طراحی الگوریتم جدید زمان¬بندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکه¬های LTE

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
طراحی الگوریتم جدید زمانبندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکههای LTE
پایاننامه کارشناسی ارشد مهندسی برق – مخابرات
مجیدرضارضایی
استاد راهنما
دکتر مهدی مهدوی
1394

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق – مخابرات آقای مجیدرضارضاییتحت عنوان
طراحی الگوریتم جدید زمانبندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکههای LTE
در تاریخ 6 / 3 /1394 توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و تصویب نهایی قرار گرفت.
استاد راهنمای پایان نامهدکتر مهدی مهدوی
استاد داوردکتر محمدصادق فاضل
استاد داوردکتر فروغ السادات طباطبا
سرپرست تحصیلات تکمیلیدکتر محمدعلی خسروی فرد
قدردانی
ضمن سپاس از از خداوند متعال ، از استاد گرامیم جناب آقای دکتر مهدی مهدوی که در کمال سعه صدر، باحسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمود و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند، تشکر میکنم.از اساتید محترم، جناب آقای دکتر محمدصادق فاضل و خانم دکتر فروغ السادات طباطبا که زحمت داوری این پروژه را برعهده گرفتند، سپاسگذاری میکنم. از زحمات بی دریغ خانوادهام بهخصوص ، پدر و مادرفداکار و بزرگوارم که در تمام عرصههای زندگی یار و یاوری بیچشم داشت برای من بودهاند ، تشکر میکنم.

کلیه حقوق مادی مترتب بر نتایج مطالعات، ابتکارات و نوآوریهای ناشی از تحقیق موضوع این پایاننامه متعلق به دانشگاه صنعتی اصفهان است.

تقدیم به پدرم
کوهی استوار و حامی من در طول تمام زندگی
تقدیم به مادرم
سنگ صبوری که الفبای زندگی به من آموخت
فهرست مطالب
عنـــوانصفحه
فهرست مطالبهشت
فهرست اشکالیازده
چکیده1
TOC \o “1-3” \h \z \t “Reference & Appendix,4” 1فصل اول : مقدمه PAGEREF _Toc420862429 \h 21-1مقدمه PAGEREF _Toc420862430 \h 21-2مشخصههای اساسی LTE PAGEREF _Toc420862431 \h 31-3چالشههای موجود و اهداف پایاننامه PAGEREF _Toc420862432 \h 41-3-1دو هدف مهم این پایان نامه PAGEREF _Toc420862433 \h 51-4ساختار پایاننامه PAGEREF _Toc420862434 \h 52فصل دوم : معرفی LTE PAGEREF _Toc420862435 \h 62-1مقدمه PAGEREF _Toc420862436 \h 62-2بررسی کلی ساختار شبکه LTE PAGEREF _Toc420862437 \h 62-2-1بخش هسته شبکه PAGEREF _Toc420862438 \h 72-2-2بخش E-UTRAN PAGEREF _Toc420862439 \h 82-3ساختار فریم PAGEREF _Toc420862440 \h 92-3-1FDD PAGEREF _Toc420862441 \h 92-3-2TDD PAGEREF _Toc420862442 \h 102-3-3ساختار بلوک منبع PAGEREF _Toc420862443 \h 122-4لایهی فیزیکی PAGEREF _Toc420862444 \h 122-4-1روش دسترسی OFDMA PAGEREF _Toc420862445 \h 132-4-2روش دسترسی SC-FDMA PAGEREF _Toc420862446 \h 142-5کیفیت سرویس و کلاس‌های سرویس در LTE PAGEREF _Toc420862447 \h 152-5-1مدل حامل PAGEREF _Toc420862448 \h 152-5-2QCI PAGEREF _Toc420862449 \h 172-5-3ARP PAGEREF _Toc420862450 \h 182-6مدل ترافیکی PAGEREF _Toc420862451 \h 182-6-1مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت PAGEREF _Toc420862452 \h 182-6-2مدل ترافیکی صفحات PAGEREF _Toc420862453 \h 192-6-3مدل ترافیکی ویدئو PAGEREF _Toc420862454 \h 203فصل سوم زمانبندی در شبکههای LTE PAGEREF _Toc420862455 \h 213-1مقدمه PAGEREF _Toc420862456 \h 213-2روش های زمانبندی در زیرلایهی MAC شبکههایLTE در جهت فروسو PAGEREF _Toc420862457 \h 223-3استراتژیهای زمانبندی برای شبکههای LTE در جهت فروسو PAGEREF _Toc420862458 \h 233-3-1استراتژی ناآگاه از کانال PAGEREF _Toc420862459 \h 243-3-2استراتژی آگاه از کانال/ناآگاه از کیفیت سرویس PAGEREF _Toc420862460 \h 273-3-3استراتژی آگاه ازکانال /آگاه ازکیفیت سرویس PAGEREF _Toc420862461 \h 303-4الگوریتمهای مورد استفاده در مقایسه PAGEREF _Toc420862462 \h 333-4-1الگوریتم زمانبندی در دوسطح PAGEREF _Toc420862463 \h 343-4-2الگوریتم M-EDF-PF PAGEREF _Toc420862464 \h 373-4-3الگوریتم FBAQ PAGEREF _Toc420862465 \h 384فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی و شبیهسازی PAGEREF _Toc420862466 \h 444-1مقدمه PAGEREF _Toc420862467 \h 444-2بیان الگوریتم پیشنهادی برای تخصیص منابع PAGEREF _Toc420862468 \h 454-3مقدمات و ملزومات الگوریتم PAGEREF _Toc420862469 \h 454-4نوآوری های انجام شده PAGEREF _Toc420862470 \h 464-5پیشنیازهای الگوریتم PAGEREF _Toc420862471 \h 474-6شرح الگوریتم پیشنهادی PAGEREF _Toc420862472 \h 504-6-1تقسیم بندی کاربران بر اساس سرعت حرکت آنها PAGEREF _Toc420862473 \h 514-6-2محاسبهی نرخ ارسال داده کاربران تا ایستگاه مبنا PAGEREF _Toc420862474 \h 514-6-3محاسبهی اولویت هر صف PAGEREF _Toc420862475 \h 544-6-4ساختار جدید فریم PAGEREF _Toc420862476 \h 564-6-5محاسبه و تخصیص بلوک منابع مورد نیاز هر صف با توجه به تامین نیاز کیفیت سرویس کاربر PAGEREF _Toc420862477 \h 574-7شبیهسازی و نتایج PAGEREF _Toc420862478 \h 624-7-1نحوهی محاسبهی مقادیر محور افقی نمودارها PAGEREF _Toc420862479 \h 624-7-2ترافیک اعمالی به شبکه PAGEREF _Toc420862480 \h 654-8بررسی نتایج حاصل از شبیهسازی PAGEREF _Toc420862481 \h 665فصل پنجم نتیجهگیری و پیشنهادها PAGEREF _Toc420862482 \h 715-1خلاصه PAGEREF _Toc420862483 \h 715-1-1روشهای تخصیص بلوک منابع PAGEREF _Toc420862484 \h 725-2پیشنهادها PAGEREF _Toc420862485 \h 73منابع و مآخذ PAGEREF _Toc420862486 \h 75
