POLITECNICO DI TORINO
Facoltà di Ingegneria dell’Informazione
TESI DI LAUREA
Sviluppo di un simulatore
per i protocolli di controllo
delle risorse radio in sistemi UMTS
Aprile 2002
Francesco Zaio
1
Oggi
sistemi di seconda generazione (GSM)
voce
trasmissione di dati a bassa velocità
Domani
sistemi di terza generazione (UMTS)
ampia gamma di servizi multimediali
larga banda nel mondo wireless
Francesco Zaio
2
Principali innovazioni del sistema UMTS
nuova modalità di accesso radio (W-CDMA)
dinamicità in termini di bit rate
assegnazione efficiente delle risorse di rete
diversi livelli di QoS
trasferimento a pacchetto dell’informazione
innovazioni nell’architettura di accesso
Francesco Zaio
3
Obiettivi della tesi
sviluppo di un simulatore UMTS
livello RRC
funzionalità del piano di controllo
algoritmi di gestione delle risorse radio
modelli di traffico
valutazione delle prestazioni del sistema
al variare dei parametri di livello RRC
al variare della qualità del canale radio
al variare dei canali di trasporto
al variare delle classi di traffico
Francesco Zaio
4
Simulatore UMTS
Generalità
linguaggio di programmazione: C++
tipo di simulatore: sincrono & gestore di eventi
canale fisico molto semplificato
topologia ripiegata
terminali mobili in uplink e downlink
terminali mobili con servizi differenti
Francesco Zaio
5
Simulatore UMTS
Architettura di rete
Node_B
Node_B
analisi dettagliata
RNS
dominio
d’utente
Node_B
UTRAN
RNC
Node_B
Iub
protocolli sulla
interfaccia radio “Uu”
Uu
Node_B
Node_B
UE
Francesco Zaio
6
Simulatore UMTS
Architettura dei protocolli radio
MAC
control plane
accessi multipli ad una
comune risorsa (risorse radio)
UPPER_layer
SAP(s)
RLC
trasmissione affidabile e non
dell’informazione
user plane
control
SAP
RRC
RRC
RLC
creare condizioni per la corretta
trasmissione dei dati utente
canali
logici
UPPER_LAYER
MAC
sorgenti di traffico
PHYSICAL_CHANNEL
qualità del canale radiomobile
Francesco Zaio
canali
di trasporto
Physical
Channel
quality
7
Simulatore UMTS
Livello RRC
funzioni
architettura
Francesco Zaio
8
Simulatore UMTS
Livello RRC
Funzioni
instaurazione, mantenimento e rilascio della
connessione RRC
instaurazione, riconfigurazione e rilascio dei
Radio Bearer
variazione della velocità trasmissiva
sospensione e riattivazione della trasmissione dei dati
assegnazione, riconfigurazione e rilascio
delle risorse radio
controllo della QoS
ricezione e controllo delle misure
monitoraggio del volume di traffico
stima della qualità del mezzo trasmissivo
Francesco Zaio
9
Simulatore UMTS
Livello RRC
Architettura
Nt_Sap
modello base
DC_Sap
GC_Sap
Routing Function Entity
RFE
RFE
RFE
CFE
Transfer Mode Entity
Control
C_Sap
Control
Memory
Control
Control Function Entity
TME
canale logico CCCH
TME
simula il trasferimento dei msg
di segnalazione sul canale
logico DCCH, instaurato con
una connessione RRC
Misure
Controllo
Francesco Zaio
10
Simulatore UMTS
Livello RRC
Architettura
lato UTRAN
eredita la struttura di base
sovrappone il gestore di
Radio Resource Management (RRM)
algoritmi per la gestione delle risorse radio
garantire la qualità di servizio richiesta dai
Radio Bearer
Francesco Zaio
11
Simulatore UMTS
Livello RRC
Architettura
lato UE
eredita la struttura di base
