ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας της Πληροφορίας Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Στέλιου Γιαννή του Κλεομένη Αριθμός Μητρώου: 2414 Θέμα Διαδικασίες και Αλγόριθμοι Handover για Συστήματα Κινητής Επικοινωνίας Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος, Καθηγητής Πάτρα, Φεβρουάριος 2012 1
Π Ι Σ Τ Ο Π Ο Ι Η Σ Η Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ HANDOVER ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΣΤΕΛΙΟΥ ΓΙΑΝΝΗ Α.Μ.: 2414 παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης, Καθηγητής 2
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Θέμα: «Διαδικασίες και Αλγόριθμοι Handover για Συστήματα Κινητής Επικοινωνίας» Φοιτητής: Στέλιος Γιαννής Επιβλέπων: Κωτσόπουλος Σταύρος, Καθηγητής 3
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται και αναλύεται διεξοδικά ο μηχανισμός μεταπομπής (handover) σε συστήματα κινητής επικοινωνίας. Οι μέθοδοι μεταπομπής βρίσκουν σημαντική εφαρμογή στα κυψελωτά συστήματα (cellular systems) και κατηγοριοποιούνται με βάση διάφορα χαρακτηριστικά τους, σε handovers σε σκληρά ή μαλακά, οριζόντια ή κάθετα, ελεγχόμενα από το Δίκτυο ή από την κινητή συσκευή, ή υποβοηθούμενα από την κινητή συσκευή. Σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες handover παίζουν οι αλγόριθμοι απόφασης. Βασικές κατηγορίες αλγορίθμων απόφασης handover είναι αυτοί που στηρίζονται στη στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος, οι αλγόριθμοι που στηρίζονται σε fuzzy logic και οι αλγόριθμοι προτεραιότητας. Στην παρούσα εργασία προσομοιάζεται ένας αλγόριθμος προτεραιότητας γνωστός ως SJscheme με χρήση του λογισμικού Matlab και ειδικότερα των υποσυστημάτων του Simulink και Stateflow. Το προταθέν μοντέλο αποτελείται από έξι βασικά επιμέρους υποσυστήματα: το Υποσύστημα Εισόδου (Input Subsystem), το Υποσύστημα Καθορισμού της Χωρητικότητας των Καναλιών (Channels Size Subsystem), το Υποσύστημα Μνήμης (Memory Subsystem), το Υποσύστημα Ολοκλήρωσης Κλήσεων (Call Completion Subsystem), το Υποσύστημα των Αποτελεσμάτων (Scope Subsystem) και το Υποσύστημα Handover (Handover Subsystem) που αποτελεί την «καρδιά» του μοντέλου και περιλαμβάνει δύο βασικά blocks, ένα το οποίο υλοποιεί τη διαδικασία διαχείρισης νέων κλήσεων (New_calls_process) και ένα που υλοποιεί τη διαδικασία διαχείρισης των handovers (Handover_process). Πέραν της δημιουργίας μοντέλου προσομοίωσης, στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά και σχολιάζονται τα αποτελέσματα εκτέλεσης της προσομοίωσης και τα μετρούμενα μεγέθη. Μέσα από τις γραφικές αναπαραστάσεις που παράγονται και εξετάζονται, γίνεται αντιληπτός ο τρόπος λειτουργίας και οι ιδιαιτερότητες του προτεινόμενου μοντέλου. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ Κυψελωτά Συστήματα, Μεταπομπή, Αλγόριθμοι handover, Αλγόριθμοι προτεραιότητας, Προσομοίωση Simulink. 4
ABSTRACT In the current study the mechanism of switching between cells (handover) in mobile communication systems is presented and analyzed in detail. The handover methods are mainly applied in cellular systems and categorized according to various characteristics in hard or soft handovers, horizontal or vertical handovers, and handovers controlled by the network or the mobile device, or assisted by the mobile device. Handover decision algorithms play important role in the described processes. Main categories of handover decision algorithms are those based on the received signal strength, fuzzy logic and priority. In this study, a priority algorithm known as SJ-scheme is simulated, using Matlab software and, in particular subsystems Simulink and Stateflow. The proposed model consists of six major subsystems: Input Subsystem, Channels Size Subsystem, Memory Subsystem, Call Completion Subsystem, Scope Subsystem and Handover Subsystem which is the "heart" of the model and includes two main blocks, one that implements the new call management process and one that implements the procedure for managing handovers. Besides creating a simulation model, in this work results of running the simulation and measured data are presented and discussed. Matlab plots and graphical representations produced are examined to make clear the way that the proposed model works. KEYWORDS Cellular systems, Hanover, Handoff, Handover algorithms, Priority algorithms, Sinulink simulation. 5
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την αμέριστη συμπαράσταση της καθ' όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Χωρίς αυτούς τίποτα από τα παρακάτω δε θα είχε πραγματοποιηθεί. Θερμά ευχαριστώ τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Σταύρο Κωστόπουλο για το ενδιαφέρον που έδειξε καθώς και για τη βοήθεια που μου προσέφερε οποτεδήποτε τη χρειάστηκα. 6
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΜΕΤΑΠΟΜΠΗΣ... 17 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...177 2.2 ΜΕΤΑΠΟΜΠΗ (HANDOVER)... 17 2.3 ΠΕΡΙΑΓΩΓΗ (ROAMING)... 19 2.4 ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ... 20 2.4.1 ΔΙΚΤΥΑ GSM (2G)... 22 2.4.2 ΔΙΚΤΥΑ 2.5G... 23 2.4.3 ΔΙΚΤΥΑ 3G... 23 2.4.4 ΔΙΚΤΥΑ 4G... 24 2.5 ΣΤΑΔΙΑ HANDOVER... 25 2.6 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΦΑΣΗΣ HANDOVER... 26 2.7 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ HANDOVER... 27 2.7.1 HANDOVERS ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (NETWORK CONTROLLED HANDOVERS- NCH)... 28 2.7.2 HANDOVERS ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΙΝΗΤΗ ΣΥΣΚΕΥΗ (MOBILE CONTROLLED HANDOVERS-MCH)... 29 2.7.3 HANDOVERS ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΙΝΗΤΗ ΣΥΣΚΕΥΗ (MOBILE ASSISTED HANDOVERS-MAH)... 30 2.8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ HANDOVER ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ... 32 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 32 3.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ HANDOVER... 32 3.3 ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ HANDOVER... 33 3.4 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΑΠΟΦΑΣΗΣ HANDOVER... 34 3.4.1 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ... 35 3.4.1.1 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ RSS ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ... 36 3.4.1.2 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ RSS ΜΕ ΥΣΤΕΡΗΣΗ (HYSTERISIS)... 36 7
