ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΟΡΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Συμεών Παπαβασιλείου 1
Εισαγωγή Η ολοένα αυξανόμενη χρήση των ασύρματων δικτύων και η ταυτόχρονη αύξηση των απαιτήσεων των υπηρεσιών των χρηστών, επιτείνουν την ανάγκη: Μεγιστοποίησης της χωρητικότητάς τους, Υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, Εξασφάλιση κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας. Λόγω των παραπάνω απαιτήσεων, η δημιουργία αποτελεσματικών αλγορίθμων διαχείρισης πόρων ασύρματων δικτύων αποτελεί ζωτικής σημασίας παράγοντα διασφάλισης της εύρυθμης λειτουργίας τους. 2
Βασικές Λειτουργίες Συστημάτων Κινητής Τηλεφωνίας ιευθέτηση πόρων συστήματος (Resource Allocaton) Εξασφάλιση κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας (QoS provsonng) Αποδοχή/Απόρριψη αιτήσεων εξυπηρέτησης (Call Admsson Control) ιαχείριση κινητικότητας - ιαπομπές χρηστώv (Moblty Management - Handovers) Αναγνώριση χρήστη - Εξουσιοδότηση χρήσης υπηρεσιών - Κοστολόγηση (Authentcaton-Authorzaton-Accountng) 3
Βασικές ομικές Μονάδες ικτύου Κινητής Τηλεφωνίας (Παρελθόν) 2G GSM HLR Internet VLR MSC Gateway MSC BSC BTS BTS BTS BTS 4
Βασικές ομικές Μονάδες ικτύου Κινητής Τηλεφωνίας (Παρόν) 3GPP/LTE Internet Server IP Network PDN GW IP-based Core Network Tght Couplng Loose Couplng SGSN/S GW WLAN Gateway WLAN Area CDMA Cell EU (Moble Node) 5
Κυψελωτή ομή Πολυπλεξία K = 3 TDMA / FDMA {f 1, f 2, f 3, f 4, f 5, f 6, f 7, f 8, f 9 } {f 2, f 5, f 8 } {f 1, f 4, f 7 } {f 3, f 6, f 9 } ιαχωρισμός συνολικού εύρους ζώνης σε διαύλους (f ) Ανάθεσή τους σε ομάδες κυψελών Ομάδες επαναχρησιμοποίησης (Κ=3,7, ) Ανά δίαυλο πολυπλεξία χρόνου (8 χρονοσχισμές) Ανά κυψέλη τουλάχιστον 1 χρονοσχισμή σηματοδοσίας 6
Παρεμβολές Λόγω επαναχρησιμοποίησης και μικρού μεγέθους κυψελών υπάρχουν δύο ήδη παρεμβολών. Ομοκυψελικές Ομοδιαυλικές Ετεροκυψελικές Uplnk Downlnk 7
Μειονεκτήματα TDMA / FDMA (2G GSM, ADC, JDC) Περιορισμένη χωρητικότητα. Περιορισμένοι ρυθμοί μετάδοσης. Ακατάλληλο για υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου (π.χ. ακόμα και τα SMS απόδίαυλοελέγχου). Μικρές δυνατότητες επεκτασιμότητας. 8
Πολλαπλή Πρόσβαση ιαίρεσης Κώδικα (Code Dvson Multple Access, CDMA) Ταυτόχρονη μετάδοση χρηστών πάνω στο ίδιο φέρον. Κάθε χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει όλο το διαθέσιμο φάσμα. Εξάπλωση και επανα-συμπίεση του αρχικού σήματος δεδομένων μέσω χρήσης ορθογώνιων κωδικών ακολουθιών. 9
Πλεονεκτήματα CDMA Orthogonal sgnals υνατότητα πολλαπλής πρόσβασης. Προστασία από παρεμβολές πολλαπλών διαδρομών. Απόρριψη παρεμβολών. Προστασία από κακόβουλες παρεμβολές. Προστασία πληροφορίας Μικρή πιθανότητα υποκλοπών στο εναέριο μέσο. 10
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές Επικοινωνίες Απώλειες ιαδρομής P r = G G t r t n d P G r d G t όπου: P t ισχύς εκπομπής κεραίας, P t ισχύς λήψης, G t κέρδος κεραίας εκπομπής, G r κέρδος κεραίας λήψης, d απόσταση κεραιών n (n>2) εκθέτηςαπωλειώνδιαδρομής P r User Base Staton d 11
