ES2359522A1 - Procedimiento y estación base de radio para planificar en redes telefónicas celulares de área amplia. - Google Patents
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Abstract
En las redes 3G, el HSDPA utiliza un planificador en el Nodo B que debe optimizarse para diferenciar trafico/usuarios para proporcionar la calidad de servicio apropiada a todos.Hay diferentes tipos de aplicación/usuario que requieren diferentes prioridades de QoS no sólo en cuanto a rendimiento sino también en cuanto a retardo. La mayor parte de los algoritmos para planificador de HSDPA funcionan basándose en el rendimiento y algunos de ellos también se basan en retardo pero con funciones complicadas difíciles de implementar en el HW de las redes 3G actuales. Se requiere simplificar los algoritmos.Esta invención permite un control más eficaz del retardo del tráfico implicado en las diferentes aplicaciones en las redes 3G cuando se produce un paso a través del planificador de HSDPA y también garantiza a los clientes la mejor calidad de servicio (QoS).
Description
Procedimiento y estación base de radio para
planificar tráfico en redes telefónicas celulares de área
amplia.
La presente invención tiene su aplicación en el
sector de las telecomunicaciones y, especialmente, en el área
industrial dedicada a proporcionar redes de acceso de radio (por
ejemplo, UTRAN en UMTS) con elementos de infraestructuras celulares
tales como estaciones base (por ejemplo, Nodos-B en
UMTS) para redes telefónicas celulares de área amplia (es decir,
redes 3G).
Más en particular, la invención descrita en el
presente documento se refiere a un procedimiento y una estación base
para planificar tráfico con requisitos de retardo y QoS diferentes
en redes 3G que soportan acceso de paquetes de enlace descendente a
alta velocidad (HSDPA).
UTRAN (red de acceso de radio terrestre de UMTS)
es un término compartido que incluye el controlador de red de radio
(RNC), las estaciones base de radio 3G (Nodos-B) y
la interfaz aérea con el equipo de usuario (EU). Más en particular,
el Nodo-B maneja canales de radio, incluyendo la
multiplexación/demultiplexación de tráfico de usuario (información
de datos y voz).
Se requiere planificación de tráfico cuando una
pluralidad de usuarios tiene recursos físicos asignados en un canal
compartido específico, como en el acceso de paquetes de enlace
descendente a alta velocidad (HSDPA). Normalmente, se usa el canal
compartido de enlace descendente de alta velocidad
(HS-DSCH) como canal de transporte por el equipo de
usuario (EU) para recibir y por el Nodo-B para
transmitir paquetes de datos.
En el protocolo HSDPA normalizado, se conocen
ampliamente planificadores de paquetes y estrategias de
planificación. Para HSDPA, el planificador de paquetes está ubicado
en la subcapa MAC-hs de la capa OSI 2 en el lado de
UTRAN, según la especificación técnica 3GPP TS 25.321
"Especificación de protocolo de acceso al medio (MAC) (Release
5)".
La figura 1 muestra el modelo
MAC-hs especificado por 3GPP TS 25.321 v5.13,0 para
manejo de tráfico en una estación base 3G (Nodo-B).
Los flujos MAC-d (1) están constituidos por tráfico
sobre un canal de transporte dedicado a un EU específico, que
contiene paquetes con una o varias prioridades. La entidad
MAC-hs (2) almacena estos paquetes de manera
intermedia en el Nodo-B utilizando una entidad de
distribución de cofa de prioridad (3). En la misma existe una rutina
de manejo de prioridad/planificación que selecciona qué cola de
prioridad (4) puede transmitir el tráfico, perteneciente a un
usuario o múltiples usuarios, a un cierto intervalo de tiempo de
transmisión, TTI; en HSDPA, el valor típico de TTI es 2
milisegundos. Hablando en general, pueden realizarse diversas
selecciones cada 2 ms, es decir, cada TTI o instante de
planificación, en términos generales. La cola de prioridad (4)
seleccionada tiene recursos asignados para transmisión por una
entidad de petición de repetición automática híbrida, HARQ, (5), que
soporta uno o más procesos HARQ por cada HS-DSCH por
cada TTI para almacenamiento del paquete planificado que va a
transmitirse o retransmitirse. Una rutina de selección de
combinación de recursos y formato de transporte, TFRC (6) determina
cuántos recursos físicos deben asignarse para cada paquete que va a
transmitirse sobre el HS-DSCH (7). En el intercambio
de información entre la capa 2 y la capa física también están
implicados procesos de control MAC (8) y señalización asociada en
enlace ascendente y enlace descendente (9, 9').