فهرست اشکال
عنـــوانصفحه
TOC \h \z \c “Figure” شکل ‏21 ساختار شبکهی LTE PAGEREF _Toc420862338 \h 7شکل ‏22 ساختار E-UTRAN PAGEREF _Toc420862339 \h 9شکل‏23 ساختار فریم در حالت FDD PAGEREF _Toc420862340 \h 9شکل‏24 ساختار فریم در حالتTDD PAGEREF _Toc420862341 \h 11شکل‏25 ساختار یک بلوک منبع PAGEREF _Toc420862342 \h 12شکل‏26 مثالی از نحوهی تخصیص بلوک منابع در حالت چندگانگی فرکانسی PAGEREF _Toc420862343 \h 14شکل‏27 حامل و پارامترهای کیفیت سرویس اختصاص یافته PAGEREF _Toc420862344 \h 15شکل‏28 مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت PAGEREF _Toc420862345 \h 18شکل‏29 مدل ترافیکی صفحات اینترنت PAGEREF _Toc420862346 \h 19شکل‏210 مدل ترافیکی ویدئو PAGEREF _Toc420862347 \h 20شکل ‏31بلوک منابع و بازههای زمانی ارسال PAGEREF _Toc420862348 \h 22شکل‏32 ساختار مصور الگوریتمTLS PAGEREF _Toc420862349 \h 34شکل ‏33 نحوهی تخصیص بلوک منبع در الگوریتم FBAQ PAGEREF _Toc420862350 \h 42شکل‏41 ساختار گستردهی فریم PAGEREF _Toc420862351 \h 48شکل‏42 محور زمان در ساختار PAGEREF _Toc420862352 \h 51شکل‏43بازههای ارسال سیگنال به نویز به ایستگاه مبنا PAGEREF _Toc420862353 \h 53شکل‏44 مدل سیستم درنظرگرفته شده PAGEREF _Toc420862354 \h 54شکل‏45 شبهکد مربوط به تعیین اولویت هر صف PAGEREF _Toc420862355 \h 56شکل‏46 یک زیر فریم از ساختار جدید فریم در جهت فراسو PAGEREF _Toc420862356 \h 57شکل‏47 شبه کد مربوط به تخصیص بلوک منبع برای بیتهای ضروری PAGEREF _Toc420862357 \h 60شکل‏412 تاخیر بستههای وب نسبت به بیشینه تاخیر PAGEREF _Toc420862358 \h 68
چکیده
با رشد سریع کاربران اینترنت و سرویسهای بلادرنگ نظیر صدا و تصویر و نیاز به برآورده کردن کیفیت سرویس مورد نیاز کاربران از نسل بعدی شبکههای سلولی انتظار میرود که دسترسی در همه نقاط را برای کاربران موبایل فراهم کند. LTE یک تکنولوژی دسترسی رادیویی جدید میباشد که به منظور یک حرکت به سمت نسل بعدی سیستمهای بیسیم پیشنهاد شده است. LTE از دسترسی چندگانه تقسیم فرکانسی عمود بر هم در جهت فروسواستفاده میکند. دسترسی مالتی پلکس فرکانس عمود بر هم کل پهنای باند را به چندین زیرکانال با باند باریک تقسیم میکند و به کاربران براساس نیازهایشان این زیرحاملها را تخصیص میدهد. یکی از ویژگیهای اصلی LTE استفاده از روشهای مدیریت منابع رادیویی پیشرفته به منظور بهینه کردن عملکرد سیستم است به نحوی که بیشترین تعداد بیت ارسال گردد.
برای فراهم کردن کیفیت سرویس کاربران، الگوریتمهای زمانبندی برای رفع نیازهای کاربران، طراحی شدهاند. زمانبندی در شبکههایLTE مسئول توزیع منابع میان کاربران فعال به منظور فراهم آوردن کیفیت سرویس مورد نیاز میباشد.در این الگوریتمها، معمولا کاربرد سرویسهای بلادرنگ ودر بعضی دیگر از الگوریتمها کاربرد هر دو نوع سرویس بلادرنگ و غیربلادرنگ در نظر گرفته شده است. در مواردی هم که هر دو کاربرد بلادرنگ و غیر بلادرنگ در نظر گرفته شده، به سرعت های متفاوت کاربران هیچ توجهای نشده و فقط برای گروه کاربران با سرعت های حرکت پایین (حداکثر30 کیلومتر بر ساعت) توجه شده است. در صورتی که این مهم میباشد که الگوریتم به گونهای عمل کند که با افزایش سرعت،کیفیت سرویس کاربر به مخاطره نیفتد. در این پایان نامه تلاش شده تا الگوریتمی طراحی شود که کیفیت سرویس را برای کاربران با سرعت های مختلف فراهم آورده و نرخ ارسال شبکه را افزایش دهد. همچنین در سرعتهای پایین در مقایسه با سایر الگوریتمهاعملکرد بهتری داشته باشد. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم های موجود نشان دهندهی آن است که نرخ ارسال شبکه در الگوریتم پیشنهادی افزایش یافته و به دلیل انتخاب معیار مناسب برای تخصیص بلوک منبع به کاربر، پارامترهای کیفیت سرویس بهبود یافته اند.
کلمات کلیدی: LTE، زمانبندی، مدیریت منابع رادیویی، کیفیت سرویس، OFDMA، سرویسهای بلادرنگ و غیر بلادرنگ
فصل اول: مقدمهمقدمه
اولین شبکههای مخابراتی سلولی موسوم به G1 در اوایل سال 1980 معرفی شدند. این نسل از مخابرات سلولی از مدولاسیون آنالوگ استفاده میکرد. در اوایل سال 1990 نسل دوم مخابرات سلولی معرفی شدند. این نسل، اولین نسلی بود که از تکنیکهای مخابرات دیجیتال استفاده میکرد. اولین سیستم تجاری نسل دوم با نام (GSM) گسترش یافت. پس از چندی نسل سوم بعد از سال 2000 میلادی معرفی شد. نسل سوم افزایش سرعت اطلاعات را به همراه داشت. مهمترین اسم تجاری برای نسل سوم، (UMTS) نام دارد. بعدها نسل 5/3 شبکههای سلولی تحت عنوان(HSPA)مطرح گردید ولی برای استفادهی بهینه از باند فرکانسی و نرخ ارسال بالای داده، به سمت نسلهای بعدی موبایل یعنی (LTE)و(LTE-Advance) گام برداشته شد.
