ιπλωµατική Εργασία Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης «Επιλογή τύπου καναλιού πολυεκποµπής σε δίκτυα UMTS» Ευτυχία Γκιάτη Επιβλέπων: Γεώργιος Ξυλωµένος ΑΘΗΝΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2005

2 2

3 Περίληψη Σκοπός αυτού του πονήµατος είναι η µελέτη, ανάλυση και σύγκριση των καναλιών πολυεκποµπής στο ασύρµατο δίκτυο πρόσβασης του δικτύου τρίτης γενιάς UMTS, καθώς και η επιλογή της αποτελεσµατικότερης µετάδοσης, όσον αφορά την εξοικονόµηση πόρων στο ραδιοδίαυλο. Αρχικά δίνετε µια σύντοµη περιγραφή του δικτύου UMTS και αναλύεται το θέµα της ισχύος που συνδέεται µε την µέθοδο πρόσβασης W-CDMA. Στη συνέχεια, µελετώνται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των δύο βασικών καναλιών µετάδοσης πολυεκποµπής, του καναλιού µονοεκποµπής DCH και του καναλιού πανεκποµπής FACH. Επιπλέον, αφού διαµορφώθηκε ένα κατάλληλο περιβάλλον προσοµοίωσης, πραγµατοποιήθηκε µιας σειράς πειραµάτων µε στόχο την εκτίµηση των καναλιών ανάλογα µε τη µέση ισχύ που δεσµεύεται για το κάθε ένα Απώτερος στόχος της παραπάνω ανάλυσης είναι ο εντοπισµός των σηµείων στα οποία µειονεκτεί κάθε κανάλι και η εύρεση µιας συνδυαστικής λύσης για την αποδοτικότερη αξιοποίηση των πόρων στο ασύρµατο τµήµα του δικτύου. 3

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΗΡΙΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ Ολοκληρώνοντας την εκπόνηση της διπλωµατικής µου εργασίας και τις µεταπτυχιακές µου σπουδές στο Οικονοµικό Πανεπιστήµιο Αθηνών στο πρόγραµµα µεταπτυχιακών σπουδών στην Επιστήµη Των Υπολογιστών, αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω όλους εκείνους που υπήρξαν αρωγοί αυτής της προσπάθειας. Ιδιαίτερα, θα ήθελα να εκφράσω τις θερµές µου ευχαριστίες στον επιβλέποντα της εργασίας µου καθηγητή κ. Γεώργιο Ξυλωµένο όχι µόνο για τη συνεχή επίβλεψη της παρούσας εργασίας αλλά και για την πολύτιµη καθοδήγησή του, τις ουσιαστικές του επισηµάνσεις και τη διαρκή ενθάρρυνση που µου ενέπνευσε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Γεώργιο Πολύζο που αποδέχτηκε το ρόλο του δεύτερου αξιολογητή και µου παραχώρησε το δικαίωµα της χρήσης των πόρων του εργαστηρίου Ασυρµάτων ικτύων και Πολυµεσικών Τηλεπικοινωνιών για πραγµατοποίηση της εργασίας µου. Τέλος, θα ήταν παράλειψη να µην ευχαριστήσω τον φίλο και συνάδελφο Κώστα Γιολδάση για τις ουσιαστικές συζητήσεις που κάναµε πάνω στα θέµατα των εργασιών µας, την οικογένειά µου που µου παρείχε την απαραίτητη ψυχολογική και υλική στήριξη και τον σύντροφο µου Κώστα που µου συµπαραστέκεται τα τελευταία τρία χρόνια Αθήνα, Ιούνιος 2005 Ευτυχία Γκιάτη 4

5 Περιεχόµενα 1 Εισαγωγή Περίγραµµα Εργασίας Το δίκτυο UMTS Γενική Περιγραφή To ίκτυο Κορµού (CN) Το ίκτυο Ασύρµατης Πρόσβασης (Radio Access Network - RAN) Σύστηµα W-CDMA Multimedia Broadcast / Multicast Service - MBMS Υπηρεσίες πανεκποµπής (broadcast) / πολυεκποµπής (multicast) Αρχιτεκτονική του MBMS Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) στο ίκτυο UMTS Μετάδοση εδοµένων στο RAN - Στόχοι της Παρούσης Μελέτης Τα Κανάλια Μεταφοράς στο UTRAN Έλεγχος Ισχύος (Power Control) στο UTRAN Μέθοδοι Μετάδοσης εδοµένων στο UTRAN Μετάδοση πολυεκποµπής (Multicast) Μετάδοση µονοεκποµπής (Unicast) Σκοπός της Παρούσης Μελέτης ΟpNet Modeler Εισαγωγή Μοντέλα εφαρµογών Γενική Περιγραφή του Μοντέλου UMTS στο OpNet Χαρακτηριστικά του Μοντέλου και Περιορισµοί ιαθέσιµοι Κόµβοι Αρχιτεκτονική του Μοντέλου Αρχιτεκτονική του UE Αρχιτεκτονική του Node-B Αρχιτεκτονική RNC Προσοµοίωση Προδιαγραφές Σεναρίων Προσοµοίωσης οµή του µοντέλου δικτύου UMTS Περιβάλλον προσοµοίωσης Μοντέλο κίνησης Μοντέλο και χαρακτηριστικά εφαρµογής Παρατηρήσεις και Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης Χωρητικότητα κελιού Στατιστικά στοιχεία του OpNet σχετικά µε την ισχύ Κίνητρα για την επιλογή των νέων στατιστικών Προσθήκη νέων στατιστικών Αποτελέσµατα προσοµοίωσης για τα κανάλια DCHs Αποτελέσµατα προσοµοίωσης για το κανάλι FACH Σύγκριση αποτελεσµάτων και επιλογή τύπου καναλιού µετάδοσης Συµπεράσµατα Μελλοντική Εργασία...52 Βιβλιογραφία...53 Ευρετήριο Ακρωνύµων

6 Ευρετήριο Σχηµάτων Σχήµα 1: οµικά στοιχεία ενός δικτύου UMTS...10 Σχήµα 2: Αρχιτεκτονική δικτύου κορµού (CN)...11 Σχήµα 3: Αρχιτεκτονική του RAN...13 Σχήµα 4: Πολυεκποµπή (multicasting) παρουσία του MBMS...15 Σχήµα 5: Αρχιτεκτονική του MBMS...16 Σχήµα 6: Απεικόνιση καναλιών στο UTRAN...18 Σχήµα 7: Η µέθοδος πολυεκποµπής (multicast) στο RAN...21 Σχήµα 8: Η µέθοδος µονοεκποµπής (unicast) στο RAN...21 Σχήµα 9: Ιεραρχία µοντέλων στο OpNet...25 Σχήµα 10: Κόµβοι δικτύου για την δηµιουργία µιας Custom εφαρµογής...26 Σχήµα 11: Αρχιτεκτονική ενός απλού δικτύου UMTS στο OpNet...27 Σχήµα 12: Αρχιτεκτονική του µοντέλου «umts_wkstn_adv»...29 Σχήµα 13: Αρχιτεκτονική του µοντέλου «umts_node_b_adv»...30 Σχήµα 14: To δίκτυο UMTS που µοντελοποιήθηκε...34 Σχήµα 15: Κόµβοι δικτύου για την µοντελοποίηση της κίνησης των UEs...35 Σχήµα 16: Χαρακτηριστικά στοιχεία του κόµβου RNC...37 Σχήµα 17: Γραφική παράσταση στατιστικού "Transmitted Carrier Power" για ένα χρήστη...39 Σχήµα 18: Γραφική παράσταση στατιστικού "Transmitted packets (bits)" για το σενάριο 5 χρηστών...42 Σχήµα 19: Γραφική παράσταση στατιστικού "QoS of transmission channel" για το σενάριο 5 χρηστών...42 Σχήµα 20: Γραφική παράσταση στατιστικού "Channel of transmitted Packet" για το σενάριο 5 χρηστών...43 Σχήµα 21: Γραφική παράσταση στατιστικού "Power of transmission channel (W)" για το σενάριο 5 χρηστών...44 Σχήµα 22: Γραφική Παράσταση ρυθµών µετάδοσης πακέτων από τον Server και παραλαβής από τον UE_ Σχήµα 23: Γραφική παράσταση στατιστικού "Power of transmission channel (W)" για το σενάριο ενός χρήστη σε κατάσταση CELL_FACH...47 Σχήµα 24: Μέση ισχύ µετάδοσης µονοεκποµπής (unicast) και πανεκποµπής (broadcast)

7 Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 1: Απώλειες πακέτων επιπέδου εφαρµογής στο CN

8 1 Εισαγωγή Η υλοποίηση µοντέλων πολυεκποµπής (multicast) στο Internet όπως το ΙP multicast είναι ιδιαίτερα δηµοφιλής. Οι χρήστες που επιθυµούν την ίδια υπηρεσία πολυεκποµπής (multicast) ανήκουν σε µια οµάδα (group) η οποία προσδιορίζεται από µια διεύθυνση τάξηs D (group address). Mε τη χρήση του πρωτοκόλλου IGMP (Internet Group Management Protocol), τα µέλη δηλώνουν συµµετοχή ή αποχωρούν σε και από κάποια οµάδα αντίστοιχα. Σε κάθε οµάδα αποστέλλονται πακέτα δεδοµένων πρωτοκόλλου δικτύου (IP πακέτα) και παραδίδονται σε όλα τα µέλη της ενώ ο αποστολέας για την µετάδοση των δεδοµένων δεν χρειάζεται να γνωρίζει τα µέλη παρά µόνο την διεύθυνση της οµάδας [1]. Η αξιοποίηση των κοινών συνδέσµων µεταξύ των παραληπτών και οι ελεγχόµενες µεταδόσεις δεδοµένων έχουν σαν αποτέλεσµα την εξοικονόµηση του εύρου ζώνης των συνδέσµων και την µείωση στην κατανάλωση των πόρων στους εξυπηρετητές (servers). Αντίστοιχα µε τα ενσύρµατα δίκτυα, στα ασύρµατα κυψελωτά δίκτυα, η εφαρµογή της πολυεκποµπής (multicasting) έχει σαν στόχο την αποτελεσµατική αξιοποίηση του εύρους ζώνης των ενσύρµατων τµηµάτων του δικτύου και των πόρων των ασύρµατων τµηµάτων του, των ραδιοδιαύλων, όταν δύο ή περισσότεροι χρήστες σε ένα κελί επιθυµούν την ίδια πληροφορία. Οι διαθέσιµοι πόροι του ραδιοδιαύλου είναι περιορισµένοι και κοινοί για όλους τους χρήστες που βρίσκονται κάθε στιγµή εντός των ορίων ενός κελιού. Παρόλο αυτά, λόγω της φύσης του µέσου, η χρήση ενός κοινού ραδιοκαναλιού (radio link) για την µετάδοση δεδοµένων σε ένα σύνολο χρηστών δεν είναι κάθε φορά η αποτελεσµατικότερη λύση, από πλευράς αποδοτικότερης χρήσης των πόρων [2]. Υπάρχουν δύο διαφορετικές µέθοδοι υλοποίησης πολυεκποµπής (multicast) στο ασύρµατο µέσο. Στην µια µέθοδο γίνεται χρήση «αφιερωµένων» (dedicated) πόρων. Εφαρµόζεται η µέθοδος µετάδοσης από σηµείο-σε-σηµείο (point-to-point PTP) χρησιµοποιώντας κανάλια µονοεκποµπής (unicast). Εναλλακτικά, στην δεύτερη τεχνική πραγµατοποιείται µετάδοση από-σηµείο-σε-πολλαπλά-σηµεία (point-tomultipoint PTM) µε τη χρήση κοινών πόρων και καναλιού πανεκποµπής (broadcast) [3]. Η συνολική ισχύς µετάδοσης δεδοµένων από την κεραία προς τους χρήστες, είναι περιορισµένος πόρος. Στο σύστηµα W-CDMA, που εφαρµόζεται στα δίκτυα τρίτης 8