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές Επικοινωνίες ιαλείψεις: Σκίαση ιαλείψεις πολλαπλών διαδρομών P r Κατά την λήψη: Μακροχρόνιες ιαλείψεις Αφορούν το μέσο όρο της περιβάλλουσας του λαμβανόμενου σήματος. Απότομες διακυμάνσεις του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος. (Fast Fadng) d 12
Το Ασύρματο Περιβάλλον Στις Κινητές Επικοινωνίες Εκμετάλλευση των βραχυπρόθεμων χρονικών διακυμάνσεων των καναλιών των χρηστών. Χωρισμός του χρόνου σε χρονοσχισμές 1,67 ms Εκπομπή από το BS πιλοτικού σήματος Μέγιστη ισχύς BS. ύο φορές εντός προηγούμενης χρονοσχισμής. DCR σήμα από κινητά προς BS. Γνώση στιγμιαίων κερδών καναλιού χρηστών κατά την επόμενη χρονική στιγμή. Χρονισμός χρηστών. Μήκος χρονοσχισμής αρκετά μικρό ώστε τα κέρδη καναλιού των χρηστών να θεωρούνται σταθερά. (1,67 ms) Τεχνολογίες HDR, cdma2000 EV-DO\WLAN 13
Χρονοδρομολόγηση Χρηστών με Βάση την Στιγμιαία Ποιότητα Καναλιού τους Θετική εκμετάλλευση των βραχυπρόθεσμων διακυμάνσεων των ανεξάρτητων καναλιών των χρηστών με στόχο την μεγιστοποίηση της ρυθμαπόδοσης του συστήματος (multuser dversty). Αρχή: Σε μια κυψέλη όπου οι χρήστες έχουν ανεξάρτητα χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια, κάποιος έχει πάντα καλύτερη ποιότητα καναλιού από τους άλλους. Ευκαιριακή Χρονοδρομολόγηση: Η συνολική ρυθμαπόδοση του συστήματος μπορεί να μεγιστοποιηθεί με το να εξυπηρετούνται κάθε χρονική στιγμή εκείνοι οι χρήστες με τον υψηλότερο σηματοθορυβικό λόγο κατά την λήψη (SINR). 14
Μοντελοποίηση Συστήματος (3G CDMA) Hgh Data Rate (HDR) CDMA (για την υποστήριξη ταυτόχρονων μεταδόσεων ) over TDMA (για την εκμετάλλευση του multuser dversty ) O σταθμός βάση έχει πλήρη επίγνωση των συνθηκών των καναλιών των χρηστών (ανά χρονοσχισμη). O σταθμός βάσης έχει πεπερασμένη ισχύ εκπομπής. Oι κινητοί χρήστες έχουν πεπερασμένες ισχύ εκπομπής. Ο BS αποφασίζει την ταχύτητα μετάδοσης και την ισχύ εκπομπής των χρηστών, οι οποίοι ενημερώνονται μέσω του καναλιού σηματοδοσίας. User User2 Base Staton User1 15
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη καθόδου Βασικοί περιορισμοί μετάδοσης: Ελάχιστος σηματοθορυβικός λόγος λήψης στο χρήστη. W GP γ N R ( h θ P + W η ) j= 1, j Μέγιστη ισχύς εκπομπής σταθμού βάσης: όπου j 0 N = 1 P W :Εύρος ζώνης CDMA συστήματος, N: αριθμός ενεργών χρηστών G : Κέρδος καναλιού χρηστών (από την κεραία προς τον χρήστη) η 0 : Μονόπλευρη πυκνότητα λευκού θορύβου (AWGN) P BS :Μέγιστη ισχύς εκπομπής σταθμού βάσης P : Ισχύς χρήστη, θ : Παράγοντας ορθογώνιας συσχέτισης σημάτων P BS User User2 P BS Base Staton User1 16
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη καθόδου Αρχή : «Επιλογή ενός χρήστη ανά χρονική στιγμή». Η συνολική ρυθμοπόδοση του συστήματος μεγιστοποιείται όταν ένας χρήστης επιλέγεται για μετάδοση κάθε χρονική στιγμή. Το παραπάνω λίμα ισχύει κάτω υπό προϋποθέσεις. 17