اولین سیستم تجاری LTE در دو کشور ناحیهی اسکاندیناوی، به نامهای نروژ و بلژیک در دسامبر سال 2009 توسط اپراتور TeliaSonera پیادهسازی شد. این کار به کمک قطعات سختافزاری که توسط 3 شرکت بزرگ سامسونگ، اریکسون و هوآوی ساخته شده بود، انجام گرفت. در فوریه سال 2010 اپراتور EMT در کشور استونی تست LTE را انجام داد. سیستم مشابهی در جولای همان سال در کشور ازبکستان در شهر تاشکند توسط اپراتور MTS اجرا گردید. در آگوست همان سال اپراتور LMT سیستم LTE را به صورت آزمایشی در نیمی از کشور لتونی پیادهسازی نمود. در 5 دسامبر 2010 اپراتور Verizon بزرگترین شبکه تجاری LTE را در آمریکای شمالی پیادهسازی نمود. در سال 2011 اپراتورهای سعودی اعلام کردند که تا سال 2013 به کاربران خود خدمات شبکه LTE را ارائه خواهند داد. این روند همچنان ادامه یافتهاست بهصورتی که تاکنون در کشورهایی نظیر آمریکا، برزیل، فیلیپین، عمان، استرالیا، رومانی، هلند و… شبکه LTE راهاندازی شده است. طبق آمار تا سال 2012حدود 5 میلیاردکاربر مخابرات سلولی اعم از سیستمهای دسترسی چندگانه تقسیم کد پهن باند، GSM، HSPA وLTE در دنیا وجود داشتهاند که سهم کاربران شبکهی LTE برابر 90.5 میلیون کاربر بوده است. با توجه به اینکه نسل سوم تقریبا جوابگوی نیاز کاربران بوده ولی به دلایل زیر نسل چهارم بوجود آمده و نسل سوم به نسل چهارم تغییر یافته است]1[:
بهبود نرخ داده
بهبود بهرهی طیفی
کاهش توان مصرفی ترمینال
افزایش نرخ داده در لبههای سلول
کاهش تاخیر در ارسال و پایهگذاری یک اتصال
کاهش هزینهها
مشخصههای اساسی LTEبا توجه به افزایش کاربران استفاده کننده از شبکهی LTE ، محققان و مراکز صنعتی در تلاش برای یافتن راهحلهای جدید و ابتکاری به منظور تجزیه و تحلیل و بهبود عملکردشبکههایLTE میباشند. همانطور که بیان گردید هدف از طراحی شبکهی LTE فراهم آوردن نرخ بالای اطلاعات، کاهش تاخیر و مهیا نمودن کارایی طیف بالا میباشد. برای رسیدن به این اهداف مدیریت منابع رادیویی، از عملکردهای لایهی فیزیکی و زیرلایهی کنترل دسترسی استفاده میکند. از جملهی این عملکردها میتوان به، اشتراک گذاشتن منابع، گزارش نشاندهندهی کیفیت کانال و روش AMC اشاره نمود. در حقیقت استفادهی موثر از منابع رادیویی برای نایل آمدن به اهداف عملکرد سیستم و راضی کردن نیازهای کاربر مطابق با کیفیت سرویسشان مهم میباشد. به صورت خلاصه مشخصات شبکهی LTE در جدول1-1 آمده است]2[:
جدول STYLEREF 1 \s ‏1 SEQ Table \* ARABIC \s 1 1 اهداف طراحی شبکه LTE
ویژگی مشخصه مشخصات
فروسو:100مگا بیت بر ثانیه، فراسو:50 مگا بیت بر ثانیه حداکثر نرخ اطلاعات
2تا 4 برابر سیستمهای نسل سوم کارایی پهنای باند
– برای تحرک پایین تا 15 کیلومتر بر ساعت بهینه شده است
– برای سرعتهای تا 120 کیلومتر بر ساعت عملکرد بالایی دارد تحرک
از 4/1مگاهرتز تا 20 مگاهرتز پهنای باند قابل مقیاس
– ضمانت برای کیفیت سرویس انتها به انتها افزایش یافته است
مدیریت منابع رادیویی
در واقع نرخ داده بالا در LTE با پوشش خوب و قابلیت تحرک پذیری همراه میباشد. در شبکه LTE نه تنها نرخ ارسال و دریافت داده برای کاربران عادی افزایش پیدا کرده، بلکه برای کاربرانی که در لبهی سلول قرار دارند نیز این افزایش مشاهده میشود. منظور از تحرکپذیری برقراری ارتباط برای موبایل در حال حرکت است که در استاندارد LTE تا سرعت km/h350 و حتی با کمی افت کیفیت، تا سرعت km/h 500 قابلیت برقراری ارتباط وجود دارد. استاندارد LTE در مقایسه با استانداردهای دیگر این ویژگی را دارد که رنج وسیعی از پهنای باندهای فرکانسی را پوشش میدهد.
چالشهای موجود و اهداف پایاننامهسیستم OFDMA از تقسیم محور زمانی و زیرحاملها در حوزهی فرکانس ایجاد میگردد. در نتیجه این تقسیم روی محور زمان و فرکانس، بخشهایی به نام بلوک تشکیل میگردد. در واقع بلوک کوچکترین واحد تشکیلدهندهی سیستم OFDMA میباشد. با توجه به اینکه در لایهی فیزیکی شبکههای LTE از OFDMA استفاده میشود. باید به طریقی بلوکهای این سیستم بین کاربران تقسیم شود تا دو هدف مهم یعنی تامین کیفیت سرویس کاربران و افزایش نرخ ارسال شبکه برآورده شود. نحوهی تخصیص بلوک و زمانبندی در شبکههای LTE به این صورت است که در هر یک میلیثانیه مطابق با الگوریتم زمانبندی یک و یا چندین کاربر انتخاب شده و به یکی از دو روش چندگانگی چندکاربره که برای کاربرانی مناسب است که در طول این یک میلیثانیه همبستگی کانالشان حفظ میگردد و بلوک را در به صورت پیوسته به کاربر تخصیص میدهد و روش چندگانگی فرکانسی که برای کاربرانی مناسب است که در این مدت یک میلیثانیه همبستگی کانالشان تغییر میکند و بلوک را به صورت توزیعیافته به کاربران تخصیص میدهد، بلوک دریافت میکنند. برای تخصیص بلوک همانطور که بیان خواهد گردید دو روش MUD و FD وجود دارد. با توجه به اینکه شرایط کانال کاربران با سرعت تغییر میکند ولی در الگوریتمهای زمانبندی موجود بدون توجه به سرعت حرکت کاربران تخصیص بلوک فقط به روش MUD صورت گرفته است. ولی در این پایاننامه کاربرانی که سرعت بالای 135کیلومتر بر ثانیه دارند (مانند قطار سریعالسیر) و در مدت یک میلیثانیه شرایط کانال یکسانی ندارند نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند. تفاوت الگوریتم پیشنهادی با دیگر الگوریتمها در روش تخصیص بلوک میباشد و این امر با ارائه فریم جدید مهیا شده است. لازم به ذکر است که این عمل باعث افزایش نرخ ارسال شبکه شده است.
