EA050209B1 - Способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи и может быть использовано в телекоммуникационной отрасли промышленности. Сущность изобретения заключается в разработанном алгоритме приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи. Технический результат заключается в повышении скорости и стабильности подключения пользовательских устройств к базовой станции в нисходящем канале связи в условиях разных требований к обслуживанию пользовательских устройств, находящихся на разном удалении от базовой станции.

Description

Изобретение относится к способу приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи и может быть использовано в телекоммуникационной отрасли промышленности.

В качестве прототипа выбран способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи, включающий этапы, при выполнении которых:

первоначально ресурс сети выделяют устройствам, от которых получен запрос на подключение к сети и направлено ответное сообщение от базовой станции;

затем осуществляют сортировку остальных устройств по приоритетности выделения ресурсов сети, при этом:

выделяют ресурс сети тем устройствам, которые осуществляют повторную отправку данных, и приоритет предоставляют тому устройству, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных;

в случае, если по меньшей мере два устройства имеют одинаковое количество повторных передач данных, ресурс сети выделяют тому устройству, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования [CN 111194086 A, дата публикации: 22.05.2020 г.].

Недостатком прототипа является сравнительно невысокая скорость и стабильность подключения пользовательских устройств к базовой станции в нисходящем канале связи в условиях разных требований к обслуживанию пользовательских устройств, находящихся на разном удалении от базовой станции ввиду игнорирования взвешенной задержки базовой станцией при распределении ресурсов.

Указанный недостаток может привести к возникновению множества проблем, среди которых:

неравномерное распределение ресурсов, поскольку устройства, находящиеся дальше от базовой станции или в зонах с плохими радио условиями, могут испытывать более высокие задержки и, следовательно, нуждаться в большем количестве ресурсов для поддержания стабильного соединения, что может приводить к ухудшению качества обслуживания - например, замиранию видеопотока или прерыванию голосовых вызовов;

неоптимальное использование ресурсов сети, поскольку базовая станция может неэффективно распределять ресурсы, направляя их на устройства с меньшими задержками, даже если они в меньшей степени нуждаются в дополнительных ресурсах для поддержания качества связи, это приводит к нерациональному использованию доступной пропускной способности и может ограничить общую производительность сети;

проблемы с масштабируемостью системы связи, поскольку в условиях роста количества пользователей и увеличения нагрузки на сеть, игнорирование задержки может усугубить проблемы с распределением ресурсов и стабильностью соединений, вследствие чего сеть может стать более подверженной перегрузкам, что негативно скажется на всех пользователях;

ухудшение показателей сетевой производительности, поскольку устройства, находящиеся на границе зоны покрытия, могут сталкиваться с увеличением времени передачи данных и частым переподключением, что может увеличить среднее время ответа сети, снизить общую пропускную способность и увеличить количество ошибок передачи.

Таким образом необходима разработка технического решения, учитывающего взвешенную задержку, как ключевой фактор при планировании и распределении ресурсов, что обеспечивает высокое качество обслуживания и оптимальное использование сетевых ресурсов.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в недостаточной скорости и стабильности подключения пользовательских устройств в нисходящем канале связи.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении скорости и стабильности подключения пользовательских устройств к базовой станции в нисходящем канале связи в условиях разных требований к обслуживанию пользовательских устройств, находящихся на разном удалении от базовой станции.

Сущность изобретения

Способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи включает этапы, при выполнении которых:

первоначально ресурс сети выделяют устройствам, от которых получен запрос на подключение к сети и направлено ответное сообщение от базовой станции;

затем осуществляется сортировка остальных устройств по приоритетности выделения ресурсов сети, при этом:

выделяется ресурс сети тем устройствам, которые осуществляют повторную отправку данных, при этом приоритет предоставляют тому устройству, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных;

в случае, если по меньшей мере два устройства имеют одинаковое количество повторных отправок данных, ресурс сети выделяют тому устройству, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования с учетом взвешенной задержки, которую испытывает устройство при передаче данных.

- 1 050209

Способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам UE (аббр. от англ. User Equipment) в нисходящем канале связи могут реализовывать посредством одной или нескольких базовых станций. В качестве пользовательского устройства может быть представлено любое пользовательское оборудование, например, мобильные телефоны, персональные компьютеры, маршрутизаторы или другие устройства, подключающиеся к сети мобильной связи.

В первую очередь ресурсы сети выделяют тем пользовательским устройствам, от которых получен запрос RRC (аббр. от англ. Radio Resource Control) Connection Request, на подключение к сети в рамках процедуры случайного доступа RA (аббр. от англ. Random Access) Procedure и направлено ответное сообщение RRC Connection Setup.