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη ανόδου Βασικοί περιορισμοί μετάδοσης: Ελάχιστος σηματοθορυβικός λόγος λήψης στη κεραία για κάθε χρήστη. W R N j= 1, j GP j Μέγιστη ισχύς εκπομπής χρήστη : Όπου θ GP P j γ + Wη P 0 max W :Εύρος ζώνης CDMA συστήματος, N: αριθμός ενεργών χρηστών G : Κέρδος καναλιού χρηστών (από τον χρήστη προς στην κεραία) η 0 : Μονόπλευρη πυκνότητα λευκού θορύβου (AWGN) P BS : Μέγιστη ισχύς εκπομπής σταθμού βάσης P : ισχύς χρήστη, θ : Παράγοντας συσχέτισης σημάτων User User2 Base Staton User1 18
Μοντελοποίηση Συστήματος - Ζεύξη ανόδου Ποσοτικοποίηση Χωρητικότητας Συστήματος Power ndex capacty. Υπό τους προηγουμένους περιορισμού, για να είναι ρεαλιστικό ένα διάνυσμα ισχύων χρηστών θα πρέπει να ισχύει: N η0w Ψ= g 1 = 1 max G mn p h + 1 1 N γ g = γ γ + G ιαισθητικά, οι δείκτες ισχύος χρηστών μας δίνουν την επίδραση που έχουν στο σύστημα και κατ επέκταση σε αυτούς η ισχύς μετάδοσης των άλλον χρηστών. Μεγαλύτερος δείκτης ισχύος για ένα χρήστη σημαίνει μεγαλύτερη ισχύς μετάδοσης για αυτόν αλλά και πρόκληση μεγαλύτερων παρεμβολών στους άλλους. 19
Κριτήρια Ποιότητας Υπηρεσιών (QoS) ιαχωρισμός σε δύο κατηγορίες: Κριτήρια εξασφάλισης ελάχιστων επιδόσεων. Κριτήρια δικαιοσύνης χρηστών Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης 20
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων Εξασφάλιση ελάχιστης πιθανότητας χρόνου πρόσβασης στο σύστημα Ένα ελάχιστο ποσοστό χρόνου (t ) πρόσβασης στο μέσο τίθεται για κάθε χρήστη. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 s.. t Pr{ Q() t = } t = 1,2,..., N Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη την χρονοσχισμή t. U η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει. Αν U =R, στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος. 21
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων Εξασφάλιση ελάχιστων πόρων συστήματος Ένας περιορισμός εξασφάλισης ελάχιστων πόρων (receved system s resources C,mn ) τίθεται για κάθε χρήστη. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 s. t. E(U 1 ) C = 1,2,..., N Qt ( ) =,mn Αν U =R, στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος υπό την προϋπόθεση εξασφάλισης ενός ελάχιστου μέσου ρυθμού μετάδοσης για κάθε χρήστη. 22
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων Εξασφάλιση ελάχιστων & μέγιστων πόρων συστήματος Περιορισμοί εξασφάλισης όχι μόνο ελάχιστου αλλά και μέγιστου ποσού πόρων θέτονται για κάθε χρήστη. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 s. t. E(r ) R = 1,2,..., N,mn E(r ) R = 1,2,..., N,max Λόγοι ύπαρξης περιορισμού μέγιστης μέσης ρυθμαπόδοσης χρήστη: 1. Κοστολόγηση υπηρεσιών. 2. Αποφεύγεται η δραματική μείωση της ποιότητας υπηρεσιών των χρηστών, όταν ο αριθμός τους στο σύστημα αυξάνει γρήγορα. 23
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων Αλγόριθμοι χρονοδρομολόγησης πακέτων Επέκταση Αρχικού Μοντέλου: Κάθε χρήστης έχει μια ουρά αποθήκευσης πακέτων στον σταθμό βάσης για τα εισερχόμενα προς αυτόν πακέτα. Βασικοί Χρονοδρομολογητές: MAX-WEIGT Στόχος: Ελαχιστοποίηση μέσου μεγέθους ουρών χρηστών (q (t)) Αλγόριθμος: arg max ρ ( tq ) ( t) Όπου ρ (t) οι συνθήκες καναλιού του χρήστη κατά την χρονοσχισμή t. 24