sovrappone le entità per gestire le
procedure del livello nell’UE
Francesco Zaio
12
Simulatore UMTS
Modelli di traffico
sorgente Unconstrained Delay Data
servizi non real time di web browsing
classe Interactive
sorgente Video
servizio real time a bit rate variabile (VBR)
classe Streaming
Francesco Zaio
13
Simulatore UMTS
Modelli di traffico
Sorgente UDD
state chart di primo livello
SESSION OFF
SESSION ON
SESSION
ON
Sequenza di
chiamate a
pacchetto
SESSION
OFF
tempo di lettura
durata della sessione fissata dalla
dimensione in byte dei dati da trasmettere
Francesco Zaio
14
Simulatore UMTS
Modelli di traffico
Sorgente UDD
SESSION ON
state chart di secondo livello
UDD
384
UDD64, UDD144, UDD384: diverse
velocità di generazione dati
transizioni dettate da
procedure di livello RRC
SUSPEND
Francesco Zaio
UDD
144
SUSPEND
UDD
64
15
Simulatore UMTS
Modelli di traffico
Sorgente UDD
state chart di terzo livello
UDD 384
ON: chiamata a pacchetto
OFF: tempo di lettura
OFF
Francesco Zaio
ON
16
Simulatore UMTS
Modelli di traffico
Sorgente Video
state chart
SESSION ON
Start tx
SESSION ON
quantizzazione del
bit rate della
sorgente in un
numero discreto di
livelli
transizione tra i
sottostati 64 e 384
regolate per mezzo
di variabili aleatorie
SESSION
OFF
α
384
End tx
64
β
flusso VBR
durata della sessione fissata da un tempo
casuale di distribuzione nota
Francesco Zaio
17
Prestazioni del sistema
Classe di
traffico
DSCH
dimensione
media dei
dati generati
fissata
probabilità
di blocco
sempre nulla
25
Traffico medio per sessione [kbit/s]
solo UDD
Traffico medio smaltito al variare di num_UE e P_err
30
20
P_err = 0.2
15
10
5
0
Francesco Zaio
traffico offerto
P_err = 0.0001
P_err = 0.075
2
4
6
8
10
12
14
numero di UE
16
18
20
18
Prestazioni del sistema
solo UDD
25
traffico offerto
P_err = 0.0001
20
P_err = 0.075
P_err = 0.2
15
10
2
4
6
8
numero di UE
10
12
14
Probabilità di blocco
0.5
P_blocco
DCH
dimensione
media dei
dati generati
fissata
Traffico medio per sessione [kbit/s]
Classe di
traffico
Traffico medio smaltito al variare di num_UE e P_err
30
P_err = 0.0001
P_err = 0.075
P_err = 0.2
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Francesco Zaio
2
4
6
8
numero di UE
10
12
14
19
video
DCH
tempo medio
di attività
fissato
UDD
CPCH
dimensione
media dei
dati generati
fissata
Francesco Zaio
Traffico medio smaltito al variare di num_UE e P_err (servizio STREAMING)
190
180
170
traffico offerto
P_err = 0.0001
160
P_err = 0.075
150
P_err = 0.2
140
130
120
4
6
8
10
numero di UE totali nel sistema
12
14
Traffico medio smaltito al variare di num_UE e P_err (servizio UDD)
Traffico medio per sessione [kbit/s]
Scenario
misto
Traffico medio per sessione [kbit/s]
Prestazioni del sistema
30
25
traffico offerto
20
P_err = 0.0001
15
P_err = 0.075
P_err = 0.2
10
5
0
4
6
8
10
numero di UE totali nel sistema
12
14
20
Conclusioni
importanza del RRC nella gestione del sistema
evita perdite di pacchetti dovute ad overflow nei
buffer
limita il numero di pacchetti scartati a
causa del canale radiomobile
ottimizza la gestione delle risorse
supporta in contemporanea servizi differenti
mediante adeguate politiche di admission control
e algoritmi di pre-emption delle risorse
Francesco Zaio
21
Francesco Zaio
22