3.4.2 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ FUZZY LOGIC... 37 3.4.3 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΠΡΟΤΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ... 38 3.5 ΔΕΙΚΤΕΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (PERFORMANCE INDICATORS)... 44 3.6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ HANDOVER - CASE STUDY... 46 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 46 4.2 ΠΛΑΤΦΟΡΜΕΣ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ... 46 4.2.1 OPNET... 46 4.2.2 SDL... 47 4.2.3 MATLAB - SIMULINK... 47 4.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΠΡΟΤΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ... 48 4.3.1 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ... 48 4.3.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ... 58 4.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 70 8
ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1: Μοντέλο Κυψελωτών Δικτύων 20 Σχήμα 3.1: Διαδικασία Εκτέλεσης Handover 35 Σχήμα 3.2: Το Μοντέλο SJ (SJ-Scheme) 40 Σχήμα 3.3: Διαχείριση Νέων Κλήσεων Αλγόριθμου Προτεραιότητας 40 Σχήμα 3.4: Διαχείριση Handovers Αλγόριθμου Προτεραιότητας 41 Σχήμα 4.1: Μοντέλο Αλγόριθμου Προτεραιότητας Handover στο Simulink 49 Σχήμα 4.2: Υποσύστημα Παραγωγής Εισόδων Προσομοίωσης 51 Σχήμα 4.3: Υποσύστημα Προεπιλογής Μεγέθους Καναλιών Προσομοίωσης 51 Σχήμα 4.4: Υποσύστημα Μνήμης 52 Σχήμα 4.5: Υποσύστημα Ολοκλήρωσης Κλήσεων (Call Completion Subsystem) 53 Σχήμα 4.6: Υποσύστημα Ειδοποίησης Αλγόριθμου για την Ολοκλήρωση Κλήσεων 53 Σχήμα 4.7: Υποσύστημα Αποτελεσμάτων (Scope Subsystem) 55 Σχήμα 4.8: Ο Αλγόριθμος Handover με Stateflow 56 Σχήμα 4.9: Block Νέων Κλήσεων του Αλγόριθμου Handover με Stateflow 57 Σχήμα 4.10: Block Handover Κλήσεων του Αλγόριθμου Handover με Stateflow 58 Σχήμα 4.11: Δείγματα Παραγόμενων Αιτημάτων Κλήσεων 59 Σχήμα 4.12: Χρονικά Βήματα Παραγωγής Δειγμάτων Αιτημάτων Εισόδου 59 Σχήμα 4.13: Συνολικός Αριθμός Κλήσεων 60 Σχήμα 4.14: Συνολικός Αριθμός Handovers 60 Σχήμα 4.15: Συνολικός Αριθμός Κλήσεων που Εξυπηρετούνται 61 Σχήμα 4.16: Αριθμός Real Time Κλήσεων που Μπλοκάρονται 61 Σχήμα 4.17: Αριθμός Αιτημάτων Handover που Τοποθετούνται στην Ουρά 62 Σχήμα 4.18: Αριθμός Handover Αιτημάτων που Ενεργοποιούνται 62 Σχήμα 4.19: Αριθμός Handover Κλήσεων που Μπλοκάρονται 63 Σχήμα 4.20: Αριθμός Κλήσεων Non Real Time που Μπλοκάρονται 63 Σχήμα 4.21: Συνολικός Αριθμός Κλήσεων Non Real Time 64 Σχήμα 4.22: Συνολικός Αριθμός Κλήσεων Real Time 64 Σχήμα 4.23: Αριθμός Κλήσεων που Εξυπηρετούνται από το Κανάλι RC 65 Σχήμα 4.24: Αριθμός Κλήσεων που Εξυπηρετούνται από το Κανάλι NC 65 Σχήμα 4.25: Αριθμός Κλήσεων που Εξυπηρετούνται από το Κανάλι CC 66 9
10
ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 4.1: Κωδικοποίηση Αιτημάτων Μοντέλου Προσομοίωσης 50 Πίνακας 4.2: Μεταβλητές Αποτελεσμάτων Αλγορίθμου Handover 54 11
ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ 1G 1st Generation Network 2G 2nd Generation Network 2.5G 2.5th Generation Network 3G 3rd Generation Network 4G 4th Generation Network AMPS Advanced Mobile Phone Systems BER Bit Error Rate BSC Base Station Controller BSS Base Station Subsystem BTS Base Transmission Station CC Control Channels CDMA Code Division Multiple Access CT Cell Traffic EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile telecommunications HR Handover Request KPI Key Performance Indicator MAH Mobile Assisted Handover MCH Mobile Controlled Handover MSC Mobile Switcing Center MSS Mobile Station Subsystem NC Non real time Channel NCH Network Controlled Handover NHRQ Non real time Handover Request Queue NMT Nordic Mobile Telephone QoS Quality of Service RC Real time Channel RHRQ Real time Handover Request Queue RSS Received Signal Strength SH Soft Handover SJ Salamah and Jibrili scheme SNR Signal to Noise rate Ratio 12
TACS TDD UMTS WCDMA ΣΒ Total Access Communication Systems Time Division Duplex Mobile Telephone System Wideband Code Division Multiple Access Σταθμός Βάσης 13
Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Μία ιδιαίτερα σημαντική κατηγορία συστημάτων επικοινωνίας είναι αυτά που επιτρέπουν την επικοινωνία εν κινήσει. Ένα κινητό τηλέφωνο που απομακρύνεται από την εμβέλεια ενός σταθμού εκπομπής και εισέρχεται σε γεωγραφική περιοχή, που καλύπτεται από κάποιο άλλο σταθμό, για να έχει ομαλή και συνεχή λειτουργία θα πρέπει να κάνει μεταπομπή (handover ή handoff). Είναι ιδιαίτερα σημαντικό να διασφαλίζεται ότι το handover διενεργείται με πολύ υψηλή ταχύτητα και χωρίς να γίνεται αντιληπτό από τους χρήστες των κινητών συσκευών. Επιπλέον, οι αποτελεσματικοί αλγόριθμοι handover θα πρέπει να επιτυγχάνουν διατήρηση και ενδεχομένως βελτίωση της Ποιότητας Εξυπηρέτησης (QoS) των συστημάτων επικοινωνίας. Τα παραπάνω βρίσκουν εφαρμογή στα κυψελωτά συστήματα (cellular systems), η κεντρική ιδέα των οποίων είναι η χρήση πολλαπλών σταθμών μικρής ισχύος, που καλούνται κυψέλες (cells), αντί μεγάλων σταθμών μετάδοσης υψηλής ισχύος. Ο επιμερισμός των κλήσεων σε πολλαπλές κυψέλες, επιλύει το πρόβλημα χωρητικότητας και συμφόρησης. Τα ασύρματα κυψελωτά συστήματα χωρίζονται σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες / γενιές: Πρώτη (1G), Δεύτερη (2G), Τρίτη (3G) και Τέταρτη (4G). Η διαδικασία handover εφαρμόζεται σε όλες τις παραπάνω κατηγορίες και διαχωρίζεται σε τρία βασικά στάδια, το Στάδιο Απόφασης, το Στάδιο Σχεδιασμού και το Στάδιο Εκτέλεσης. Επιπλέον τα handovers διακρίνονται σε «σκληρά» (hard), όπου η επικοινωνία διακόπτεται πριν αποκατασταθεί εκ νέου με το νέο Σταθμό Βάσης και «μαλακά» (soft), όπου η διακοπή της επικοινωνίας πραγματοποιείται αφού η νέα σύνδεση έχει επιτυχώς ολοκληρωθεί. Ένας άλλος σημαντικός διαχωρισμός είναι το Οριζόντιο (Horizontal) Handover, όπου η εναλλαγή γίνεται μεταξύ δύο Σταθμών Βάσης ίδιας τεχνολογίας έναντι του Κάθετου (Vertical) handover, όπου οι υποκείμενες τεχνολογίες είναι εν γένει διαφορετικές. Μία ακόμη σημαντική κατηγοριοποίηση προκύπτει βάσει του τρόπου λήψης αποφάσεων, σε handovers Ελεγχόμενα από το Δίκτυο, Ελεγχόμενα από την Κινητή Συσκευή και Υποβοηθούμενα από την Κινητή Συσκευή. Στην πρώτη περίπτωση, το Δίκτυο καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής για όλες τις κινητές συσκευές εντός της εμβέλειάς του και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Στη δεύτερη περίπτωση, 14