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων MAX-DELAY Στόχος: Ελαχιστοποίησης της καθυστέρησης του πρώτου στην ουρά πακέτου. (Head of Lne packets delay ( (t))) Αλγόριθμος: argmax ρ () t Δ () t Largest-Weghted-Delay-Frst (LWDF) Στόχος: Εξασφάλιση ελάχιστης πιθανότητας καθυστέρησης εξυπηρέτησης με βάση κατώφλι καθυστέρησης (W ) για κάθε χρήστη. { W > T} δ Pr Αλγόριθμος: log( δ ) arg max( ) W ( t) Τ 25
Κριτήρια Εξασφάλισης Ελάχιστων Επιδόσεων Exponental Rule Goal: Ελαχιστοποίησης της καθυστέρησης του πρώτου στην ουρά πακέτου. (Head of Lne packets delay ( (t))) και μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος. Αλγόριθμος: aδ() t aδ() t arg max γ rt ( ) exp 1 + aδ( t) όπου: a () 1 Δ t = aδ() t N και γ και α σταθερές. 26
Κριτήρια ικαιοσύνης Χρηστών Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης (Υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου) Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Πιθανοτική μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης (Υπηρεσίες πραγματικού χρόνου) Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια καθυστέρησης Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης 27
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Βασική Αρχή GPS Μοντέλο Βασικός στόχος οιασδήποτε μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης είναι κάθε χρήστης να λαμβάνει συγκεκριμένο ποσοστό πόρων συστήματος S αναλογικά με κάποιο συγκεκριμένο προκαθορισμένο βάρος φ. S S j Generalzed Processor Sharng μοντέλο. = φ φ j 28
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Στόχος: Οι χρόνοι πρόσβασης των χρηστών στο σύστημα a (αριθμός χρονοσχισμών) να είναι ανάλογος προκαθορισμένων βαρών φ. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 a a j.. =,j = 1,2,..., φ φj s t N Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη την χρονοσχισμή t. U η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει. το μέσο ποσοστό πρόσβασης στο μέσο του χρήστη. = 1 ( ) a a E Q() t = Αν U =R, στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος. 29
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Πιθανοτική μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Στόχος: Φράξιμο πιθανοτήτων χρόνου πρόσβασης των χρηστώ στο σύστημα a (αριθμός χρονοσχησμών) ανάλογα με προκαθορισμένα βάρη φ. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 a ( t, t ) a ( t, t ) s t x f j x φ φ 1 2 j 1 2.. Pr( ) (,, ) j Αν U =R, στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος. 30
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης Στόχος: Η μέση ρυθμαπόδοση χρηστών Ε[r ] να είναι ανάλογη προκαθορισμένων βαρών φ. Σχηματισμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 r r = φ φ j.. =,j 1,2,..., s t j N Όπου : Q η πολιτική χρονισμού χρηστών η οποία επιλέγει των χρήστη την χρονοσχισμή t. U η συνάρτηση ευχαρίστησης του χρήστη με βάση του πόρους που λαμβάνει. το μέσο ποσοστό πρόσβασης στο μέσο του χρήστη. ημέσηρυθμαπόδοσητουχρήστη. r = E r 1Q() t = r ( ) Αν U =R, στόχος είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής ρυθμαπόδοσης του συστήματος. 31