Сообщение RRC Connection Request является первым шагом в установлении соединения между пользовательским устройством и сетью после получения ответа на преамбулу. Оно инициирует процесс подключения, включая аутентификацию и настройку необходимых параметров для передачи данных. Процедура RA позволяет устройствам запрашивать доступ к сети в условиях, когда ресурсы не выделены заранее и обеспечивает механизм для быстрого и эффективного установления соединения, особенно в условиях высокой нагрузки, когда множество устройств пытаются подключиться одновременно. В совокупности, сообщение RRC Connection Request в рамках процедуры RA позволяет сети быстро и эффективно обрабатывать запросы на подключение, обеспечивая стабильное и надежное соединение даже в условиях высокой нагрузки.

Приоритизация устройств, которым направлено сообщение RRC Connection Setup, позволяет быстро установить соединение между устройством и базовой станцией, что особенно важно для устройств, находящихся в динамическом движении или в зонах с высокой плотностью пользователей, где скорость инициации связи критична и возможен конфликт с уже активными устройствами.

Остальные пользовательские устройства сортируют по приоритетности выделения ресурсов, распределяя их от большего к меньшему. Приоритетным на выделение ресурсов сети считают то устройство, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных, определяемой передачей устройством запросов HARQ (аббр. от англ. Hybrid Automatic Repeat Request) на повторную отправку данных.

HARQ представляет собой механизм, позволяющий устройствам повторно отправлять данные, если они не были успешно получены базовой станцией. Приоритизация устройств с наибольшим числом итераций HARQ позволяет быстрее исправлять ошибки передачи, минимизировать задержки, связанные с повторными передачами, что особенно важно для приложений и сервисов, чувствительных к задержкам.

Однако возможно возникновение случая, когда по меньшей мере два устройства имеют одинаковое количество отправленных запросов HARQ. В таком случае ресурс сети выделяют тому устройству, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования PF (аббр. от англ. Proportional-fair scheduling) с учетом взвешенной задержки, которую испытывает устройство при передаче данных.

Пропорционально-справедливое планирование - это способ распределения ресурсов, который учитывает как эффективность использования ресурсов, так и справедливость их распределения между устройствами. Коэффициент (вес) пропорционально-справедливого планирования может быть определен, как отношение текущей скорости передачи данных устройства к его ожидаемой средней скорости.

Взвешенная задержка позволяет учитывать не только абсолютное значение задержки, но и ее влияние на качество обслуживания. Взвешенная задержка может быть интегрирована в формулу для расчета коэффициента пропорционально-справедливого планирования, увеличивая его для устройств с более высокой задержкой. Это может быть выполнено путем умножения базового коэффициента на фактор, зависящий от задержки.

Предпочтительно для реализации данного процесса используют алгоритм M-LWDF (аббр. от англ. Modified Largest Weighted Delay First), позволяющий эффективно учитывать задержку и приоритеты различных потоков данных, обеспечивая тем самым справедливое распределение ресурсов между устройствами с разными уровнями задержки и приоритетами.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности промышленная применимость.

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:

первоначально ресурс сети выделяют устройствам, от которых получен запрос на подключение к сети и направлено ответное сообщение от базовой станции, быстрое и приоритетное подключение новых устройств к сети позволяет минимизировать задержки при установлении соединения, что особенно важно для устройств на границе зоны покрытия или в условиях высокой нагрузки, это способствует повышению скорости установления связи;

далее осуществляется сортировка остальных устройств по приоритетности выделения ресурсов сети, при этом выделяют ресурс сети тем устройствам, которые осуществляют повторную отправку данных, предоставляя приоритет тому устройству, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных; повторная отправка данных часто связана с проблемами в передачи, такими как плохое

- 2 050209 качество сигнала; предоставление приоритета таким устройствам помогает улучшить надежность и стабильность их соединения, сокращая количество ошибок и повышая общую скорость передачи данных;

в случае, если по меньшей мере два устройства имеют одинаковое количество повторных передач данных, ресурс сети выделяют тому устройству, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования с учетом взвешенной задержки, которую испытывает устройство при передаче данных. Это позволяет учитывать задержку как критический фактор, при котором устройства, испытывающие высокие задержки, получают необходимые ресурсы, что улучшает качество обслуживания для устройств в неблагоприятных условиях и способствует более равномерному распределению ресурсов.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет оптимизировать скорость и стабильность подключения пользовательских устройств, учитывая как запросы на подключение, так и повторные отправки данных. Это позволяет эффективно распределить ресурсы, адаптируясь к условиям сети и различным требованиям устройств, что улучшает качество обслуживания и пользовательский опыт. При этом учет коэффициента пропорционально-справедливого планирования с взвешенной задержкой обеспечивает приоритетное обслуживание устройств, находящихся в неблагоприятных радио условиях, способствуя равномерному распределению ресурсов и повышению надежности связи.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении скорости и стабильности подключения пользовательских устройств к базовой станции в нисходящем канале связи в условиях разных требований к обслуживанию пользовательских устройств, находящихся на разном удалении от базовой станции.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности новизна.

