Лекция 12

Лекция 12. Механизмы смешанного доступа

В сетях со смешанным доступом используются различные комбинации механизмов свободного и контролируемого доступов для служебных (управляющих) и информационных каналов. Широкое применение нашли механизмы резервированная Алоха (R-Aloha) и смешанного резервирования с фиксированным форматом суперкадров (SFR). Механизм смешанного резервирования с фиксированным форматом суперкадров используется в мобильных сетях GPRS 3-го поколения.

1. Механизм смешанного доступа и архитектура канального уровня систем 3-го поколения GPRS

В мобильных сетях 2-го поколения (2G) используются технологии коммутации каналов (КК – Circuit switching (CS)), которые хорошо приспособлены для передачи голосового трафика, но не в состоянии поддерживать эффективную передачу данных. Основная идея GPRS (General Packet Radio Service) заключается в эволюционном развитии на платформе мобильных сетей 2-го поколения GSM новых, КП-ориентированных технологий, с целью эффективного предоставления новых, высокоскоростных, по сравнению с 2G GSM, услуг передачи данных, видео, доступа в Internet и т.п. [8]. Технологии GPRS в состоянии поддерживать сквозную передачу «порт-порт» на скорости до 160 Кбит/с интегрального пакетного (bursty) трафика. В сквозном соединении используются протоколы IP/X.25/X.75 в GPRS-ядре (core network) и КП-ориентированные протоколы управления множественным доступом к радиосреде (Medium access control based on packet switching - MAC/PS) и управления радиоканалом (Radio link control based on packet switching - RLC/PS). В отличие от технологии КК, ресурсы радиоканала с КП распределяются не статически, на время сеанса связи, и одновременно в обоих направлениях дуплекса, а динамически, на интервал передачи одного или нескольких IP пакетов, в одном, актуальном на момент распределения, направлении дуплекса.

Функциями протокола RLC являются сегментация, реассемблирование модулей пакетированных данных подуровня управления каналом (LLC PDUs), обнаружение ошибок и селективный автоматический запрос повторения передач ошибочных блоков – АЗО (selective repeat-automatic repeat request – SR-ARQ) в сочетании с запросами определенного качества обслуживания (QoS).

Подуровень MAC/PS управляет множественным доступом, или параллельным распределением временных слотов общего радиоканала (common channel) одновременно для пакетов многих мобильных станций (MS). Иными словами, подуровень MAC/PS организует распределенное статистическое мультиплексирование пакетного трафика многих MS в радиоканале коллективного пользования. В системах GPRS используется протокол смешанного доступа: для канала запросов используется механизм свободного доступа (тактированная Алоха), для канала данных – механизм контролируемого доступа (резервирования).

2. Понятие о приоритетных классах обслуживания. Достижения метода GPRS.

Ожидается [8], что внедрение GPRS приведет к следующим достижениям:

ü Совмещение в одной мобильной сети КК- и КП-ориентированных услуг, т.е. эволюционный переход с 2G технологий на 3G, от GSM к UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service),

ü Эффективное использование ограниченных ресурсов радиосреды,

ü Малое время включения и доступа,

ü Эффективный транспорт пакетов в сетях GSM,

ü Совместимость с другими сетями коммутации пакетов IP/X.25/X.75,

ü Дифференциация и управление качеством сервиса (DifS & QoS),

ü Переход на оплату за количество переданных данных с определенным качеством обслуживания (QoS).

Классы обслуживания (QoS) в сети GPRS (Phase 2+, Stage 1) характеризуются пятью параметрами, представленными в табл. 1.

Табл. 1. Классы обслуживания GPRS [9]

Параметр	Значение
Приоритет	Высокий, нормальный, низкий
Надежность	Вероятность потери пакета: 10^-9, 10^-4, 10^-2
Время задержки пакета объемом 128 октетов, с	Класс	1	2	3	4
	Среднее значение	< 0,5	< 5,0	< 50,0	Best effort
	95%	< 1,5	< 25,0	< 250,0	Best effort
Максимальная скорость, Кбит/с	8,0 ¸ 2000,0 (в настоящее время ограничена величиной 160,0 Кбит/с)
Средняя скорость, Кбит/с	0,22 ¸ 111,0

3. Протокол смешанного доступа GPRS

Форматная структура кадров GPRS «надстраивается» над форматами системы GSM, что обеспечивает их совместимость и возможности для эволюционного перехода. Основой формата канала пакетных данных (packet data channel – PDCH) составляют радиоблоки данных емкостью по 456 бит, которые передаются в одноименных временных слотах (i-th time slot – TS) в четверках смежных TDMA кадров. Радиоблоки образуют 12-блочную структуру из 52-х TDMA кадров (рис. 1).

Рис. 1. Форматная структура кадров GPRS

Временные слоты TS 0 выделяются для восходящего (uplink) пакетного канала случайного доступа (PRACH), слоты TS 0 ¸ TS 7 предназначены для размещения радиоблоков восходящего/нисходящего пакетного канала передачи данных – Packet data transfer channel (PDTCH), uplink/downlink. !2-блочные структуры содержат по 4 мультикадра пакетных данных (Packet data multiframe). Последние включают по 12 задействованных на канальном уровне TDMA кадров, а также по одному свободному TDMA кадру.