9 γενιάς UMTS, οι µεταδόσεις κάθε χρήστη αποτελούν θόρυβο για τους υπόλοιπους οπότε χρησιµοποιείται ο έλεγχος ισχύος (Power Control) για την ελαχιστοποίηση της ισχύος, ανάλογα µε την απόσταση του χρήστη από την κεραία. Στο κανάλι πανεκποµπής (broadcast), σε αντίθεση µε το κανάλι µονοεκποµπής (unicast), δεν είναι εφικτός ο έλεγχος και οι µεταδόσεις γίνεται πάντα µε την µέγιστη ισχύ ώστε να καλύπτεται ολόκληρο το κελί. Συνεπώς, η χρήση ενός PTM ραδιοκαναλιού (radio link) για την µετάδοση δεδοµένων σε πολλούς χρήστες απαιτεί περισσότερη ισχύ από αυτή που απαιτεί για την µετάδοση δεδοµένων σε έναν χρήστη µε χρήση PTP. Το πλήθος των χρηστών σε µια οµάδα πολυεκποµπής (multicast) ή το είδος των δεδοµένων προς µετάδοση (π.χ. υψηλού εύρους ζώνης) παίζουν καθοριστικό ρόλο στην αποτελεσµατικότητα της δηµιουργίας κοινών καναλιών πάνω στον ραδιοδίαυλο. Σκοπός της παρούσης µελέτης είναι η σύγκριση και αξιολόγηση των δύο µεθόδων µετάδοσης στο ραδιοδίαυλο, χρησιµοποιώντας το εργαλείο προσοµοίωσης «OpNet Modeler» και το πιο δηµοφιλές ασύρµατο κυψελωτό δίκτυο τρίτης γενιάς (3G) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), και ανεύρεση του σηµείου εκείνου στο οποίο θα πρέπει να γίνεται µετάβαση από κανάλια PTP σε κανάλι PTM και αντίστροφα. 1.1 Περίγραµµα Εργασίας Στο κεφάλαιο 2 δίνεται µια συνολική συνοπτική περιγραφή του δικτύου UMTS και περιγραφές του δικτύου κορµού και του ασύρµατου τµήµατος του, απαραίτητες για την διεξαγωγή της υπόλοιπης µελέτης. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται λεπτοµερώς οι µέθοδοι και τα κανάλια µετάδοσης δεδοµένων στο ασύρµατο τµήµα του δικτύου, τα προβλήµατα που αντιµετωπίζονται και ο σκοπός της συγκεκριµένη εργασία. Στο κεφάλαιο 4 παραθέτεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής δοµής και των βασικών χαρακτηριστικών του προσοµοιωτή «OpNet Modeler» αναφορικά µε την µοντελοποίηση ενός δικτύου UMTS. Στο κεφάλαιο 5 αναλύονται τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από την προσοµοίωση ενός δικτύου UMTS και την εφαρµογή των δυο εναλλακτικών τρόπων µετάδοσης δεδοµένων. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 αναφέρονται τα γενικά συµπεράσµατα που προέκυψαν από την συνολική µελέτη που έγινε και ποιες βελτιώσεις θα µπορούσαν να γίνουν. 9

10 2 Το δίκτυο UMTS 2.1 Γενική Περιγραφή Η χαρακτηριστική ονοµασία UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) αναφέρεται στο σύστηµα του ασύρµατου κυψελωτού δικτύου τρίτης γενιάς (3G) που σχεδιάζει η οµάδα κατασκευαστών και παρόχων του 3G Partnership Project (3GPP). Πρόκειται για το πιο πολυσυζητηµένο και δηµοφιλές δίκτυο τρίτης γενιάς το οποίο βασίζεται στο σχήµα πολλαπλής πρόσβασης µε διαίρεση κώδικα σε ευρεία ζώνη (Wideband Code Division Multiple Access - W-CDMA) για το ασύρµατο τµήµα του δικτύου και στο πρότυπο GSM (Global System for Mobile Communications) και GPRS (General Packet Radio Service) για το δίκτυο κορµού. Αναµένεται να υποστηρίξει χαµηλού κόστους, υψηλής χωρητικότητας κινητές επικοινωνίες µε ρυθµό µετάδοσης µέχρι και 2Μbps. Ένα δίκτυο UMTS χωρίζεται σε δυο βασικά µέρη, το δίκιο ασύρµατης πρόσβασης ( Radio Access Network - RAN) και το δίκτυο κορµού (Core Network - CN). To RAN αποτελείται από εκείνα τα δοµικά στοιχεία, απαραίτητα για την ραδιοπρόσβαση των χρηστών στο UMTS. Για το RAN υπάρχουν δύο επιλογές: το GSM EDGE RAN (GERAN) και το Universal Terrestrial RAN (UTRAN) στο οποίο υιοθετείται το σχήµα W-CDMA. Το CN είναι το κύριο τµήµα του δικτύου που υποστηρίζει την παροχή όλων των υπηρεσιών UMTS στους χρήστες. Το CN διαιρείται λογικά στo δίκτυο GSM µεταγωγής κυκλώµατος και τo δίκτυο GPRS µεταγωγής πακέτου (βλ. Σχήµα 1) [4]. Όπως φαίνεται και από το σχήµα οι παραπάνω διαχωρισµοί που γίνονται σε ένα δίκτυο UMTS επιτρέπουν διαφορετικής τεχνολογίας δοµικά στοιχεία RAN και CN να συνυπάρχουν και να συνεργάζονται. Το User Equipment (UE) αντιπροσωπεύει τους χρήστες και συνδέεται µε το δίκτυο µέσω του RAN. Σχήµα 1: οµικά στοιχεία ενός δικτύου UMTS 10

11 Αρχικά, οι προδιαγραφές των δικτύων UMTS εκδίδονταν κάθε χρόνο και έπαιρναν την ανάλογη ονοµασία π.χ. Release 96, Release 97 κ.τ.λ. Μετά το Release 99, το Release 2000 διαχωρίστηκε σε Release 4 και Release 5. Το µεν πρώτο εισήγαγε µετατροπές στο CN και περισσότερες επιλογές ασύρµατης πρόσβασης, το µεν δεύτερο επέτρεπε το πρωτόκολλο δικτύου (Internet Protocol ΙP) να χρησιµοποιείται στο RAN για την µεταφορά δεδοµένων και ήχου. Μέχρι το πέρας της συγγραφής αυτού του κειµένου βρισκόταν υπό διαµόρφωση το Release 6 [4][5]. 2.2 To ίκτυο Κορµού (CN) Oι κύριες λειτουργίες του CN είναι η διαχείριση των χρηστών στο δίκτυο όπως η αυθεντικοποίηση τους, η διαχείριση τοποθεσίας (location management) και ο έλεγχος της κίνησης δεδοµένων. Όπως προαναφέρθηκε αποτελείται από δύο λογικά τµήµατα, αυτό της µεταγωγής κυκλώµατος (Circuit Switched CS) και εκείνο της µεταγωγής πακέτου (Packet Switched PS). Το CS αποτελεί εξέλιξη του GSM κατάλληλο µόνο για υπηρεσίες φωνής. εν θα επεκταθούµε περαιτέρω σε αυτό το τµήµα. Το PS αποτελεί εξέλιξη του GPRS και σε αντίθεση µε το CS παρέχει και υπηρεσίες φωνής και δεδοµένων. Παρόλο που το GPRS σχεδιάστηκε για την αποτελεσµατική µετάδοση πακέτων όλων των τύπων, το UMTS υποστηρίζει µόνο τα πακέτα πρωτοκόλλου IP. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του CS. Σχήµα 2: Αρχιτεκτονική δικτύου κορµού (CN) Στο PS, όλες οι κλήσεις διαχειρίζονται από δυο GPRS Support Nodes (GSN): από τον Gateway GSN (GGSN) που βρίσκεται στο δίκτυο κατοικίας (home network) του 11

12 χρήστη και από τον Serving GSN (SGSN) που βρίσκεται στο δίκτυο που κάθε φορά επισκέπτεται ο χρήστης. Ο GGSN λειτουργεί ως IP δροµολογητής προς και από το CN, παρέχοντας την απαραίτητη διαλειτουργικότητα µε τα εξωτερικά δίκτυα πακέτων δεδοµένων. Ο SGSN εκτελεί λειτουργίες ασφάλειας και έλεγχου πρόσβασης και παρακολουθεί της µετακινήσεις του χρήστη µέσα στο δίκτυο. O HSS (Home Subscriber Server) παρέχει όλες τις σχετικές πληροφορίες για τους χρήστες όπως τα προνόµια τους και πληροφορίες αυθεντικοποίησης [4][6]. Λόγω της κυριαρχικής παρουσίας του IP στο UMTS παραθέτεται συνοπτικά η διαδικασία την δηµιουργίας ΙP συνδεσιµότητας (ΙP connectivity) για κάθε UE. Αρχικά, µέσω της διαδικασία GPRS attach ο χρήστης αυθεντικοποιείται από το HSS και ο τοπικός SGSN δηµιουργεί ένα πλαίσιο διαχείρισης της κινητικότητας του (mobility management context) αποκλειστικό για αυτόν. Κατόπιν, για να µπορεί ο UE να επικοινωνεί και να ανταλλάζει ΙP πακέτα µε το δίκτυο UMTS, δηµιουργείται ένα πλαίσιο πρωτοκόλλου πακέτο δεδοµένων (Packet Data Protocol context PDP context) στο GGSN του δικτύου κατοικίας του. Το PDP περιέχει την ΙP διεύθυνση που ανατίθεται στον χρήστη και στοιχεία όπως την ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service - QoS), ασφάλειας και άλλες απαιτήσεις και προωθείται στον SGSN και στον UE [4][5]. 2.3 Το ίκτυο Ασύρµατης Πρόσβασης (Radio Access Network - RAN) Η παροχή διασύνδεσης µεταξύ των χρηστών και του δικτύου κορµού είναι η βασική λειτουργία του RAN. H πρώτη επιλογή που υποστηρίζει τo UMTS για το RAN είναι το GERAN. Πρόκειται για εξέλιξη του GSM ασύρµατου δικτύου µε ταυτόχρονη υποστήριξη του GPRS. Παρόλο που το GERAN είναι σε θέση να υποστηρίξει πολλές από τις υπηρεσίες των UMTS δικτύων, η συµβατότητα του µε το GSM το περιορίζει σηµαντικά µε αποτέλεσµα να είναι απαραίτητη η παρουσία διαφορετικής τεχνολογία για υπηρεσίες µε υψηλό ρυθµό µετάδοσης [4]. Τους περιορισµούς του GERAN έρχεται να τους αντιµετωπίσει η δεύτερη επιλογή του UMTS για το RAN, το UTRAN. Ένα ή περισσότερα κελιά εξυπηρετούνται από ένα σταθµό βάσης, τον Node-B και ένα ή περισσότερα Νοde-Bs ελέγχονται από έναν ελεγκτή, τον Radio Network Controller (RNC). Το σύνολο πολλαπλών RNCs συντελούν ένα υποσύστηµα, το Radio Network Subsystem (RNS) (βλ. Σχήµα 3). 12

13 Σχήµα 3: Αρχιτεκτονική του RAN O RNC είναι υπεύθυνος για την διαχείριση των πόρων του ραδιοδιαύλου. Κάποιες ακόµα λειτουργίες του είναι οι παρακάτω [7]: Έλεγχος ισχύος (Open-Loop Power Control) Έλεγχος έναρξης (Admission Control) Έλεγχος Handover (Handover Control) ιαχείριση της κίνησης στα κοινά (shared) κανάλια Κατάτµηση (segmentation) / Επανασυναρµολόγηση (reassembly) O Node-B είναι ο ποµποδέκτης του δικτύου UMTS. Αποτελεί τον παραλήπτη και τον αποστολέα των δεδοµένων στο ασύρµατο τµήµα του δικτύου και επιπλέον είναι υπεύθυνος για τις παρακάτω λειτουργίες [7]: Κωδικοποίηση W-CDMA Έλεγχος ισχύος (Closed-Loop Power Control) ιαµόρφωση (Modulation) / Αποδιαµόρφωση (Demodulation) Σύστηµα W-CDMA Για να διαµοιραστεί το διαθέσιµο εύρος συχνότητα µεταξύ των ταυτόχρονων κλήσεων από το UTRAN επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί το σχήµα πρόσβασης W- CDMA. Σε κάθε χρήστη δίνονται ένας ή και περισσότεροι ορθογώνιοι κωδικοί (µε 13