Изобретение неизвестно из предшествующего уровня техники и явным образом не следует из него. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности изобретательский уровень.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - алгоритм способа приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи, где в списке устройств содержится Downlink контекст UE 1 - Downlink контекст UE ..., что описывает информацию и параметры, связанные с передачей данных в нисходящем канале для конкретных пользовательских устройств, а контекст UE_i и UE_k описывают информацию о выбранных для сравнения параметрах двух пользовательских устройств из списка.

Фиг. 2 - тест успешности подключения устройств к базовой станции в нисходящем канале связи при приоритизации выделения ресурсов сети устройству, которое передает запрос RRC contention request и получает ответное сообщение RRC connection setup.

Фиг. 3 - тест пропускной способности нисходящего канала связи при приоритизации выделения ресурсов сети устройствам с разными классами обслуживания, где график слева описывает пользовательское устройство с QCI 4, а справа - с QCI 7.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи (фиг. 1) реализуют посредством технологических мощностей базовой станции следующим образом.

Сначала производится проверка наличия пользовательских устройств UE, передающих запрос RRC contention request, на подключение к сети в рамках процедуры случайного доступа RA Procedure, и направлено ответное сообщение RRC Connection setup от базовой станции и в случае наличия таких устройств UE базовая станция выделяет ресурс сети им.

Затем производится сортировка остальных устройств UE по приоритетности выделения ресурсов сети.

Для этого сначала определяются устройства UE, которые передают запрос HARQ на повторную отправку данных, и приоритетным считается то устройство UE, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных.

При случае, когда по меньшей мере два устройства UE имеют одинаковое количество запросов HARQ, то ранжирование устройств осуществляется по алгоритму пропорционально-справедливого планирования PF. При этом ресурс сети выделяется тому устройству UE, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования с учетом функции взвешенной задержки, учитывающей характеристики классов качества обслуживания из стандарта 3GPP. В этом случае используют алгоритм М-LWDF, обеспечивающий необходимое качество обслуживания QoS (аббр. от англ. Quality of Service):

rate = Delay, (1) где: rate - скорость передачи данных от базовой станции к устройству UE в текущем TTI (аббр. от англ. Transmission Time Interval), который составляет 1 мс; данный параметр определяет количество пе

- 3 050209 редаваемых данных в информационном блоке и рассчитывается из стандарта 3GPP;

thpdl - пропускная способность нисходящего канала связи, которая экспоненциально сглаживается методом скользящего среднего следующим образом:

где ве [0; 1] - коэффициент, который определяет степень сглаживания;

α - весовой коэффициент, который поддерживает требования к QoS и определяется как:

l°gio $ а =--—, (3) где δ - допустимая скорость потери пакетов с данными;

τ - допустимая задержка, мс.

Оба приведенных выше параметра берутся из учёта приоритетов логических каналов передачи данных, полученных из стандарта 3GPP или от оператора, на основе классов качества обслуживания (QoS).

Delay - общая величина взвешенной задержки, которая определяется на основе следующей формулы:

Delay = Delay_transiay_er + Delay_realf ¢4) где Delay_trans__layer - средняя взвешенная задержка между компонентом PCEF (аббр. от англ. Policy and Charging Enforcement Function) и базовой станцией, в среднем составляющая 20 мс;

Delay_real - средняя задержка обработки данных внутри базовой станции.

Для подтверждения достижения изобретением технического результата был проведен ряд тестов сети мобильной связи на основе программного обеспечения Amarisoft.

Тест 1. (Фиг. 2) приоритизация выделения ресурсов сети устройству, передающему запрос RRC connection request.

На одном устройстве UE запускали генерацию трафика, использующего максимальную пропускную способность соты. Второе устройство UE при этом многократно (не менее 1000 раз) выполняло процедуру подключения (включая аутентификацию и настройку необходимых параметров) и отключения от базовой станции.