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Βασικές τεχνικές επίλυσης προβλημάτων βελτιστοποίησης με μακροπρόθεσμους περιορισμούς δικαιοσύνης. Αλγόριθμοι στοχαστικής προσέγγισης Χρονικά μεταβαλλόμενα βάρη w (t) ανατίθενται σε όλους τους χρήστες, τα οποία επηρεάζουν την προτεραιότητα εξυπηρέτησης τους και αντανακλούν την έως τώρα επιτευχθείσα δικαιοσύνη. arg max ρ ( twt ) ( ) Τα βάρη, μέσω στοχαστικής διαδικασίας, συγκλείνουν σε τέτοιες τιμές ώστε να εξασφαλίζονται τα κριτήρια δικαιοσύνης των χρηστών. Παράδειγμα μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης χρόνου : 1 w( t+ 1) = w( t) + (1 Q() t = φ) t 32
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Βασικές τεχνικές επίλυσης προβλημάτων βελτιστοποίησης με μακροπρόθεσμους περιορισμούς δικαιοσύνης. Αν είναι γνωστή εκ των προτέρων η μέση τιμή του καναλιού του χρήστη. ρ () t ρ arg max φ ρ Όπου οι μέση τιμή του καναλιού του χρήστη. Τεχνικές βασισμένες σε Κουπόνια (Credt or Tokens Based Technques) Για κάθε χρονοσχισμή ένα κουπόνι προστίθεται στην εικονική ουρά κουπονιών του χρήστη. Το ποσό των κουπονιών του χρήστη επηρεάζει την προτεραιότητα εξυπηρέτησής του. 33
Περιορισμοί Μακροπρόθεσμης ικαιοσύνης Βασικές τεχνικές επίλυσης προβλημάτων βελτιστοποίησης με μακροπρόθεσμους περιορισμούς δικαιοσύνης. Χρήση τεχνικών Heavy Traffc Approxmaton Χρήση θεωρίας τυχαίων περιπάτων. (Random Walks Theory) Μοντελοποίηση καναλιών χρηστών ως Rce ή Raylegh τυχαίες μεταβλητές. 34
Κριτήρια δικαιοσύνης χρηστών Περιορισμοί μακροπρόθεσμης δικαιοσύνης (Υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου) Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Πιθανοτική μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη χρόνου πρόσβασης Μακροπρόθεσμη δικαιοσύνη ρυθμαπόδοσης Περιορισμοί βραχυπρόθεσμης δικαιοσύνης (Υπηρεσίες πραγματικού χρόνου) Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια καθυστέρησης Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης 35
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών Γιατί είναι σημαντική η εξασφάλιση βραχυπρόθεσμων κριτηρίων σε χρήστες: Οι υπηρεσίες πραγματικού χρόνου απαιτούν την εξασφάλιση ελάχιστων χρόνων καθυστέρησης μετάδοσης δεδομένων. Μονόδρομη καθυστέρηση φωνής 100-150 msec Μήκος χρονοσχισμής 1,67 msec (HDR) Οι βραχυπρόθεσμες καθυστερήσεις των χρηστών επηρεάζουν σημαντικά την λειτουργία πρωτοκόλλων ανώτερων επιπέδων. (TCP - ACK) 36
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών Αυστηρά κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης Στόχος: Ο κάθε χρήστης εντός μη επικαλυπτόμενων χρονικών παραθύρων (W) αποκτά πρόσβαση στο σύστημα συγκεκριμένο αριθμό χρονοσχισμών, με βάση προκαθορισμένοo βάρος φ. Σχεδιασμός Προβλήματος: Το παραπάνω κριτήριο μειώνει αισθητά των ευκαιριακό χαρακτήρα του χρονοδρομολογιτή. N max mze E U Q = 1 W s.. t 1 =φ W = 1,2,..., N t=1 Q(t)= N = 1 φ = 1 37
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια μέγιστης καθυστέρησης Στόχος: Η πιθανότητα καθυστέρησης εξυπηρέτησης ενός χρήστη περισσότερο από T διαδοχικές χρονοσχισμές να είναι άνω φραγμένη (p ). Σχεδιασμός προβλήματος: N max mze E U Q = 1 st.. Pr(d > T) p 38