14 βάση την τεχνική Orthogonal Variable Spreading Factor - OVSF) ανάλογα µε τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης. Οι κωδικοί αποτελούνται από µια ψευδοτυχαία ακολουθία bits που ονοµάζονται chips. Τα δεδοµένα των χρηστών διασπείρονται σε ένα ευρύ φάσµα συχνοτήτων πολλαπλασιάζοντας την πληροφορία µε τα chips των κωδικών. Η διεύρυνση του φάσµατος συχνοτήτων και το «άπλωµα» της πληροφορίας έχει σαν αποτέλεσµα την βελτίωση του σήµατος και αύξηση της ανοχής του στις παρεµβολές (processing gain) [8][9]. Στο W-CDMA, η ανερχόµενη µετάδοση και η κατερχόµενη µετάδοση µπορούν να λαµβάνουν χώρα σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων των 5ΜΗz (Frequency Division Duplexing FDD) ή στην ίδια µπάντα συχνοτήτων πολυπλεγµένες όµως στο χρόνο (Time Division Duplexing TDD). Με την εφαρµογή αυτής της µεθόδου πρόσβασης στο φάσµα συχνοτήτων, όλοι χρήστες µεταδίδουν ταυτόχρονα σε ολόκληρο το φάσµα και η διάκριση του γίνεται λόγω της διαφορετικής κωδικοποίησης τους. Ο παραπάνω τρόπος πρόσβασης έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση του θορύβου στο κάθε κελί, καθώς οι µεταδόσεις του κάθε χρήστη λαµβάνονται από τους υπόλοιπους ως θόρυβος. Εποµένως, η ισχύς κάθε καναλιού µετάδοσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη έτσι ώστε να επιτυγχάνεται και ο ελάχιστος βαθµός παρεµβολών. Το θέµα αυτό έρχεται να το αντιµετωπίσει ο µηχανισµός του ελέγχου ισχύος (Power Control) ο οποίος ρυθµίζει την ισχύ κάθε καναλιού ώστε το σήµα να φτάνει στον αποστολέα µε την ελάχιστη δυνατή ισχύ και την απαιτούµενη ποιότητα. 2.4 Multimedia Broadcast / Multicast Service - MBMS Ένα από τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Το MBMS έχει σαν σκοπό την υποστήριξη των ΙP εφαρµογών πανεκποµπής (broadcast) και πολυεκποµπής (multicast), επιτρέποντας την παροχή υπηρεσιών υψηλού εύρους ζώνης σε πολλαπλούς χρήστες µε οικονοµικό τρόπο Υπηρεσίες πανεκποµπής (broadcast) / πολυεκποµπής (multicast) 14

15 To δίκτυο UMTS υποστηρίζοντας την ΙP πολυεκποµπή επιτρέπει την προώθηση ΙP πακέτων σε όλους τους χρήστες που ανήκουν στην οµάδα πολυεκποµπής (multicast) και η οποία χαρακτηρίζεται από µια ΙP διεύθυνση πολυεκποµπής (multicast) τάξης D. Με την βοήθεια του MBMS, τα IP πακέτα πολυεκποµπής (multicast) µπορούν να µεταδίδονται εντός του δικτύου UMTS µε τον περιορισµό ότι η µετάδοση είναι µονοκατευθυντική (unidirectional): τα δεδοµένα µεταδίδονται µόνο από τον GGSN προς τους χρήστες και όχι το αντίστροφο. Σχήµα 4: Πολυεκποµπή (multicasting) παρουσία του MBMS To πλεονέκτηµα της πολυεκποµπής (multicasting) µε το MBMS σε αντίθεση χωρίς MBMS είναι ότι τα IP πακέτα µεταδίδονται µόνο µία φορά από τους GGSN και SGSN στους επόµενους κόµβους του δικτύου και το κυριότερο µόνο µία φορά στο ραδιοδίαυλο ανεξάρτητα από τον αριθµό των παραληπτών σε ένα κελί όπως φαίνεται στο Σχήµα Αρχιτεκτονική του MBMS Το Broadcast / Multicast Service Center (BM-SC) αποτελεί την κεντρική µονάδα του MBMS που διαχειρίζεται όλες τις υπηρεσίες και τις συνόδους του (sessions) και βρίσκεται εντός του τµήµατος PS του δικτύου κορµού. Η βασική αρχιτεκτονική του MBMS παρουσιάζεται στο Σχήµα 5. 15

16 Σχήµα 5: Αρχιτεκτονική του MBMS Αναφορικά µε την έναρξη µιας συνόδου (session), το ΒΜ-SC αυθεντικοποιεί τους εξωτερικούς παρόχους και κατευθύνει το GGSN για να εγκαταστήσει τους κοµιστές (bearers) MBMS µε το κατάλληλο επίπεδο ποιότητα (QoS). To GGSN είναι υπεύθυνο για την δηµιουργία των κατάλληλων κοµιστών MBMS, σύµφωνα µε τις οδηγίες του ΒΜ-SC και για την δροµολόγηση των δεδοµένων στα αντίστοιχα SGSNs. Αν έχει καθοριστεί µετάδοση πανεκποµπής (broadcast) τότε τα δεδοµένα µεταδίδονται σε όλα τα SGSNs ενώ στην περίπτωση µετάδοσης πολυεκποµπής (multicast), µόνο σε εκείνα τα SGSNs που εξυπηρετούν τους ενδιαφερόµενους χρήστες (UEs). Τα δεδοµένα µεταδίδονται µέσω του GGSN και του SGSN στο RAN. Το SGSN είναι υπεύθυνο για την δροµολόγηση των δεδοµένων στα κατάλληλα ελεγκτές σταθµών βάσης [4]. Επιπλέον, ο GGSN αναλαµβάνει να συγκεντρώσει πληροφορίες χρέωσης για κάθε χρήστη ενώ ο BM-SC συγκεντρώσει πληροφορίες χρέωσης για τους εξωτερικούς παρόχους. 2.5 Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) στο ίκτυο UMTS H από-άκρη-ως-άκρη (end-to-end) ποιότητα υπηρεσιών (QoS) εξαρτάται από την ποιότητα που προσφέρουν οι υπηρεσίες κοµιστών (bearer services) κατά µήκος του µονοπατιού από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Οι υπηρεσίες κοµιστών του δικτύου UMTS χωρίζονται σε υπηρεσίες κοµιστών ασύρµατης πρόσβασης (Radio Access Bearers services RAB services) που παρέχονται από το RAN και οι υπηρεσίες κοµιστών δικτύου κορµού (core network radio bearers) που παρέχονται από το CN. Εσωτερικά, το UMTS παρέχει τέσσερις διαφορετικές τάξεις ποιότητας υπηρεσιών (QoS) [4]: 16

17 Conversational: Κατάλληλη για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου µε αυστηρούς περιορισµούς στη καθυστέρηση από-άκρη-ως-άκρη (end-to-end) και απαιτήσεις στην διακύµανση της καθυστέρησης(π.χ. τηλεφωνία) Streaming: Κατάλληλη για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου µε µεγαλύτερη ανοχή στην καθυστέρηση από την παραπάνω τάξη (π.χ. video telephony) Interactive: Κατάλληλη για εφαρµογές αίτησης / απόκρισης µε απαίτηση υψηλής αξιοπιστίας αλλά µέτριες απαιτήσεις για την καθυστέρησης (π.χ. φυλλοµετρητής σελίδων - web browsing) Background: Κατάλληλη για εφαρµογές µεταφοράς µεγάλου όγκου (bulk) πληροφορίας µε υψηλή απαίτηση αξιοπιστίας (π.χ. µεταφορά αρχείων file transfer) Πρέπει να σηµειωθεί ότι το MBMS υποστηρίζει µόνο υπηρεσίες της τάξεως Streaming και Background και όχι Interactive και Conversational. Σύµφωνα µε αυτές, το MBMS παρέχει υπηρεσίες συνεχής ροής µέσου (media) όπως ήχου και video, µε συµπληρωµατικό κείµενο ή εικόνες (Streaming), αξιόπιστες µεταφορές δεδοµένων χωρίς περιορισµούς στην καθυστέρηση (File Download) και έναν συνδυασµό των δύο παραπάνω υπηρεσιών που περιλαµβάνει την αποστολή στατικού µέσου (media) µε απαιτήσεις συγχρονισµού (Caroussel). 17

18 3 Μετάδοση εδοµένων στο RAN - Στόχοι της Παρούσης Μελέτης 3.1 Τα Κανάλια Μεταφοράς στο UTRAN Στο UTRAN υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι καναλιών, τα λογικά, της µεταφοράς και τα φυσικά κανάλια. Τα λογικά κανάλια αντιστοιχίζονται στο επίπεδο MAC (Media Access Control) στα κανάλια µεταφοράς και τα κανάλια µεταφοράς στο φυσικό επίπεδο αντιστοιχίζονται στα φυσικά κανάλια (Σχήµα 6). Τα κανάλια µεταφοράς είναι εκείνα που µεταφέρουν τα δεδοµένα που προέρχονται από τα υψηλότερα επίπεδα και καθορίζουν το πώς και µε ποιά χαρακτηριστικά θα µεταδοθούν από το φυσικό επίπεδο στο ασύρµατο µέσο [10]. Σχήµα 6: Απεικόνιση καναλιών στο UTRAN t Tα κανάλια µεταφοράς κατανέµονται σε δύο οµάδες [11]: Στα αφοσιωµένα (dedicated) Στα κοινά (common) Στην οµάδα των αφοσιωµένων καναλιών υπάρχει µόνο ένας τύπος καναλιού, το Dedicated Channel (DCH). Χρησιµοποιείται είτε στην κατερχόµενη ζεύξη (downlink είτε στην ανερχόµενη ζεύξη (uplink) και έχει την ιδιότητα τα µεταδίδεται σε όλο το κελί ή σε ένα τµήµα του µόνο ανάλογα µε τις απαιτήσεις για µετάδοση λόγω της θέσης του χρήστη. Στο σύνολο των κοινών καναλιών συναντώνται διάφοροι τύποι καναλιών, εκ των οποίων ένα είναι και το Forward Access Channel (FACH). Πρόκειται για κανάλι 18

19 κατερχόµενης ζεύξης που µεταδίδεται σε όλο το κελί (κανάλι πανεκποµπής broadcast channel) µε σταθερή ισχύ που υπολογίζεται µε βάση τις προδιαγραφές του δικτύου και του εκάστοτε κελιού. 3.2 Έλεγχος Ισχύος (Power Control) στο UTRAN Σε ένα δίκτυο όπως το UMTS στο οποίο εφαρµόζεται το σύστηµα πολλαπλής πρόσβασης W-CDMA, όλοι οι χρήστες µοιράζονται την ίδια κοινή συχνότητα και οι κωδικοί διασποράς του κάθε ένα αποτελούν θόρυβο για τους υπόλοιπους. Οι εσωτερικές παρεµβολές που δηµιουργούνται από το ίδιο το σύστηµα επηρεάζουν σηµαντικά την χωρητικότητα του συστήµατος αλλά και την ποιότητα των κλήσεων. O έλεγχος ισχύος (Power Control) αποτελεί έναν µηχανισµό ελέγχου της ισχύος µετάδοσης για κάθε χρήστη. Η παρουσία του µηχανισµού αυτού έχει σαν στόχο την προσαρµογή της ισχύος µετάδοσης από και σε κάθε χρήστης στην ελάχιστη δυνατή έτσι ώστε να παραµένει σε ανεκτά επίπεδα ο βαθµός των παρεµβολών και το επίπεδο ποιότητας των κλήσεων, καθώς ο χρήστης αλλάζει διαρκώς θέση µέσα στο δίκτυο. Ο βαθµός παρεµβολών και το επίπεδο ποιότητας εκτιµώνται στον παραλήπτη µέσω του λόγου της ισχύος τους σήµατος προς την παρεµβολή στο σήµα (signal-to-interference SIR). Στο δίκτυο UMTS και συγκεκριµένα στο UTRAN υλοποιούνται τρία διαφορετικά είδη ελέγχου. Αρχικά, το Open-loop Power Control καθορίζει την αρχική ισχύ των ανερχόµενων και κατερχόµενων ζεύξεων (uplink και downlink) όταν ο χρήστης συνδέεται µε το δίκτυο. Το Outer-loop Power Control αναλαµβάνει να εκτιµά κάθε φορά την ποιότητα υπηρεσίας που έχει παραληφθεί και να καθορίζει την τιµή του SIR, στην ανερχόµενη και κατερχόµενη ζεύξη (uplink και downlink). Τέλος, τo Inner-loop Power Control προσαρµόζει ανα τακτά χρονικά διαστήµατα την ισχύ των καναλιών µετάδοση ανάλογα µε το επιδιωκόµενο SIR [7]. Ο έλεγχος ισχύος δεν παρέχεται σε όλα τα κανάλια µεταφοράς. Το κανάλι µεταφοράς DCH αντιστοιχίζεται στο φυσικό επίπεδο στο κανάλι Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) το οποίο έχει δυνατότητες ελέγχου Inner-loop Power Control. Αντίθετα, το FACH που είναι κοινό κανάλι πανεκποµπής ( broadcast) αντιστοιχίζεται στο κανάλι Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH), που δεν παρέχει δυνατότητες ελέγχου, καθώς ο έλεγχος της ισχύος καναλιού µε πολλούς 19