Las especificaciones 3G proporcionan tráfico con
diferente calidad de servicio (QoS). Los atributos de QoS se mapean
con el formato de transporte y los parámetros de prioridad de los
canales de transporte. Un indicador de prioridad de planificación
(SPI) se envía al Nodo-B junto con la carga útil
correspondiente en cada paquete de datos. El SPI está constituido
por 4 bits; por tanto, pueden distinguirse 16 prioridades
diferentes. Aunque la norma de la parte de aplicación de Nodo B
(NBAP) (3GPP TS 25.433) específica estas prioridades, es específico
del vendedor cómo el Nodo-B maneja las diferentes
prioridades.
Por otro lado, el EU realimenta un informe de
indicador de calidad de canal (CQI) para proporcionar al
planificador de estación base información de estado de canal.
Dentro de las redes 3G, el HSDPA utiliza un
planificador en el Nodo-B que tiene que optimizarse
para diferenciar entre tráfico/usuarios para proporcionar la calidad
de servicio apropiada a todos. La mayor parte de los algoritmos para
el planificador de HSDPA se basan en mediciones de rendimiento.
Diversas estrategias de planificación de HSDPA también se basan en
retardo pero con funciones complicadas que son difíciles de
implementar en las infraestructuras de las redes 3G actuales. El
algoritmo utilizado en las redes HSDPA actuales es el equitativo
proporcional ponderado, en el que se calcula la prioridad de
planificación (SchedP) de un usuario mediante la ecuación 1:
En la ecuación 1, R(t) es la tasa de
transmisión instantánea del EU que puede conseguirse según el CQI
informado en el tiempo de planificación t, r(t) tasa de
transmisión de planificación de usuario en los últimos T segundos y
SPIweight es el peso del usuario que tiene en cuenta su prioridad.
La tasa de transmisión de planificación de usuario
r(t) representa el rendimiento en el Nodo-B.
r(t) representa el rendimiento en el Nodo-B.
Normalmente, el SPIweight es un peso relativo
entre diferentes usuarios, por tanto a cada parámetro de SPI se le
da un valor fijo determinado (hay un máximo de 16 valores de SPI
diferentes) y estos 16 valores de SPIweight posibles están definidos
en las normas 3GPP.
El planificador de HSDPA calcula las diferentes
prioridades de planificación (SchedP) de los paquetes cada tti, es
decir, cada 2 ms, teniendo en cuenta las diferentes entradas, y a
continuación el canal HSDPA se asigna al paquete con la prioridad de
planificación (SchedP) más alta. Esta prioridad de planificación
(SchedP) es un valor fijo, independiente del retardo de paquete. Si
el canal de transporte dedicado de HSDPA permite más de un paquete
por cada tti, entonces el siguiente paquete que vaya a transmitirse
se selecciona de los paquetes con un valor de prioridad más alto
almacenado de manera intermedia en la cola de prioridad
correspondiente.
Sin embargo, hay diferentes tipos de
aplicaciones/usuarios que requieren diferentes prioridades de QoS,
no sólo en cuanto a rendimiento sino también en cuanto a retardo.
Además, se desea simplificación de algoritmos. Por tanto, la
optimización de planificación de HSDPA requiere considerar los
retardos de paquete en el cálculo de las prioridades de
planificación así como simplificar dicho cálculo.
La presente invención sirve para solucionar el
problema anteriormente mencionado calculando diferentes prioridades
de planificación (SchedP) de los paquetes cada TTI, en un
planificador de acceso de paquetes de enlace descendente a alta
velocidad (HSDPA), de manera dinámica y teniendo en cuenta el
retardo de paquete, en lugar de utilizar un valor de prioridad de
planificación fijo sea cual sea el retardo de paquete. Esta
invención permite un control más eficaz del retardo del tráfico
implicado en las diferentes aplicaciones en las redes 3G cuando se
produce un paso a través del planificador de HSDPA y también
garantiza a los clientes la mejor calidad de servicio (QoS).