Βραχυπρόθεσμα Κριτήρια Υπηρεσιών Πιθανοτικά βραχυπρόθεσμα κριτήρια ρυθμαπόδοσης Στόχος: Η πιθανότητα ενός χρήστη να λάβει ποσό δεδομένων μικρότερο από B εντός παραθύρου W διαδοχικών χρονοσχισμών πρέπει να είναι άνω φραγμένη (p ). Σχεδίαση προβλήματος: N max mze E U Q = 1 t+w st.. Pr( 1 r( t) t < B) p t Qt () = s Όπου t s το μήκος χρονοσχισμής. 39
Ετερογενές Περιβάλλον Χρηστών Το βέλτιστο της επιλογής: «Επιλογή ενός χρήστη ανά χρονοσχισμή, εκείνου με το μεγαλύτερο γινόμενο σηματοθορυβικού λόγου και κατάλληλου βάρους» ισχύει μόνο υπό υποθέσεις. Ένα περιβάλλον που υπακούει σε αυτές τις υποθέσεις χαρακτηρίζεται ως ομοιογενές. Ετερογένια Ασύρματου Περιβάλλοντος 1.Φυσικοί περιορισμοί υλικού χρηστών λόγω των οποίων οι μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων είναι άνω φραγμένη (όχι μόνο η ισχύς μετάδοσής τους). max 0 = 1,..., R R N 40
Ετερογενές Περιβάλλον Χρηστών Ο περιορισμός κατωφλιού: W GP γ N R ( h θ P + W η ) j= 1, j o οποίος ισχύει στα (2G) δίκτυα φωνής (GSM) κρίνεται ακατάλληλος. j 0 2. Οι πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης πακέτου χρηστών εξαρτάται από το σχήμα μετάδοσης δεδομένων που χρησιμοποιείται στιγμιαία (modulaton & codng) τα οποία εξαρτώνται με την από την εφαρμογή και τις δυνατότητες του δικτύου. 41
Συναρτήσεις Ωφέλειας Χρηστή Utlty Functon Μια συνάρτηση ωφελείας, αντικατροπτίζει την ευχαρίστηση του εκάστοτε χρήστη με βάση το βαθμό ικανοποίησης των QoS κριτηρίων της υπηρεσίας του Προσφέρει ένα τρόπο: ιαφανή - Ενοποιημένο- Ευέλικτο - Ενοποιημένο - Κανονικοποιημένο Απεικόνισης των διαφόρων QoS κριτηρίων διαφόρων υπηρεσιών ιαχείρισης των πόρων πολλαπλών ασυρμάτων δικτύων Σχεδιασμό Προβλήματος Βελτιστοποίησης } Απεικόνισης QoS κριτηρίων διαφόρων υπηρεσιών Κάτω από ένα ενοποιημένο πλαίσιο συναρτήσεων ωφελείας 42
Σχεδιάζοντας μια συνάρτηση ωφελείας. U ( x,..., x,..., x,..., x) = U ( x,..., x) U ( x,..., x ) U ( x,..., x) * * * * 1 l m n TL, 1 l SL, l m PE, m n Αποτελείται από τρία βασικά στοιχειά : είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την μετάδοση δεδομένων (π.χ. BER). είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την ικανοποίηση των QoS κριτηρίων του. είκτες για πρόληψη (παρατηρήσεις πραγματικού χρόνου). 43
είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την μετάδοση δεδομένων Κατάλληλη ενσωμάτωση των φυσικών χαρακτηριστικών και περιορισμών των χρηστών σε δείκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την μετάδοση δεδομένων. Μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, Σχήμα μετάδοσης, Περιβάλλον μετάδοσης. Παράδειγμα από τα CDMA δίκτυα: U ( x,..., x ) * TL, 1 l Όπου η πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης πακέτου χρηστών είναι σιγμοειδής συναρτήσεις του στιγμιαίου σηματοθορυβικού λόγου. 44
είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την ικανοποίηση των QoS κριτηρίων των χρηστών. Κατάλληλη ενσωμάτωση των δεικτών εξασφάλισης των QoS κριτηρίων της υπηρεσίας του χρήστη. Στιγμιαίος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων. Μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, QoS κριτήρια υπηρεσιών πραγματικού και μη-πραγματικού χρόνου. Παράδειγμα από το ενσύρματο περιβάλλον: * USL, ( xl,..., xm) όπου η συνάρτηση ωφελείας των χρηστών μπορούν να πάρουν τις ακόλουθες μορφές, 45