Для реализации протокола MAC управления доступом к среде используются следующие логические каналы управления:

§ Packet random access channel (PRACH), uplink – пакетный канал случайного доступа, восходящий (от MS к BSS),

§ Packet paging channel (PPCH), downlink – пакетный канал вызова, нисходящий (от BSS к MS),

§ Packet access grant channel (PAGCH), downlink – пакетный канал гарантированного доступа, нисходящий,

§ Packet broadcast control channel (PBCCH) – пакетный широковещательный канал управления, нисходящий,

§ Packet associated control channel (PACCH) – пакетный ассоциированный канал управления.

Протоколы канального уровня GPRS поясняются на рис.2. Циклы распределения ресурсов восходящего канала пакетных данных позиционируются относительно структуры мультикадров пакетных данных PDMF. Мобильные станции, имеющие подготовленные к передаче пакеты данных, передают в служебных слотах TS₀ мультикадра по каналу случайного доступа PRACH (тактированная Алоха) свои запросы PCR для резервирования временных интервалов (блоков) в восходящем пакетном канале данных PDTCH. Контроллер базовой станции (BSS) анализирует поступившие запросы по классам приоритетного обслуживания, запрашиваемым ресурсам, а также по очередности и на этой основе распределяет информационные временные интервалы (радиоблоки) в мультикадре PDMF пакетного канала данных PDTCH. Команды MAC с выработанным распределением ресурса PUA передаются на MS по нисходящему ассоциативному каналу PAGH.

Таким образом, принятый в GPRS протокол MAC относится к классу известных методов смешанного доступа (случайный доступ в канале управления и контролируемый доступ в информационном канале пакетных данных) с резервированием в суперкадре/мультикадре фиксированного формата (supperframe format resetvation protocol – SFR) [3, 10].

Рис. 2. Диаграмма протоколов MAC/LLC GPRS

4. Эффективность смешанного доступа GPRS

Эффективность использования формата мультикадра в рассматриваемом случае равна

, (1)

где: - относительные затраты ресурса на управление доступом (резервирование),

, (2)

m, n_PDCH и n_c– соответственно, число радиочастотных каналов (radio frequency – RF), число радиоблоков в одном RF канале мультикадра, предназначенных для восходящего канала PDCH и, наконец, число служебных радиоблоков восходящего служебного канала случайного доступа PRACH, n_c£ 3m ,

- относительные затраты ресурса на свободные (неиспользуемые) радиоблоки в формате мультикадра, , n_idle= 2m. Если все слоты TS₀ использовать для радиоблоков восходящего канала управления PRACH (n_c=3m), то эффективность (1), или полезное использование формата мультикадра, будет равна 0,808, а относительные затраты на управление (2) – 0,125. Пропускная способность m-частотного канала PDTCH пакетных данных без шумов определяется по значению (1),

, Эрл, (3)

а пропускная способность служебного канала случайного доступа PRACH – из величины (2):

, (4)

где n_m– число мини-слотов резервирования, на которое можно расщепить служебные радиоблоки восходящего канала PDHC 0, n_m³ 4, exp(-1) – пропускная способность протокола тактированная Алоха.

К лекции 13-14. Вероятностный граф и характеристики протокола GPRS. Метод баланса интенсивностей нагрузок

5. Постановка задачи анализа вероятностно-временных характеристик GPRS

Пусть на некотором отрезке времени [t_s , t_s₊₁) в сети GPRS активны (инициализированы) N_t мобильных станций MS_i , i=1,2,…, N_t . Пусть на входы станций поступают и передаются затем с помощью изложенных в предыдущем разделе протоколов MAC/RLC канального уровня GPRS неоднородные пуассоновские потоки пакетов данных k-х классов приоритетного обслуживания (см. табл. 1) со входными нагрузками G_ikt= l_iktt_k. , k=1,2,…,4, где l_ikt. –интенсивность, а t_k – средняя длительность входных пакетов k-го приоритетного класса. Длительность удобно измерять в относительных единицах времени (ОЕВ), равных парциальному времени передачи одного радиоблока, т.е. 60/26=2,3077 мс. Такая сеть GPRS моделируется m-канальной многомерной (с размерностью 4N_t ) системой массового обслуживания (СМО) вида с приоритетами и неоднородной распределенной векторной очередью с емкостями n_ik_t локальных составляющих, которые распределены в пространстве. Символ G_Gt_,_E_,_Pозначает зависимость времени обслуживания заявок от величины входной нагрузки

, (4)

параметров E внешней среды – вероятностей p_x обнаружения ошибок в x-ых пакетах – и, наконец, от системных параметров P протоколов MAC/RLC канального уровня GPRS. Векторный символ означает, что состояния очереди – числа j_ikt занятых ячеек в i-ых очередях k-ых приоритетных классов обслуживания – задаются вектором .

Задачи вида не аналитичны в реалистической постановке, т.е. не прибегая к сильным упрощающим допущениям, с учетом ошибок, неоднородности входных нагрузок, реальных входных потерь и повторных потоков нагрузки по переспросам, реальных системных параметров протоколов и дисциплин приоритетного обслуживания (неопустошающее обслуживание, огранчение емкости очередей и т.п.). Для решения поставленной задачи здесь будет развит предложенный нами в [2-4] численный метод баланса интенсивностей нагрузок.