دو هدف مهم این پایان نامهاستفاده از مزایای لایهی فیزیکی و زیر لایهی MAC: در این پایاننامه الگوریتمی ارائه میشود که کاربرانی که در مدت زمان یک میلیثانیه دارای کانال همبستهای نیستند، به نحوی بلوک دریافت میکنند که نرخ ارسال شبکه برای این گروه از کاربران نسبت به الگوریتمهای دیگر بیشتر است. نتایج شبیهسازی در فصل چهارم دلیلی بر این ادعا است.
تامین کیفیت سرویس کاربران: تامین کیفیت سرویس کاربران نیز بوسیلهی الگوریتم زمانبندی ارائه شده صورت میگیرد. در همین راستا پارامترهای کیفیت سرویس نظیر تاخیر شبکه و نرخ از دست رفتن بسته نسبت به الگوریتمهای دیگر بهبود مییابد.
ساختار پایاننامهبا توجه به مطالب فوق ساختار پایاننامه باید به گونه باشد که مطالب بیان شده را پوشش دهد. همچنین باید مطالب دیگری ابتدا برای فهم بیشتر بیان گردد. در همین راستا ساختار پایاننامه به اینگونه است که در فصل دوم ساختار شبکهی LTE، لایهی فیزیکی، روشهای تخصیص بلوک منبع به کاربر، کیفیت سرویس و ترافیکهای مورد استفاده در شبیهسازی بیان شدهاند. در فصل سوم زمانبندی در شبکههای LTE و انواع استراتژیها و نمونههایی از الگوریتمهای زمانبندی موجود در هر استراتژی بیان شدهاند و در بخش آخر این فصل نیز الگوریتمهایی که با الگوریتم پیشنهادی مقایسه شدهاند به صورت مفصل بیان شدهاند. در فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی بیان شده و در بخش آخر این فصل نیز نتایج شبیهسازی آورده شده است. در نهایت نیز در فصل پایانی این پایاننامه نتیجهگیری و پیشنهادهایی برای ادامهی کار بیان شدهاست.
فصل دوم: معرفی LTEمقدمهاز عوامل مهم در شبکه میتوان به، ساختار شبکه و اجزای بهکار رفته در شبکه و عملکرد این اجزا اشاره کرد. به همین علت آگاهی از ساختار شبکه و نحوهی عملکرد اجزای شبکه از اهمیت زیادی برخوردار است. در همین راستا در این فصل ساختار شبکه و اجزای آن و عملکردشان بیان خواهد شد. برای بیان این موضوعات ساختار فصل به این صورت شکل میگیرد که در بخش 2-2 بررسی کلی ساختار شبکه LTE، در بخش 2-3 ساختار فریم، در بخش 2-4 لایهی فیزیکی، در بخش 2-5 کیفیت سرویس در شبکههای LTE و در نهایت در بخش 2-6 مدل ترافیکی مورد استفاده در شبیهسازی بیان خواهد شد.
بررسی کلی ساختار شبکه LTEشکل 2-1 مدل مرجع شبکهی LTE که را نشان میدهد. معماری شبکه دارای دو قسمت به نامهای دسترسی شبکه و هستهی شبکه میباشد. قسمت دسترسی شبکه E-UTRAN و قسمت هستهی شبکه، EPC نامیده میشود. E-UTRAN تنها از یک گره یعنی ایستگاه مبنا تشکیل شده است و کاربران که در اطراف ایستگاه مبنا در حرکتند. ساختار EPC تماما IP بوده و به صورت سوییچ بستهای عمل میکند. ساختار مبتنی بر IP بدین معناست که انتقال ترافیک از کاربر به مقصد مورد نظر بوسیلهی پروتکل IP انجام میشود. EPC برای ضمانت دسترسی به شبکههای non-3GPP طراحی شده است. نکتهی مهم این میباشد که EPCو E-UTRAN با یکدیگر EPS یعنی ساختار کلی شبکه را تشکیل میدهند. به صورت کلی هر دو بخش E-UTRAN و EPC عملکردهای زیادی نظیر موارد زیر را دارا میباشند:
عملکردهای کنترل دسترسی شبکه
عملکردهای انتقال و مسیریابی بسته
عملکردهای مدیریت تحرک
عملکردهای امنیت
عملکردهای مدیریت منابع رادیویی
عملکردهای مدیریت شبکه

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 1 ساختار شبکهی LTE ]3[بخش هسته شبکه
همانطور که از شکل 2-1 مشخص است، بخش هستهی شبکه از قسمتهای( PDN-GW، S-GW ، MME ، HSS ، PCRF ) تشکیل شده است]4[.
وظایف واحدهای بیان شده به این صورت است که، واحد PCRF وظیفهی کنترل مدیریت کیفیت سرویس و ایجاد سیاست های مربوط به کیفیت سرویس را دارا است.
واحد HSS وظیفهی ذخیرهسازی اطلاعات کاربران نظیر شناسهی کاربران و اطلاعات ثبت کاربران را برعهده دارد. واحد MME وظیفهی برقراری ارتباط با HSS به منظور تایید هویت کاربر و بارگزاری پروفایل کاربر و کنترل تمامی عملیات مربوط به ذات متحرک بودن کاربر را بر عهده دارد. واحد S-GW ، تمام دادههای کاربر از این واحد عبور میکنند و این واحد موظف است بستههای ارسالی کاربر را مسیریابی کند همچنین وظیفهی برقراری ارتباط با دیگر شبکهها که براساس استاندارد 3GPP نیستند را نیز بر عهده دارد. واحد PDN-GW وظیفهی تخصیص آدرس IP به کاربران و ارتباط با شبکههای دیگر که بر اساس استاندارد 3GPP را بر عهده دارد]4[.
بخش E-UTRAN
E-UTRAN یک واسط هوایی دسترسی رادیویی است که نرخ بالای داده و تاخیرکم را فراهم میآورد. این واسط از دسترسی رادیویی OFDMA در جهت فروسو و از دسترسی فرکانسی تک حاملی عمود بر هم در جهت فراسو استفاده میکند. ساختار E-UTRAN در LTE شامل یک گره به نام eNodeB یا بطور اختصار eNB و کاربران است. همچنین در این ساختار دو واسط S1 و X2 به ترتیب برای ارتباط بین eNB با واحد MME و ارتباط eNBها با یکدیگر مورد استفاده قرار میگیرد. هدف اصلی این سادهسازی، کاهش افزونگی همهی عملکردهای واسط رادیویی است. درواقع این ایستگاهها همان ایستگاه مبنادر شبکهی WiMAX هستند که مستقیما با کاربران درون سلول مربوطه در ارتباط هستند. از وظایف ایستگاه مبنا میتوان به مدیریت منابع رادیویی و برقراری لینک رادیویی بین شبکه و کاربر و تخصیص منابع رادیویی به کاربر اشاره کرد. همانطور که در شکل 2-2 مشاهده میشود، در بخش دسترسی شبکه هیچ مرکز کنترل کنندهای وجود ندارد، چون برخی از وظایف کنترلی به ایستگاههای مرکزی واگذار شده است. بنابراین برای کنترل سلولها به دسترسی به سطوح بالاتر نیازی نیست. به همین دلیل گفته میشود که ساختار E-UTRAN مسطح است.