κάθε κινητή συσκευή καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Στην Τρίτη περίπτωση κάθε κινητή συσκευή καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής και τις προωθεί στο Δίκτυο, το οποίο και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Μία βασική κατηγορία αλγορίθμων απόφασης handover είναι αυτοί που στηρίζονται στη στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος. Οι αλγόριθμοι αυτοί αποφασίζουν την πραγματοποίηση ενός handover από ένα Σταθμό Βάσης σε ένα άλλο όταν η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος του δεύτερου ξεπεράσει αυτή του πρώτου. Άμεσα συνυφασμένες έννοιες με αυτή την κατηγορία αλγορίθμων είναι το κατώφλι (threshold) και η υστέρηση (hysteresis) ισχύος. Οι αλγόριθμοι fuzzy logic αποτελούν μια ακόμη σημαντική κατηγορία και προτιμούνται συνήθως λόγω της ευκολίας εννοιολογικής τους κατανόησης και της ευρύτητας του πεδίου εφαρμογών τους. Οι αλγόριθμοι προτεραιότητας (priority) εκτελούν handovers με βάση την προτεραιότητα που λαμβάνει το αίτημα, μέσα από μια λογική δρομολόγησης πολλαπλών αιτημάτων. Προϋποθέτει τη χρήση συγκεκριμένων καναλιών, στα οποία κρατούνται οι απαραίτητες πληροφορίες αιτημάτων και καθορίζονται οι σχετικές προτεραιότητες. Στην παρούσα εργασία προσομοιάζεται ένας αλγόριθμος προτεραιότητας στηριζόμενος στo μοντέλο SJ (SJ-scheme) με χρήση του λογισμικού Matlab και ειδικότερα των υποσυστημάτων του Simulink και Stateflow. Το υλοποιηθέν μοντέλο τροφοδοτεί τον αλγόριθμο με μια σειρά συμβάντων (events), τα οποία κωδικοποιούν και αναδεικνύουν τη συμπεριφορά του αλγορίθμου σε διάφορες φάσεις της προσομοίωσης. Το προταθέν μοντέλο αποτελείται από έξι βασικά επιμέρους τμήματα / υποσυστήματα: (1) το Υποσύστημα Εισόδου (Input Subsystem), το οποίο δημιουργεί τους τύπους αιτημάτων κλήσεων που καλείται να διαχειριστεί κάθε φορά ο αλγόριθμος, (2) το Υποσύστημα Καθορισμού της Χωρητικότητας των Καναλιών (Channels Size Subsystem) που τροφοδοτεί τον αλγόριθμο με προεπιλεγμένες τιμές-παραμέτρους που καθορίζουν τη χωρητικότητα των χρησιμοποιούμενων καναλιών, (3) το Υποσύστημα Μνήμης (Memory Subsystem) που χρησιμοποιείται για ανατροφοδότηση στο βασικό αλγόριθμο της τρέχουσας χωρητικότητας των καναλιών και των ουρών, (4) το Υποσύστημα Ολοκλήρωσης Κλήσεων (Call Completion Subsystem), το οποίο 15
προσομοιάζει τη διάρκεια ολοκλήρωσης μιας κλήσης εισάγοντας τον απαραίτητο χρόνο καθυστέρησης και ενημερώνοντας κατάλληλα τους μετρητές του βασικού αλγόριθμου, (5) το Υποσύστημα των Αποτελεσμάτων (Scope Subsystem) που αποθηκεύει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, δηλαδή τις παραμέτρους - μεταβλητές που ενημερώνει ο αλγόριθμος handover και (6) το Υποσύστημα Handover (Handover Subsystem) που αποτελεί την «καρδιά» του μοντέλου, διασυνδέεται και ανταλλάσει δεδομένα με όλα τα άλλα υποσυστήματα και υλοποιεί τον πυρήνα του αλγορίθμου της παρούσας εργασίας. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος εμπεριέχει, δύο βασικά blocks, ένα το οποίο υλοποιεί τη διαδικασία διαχείρισης νέων κλήσεων (New_calls_process) και άλλο ένα που υλοποιεί τη διαδικασία διαχείρισης των handovers (Handover_process). Ο εν λόγω αλγόριθμος έχει εκτελεσθεί για ένα προεπιλεγμένο σύνολο τιμών και τα μετρούμενα μεγέθη παρουσιάζονται αναλυτικά και σχολιάζονται με τη βοήθεια των σχετικών γραφημάτων. 16
Κεφάλαιο 2: Κυψελωτά Συστήματα και Κατηγορίες Μεταπομπής 2.1 Εισαγωγή Μία από τις σημαντικότερες κατηγορίες των συστημάτων επικοινωνίας είναι αυτά που επιτρέπουν την κινητικότητα (mobility), δηλαδή την επικοινωνία από πολλαπλά γεωγραφικά σημεία ή από μία άλλη οπτική την επικοινωνία «εν κινήσει» (Λογοθέτης, Μ., 2001). Αυτό που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι η κίνηση σε μεγάλες αποστάσεις ακόμη και εκτός συνόρων μιας χώρας. Στην περίπτωση αυτή η διαδικασία και τα προβλήματα επικοινωνίας δεν έχουν να κάνουν με ένα πάροχο επικοινωνίας αλλά με πολλαπλούς που εδρεύουν ενδεχομένως σε διαφορετικές χώρες. Πρόκειται σε κάθε περίπτωση για ζήτημα που απαιτεί συγχρονισμό και ενιαία αντιμετώπιση. Για παράδειγμα ένα κινητό τηλέφωνο που απομακρύνεται από την εμβέλεια ενός παρόχου και εισέρχεται σε γεωγραφική περιοχή που καλύπτεται από κάποιον άλλο πάροχο, για να έχει ομαλή και συνεχή λειτουργία θα πρέπει να κάνει μεταπομπή (handover ή handoff) και να λαμβάνει πλέον κάλυψη από κάποιο άλλο σημείο που μπορεί να υποστηρίξει αντίστοιχη μορφή επικοινωνίας (Tripathi, D. et al., 1998). Η μεταπομπή αυτή θα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να διασφαλίζεται η άρτια μεταφορά δεδομένων χωρίς απώλειες. Στο Κεφάλαιο αυτό επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες των κυψελωτών συστημάτων και της μεταπομπής. 2.2 Μεταπομπή (Handover) Η μεταπομπή, όπως προαναφέρθηκε, διασφαλίζει την απρόσκοπτη επικοινωνία «εν κινήσει». Δεδομένης της κίνησης του κινητού τηλεφώνου, η ορθότητα των στοιχείων που συλλέγονται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ρυθμό ανανέωσης των πληροφοριών. Για να είναι εφικτός ένας υψηλός ρυθμός ανανέωσης των πληροφοριών θα πρέπει οι τερματικές συσκευές κινητής επικοινωνίας να μεταδίδουν με υψηλή 17
συχνότητα μηνύματα ανανέωσης της θέσης τους. Αυτό που συμβαίνει στην πράξη είναι, όχι ο ακριβής εντοπισμός της «φυσικής» γεωγραφικής θέσης αλλά, η καταγραφή της ισχύος των κοντινότερων σταθμών μετάδοσης ώστε να αποφασιστεί ποιοι από αυτούς είναι οι καλύτεροι υποψήφιοι για να αναλάβουν την υλοποίηση επικοινωνίας εφόσον ζητηθεί από κάποιον τρίτο. Λόγω του γεγονότος ότι οι ρυθμοί ανανέωσης των πληροφοριών εντοπισμού θέσης μπορεί να μην είναι πάντα ικανοποιητικοί, για να διασφαλιστεί η όσο το δυνατό καλύτερη και ποιοτικότερη επικοινωνία, αυτό που συμβαίνει στην πράξη είναι να εξετάζεται όχι μόνο η πιο πρόσφατη θέση που είναι αποθηκευμένη στον Καταχωρητή Θέσης (Location Register), αλλά και τα γειτονικά σημεία πρόσβασης. Το εύρος της περιοχής που εξετάζεται, είναι άμεσα εξαρτώμενο από το ρυθμό ανανέωσης των πληροφοριών στους Καταχωρητές Θέσης και την πυκνότητα των Κινητών Σταθμών. Τίθεται λοιπόν, σε επίπεδο διαχείρισης των συστημάτων κινητής επικοινωνίας, το ζήτημα εύρεσης της κατάλληλης ισορροπίας μεταξύ των πόρων που πρέπει να δαπανώνται για την εκπομπή μηνυμάτων προς μη ενεργές τερματικές συσκευές (των οποίων ο αριθμός είναι κατά κανόνα πολύ μεγάλος) και της διασφάλισης απρόσκοπτης και ποιοτικής επικοινωνίας αφού οι ίδιες υποδομές χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση των επικοινωνιών που τελικά ζητούνται. Στα σύγχρονα και παγκοσμιοποιημένα συστήματα επικοινωνίας, ο διαρκώς αυξανόμενος αριθμός των χρηστών προϋποθέτει όσο το δυνατό αποτελεσματικότερους και αποδοτικότερους μηχανισμούς διαχείρισης ενός περιορισμένου εύρους επικοινωνιακής ζώνης (bandwidth). Ως εκ τούτου, αναζητούνται συνεχώς τρόποι αποδοτικότερης διαχείρισης των δικτύων κινητής επικοινωνίας. Μία από τις επιλογές που συνήθως εξετάζονται είναι η χρήση μικρότερων κυψελών. Είναι προφανές ότι αυτό ναι μεν βελτιώνει την ποιότητα του φάσματος και μειώνει την κατανάλωση ισχύος των τερματικών κινητών συσκευών, αλλά ταυτόχρονα αυξάνει τον αριθμό των handovers, επιβαρύνοντας τελικά τη συνολική διαχείριση του συστήματος. Αναφέρθηκε ήδη ότι τα κυψελωτά συστήματα πρέπει να παρέχουν τη δυνατότητα απρόσκοπτης επικοινωνίας καθώς ο συνδρομητής μετακινείται εντός μιας περιοχής. Αυτό επιτυγχάνεται με δυναμικό τρόπο, με σύνδεση κάθε φορά της κινητής τερματικής συσκευής με τον καταλληλότερο σταθμό βάσης, φυσικά με τρόπο διάφανο (transparent) 18