είκτες επίδοσης/ευχαρίστησης χρήστη ως προς την ικανοποίηση των QoS κριτηρίων των χρηστών. Μη-πραγματικού χρόνου υπηρεσίες Πραγματικού χρόνου υπηρεσίες Concave Convex Sgmodal 46
είκτες για πρόληψη (παρατηρήσεις πραγματικού χρόνου) Παρατηρήσεις πραγματικού χρόνου: (εντός μικρών χρονικών διαστημάτων) Καθυστέρησης μετάδοσης. Ποσότητας μεταδιδόμενων δεδομένων. * UPE, ( xm,..., xn( t)) Παράδειγμα από τα CDMA δίκτυα : Χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση λόγω ύπαρξης x n (t), για απεικόνιση βραχυπρόθεσμων κριτηρίων υπηρεσιών πραγματικού χρόνου. 47
Βασική Μορφή Συναρτήσεων Χρησιμοποίησης σε CDMA Ασύρματα ίκτυα Εκφράζει την ικανοποίηση του χρήστη ως προς την πραγματική ταχύτητα μετάδοση δεδομένων (goodput): ( ) ( ) U R, P = R f ( R, P), a, b = 1,2,..., N * γ ι f ( ( R ) ) 1, P, a, b c γ a( b) 1 e d = γ + όπου ( ) ab ab = 1+ and d 1 ( 1 ab = + e ) c e e a, b δύο παράμετροι που καθορίζουν την μορφή της συνάρτησης f. 48
Προκύπτων Πρόβλημα Βελτιστοποίησης Downlnk N * max U ( R, P, a, b) RP, = 1 N st.. P 1 P = max 0 P P = 1,2,..., N max max 0 R R = 1,2,..., N Βέλτιστη λύση, όταν η κυψέλη στέλνει με την μέγιστη δυνατή ισχύ εκπομπής: N() t = 1 P = P max 49
Λύση Μέσω της Συνάρτησης Λαγκράνς του Προβλήματος Η Λαγκρασιανή της συνάρτησης πλέγματος κάθε χρήστη, εκφράζει την επιθυμία του να εξυπηρετηθεί σε σχέση με την ποιότητα υπηρεσίας που θα επιτύχει αναλογικά με την ισχύ που θα καταναλώσει : { { } } U P a b P λ = mn λ 0 max (,, ) λ = 0 max 0 P P max R * Όσο μεγαλύτερη η τιμή της Λαγκρασιανής ενός χρήστη τόσο μεγαλύτερη και η πιθανότητα εξυπηρέτησης του. 50
Προκύπτων Πρόβλημα Βελτιστοποίησης Uplnk max U = U ( R, P, a, b) * RP, P.. 0 0 max max = 1,2,..., = 1,2,..., st P P N R R N Εξέταση προβλήματος μέσω θεωρίας παιγνίων και επαναληπτικών αλγορίθμων που καταλήγουν σε σημείο ισορροπίας (Nash equlbrum pont) με Pareto optmal ιδιότητες. 51
Τρέχουσες Ερευνητικές Εξελίξεις 4G ίκτυα Ενοποίηση και συνεργασία των διάφορων τεχνολογιών πρόσβασης Βέλτιστη διαχείριση των διαθεσίμων πόρων. Αυτόνομα ίκτυα Αυτόβουλα δίκτυα των οποίο η αποτελεσματική διευθέτηση των πόρων τους θα αποτελεί εγγενή συμπεριφορά τους. 52
Τρέχουσες Ερευνητικές Εξελίξεις IPv6 MIPv6 PMIPv6 υνατότητα ταυτόχρονης διασύνδεσης με περισσότερα του ενός δίκτυα πρόσβασης. Turbo Codng Μεγιστοποίηση της μεταδιδόμενης πληροφορίας εντός περιορισμένου εύρους ζώνης. Ελαχιστοποίηση σφαλμάτων μετάδοσης. Smart antennas Ελαχιστοποίηση παρεμβολών κατευθυνόμενη εκπομπή/λήψη. πλήρως 53