20 παραλήπτες δεν είναι εφικτός [11]. Έτσι, το κανάλι FACH εκπέµπεται πάντα µε την απαιτούµενη µέγιστη ισχύ. 3.3 Μέθοδοι Μετάδοσης εδοµένων στο UTRAN Η παρουσία του µηχανισµού MBMS, η ύπαρξη αφοσιωµένων αλλά και κοινών καναλιών µεταφοράς είναι χαρακτηριστικά στοιχεία των δικτύων UMTS που επιτρέπουν την υλοποίηση και εφαρµογή κατ επιλογή των µεθόδων µετάδοσης µονοεκποµπής (unicast) και πολυεκποµπής (multicast) στο UTRAN. Η επιλογή µεταξύ µίας από τις παραπάνω µεθόδους στο ασύρµατο µέσο έχει νόηµα στην περίπτωση που η µετάδοση αφορά κάποια ΙP εφαρµογή πολυεκποµπής (multicast) ή πανεκποµπής (broadcast), αφού στις υπόλοιπες εφαρµογές ο παραλήπτης είναι πάντα ένας και µοναδικός και είναι δεδοµένη η εφαρµογή της µετάδοσης PTP Μετάδοση πολυεκποµπής (Multicast) Με την µέθοδο αυτή, τα δεδοµένα έχοντας ακολουθήσει µετάδοση πολυεκποµπής (multicast) εντός του CN, καταλήγουν στα RΝCs που ελέγχουν Node-Bs µε χρήστες που ανήκουν στη οµάδα της υπηρεσίας. Αν η µετάδοση πολυεκποµπής (multicast) τον δεδοµένων συνεχιστεί µέχρι και τους Node-Bs αυτό σηµαίνει ότι όλοι οι κόµβοι του δικτύου UMTS από το CN µέχρι και το UTRAN λειτουργούν κάτω από ένα πρωτόκολλο πολυεκποµπής (multicast) [6]. Oι UEs ενηµερώνονται ότι το δίκτυο υποστηρίζει UMTS πολυεκποµπή (multicast) και προχωρούν στην αρχικοποίηση αυτής της υπηρεσίας. Ο σταθµός βάσης, o Node- B, εγκαθιστά ένα κανάλι PTM και πιο συγκεκριµένα το κανάλι πανεκποµπής (broadcast) FACH για την µετάδοση των δεδοµένων της υπηρεσίας πάνω στο ραδιοδίαυλο. To κανάλι πανεκποµπής (broadcast) είναι κανάλι που απαιτεί µέγιστη δυνατή ισχύ µετάδοσης έτσι ώστε το σήµα να φτάσει µέχρι τα όρια του κελιού που εξυπηρετεί ο σταθµός και να ληφθεί από όλους τους χρήστες εντός του περιβάλλοντος της (Σχήµα 7) [12]. Εκείνοι που δεν ανήκουν στην οµάδα πολυεκποµπής (multicast), λαµβάνουν το σήµα ως θόρυβο. 20

21 Σχήµα 7: Η µέθοδος πολυεκποµπής (multicast) στο RAN Μετάδοση µονοεκποµπής (Unicast) Σε αντίθεση µε την παραπάνω µέθοδο, η µετάδοση πολυεκποµπής (multicast) των δεδοµένων τερµατίζεται στα RNCs. Κανάλια µονοεκποµπής (unicast) δεσµεύονται ξεχωριστά για κάθε χρήστη που ανήκει στην οµάδα πολυεκποµπής (multicast) και τα δεδοµένα µεταδίδονται τόσες φορές όσες και τα µέλη της οµάδας [6]. Σε κάθε κελί, για κάθε µετάδοση µονοεκποµπής (unicast) δεσµεύεται ένα αφοσιωµένο κανάλι τύπου DCH και συντελείται µετάδοση PTP όπως φαίνεται στο Σχήµα 8. Σχήµα 8: Η µέθοδος µονοεκποµπής (unicast) στο RAN Η ισχύς του σήµατος είναι ανάλογη µε την απόσταση του χρήστη από τον σταθµό βάσης, λαµβάνοντας υπ όψιν και άλλους παράγοντες όπως απώλειες διαδροµής (path loss), παρεµβολές, θόρυβο (background noise) και προσαρµόζεται µέσω του ελέγχου ισχύος. 21

22 3.4 Σκοπός της Παρούσης Μελέτης Σύµφωνα µε τις παρατηρήσεις στις παραπάνω ενότητες, στο RAN για την µετάδοση δεδοµένων πολυεκποµπής (multicast) δεσµεύεται το κανάλι FACH. Τα πακέτα της εφαρµογής µεταδίδονται µόνο µια φορά πάνω στο ασύρµατο µέσο εξοικονοµώντας έτσι εύρος ζώνης για τους υπόλοιπους χρήστες και αυξάνοντας θεωρητικά την χωρητικότητα του κάθε κελιού. Ταυτόχρονα όµως καταναλώνεται µεγάλο µέρος της ισχύος που έχει η κεραία του σταθµού βάσης διότι πρόκειται για κανάλι πανεκποµπής (broadcast) και το σήµα µεταδίδεται µε µεγάλη ισχύ ώστε να καλύπτεται στο σύνολο του το εκάστοτε κελί. Αυτό συνεπάγεται µείωση της χωρητικότητας του κελιού από πλευρά ισχύος και υψηλά επίπεδα θορύβου για τους χρήστες εκτός οµάδας πολυεκποµπής (multicast). Επιπλέον, για την διαχείριση της οµάδας απαιτείται µετάδοση επιπλέον πακέτων ελέγχου γεγονός που επιβαρύνει το δίκτυο [6]. Αντιθέτως, στη µετάδοση µονοεκποµπής (unicast), µε την χρήση των PTP καναλιών δεσµεύονται περισσότερα από ένα κανάλια, περισσότεροι κωδικοί διασποράς για την αποστολή των ίδιων δεδοµένων σε όλους τους χρήστες της οµάδας. Λόγω των µηχανισµών ελέγχου ισχύος, µε τα κανάλια DCH καταναλώνεται µόνο το ποσό ισχύος που είναι απαραίτητο για την λήψη την δεδοµένων µε καθορισµένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) και επιτυγχάνεται αποδοτικότερη χρήση της ισχύος µετάδοσης. Λαµβάνοντας υπ όψιν τα παραπάνω θετικά και αρνητικά χαρακτηριστικά των δύο µεθόδων, το ποιά µπορεί να θεωρηθεί πιο αποτελεσµατική αναφορικά µε την εξοικονόµηση και αποδοτικότερη διαχείριση της ισχύος µετάδοσης, εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως: Από τον τύπο της υπηρεσίας (π.χ. interactive, download κ.τ.λ.) Από το περιβάλλον του δικτύου (π.χ. µέγεθος κελιών) Την ποιότητα υπηρεσίας και τις δυνατότητες µεταφοράς κάθε καναλιού Απόσταση των UEs από τον Node-B Το πλήθος των UEs Σχετικά µε τον παράγοντα του αριθµού των χρηστών εύκολα συµπεραίνεται από τα παραπάνω ότι όταν ο αριθµός των µελών µια οµάδας πολυεκποµπής (multicast) σε ένα κελί είναι µικρός είναι πιο αποτελεσµατική η χρήση PTP µετάδοσης, δηλαδή καναλιών DCH. Η συνολική ισχύς που θα καταναλωθεί πιθανότατα να είναι 22

23 µικρότερη από αυτή που θα καταναλώνονταν αν χρησιµοποιούνταν το κανάλι πολυεκποµπής (broadcast) FACH. Κατ επέκταση, για µεγαλύτερο αριθµό χρηστών στο κελί, η χρήση της PTM µετάδοσης και του καναλιού πολυεκποµπής (broadcast) µοιάζει αυτονόητη επιλογή. Οι όροι «µικρός» και «µεγάλο» αριθµός είναι σχετικοί και όχι ποσοτικά καθορισµένοι. Συνεπώς, το ερώτηµα που τίθεται είναι ποια θα πρέπει να είναι η οριακή τιµή (threshold) του πλήθους των UEs κάτω από την οποία θα εφαρµόζεται η PTP µετάδοση, ενώ για αριθµό χρηστών πάνω από αυτήν θα εφαρµόζεται PTM µετάδοση [2][4][6][12][13][14]. Στο [2] αναφέρεται ότι η τιµή αυτή κυµαίνεται γύρω στους 5 χρήστες όταν η ισχύς του καναλιού FACH βρίσκεται στα 4W ενώ στο [13] είναι ίση µε 7 χρήστες. Όµως εκτός από το πλήθος των UEs και η απόσταση τους από τον Node-B επηρεάζει την ισχύ του καναλιού DCH λόγω του ελέγχου ισχύος και εποµένως την επιλογή µεθόδου µετάδοσης. Όταν οι χρήστες βρίσκονται πολύ κοντά στην κεραία της βάσης, η ισχύς που χρειάζεται το κανάλι είναι πολύ µικρή και εποµένως είναι πιθανό ακόµα και αν το σύνολο των χρηστών είναι µεγάλο, η συνολική ισχύς των αφοσιωµένων καναλιών να είναι µικρότερη από αυτήν του καναλιού πολυεκποµπής (broadcast). Συνεπώς, ο καθορισµός της οριακής τιµής του πλήθους τον χρηστών δεν είναι εύκολη διαδικασία. Στην παρούσα µελέτη, θα γίνει µια προσπάθεια να προσδιοριστεί σε αριθµητική βάση η συγκεκριµένη τιµή της, µε την βοήθεια του OpNet Modeler και ενός µοντελοποιηµένου δικτύου UMTS. Θα υπολογιστούν: Η µέση ισχύς που καταναλώνεται σε ένα κελί ξεχωριστά για αριθµό χρηστών από 1 µέχρι 10 όταν χρησιµοποιούνται τα αφοσιωµένα κανάλια DCH Η ισχύς που καταναλώνει το κανάλι πολυεκποµπής (broadcast) FACH και θα συγκριθούν οι τιµές που υπολογίστηκαν για να εξαχθεί κάποιο συµπέρασµα για την οριακή τιµή του πλήθους των χρηστών. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στη µελέτη που θα ακολουθήσει, οι χρήστες κινούνται αλλάζοντας συνεχώς θέση µέσα στο κελί και δεν είµαστε σε θέση να προβλέψουµε ποιά θα είναι η επόµενη θέση και απόσταση τους από τον σταθµό βάσης, ώστε να επιλεγεί µε βάση αυτό το κριτήριο η µέθοδος µετάδοσης. Εποµένως στηριζόµαστε 23

24 µόνο στον αριθµό των UEs για τον καθορισµό της οριακής τιµής και την επιλογή µεθόδου. 24