και μη αντιληπτό από το χρήστη. Η δυναμική αυτή μεταβολή των συνδέσεων που πραγματοποιούνται, εξαρτάται από το συγκεκριμένο σύστημα που κάθε φορά χρησιμοποιείται, και υλοποιείται για παράδειγμα σε συστήματα FDMA (Frequency Division Multiple Access) αξιοποιώντας ένα εύρος συχνοτήτων, σε συστήματα CDMA (Code Division Multiple Access) με χρήση τεχνολογίας κωδικών-λέξεων, σε συστήματα TMDA (Time Division Multiple Aceess) μέσω μεταβολών στη χρονική διάρκεια, ενώ υπάρχουν και περιπτώσεις συνδυασμών των ανωτέρω. Εν κατακλείδι, οι αποτελεσματικοί αλγόριθμοι handover θα πρέπει να επιτυγχάνουν διατήρηση και ενδεχομένως βελτίωση της Ποιότητας Εξυπηρέτησης (QoS) των συστημάτων επικοινωνίας. Επιπλέον είναι ιδιαίτερα σημαντικό να διασφαλίζεται ότι το handover διενεργείται με πολύ υψηλή ταχύτητα και χωρίς να γίνεται αντιληπτό. 2.3 Περιαγωγή (Roaming) Στο πλαίσιο των διασυνοριακών κινητών επικοινωνιών, προκύπτει και το ζήτημα της περιαγωγής (roaming). Η περιαγωγή διασφαλίζει τη δυνατότητα επικοινωνίας σε χώρα διαφορετική από τη χώρα που λειτουργεί ο πάροχος. Τεχνικά, η περιαγωγή διασφαλίζεται με τη διατήρηση κεντρικών βάσεων δεδομένων, οι οποίες περιλαμβάνουν πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο για τη γεωγραφική θέση όλων των κινητών τηλεφώνων του τρέχοντος δικτύου μέσω του μηχανισμού των Καταχωρητών Θέσης που προαναφέρθηκε. Με την πραγματοποίηση κάθε νέας σύνδεσης, τα στοιχεία της τρέχουσας γεωγραφικής θέσης αποθηκεύονται στον Καταχωρητή Θέσης και εν συνεχεία αξιοποιούνται ώστε να εντοπιστεί το καταλληλότερο σημείο κάλυψης. Σε επιχειρησιακό επίπεδο η περιαγωγή βασίζεται σε επιμέρους συμφωνίες μεταξύ παρόχων επικοινωνιακών υπηρεσιών που εδρεύουν σε διαφορετικές χώρες. Κατά την είσοδο ενός χρήστη κινητής συσκευής σε χώρα διαφορετική της έδρας του παρόχου, το τοπικό δίκτυο της ξένης χώρας ανιχνεύει ένα αίτημα εξυπηρέτησης και ταυτόχρονα η εν λόγω κινητή συσκευή αναγνωρίζεται ως μη καταχωρημένη στους τοπικούς καταχωρητές θέσης. Στη συνέχεια ταυτοποιείται ο πάροχος που παρέχει τις υπηρεσίες, με χρήση του Διεθνούς Κωδικού Συνδρομητή Κινητής Συσκευής (International Mobile Subscriber Identifier) ο οποίος υπάρχει στην κάρτα SIM κάθε συνδρομητή. Το τελικό βήμα είναι η 19
δρομολόγηση ενός αιτήματος από τον πάροχο της ξένης χώρας στον τοπικό πάροχο με σκοπό την ανάκτηση πληροφοριών που σχετίζονται με την περιαγωγή (π.χ. δικαίωμα πρόσβασης σε υπηρεσίες περιαγωγής και χρεώσεις για τον συνδρομητή του συγκεκριμένου παρόχου) και αφού επιστραφούν και ελεγχθούν αυτές η πληροφορίες αποκαθίσταται η επικοινωνία. 2.4 Κυψελωτά Συστήματα Η κεντρική ιδέα των κυψελωτών συστημάτων (cellular systems) είναι η αντικατάσταση μεγάλων σταθμών μετάδοσης υψηλής ισχύος με πολλαπλούς μικρότερους σταθμούς μικρότερης ισχύος που καλούνται κυψέλες (cells). Κάθε μία από αυτές τις κυψέλες, κατά κανόνα καλύπτει ένα μικρό τμήμα της συνολικής γεωγραφικής περιοχής. Ο επιμερισμός των κλήσεων σε πολλαπλές κυψέλες, σε σύγκριση με τα παραδοσιακά κεντροποιημένα συστήματα, επιλύει το πρόβλημα χωρητικότητας περιορισμένων χρηστών και συμφόρησης μέσω μηχανισμών επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων (Patnaik, P., 2010). Το μοντέλο που περιγράφουμε υποθέτει ότι ένας Σταθμός Βάσης (ΣΒ) τοποθετημένος στο κέντρο μιας περιοχής, εξυπηρετεί τις κινητές συσκευές που βρίσκονται εντός της περιοχής αυτής. Αυτό σχηματικά απεικονίζεται στο Σχήμα 2.1 παρακάτω. Σχήμα 2.1: Μοντέλο Κυψελωτών Δικτύων 20
Ακολούθως, περιγράφεται η ορολογία που χρησιμοποιείται στην περιγραφή και ανάλυση κυψελωτών συστημάτων επικοινωνίας: Κινητή Συσκευή (Mobile Station): Πρόκειται για συσκευή η οποία χρησιμοποιείται εν κινήσει εντός μη προσδιορισμένης εκ των προτέρων γεωγραφικής περιοχής. Σταθμός Βάσης (Base Station): Είναι κεντρική, σταθερού σημείου συσκευή η οποία καθιστά εφικτή τη επικοινωνία των κινητών συσκευών. Κέντρο Μεταπομπής Κινητών Συσκευών (Mobile Switching Center): Πρόκειται για σύστημα συντονισμού της δρομολόγησης κλήσεων εντός μιας ευρείας περιοχής εξυπηρέτησης. Ευθύ Κανάλι (Forward Channel): Το ευθύ κανάλι χρησιμοποιείται για μεταφορά δεδομένων από το Σταθμό Βάσης στην κινητή συσκευή. Είναι επίσης γνωστό ως downlink. Ανάστροφο Κανάλι (Reverse Channel): Το ανάστροφο κανάλι χρησιμοποιείται για τη μεταφορά πληροφοριών από την κινητή συσκευή προς το Σταθμό Βάσης. Είναι επίσης γνωστό και ως uplink. Ομοκαναλική Παρεμβολή (Co-channel Interference): Πρόκειται για παρεμβολή που προκαλείται όταν τα σήματα δύο κυψελών αλληλο-παρεμβάλλονται επειδή χρησιμοποιούν κοινές συχνότητες ή κανάλια. Τα ασύρματα κυψελωτά συστήματα χωρίζονται σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: (1) Πρώτης Γενιάς (1G), (2) Δεύτερης Γενιάς (2G), (3) Τρίτης Γενιάς (3G) και (4) Τέταρτης Γενιάς (4G). Στις επόμενες ενότητες παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων κάθε κατηγορίας (εκτός των συστημάτων 1G τα οποία είναι πλέον παρωχημένα και δε χρησιμοποιούνται) και ο τρόπος λειτουργίας των σύγχρονων δικτύων επικοινωνίας καθώς επίσης και η διαδικασία handover που ακολουθείται σε κάθε περίπτωση. 21
2.4.1 Δίκτυα GSM (2G) Το GSM (Global System for Mobile telecommunications) είναι ένα ψηφιακό κυψελωτό σύστημα κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G) που χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά σήματα για την μετάδοση σημάτων. Ειδικότερα το GSM χρησιμοποιεί τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης (Multiple Access TDMA/FDMA) και διαίρεσης χρόνου και συχνοτήτων (Time and Frequency Division) σε ένα αριθμό καναλιών και χρονοθυρίδες. Το FDMA χωρίζεις τις συχνότητες σε 124 τμήματα τα οποία με τη σειρά τους διαιρούνται 8 φορές με τον χρόνο. Πρόκειται για καθαρά ψηφιακό δίκτυο, επομένως τα αναλογικά σήματα περνούν από την διαδικασία της ψηφιοποίησης. Η εμπορική εκμετάλλευση του GSM ξεκίνησε το 1991. Το 1993 είχε ήδη υιοθετηθεί από 22 χώρες και δεν αποτελούσε πλέον Ευρωπαϊκό πρότυπο, αλλά είχε εφαρμοστεί σε χώρες όπως η Νότια Αφρική και η Αυστραλία αλλά και στη Μέση Ανατολή. Η υλοποίηση μηχανισμών handover, που μεταφέρουν το σήμα από την μια κυψέλη στην άλλη αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την ορθή λειτουργία και των GSM δικτύων. τέσσερις διαφορετικοί τύποι handover είναι οι συνηθέστεροι σε GSM δίκτυα. Ειδικότερα πρόκειται για: 1. handovers εντός καναλιών της ίδιας κυψέλης, 2. handovers σε κυψέλες που ελέγχονται από τον ίδιο Σταθμό Βάσης, 3. handovers σε κυψέλες που ελέγχονται από διαφορετικούς Σταθμούς Βάσης, αλλά ανήκουν στο ίδιο Mobile Switching Center και 4. handovers σε κυψέλες που ανήκουν σε διαφορετικά Mobile Switching Centers. Οι δύο πρώτοι από τους παραπάνω τύπους handover καλούνται εσωτερικά handovers και ελέγχονται από τοn ίδιο Σταθμό Βάσης ώστε επιτυγχάνοντας υψηλότερες ταχύτητες handover, ενώ οι άλλοι δύο τύποι handover, καλούνται εξωτερικά handovers και είναι προφανώς περισσότερο χρονοβόρα αφού η διαχείρισή τους γίνεται από τα Mobile Switching Centers. 22
