modelarea traficului in cadrul retelelor de radiotelefonie...

Modelarea traficului in cadrul retelelor de radiotelefonie mobila(II)

• Alocarea resurselor radio in cadrul retelelor GSM/GPRS esteimportanta intrucat acestea sunt proiectate sa transmita trafic mixt:

– Voce– Date: WAP, WEB, E-mail…– Caracteristici variabile: trafic mai intens pe downlink– Prioritatea vocii asupra datelor

• Tehnici de transmisie diferite:– Pentru voce, tehnica de transmisie: Comutarea de circuit - CS( Circuit switching)– Pentru date, tehnica de transmisie: Comutarea pachetelor - PS(Packetswitching)

•Amandoua serviciile necesita o anumita calitate QoS

Modelarea traficului in cadrul retelelor de radiotelefonie mobila

• Dimensionarea resurselor radio = stabilirea numarului de canalefizice ( numar de TRX-uri) pentru a garanta o anumita calitate a serviciului in aria de acoperire

• Optimizarea utilizarii resurselor radio cade in sarcina blocului RRM (Radio resources Management) si se bazeaza pe scheme specificede alocare:– CS ( Complete Sharing) – CP (Complete Partitioning) – PP (Partial Partitioning)

• Operatorii GSM/GPRS trebuie sa stabileasca o strategie de alocarea capacitatii unei celule intre clientii GSM si cei GPRS

• Capacitatea celulei = numarul de time-sloti (TS)

Modelarea traficului in cadrul retelelor de radiotelefonie mobila

• Complete Sharing

• Complete partitioning

• Partial partitioning

Voice or Data

Voice Data

Voice Voice or Data Data

V VD DTS TS TS TS= + +

Modelul pentru traficul de voce

• Apeluri de voce sosesc potrivit unui proces Poisson de rata

• Duratele apelurilor au o distributie exponentiala de medie

• Pentru sistem se poate alege in acest caz un model de nastere si moarte:

• Probabilitatile de stare sunt:

Vλ

],0[),0(!

)( VV

tV

V TStpt

tp ∈ρ

=

V

VV μ

λ=ρ (0) .Vp rel de normare−

Vμ1

Modelul pentru traficul de voce

• Dimensionarea se bazeaza pe asigurarea unei valori pentru probabilitatea de blocare in conditiile unui trafic de voce oferit. Intrucat vocea are prioritate asupradatelor numarul de resurse de care trebuie tinut cont in cadrul formulei Erl(n,A) este:

• Formula care da probabilitatea de blocare in cazul traficului de voce:

V

VV μ

λ=ρ

:

V VD V

Schema PPn TS TS A= + = ρ

( )

: (0),( )!

: (0)( )!

V

V VD

TSV

BV VV

TS TSV

BV VV VD

Schema CP P pTS

Schema PP P pTS TS

+

ρ=

ρ=

+

:

V V

Schema CPn TS A= = ρ

• In cazul vocii pt un apel e necesara asignarea unui TS pentru intreaga sa desfasurare

• In cazul GPRS fiecare TS poate fi partajat intre diferiti utilizatori prin asignarea de TFI (Temporary Flow Identifier) diferite mobilelor.

– Pana la 32 TFI pot fi alocate in cadrul unui TDMA. – Prin monitorizarea TFI-urilor fiecarui bloc radio un mobil poate identifica

blocurile proprii si le poate decoda. – Fluxurile de date sunt multiplexate de catre algoritm de programare de

catre CPU. In plus la partajarea time-sloturilor, GPRS permite agregarea TS-urilor :

• in functie de capacitatea sa un mobil poate fi alocat simultan la pina la d TS-uri simultan. Deci, la fiecare 20ms el poate receptiona pina la d blocuri RLC/MAC. Astazi pentru majoritatea mobilelor d =3 sau 4.

• u numarul de TS la care un mobil poate fi alocat simultan in uplink.

Ipoteze privind modelarea si notatiiSistemul GPRS/EDGE este caracterizat de urmatorii parametrii:• durata unui bloc radio:• - nr de bytes de date transferati pe durata unui TS. Depinde de schema de codare

radio si de conditiile radio ale celulei. este debitul oferit de nivelul RLC/MAC nivelului LLC.