شکل 2-2 ساختار این بخش و اجزایش را نشان میدهد:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 2 ساختار E-UTRAN ]5[ساختار فریم
در استاندارد 3GPP برای شبکههای LTE دو نوع ساختار فریم به ترتیب FDD و TDD تعریف میشود.
FDDدر این ساختار فریم ارسال در دو طیف فرکانسی مجزا در فراسو و فروسو انجام میشود و علی رغم نوع دسترسی متفاوت در فراسو و فروسو، این دو بخش ساختار فریم مشابهی دارند. ساختار فریم در شکل2-3 قابل مشاهده است]6[:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 3 ساختار فریم در حالت FDDبا توجه به شکل 2-3، فریم در حالت FDD از 10 زیرفریم تشکیل شده است که هر زیر فریم نیز دارای دو شکاف زمانی است. در LTE هر شکاف زمانی بلوک منبع نامیده میشود. با توجه به شکل مقدار Ts که یک عامل زمانی بوده، برابر با (15000×2048)/1 است. مقادیر 2048 و 15000 نیز به ترتیب برابر با بیشترین اندازه FFT و حداکثر فاصلهی بین زیرحاملها در این استاندارد هستند. طول فریم نیز در این استاندارد برای هر دو جهت فروسو و فراسو برابر با Ts ×307200 معادل با 10 میلیثانیه است. با توجه به اینکه یک فریم از 10 زیر فریم تشکیل شده است، هر زیر فریم طولی برابر با 1 میلیثانیه خواهد داشت. از آنجا که هر زیر فریم متشکل از دو بلوک منبع است، طول هر بلوک منبع برابر با 5/0 میلیثانیه خواهد بود.
TDD
در این حالت هر فریم از دو نیم فریم تشکیل شده است که طول هر نیم فریم برابر با 5 میلیثانیه است. هر نیم فریم از 5 زیر فریم به طول 1 میلیثانیه تشکیل شده است. زیر فریمها از 0 تا 9 شمارهگذاری شدهاند و هر زیر فریم نیز شامل دو بلوک منبع بوده و طول هرکدام برابر با 5/0 میلیثانیه است. در این ساختار فریم، سه ناحیه خاص به نامهای DwPTS، GP و UpPTS وجود دارد. DwPTSبرای ارسال در جهت فروسو، UpPTS برای ارسال در جهت فراسو و GP نیز یک فاصلهی ارسال است که بین این دو حالت قرار گرفته است. این سه ناحیه در زیر فریمهای 1 و 6 که برای این سه ناحیه از پیش انتخاب شدهاند، قرار می گیرند. شکل 2-4 این ساختار را به تصویر کشیده است. همچنین نحوهی استفاده از زیرفریمها دارای 7 حالت است که در جدول2-1 بیان شده است:
جدول STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Table \* ARABIC \s 1 1 حالات مختلف قرارگیری زیرفریمها]6[
شماره زیر فریم
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 شماره حالت
U U U S D U U U S D 0
D U U S D D U U S D 1
D D U S D D D U S D 2
D D D D D U U U S D 3
D D D D D D U U S D 4
D D D D D D D U S D 5
D U U S D U U U S D 6
در جدول 2-1، D بیانگر زیر فریم مورد استفاده برای ارسال در جهت فروسو، U بیانگر زیرفریم مورد استفاده برای ارسال در جهت فراسو و S نیز زیر فریم مورد استفاده برای حالتهای بیان شده است.
در این حالت ارسال در بخش فراسو و فروسو در حوزهی زمان جدا میشود که در شکل 2-4 این پیکربندی نشان داده شده است]6[:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 4 ساختار فریم در حالتTDD ]6[همانطور که از شکل 2-4 مشخص است، هر فریم در حالت TDD دارای دونیم فریم و هر نیم فریم نیز شامل پنج زیرفریم است. طول فریم TDD همانند FDD برابر Ts ×307200 معادل 10 میلیثانیه بوده و طول هر نیم فریم آن نیز برابر با 5 میلیثانیه است.
تخمین کانال در شبکههای LTE مطابق با ]7[ به پایلوت در سمبلهای اطلاعات وابسته است. در نتیجه، بیشینه تاخیر انتشار که میتواند حدود 11/11 میکروثانیه به عنوان پایلوت فاصله در حوزهی فرکانس تخمین زده شود. در LTE پایلوتها در همهی سمبلهای OFDM ارسال نمیشود. سمبلهایی که پایلوتها را حمل میکنند دارای فاصلهی زمانیای برابر با 42/71*4 میکروثانیه هستند که بر این اساس بیشینه گسترش داپلر که یتواند در تخمین کانال نوسان داشته باشد حدود 5/3کیلوهرتز است. بنابراین با درنظرگرفتن هردوی پایلوتهای حملکنندهی سیگنال، که پایلوتها در شرایط زیرحامل به تناوب کار کردهاند حدود 22 میکروثانیه بدست میآید. در LTE بیشینه فرکانس آفست قابل نوسان برابر با + یا – 45/13 کیلوهرتز است.
با توجه به دو حالت فریم بیان شده، لازم به ذکر است که در اینپایاننامه مشابه با دیگر الگوریتمهای زمانبندی از فریم حالت FDD استفاده شده است. علاوه بر این با توجه به اینکه در حالت TDD از تمام زیر فریمها برای ارسال در جهت فروسو نمیتوان استفاده کرد و هدف در این پایاننامه ارسال در جهت فروسو است، لذا باعث میشود که در بعضی از زیرفریمها ارسالی صورت نگیرد و این عمل باعث افزایش تاخیر کاربران شود.
ساختار بلوک منبع در ساختار فریم LTE کوچکترین واحد قابل تخصیص به کابران بلوک منبع نامیده میشود. بلوک منبع از12 زیر حامل کنار هم به عنوان یک واحد در حوزهی فرکانس و 7 سمبل OFDM در حوزهی زمان تشکیل شده است. با توجه به اینکه در یک فریم 20 بلوک منبع وجود دارد لذا یک فریم شامل 140 سمبل زمانی OFDM بوده و تعداد زیرحاملها در حوزهی فرکانس نیز وابسته به تعداد بلوک منابع قرار گرفته وابسته به پهنای باند در حوزهی فرکانس متغیر است]7[. شکل2-5 نشاندهندهی یک بلوک منبع و زیرحاملها و سمبلهای OFDM تشکیلدهندهی آن است:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 5 ساختار یک بلوک منبعلایهی فیزیکیلایهی فیزیکی در شبکهی LTE در بخش انتقال فروسو، از ایستگاه مبنا تا کاربر و در بخش فراسو، از کاربر تا ایستگاه مبنا را شامل میباشد. این لایه داده و اطلاعات کنترلی را بین ایستگاه مبنا و کاربر حمل میکند. لایهی فیزیکی از تکولوژیهای پیشرفته شاملOFDMو MIMOکه در شبکهی سلولی جدید کاربرد دارد، استفاده میکند. به علاوه لایهی فیزیکی از دسترسی OFDMAدر جهت فروسو و SC-FDMAدر جهت فراسو استفاده میکند. OFDMA به علت PAPR زیادی که تولید میکند نمیتواند در جهت فراسو استفاده شود، زیرا در اینصورت تمام دستگاههای مورد استفاده باید در رنج وسیعی دارای تقویتکنندههایی به صورت خطی، باشند. این موضوع افزایش هزینه در دستگاههای موبایل را در پی دارد. به همین علت از مدولاسیون SC-FDMA به علت اینکه PAPR زیادی تولید نمیکند، در جهت فراسو استفاده میشود]8[.