2.4.2 Δίκτυα 2.5G Πρόκειται για μια γενιά μεταξύ της 2 ης και της 3 ης. Οι ταχύτητες που μπορούν να επιτευχθούν φτάνουν τα 384 kbps, χάρη στη χρήση πολλαπλών καναλιών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα δικτύων αυτής της γενιάς είναι το GPRS (General Packet Radio Service) με μέγιστη ταχύτητα τα 115 kbps και το EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), με ταχύτητες που μπορούν να φτάσουν τα 384 kbps (Cai, J., et al., 1997). Η διαδικασία handover που ακολουθείται στα Δίκτυα 2.5G είναι αντίστοιχη αυτής που αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα για τα Δίκτυα 2G. 2.4.3 Δίκτυα 3G Οι βασικές κατηγορίες Δικτύων 3 ης γενιάς είναι το CDMA (Code Division Multiple Access) και το UMTS (Universal Mobile Telephone System). Το UMTS βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο σε χώρες όπου παρέχεται η δυνατότητα χρησιμοποίησης νέων συχνοτήτων για τον εν λόγω τύπο δικτύωσης (Yang, S. et al. 2003, Ogunbenkun, J. et al., 2003). Οι νέες αυτές συχνότητες αυξάνουν το bandwidth του δικτύου. Τα δίκτυα UMTS γενικά δεν είναι συμβατά με GSM δίκτυα. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται, περιλαμβάνει τεχνικές duplexing, όπως είναι η Frequency Division Duplex (FDD) και η Time Division Duplex (TDD). Σχετικά με τη διαδικασία handover σε δίκτυα αυτού του τύπου, προκύπτουν διάφορες περιπτώσεις οι οποίες ανακεφαλαιώνονται ως εξής (Christophorou, C., et al., 2006): 3G-3G handover Soft/ Softer FDD handover Inter-frequency FDD handover FDD -TDD handover με αλλαγή κυψέλης TDD -FDD handover με αλλαγή κυψέλης TDD -TDD handover 23
3G-2G handover 2G-3G handover Το Δίκτυο CDMA αξιοποιεί συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων και χρησιμοποιεί soft handover. Ως εκ τούτου έχει ένα αριθμό πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που οφείλονται στην εν λόγω τεχνολογία. Η βελτίωση του fade margin (Patzold, M., 2002), η υψηλότερη uplink χωρητικότητα, ο περιορισμός του φαινομένου ping-pong και του περιθωρίου υστέρησης (hysterisis margin) και οι λιγότεροι χρονικοί περιορισμοί στο δίκτυο, αποτελούν σημαντικά πλεονεκτήματα του soft handover. Από την άλλη, η αυξημένη πολυπλοκότητα υλοποίησης, οι υψηλές απαιτήσεις σε πόρους και η αύξηση παρεμβολών downlink αποτελούν μερικά από τα μειονεκτήματα της εν λόγω τεχνολογίας. Το WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) είναι μία από τις κυρίαρχες τεχνικές που χρησιμοποιείται με 3G δίκτυα (Chen, Υ. 2003, Holma, H. et al. 2004). Η διαφορετικότητα της τεχνολογίας σε σχέση με τα GSM δίκτυα, εισάγει κάποιους περιορισμούς και μία σχετική πολυπλοκότητα στον τρόπο επικοινωνίας μεταξύ τέτοιου τύπου δικτύων, όπως η ταυτόχρονη διενέργεια κλήσης φωνής και ανταλλαγής δεδομένων. Επίσης δεδομένου ότι οι αλλαγές σε επίπεδο δικτύου GSM πρέπει να είναι ελάχιστες μία συνήθης πρακτική είναι η χρήση «δοχείων μηνυμάτων» (containers). Όταν το δίκτυο αιτείται handover από WCDMA σε GSM, το μήνυμα που αποστέλλει εμπεριέχει και ένα «GSM μήνυμα», ώστε να είναι εφικτή η άμεση ανάγνωσή του από το GSM δίκτυο. Η αντίστροφη λογική ισχύει για handovers από GSM σε WCDMA (Parkvall S. et al., 2006). 2.4.4 Δίκτυα 4G Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας 4 ης γενιάς είναι η τελευταία εξέλιξη που κάνει την εμφάνισή της τα τελευταία χρόνια. Η κεντρική φιλοσοφία της είναι η ενοποίηση όλων των διαφορετικού τύπου/τεχνολογιών δικτύων μέσω ενός «στρώματος» (layer) ενοποίησης με τρόπο «διάφανο» προς τον τελικό χρήστη. Η χρήση της εν λόγω 24
τεχνολογίας αναμένεται να μειώσει την πολυπλοκότητα των διαδικασιών και να αυξήσει την ευελιξία των χρηστών κινητών συσκευών. Το layer ενοποίησης αποτελείται από 5 επιμέρους layers (cellular, hot spot, personal, network και fixed). Επιπλέον, τα δίκτυα 4 ης γενιάς αναμένεται να συμπεριλάβουν υψηλά επίπεδα ευφυΐας και φυσικά να είναι ευέλικτα ώστε να υποστηρίζουν πολύπλοκα multi-service περιβάλλοντα επικοινωνίας. Το handover μεταξύ συστημάτων 4 ης γενιάς εμπεριέχει και την προαναφερθείσα περίπτωση μεταπομπής μεταξύ ανομοιογενών συστημάτων (vertical handover). Πολλές πτυχές του ζητήματος εξετάζονται ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο, όπως είναι το handover latency, η κατανάλωση ενέργειας και το απαιτούμενο bandwidth. 2.5 Στάδια Handover Η διαδικασία handover διαχωρίζεται σε τρία βασικά στάδια: (1) το Στάδιο Απόφασης, (2) το Στάδιο Σχεδιασμού και (3) το Στάδιο Εκτέλεσης. Ο ρόλος κάθε σταδίου και οι ενέργειες που εκτελούνται σε κάθε περίπτωση περιγράφονται συνοπτικά ως εξής: 1. Στάδιο Απόφασης (Decision Stage): Η απόφαση για handover λαμβάνεται από το δίκτυο ή την κινητή τερματική συσκευή, βάσει κάποιων δεικτών που έχουν μετρηθεί, όπως είναι ο Received Signal Strength (RSS), το Bit Error Rate (BER), το Signal to Noise rate Ratio (SNR) και το Cell Traffic (CT). Πρέπει να σημειωθεί ότι βάσει των ανωτέρω προκύπτουν αλγόριθμοι απόφασης μεταπομπής (Handover Decision Algorithms), οι βασικές κατηγορίες των οποίων είναι οι ακόλουθες: a. RSS με Κατώφλι (with Threshold) b. RSS με Υστέρηση (with Hystrisis) c. RSS με Κατώφλι και Υστέρηση (with Threshold and Hysterisis) d. Προσαρμοσμένοι στην Ταχύτητα (Velocity Adopted) e. Πολλαπλών Κριτηρίων (Multi Criteria) f. Βασισμένοι σε Αναγνώριση Προτύπων (Pattern Recognition), Τεχνητή Νοημοσύνη, Fuzzy Logic, κ.α. 2. Στάδιο Σχεδιασμού (Planning Stage): Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου εντοπίζεται το καταλληλότερο κανάλι που έχει την απαιτούμενη για την 25