Un aspecto de la invención se refiere a un
procedimiento para planificar tráfico en redes 3G que soportan
HSDPA, que comprende las siguientes etapas que se realizan cada
TTI:
a) determinar o calcular un retardo t_{d} del
paquete entrante.
b) Calcular para un tiempo de planificación
actual t al menos un valor de una prioridad de planificación
SchedP(i,t) que es una función de:
- -
- el valor i que indica la prioridad del paquete entrante, que está almacenado de manera intermedia en la cola de prioridad i
- -
- el retardo t_{d} de transmisión del paquete almacenado de manera intermedia.
c) Utilizar los valores calculados de las
prioridades de planificación para planificar los paquetes
almacenados de manera intermedia en colas de prioridad. Por tanto,
los paquetes almacenados de manera intermedia en la cola i se
planifican, en el tiempo de planificación actual t, según
SchedP(i,t).
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento para planificación comprende
además la configuración o definición de una serie (definida para
cada valor de prioridad i) de instantes de tiempo:
T_{1}(i), T_{2}(i), ..., T_{N}(i), siendo
N \geq 1 y T_{N}(i) > ...> T_{2}(i) >
T_{1}(i) > 0. Los valores T_{1}(i) y
T_{N}(i) pueden configurarse para definir respectivamente
un retardo mínimo aceptable y un retardo aceptable máximo para el
paquete entrante con prioridad indicada por el valor i.
Con estos N instantes de tiempo definidos,
pueden calcularse N+1 valores de la prioridad de planificación
SchedP(i,t) utilizando un valor de peso respectivo
(SPIweight_{1}(i), SPIweight_{2}(i), ...,
SPIweight_{N}(i), SPIweight_{N+1}(i),) que indica
una prioridad relativa entre usuarios. Los valores de peso se
configuran en la siguiente asociación con el retardo t_{d}:
Si T_{1}(i) > t_{d} > 0,
SPIweight_{1}(i) se usa para calcular
SchedP_{1}(i,t);
Si T_{2}(i) > t_{d} \geq
T_{1}(i), SPIweight_{2}(i) se usa para calcular
SchedP_{2}(i,t);
...
Si T_{N}(i) > t_{d} \geq
T_{N-1}(i), SPIweight_{N}(i) se
usa para calcular SchedP_{N}(i,t);
Si t_{d} \geq T_{N}(i),
SPIweight_{N+1}(i) se usa para calcular
SchedP_{N+1}(i,t).
\vskip1.000000\baselineskip
Los instantes de tiempo y los valores de peso
pueden configurarse completamente por el operador en un planificador
de HSDPA. De manera preferente, los paquetes se planifican en un
orden de valores mayores a menores de la prioridad de planificación
SchedP(i,t).
Otro aspecto de la invención trata de una
estación base (Nodo-B) de tercera generación (3G)
que comprende un planificador de HSDPA que implementa el
procedimiento anteriormente descrito.
Para completar la descripción que está
realizándose y con el objetivo de ayudar a un mejor entendimiento de
las características de la invención, según un ejemplo preferido de
realización práctica de la misma, acompañando a dicha descripción
como parte integrante de la misma hay un conjunto de dibujos en los
que, a modo de ilustración y sin limitación, se ha representado lo
siguiente:
la figura 1 muestra la entidad
MAC-hs en el lado de UTRAN normalizada en el estado
de la técnica para la implementación de planificación.
La figura 2 muestra la entidad
MAC-hs en el lado de UTRAN según una realización
preferida de la invención.
La figura 3 muestra una representación gráfica
del SPIweight (i) variable frente al retardo de paquete.
La figura 4 muestra un histograma que compara el
retardo de paquetes medido en tres escenarios de red reales y
considerando tres niveles de QoS.
La presente invención propone un planificador de
tráfico en una estación base (Nodo-B) que opera
según las normas 3GPP en los sistemas HSDPA.