روش دسترسی OFDMA
همانطور که بیان گردید، در شبکههای LTE در جهت فروسو از روش دسترسی OFDMA استفاده میشود. در روش دسترسی OFDMA زیرحاملها به صورت پویا به کاربران مختلف تخصیص داده میشود. مدولاسیون OFDMA دارای دو ویژگی مهم میباشد]9[:
اولین ویژگی این مدولاسیون، ایجاد مقاومت شبکه در برابر نویز و محو شدگی است زیرا اگر در زیرکانالی تداخل و یا محوشدگی ایجاد شود، به راحتی میتواند زیرکانال دیگری که دچار محوشدگی و یا تداخل نباشد، به کاربر اختصاص دهد.
افزایش ظرفیت، دومین ویژگی این مدولاسیون است. اگر هر کاربر تعدادی زیرحامل مخصوص به خود و بدون تغییر داشته باشد، بعد از تصرف همه زیرحاملها دیگر سیستم نمیتواند کاربر جدیدی را بپذیرد، حتی اگر هیچ یک از کاربران قبلی در حال استفاده از پهنای باند نباشند. اما در OFDMA با توجه به اینکه زیرحاملها به صورت شناور به کاربران تخصیص داده میشوند، امکان استفاده از پهنای باند برای کاربر جدید فراهم میشود. این همان مفهوم زیاد شدن ظرفیت را دارد. کاربردهایی که OFDMA در LTE دارد به صورت زیر است:
چندگانگی چند کاربره
در LTE بلوک منابع همانطور که بیان شد، از گروههایی از زیر حاملهای کنار هم روی چندین سمبل OFDM تشکیل شدهاند و به کاربران تخصیص می یابند. گروه زیر حاملها که برای ارسال اطلاعات به یک کاربر مورد استفاده قرار میگیرند توسط روش تخصیص پیاده شده در ایستگاه مبنا انتخاب شده و ایستگاه مبنا نیز از فیدبک ارسالی توسط کاربر برای زمانبندی گروه زیرحاملها استفاده می‌کند. در این روش گروه زیرحاملها به کاربران به صورت پیوسته تخصیص مییابند. نحوهی تخصیص به این صورت است که زیرکانالی(بلوک منبع در حوزهی فرکانس که شامل 12 زیر حامل بوده و پهنای باندی معادل 180کیلوهرتز دارد) که کاربر در آن دارای بهترین شرایط است دو بلوک منبع را به صورت پیوسته به کاربر تخصیص میدهد. در واقع در این روش بهترین کانال به هر کاربر برای ارسال اطلاعاتشان تخصیص مییابد]7[.
چندگانگی فرکانسی
چندگانگی فرکانسی در واقع روشی برای تخصیص پراکندهی زیرحاملها به کاربر است که میتواند با نگاشت مناسب گروه زیر حاملها در زیر کانالها به کار گرفته شود. در این روش بلوک منابع به جای تخصیص پیوسته به صورت گسترش یافته به کاربر تخصیص مییابد و هدفش نیز مقابله با محو شدگی است. در واقع این روش باعث عملکرد بهتر شبکه در تخصیص منابع میشود زیرا بلوک منابع را به کاربرانی که در بازهی زمانی ارسال کانال همبستهای ندارند به صورت گسترش یافته در زیرکانالهایی که دارای بیشترین نرخ ارسال هستند، تخصیص میدهد. با این عمل کاربر، در مقابل محو شدگی مقاوم میشود و نرخ ارسال شبکه نیز به علت تخصیص بلوک منبع در بهترین زیرکانال افزایش مییابد. شکل 2-6 مثالی از روش تخصیص بلوک منابع به صورت چندگانگی فرکانسی را نشان میدهد]7[:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 6 مثالی از نحوهی تخصیص بلوک منابع در حالت چندگانگی فرکانسی]7[
روش دسترسی SC-FDMAدر جهت فراسو در لایهی فیزیکی شبکههای LTE از مدولاسیون SC-FDMA استفاده میشود. SC-FDMA براساس مالتیپلکسینگ تقسیم فرکانسی تک حاملی میباشد. این روش ارسال دارای نسبت PAPR کمی است و این ویژگی باعث بهبود کارایی توان در مقایسه با OFDMA میشود]10[. تفاوت این مدولاسیون با OFDMA در این است که در OFDMA یک تبدیل فوریهی گسسته انجام میشود ولی در SC-FDMA با انجام تبدیل فوریهی گسسته باعث میشود که سمبل اطلاعات گسترش یافته و یک ساختار تک حاملی مجازی تولید شود. در نتیجه SC-FDMA نسبت توان بیشینه به متوسط کمتری در مقایسه با OFDMA دارا میباشد]11[. این ویژگی باعث استفاده از SC-FDMA در جهت فراسو میشود. زیرا باعث کارایی توان ارسالی کاربران میشود]12[.
کیفیت سرویس و کلاس‌های سرویس در LTE در شبکههای LTE برای فرآهم آوردن کیفیت سرویس در میان کاربران و جریانهای ترافیکی مختلف، یک حامل تعریف میشود که ویژگی هر جریان ترافیکی را بیان میکند. به هر حامل یک پارامتر به نام شناسه کلاس کیفیت سرویس تخصیص مییابد. پارامترهایی که QCI باید در مورد هر جریان اطلاعات در اختیار بگذارد شامل، کلاس سرویس، اولویت، حد تاخیر و نرخ از دست رفتن بسته میباشد. انواع حاملهای تعریف شده در شبکهی LTE متعلق به دو گروه اصلی شامل گروههای ضمانتکنندهی نرخ بیت و عدم ضمانت نرخ بیت هستند]13[. در ادامهی این بخش این پارامترهای مربوط به کیفیت سرویس بیان خواهند شد.
مدل حامل حامل، جزء اصلی مشخصکنندهی کیفیت سرویس بوده و سطح مقیاس برای کنترل کیفیت سرویس نیز است. . جریان بسته توسط یک فیلتر بسته شامل 5 قسمت تعریف میشود. این فیلتر مطابق با شکل 2-7 مشخص میکند که جریان بسته به چه حاملی تعلق یافته است. با توجه به شکل 2-7 هر جریان بسته علاوه بر آدرس آیپی که دارا است شامل سرباری هم است که شامل ویژگیهای ترافیکی این بسته بوده و این ویژگیها با توجه به نوع ترافیک به آن نگاشته شده است. این ویژگیها به صورتی است که تمام گرههای شبکه با دریافت این بسته متوجه ویژگیهای ترافیکی آن خواهند شد. این ویژگیها شامل پارامترهایی نظیر شناساییکنندهی کلاس کیفیت سرویس، بیشینه نرخ بیت، نرخ بیت ضمانت شده و اولویت نگهداری تخصیص است.