25 4 ΟpNet Modeler 4.1 Εισαγωγή Ο ΟpNet Modeler προσφέρει την δυνατότητα µε την βοήθεια ενός γραφικού περιβάλλοντος να µοντελοποιηθούν και να προσοµοιωθούν διάφοροι τύποι δικτύων. Για την κατασκευή της δοµής των δικτύων ακολουθείται η παρακάτω αυστηρή ιεραρχία τριών πεδίων: ικτύου Κόµβων Επεξεργασίας Στο µοντέλο δικτύου, τα αντικείµενα που ανήκουν σε αυτό περιγράφονται από το µοντέλο κόµβων ενώ τα αντικείµενα του µοντέλου κόµβων περιγράφονται από το µοντέλο επεξεργασίας. Ένα παράδειγµα της ιεραρχίας αυτής φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: Σχήµα 9: Ιεραρχία µοντέλων στο OpNet Τα αντικείµενα του µοντέλου κόµβων περιγράφουν την συµπεριφορά των αντίστοιχων κόµβων δικτύου και µοντελοποιούν τις εσωτερικές του λειτουργίες όπως δηµιουργία δεδοµένων, αποθήκευση κ.τ.λ. Tο µοντέλο επεξεργασίας αναπαριστάται µε διαγράµµατα καταστάσεων (Finite State Machines FSM) που ελέγχουν την εσωτερική λειτουργικότητα των αντικειµένων στο µοντέλο κόµβων. 25

26 4.1.1 Μοντέλα εφαρµογών Το OpNet χρησιµοποιεί γενικά µοντέλα εφαρµογών για την δηµιουργία κινήσεων εφαρµογής. εδοµένες εφαρµογές που υποστηρίζουν αυτά τα µοντέλα είναι [15]: Μεταφορά αρχείων (File Transfer Protocol FTP) Υπηρεσίες ηλεκτρονικού ταχυδροµείου ( ) Αποµακρυσµένη πρόσβαση (Remote Login) Video Conferencing ιαχείριση βάσεων HTTP (φυλλοµετρητής σελίδων - web browsing) Εκτυπώσεις Υπηρεσίες φωνής Εκτός από τα µοντέλα που παρέχουν τις παραπάνω εφαρµογές, υπάρχει και το γενικό µοντέλο εφαρµογής Custom που παρέχει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για την διαµόρφωση νέων εφαρµογών µε όλες τις λεπτοµέρειες που απαιτούνται. ύο είναι τα βασικά στοιχεία του µοντέλου που εξυπηρετούν αυτό τον σκοπό: η ενέργεια (Task) και η φάση (Phase). H ενέργεια (Task) είναι η βασική µονάδα της δραστηριότητας ενός χρήστη στα πλαίσια µιας εφαρµογής όπως η ανάγνωση ενός . H αρχή και το τέλος µιας ενέργεια (Task) πρέπει πάντα να καθορίζονται. Η φάση (Phase) αποτελεί εσωτερική πράξη σε µια ενέργεια όπως είναι η φάση της επεξεργασίας. Τα παρακάτω δοµικά στοιχεία είναι αυτά που χρησιµοποιούνται στον καθορισµό µιας Custom εφαρµογής. Σχήµα 10: Κόµβοι δικτύου για την δηµιουργία µιας Custom εφαρµογής 4.2 Γενική Περιγραφή του Μοντέλου UMTS στο OpNet Ο προσοµοιωτής OpNet επιτρέπει την µοντελοποίηση ενός δικτύου UMTS και την εκτίµηση της από-άκρη-ως-άκρη (end-to-end) ποιότητα υπηρεσίας, ρυθµοαπόδοσης, καθυστέρησης, ποσοστό απωλειών κ.α. Το µοντέλο UMTS που υποστηρίζεται από 26

27 τις εξειδικευµένες βιβλιοθήκες του OpNet Modeler ακολουθεί τις προδιαγραφές που ορίζονται στο 3 rd Generation Partnership Project Release 99 [16]. Το δίκτυο UMTS διαιρείται στο RAN και στο CN. To RAN αποτελείται από τον UE, που περιλαµβάνει το Terminal Equipment (TE) και το Mobile Terminal (MT) και το UTRAN όπως φαίνεται και στο Σχήµα 11. Στο UTRAN υιοθετείται το σχήµα πρόσβασης W-CDMA που χρησιµοποιεί άµεση διασπορά (direct spread) µε 3,84 Mcps και nominal εύρος ζώνης 5 ΜHz. Το µοντέλο υποστηρίζει µόνο την µέθοδο πολυπλεξίας FDD. To µοντέλο του UMTS περιλαµβάνει τους κόµβους GGSN και SGSN του τµήµα PS του δικτύου κορµού µε την απαραίτητη GPRS λειτουργικότητα που αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2 για να υποστηρίζονται οι υπηρεσίες πακέτων GSM και UMTS. Το τµήµα CS του δικτύου κορµού δεν µοντελοποιείται στον OpNet Modeler. Σχήµα 11: Αρχιτεκτονική ενός απλού δικτύου UMTS στο OpNet 4.3 Χαρακτηριστικά του Μοντέλου και Περιορισµοί Καθώς το µοντέλο του UMTS βρίσκεται υπό διαµόρφωση, υπάρχουν αρκετά χαρακτηριστικά του δικτύου που δεν έχουν υλοποιηθεί ακόµα στο OpNet. Παρακάτω αναφέρονται κάποια από τα χαρακτηριστικά αυτά [16]: Εγκατάσταση σύνδεσης της σηµατοδοσίας (signaling) στο PS: Το µοντέλο υποθέτει ότι η σύνδεση σηµατοδοσίας (signaling) στο PS έχει ήδη εγκατασταθεί όταν ο χρήστης είναι ενεργός (power-on) και αυτή η σύνδεση παραµένει µέχρι το τέλος της προσοµοίωσης. Κίνηση σηµατοδοσίας: Η σηµατοδοσία γίνεται µόνο πάνω από αφιερωµένα κανάλια και όχι πάνω από κοινά κανάλια. 27

28 GPRS detach: Θεωρείται ότι ο UE παραµένει attached µέχρι το τέλος της προσοµοίωσης. Απενεργοποίηση και εκ νέου ενεργοποίηση PDP Context: Κατά την διάρκεια της προσοµοίωσης, η ενεργοποίηση του PDP context πραγµατοποιείται µόνο µια φόρα για κάθε προφίλ QoS. Το PDP context δεν απενεργοποιείται και χρησιµοποιείται ξανά την επόµενη φορά που ο UE ζητήσει το προφίλ QoS που σχετίζεται µε το συγκεκριµένο PDP. DPDCH, PCPCH: Η κίνηση των δεδοµένων και της σηµατοδοσίας (signaling) µεταφέρεται µέσω µόνο αφοσιωµένων καναλιών. Το φυσικό αφοσιωµένο κανάλι (Dedicated Physical Data Channel - DPDCH) και το φυσικό κοινό κανάλι πακέτων (Packet Common Physical Channel - PCPCH) δεν υλοποιούνται. Τουλάχιστον ένας UE ανά Node-B: Το µοντέλο απαιτεί για κάθε Node-B να υπάρχει τουλάχιστον ένας UE attached στην αρχή της προσοµοίωσης για να ολοκληρωθεί η αρχικοποίηση του δικτύου. Σχετικά µε τον έλεγχο ισχύς, το OpNet υποστηρίζει το Outer-loop power control. To µοντέλο αυξάνει το επιδιωκόµενο Eb/No 1 κατά 1 db µετά από κάθε απόρριψη πακέτου λόγω µη επανορθώσιµου σφάλµατος. Όταν ο παραλήπτης λάβει ένα πακέτο που δεν περιέχει µη επανορθώσιµα σφάλµατα, το µοντέλο µειώνει το επιδιωκόµενο Eb/No κατά x db όπου x = 1*αιτούµενο BLER (Block Error Rate). Κατόπιν, µε χρήση της νέας τιµής του Eb/No η ισχύς προσαρµόζεται ανάλογα. 4.4 ιαθέσιµοι Κόµβοι Οι κόµβοι που είναι διαθέσιµοι για τον σχεδιασµό του µοντέλου UMTS οµαδοποιούνται σε απλούς κόµβους UMTS και τους προχωρηµένους (advanced). Στους προχωρηµένους (advanced) κόµβους, σε αντίθεση µε τους απλούς, υλοποιείται ολόκληρη η στοίβα πρωτοκόλλων της εκάστοτε συσκευής και µε αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται µια πιο ρεαλιστική συµπεριφορά της συσκευής. Στην παρούσα µελέτη χρησιµοποιούνται οι προχωρηµένοι κόµβοι. 1 Το Eb/No εκφράζει τον λόγο της ισχύος ανα µεταδιδόµενο bit προς την πυκνότητα θορύβου (noise density) ή διαφορετικά τον θόρυβο σε εύρος ζώνης 1-ΗΖ [11] [17] 28

29 4.5 Αρχιτεκτονική του Μοντέλου Αρχιτεκτονική του UE Τρεις διαφορετικοί τύποι UE υποστηρίζονται από το OpNet για το µοντέλο UMTS: ο απλός σταθµός (umts_station), o προχωρηµένος (advanced) σταθµός εργασίας (umts_wkstn) και o προχωρηµένος (advanced) εξυπηρετητής (server). Οι UE µπορούν να µοντελοποιηθούν είτε ως κινητοί (mob) είτε ως σταθεροί (fix) κόµβοι. H αρχιτεκτονική του προχωρηµένος (advanced) σταθµού εργασίας (umts_wkstn) φαίνεται στο Σχήµα 12. Περιλαµβάνει το επίπεδο εφαρµογής, µια πλήρη στοίβα πρωτοκόλλου TCP(UDP) / IP, επίπεδο GPRS Mobility Management (GMM), το επίπεδο RLC/MAC, ένα ράδιο ποµπό και δέκτη και µια κεραία.. Σχήµα 12: Αρχιτεκτονική του µοντέλου «umts_wkstn_adv» Οι σύνδεσµοι ανάµεσα στο ποµπό και στο επίπεδου RLC/MAC καθώς ανάµεσα στον δέκτη και στο ίδιο επίπεδο, αντιπροσωπεύουν τα κανάλια µεταφοράς. Στην παρούσα 29

30 µελέτη ασχολούµαστε µόνο µε την κατερχόµενη ζεύξη (downlink) και για αυτό θα αναφερθούµε µόνο στα αντίστοιχα κανάλια µεταφοράς. Στην κατερχόµενη ζεύξη (downlink) υπάρχουν ένα κανάλι FACH, ένα DSCH (Downlink Shared Channel), ένα DCH για σηµατοδοσία (signaling) και τέσσερα DCH για την κίνηση δεδοµένων. Σε κάθε κανάλι ανατίθενται ένας διαφορετικός κωδικός διασποράς και η κίνηση όλων των καναλιών αποστέλλεται ταυτόχρονα Όταν ο UE είναι στην κατάσταση CELL_FACH, στην κατερχόµενη ζεύξη (downlink), χρησιµοποιείται για την µετάδοση δεδοµένων το κανάλι FACH ενώ στην κατάσταση CELL_DCH ένα κανάλι DCH Αρχιτεκτονική του Node-B Στο OpNet περιλαµβάνονται δυο διαφορετικοί σταθµοί βάσης για τo µοντέλο UMTS: ο Node-B ενός τοµέα (umts_node_b) και ο Node-B τριών τοµέων (umts_node_b_3_sector). To µοντέλο του Node-B περιλαµβάνει ένα δοµικό στοιχείο τύπου επεξεργαστή (processor module) node_b για κάθε τοµέα (βλ. Σχήµα 13). Ο επεξεργαστής node_b συνδέεται µε έναν ραδιοποµπό, ένα ραδιοδέκτη και µια ATM στοίβα. Κάθε ρεύµα δεδοµένων µεταξύ του δοµικού στοιχείου node_b και του ποµπού αναπαριστά ένα κανάλι κατερχόµενης ζεύξης (downlink) ενώ µεταξύ node_b και δέκτη ένα κανάλι ανερχόµενης (uplink) ζεύξης. Σχήµα 13: Αρχιτεκτονική του µοντέλου «umts_node_b_adv» 30