La figura 2 muestra las entidades funcionales de
la capa MAC-hs, que es responsable de la gestión de
los recursos físicos asignados a HSDPA y para manejar los datos
transmitidos sobre un canal HSDPA (10), por ejemplo, el
HS-DSCH. Según una posible implementación de la
invención, cuando un paquete entrante llega (11) a la estación base
3G (Nodo-B), el paquete se marca con su tiempo de
llegada, por ejemplo, se almacena en una tabla (12) el tiempo de
llegada (12A) y se le atribuye un ID de paquete (12B) que identifica
el paquete entrante, por ejemplo, el número de secuencia de
transmisión, TSN, proporcionado en los parámetros de la cabecera de
MAC, tal como está normalizado en 3GPP TS 25.321 v8.3.0 para el
canal HS-DSCH. Tal como se conoce en la técnica
anterior, una rutina de manejo de prioridad y planificación (13)
distribuye los paquetes entrantes en diferentes colas de prioridad
(14) dependiendo del valor (i) de indicador de prioridad de
planificación, SPI. El SPI se asigna al paquete en correspondencia
con la calidad de servicio, QoS, requerida y se define por las
normas 3GPP.
La rutina de manejo de prioridad y planificación
(13) de la estación base (Nodo-B) realiza en cada
intervalo de tiempo de transmisión, TTI, un cálculo (15) de al menos
un valor de una prioridad de planificación SchedP(i) que
depende del valor de SPI (i) y el retardo del paquete entrante. Por
tanto, esta rutina de manejo de prioridad y planificación (13)
utiliza el tiempo de llegada que corresponde al paquete para
calcular el retardo de paquete de los paquetes almacenados en las
colas de prioridad (14). Los paquetes entrantes se distribuyen (17)
en una de las colas de prioridad (14) según el valor de SPI (i).
Puede haber hasta M = N+1 valores posibles para la prioridad de
planificación SchedP(i) correspondientes al valor de SPI (i).
El valor de la prioridad de planificación SchedP(i) se
calcula utilizando un peso SPIweight(i) cuyo valor cambia
dependiendo del retardo de paquete calculado y sustituyendo el
parámetro SPIweight fijo en la ecuación 1 por este
SPIweight(i) variable en función del retardo de paquete y el
valor de SPI (i); es decir,
siendo t el tiempo de planificación
actual medido en el planificador de la estación base
(Nodo-B),
i = 0, 1, 2, ..., 15, los 16 posibles valores de
SPI especificados en las normas 3GPP;
y j = 1, 2, ..., N+1.
\vskip1.000000\baselineskip
El valor preferido de N es 3 porque proporciona
flexibilidad suficiente para aplicar a los diferentes tipos de
usuarios/aplicaciones y al mismo tiempo, es sencillo de implementar.
Un N demasiado alto, y a continuación M, da como resultado un
enfoque más complejo en cuanto a parametrización, comprobación e
implementación.
\newpage
El valor del SPIweight (i) que tiene en cuenta
el retardo de los paquetes en el planificador puede configurarse
completamente por el operador. En caso de N=3, pueden definirse de
este modo tres posibles valores para el
SPIweight (i) asociado al valor de SPI (i):
SPIweight (i) asociado al valor de SPI (i):
SPIweight_{1}(i) si 0 < retardo de
paquete < T_{1}(i)
SPIweight_{2}(i) si T_{1}(i)
\leq retardo de paquete < T_{2}(i)
SPIweight_{3}(i) si T_{2}(i)
\leq retardo de paquete < T_{3}(i)
SPIweight_{4} (i) si T_{3}(i) \leq
retardo de paquete
T_{j}(i) se definen en milisegundos
(ms). En el ejemplo, j= 1, 2, 3.
\vskip1.000000\baselineskip
SPIweight_{1}(i) indica el peso SPI por
defecto del usuario. Este valor se mantiene hasta que el retardo es
mayor que T_{1}(i). Una vez superado T_{1}(i), que
define un retardo aceptable mínimo, el peso SPI del usuario cambia
a
SPIweight_{2}(i) para proporcionar al usuario un factor de ponderación mayor, es decir, mayor prioridad. T_{3}(i) es útil para definir un retardo aceptable máximo. Si el retardo aceptable máximo se alcanza o supera, es decir, T_{3}(i) \leq retardo de paquete, la prioridad del usuario aumenta al valor más alto, es decir, la prioridad más alta se asigna a este usuario con respecto a los demás.
