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

• GPRS, EDGE

• Μετάδοση δεδομένων με χαμηλό ρυθμό

(160Kbps)

• GPRS: Χρησιμοποιεί κανάλια του δικτύου GSM

• Μεταγωγή πακέτων

Δίκτυα Γενιάς 2.5

4

Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών

• UMTS, CDMA 2000• Μετάδοση δεδομένων με ρυθμό ως 2Mbps• Πολυπλεξία CDMA• Χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με Fast

Power Control (open loop, closed loop)

Δίκτυα 3ης Γενιάς

5

Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών

• 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

Δίκτυα 3ης Γενιάς

6

Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών

Υπηρεσίες UMTS

• www

• video telephony

• επικοινωνία με χρήση πολυμέσων

Δίκτυα 3ης Γενιάς

7

Εξέλιξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών

Μέγιστος ρυθμός ανά δίκτυο

8

Εισαγωγή στα δίκτυα 3GΈνα 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 3GΤο 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 3GΤο UTRAN

RNS

• RNC (Radio Network

Controller) • Node B (Base Station)

11

Εισαγωγή στα δίκτυα 3G

• 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

WCDMA (Physical Layer)

12

Εισαγωγή στα δίκτυα 3G

• 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)

WCDMA (Physical Layer)

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 προγραμματισμός μεταφέρεται 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 HSDPAΑλγόριθμοι 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

• Min Tj

• Proportional Fair:

Επιλογή του χρήστη

Tj: Μέση ρυθμαπόδοση του χρήστη j

για ορισμένο χρονικό παράθυρο

Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

21

Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

Ο αλγόριθμος Proportional Fair

22

Proportional Fair Πιο δίκαιοςΕύκολος στην υλοποίησηΚαλύτερα αποτελέσματα για τη μέση

ρυθμαπόδοση

× Δε διαφοροποιεί κλάσεις QoS× Δεν εγγυάται τη σταθερότητα του συστήματος

Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

23

Αν

• Τo SNR κάθε χρήστη έχει κατανομή Rayleigh,

• Ομοιόμορφος πληθυσμός χρηστών

τότε

• Δυνατότητα αναλυτικού υπολογισμού του κέρδους λόγω ευκαιριακού χρονοπρογραμματισμού για τον Proportional Fair scheduler

• Η μέση ρυθμαπόδοση είναι αύξουσα συνάρτηση του αριθμού των χρηστών

Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

24

Αναλυτική Μελέτη• Το κέρδος παρουσία Ν χρηστών υπολογίζεται

(αύξουσα συνάρτηση του N)

• Περισσότεροι χρήστες – Μεγαλύτερη Πιθανότητα επιλογής χρήστη με μεγάλο SNR

Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

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

1) Ελάχιστος στιγμιαίος ρυθμός δεδομένων2) Ελάχιστη μέση ρυθμαπόδοση3) Στατιστική Ποιότητα Υπηρεσίας:

W = καθυστέρηση πακέτου Pr{ W>T } ≤ δ Τ = όριο καθυστέρηση δ = όριο πιθανότητας

32

Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι

• Χρήση επιπλέον πληροφορίας

1) Καθυστέρηση κάθε πακέτου Wi(t)

2) Μέγεθος ουράς Qi(t)

• Απαραίτητη μεγαλύτερη ανάδραση από κάθε τερματικό

33

Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι

• M-LWDF

j = arg max {γi μi Wi(t)}

j = arg max {γi μi Qi(t)}

• Εξασφαλίζει σταθερότητα

• Ορισμός των γi για 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

???