31 Στην κατερχόµενη ζεύξη, node_b είναι το σηµείο προώθησης των πακέτων στον ραδιοποµπό του σταθµού βάσης, δηλαδή ουσιαστικό το σηµείο µετάδοσης των πακέτων στους χρήστες. Συνεπώς, στο σηµείο αυτό πρέπει να γίνονται οι µετρήσεις της ισχύος. Στην προς τα κάτω κατεύθυνση, τα πακέτα προωθούνται στo κανάλι FACΗ ή στο DSCH ή στα αφοσιωµένα κανάλια DCH µε εκτέλεση της εντολής «op_pk_deliver()» Αρχιτεκτονική RNC O RNC εκτελεί τις παρακάτω προγραµµατισµένες ενέργειες διαχείρισης: Συντονίζει την διαδικασία ελέγχου έναρξης (admission control) για την εγκαθίδρυση και τερµατισµό των ράδιο κοµιστών (RABs) για τους χρήστες ανάλογα µε την ποιότητα των υπηρεσιών που ζητούν ιαχειρίζεται των handovers Αποθηκεύει προσωρινά πακέτα που προορίζονται για τους χρήστες ανά τάξη QoS Επικοινωνεί µε τον SGSN Παρακολουθεί την δραστηριότητα των εγκατεστηµένων ραδιοκοµιστών (radio bearers) έτσι ώστε να ελευθερωθούν σε περίπτωση που παραµένουν ανενεργοί. O RNC κρατά πίνακα ουρών που η κάθε µια εξυπηρετεί ένα συγκεκριµένο σκοπό: µεταδόσεις, παραλαβές, αναµεταδόσεις, κατάτµηση, επανασυναρµολόγηση. Κάθε θέση στο πίνακα αναπαριστά ένα σύνολο ουρών που ανατίθενται σε ένα συγκεκριµένο κανάλι. Σε κάθε Node-B που εξυπηρετεί διαθέτει τον ίδιο αριθµό θυρίδων (slots) σε αυτόν τον πίνακα. Για τις αναµεταδόσεις, την κατάτµηση και την επανασυναρµολόγηση υπεύθυνο είναι το RLC/MAC επίπεδο. Αυτό χειρίζεται την κατάτµηση και την επανασυναρµολόγηση υψηλότερου επιπέδου µονάδων δεδοµένων πρωτοκόλλου (Protocol Data Units PDUs) σε και από µικρότερες µονάδες ωφέλιµου φορτίου επιπέδου RLC (RLC Payload Units RLC PUs). Σχετικά µε τις αναµεταδόσεις έχουν µοντελοποιηθεί τρεις καταστάσεις αναµετάδοσης RLC: η διαφανή (transparent mode), η επιβεβαιωµένη (acknowledged mode) και µη 31

32 επιβεβαιωµένη (unacknowledged mode). Στη διαφανή κατάσταση (transparent mode), τα τµήµα RLC PUs µεταδίδονται από και στα χαµηλότερα επίπεδα διαφανώς χωρίς να χρειάζεται να αφαιρεθεί ή να προστεθεί αντίστοιχα επικεφαλίδα RLC/MAC στα πακέτα αυτά. Στην επιβεβαιωµένη (acknowledged mode) και στη µη επιβεβαιωµένη (unacknowledged mode) κατάσταση, τα RLC PUs έχουν επικεφαλίδα RLC/MAC που προστίθεται και αφαιρείται κατά την δηµιουργία και συναρµολόγηση τους αντίστοιχα. Κατά την δηµιουργία των PUs από ένα PDU δίνεται σε κάθε τµήµα ένας αριθµός ακολουθίας (sequence number). Στην επιβεβαιωµένη κατάσταση (acknowledged mode), όταν το επίπεδο RLC/MAC παραλήπτη UE ή RLC εντοπίσει ένα χαµένο τµήµα ζητά από το αποστολέα RNC ή UE αντίστοιχα να το ξαναστείλει. Αντίθετα, στην µη επιβεβαιωµένη κατάσταση (unacknowledged mode) τα χαµένα τµήµατα δεν αναµεταδίδονται. 32

33 5 Προσοµοίωση Για τον υπολογισµό της οριακής τιµής (threshold) των χρηστών προσοµοιώθηκε ένα δίκτυο UMTS µε το OpNet Modeler 11.0.A. Mε βάση το ίδιο δίκτυο κορµού προσοµοιώθηκαν δώδεκα διαφορετικά σενάρια. Τα δέκα από αυτά περιλαµβάνουν έναν µέχρι δέκα UEs που είναι σε κατάσταση CELL_DCH και χρησιµοποιούνται αφοσιωµένα κανάλια DCH, ενώ στα δύο από τα δώδεκα υπάρχει ένας χρήστης στο ένα και τρεις στο άλλο που βρίσκεται σε κατάσταση CELL_FACH και χρησιµοποιεί το κανάλι πανεκποµπής FACH. Τα αποτελέσµατα αφορούν τα έντεκα σενάρια διότι το σενάριο µε τους τρεις χρήστες σε κατάσταση CELL_FACH χρησιµοποιήθηκε απλά για να ελεγχθεί ο τρόπος λειτουργίας του καναλιού FACH. 5.1 Προδιαγραφές Σεναρίων Προσοµοίωσης οµή του µοντέλου δικτύου UMTS Η γενική µορφή του δικτύου που προσοµοιώθηκε φαίνεται στo Σχήµα 14. Περιλαµβάνει τους εξής κόµβους δικτύου του OpNet: a) Έναν Ethernet_server_adv (Server) b) Έναν umts_ggsn_ethernet2_slep8_adv (GGSN) c) Έναν umts_sgsn_ethernet_atm_slip9_adv (SGSN) d) Έναν umts_rnc_ethernet_atm_slip_adv (RNC) e) Έναν umts_node_b_adv (Node_B_1) f) Ένα ή περισσότερους umts_wkstn_adv (UE) Σχετικά µε τις συνδέσεις µεταξύ των κόµβων, ο εξυπηρετητής (server) και ο GGSN συνδέονται µέσω µιας γραµµής 100ΒaseT. Μεταξύ GGSN και SGSN υπάρχει µια γραµµή PPP_DC3 και µεταξύ SGSN και RNC µια ΑΤΜ_ΟC3. Tέλος, ο RNC και ο Node_B_1 επικοινωνούν µέσω γραµµής ΑΤΜ_ΟC3. Για της ανάγκες της προσοµοίωσης κατασκευάστηκε ένα πλέγµα κελιών µεγέθους 1km. Ο σταθµός βάσης τοποθετήθηκε κατά προσέγγιση στο κέντρο ενός από τα κελιά µε την βοήθεια του Mobility Domain το οποίο και θα περιγραφεί παρακάτω. 33

34 Σχήµα 14: To δίκτυο UMTS που µοντελοποιήθηκε Περιβάλλον προσοµοίωσης Το περιβάλλον «Από εξωτερικό σε εσωτερικό χώρο µε πεζούς» (Outdoor to Indoor and Pedestrian) επιλέχθηκε για την προσοµοίωση των σεναρίων. Οι σταθµοί βάσης µε ύψος 40m βρίσκονται στον εξωτερικό χώρο και οι πεζοί εκτός κτιρίων. H εξασθένηση (shadow fading) µοντελοποιείται ως µια λογαριθµική κανονική (lognormal) κατανοµή µε µέση τιµή µηδέν και τυπική απόκλιση για εξωτερικό χώρο 10dB. Το µοντέλο της απώλειας διάδοσης διαδροµής (propagation path loss) βασίζεται σε µαθηµατικούς τύπους που καθορίστηκαν από την ιεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union). Για το περιβάλλον προσοµοίωσης που υιοθετείται χρησιµοποιείται η παρακάτω εξίσωση [16]: 34

35 L pmax = 40log 10 (R) + 30log 10 (freq) + 49 όπου: Το R είναι η απόσταση σταθµού βάσης και UE σε χιλιόµετρα Το freq είναι η φέρουσα συχνότητα σε MHz Το L pmax περιγράφει την διάδοση στην χειρότερη περίπτωση το οποίο όµως στην πραγµατικότητα είναι έγκυρο µόνο στην περίπτωση µη οπτικής επαφής (line-ofsight) Μοντέλο κίνησης Για την µοντελοποίηση της κίνησης των χρηστών χρησιµοποιήθηκαν τα δύο παρακάτω δοµικά στοιχεία του OpNet: Σχήµα 15: Κόµβοι δικτύου για την µοντελοποίηση της κίνησης των UEs Με το Mobility Configure ορίστηκε ως µοντέλο κίνηση το Random Waypoint Model. Σύµφωνα µε το µοντέλο αυτό, ο κάθε κινητός κόµβος περιµένει σε ένα σηµείο για ένα προκαθορισµένο χρονικό διάστηµα. Κατόπιν επιλέγει ένα τυχαίο σηµείο στο χώρο και κινείται προς αυτό [18]. Καθορίστηκε µηδενικός χρόνος αναµονής του κόµβου στα σηµεία ενώ ως χρόνος έναρξης της κίνησης ορίζεται η αρχή της προσοµοίωσης και τέλος της, το τέλος της προσοµοίωσης. Η ταχύτητα κίνησης µεταξύ των σηµείων είναι 1m/s όση είναι κατ προσέγγιση η ταχύτητα κίνησης που ορίζεται για αστικά κέντρα (urban environments) και για εξωτερικούς χώρους (Outdoor Pedestrian Environment) [19]. Με το Mobility Domain περιορίστηκε η κίνηση των χρηστών µέσα στα όρια ενός κελιού διότι η συγκεκριµένη µελέτη στηρίζεται αυστηρά στο πλήθος των UEs. Στόχος είναι ο υπολογισµός της µέσης ισχύος για ένα συγκεκριµένο αριθµό χρηστών κάθε φορά. Αν επιτρέπονταν η αλλαγές κελιών (handovers) δεν θα ήταν σταθερός αν πάσα στιγµή ο αριθµός αυτός στο προς µελέτη κελί και δεν θα ήταν εφικτή η εξαγωγή συµπερασµάτων. Μέσω του Mobility Domain, η κίνηση περιορίζεται στο χώρο που ορίζει ένα παραλληλόγραµµο και όχι σε όλη την επιφάνεια του κελιού. Παρόλα αυτά, 35

36 οι UEs έχουν την δυνατότητα να βρεθούν σε οποιαδήποτε απόσταση από τον Node_Β_1, στα όρια του κελιού έως δίπλα στο σταθµό βάσης Μοντέλο και χαρακτηριστικά εφαρµογής Με την βοήθεια του γενικού µοντέλου εφαρµογής Custom διαµορφώθηκε µια ενέργεια (task) τύπου µεταφοράς αρχείου (FTP) και ονοµάζεται Custom_Task. Υλοποιεί µόνο την αποστολή πακέτων χωρίς να έχει προηγηθεί ενέργεια «βάλε» (put) ή «πάρε» (get) όπως στη µεταφορά αρχείου (FTP). Επιπλέον, ορίστηκαν τόσες εφαρµογές τύπου Custom όσοι και οι εκάστοτε UEs στο κελί. Οι εφαρµογές υποστηρίζονται από τον Server και έχουν το όνοµα Custom_Appl_i όπου i είναι ο αύξοντας αριθµός του UE που λαµβάνει αυτή την υπηρεσία. Όλες οι εφαρµογές αποτελούνται µόνο από την ενέργεια Custom_Task που σηµαίνει ότι όλες εκτελούν τις ίδιες πράξεις και ανήκουν στη τάξη ποιότητας υπηρεσίας background. Η ενέργεια Custom_Task περιλαµβάνει µια φάση (Phase) σύµφωνα µε την οποία µετά από 10s από την έναρξη της ενέργειας (task) αποστέλλονται στο δίκτυο 50 πακέτα των 512 bytes ανα 15s. Οι εφαρµογές τύπου Custom καθορίζουν ότι η εκτέλεση τους ξεκινά 10s µετά την αρχή της προσοµοίωσης και θα πραγµατοποιείται κάθε 100s µετά την πρώτη φορά, µέχρι το τέλος της προσοµοίωσης. Όλες οι εφαρµογές εκτελούνται ταυτόχρονα πάνω από το πρωτόκολλο UDP. Επιπλέον ορίζεται το επίπεδο RLC/ΜAC, στον κόµβο RNC, να λειτουργεί στην κατάσταση Μη επιβεβαιωµένη» στην κατεχόµενη ζεύξη («RLC Unacknowledged Mode»). Τα αποτελέσµατα που θα προκύψουν από την χρήση των καναλιών DCH πρέπει να είναι συγκρίσιµα µε αυτά του καναλιού FACH στο οποίο δεν γίνονται αναµεταδόσεις σε κανένα επίπεδο, γεγονός που δικαιολογεί τις παραπάνω επιλογές. Για κάθε σενάριο η προσοµοίωση διαρκεί για 800s, συνεπώς µόνο 50 πακέτα στέλνονται ανά εφαρµογή σε κάθε προσοµοίωση. 5.2 Παρατηρήσεις και Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης Με την προσοµοίωση των σεναρίων που µοντελοποιήθηκαν θελήσαµε να υπολογίσουµε την συνολική ισχύ που καταναλώνεται ανά bit δεδοµένων σε επίπεδο εφαρµογής, όταν για την µεταφορά των δεδοµένων πληροφορίας σε ένα σύνολο χρηστών χρησιµοποιούνται κανάλια µονοεκποµπής DCH και το κανάλι πανεκποµπής 36