SPIweight_{2}(i) para proporcionar al usuario un factor de ponderación mayor, es decir, mayor prioridad. T_{3}(i) es útil para definir un retardo aceptable máximo. Si el retardo aceptable máximo se alcanza o supera, es decir, T_{3}(i) \leq retardo de paquete, la prioridad del usuario aumenta al valor más alto, es decir, la prioridad más alta se asigna a este usuario con respecto a los demás.
Por ejemplo, los valores recomendados para
T_{j}(i) con N = 3 y i =0, 1, 2 se dan en milisegundos en
la tabla 1:
La figura 3 muestra un ejemplo gráfico de la
variación del SPIweight (i), que puede trasladarse a la evolución de
SchedP(i), frente al retardo de paquete.
Utilizando el SPIweight (i) correspondiente al
retardo calculado y el valor de SPI asignado (i) de cada paquete, se
calculan los valores respectivos de la prioridad de planificación
SchedP(i) para el tiempo de planificación actual aplicando la
ecuación 2 y los paquetes almacenados de manera intermedia se
planifican (16) en orden, de valores mayores a menores de la
prioridad de planificación SchedP(i).
Obsérvese que SPIweight (i) son números enteros,
SPIweight (i) \geq 0, y SchedP(i) puede ser mayor que la
unidad, SchedP(i) \geq 0.
Estas etapas de la rutina de manejo de prioridad
y planificación (13) se repiten cada TTI; normalmente,
TTI = 2 ms.
TTI = 2 ms.
La figura 4 muestra una representación gráfica
de una comparación de retardo para la planificación de un paquete de
un servicio de descargas de páginas web típico que supone tres
niveles posibles de QoS; esto significa tres valores diferentes de
SPI: i = 0 ,1 y 2, de izquierda a derecha en la figura 2. Los
valores trazados se obtienen a partir de la comprobación de red real
y estimaciones pronosticadas de tres situaciones o casos
representados por barras de histograma:
I. Caso sin carga: barras de histograma
blancos.
En esta situación, el planificador no está
cargado, hay recursos suficientes para tres QoS o niveles de
prioridad. El retardo experimentado para paquetes de cualquier
prioridad, i=0, i=1 y i=2, es el mismo e igual al retardo mínimo en
la red para esta página web.
Otra situación es cuando el planificador está
cargado:
Caso con carga: no hay suficientes recursos para
las tres QoS requeridas. Los tres niveles de prioridad 1=0, i=1 y
i=2 compiten por los recursos. El retardo sufrido por los paquetes
cuando se entregan aumenta. Pero la diferenciación de carga de QoS
proporciona valores de prioridad alta i, prio
(i=0)>prio(i=1)>prio(i=2), con un mejor
rendimiento en cuanto a retardo.
Pueden distinguirse dos casos en esta situación
de carga:
- II.
- Aplicar diferenciación de carga de QoS sin utilizar la rutina de planificación propuesta: las barras de histograma son gris claro.
- III.
- Aplicar diferenciación de carga de QoS utilizando la rutina de planificación propuesta: las barras de histograma son gris oscuro.
El retardo del paquete disminuye porque se ha
planificado antes, esto es, el paquete tiene un SchedP mayor. La
rutina de planificación ha aumentado el SPIweight del paquete que
utiliza el SPIweight (i) correspondiente al retardo calculado y el
valor de SPI asignado (i) de cada paquete.
Los términos en los que se ha expresado esta
memoria descriptiva deben tomarse siempre en el sentido más amplio y
sin restricciones.
Obsérvese que en este texto, el término
"comprende" y sus derivaciones (tales como "que
comprende", etc.) no debe entenderse en un sentido excluyente,
esto es, estos términos no deberían interpretarse como excluyentes
de la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir
elementos, etapas, etc. adicionales.
