Ευκαιριακός χρονοπρογραμματισμός μετάδοσης σε ασύρματα δίκτυα 3 ης γενιάς

1. Ευκαιριακός χρονοπρογραμματισμός μετάδοσης σε ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς Γιαννουλάκης Ιωάννης 10 / 5 / 2006

2. Περίληψη • Εισαγωγή στα δίκτυα 3G • Προσθήκη του HSDPA • Αλγόριθμοι για opportunistic scheduling • Συστήματα Generalized Processor Sharing • Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι - Ερευνητική Προσπάθεια

3. Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Δίκτυα Γενιάς 2.5 • GPRS, EDGE • Μετάδοση δεδομένων με χαμηλό ρυθμό (160Kbps) • GPRS: Χρησιμοποιεί κανάλια του δικτύου GSM • Μεταγωγή πακέτων

4. Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Δίκτυα 3ης Γενιάς • UMTS, CDMA 2000 • Μετάδοση δεδομένων με ρυθμό ως 2Mbps • Πολυπλεξία CDMA • Χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με Fast Power Control (open loop, closed loop)

5. Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Δίκτυα 3ης Γενιάς • Καλύτερη εκμετάλλευση του φάσματος • Πολυπλεξία υπηρεσιών • Εγγυήσεις Καθυστέρησης • Χαμηλότερος ρυθμός λαθών στο ασύρματο κανάλι (10-6 /b) • Συμβατότητα με την υποδομή των δικτύων 2ης γενιάς

6. Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Δίκτυα 3ης Γενιάς Υπηρεσίες UMTS • www • video telephony • επικοινωνία με χρήση πολυμέσων

7. Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών Μέγιστος ρυθμός ανά δίκτυο

8. Εισαγωγή στα δίκτυα 3G Ένα δίκτυο UMTS αποτελείται από: • Το δίκτυο – πυρήνα (core network) • Το UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) • Τον εξοπλισμό του χρήστη (User Equipment)

9. Εισαγωγή στα δίκτυα 3G Το δίκτυο - πυρήνας • HLR (Home Location Register) • MSC (Mobile Services Switching Centre) • VLR (Visitor Location Register ) • GMSC (Gateway MSC) • SGSN (Serving GPRS Node) • GGSN (Gateway GPRS Support Node)

10. Εισαγωγή στα δίκτυα 3G Το UTRAN RNS • RNC (Radio Network Controller) • Node B (Base Station)

11. Εισαγωγή στα δίκτυα 3G WCDMA (Physical Layer) • Chip-rate 3.84 Mcps (5 MHz) • Τα bit πληροφορίας πολλαπλασιάζονται με μία ακολουθία από chip που ονομάζεται κώδικας • Μεταξύ των χρηστών της ίδιας κυψέλης επιλέγουμε ορθογώνιους κώδικες

12. Εισαγωγή στα δίκτυα 3G WCDMA (Physical Layer) • Χρονική σχισμή 10 ms • Σταθερός ρυθμός κατά τη διάρκεια της χρονικής σχισμής • Ο ρυθμός μεταβάλλεται μεταξύ των χρονοσχισμών • Έλεγχος της ισχύος μέσω ανοιχτού και κλειστού βρόχου • Μεταβλητός Παράγοντας Εξάπλωσης (Variable spreading factor)

13. Η προσθήκη του HSDPA Στόχος: Η υποστήριξη ρυθμού της τάξης των 10 – 12 Mbps • Διαμόρφωση: 16-QAM (QPSK) • Χρονοσχισμή 2 ms • H-ARQ scheme • Ο προγραμματισμόςμεταφέρεται στον Node-B • Αφαίρεση του Μεταβλητού Παράγοντα Εξάπλωσης

14. Η προσθήκη του HSDPA • Ανάδραση από το τερματικό για τις συνθήκες του ασύρματου καναλιού • Ο σταθμός βάσης γνωρίζει τις συνθήκες του μέσου για κάθε τερματικό που εξυπηρετεί. • Αποφασίζει ποιος θα εξυπηρετηθεί σε χρονική κλίμακα χρονοσχισμής • Αναθέτει όλους τους πόρους (κώδικες), στο χρήστη που επιλέγει για τουλάχιστον μία χρονοσχισμή (2 ms)

15. Η προσθήκη του HSDPA Ανάδραση από κάθε τερματικό

16. Η προσθήκη του HSDPA Ανάγκη για αποτελεσματικό scheduling • Αποτυχία οδηγεί σε μεγάλη απώλεια πόρων • Ασύρματο περιβάλλον άρα οι πόροι είναι λίγοι και ακριβοί • Αυξανόμενη ανάγκη για ευρυζωνικές υπηρεσίες

17. Η προσθήκη του HSDPA Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού • Βελτιστοποίηση Ρυθμαπόδοσης • Δικαιοσύνη • Σταθερότητα Συστήματος (≠FCFS) • Εγγύηση Στατιστικής Ποιότητας Υπηρεσίας

18. Η προσθήκη του HSDPA Σχηματική Παράσταση του Downlink

19. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού • Round Robin • Max SNR Επιλογή του χρήστη με τις καλύτερες συνθήκες

20. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού • Min Tj • Proportional Fair: Επιλογή του χρήστη Tj: Μέση ρυθμαπόδοση του χρήστη j για ορισμένο χρονικό παράθυρο

21. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού Ο αλγόριθμος Proportional Fair

22. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού Proportional Fair • Πιο δίκαιος • Εύκολος στην υλοποίηση • Καλύτερα αποτελέσματα για τη μέση ρυθμαπόδοση • Δε διαφοροποιεί κλάσεις QoS • Δεν εγγυάται τη σταθερότητα του συστήματος

23. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού Αν • Τo SNR κάθε χρήστη έχει κατανομή Rayleigh, • Ομοιόμορφος πληθυσμός χρηστών τότε • Δυνατότητα αναλυτικού υπολογισμού του κέρδους λόγω ευκαιριακούχρονοπρογραμματισμού για τον Proportional Fair scheduler • Η μέση ρυθμαπόδοση είναι αύξουσα συνάρτηση του αριθμού των χρηστών

24. Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού Αναλυτική Μελέτη • Το κέρδος παρουσία Ν χρηστών υπολογίζεται (αύξουσα συνάρτηση του N) • Περισσότεροι χρήστες – Μεγαλύτερη Πιθανότητα επιλογής χρήστη με μεγάλο SNR

25. Συστήματα Processor Sharing • Συστήματα στα οποία όλοι οι χρήστες εξυπηρετούνται ταυτόχρονα • Οι χρήστες μοιράζονται το διαθέσιμο ρυθμό εξυπηρέτησης 1 χρήστης – ρυθμός μ 2 χρήστες – ρυθμός μ/2 στον καθένα ..................................................... ν χρήστες – ρυθμός μ/ν στον καθένα

26. Συστήματα Processor Sharing Εναλλακτική Προσέγγιση

27. Συστήματα Generalized Processor Sharing • Ο συνολικός ρυθμός εξυπηρέτησης εξαρτάται από τον αριθμό των χρηστών 1 χρήστης – ρυθμός μ 2 χρήστες – ρυθμός μ2 = f(2) σε κάθε χρήστη ..................................................... ν χρήστες – ρυθμός μν = f(ν) σε κάθε χρήστη

28. Συστήματα Generalized Processor Sharing • Γενίκευση σε πολλαπλές φάσεις • Τυχαίος πίνακας δρομολόγησης • Ανεξαρτησία του ρυθμού εξυπηρέτησης μεταξύ των φάσεων • Γενική κατανομή των χρόνων εξυπηρέτησης

29. Συστήματα Generalized Processor Sharing • Μικρή Διάρκεια χρονοσχισμών (2 msec) • Εξάρτηση του ρυθμού εξυπηρέτησης από τον αριθμό των χρηστών Σύνδεση με υπάρχοντες αλγόριθμους

30. Συστήματα Generalized Processor Sharing • Αναλυτικά αποτελέσματα • Χρήση σχημάτων που αναπτύχθηκαν στο παρελθόν • Ευκολότερη Επαλήθευση Πλεονεκτήματα

31. Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι Προσφορά QoS Ανάλογα με την εφαρμογή εγγύηση για • Ελάχιστος στιγμιαίος ρυθμός δεδομένων • Ελάχιστη μέση ρυθμαπόδοση • Στατιστική Ποιότητα Υπηρεσίας: W = καθυστέρηση πακέτου Pr{ W>T }≤ δΤ = όριο καθυστέρηση δ = όριο πιθανότητας

32. Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι • Χρήση επιπλέον πληροφορίας • Καθυστέρηση κάθε πακέτου Wi(t) • Μέγεθος ουράς Qi(t) • Απαραίτητη μεγαλύτερη ανάδραση από κάθε τερματικό

33. Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι • M-LWDF j = arg max {γiμi Wi(t)} j = arg max {γiμi Qi(t)} • Εξασφαλίζει σταθερότητα • Ορισμός των γiγια δεδομένο επίπεδο QoS γi = -log(δi)/(Ti μi)

34. Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι • Exponential Rule • Εξασφαλίζει σταθερότητα • Για μικρές καθυστερήσεις συμπεριφέρεται σαν τον Proportional Fair

35. Ερευνητική Προσπάθεια • Εξάρτηση του μέσου ρυθμού από τον αριθμό των παρόντων χρηστών για κάθε αλγόριθμο Ε{Ri | Exp. Rule} = f(N) Ε{Ri | M-LWDF} = f(N)

36. Ερευνητική Προσπάθεια • Σύνδεση των παραπάνω με συστήματα GPS

37. Ερευνητική Προσπάθεια • Ποσοτική περιγραφή χρονικών παραμέτρων • Εφαρμογή των αποτελεσμάτων GPS και εξαγωγή των μετρικών επίδοσης • Επαλήθευση με προσομοίωση

38. Αναφορές • Borst S., “User-Level Performance of Channel-Aware Scheduling Algorithms in Wireless Data Networks”., In Proc.of IEEE INFOCOM, vol. 1, pp. 321 – 331, 2003 • Shakkottai S., Stolyar A., "Scheduling algorithms for a mixture of real-time and non-real-time data in HDR," In Proc. of 17th International Teletraffic Congress (ITC-17), Salvador da Bahia, Brazil, pp. 793 – 804, 2001 • Cohen J.,“The multiple phase service network with generalized processor sharing”, Acta Informatica, 12: 245 -- 284, 1979

39. Ερωτήσεις ???