Εργαστήριο 9: Άλλες Λειτουργίες στα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 9.1 Ανάθεση καναλιών (channel allocation) Η κατανομή καναλιών σχετίζεται με την ανάθεση το καναλιών στις κυψέλες ενός κυψελωτού δικτύου. Καθώς τα κανάλια ανατίθενται, οι κυψέλες επιτρέπου στους χρήστες της κυψέλης να επικοινωνήσουν δια μέσω των διαθέσιμων καναλιών. Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες ανάθεσης καναλιών στις κυψέλες (ή στους σταθμούς βάσης), οι οποίες είναι: - Σταθερή ανάθεση καναλιών - Δυναμική ανάθεση καναλιών - Υβριδική ανάθεση καναλιών 9.1.1 Σταθερή ανάθεση καναλιών Η σταθερή κατανομή καναλιών (Fixed Channel Allocation - FCA) αναθέτει συγκεκριμένα κανάλια σε συγκεκριμένες κυψέλες. Αυτή η ανάθεση είναι στατική και δεν μπορεί να αλλάξει. Για αποτελεσματική λειτουργία, η FCA τυπικά αναθέτει κανάλια με έναν τρόπο που μεγιστοποιεί την συχνότητα επαναχρησιμοποίησης. Κατ αυτόν τον τρόπο στην FCA η απόσταση μεταξύ των κυψελών που χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι αποτελεί την ελάχιστη συχνότητα επαναχρησιμοποίησης. Το πρόβλημα της FCA εμφανίζεται στην περίπτωση που η κίνηση στο δίκτυο των σταθμών βάσης δεν είναι ομοιόμορφο. Για παράδειγμα, στην περίπτωση όπου δύο γειτονικές κυψέλες έχουν για χρήση Ν κανάλια η κάθε μία, τότε στην περίπτωση που απαιτούνται στην μία κυψέλη Ν+k κανάλια ενώ στην γειτονική Ν-m κανάλια, εμφανίζεται πρόβλημα απόκλισης κλησεων στην πρώτη ενώ στην δεύτερη κάποια κανάλια παραμένουν αχρησιμοποίητα. Είναι λοιπόν φανερό ότι σε μία τέτοια περίπτωση (μη ομοιόμορφη κίνηση) τα κανάλια δεν χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά. 9.1. Δυναμική ανάθεση καναλιών Η δυναμική ανάθεση καναλιών προσπαθεί να μετριάσει το πρόβλημα της σταθερής (FCA) όταν η κίνηση δεν είναι ομοιόμορφη. Στην DCA δεν υπάρχει κάποια συγκεκριμένη σχέση μεταξύ των καναλιών και των κυψελών. Μάλιστα, τα κανάλια αποτελούν τμήμα μιας πηγής από πόρους. Οποτεδήποτε ένα κανάλι χρειάζεται από μία κυψέλη, το κανάλι εκχωρείται υπό την προυπόθεση ότι η συχνότητα επαναχρησιμοποίησης δεν παραβιάζετε. Η DCA μεέθοδοι τυπικά έχουν ένα βαθμό τυχαιότητας και αυτό οδηγεί το ότι η συχνότητα επαναχρησιμοποίησης συχνά δεν μεγιστοποιείται εκτός από την περίπτωση της FCA όπου οι κυψέλες που χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι διαχωρίζοντια από την ελάχιστη απόσταση επαναχρησιμοποίησης. Η DCA μεέθοδοι συχνά εμπλέκουν πολύπλοκους αλγορίθμους για να αποφασίσουν ποια διαθέσιμα κανάλια είναι αρκετά αποτελεσματικά. Αυτοί οι αλγόριθμοι μπορεί να ποικίλουν υπολογιστικά και μπορεί να απαιτούν αρκετούς υπολογιστικούς πόρους έτσι ώστε να είναι πραγματικού χρόνου.