• - : numarul de TS din TDMA si sunt pe un singur TDMA care are in total 8 TS

53393323RLC block radio (bytes)

21.415.613.49.05Data rate:

CS-4CS-3CS-2CS-1GPRS coding scheme

mstB 20=Bt

B

B

tx

TS

( / )GPRS kbits sμ

Ipoteze privind modelarea si notatii

• Toate mobilele GPRS au aceeasi capacitate radio:

• (respectiv ) este numarul de TS care pot fi simultan utilizati pentru downlink ( respectiv uplink) trafic

• Presupunem ca RRM realizeaza o rearanjare a TS …..

• In lipsa unui canal disponibil, un apel de voce e pierdut la sosire.

• Vocea are prioritate asupra datelor

d u

• Daca definim numarul maxim de TS care poate fi utilizat de mobilele GPRS, in conditiile in care mobilele sunt ocupate cu voce, atunci

(1)

• RRM realizeaza o rearanjare a TS in scopul mentinerii unei impachetariperfecte.

( ) ( )max max 0, ,D VD V V VDTS t TS TS t TS t TS TS= + − − ≤ +

( )maxTS t

• Fie numarul maxim de mobile (E)GPRS aflate in transfer activ, cind sunt t apeluri de voce deasemenea active.

• Datorita limitarilor impuse de semnalizari in cadrul sistemului GPRS( nu mai mult de 7 USF-uri pe un TS in uplink si nu mai mult de 32 TFI-uri pe TDMA) si introducind un parametru setabil , care descrie un debit minim pe mobil daca o schema de control a admisiei e utilizata ( nu mai mult de mobile pe TS), se poate deduce pe baza lui astfel :

(2)

• In final se poate defini ca numarul maxim de mobile GPRS aflate in transfer oricare ar fi numarul de mobile aflate in transfer de voce. In mod evident el este obtinut cind sunt mai putin de mobile implicate in voce.

• Astfel,

• Potrivit ecuatiilor (1) si (2), se poate vedea ca :

(3)

( )tN max

mm

( )tN max ( )tTmax

( ) ( ) ( )( )max max maxmin , 7 , , V VDN t N T t mT t t TS TS= ≤ +

maxN

VT

( ) [ ]max max , 0, VN N t t TS= ∀ ∈

( ) ( )( )max min , 7 ,D VD D VDN N TS TS m TS TS= + +

Modelul pentru traficul de date

• Se considera un numar fix N de mobile intr-o celula;

• Traficul de date este de tip ON/OFF costand dintr-un numar infinit de pagini:– Intervalele ON corespund descarcarii unui element si va fi caracterizat

de o variabila aleatoare cu valoarea medie– Intervalele OFF corespund citirii elementului descarcat si sunt

modelate de o variabila aleatoare si valoare medie: secunde.

onX onx

offT offt

Begin message download User begins reading messages

ON ON ON ON OFF OFF OFF

( )onX bits (sec)offT

Modelul pentru traficul de date

• Parametrii traficului de date:

– The average data rate of data arrival process:

– The average data service rate per time-slot:

– The data traffic:

offD t

1=λ

Bon

BD tx

x=μ

B onDD

D B off

t xx t

λρ = =

μ

Modelul pentru traficul de date

• Parametrii traficului de date:

– The average data rate of data arrival process:

– The average data service rate per time-slot:

– The data traffic:

4 ; 8 ; 16onx KB KB KB=

1 ; 7D offoff

t st

λ = =

Bon

BD tx

x=μ

B onDD

D B off

t xx t

λρ = =

μ

50363020xB(in bytes)

Cs4Cs3Cs2Cs1GPRS coding scheme

Sistem cu partajarea completa a resurselor (CP)

• Numarul de resurse pentru traficul de date in cadrul modelului

• Limitarea numarului de mobile aflate in transfer intr-o celula:

• ( )

• Modelul sistemului in cazul traficului de date este lantul Markov:

),min( maxmax Ntbfn =

DTS

max min(32,7 , )D Dtbf TS mTS=

System Model - Cells with Complete Partitioning Strategy

• Data Traffic Model– fixed number N of data mobiles in the cell– ON/OFF traffic with an infinite number of pages