37 (broadcast) FACH. Κατά την µοντελοποίηση των σεναρίων προσοµοίωσης, την πραγµατοποίηση των προσοµοιώσεων και την εξαγωγή αποτελεσµάτων έγιναν παράλληλα διάφορες παρατηρήσεις σχετικά µε τοn OpNet Modeler και την µοντελοποίηση ενός δικτύου UMTS Χωρητικότητα κελιού Ο αρχικός µας στόχος ήταν να µοντελοποιηθούν δέκα διαφορετικά σενάρια µε έναν, δύο µέχρι και δέκα χρήστες αντίστοιχα. ιαπιστώθηκε όµως ότι οι προκαθορισµένες προδιαγραφές χωρητικότητας του κελιού, δεν επέτρεπαν την αύξηση των χρηστών πέρα από τους πέντε. Το πρόβληµα το δηµιουργούσε ο παράγοντας φόρτωσης της καθοδικής ζεύξης («Downlink loading Factor») που καθορίζεται στον RNC όπως φαίνεται στο Σχήµα 16. Σχήµα 16: Χαρακτηριστικά στοιχεία του κόµβου RNC Πρόκειται για το χαρακτηριστικό που προσδιορίζει την οριακή τιµή φόρτωσης στην κατερχόµενη ζεύξη (downlink) και χρησιµοποιείται για να αποφασιστεί αν ένας νέος χρήστης µπορεί να γίνει δεκτός από το σύστηµα. Υπολογίζεται ο αυξανόµενος 37

38 φόρτος που προκύπτει αν επιτραπεί η είσοδος στο νέο χρήστη, συγκρίνεται µε αυτή την οριακή τιµή και ο χρήστης ή γίνεται δεκτός ή απορρίπτεται. H αρχική του τιµή ήταν 0,75 αλλά αυξανόµενη σε 2 έλυσε το αρχικό πρόβληµα της χωρητικότητας. Με την αλλαγή αυτή φαινοµενικά υπερφορτώθηκε το δίκτυο αλλά ο ρυθµός µετάδοσης ανά UE ισούται µε 273,07bps. Άρα για 10 UE, ο ρυθµός είναι ίσος µε 2,731kbps οπότε και αντιµετωπίζεται χωρίς πρόβληµα. Για λόγους συµµετρίας έγινε αλλαγή και στον παράγοντα φόρτωσης στην ανερχόµενη ζεύξη («Uplink Loading Factor»). Η προκαθορισµένη τιµής της δεν επηρέαζε την χωρητικότητα του κελιού στο µοντέλο UMTS που είχε σχεδιαστεί, καθώς η κίνηση ήταν κατερχόµενη και όχι ανερχόµενη Στατιστικά στοιχεία του OpNet σχετικά µε την ισχύ Το OpNet δίνει την δυνατότητα συλλογής δύο διαφορετικών στατιστικών που αφορούν την ισχύ της κεραίες του Node-B: Received Total Wide Band Power (dbm 2 ) Transmitted Carrier Power Τα δεδοµένα και των δυο στατιστικών υπολογίζονται µε βάση τις προδιαγραφές που ορίζονται στο [20]. Το Received Total Wide Band Power περιλαµβάνει την ευρυζωνική ισχύ που λαµβάνεται από τον ραδιοδέκτη του σταθµού βάσης (received wide band power), συµπεριλαµβανοµένου του θορύβου που δηµιουργείται στον παραλήπτη και δεν εξυπηρετούσε τον σκοπό των προσοµοιώσεων. Το στατιστικό Transmitted Carrier Power αρχικά φάνηκε να είναι το κατάλληλο για να υπολογιστεί η ισχύς µε την οποία µεταδίδονται τα δεδοµένα από τον Node-B προς τους χρήστες. Σύµφωνα µε το [20], ισούται µε τον λόγο της συνολικής ισχύος µετάδοσης στην κάθοδο προς την µέγιστη δυνατή ισχύ που είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθεί από τον ποµπό της κεραίας την δεδοµένη χρονική στιγµή. Με την βοήθεια των στατιστικών δεδοµένων που συλλέχθηκαν και του πηγαίου κώδικα διαπιστώθηκε ότι οι πληροφορίες που προέκυπταν από το στατιστικό αυτό δεν ήταν χρήσιµες για την µελέτη µας. Παρακάτω παρατίθεται η γραφική παράσταση του Transmitted Carrier Power για ένα χρήστη σε κατάσταση CELL_DCH. Παρατηρείται ότι ο λόγος της ισχύος στην 2 Μονάδα µέτρησης ισχύος, ξεκινώντας από την παραδοχή ότι 0dB αντιστοιχούν σε 1mW. Εκφράζει το κέρδος που υποθέτουµε ότι θα προέκυπτε από είσοδο 1mW στην συνολική ισχύ [21][22]. 38

39 αρχή της µετάδοσης ξεκινά περίπου στα 0,16 και πέφτει αργά, λίγο πιο πάνω από τα 0,15. Η µέγιστη δυνατή ισχύς µετάδοσης του Νοde-B ισούται µε 20W (καθορίζεται στο αρχείο «umts_defs.h»). Συνεπώς µε βάση τα παραπάνω στατιστικά στοιχεία, η ισχύς µετάδοσης κυµαίνεται κατά µέσο όρο λίγο πιο πάνω από 3W, εξαιρετικά υψηλή για κανάλι µετάδοσης PTP. Σχήµα 17: Γραφική παράσταση στατιστικού "Transmitted Carrier Power" για ένα χρήστη Μελετώντας την συνάρτηση «umts_global_node_b_power_limit_check» (βρίσκεται στο αρχείο «umts_support.c») διαπιστώθηκε ότι το στατιστικό αυτό υπολογίζει τον λόγο της συνολικής ισχύος που έχει υπολογιστεί για κάθε φυσικό κανάλι που είναι ενεργό τη δεδοµένη χρονική στιγµή και όχι την ισχύ του καναλιού που χρησιµοποιείται για µετάδοση εκείνη την στιγµή, προς τη µέγιστη δυνατή. Το κανάλι FACH και το CPICH (Common Pilot Channel) είναι πάντα ενεργά. Σε αυτά προστίθενται όλα τα κανάλια σηµατοδοσίας (signaling) και όσα κανάλια µεταφοράς δεδοµένων πληροφορίας είναι ενεργά την στιγµή του υπολογισµού και για αυτό το λόγο η τιµή που προκύπτει για το στατιστικό είναι τόσο υψηλή. 39

40 5.2.3 Κίνητρα για την επιλογή των νέων στατιστικών Το γεγονός ότι τα προκαθορισµένα στατιστικά στοιχεία που συλλέγονταν από το OpNet δεν ικανοποιούσαν τις απαιτήσεις των προσοµοιώσεων οδήγησε στη δηµιουργία νέων που θα εξυπηρετούσαν τον σκοπό της παρούσης εργασίας. Για την επιλογή των κατάλληλων στατιστικών έγιναν διάφορες παρατηρήσεις σχετικά την οργάνωση και την λειτουργία του Node-B. Ο καθορισµός του φυσικού καναλιού µετάδοσης δεδοµένων, ενός από τα 250 στο σύνολο τους, εξαρτάται από το ποιά είναι ήδη ενεργά. Όταν είναι απαραίτητη η δέσµευση ενός νέου καναλιού, γίνεται διαδοχική αναζήτηση και αναζητείται το πρώτο που θα βρεθεί ανενεργό και συνεπώς ελεύθερο να δεσµευτεί. Στην αρχή της προσοµοίωσης, το κανάλι FACH ενεργοποιείται πάντα, πρώτο από τα υπόλοιπα και δεσµεύει το φυσικό κανάλι 0, ενώ αµέσως µετά το DSCH δεσµεύει το φυσικό κανάλι 1. Κατόπιν, τα επόµενα κανάλια που δηµιουργούνται είναι εκείνα της σηµατοδοσίας και τέλος και όποτε απαιτείται της µεταφοράς. Επιπλέον, κατά την απαίτηση της δηµιουργίας µία νέας ασύρµατης σύνδεσης από τον RNC στον Node-B, προσδιορίζεται αν η σύνδεση θα αφορά σηµατοδοσία ή µεταφορά δεδοµένων πληροφορίας ανάλογα µε µία ακέραια τιµή. Για τα φυσικά κανάλια σηµατοδοσίας, το QoS έχει την τιµή -2 όσο και η προκαθορισµένη µεταβλητή UMTSC_UNDEFINED_QOS_CLASS (αρχείο «umts_def.h») ενώ για τις τάξεις ποιότητα υπηρεσίας του UMTS, Conversational, Streaming, Interactive και Background είναι 0, 1, 2 και 3 αντίστοιχα. Για κάθε Node-B υπάρχει µια καθολική (global) µεταβλητή, η «global_node_b_tx_info» (δοµή «UmtsT_Global_Tx_Info» - αρχείο «umts_defs.h») που κρατά πληροφορίες σχετικά µε την κατάσταση των φυσικών καναλιών µετάδοση, 250 στο σύνολο τους. Για κάθε κανάλι υπάρχουν διάφορες πληροφορίες όπως αν είναι ενεργό, ποιό είναι το επιδιωκόµενο Eb/No και ποιά είναι η τρέχουσα ισχύ που έχει υπολογιστεί για αυτό και θα χρησιµοποιηθεί στην αµέσως επόµενη µετάδοση µε το κανάλι αυτό. Με τη σειρά τους, τα πακέτα που είναι έτοιµα να µεταδοθούν πάνω από το φυσικό µέσο κρατούν πληροφορίες σχετικά µε το φυσικό κανάλι µετάδοσης που θα χρησιµοποιηθεί για την µετάδοση στη µεταβλητή «channel_settings_ptr» (δοµή «UmtsT_Physical_Channel_Settings» - αρχείο «umts_defs.h»). Κάποιες από τις πληροφορίες αυτές είναι ο αύξοντας αριθµός του καναλιού που προσδιορίζει ποιο 40