υλοποίηση της επικοινωνίας χωρητικότητα και τις λιγότερες παρεμβολές. Επιπλέον, αναπτύσσονται εφόσον απαιτηθεί τα κατάλληλα πρωτόκολλα επιβεβαίωσης. 3. Στάδιο Εκτέλεσης (Execution Stage): Στο στάδιο αυτό πραγματοποιείται η εκτέλεση του handover, ή μ άλλα λόγια η κινητή τερματική συσκευή αποσυνδέεται από το Σταθμό Βάσης που έως τώρα την εξυπηρετούσε και συνδέεται στο νέο Σταθμό Βάσης που επιλέχθηκε. Πέραν του αλγορίθμου handover, ο οποίος είναι απαραίτητος στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας που μόλις περιγράφηκε, είναι απαραίτητη η χρήση ενός ακόμη αλγορίθμου επαναδρομολόγησης (rerouting) για την υλοποίηση της νέας σύνδεσης. Ο αλγόριθμος αυτός διαφοροποιείται ανάλογα με τον τύπο των δεδομένων που μεταδίδονται (π.χ. φωνή, δεδομένα, κ.α.), αφού σε κάθε περίπτωση η επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης είναι διαφορετική. Οι αλγόριθμοι handover παρουσιάζονται και αναλύονται εκτενέστερα στο επόμενο κεφάλαιο. 2.6 Παράμετροι Απόφασης Handover Ένας μεγάλος αριθμός αλγορίθμων που υπάρχουν στη σχετική βιβλιογραφία, στηρίζουν την απόφαση για handover στην τιμή που παίρνει ένας αριθμός παραμέτρων. Οι τιμές αυτές μετρούνται πριν ληφθεί η απόφαση για το αν ένα handover είναι ή όχι επιθυμητό και αποτελούν δεδομένα για τη συγκεκριμένη κατηγορία αλγορίθμων. Η συλλογή και ανάλυση των πληροφοριών αυτών μπορεί να γίνει από την τερματική κινητή συσκευή ή από το ίδιο το δίκτυο. Μεγάλος αριθμός παραμέτρων εστιάζει στην ποιότητα της ζεύξης για να αποφασίσει αν και πότε θα πρέπει να πραγματοποιηθεί handover. Τέτοιες παράμετροι είναι η απόσταση (distance), ο ρυθμός δυαδικών σφαλμάτων (bit error rate), η ισχύς του σήματος (signal strength), ο λόγος σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio), ο φόρτος του δικτύου (traffic load), δείκτες ποιότητας (quality indicators) και λανθασμένων 26
λέξεων (word error indicators), δείκτες εκτίμησης θέσης (mobile location estimators) και ταχύτητας (mobile velocity estimators) της κινητής συσκευής και πολλές ακόμη. 2.7 Κατηγορίες Handover Τα handovers γενικά διαχωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τα «σκληρά» (hard) handovers και τα «μαλακά» (soft) handovers. Στα σκληρά handovers η επικοινωνία διακόπτεται πριν αποκατασταθεί εκ νέου με το νέο Σταθμό Βάσης. Κατά κανόνα τα σκληρά handovers εφαρμόζονται όταν τα δύο συστήματα επικοινωνίας (παλαιό και νέο) είναι μη συμβατά και έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά διασύνδεσης ή στηρίζονται σε διαφορετικές τεχνολογίες (Stuber, G., 2002; Tanenbaum, A., 2003). Εν γένει, τα σκληρά handovers κατηγοριοποιούνται περαιτέρω σε δύο ακόμη τύπους, τα «ενδοκυψελικά» (intracellular) τα οποία λαμβάνουν χώρα εντός της ίδιας κυψέλης (π.χ. με αλλαγή συχνότητας) και τα «διακυψελικά» (intercellular) στα οποία αλλάζει η κυψέλη που εξυπηρετεί την κλήση. Τα μαλακά handovers χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα διατήρησης της υφιστάμενης σύνδεσης κατά τη διάρκεια του handover και διακοπή αυτής μόνο όταν η νέα σύνδεση έχει επιτυχώς ολοκληρωθεί. Υπάρχουν διάφοροι επιμέρους τύποι μαλακού handover. Για παράδειγμα, ότι το handover διενεργείται εντός του ίδιου Σταθμού Βάσης τότε καλείται «μαλακότερο» (softer) handover. Ένας άλλος σημαντικός διαχωρισμός είναι το Οριζόντιο (Horizontal) έναντι του Κάθετου (Vertical) handover. Στην περίπτωση του Οριζόντιου handover η εναλλαγή γίνεται μεταξύ δύο Σταθμών Βάσης που έχουν αναπτυχθεί με χρήση της ίδιας τεχνολογίας, ενώ στο Κάθετο handover η εναλλαγή γίνεται μεταξύ Σταθμών Βάσης διαφορετικής τεχνολογίας. Πέραν των περιπτώσεων κατά τις οποίες ο Σταθμός Βάσης είναι επίγειος, ένας τύπος handover που συναντάται πλέον συχνά είναι το δορυφορικό handover. Οι κύριες αιτίες οι οποίες προκαλούν δορυφορικό handover, είναι αφενός η διαρκής κίνηση στην οποία βρίσκεται ένας δορυφόρος και αφετέρου η κίνηση της ίδιας της γης. Το handover λόγω κίνησης του δορυφόρου, διακρίνεται περαιτέρω σε δύο τύπους: (1) το satellite 27
handover, όπου πραγματοποιείται μεταπομπή από ένα δορυφόρο σε άλλο δορυφόρο και (2) το cell handover κατά το οποίο η μεταπομπή είναι ενδο-δορυφορική, από μια δορυφορική δέσμη σε μια άλλη του ίδιου δορυφόρου. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι δορυφορικό handover είναι κατά κανόνα αργό και μπορεί να διαρκέσει από μερικά λεπτά έως και ώρες. Τέλος μία ακόμη σημαντική κατηγοριοποίηση, η οποία αποτελεί και αντικείμενο των επόμενων ενοτήτων, είναι ο διαχωρισμός βάσει του τρόπου με τον οποίο λαμβάνονται οι αποφάσεις handover και ειδικότερα του βαθμού συμμετοχής του Σταθμού Βάσης, της κινητής συσκευής και του υποκείμενου δικτύου επικοινωνίας. Ειδικότερα παρουσιάζεται και αναλύεται ο διαχωρισμός στις εξής κατηγορίες: (1) Handovers Ελεγχόμενα από το Δίκτυο, (2) Handovers Ελεγχόμενα από την Κινητή Συσκευή και (3) Handovers Υποβοηθούμενα από την Κινητή Συσκευή. 2.7.1 Handovers Ελεγχόμενα από το Δίκτυο (Network Controlled Handovers- NCH) Το Δίκτυο καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής για όλες τις κινητές συσκευές εντός της εμβέλειάς του και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Επίσης είναι συνήθης πρακτική το Δίκτυο να ενεργοποιεί μια σύνδεση μεταξύ του παλαιού και του νέου σταθμού βάσης ώστε να ελαχιστοποιείται η διάρκεια του handover. Η μέθοδος αυτή είναι γενικά αργή στο handover αφού οι πληροφορίες που λαμβάνονται υπόψη είναι πολλές. Η απόφαση που λαμβάνεται στην περίπτωση αυτή βασίζεται στις μετρήσεις του RSS των κινητών συσκευών που πραγματοποιούνται από τους σταθμούς βάσης. Η διάρκεια της συνολικής διαδικασίας (μετάδοση δεδομένων, αλλαγή καναλιών και δικτύων) κυμαίνεται μεταξύ 100 και 200 milliseconds (Tripathi, et al., 1998), ενώ συχνά ο συγκεκριμένος τρόπος handover συνοδεύεται από ένα στιγμιαίο θόρυβο, ο οποίος γίνεται ελαφρά αντιληπτός κατά τη συνομιλία (ανάλογα και με την ποιότητα της σύνδεσης). 28
Το γεγονός ότι οι πληροφορίες για την ποιότητα του σήματος όλων των κινητών συσκευών είναι αποθηκευμένες σε ένα κεντρικό σημείο (MSC), διευκολύνει την καλύτερη κατανομή των πόρων. Ο εν λόγω τύπος handover, δεν ενδείκνυται για ταχέως μεταβαλλόμενα δικτυακά περιβάλλοντα και έχει κατά κόρον χρησιμοποιηθεί σε συστήματα κυψελών πρώτης γενιάς, όπως τα AMPS (Advanced Mobile phone Systems), TACS (Total Access Communication Systems) και NMT (Nordic Mobile Telephone). 2.7.2 Handovers Ελεγχόμενα από την Κινητή Συσκευή (Mobile Controlled Handovers-MCH) Κάθε κινητή συσκευή καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Επιπλέον, η κινητή συσκευή μετρά την ισχύ του σήματος γειτονικών σταθμών βάσης και τα επίπεδα παρεμβολών και ζητά τελικά σύνδεση με το σταθμό βάσης με τις χαμηλότερες παρεμβολές. Η μέθοδος αυτή είναι γενικά γρηγορότερη στο handover αφού οι πληροφορίες που λαμβάνονται υπόψη είναι λίγες. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση αυτή η κινητή συσκευή δε διαθέτει πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα σημάτων άλλων χρηστών. Επομένως, για να μην προκαλέσει παρεμβολές σε άλλους χρήστες, εκτός από την ισχύ του σήματος των γειτονικών σταθμών βάσης, μετρά επίσης τα επίπεδα παρεμβολών σε όλα τα κανάλια και ζητά από το σταθμό βάσης να χρησιμοποιήσει το κανάλι με τη χαμηλότερη παρεμβολή. Η διάρκεια της συνολικής διαδικασίας στην περίπτωση αυτή είναι της τάξεως του 0,1 sec. Η κινητή συσκευή δεν μπορεί να έχει πρόσβαση στην ποιότητα σήματος άλλων συσκευών που κινούνται στην περιοχή, όμως σε κάθε περίπτωση ακολουθούνται κάποια βήματα ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές σε άλλους χρήστες. Ειδικότερα αυτό που κάνει η κινητή συσκευή είναι ότι μετράει την ισχύ σων σημάτων από τους γειτνιάζοντες Σταθμούς Βάσης καθώς επίσης και το επίπεδο των παρεμβολών σε κάθε κανάλι. Για να ξεκινήσει η εκτέλεση του handover, θα πρέπει η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος του τρέχοντος Σταθμού Βάσης να πέσει σε επίπεδα χαμηλότερα από ένα όριο που συσχετίζεται με τους άλλους Σταθμούς Βάσης από τους οποίους η κινητή συσκευή 29