References P. Bender, P. Black, M. Grob, R. Padovan, N. Sndhushyana, and S. Vterb, "CDMA/HDR: a bandwdth effcent hgh speed wreless data servce for nomadc users," Communcatons Magazne, IEEE, vol.38, no.7pp.70-77, Jul 2000., pp. 1-10. D. N. Tse, Optmal power allocaton over parallel Gaussan broadcast channels, n Proc. Int. Symp. Informaton Theory Ulm, Germany, June 1997, p. 27. Fredrk Berggren, Seong-Lyun Km, and Jens Zander, "Jont Power Control and Intracell Schedulng of DS-CDMA Nonreal Tme Data," IEEE JSAC, vol. 19, no. 10, pp. 1860--1870, October 2001. S. Borst, and P. Whtng,"Dynamc rate control algorthms for HDR throughput optmzaton," INFOCOM 2001. Twenteth Annual Jont Conference of the IEEE Computer and Communcatons Socetes. Proceedngs. IEEE, vol.2, no.pp.976-985 vol.2, 2001. M. Andrews, L. Qan, and A. Stolyar, "Optmal utlty based mult-user throughput allocaton subject to throughput constrants," n Proceedngs of IEEE INFOCOM '05, 2005. M. Andrews, K. Kumaran, K. Ramanan, A. Stolyar, P. Whtng, and R. Vjayakumar, "Provdng qualty of servce over a shared wreless lnk," Communcatons Magazne, IEEE, vol.39, no.2pp.150-154, Feb 2001. M. Andrews, K. Kumaran, L. Ramanan, A.L. Stolyar, R. Vjayakumar, P. Whtng, CDMA data QoS schedulng on the forward lnk wth varable channel condtons Bell Labs Techncal Report, Aprl 2000. M. Hu, J. Zhang and J. Sadowsky, "Traffc aded opportunstc schedulng for downlnk transmssons: algorthms and performance bounds", Proc. IEEE INFOCOM, Hong Kong, Mar. 7-11, 2004, pp. 1652-1661. X. Lu, E.K.P. Chong and N.B. Shroff, "Opportunstc transmsson schedulng wth resourcesharng constrants n wreless networks," IEEE Journal on Selected Areas n Communcatons, vol.19, no.10pp.2053-2064, Oct 2001. 54
References (cont d) F. Berggren and R. Jantt, "Asymptotcally far transmsson schedulng over fadng channels," IEEE Transactons on Wreless Communcatons, vol.3, no.1pp. 326-336, Jan. 2004. Y. Lu, S. Gruhl, and E. Knghtly, "WCFQ: An Opportunstc Wreless Scheduler wth Statstcal Farness Bounds," IEEE Trans. Wreless Comm., vol. 2, no. 5, Sept. 2003. L Chuxang, and Wang Xaodong, "Adaptve opportunstc far schedulng over multuser spatal channels," Communcatons, IEEE Transactons on, vol.53, no.10pp. 1708-1717, Oct. 2005 X. Lu, E. Chong, and N. Shroff, A framework for opportunstc schedulng n wreless networks, Computer Networks, vol. 41, pp. 451 474, March 2003. S. Papavasslou and C. L, Effcent and Far Bandwdth Schedulng and Allocaton n Next Generaton Wreless Networks wth Multmeda Servces, n Resource Allocaton n Next Generaton Wreless Networks, Seres on Wreless Networks and Moble Computng, Vol. 5, Nova Scence Publshers, Hardbound, 2005. C. L and S. Papavasslou, Far channel-adaptve rate schedulng n wreless networks wth multrate multmeda servces, IEEE J. Select Areas Commun., vol. 21, pp. 1604 1614, Dec. 2003. T.F. Coleman and Y. L, "On the Convergence of Reflectve Newton Methods for Large-Scale Nonlnear Mnmzaton Subject to Bounds," Mathematcal Programmng, Vol. 67, Number 2, pp. 189-224, 1994. J. J. Moré, "The Levenberg-Marquardt Algorthm: Implementaton and Theory," Numercal Analyss, ed. G. A. Watson, Lecture Notes n Mathematcs 630, Sprnger Verlag, pp. 105-116, 1977. M. J. Karam, F. A. Tobag, "Analyss of the Delay and Jtter of Voce Traffc Over the Internet", In Proc. IEEE INFOCOM, Vol. 2, pp. 824--833, Aprl 2001. 55