41 από τα 250 κανάλια θα χρησιµοποιηθεί και η ποιότητα υπηρεσίας που χαρακτηρίζει το είδος της πληροφορίας που µεταφέρουν τα αντίστοιχα πακέτα. Οι παραπάνω πληροφορίες, µε την προσθήκη των κατάλληλων στατιστικών, θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν συνδυαστικά έτσι ώστε να διαπιστωθεί η σωστή τιµή της συνολική ισχύος µετάδοσης ανά bit δεδοµένων επιπέδου εφαρµογής. Το κάθε πακέτο δείχνει το κανάλι που θα χρησιµοποιηθεί για µετάδοση και το κανάλι προσδιορίζει την ποιότητα υπηρεσιών (QoS) που διακρίνει τα πακέτα δεδοµένων από τα πακέτα σηµατοδοσίας Προσθήκη νέων στατιστικών Για τις απαιτήσεις της παρούσης µελέτης προστέθηκαν τέσσερα νέα στατιστικά: Transmitted packets (bits) Power of transmission channel (W) Channel of transmitted packet QOS of transmission channel H καταγραφή των στατιστικών γίνεται πριν την προώθηση κάθε πακέτου στον ποµπό του Νode-B. Το πρώτο από αυτά καταγράφει τη χρονική στιγµή και το µέγεθος του πακέτου που θα µεταδοθεί σε bits. Συνδυάζοντας τις πληροφορίες του προς µετάδοση πακέτου και της καθολικής µεταβλητής «global_node_b_tx_info», το στατιστικό Power of transmission channel καταγράφει την ισχύ που θα χρησιµοποιηθεί για την µετάδοση. Με το Channel of transmitted packet θα προσδιοριστεί το κανάλι που πρόκειται να χρησιµοποιηθεί και µε το QOS of transmission channel η ποιότητα υπηρεσίας, που ουσιαστικά χαρακτηρίζει τα πακέτα που θα µεταδοθούν, αν είναι δεδοµένων ή σηµατοδοσίας Αποτελέσµατα προσοµοίωσης για τα κανάλια DCHs Παρακάτω παρουσιάζονται ενδεικτικά οι γραφικές παραστάσεις των νέων στατιστικών που αφορούν το σενάριο προσοµοίωσης των 5 χρηστών. Οι παρατηρήσεις και τα συµπεράσµατα είναι ανάλογα για όλα τα σενάρια που προσοµοιώθηκαν και στα οποία έγινε χρήση καναλιών DCH. 41

42 Σχήµα 18: Γραφική παράσταση στατιστικού "Transmitted packets (bits)" για το σενάριο 5 χρηστών Σύµφωνα µε την γραφική παράσταση των µεταδιδόµενων πακέτων δηλ. του στατιστικού «Transmitted packets (bits)» (Σχήµα 18) υπάρχουν δύο είδη πακέτων, αυτά που έχουν µέγεθος 1280bits και εκείνα που έχουν 50bits γεγονός που παρατηρείται στις γραφικές παραστάσεις του ίδιου στατιστικού για όλα τα σενάρια. Σχήµα 19: Γραφική παράσταση στατιστικού "QoS of transmission channel" για το σενάριο 5 χρηστών Με βάση τη γραφική παράσταση της ποιότητας υπηρεσίας, στατιστικό «QOS of transmission channel», (Σχήµα 19) διαπιστώνεται ότι τα πακέτα των 1280bits είναι 42

43 πακέτα δεδοµένων, ενώ αυτά των 50bits είναι πακέτα που µεταφέρουν πληροφορία σηµατοδοσίας (signaling). Η γραφική παράσταση των καναλιών των µεταδιδόµενων πακέτων δηλ. του «Channel of transmitted packet» φαίνεται στο Σχήµα 20. Τα κανάλια 2, 3, 4, 5 και 6 που παρουσιάζουν µία οµοιότητα στη πυκνότητα των σηµείων είναι κανάλια σηµατοδοσίας ενώ τα 7, 8, 9, 10, 11 που επίσης µοιάζουν στην πυκνότητα των σηµείων τους, είναι κανάλια µεταφοράς δεδοµένων πληροφορίας. Τα παραπάνω συµπεράσµατα για την ποιότητα υπηρεσίας και τα κανάλια µεταφοράς επιβεβαιώνονται µεταξύ τους. Έξάλλου, τα δυο αυτά στατιστικά προστέθηκαν κυρίως για να επιβεβαιώνει το ένα το άλλο έτσι ώστε να µην γίνει λάθος εκτίµηση για το ποιά είναι πακέτα δεδοµένων και ποιά σηµατοδοσίας (signaling). Σχήµα 20: Γραφική παράσταση στατιστικού "Channel of transmitted Packet" για το σενάριο 5 χρηστών Στη γραφική παράσταση της ισχύος (Σχήµα 21) παρατηρείται ότι σε κάποιες χρονικές στιγµές η ισχύς που καταναλώνεται για την µετάδοση πακέτου είναι πολύ µικρή, κοντά στο µηδέν και άλλες φορές φτάνει και τα 0,45W. Αυτό συµβαίνει διότι οι απαιτήσεις για ισχύ είναι µικρές όταν πρόκειται για κανάλια σηµατοδοσίας, πιθανό λόγω διαφορετικού ρυθµού κωδικοποίησης (coding rate) τους από τα υπόλοιπα 43

44 κανάλια και για τα κανάλια µετάδοσης δεδοµένων όταν ο χρήστης βρίσκεται πολύ κοντά στο σταθµό βάσης. Σχήµα 21: Γραφική παράσταση στατιστικού "Power of transmission channel (W)" για το σενάριο 5 χρηστών Τα πακέτα που µετρώνται είναι πακέτα φυσικού επιπέδου ή πιο συγκεκριµένα πακέτα επιπέδου MAC/RLC. Για να εξακριβωθεί η σωστή διαµόρφωση και λειτουργία του δικτύου έπρεπε να υπολογιστούν το πλήθος των πακέτων επιπέδου εφαρµογής που καταλήγουν τελικά στον Node-B και το ποσοστό απωλειών εντός του δικτύου κορµού. Μετά από µελέτη των διαδικασιών που ακολουθεί ο RNC («rnc.pr.m») για την κατάτµηση των πακέτων υπό τις προδιαγραφές µοντελοποίησης του δικτύου (Μη επιβεβαιωµένη κατάσταση RLC RLC Unacknowledged Mode, ποιότητα υπηρεσίας Background, κανάλι DCH) διαπιστώθηκε ότι το µέγεθος του κάθε τµήµατος του PDU ισούται µε 1280bits. Από το επίπεδο εφαρµογής µέχρι πριν το επίπεδο MAC/RLC, το κάθε πακέτο δεδοµένων πληροφορίας περνά από την εξής διαδικασία προσθήκης επικεφαλίδων: Επίπεδο Εφαρµογής: 512bytes + UDP_Header = = 4160bits Eπίπεδο Μεταφοράς: 4160bits + IP_Header = = 4320bits Στο επίπεδο MAC/RLC, υπολογίζεται ότι για τα κανάλια DCH δεν θα υπάρχουν επικεφαλίδες MAC ενώ οι επικεφαλίδες RLC θα έχουν µέγεθος 8bits για όλα τα τµήµατα εκτός του τελευταίου που θα έχει 24bits. Συνεπώς, το κάθε PDU των 44

45 4320bits διασπάται σε 4 τµήµατα των 1280bits που το κάθε ένα έχει πραγµατικό φορτίο (payload) 1272bits εκτός του τελευταίου που έχει 504bits συν 752 γέµισµα (padding). Με βάση όλα τα παραπάνω, ανά τέσσερα τα πακέτα που στέλνονται από τον Node-B αντιπροσωπεύουν ένα πακέτο επιπέδου εφαρµογής που έφτασαν σε αυτόν µέσω του CN. Ο παρακάτω πίνακας, Πίνακας 2 παρουσιάζει τις απώλειες στο δίκτυο κορµού. Φαίνεται να χάνεται ένα πακέτο για κάθε σύνοδο (session). #UE Πακέτα από τον Server Πακέτα στον Node-B Απώλειες % % % % % % % % % % Πίνακας 1: Απώλειες πακέτων επιπέδου εφαρµογής στο CN Η παρατήρηση αυτή φαίνεται να είναι ορθή καθώς διαπιστώνεται ότι για όλα τα σενάρια προσοµοίωσης, για κάθε σύνοδο (session) παρατηρείται το φαινόµενο της γραφικής παράστασης του Σχήµατος 22 στην οποία περιγράφεται ο ρυθµός µετάδοσης και παραλαβής πακέτων για την εφαρµογή Custom_Appl_0. Η κάθε κορύφωση (peak) εκφράζει την µετάδοση κα παραλαβή ενός πακέτου. ιαπιστώνεται η απώλεια του πρώτου πακέτου από τον χρήστη. Πιθανόν το πρώτο πακέτο για κάθε σύνοδο (session) να απορρίπτεται από τον RNC, αφού πρώτα τα αποθήκευσε για προκαθορισµένο χρόνο, επειδή δεν πρόλαβαν να εγκατασταθούν και να ενεργοποιηθούν έγκαιρα οι ραδιοκοµιστές (RABs). Το ποσοστό αυτό απωλειών είναι πολύ µικρό και έτσι δεν αµφισβητείται η αξιοπιστία του δικτύου. 45

46 Σχήµα 22: Γραφική Παράσταση ρυθµών µετάδοσης πακέτων από τον Server και παραλαβής από τον UE_ Αποτελέσµατα προσοµοίωσης για το κανάλι FACH Για το κανάλι FACH τα αποτελέσµατα που προκύπτουν εξαρτάται από την κατάσταση του χρήστη. Με την βοήθεια του συστήµατος εκσφαλµάτωσης ODB (OPNET simulation Debugger) που διαθέτει το OpNet διαπιστώθηκε ότι στα σενάρια που οι χρήστες βρίσκονται στη κατάσταση CELL_DCH και γίνεται χρήση των DCH καναλιών, δεσµεύεται το κανάλι FACH από την αρχή της προσοµοιώσεων µε ισχύ 2,022W. Παραµένει ενεργό µέχρι το τέλος των προσοµοιώσεων έχοντας δεσµεύσει ισχύ της κεραίας, χωρίς να υπάρχει ένδειξη ότι χρησιµοποιείται. Αυτό αντιµετωπίζεται από τα στατιστικά που προστέθηκαν και τα οποία κάνουν αναλυτικές µετρήσεις. Όταν οι χρήστες βρίσκονται σε κατάσταση CELL_FACH, το κανάλι δεσµεύεται και πάλι αλλά τώρα η ισχύς του ισούται µε 0,2W, πράγµα που διαπιστώνεται µε την βοήθεια εκσφαλµάτωσης αλλά και του στατιστικού «Power of transmission channel» όπως φαίνεται και στο Σχήµα

47 Σχήµα 23: Γραφική παράσταση στατιστικού "Power of transmission channel (W)" για το σενάριο ενός χρήστη σε κατάσταση CELL_FACH Τα σηµεία µε τιµή κοντά στο µηδέν αντιπροσωπεύουν την ισχύ για το κανάλι σηµατοδοσίας (signaling) ενώ φαίνεται καθαρά η ισχύς του καναλιού FACH. εν υπάρχει έλεγχος ισχύος, έτσι η ισχύς παραµένει σταθερή µέχρι το τέλος της προσοµοίωσης, ίση µε 0,2W. εν θεωρήθηκε σκόπιµο να παρουσιαστούν οι υπόλοιπες γραφικές παραστάσεις των στατιστικών διότι δεν παίζουν ρόλο στον υπολογισµό της ισχύος αφού είναι σταθερή για κάθε πακέτο δεδοµένων πληροφορίας. Παρόλο που το κανάλι φαίνεται να λειτουργεί σωστά για ένα χρήστη, µετά την προσοµοίωση του σεναρίου µε τρεις χρήστες που χρησιµοποιούν το κανάλι FACH βρισκόµενοι σε κατάσταση CELL_FACH, αποδεικνύεται το αντίθετο. εν είναι γνωστό πως ακριβώς χρησιµοποιείται το κανάλι όταν οι χρήστες είναι περισσότεροι από ένας. Το αναµφισβήτητο γεγονός που αποδεικνύει την µη ορθή λειτουργία του καναλιού είναι ο συνολικός αριθµός πακέτων που αποστέλλονται από τον Node-B. Και για τους τρεις χρήστες µεταδίδονται 109 πακέτα επιπέδου εφαρµογής ενώ θα έπρεπε να µεταδοθούν 50 ή το λιγότερο 49 πακέτα αν λειτουργούσε σωστά και να λαµβάνονταν από όλους. Όπως φαίνεται, το FACH µεταδίδει πακέτα χωριστά σε κάθε χρήστη και όχι από κοινού. Έτσι αναγκαστικά χρησιµοποιείται το σενάριο ενός χρήστη για τις 47