λαμβάνει σήμα. Στην περίπτωση αυτή η κινητή συσκευή αιτείται από ένα γειτονικό Σταθμό Βάσης ένα κανάλι με τη χαμηλότερη παρεμβολή. Εν κατακλείδι, δύναται να ειπωθεί ότι η Μέθοδος MCH παρουσιάζει το μεγαλύτερο δυνατό βαθμό αποκέντρωσης του handover και στα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνεται η ταχύτητα στη λήψη αποφάσεων για handover. 2.7.3 Handovers Υποβοηθούμενα από την Κινητή Συσκευή (Mobile Assisted Handovers-MAH) Κάθε κινητή συσκευή καταγράφει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την απόφαση της μεταπομπής και τις προωθεί στο Δίκτυο, το οποίο και αποφασίζει αν απαιτείται ή όχι handover. Πρόκειται για την ταχύτερη από τις τρεις μεθόδους, αφού χρησιμοποιεί τις λιγότερες πληροφορίες για να αποφασίσει το handover. Αυτό που με άλλα λόγια συμβαίνει στην περίπτωση αυτή είναι η αποκέντρωση της διαδικασίας απόφασης. Η κινητή συσκευή είναι υπεύθυνη για την πραγματοποίηση των μετρήσεων και το Δίκτυο (MSC) έχει την ευθύνη για τη λήψη της απόφασης handover. Η καθυστέρηση που δημιουργείται κατά τη διαδικασία του handover με χρήση αυτής της μεθόδου, είναι της τάξεως του 1 sec (Tripathi, et al., 1998). Το Υποσύστημα των Σταθμών Βάσης (BSS) αποτελείται από ένα Πομποδέκτη (BTS) και ένα Ελεγκτή Βάσης (BSC). Ο πομποδέκτης επικοινωνεί με το Υποσύστημα της Κινητής Συσκευής (MSS) και υποστηρίζει δυνατότητες μετάδοσης, παραλαβής και επεξεργασίας σημάτων. Ο Ελεγκτής Βάσης επικοινωνεί με το Δίκτυο και έχει την ευθύνη της διαχείρισης του handover, καθώς επίσης και της κατανομής και απελευθέρωσης καναλιών επικοινωνίας. Ένας Ελεγκτής Βάσης συνήθως εξυπηρετεί πολλαπλούς Πομποδέκτες και να επικοινωνεί ταυτόχρονα με πολλαπλούς πομποδέκτες που είναι συνδεδεμένοι με το Σταθμό Βάσης. Στην περίπτωση όπου ο Πομποδέκτης που χρησιμοποιείται κατά το handover είναι κοινός και βρίσκεται μέσα στο ίδιο Υποσύστημα Σταθμού Βάσης, το handover μπορεί να εκτελεστεί άμεσα, χωρίς τη συμμετοχή του MSC. Η περίπτωση αυτή είναι γνωστή ως Intra-BSS handover. 30
Σε συστήματα κυψελών που υποστηρίζουν handover τύπου MAH είναι συχνή η χρήση του Soft Handover (SH), σύμφωνα με το οποίο, όπως ήδη αναφέρθηκε, η υφιστάμενη σύνδεση με το Σταθμό Βάσης δεν τερματίζεται παρά μόνο μετά την υλοποίηση της νέας σύνδεσης με το Σταθμό Βάσης. Για την κινητή συσκευή, δεν υπάρχει καμιά διαφορά μεταξύ Soft και Softer Handover, ενώ για το Δίκτυο, η περίπτωση του Soft Handover απαιτεί πρόσθετο hardware για την υποστήριξη των καναλιών και τη διασύνδεση του Σταθμού Βάσης με το MSC για κάθε cell που περιλαμβάνει το Soft Handover. Στην περίπτωση του Softer Handover, ο Σταθμός Βάσης δεν προϋποθέτει την ύπαρξη κάποιου πρόσθετου hardware αφού το υφιστάμενο hardware καναλιών, σε συνδυασμό με τεχνικές frame by frame μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει την επεξεργασία σημάτων από πολλαπλές κεραίες τομέα. Το κατώφλι (threshold) του handover πρέπει να είναι σχετικά μικρό για να λειτουργήσει επαρκώς το Soft Handover αλλά ταυτόχρονα θα πρέπει να είναι και σχετικά μεγάλο για να λειτουργήσει αποτελεσματικά η επεξεργασία σημάτων από πολλαπλές κεραίες. 2.8 Συμπεράσματα Κεφαλαίου Στο Κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε μια εισαγωγή στις έννοιες των κυψελωτών συστημάτων και της διαδικασίας που ακολουθείται για την αποκατάσταση επικοινωνίας «εν κινήσει» με χρήση των συστημάτων αυτών. Ειδικότερα περιγράφηκαν οι διαδικασίες της μεταπομπής (handover) και της περιαγωγής (roaming) οι οποίες διασφαλίζουν την απρόσκοπτη επικοινωνία όταν ένα κινητό τηλέφωνο απομακρύνεται από την εμβέλεια ενός παρόχου και εισέρχεται σε γεωγραφική περιοχή που καλύπτεται από κάποιον άλλο πάροχο. Τέλος παρουσιάστηκαν και περιγράφηκαν οι βασικές κατηγορίες handover. Ειδικότερα εξηγήθηκε ο διαχωρισμός σε «σκληρά» (hard) και «μαλακά» (soft) handovers, σε οριζόντια (horizontal) και κάθετα (vertical) handovers αλλά και η κατηγοριοποίηση βάσει του τρόπου λήψης αποφάσεων, σε handovers Ελεγχόμενα από το Δίκτυο, Ελεγχόμενα από την Κινητή Συσκευή και Υποβοηθούμενα από την Κινητή Συσκευή. 31
Κεφάλαιο 3: 3.1 Εισαγωγή Αλγόριθμοι Handover και Εφαρμογή τους σε Συστήματα Κινητής Επικοινωνίας Όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, τα κυψελωτά συστήματα χαρακτηρίζονται από τη δυνατότητα διατήρησης μιας κλήσης εν όσω η κινητή συσκευή κινείται εντός της εμβέλειας μιας ευρύτερης «κυψελωτής» περιοχής. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μεταφορά της εξυπηρέτησης της κινητής συσκευής από ένα σταθμό βάσης σε άλλο (handover) που είναι πιο κοντά και μπορεί να δώσει καλύτερη ποιότητα σήματος. Αυτό γίνεται στα τρία στάδια που περιγράφηκαν στο προηγούμενο Κεφάλαιο, τα Στάδια (1) Απόφασης (2) Σχεδιασμού και (3) Εκτέλεσης. Οι βασικές κατηγορίες αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται για αποφάσεις handover, μπορεί να στηρίζονται στη στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος, σε αναγνώριση προτύπων ή τη διατήρηση προτεραιότητας. Στο Κεφάλαιο αυτό θα εξεταστούν με λεπτομέρεια οι διάφορες κατηγορίες αλγορίθμων που λαμβάνουν την απόφαση για handover καθώς και τρόπους υλοποίησής τους. 3.2 Χαρακτηριστικά Αλγορίθμων Handover Ένας αποτελεσματικός αλγόριθμος handover μπορεί να επιτύχει το στόχο του αξιοποιώντας ένα αριθμό διαφορετικών χαρακτηριστικών. Ακολούθως παρατίθενται συνοπτικά μερικά τέτοια χαρακτηριστικών (Tabataba Vakili et al., 2000; Tanenbaum, 2003). 1. Τα handovers θα πρέπει να είναι γρήγορα και να μην οδηγούν σε κακή ποιότητα ή διακοπή επικοινωνίας. Κακή ποιότητα σήματος μπορεί να προκύψει λόγω της συνεχούς φθίνουσας ισχύος του, ενώ διακοπή του μπορεί να οφείλεται σε αυξημένους χρόνους handover. 2. Τα handovers θα πρέπει να είναι αξιόπιστα. Αυτό σημαίνει ότι η επικοινωνία θα πρέπει να έχει καλή ποιότητα μετά το handover. 3. Τα handovers θα πρέπει να ολοκληρώνονται επιτυχώς. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι στο Σταθμό Βάσης όπου μεταφέρεται η κλήση θα πρέπει να υπάρχει ελεύθερο 32