Claims (9)
1. Procedimiento para planificar tráfico en
redes telefónicas celulares de área amplia que soportan acceso de
paquetes de enlace descendente a alta velocidad (HSDPA), en el que
tráfico que contiene paquetes relacionados con usuarios se almacena
de manera intermedia en colas de prioridad según un valor (i) que
indica una prioridad para la transmisión asignada a un paquete
entrante, caracterizado porque comprende las siguientes
etapas:
a) determinar un retardo t_{d} del paquete
entrante,
b) calcular para un tiempo de planificación
actual t al menos un valor de una prioridad de planificación
SchedP(i,t) que es una función del valor (i) que indica la
prioridad del paquete entrante y el retardo t_{d} del paquete
entrante,
c) planificar los paquetes almacenados de manera
intermedia en colas de prioridad según los valores de la prioridad
de planificación SchedP(i,t),
y porque las etapas a), b) y c) se realizan cada
intervalo de tiempo de transmisión.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende además definir N \geq 1 instantes de tiempo
(T_{1}(i),
T_{2}(i), ..., T_{N}(i)) para cada valor (i) que indica la prioridad del paquete entrante, en el que T_{N}(i) > ... > T_{2}(i) > T_{1}(i) > 0, siendo T_{1}(i) un retardo aceptable mínimo y T_{N}(i) un retardo aceptable máximo para el paquete entrante con prioridad indicada por el valor (i).
T_{2}(i), ..., T_{N}(i)) para cada valor (i) que indica la prioridad del paquete entrante, en el que T_{N}(i) > ... > T_{2}(i) > T_{1}(i) > 0, siendo T_{1}(i) un retardo aceptable mínimo y T_{N}(i) un retardo aceptable máximo para el paquete entrante con prioridad indicada por el valor (i).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que se calculan N+1 valores de la prioridad de planificación
SchedP(i,t), SchedP_{1}(i,t),
SchedP_{2}(i,t), ..., SchedP_{N}(i,t),
SchedP_{N+1}(i,t), estando cada uno de los valores
determinados respectivamente por un peso, SPIweight_{1}(i),
SPIweight_{2}(i), ..., SPIweight_{N}(i),
SPIweight_{N+1}(i), que indica una prioridad relativa entre
usuarios y se da para el retardo t_{d} del paquete entrante de la
manera siguiente:
si T_{1}(i) > t_{d} > 0,
SPIweight_{1}(i) se usa para calcular
SchedP_{1}(i,t);
si T_{2}(i) > t_{d} \geq
T_{1}(i), SPIweight_{2}(i) se usa para calcular
SchedP_{2}(i,t);
...
si T_{N}(i) > t_{d} \geq
T_{N-1}(i), SPiweight_{N}(i) se
usa para calcular SchedP_{N}(i,t);
si t_{d} \geq T_{N}(i),
SPIweight_{N+1}(i) se usa para calcular
SchedP_{N+1}(i,t).
\vskip1.000000\baselineskip
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que el, al menos, un valor SchedP_{j}(i,t) de la
prioridad de planificación se calcula como:
donde R_{j}(t) es una tasa
de transmisión instantánea que puede alcanzarse determinada por un
indicador de calidad de canal, r_{j}(t) es una tasa de
transmisión de planificación y t es el tiempo de planificación
actual.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que N = 3.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los paquetes se planifican en
un orden de valores mayores a menores de la prioridad de
planificación SchedP(i,t).
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el valor (i) se refiere a una
prioridad indicada por un indicador de prioridad de planificación
que se utiliza para manejo de planificación en una estación base de
tercera generación (Nodo-B).
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende marcar el
paquete entrante con un tiempo de llegada a una estación base de
tercera generación (Nodo-B) y en el que el retardo
t_{d} del paquete entrante se calcula utilizando el tiempo de
llegada y el tiempo de planificación actual t.
9. Estación base de tercera generación
(Nodo-B) que comprende un planificador de tráfico a
transmitir sobre un canal de acceso de paquetes de enlace
descendente a alta velocidad (HSDPA), caracterizada porque el
planificador implementa el procedimiento definido según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores.
Priority Applications (3)
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