Algoritmos de Scheduling de Pacotes

1. Algoritmos de Scheduling de Pacotes João Reis e Valdemar Monteiro

2. Apresentação • Motivação • RRM desenvolvido no âmbito do projecto MATRICE • Descrição do sistema • Algoritmos de sheduling • Resultados demosntrativos • Geração de tráfego • Baseados em modelos de 3GPP • Interface IP – Desenvolvido para a interface de simuladores de sistemas com rede IP real.

3. Motivação • As futuras redes de comunicações sem fios perspectivam oferecer aos utilizadores uma grande variedade de serviços multimédia, caracterizados por requisitos variáveis de largura de banda (taxa de dados). • As características das ligações rádio são dinâmicas e dependentes da localização, e portanto podem-se ter ligações rádio para cada utilizador com diferentes propriedades (SINR, …) • Esquemas adaptativos de scheduling de pacotes são cruciais para gerir o acesso dos utilizadores aos recursos disponíveis, de acordo com determinadas politicas, que consideram, por exemplo, características de tráfego, condições de canal de cada utilizador, … • Contudo, no sentido de tirar partido das vantagens da adaptabilidade, é necessária uma concepção cross-layer da arquitectura de rede de um sistema de comunicações.

4. RRM • Âmbito do projecto do IST MATRICE • RRM para sistemas Pós-3G baseados em MC-CDMA • Inclui • Link adaptation • H-ARQ com Chase combining • Scheduling • Os trabalhos desenvolvidos no IT incidiram no scheduler • RRM com modelo aproximado ao HSDPA do UMTS

5. Modelo de sistema Scheduler Algoritmo de sched. Fonte 1 tipo1 Agreg. Pacote  bloco rádio Qa1 Q1 Buffer Fonte N1 tipo1 Agreg. Fonte 1 tipo L QaL QL Pacote  bloco rádio Buffer Fonte NL tipo L • L tipo de fontes de informação • Tráfego de fontes do tipo i agregado na fila Qai correspondendo à agragação do tráfego gerado pelas Ni fontes de tráfego idênticos e independentes • Conversão de pacotes em blocos rádio  Filas (Qi) com características ditadas pela operação de agragação e conversão de formato • Algumas simplificações levadas em conta na implementação do sistema

6. Modelo de sistema • Simplificações • Buffers de tamanho infinito • Segmentação dos pacotes não altera a estatística das filas Qi  Pacotes com tamanho original fixo

7. Modelo de sistema • Caracterização do pacote • O pacote é caracterizado de acordo com o estado pelo sheduler, usando • Atributos do pacote • Informação do canal • Atributos do pacte • Tipo (classe de serviço) • destino • Instante de chegada • Deadline (toa+max allowable delay) • # de tentativas de transmição • Requisitos de robustez na transmissão (BER / FER) • Estado do pacote • Tipo (classe de serviço) • Robustez esperada na Tx • Time out • # de transmições efectuadas

8. Algoritmo de scheduling • Prioridade de cada calculada de acordo com o estado. Pacotes com prioridade mais elevada serão servidos primeiro • Prioridade=F(tipo, time-out, requisitos de robustez, # tentaivas de transmissão) • Inclusão do # tentativas de transmissãoão é incluido pq o Chase combining é aplicada • Functão implementada • w1: funcão que decresce com o time-out • w2: função decresce com o número de tentativas de transmissão • w3: função ternária para a robustez de transmissão • Em caso de igualdade são ordenados pelo time-out, e depois pelo SIR

9. Resultados demosntrativosAlgoritmo comp. com max(C/I) Cenário • Modelo de canal urbano, células de 300m, • Tramas de 10 ms • Tráfego: Voz e Web baseados em modelos da 3GPP • Voz: On-Off distribuído exponencialmente, com médias de 1 e 1.35 sec.; ritmo de 11.04 kbps no período on • Web: Tempo entre chamadas distribuído geométricamente com média 5sec.; tamanho de chamadas de acordo com a distribuição de Pareto com média 12 kBytes, e pico de ritmo de dados de 512 kbps • Simulações de downlink