9.1.3 Υβριδική ανάθεση καναλιών Η υβριδική περίπτωση είναι ουσιαστικά ένας συνδυασμός της δυναμικής και της σταθερής ανάθεσης καναλιών. Διάφοροι υβριδικοί μέθοδοι έχουν παρουσιαστεί κατά περιόδους. Οι πιο συμαντικοί είναι: - Δανεισμός καναλιού (channel borrowing) είναι μια από τις πιο απλές μέθοδοι. Σε αυτή την μέθοδο τα κανάλια εκχωρούνται όπως ακριβώς και στην περίπτωση FCA. Αν μία κυψέλη χρειάζεται ένα κανάλι υπερβαίνοντας τα κανάλια τα οποία ήδη του έχουν εκχωρηθεί τότε αυτή η κυψέλη μπορεί να δανιστεί ένα κανάλι από την γειτονική κυψέλη δεδομένου ότι αυτό το κανάλι είναι διαθέσιμο και δεν παραβιάζει την αρχή της επαναχρησιμοποίησης. Σημειώστε ότι επειδή κάθε κανάλι έχει μια προκαθορισμένη σχέση με μία συγκεκριμένη κυψέλη, ο δανεισμός του καναλιού θεωρείτε συχνά ως υποκατηγορία FCA. To πιο σημαντικό πρόβλημα με τον δανεισμό του καναλιού είναι ότι όταν η κυψέλη δανείζεται ένα κανάλι από την γειτονική της κυψέλη τότε οι άλλες γειτονικές κυψέλες απαγορέυονται να χρησιμοποιήσουν το ίδιο κανάλι για δανεισμό λόγω προφανώς της διακαναλικής παρεμβολής. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αυξανόμενη πιθανότητα αποκλισμού των κλήσεων. Για να μειωθεί αυτή η πιθανότητα αποκλισμού, οι αλγόριθμοι είναι απαραίτητο να διασφαλίσουν ότι τα κανάλια θα δανείζονται από τα περισσότερο διαθέσιμα γειτονικά κανάλια. Δύο εξελίξεις της channel borrowing προσέγγισης είναι η Borrowing with Channel Ordering (BCO) και η Borrowing with Directional Channel Locking (BDCL). H BCL σχεδιάστηκε για την βελτίωση της απλής channel borrowing και η οποία έχει τα εξής διακριτά χαρακτηριστικά: - Ο λόγος των σταθερών προς δυναμικών καναλιών ποικίλει με την κατανομή της κίνησης - Ονομαστικά κανάλια ταξινομούνται για χρήση με σειρά προτεριαότητας Το τελευταίο ονομαστικό κανάλι είναι πιο πιθανό ότι θα δανειστεί από τα γειτονικά κανάλια. Καθώς το κανάλι δανείζεται, το κανάλι φαίνεται πλεόν «κλειδωμένο» το οποίο σημαίνει ότι το κανάλι δεν μπορεί πλεόν να δανειστεί ή να χρησιμοποιηθεί. Σε ένα BCO σύστημα, ένα κανάλι μπορεί να δανειστεί μόνο όταν είναι ελεύθερο από τα γειτονικά κελιά. Αυτό φαίνεται ήδη ότι είναι συχνά ένας περιορισμός. Στην περίπτωση BDCL, τα κανάλια δανεισμού είναι κλειδωμένα μόνο στα γειτονικά κανάλια τα οποία επηρεάζονται από τον δανεισμό. Αυτό διαφέρει από την BCO διάταξη στην οποία ένα κανάλι δανεισμού είναι κλειδωμένο σε κάθε κελί μέσα στην απόσταση επαναχρησιμοποίησης. Το πλεονέκτημα της BDCL είναι ότι περισσότερα κανάλια είναι διαθέσιμα στην παρουσίαση του δανεισμού και κατά συνέπεια η πιθανότητα αποκλισμού είναι μειωμένη. Ένα μειωνέκτημα της BDCL αποτελεί το γεγονός ότι τα κανάλια. Εργαστηριακή άσκηση 9.1