На фиг. 2 видно последовательное обеспечение ресурсами пользовательского устройства UE в восходящем и нисходящем каналах связи с целью подключения UE к базовой станции. А именно обеспечение UE ресурсами в восходящем канале связи для передачи от UE к базовой станции сообщения RRC Connection request, и в нисходящем канале связи для передачи от базовой сообщения к UE сообщения RRC Connection setup. Итог успешного подключения устройства UE к базовой станции является транслирование пользовательским устройством UE сообщения RRC Connection setup complete.

В описанном тесте была получена 100% успешность подключения пользовательского устройства UE к базовой станции.

Тест 2. (Фиг. 3) приоритизация выделения ресурсов сети в нисходящем канале связи устройствам с разными классами обслуживания.

Условия тестирования:

полоса пропускания: 5 MHz;

позиция UE: центр ячейки;

качество канала: оба UE имеют CQI=15 и MCS_dl=28;

тип трафика: UDP fullbuffer;

требуемый битрейт (demand): 18 Mbps;

Значения параметров устройств брали из стандартной таблицы идентификаторов классов обслуживания QCI (аббр. от англ. Quality of Service Class Identifier).

UE 1:

QCI: 4;

PELR (аббр. от англ. Packet Error Loss Rate): 10^-6;

задержка (τ): 300 мс;

ay 0.02.

UE2:

QCI: 7;

PELR: 10^-3;

задержка (τ): 100 мс;

α2: 0.03.

После настройки симулятора сети инициализировали UDP (аббр. от англ. User Datagram Protocol) fullbuffer трафик для обоих устройств с требуемым битрейтом 18 Mbps, измеряли пропускную способность (thp_dl) для каждого устройства UE после стабилизации сети.

Исходя из формулы (1) в случае равенства весов справедливого планирования двух пользовательских устройств dl_weight1=dl_weight₂ получали отношение пропускной способности в следующем виде:

-

Claims (2)

1. tftPdM _ Delay! _ tkpiiu rate₂ Delay₂ a₂

   Исходя из известности битрейта трафика для UE, приходящего на базовую станцию, то взвешенную задержку (Delay) вычисляли по формуле:

   demand — thp_dl

   Delay = t *-----г------г---demand (6) где: demand-thpdl отражает объем данных в буфере, t показывает длительность времени поступления трафика.

   Поскольку взвешенная задержка увеличивается пропорционально времени, то при условии одновременности инициализации генерации трафика, формула (5) будет иметь следующий вид:

   rate_A demand — thp_dil thpdu rate₂ demand - thp_dl2 a₂

   Ввиду того, что качество канала для UE в тесте одинаковые, то из формулы (7) получали следующее выражение:

   thp_dl 1 demand — thp_{dl 2}

   -- — ------— ' ----------------— ct₂ thp_dl2 demand - thp_dll'

   Исходя из формулы (8) с учетом полученных результатов теста сети: ^а2 ^Pdi.z demand — tkp_dl/1 9.6 IB — 7.8 «2 demand — tfcpai,2 7,8 10 - 9,6' '

   Из данной формулы следует, что α₁/α₂=1.5, что указывает на то, что один из классов (QCI 7) получает больше ресурсов по сравнению с другим (QCI 4), обеспечивая тем самым выполнение более строгих требований к качеству обслуживания. Как итог, разработанный способ позволяет балансировать нагрузку на сеть, гарантируя, что более высокоприоритетные трафики получают достаточное количество ресурсов, не создавая при этом чрезмерных задержек для других классов трафика.

   Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении скорости и стабильности подключения пользовательских устройств к базовой станции в нисходящем канале связи в условиях разных требований к обслуживанию пользовательских устройств, находящихся на разном удалении от базовой станции.

   ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ приоритизации выделения ресурсов сети мобильной связи пользовательским устройствам в нисходящем канале связи, включающий этапы, при выполнении которых:

   первоначально ресурс сети выделяют устройствам, от которых получен запрос на подключение к сети и направлено ответное сообщение от базовой станции;

   затем осуществляется сортировка остальных устройств по приоритетности выделения ресурсов сети, при этом:

   выделяют ресурс сети тем устройствам, которые осуществляют повторную отправку данных, при этом приоритет предоставляют тому устройству, которое имеет наибольшее число итераций повторной отправки данных;

   в случае, если по меньшей мере два устройства имеют одинаковое количество повторной отправки данных, ресурс сети выделяют тому устройству, которое имеет наибольший коэффициент пропорционально-справедливого планирования с учетом взвешенной задержки, которую испытывает устройство при передаче данных.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения коэффициента пропорциональносправедливого планирования с учетом взвешенной задержки используют алгоритм M-LWDF (аббр. от англ. Modified Largest Weighted Delay First).

   -