.
شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 7 حامل و پارامترهای کیفیت سرویس اختصاص یافته [14]هر حامل فقط به یک QCI از طرف شبکه تخصیص مییابد. دو نوع اصلی حامل با عناوین ضمانتکنندهی نرخ بیت و عدم ضمانت نرخ بیت وجود دارد. علاوه بر این دو مدل حامل اصلی دو مدل حامل دیگر به نامهای حاملهای پیشفرض و اختصاصی نیز تعرف میشوند. یک کاربر وقتی به شبکه متصل میشود یک حامل پیشفرض برای انتقال اطلاعات کنترلی به آن تخصیص مییابد و در تمام مدتی که کاربر به شبکه متصل است این حال نیز برقرار است. ولی زمانی که یک کاربر سرویسی مانند صفحات اینترنت یا ارتباط صدا برقرار کند یک حامل اختصاصی به آن تخصیص مییابد. حامل اختصاصی با توجه به ترافیکی که حمل میکند میتواند از نوع ضمانتکنندهی نرخ بیت یا عدم ضمانت نرخ بیت باشد ولی حامل پیشفرض مطابق با استاندارد به عنوان یک حامل عدم ضمانت نرخ بیت در نظر گرفته میشود.
کنترل نگاشته شدن جریان بستهها به حامل اختصاصی از طریق سیاستهای موجود در واحد PCRF قرار دارد انجام میشود]14[.مدل حامل شامل چهار پارامتر کیفیت سرویس وابسته به بلادرنگ یا غیر بلادرنگ بودن سرویس به صورت زیر است:
QCI
تخصیص و نگهداری اولویت
نرخ بیتهای ضمانتشده-مربوط به سرویسهای بلادرنگ
بیشینه نرخ بیت- مربوط به سرویسهای بلادرنگ
حاملهای ضمانت کنندهی نرخ بیت و عدم ضمانت نرخ بیتدو نوع اصلی حاملها شامل حاملهای ضمانتکنندهی نرخ بیت و حاملهای عدم ضمانت نرخ بیت هستند. حامل ضمانتکنندهی نرخ بیت برای سرویسهای بلادرنگ نظیر صدا و ویدئو مورد استفاده قرار میگیرد. یک حامل ضمانت کنندهی نرخ بیت، حداقل پهنای باند که توسط شبکه رزرو شده است را دارا است. در واقع حاملی که به کاربر مشخصی مربوط است برای آن کاربر حداقل نرخ بیتی را که شبکه در اختیارش میگذارد، ضمانت میکند. همچنین حامل با کمترین رکود و نوسان جیتر که برای سرویسهای بلادرنگ مورد نیاز است، در شبکههای LTE تعریف شده است. علاوه بر این بیشینه نرخ بیت و نرخ بیت ضمانت شده برای این حاملها تعریف شدهاند. این پارامترها بیشترین نرخ بیت را تعریف میکنند که برابر با نرخ بیتی است که به کاربر تعلق میگیرد. نرخ بیت ضمانت شده نیز نرخ بیتی است که شبکه ضمانت میکند که برای کاربر فراهم کند. در استاندارد 3GPP بیشینه نرخ بیت باید برابر با نرخ بیت ضمانت شده باشد.
حاملهای عدم ضمانت نرخ بیت، پهنای باند مشخصی در شبکه ندارند و برای سرویسهایی نظیر دانلود فایل، ایمیل و آوردن صفحات اینترنت مناسب هستند. این نوع حامل وقتی بار ترافیکی شبکه بالا میرود نرخ از دست رفتن بستهشان افزایش مییابد.
برای نشان دادن سطح کیفیت سرویس با جریان اطلاعات در نظر گرفته شده، هر حامل به یک شناسایی کنندهی کلاس کیفیت سرویس تعلق دارد که با تعریف چهار پارامتر به این صورت میباشد: کلاس سرویس، اولویت، تاخیر مورد نظر و نرخ از دست رفتن بسته که در جدول 2-2 آمده است]13[:
جدول STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Table \* ARABIC \s 1 2 شناساییکنندهی کلاس کیفیت سرویس استاندارد شده برای LTE ]13[
مثالی از سرویس نرخ از دست رفتن بسته حداکثر تاخیر قابل تحمل بسته اولویت نوع منبع QCI
مکالمه صدا 10-2 100(ms) 2 ضمانتکنندهی نرخ بیت 1
مکالمه ویدئو 10-3 150(ms) 4 ضمانتکنندهی نرخ بیت 2
ویدئوی غیر مکالمه 10-6 300(ms) 5 ضمانتکنندهی نرخ بیت 3
بازی بلادرنگ 10-3 50(ms) 3 ضمانتکنندهی نرخ بیت 4
سیگنالینگ کنترلی 10-6 100(ms) 1 عدم ضمانت نرخ بیت 5
ویدئو(طیف بلادرنگ) 10-3 100(ms) 7 عدم ضمانت نرخ بیت 6
ویدئو(طیف بافر شده) 10-6 300(ms) 6 عدم ضمانت نرخ بیت 7
ایمیل 10-6 300(ms) 8 عدم ضمانت نرخ بیت 8
اشتراک گذاری P2P فایل 10-6 300(ms) 9 عدم ضمانت نرخ بیت 9
همانطور که از جدول 2-2 مشخص است بستههای مربوط به ترافیک صدا اگر بیش از 100 میلیثانیه در صف بمانند از بین خواهند رفت چرا که حداکثر زمان قابل تحملشان 100 میلیثانیه است. این زمان برای بستههای ترافیک ویدئو برابر با 150 میلیثانیه بوده و برای صفحات وب برابر با 300 میلیثانیه است. این موضوع نشان دهندهی این است که بستههای مربوط به ترافیک صدا حساسیت بیشتری نسبت به تاخیر دارند.
QCI QCIیک عدد است که به عنوان مرجع برای پارامترهای گروه مشخص مورد استفاده قرار میگیرد که عملکرد ارسال بسته را کنترل کند. به هر حامل فقط و فقط یک مقدار QCI تخصیص داده میشود. به صورت کلی QCI مشخص میکند که برای توصیف نوع حامل نظیر اینکه آیا حامل ضمانت کنندهی نرخ بیت است یا عدم ضمانت نرخ بیت مورد استفاده قرار میگیرد و پارامترهایی نظیر اولویت، تاخیر بسته ونرخ از دست رفتن بسته را نشان میدهد]13[.
ARPARP برای تصمیمگیری در مورد اینکه یک حامل به کاربر تعلق گیرد یا به علت کمبود منابع تعلق نگیرد، مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین ARP میتواند برای تصمیمگیری درمورد آزادسازی حامل در طول برقراری رابطه به علت محدودیت منابع نیز مورد استفاده قرار میگیرد]14[.