Η εργαστηριακή άσκσηση στη δυναμική κατανομή καναλιών σχετίζεται με τους χρήστες που εξυπηρετούνται σε σχέση με την κίνηση που θεωρείται ή και το ανάστροφο. Μία τέτοιου είδους περίπτωση έχει προσομοιωθεί και είναι ελέυθερη στο διαδίκτυο στη σύνδεση - http://wireless.per.nl:80/reference/chaptr04/cellplan/dca.htm Οδηγίες Θεωρείστε ότι είστε ο ιδιοκτήτης και διαχειριστής ενός κυψελωτού δικτύου και χρειάζεται να εκχωρείσεται 8 κανάλια σε 5 κυψέλες. Οι γειτονικές κυψέλες ως γνωστόν δεν θα χρησιμοποιούν τα ίδια κανάλια. Δώστε την κίνηση σε Erlang που θεωρείται ως τρέχουσα και παρακολουθείστε πόσοι χρήστες εξυπηρετούνται και πόσοι έχουν αποκλισθεί ανά κυψέλη. Με την βοήθεια του κέρσορα μπορείτε να εκχωρείτε κανάλια σε κάθε κυψέλη. Τι παρατηρείτε σε αυτή την περίπτωση; 9. Διαπομπή (Handoff) Η πιο κοινή μορφή διαπομπής όταν μία τρέχουσα κλήση ανακατευθύνεται από το κανάλι της κυψέλης-πηγής σε ένα άλλο κανάλι μιας νέας κυψέλης-στόχος. Στην περίπτωση που οι κυψέλες πηγής και στόχου είναι διαφορετικές η διαπομπή καλείται διακυψελική (inter-cell). Η διακυψελική διαπομπή εξυπηρετεί την κλήση στην περίπτωση που ο κινητός χρήστης βρεθεί εκτός της κυψέλης πηγής από την οποία αρχικοποιήθηκε η κλήση. Τύποι διαπομπής Οι τύποι διαπομπής διακρίνονται σε Α. Σκληρή διαπομπή (hard handoff), όταν το κανάλι της πηγής πρώτα ελευθερώνεται και στην συνέχεια δεσμεύεται το κανάλι της κυψέλης-στόχου. Γι αυτό η κλήση διαλύεται πρίν η σύνδεση στο στόχο γίνει. Β. Μαλακή διαπομπή (soft handoff), όταν το κανάλι της πηγής διατηρείται παράλληλα ενώ έχει δημιουργηθεί η επικοινωνία με το κανάλι της κυψέλης-στόχου. Το διάστημα μεταξύ των δύο συνδέσεων μπορεί να είναι στιγμιαίo ή και εώς μερικά δευτερόλεπτα. Εργαστηριακή άσκηση 9. H πιθανότητα της διαπομπής από έναν σταθμό βάσης στον άλλο σε ένα κυψελωτό δίκτυο καθορίζεται από την παρακάτω σχέση: P h η = η + µ όπου η είναι ο dwell time δηλαδη ο χρόνος που μεταδίδει ο κινητός χρήστης κατά μέσο όρο σε μια κυψέλη και μ ο μέσος χρόνος που διατηρείται η κλήση. Όπου ο χρόνος η υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο
v L η = π s όπου v είναι η ταχύτητα με την οποία κινείται ο χρήστης σε km/sec, L είναι η διάμετρος του καναλιού, όπου στην περίπτωση εξαγωνικής κυψέλης είναι ίση με 6*R όπου R η ακτίνα σε χιλιόμετρα. Όπου s είναι η περιοχή της κυψέλης ενδιαφέροντος η οποία είναι ίση με s = π * R Θεωρείστε ταχύτητες από 5 εώς 50 km/sec με τις οποίες κινείται ένας δέκτης σε μιά περιοχή που αποτελείται από δίκτυο κυψελών ακτινας 6 km. Βρείτε τις πιθανότητες διαμπομπής αντίστοιχα; 9.3 Πρωτόκολλο επίπεδου ασύρματων επικοινωνιών 9.3.1 Πρωτόκολλο Aloha Το πρωτόκολλο ALOHA επινοήθηκε τη δεκαετία του 1970 από τον Norman Abramson και τους συναδέλφους του στο πανεπιστήμιο της Χαβάης. Παρ όλο που όταν ο Abramson επινόησε αυτή τη μέθοδο τη χρησιμοποίησε για ασύρματη επικοινωνία, η ιδέα πίσω από αυτό μπορέι να εφαρμοστεί οπουδήποτε υπάρχει η έννοια πολλών χρηστών που ανταγωνίζονται για την πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης. Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί παραλλαγές του πρωτοκόλλου, ανάλογα με το αν ο χρόνος υποτίθεται συνεχής η διακριτός, τις οποίες θα παρουσιάσουμε παρακάτω. - Καθαρό ALOHA (Pure ALOHA) Σε αυτή την εκδοχή του πρωτοκόλλου, ο χρόνος υποθέτουμε ότι είναι συνεχής. Ως εκ τούτου, όταν κάποιος θέλει να μεταδώσει στο μέσο το κάνει, και έπειτα περιμένει επιβεβαίωση από τον παραλήπτη, μέσα σε χρονικό διάστημα ίσο με το χρόνο που
χρειάζεται ένα πακέτο ώστε να μεταβεί στο πιο απομακρυσμένο σημείο του δικτύου και να επιστρέψει (round trip time). Αν το πλαίσιο μεταδοθεί επιτυχώς τότε ο παραλήπτης θα στείλει επιβεβαίωση μέσα στο προβλεπόμενο χρονικό διάστημα. Σε αντίθετη περίπτωση, μόλις ο χρόνος αναμονής του αποστολέα λήξει, αυτός περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και επαναμεταδίδει. Το χρονικό διάστημα είναι τυχαίο για να αποφεύγονται περαιτέρω συγκρούσεις. Αν παρατηρηθούν πολλές συνεχόμενες συγκρούσεις, ο αποστολέας παραιτείται από την προσπάθεια μετάδοσης. Αφού ο χρόνος υποτίθεται συνεχής, δεν απαιτείται συγχρονισμός του αποστολέα και του παραλήπτη όταν χρησιμοποιείται το καθαρό ALOHA. - Slotted ALOHA με σχισμές (Slotted ALOHA) Το 197 προτάθηκε από τον Roberts μια μέθοδος για τον διπλασιασμό της χωρητικότητας του πρωτοκόλλου ALOHA. Η διαφορά σε σχέση με το καθαρό ALOHA ήταν η διάσπαση του χρόνου σε διακριτά τμήματα μήκους Τ, όπου Τ ο χρόνος μετάδοσης ενός πλαισίου. Η μέθοδος αυτή ονομάστηκε ALOHA με σχισμές. Οι χρήστες πλέον δεν μπορούν να μεταδίδουν όποτε εκείνοι θέλουν, αλλά μόνος στην αρχή κάθε τέτοιου διαστήματος. Αυτή η απαίτηση δημιουργεί την ανάγκη να υπάρχει από μέρους του δικτύου ένα σήμα στην αρχή κάθε πλαισίου ώστε να υπάρχει συντονισμός.