10. Resultados demonstrativosVoz Scheduling de prioridade Scheduling Max(C/I)

11. Resultados demonstrativosWeb Scheduling de prioridade Scheduling Max(C/I)

12. Modelo do Sistema User 2 User 1 BTS User 1 h1(t) Transmit Unit Packet Scheduler User 2 Traffic Queues h2(t) SINR QoS Constraints User n hn(t) User n Feedback Link • Uma entidade central de scheduling na estação base controla as transmissões em downlink de um sistema de comunicações acedido por múltiplos utilizadores. • A entidade de scheduling decide que pacotes devem ser transmitidos no inicio de cada trama rádio.

13. Algoritmos de Scheduling I • Algoritmo conjunto de scheduling e adaptação de modulação • A politica para determinar os pacotes a transmitir leva em consideração a formatação dos dados (modulação), permitida por cada utilizador. • A selecção da modulação permitida é realizada de acordo com a qualidade de canal e o tamanho da fila de tráfego de cada utilizador. Pacotes Selecionados Algoritmo de Scheduling Modulação selecionada Estado do Canal Selecção de Modulação

14. Resultados Experimentais Ilustrativos • Função de distribuição cumulativa (CDF) para o atraso na entrega dos pacotes O algoritmo “Adaptação de modulação” ultrapassa, significativamente, o desempenho do algoritmo designado por “máximothroughput”, em termos do atraso máximo de pacote.

15. Algoritmos de Scheduling II • Algoritmo conjunto de scheduling e beamforming • Fazer o scheduling dos pacotes de acordo com uma politica conjunta de prioridade e beamforming. • Passo 1: Função de Prioridade • Nesta fase os pacotes existentes nas filas de tráfego são ordenados com base numa função de prioridade envolvendo parâmetros da camada física e parâmetros de qualidade de serviço ( QoS). • Passo 2: Mapeamento Espacial • Nesta fase, o objectivo passa por mapear os pacotes num array , em que as linhas representam os “códigos” e as colunas representam a dimensão espacial. • Na tabela cada linha corresponde a um código, e portanto todos os utilizadores na mesma linha usam o mesmo código. Isto implica, que dois utilizadores que estejam na mesma linha da tabela, necessitem de estar espacialmente separados, isto é, a diferença entre os seus ângulos deva ser no mínimo θmin

16. Algoritmos de Scheduling III MS6 MS1 MS3 MS4 MS2 W1,2(MS1) W1,2(MS2) W1,2(MS3) W1,2(MS4) W1,2(MS5) W1,2(MS6) Array Processing BS • Demonstração do Algoritmo

17. Interface IP - Conceito • Interface de simuladores de sistema com a rede IP • Interface através de ficheiros de captura • Tráfego baseado no IP v6 • Parâmetros extraídos dos pacotes capturados: • Endereço da fonte • Inteiro de 0 a núm. max de addresses capturados • Endereço de destino • Associated ao Id do endereço • Instante de chegada (em µs) • comprimento (bytes) • Classe de serviço – DSCP (de 0 a 255)

18. Interface IP - Interfaces • Entrada: Ficheiro de captura • Saídas: • Ficheiros de texto • Um ficheiro por parâmetro • Cada linha do ficheiro corresponde a uma stream individual • Objecto de tráfego do simulador • stream de pacotes do simulador são criados para serem associados a cada fonte de tráfego

19. Interface IPInterfaces do múdulo

20. Interface IpFicheiros de saída • Ficheiro de texto com um parâmetro individual • Organizado em streams • Stream corresponde à combinação de: endereço da fonte, endereço de destino e Flow Id • Alterações não muito significativas se outros parâmetros forem necessários (indexação manter-se-á)