Ευκαιριακός χρονοπρογραμματισμός μετάδοσης σε ασύρματα δίκτυα 3 ης 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 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 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 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 Min T j Proportional Fair: Επιλογή του χρήστη T j : Μέση ρυθμαπόδοση του χρήστη j για ορισμένο χρονικό παράθυρο Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού

21 Αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού Ο αλγόριθμος Proportional Fair

22 Proportional Fair Πιο δίκαιος Εύκολος στην υλοποίηση Καλύτερα 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 μ 2 = f(2) σε κάθε χρήστη ν χρήστες – ρυθμός μ ν = 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 δεδομένων 2)Ελάχιστη μέση ρυθμαπόδοση 3)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 W i (t) 2)Μέγεθος ουράς Q i (t) Απαραίτητη μεγαλύτερη ανάδραση από κάθε τερματικό

33 Συνδυαστικοί Αλγόριθμοι M-LWDF j = arg max {γ i μ i W i (t)} j = arg max {γ i μ i Q i (t)} Εξασφαλίζει σταθερότητα Ορισμός των γ i για δεδομένο επίπεδο QoS γ i = -log(δ i )/(T i μ i )

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{R i | Exp. Rule} = f(N) Ε{R i | 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: , 1979

39 Ερωτήσεις ???