• ON periods: ,• OFF periods: ,

– maximum number of GPRS users in active transfer

•

onX [ ]E σ

offT [ ]E τ

max ( ) min( ,32, )D Dn TS N mTS=

Data Traffic Model

1

1( ) (0)[ ]min( , )

[ ]

jN

D D j jGPRSD

i

Cp j piTS Ed

i E=

=μ τσ∏

[ ] 1[ ]D

GPRS

EEσ

ρ =τ μ

1

( ) (0)min( , )

jjN

D D DjD

i

Cp j pTSd

i=

= ρ

∏

Data Traffic Model – Performance parameters

Data Traffic Model – Performance parameters(2)

• average total downlink throughput

• average downlink throughput per user:

• blocking probability

max

1( ) ( )

n

CP Dj

X p j jr j=

= ∑ max( ) min( , ) , 1, ,DGPRS

TSr j d for j nj

= μ = …

max

max

1/

1

( ) min( , )

[ ] ( )

n

D DjCP

u CP GPRSn

Dj

p j jd TSXXE j jp j

=

=

= = μ∑

∑

maxmax

max

1

1

(0)min( , / )

nnN

CP D Dn

Di

CB pd TS i

−

=

= ρ

∏

System Model - Cells with Partial Partitioning Strategy

• Voice traffic model

• Data traffic model

– , available data traffic capacity

( )

,

0

( )!

!

V VD

V VD

TS TSV

V VDV PP TS TS i

V

i

TS TSB

i

+

+

=

ρ+

=ρ∑

*max min( , 32, )Dn N mTS= *

DTS

Data Traffic Model – PP – Performance parameters

•

•

•

•

/ /0

( ) (min( , ))DTS TS

u PP V u CP Vs

X p s X TS TS TS s−

=

= − −∑

0

( ) (min( , ))DTS TS

PP V CP Vs

X p s X TS TS TS s−

=

= − −∑

0( ) (min( , ))

DTS TS

PP V CP Vs

B p s B TS TS TS s−

=

= − −∑

1

, ( ) (min( , ))D

V

TS TS

P PP V CP Vs TS

B p s B TS TS TS s− −

=

= − −∑

Experiments and results

•• GPRS mobile class: 4+1 (d+u)

• CS2 coding scheme ( )

• CP:

• PP:

•

8; 3; 1V DTS TS TS= = =

[ ] 5E KB=σ [ ] 12E s=τ

13,4 /GPRS kbits s=μ

8; 7; 1V DTS TS TS= = =

0.602 2.94 20V V V= = =ρ ρ ρ

Experiments and results(2)

Dimensioning rules

Conclusions

• Dimensioning criteria based on the throughput per active user combined with blocking probabilities in an interactive algorithm

• The limiting factor for dimensioning is the throughput rather then the blocking probability

• Dimensioning algorithm for GSM/GPRS networks with PP strategy – average downlink throughput per user – average downlink total throughput – blocking probabilities

Comparative results

•

• GPRS mobile class: 4+1 (d+u)

• CS2 coding scheme ( )

• CP:

• PP:

• Erlang

[ ] 5E KB=σ [ ] 12E s=τ

13,4 /GPRS kbits s=μ

8; 7; 1V DTS TS TS= = =

8; 3; 1; 4V D VDTS TS TS TS= = = =

2.94Vρ =

Comparative results - Blocking probabilities for Erlang and Engset

models

0 20 40 60 80 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

N - number of mobiles

Blo

ckin

g pr

obab

ility

CP, Erlang

PP, Erlang

CP, Engset

PP, Engset

Comparative results - Preemption probabilities for Erlang and Engset

models

0 20 40 60 80 1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

N - number of mobiles

Pre

empt

ion

prob

abili

tyErlangEngset

Comparative results - Average throughput per user for Erlang and

Engset models

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

N - number of mobiles

Mea

n Th

roug

hput

PP, Erlang

CP, Erlang

PP, Engset

PP, Engset

Conclusions

• Performances analysis of two traffic models for GSM/GPRS networks: Erlang-like and Engset

• Both models consider the voice-data interaction in order to optimize radio resources and both allow performance parameters computation based on voice and data traffic loads

• For the region of interest in the dimensioning process (large number of mobiles in the cell) the two models provide identical results regarding blocking and preemption probabilities