مدل ترافیکیدر این قسمت مدلهای ترافیکی که مورد نیاز بوده و در شبیهسازی مورد استفاده قرار میگیرد مورد بررسی قرار گرفتهاند.
مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت
مدلی که برای صدا در نظر گرفته میشود به صورت یک مدل مارکوف خاموش-روشن است که به صورت شکل 2-8 مدل میشود]15[:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 8 مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت در شکل 2-8 احتمال رفتن از حالت 0 به حالت 1 برابر با α واحتمال ماندن در این حالت برابر با 1-α است. از طرف دیگر احتمال رفتن از 1 به 0 برابر با β و احتمال ماندن در 1 برابر با 1-β است. احتمالات شروع در حالات 0و1 به ترتیب برابر با P0 و P1 میباشد که به صورت رابطهی 2-1 قابل حصول است]15[:
P0=ββ+αP1=αα+β (2-1)
با توجه به توضیحات داده شده مدل ترافیکی در نظر گرفته شده برای شبیهسازی به این صورت است که، یک زنجیره مارکوف روشن-خاموش که مدت زمان روشن بودن برابر با یک تابع چگالی احتمال نمایی با مقدار متوسط 3 ثانیه است و دوررهی خاموشی یک دارای تابع چگالی احتمال نمایی با بیشینه 9/6 ثانیه و مقدار متوسط 3 ثانیه است. هنگامی که زنجیره در دورهی روشن بودن است 20 بسته که اندازه هر کدام 20 بایت هر 20 میلیثانیه ارسال میشود و در دورهی خاموش بودن نیز هیچ بستهای ارسال نمیگردد.
مدل ترافیکی صفحات
این ترافیک دارای مدل ترافیکی به صورت شکل 2-2 میباشد]15[:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 9 مدل ترافیکی صفحات اینترنتاین سرویس شامل دو قسمت فعال و غیر فعال است. قسمت فعال نشاندهندهی دانلودهای صفحات اینترنت و قسمت غیرفعال زمانهای خواندن میانی است. این بازههای زمانی فعال و غیرفعال نتیجهی فعل و انفعالات کاربران است. فراخواندن بسته نشاندهندهی نیازهای کاربران صفحات اینترنت برای اطلاعات و زمان خواندن نشاندهندهی زمان مورد نیاز برای خلاصه کردنصفحات اینترنت است. پارامترهای اصلی برای مشخص کردن ترافیک مرورگر صفحات اینترنت که در شکل نیز مشخص است که این پارامترها به این صورت است که، تعداد اشیای جاسازی شده یعنی ND، زمان خواندن یعنی D و زمان تجزیه یعنی Tp میباشد. برای شبیهسازی پارامترهای بیان شده برای ترافیک صفحات اینترنت مطابق با جدول 2-3 درنظر گرفته میشود:
جدول 2-3 پارامترهای ترافیک صفحات اینترنت
مقدار نوع اطلاعات
5 صفحه تعداد صفحات در هر بستر
200000بایت متوسط اندازه صفحه
1 تعداد شی در هر صفحه
کمینه=1کیلو بایت، بیشینه=200 کیلوبایت اندازه شیها
12 ثانیه زمان خواندن
مدل ترافیکی ویدئو
در مدل ترافیکی ویدئو فرض میشود فریمهای ویدئو در بازههای زمانی T تولید میشوند. هر فریم ویدئو به تعداد ثابتی قسمت تجزیه شده است و به عنوان یک تک بسته ارسال می‌گردد. اندازهی این بستهها براساس توزیع truncedpareto میباشد. شکل2-10 مدل ترافیکی ویدئو را نشان میدهد:

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 10 مدل ترافیکی ویدئو]15[پارامترهای مورد استفاده برای شبیهسازی ترافیک ویدئو مطابق با جدول 2-4 در نظرگرفته شده است]15[:
جدول STYLEREF 1 \s ‏24پارامترهای ترافیک ویدئو
پارامترهای توزیع توزیع نوع اطلاعات
50میلیثانیه قطعی
بازههای زمانی بین شروع هر فریم
8 قطعی تعداد بستهها در یک فریم
K=40 bytes, α=1.2Truncated Paretoبر اساس تابع چگالی
(کمینه=50 بایت, بیشینه=125 بایت) اندازه بستهها
K=2.5ms, α=1.2Truncated Pareto براساس تابع چگالی (کمینه=میلیثانیه 6,بیشینه=میلیثانیه 5/12) بازهی زمانی بین ورود بستهها در یک فریم
نکتهای که در مورد این سه مدل ترافیکی باید درنظر گرفت این است که بستههای مربوط به ترافیک صدا اگر بیش از 100 میلیثانیه در صف منتظر بمانند از بین خواهند رفت و این مقدار برای ترافیک ویدئو برابر با 150 میلیثانیه بوده و حداکثر زمان قابل تحمل ترافیک صفحات وب برابر با 300 میلیثانیه است.
فصل سومزمانبندی در شبکههای LTEمقدمهیکی از مهمترین ویژگیهای شبکههای LTE زمانبندی چند کاربره میباشد زیرا زمانبندی چندکاربره مسئول فراهم آوردن کیفیت سرویس برای همهی کابران فعال موجود در سلول است. هدف الگوریتمهای تخصیص منابع، بهبود عملکرد سیستم همراه با بهبود کارایی پهنای باند و عدالت میباشد. در شبکههای LTE زمانبندی بسته در ایستگاه مبنا که مسئول تخصیص بخشهایی از طیف مشترک در میان کاربران میباشد، انجام میگیرد]16[. در همین راستا با توجه به اهمیت زمانبندی و تخصیص منابع به کاربران در این فصل به بیان اصول زمانبندی در شبکههای LTE پرداخته میشود و انواع استراتژیهای موجود برای زمانبندی و الگوریتمهای موجود مربوط به هر استراتژی بیان خواهدگردید. در انتها الگوریتم های زمانبندی مورد مقایسه با الگوریتم پیشنهادی یعنی الگوریتمهای زمانبندی TLS، MEDFPF و FBAQ به صورت کامل بیان خواهند شد.
روش های زمانبندی در زیرلایهی MAC شبکههایLTE در جهت فروسوبه طور کلی الگوریتمهای زمانبندی در جهت فروسو برای تخصیص منابع در دسترس به کاربران، به دو دستهی الگوریتمهای زمانبندی دینامیک و استاتیک تقسیم میشوند [17]. در الگوریتمهای زمانبندی استاتیک یک زیر کانال در کل مدت زمانبندی به یک کاربر اختصاص مییابد. این الگوریتمها برای ساختارهای دسترسی چندگانه معمولی نظیر دسترسی چندگانه تقسیم زمانی و دسترسی چندگانهی تقسیم فرکانسی


طراحی الگوریتم جدید زمان¬بندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکه¬های LTE پایان نامه ها
قیمت: 11200 تومان

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *