Strategii de acceptare a apelului si a transferului

Strategii de acceptare a apelului si a transferului

Intr-un sistem celular de telefonie mobila, continuitatea elementelor de comunicatii cand un mobil de misca dintr-o arie de servicii in alta poate fi vazuta drept cea mai importanta facilitate a serviciului oferita clientului. Orice intrerupere a comunicatiei sau orice deteriorare a calitatii serviciilor are un impact puternic asupra imaginii furnizorului de servicii. Pentru a asigura comunicatii continue, apelul trebuie comutat catre cea mai apropiata statie de baza, la momentul potrivit. Acest proces se numeste procesul de transfer ('handover' sau 'handoff'). Transferul unui apel poate fi necesar in trei situatii:

1. Cand puterea semnalului receptionat este slaba din cauza unei umbre, atunci daca puterea semnalului de la statia de baza vecina este buna, transferul poate fi folosit pentru a opri pierderea apelului.

2. Cand mobilul ajunge la granita unei celule, atunci apelul trebuie transferat permanent.

3. In sistemele bazate pe rearanjare, acomodarea unui nou apel sau a unui apel transferat, se face prin eliberarea unui canal folosind in mod fortat transferul unui apel existent catre alta celula.

Transferurile au nevoie de un timp procesare suplimentara si trebuie implementate intr-o scurta perioada de timp pentru a minimiza intreruperea serviciului. In acest scop, centrul de comutare mobil, MSC, statia mobila, MS, si statia de baza corespunzatoare, BS, trebuie sa fie coordonate in ceea ce priveste deciziile si executarea proceselor de transfer. Din aceasta cauza, procesul de transfer este un aspect critic in ceea ce priveste proiectarea sistemelor celulare mobile.

Intr-un sistem omogen, numarul de transferuri necesare unui apel este direct proportional cu numarul trecerilor peste granita pe care le face un mobil in timpul unui apel. Prin urmare transferurile au loc mai des intr-un sistem microcelular decat in sistemele celulare conventionale, din cauza dimensiunilor mici ale celulelor. Aceasta inseamna ca imbunatatirea posibila a performantelor pentru procesul de transfer in sistemele cu celule mici este extrem de importanta.

Procesul de transfer este un proces complex ce necesita implinirea combinatiei unor activitati. Aceasta include o cerere facuta pe baza conditiilor de propagare, o decizie bazata pe aceasta cerere si pe situatia traficului, si executia acestora, incluzand comutatia. Mai departe, aceste activitati au nevoie de un timp de procesare considerabil. Figura 1 arata activitatile majore implicate in procesul de transfer. In functie de modul in care sunt implementate aceste activitati in sistem, problemele legate de transfer pot fi clasificate in doua categorii. Prima categorie este preocupata de distribuirea acestor activitati si coordonarea lor printre MS, BS si MSC. Aceste probleme pot fii privite ca probleme ale nivelului de arhitectura a sistemului.

Fig. 1: Probleme ale procesului de transfer

Al doilea tip de probleme sunt cu privire la modul in care sunt implementate aceste activitati si pot fi privite ca probleme de nivel mic sau probleme la nivel de proces. Aceste probleme de nivel mic sunt legate de eficienta algoritmilor pentru imbunatatirea deciziilor variate implicate in procesul de transfer. Pentru a imbunatatii performanta transferului este necesara intelegerea tuturor proceselor implicate. Procesele implicate pot fi impartite pe categorii apartinand urmatoarelor arii majore: trafic, propagare, comutare si procesare. Un transfer poate fi implementat cu succes daca si numai daca o statie de baza vecina avand o putere a semnalului suficienta este disponibila, si statia de baza tinta are un canal de comunicatii liber; si transferul poate fi executat inainte de aparitia oricarei deteriorari semnificative a semnalului existent.

Implicarea diferitelor procese este ilustrata in Fig 1. Aceste probleme legate de procesul de transfer sunt descrise mai jos.

1. Probleme legate de propagare

Blocul de evaluare a propagarii, A, aratat in figura 1 reprezinta masuratori variate transportate de MS si BS, si procesul de anticipare bazat pe aceste masuratori pentru a indica cerintele transferului in privinta blocului de alocare a canalului, B. Cu toate acestea, solicitarea de propagare pentru un transfer, mentionata mai sus, uneori nu pot fi respectate din cauza neregulilor din aria de acoperire a celulei. Acest lucru se intampla din cauza existentei unor zone care nu pot fi servite de nici o BT. Daca zona este atat de mare incat calitatea semnalului a fost nesatisfacatoare si celula tinta nu a putut fi gasita intr-un timp mai mare decat un anumit timp limita (timpul de intrerupere, Drop-timer), apelul este incheiat dupa cum indica blocul C din figura. O alta posibilitate este aceea ca unele apeluri sa fie finalizate fara solicitarea unui transfer, dupa cum arata blocul D in figura.

Algoritmii de predictie sunt foarte importanti pentru procedurile de transfer. Daca puterea semnalului in timpul urmatorului ciclu de masuratori poate fi prezis cu acuratete folosind masuratorile anterioare, se pot minimiza intreruperile (drop-outs) luand decizii la locul si la timpul potrivit. Deci un proces ce prezice cu acuratete va imbunatati performanta transferului, in particular pentru mobilele cu viteza mare.

Eficienta strategiilor de transfer pot minimiza numarul de transferuri. Trebuie sa reducem numarul de transferuri pentru ca fiecare transfer mareste incarcarea semnalului si a procesarii, si creeaza probleme de management al traficului. Acest lucru poate fi redus prin identificarea cererilor utile ti inutile, si incercand sa se limiteze transferurile inutile. Un transfer este considerat inutil atunci cand calitatea ceruta poate fi oferita si fara transfer. Diverse metode de limitare a transferurilor includ: folosirea unei marje de histerezis; folosirea unei scheme de predictii pe termen lung cand puterea semnalului este suficient de mare; sau permitand unui temporizator de consistenta a transferului sa verifice daca celula tina ramane ca celula favorita pentru limita de timp specificata. Aceste strategii sunt cunoscute ca strategiile de transfer (handover strategies) .

2. Probleme dependente de trafic

Un apel poate fi intrerupt din cauza indisponibilitatii canalelor. Blocul B de alocare a canalelor din figura 1 arata competitia dintre noile apeluri si apelurile transferate pentru un canal. Cu toate astea, incheierea unui apel existent are un impact mai mare asupra performantei sistemului din punctul de vedere al utilizatorului decat blocarea unui nou apel, si prioritatea de transfer, cum ar fi rezervarea exclusiva a canalelor pentru transferuri si schemele pentru cozile de transferuri au fost propuse pentru a da intaietate transferurilor fata de noile apeluri in ceea ce priveste asignarea canalelor. In schemele de rezervare exclusiva a canalelor, un anumit numar de canale este rezervat exclusiv pentru transferuri (vezi fig 4.1) astfel ca blocarea transferurilor va fi mai mica comparativ cu blocarea noilor apeluri. Intr-un sistem cu coada pentru transferuri, transferul va fi pus intr-o coada de fiecare data cand nu sunt canale disponibile. Aceasta coada va avea prioritate de cate ori se elibereaza un canal.

Acest lucru este aratat prin blocul E in figura 1. Blocurile F si G arata posibilitatile de incheiere a unui apel aflat in coada din cauza expirarii perioadei de time-out si posibilitatea ca un apel aflat in coada sa se incheie cu succes. Aceasta expirare este dependenta de situatia de propagare a apelului si daca cererea de transfer era una urgenta, unde conditiile de propagare sunt proaste, atunci este mai probabil ca apelul sa fie incheiat curand. Cele scris anterior nu pot fi modelate cu acuratete cand se ia in considerare doar situatia traficului, pentru ca acest fenomen depinde si de algoritmii de cerere a transferului. O alta dificultate a modelarii mediului de trafic este aceea legata de modelarea cererilor de transfer, care depind de mobilitatea si propagarea mediului. Deci pentru o modelare realistica, trebuie luate in considerare atat conditiile de trafic cat si cele de mobilitate. In [Hon 93] investigarea performantei s-a facut printr-o lucrare analitica iar in [ses92] s-au facut simulari pentru a studia performantele.

Dupa cum se arata in figura 1 mai sunt doua posibilitati care pot avea loc in timpul asteptarii in coada. Una este retragerea cererii de transfer, daca puterea semnalului se imbunatateste iar cealalta posibilitate este aceea ca i se poate schimba prioritatea alocata. Prioritatea se decide conform mediului de propagare. Schimbarea conditiilor de propagare apare din cauza miscarii mobilului. Prioritatea asignata este folosita de sistemele in care cozile de transferuri sunt servite in functie de prioritatea apelului. Aceasta prioritate este data unui apel transferat la momentul cererii unui transfer in functie de urgenta situatiei.

3. Probleme de comutare si procesare

Criteriul dupa care un transfer poate fi terminat inainte de degradarea inacceptabila a semnalului poate fi imbunatatit prin utilizarea eficienta a comutatoarelor, sintetizatoarelor de frecventa pentru variatii rapide, scheme de coordonare eficiente intre statii, distributia eficienta a volumului de sarcina dintre statii, si utilizarea unor procesoare de viteza mare pentru a implementa algoritmii software la o viteza rezonabila.

Pentru imbunatatirea performantei transferurilor este necesara prezentarea problemelor cheie. Aceste probleme apartin uneia din cele trei arii principale.

- Coordonarea eficienta si deciziile privind arhitectura ce reduce intarzierea comutarii si procesarii transferului.

- Precizia algoritmilor de estimare a puterii semnalului si a calitatii semnalului.

- Decizii eficiente de cerere a transferului pe baza masuratorilor de propagare.

- Modalitati eficiente de acordare a prioritatii transferurilor fata de noile apeluri in asignarea canalelor.

- Eficienta schemelor de asignare a prioritatii pe nivele bazata pe modelarea realistica a mobilitatii si predictia comportamentului de miscare.

Figura 2 ilustreaza relatia dintre aceste cinci probleme importante. Evident, exista o independenta importanta a acestor arii, si tinta ar trebui sa fie gasirea setului de parametrii optim pentru fiecare din acesti algoritmi pentru un mediu dat. Datorita interactiunii numarului mare de combinatii disponibile cu aceste cinci scheme, se analizeaza schemele numai intr-un mediu combinat/multinivel. Cat timp este important sa se studieze efectul separat astfel ca rezultatele sistemului sa fie relativ simple pentru investigare, este important sa studiem independenta lor, pentru a observa cum pot fi folosite intr-un mediu practic.

Fig. 2: Diferite proceduri de decizie ce apar in procesele de transfer

Intr-o retea de comunicatii celulara, intarzierea retelei pentru cererea unui transfer este limitata de o perioada de o perioada de expirare (timeout). Daca reteaua nu raspunde in perioada de timeout, apelul transferat este incheiat fortat. In continuare voi prezenta efectul care il are timpul de raspuns asupra performantei (probabilitatea de neterminare a apelului ) unui sistem celular mobil.

Capacitatea unui sistem celular poate fi marita prin reducerea ariei de acoperire a celulei. O scadere a ariei de acoperire este constransa de necesitatea ca o unitate de abonat sa ramana in celula un interval de timp suficient de mare pentru a completa setarea apelului si toate functiile transferului. In schimb, pentru a obtine dimensiuni mai mici ale celulei ar putea fi necesara reducerea timpului de procesare pentru aceste functii. In oricare din cazuri, este necesara cunoasterea relatiei dintre dimensiunea celulei si timpii necesari pentru setarea apelului si pentru procesarea transferului.

O asemenea relatie deriva din calculul probabilitatii ca o unitate de abonat, initiind un apel oriunde in aria de acoperire a celulei, sa aiba acoperirea acelei celule pentru un interval de timp egal cu timpul necesar setarii apelului si a transferului. Prin stabilirea dimensiunii celulei se poate determina probabilitatea de acoperire pentru un timp de procesare al apelului dat T_cp, si vice versa. Tabelul 1 compara probabilitatile unui sistem celulare care ar putea avea cerintele specificate pentru procesarea apelului pentru diferite marimi ale celulelor si diferite forme.

Tabel 1 Probabilitatea de acoperire pentru celule hexagonale si sectorizate, avand marimi diferite

Presupunem ca timpul de procesare este de 5 secunde si ca celula are 500 de metri. In acest caz mobilele pot fi acoperite de o celula hexagonala cu o probabilitate de 82,8% sau mai mare. Pierderile capacitatii unei celule in acest caz se obtin prin calcularea urmatoarei probabilitati:

(1)

2 Probabilitatile de blocare pentru apelurilor si transferuri

Scopul principal al construirii unui model de simulare a traficului (care sa includa atat teletraficul cat si modelul de mobilitate) este acela de a obtine probabilitatile de blocare, si in acest scop timpul in care reteaua ramane intr-o anumita stare nu prezinta nici o semnificatie. Prin urmare, modelul de simulare folosit se bazeaza pe abordarea avansului in timp al urmatorului eveniment (next-event time-advance) care foloseste toate atributele atat pentru apelurile curente cat si pentru urmatoarele. Aceste atribute includ: durata apelului, timpul dintre sorirea apelurilor, timpul de stationare ramas si timpul de stationare al transferului. In fiecare celula se presupune ca se afla multa populatie ce utilizeaza telefonia mobila, astfel ca rata medie a sosirii apelurilor va fi independenta de numarul apelurilor in desfasurare. Se presupune ca duratele apelurilor sunt independente si ca sunt variabile aleatoare distribuite identic ce urmaresc o distributie exponentiala negativa. Distributiile timpului de stationare ramas si timpului de stationare al transferului urmaresc o distributie gama generalizata conform rezultatelor de la modelarea mobilitatii in capitolul 4.3 sistemul celular este compus din celule hexagonale cu refolosirea unui grup de 7 celule. Un transfer apare de la o celula catre fiecare din cele sase celule vecine cu o probabilitate egala cu 1/6. Comportamentul de apelare al utilizatorului este in concordanta cu presupunerile din capitolul 4.

Pentru a obtine parametrii de performanta pentru reteaua celulara modelata in figura 4.1 vom considera urmatoarele. Traficul intr-o celula este impartit in doua clase servite de un total de canale pe celula dar cu tratament preferential pentru serviciile apartinand unei din clase. Cele doua clase constau in : traficul nou ce soseste cu o rata de avand acces la canale si traficul transferat cu o rata de cu acces exclusiv la canale de garda.

Traficul nou sosit poate fi presupus drept un proces Poisson. Traficul transferat depinde de traficul total suportat de o celula, si intr-un caz omogen se poate implica si proprietatea de echilibru a fluxului (rata cu care sosesc transferurile catre o celula este egala cu rata de iesire a transferurilor spere celelalte celule). Traficul transferat poate fi aproximat cu un proces Poisson. Aceasta presupunere permite scrierea intregului proces de trafic ca un proces Poisson. Presupunand o distributie exponentiala a duratei apelului in celula (sau timpul de ocupare al canalului cum a fost definit in capitolul 4.5) se poate obtine o stare de blocare stabila si probabilitatile de transfer folosind modelul lantului Markov. Cand nu se formeaza nici o coada a apelurilor transferate sau noi aceste probabilitati sunt date de urmatoarele expresii:

(2)

(3)

cu si .

Rezolvand setul de ecuatii neliniare de mai sus, putem obtine masuratorile de performanta pentru probabilitatea de blocare si esuarea transferului. In acest caz, in care , noile sosiri si transferuri ale traficului sunt tratate la fel, si doua masuratori de performanta de mai sus sunt simplificate la data de formula de pierderi Erlang (Erlang B). Figura 3 ilustreaza cum probabilitatile de blocare ale noilor apeluri sau ale transferurilor pot varia in functie de rata de incercare a noilor apelari pe celula pentru diferite marimi ale celulei (sau comportamente de miscare). Aceasta figura arata ca probabilitatea de blocare se apropie de distributia Erlang-B pe masura ce creste marimea celulei.

Fig 3: Probabilitatile de blocare pentru marimi diferite ale celulei.

Aceleasi date sunt aratate in figura 4, ca functie de traficul oferit considerand timpul de mentinere a apelului. Dupa cum este ilustrat in figura, rezultatele simularii pentru variatia probabilitatii de blocare, respectand efectiv traficul oferit pe celula, sunt independente de marimea celulei cum se considera in [Tek94]. Aceasta inseamna ca pentru o rata de sosire a noilor apeluri data, timpul de ocupare efectiv al unui canal intr-o celula este astfel incat intensitatea traficului consecvent sa ramana la fel.

Fig 4 Probabilitatile de blocare ale noilor apeluri in functie de traficul oferit

3 Probabilitatea de abandonare a apelurilor

Probabilitatea ca un apel sa fie abandonat in timpul apelului este o alta performanta a traficului. Probabilitatea de abandon, Pr_d, este definita ca probabilitatea ca un apel sa fie abandonat in orice punct al apelului, in timp ce probabilitatea de blocare a transferului are aceeasi marime la trecerea granitei celulei. O fractiune a noilor apeluri care nu sunt blocate vor fi eventual incheiate fortat daca succed printre primele (i-1) incercari de transfer, dar esueaza la a i-a incercare de transfer. Pentru un apel in desfasurare probabilitatea de abandon a apelului poate fi determinata astfel:

(4)

Sau

(5)

Figura 5 arata cum descreste probabilitatea de abandon pe masura ce creste marimea celulei.

Fig 5 : Probabilitatea de abandon pentru diferite marimi ale celulei.

Figura 6 Probabilitatea de abandon versus probabilitatea de blocare a apelurilor transferate.

Trebuie mentionat ca doua retele cu aceleasi probabilitati de transfer ar putea avea probabilitati de abandon diferite. De exemplu, o retea cu utilizatori ce se misca incet va experimenta un numar relativ mic de traversari ale granitei fata de o retea cu utilizatori ce se misca repede. Cu cat numarul de treceri ale granitei este mai mare cu atat va fi mai mare probabilitatea de abandon pentru aceeasi probabilitate de blocare a transferului. Probabilitatea de abandon depinde de marimea celulei, rata de incercare a noilor apeluri si comportamentul de miscare al utilizatorilor.