9.3. Ανάλυση της απόδοσης (throughput) του Πρωτόκολλου Aloha Ο πραγματικός φόρτος του δικτύου είναι G packets/slot. Θεωρώντας ότι τα νέα πακέτα φθάνουν στο δίκτυο με ένα ενωποιημένο ρυθμό από λ packets/slot τότε ισχύει ότι G λ καθώς ο ενωποιημένος ρυθμός περιλαμβάνει και την περίπτωση επαναμετάδοσης μετά την συγκρουση των πακέτων στο δίκτυο. Γενικά θεωρούμε ένα δίκτυο όπου όταν περισσότεροι από έναν σταθμοί μεταδίδουν στο ίδιο timeslot τότε υπάρχει συμφόρηση και οι δέκτες δεν μπορούν να λάβουν τα πακέτα σωστά. Επιτυχής είναι η μετάδοση όταν μεταδίδεται ένα πακέτο ανά slot ενώ όταν κανένα πακέτο δεν μεταδίδεται το slot θεωρείται idle. Σε κάθε περίπτωση, το σύστημα εφαρμόζει τεχνική ανάδρασης για την κατάσταση του πακέτου και στην περίπτωση συμφόρησης τότε τα πακέτα που έχουν μπλοκαριστεί επαναμεταδίδονται. Η επαναμετάδοση γίνεται μετά από μια επιλεγμένη backoff περίοδο και τα αντίστοιχα πακέτα καλούνται backlogged. Εργαστηριακή άσκηση 9.3. Θεωρώντας ότι η μετάδοση πακέτων στο δίκτυο μοντελοποιείται ως κατανομή Poisson, τότε η πιθανότητα P [k] ότι τα k πακέτα μεταδίδονται σε ένα συγκεκριμένο slot δίνεται από την παρακάτω εξίσωση k G e P[ k] = k! Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι: - η πιθανότητα μηδενικής μετάδοσης ( k = 0 ) σε ένα slot, πιθανότητα εμφάνισης idle slot, είναι P[ k = 0] = e - η πιθανότητα μιας ακριβώς μετάδοσης ( k = 1) σε ένα slot, πιθανότητα επιτυχούς slot, είναι P[ k = 1] = Ge - η πιθανότητα ενός συμφορημένου slot, είναι 1 P[0] P[1] = 1 e (1 G) Μετά τ αύτα, η απόδοση T s είναι ίση με T s = Ge η οποία αποτελεί την πιθανότητα κάθε slot να μεταφέρει μία επιτυχής μετάδοση. Επίσης, ο μέσος αριθμός προσπαθειών που γίνονται για την μετάδοση ανά πακέτο, δίνεται από την σχέση G / S = e. Να σχεδιάσετε την απόδοση του παραπάνω προτοκόλου Aloha για φόρτο δικτύου από 0:0.1:3.5 packets/slot.
Να σχεδιάσετε τον μέσο αριθμό προσπαθειών που γίνονται για την μετάδοση ανά πακέτο σε ένα δίκτυο με φόρτο από 0:0.1:3.5 packets/slot. 9.4 Ποιοτικά χαρακτηριστικά ενός Δικτύου Κινητών Επικοινωνιών
Η φασματική απόδοση της περιοχής κάλυψης (area spectral efficiency-ase) ενός κυψελωτού ραδιοσυστήματος αποτελεί το μέτρο της χωρητικότητας του συστήματος σε σχέση με κάποια ποιοτικά χαρακτηριστικά του. Η ASE μιας κυψέλης ορίζεται ως η throughput/hz/unit area η οποία υποστηρίζεται από τους πόρους του συστήματος και πιο συγκεκριμένα είναι ίση με A e CSR / B CSR / B = =, S π (.5D) circle bps / Hz / m όπου - C SR ο μέγιστος ρυθμός ενός χρήστη στην κυψέλη μελέτης - B το εύρος ζώνης της μετάδοσης - S circle η επιφάνεια του κύκλου - D η απόσταση επαναχρησιμοποίησης Θεωρώντας τον μέγιστο ρυθμό του k-οστού χρήστη στην κυψέλη που είναι ίσος με R k γ B ( D R) = log( 1+ ), bps K 6R τότε η ASE γίνεται ίση με A e ( D R) γ K C / B log(1 + ) k = 1 k = = 6R, π (.5D) π (.5D) bps / Hz / m Εργαστηριακή άσκηση 9.4 Να υπολογίσετε και να απεικονίσετε τα αποτελέσματα της ASE σε σχέση με την απόσταση επαναχρησιμοποίησης για εκθέτες απωλειών διαδρομής ίσους με γ = 4 και γ =.