κανάλι, ή άλλος τρόπος εξυπηρέτησής της. Τεχνικές «εξισορρόπησης» της κίνησης κλήσεων (traffic balancing), μπορούν να βοηθήσουν προς την κατεύθυνση αυτή (Tanenbaum, 2003). 4. Η επίδραση της διαδικασίας handover στην ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας (Quality of Service) θα πρέπει να είναι αμελητέα. 5. Tα handovers θα πρέπει να πραγματοποιούνται εντός προκαθορισμένων και οριοθετημένων περιοχών, ώστε να αποφεύγεται η «συμφόρηση» αιτημάτων και ο αυξημένος θόρυβος. 6. Ο αριθμός των handovers που εκτελούνται θα πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός. Σε διαφορετική περίπτωση, αυξάνεται ο φόρτος του Δικτύου με κίνδυνο την αύξηση των καθυστερήσεων και κατά συνέπεια τη πιθανή μείωση της ποιότητας επικοινωνίας. 7. Αποτροπή μη ενδεδειγμένων handovers. Θα πρέπει πριν επιχειρηθεί το handover να εξετάζεται αν ο νέος Σταθμός Βάσης πληροί κάποια κριτήρια που διασφαλίζουν την ποιότητα επικοινωνίας. 3.3 Πολυπλοκότητα Αλγορίθμων Handover Στην ενότητα αυτή παραθέτονται ορισμένα από τα σημαντικότερα στοιχεία που καθιστούν λιγότερο ή περισσότερο σύνθετους και πολύπλοκους τους αλγόριθμους handover (Tanenbaum, 2003; Tripathi et al., 1998). 1. Δομή Κυψελωτών Συστημάτων και Τοπολογικά Χαρακτηριστικά: Ένα κυψελωτό σύστημα μπορεί να υλοποιηθεί με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα μπορεί να αποτελείται από μεγάλες κυψέλες (macro cells), πρακτική που συνήθως εφαρμόζεται σε ημιαστικές περιοχές ή από μικρές κυψέλες (micro cells), πρακτική που προτιμάται σε αστικές περιοχές, ή ακόμη και μεικτές πρακτικές με συνδυασμό μικρών και μεγάλων κυψελών. Το περιβάλλον μετάδοσης διαφοροποιείται σημαντικά μεταξύ μικρών και μεγάλων κυψελών. Για παράδειγμα το φαινόμενο της εξασθένισης (fading) είναι ευρύτερο και περισσότερο πολύπλοκο σε μικροκυψελωτά (micro cells), ενώ φαινόμενα όπως αυτό του «street corner» τα οποία ρίχνουν στιγμιαία απότομα την ισχύ του σήματος συναντώνται συχνότερα σε μακροκυψελωτά (micro cells) συστήματα. 33
2. Κίνηση Κλήσεων: Η κατανομή της κίνησης των κλήσεων είναι συνάρτηση του χρόνου και του χώρου. Η διαδικασία handover θα πρέπει να δουλεύει ικανοποιητικά ανεξάρτητα από την κίνηση που κάθε φορά παρατηρείται. Παραδείγματα τεχνικών που προσπαθούν να διαχειριστούν την ανομοιομορφία αυτή στην κίνηση των κλήσεων περιλαμβάνουν όπως ήδη αναφέραμε την «εξισορρόπηση» του φόρτου κλήσεων (traffic balancing) σε γειτονικές κυψέλες, τη χρήση κυψελών διαφορετικών μεγεθών, τη μη ομοιόμορφη και τη δυναμική ανάθεση καναλιών. 3. Περιορισμοί Συστημάτων: Πολλά συστήματα επιβάλλουν περιορισμούς σε ορισμένες από τις παραμέτρους που χρησιμοποιούν οι αλγόριθμοι handover. Για παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε την ισχύ μετάδοσης (transmit power) και την καθυστέρηση μετάδοσης (propagation delay). Η εκάστοτε διαδικασία handover θα πρέπει να μπορεί να ανταπεξέλθει σε τέτοιου είδους περιορισμούς. 4. Κινητικότητα: Η ποιότητα της ζεύξης επηρεάζεται σημαντικά από το πόσο γρήγορα κινείται η κινητή συσκευή. Για παράδειγμα, μεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης απαιτούν συχνότερα handovers και κατά συνέπεια επηρεάζουν σημαντικά τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται. Στην ενότητα που ακολουθεί, παρουσιάζονται λεπτομερέστερα οι αντιπροσωπευτικότερες κατηγορίες αλγορίθμων handover. 3.4 Αλγόριθμοι Απόφασης Handover Υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά που μπορούν να διαφοροποιήσουν την απόφαση για handover. Η παρούσα εργασία θα εστιαστεί στις αντιπροσωπευτικότερες κατηγορίες αλγορίθμων που παρουσιάζονται παρακάτω. Θα πρέπει βέβαια να τονιστεί ότι η διαρκώς αυξανόμενη ερευνητική δραστηριότητα, καθιστά το handover μία από τις ενεργότερες περιοχές έρευνας και κατά συνέπεια οι προτεινόμενες τεχνικές αυξάνονται και βελτιώνονται. 34
3.4.1 Αλγόριθμοι Λαμβανόμενης Ισχύος Σε αυτή την κατηγορία αλγορίθμων το handover πραγματοποιείται από ένα Σταθμό Βάσης (ΣΒ1) σε ένα άλλο Σταθμό Βάσης (ΣΒ2) όταν η λαμβανόμενη ισχύς από τον ΣΒ2 ξεπεράσει τη λαμβανόμενη ισχύ από το ΣΒ1 (βλέπε Σχήμα 3.1). Δεδομένης της κίνησης και του περιβάλλοντος στο οποίο διαχέεται το σήμα (μορφολογία του εδάφους, κτήρια, κ.α.), η λαμβανόμενη ισχύς μπορεί να αυξομειώνεται με τυχαίο τρόπο, οπότε είναι πιθανό να πραγματοποιείται ένας αριθμός handovers από το ΣΒ1 στο ΣΒ2 και αντίστροφα, έως ότου η διαφορά ισχύος καταστεί αρκετά μεγάλη, ώστε η όποια αυξομείωση να μην επηρεάζει την απόφαση μεταπομπής. Το φαινόμενο που μόλις περιγράφηκε είναι γνωστό ως ping pong και για την αντιμετώπισή του χρησιμοποιούνται τεχνικές όπως αυτές που παρουσιάζονται στο (Tanenbaum, 2003). Σχήμα 3.1: Διαδικασία Εκτέλεσης Handover Παράμετροι που επίσης παίζουν σημαντικό ρόλο σε αυτού του τύπου τους αλγόριθμους είναι, όπως θα εξεταστεί στη συνέχεια, μία ελάχιστη ισχύς σήματος που αποτελεί προϋπόθεση για να είναι εφικτή η επικοινωνία και μία υστέρηση (hysteresis) ισχύος η οποία διασφαλίζει σε αποτελεσματικότερα handovers. Ακολουθεί παρουσίαση 35
των επιμέρους κατηγοριών αλγορίθμων που λαμβάνουν απόφαση για handover βάσει της στάθμης της λαμβανόμενης ισχύος. 3.4.1.1 Αλγόριθμοι RSS με Χρήση Κατωφλίου Σε αυτή την κατηγορία αλγορίθμων προκαθορίζεται ένα «κατώφλι» (threshold), το οποίο αποτελεί βασικό κριτήριο για την απόφαση handover. Για όσο χρονικό διάστημα η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος από το Σταθμό Βάσης δεν πέφτει κάτω από το κατώφλι, δεν επιχειρείται handover. Σε μορφή μαθηματικής σχέσης αυτό θα μπορούσε να περιγραφεί ως εξής: (RSS curr < Threshold) AND (RSS next > RSS curr ) (1) όπου RSS curr : η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος από τον τρέχοντα Σταθμό Βάσης RSS next : η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος από το επόμενο, υποψήφιο για handover Σταθμό Βάσης Threshold: Το κατώτατο όριο (κατώφλι) για ενεργοποίηση του αλγόριθμου απόφασης Θα πρέπει ακόμη να αναφερθεί ότι στη βιβλιογραφία συναντάμε πολλές παραλλαγές αλγορίθμων πολλαπλών κατωφλίων (Kim et al., 1996). 3.4.1.2 Αλγόριθμοι RSS με Υστέρηση (Hysterisis) Στη συγκεκριμένη κατηγορία αλγορίθμων εφαρμόζεται η τεχνική της υστέρησης. Σύμφωνα με τη τεχνική αυτή για να πραγματοποιηθεί το handover θα πρέπει η στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος από τον υποψήφιο για μεταπομπή σταθμό βάσης να είναι μεγαλύτερη από τη στάθμη της λαμβανόμενης ισχύος του τρέχοντος Σταθμού Βάσης, προσαυξημένη κατά μία προκαθορισμένη τιμή ισχύος, η οποία καλείται υστέρηση. Σε μορφή μαθηματικής σχέσης αυτό θα μπορούσε να περιγραφεί ως εξής: 36