ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ЗА СЧЕТ РАЗГРУЗКИ МОБИЛЬНОГО ТРАФИКА LTE ПО КАНАЛАМ WI-FI

Во всем мире мобильный трафик переживает бум, который будет еще более заметен в последующие годы из-за растущего спроса на более высокие скорости передачи данных, более низкие задержки и более высокий уровень ожидаемого QoS (качество обслуживания) и QoE (качество эксплуатации)

Как наиболее распространенный на сегодняшний день метод доступа в глобальные сети, сотовые сети испытывают трудности, пытаясь справиться с такой беспрецедентной перегрузкой данных. Этот рост требует крупных инвестиций в обе отрасли; в RAN (сеть радиодоступа) и в транспортную инфраструктуру мобильных сетей.

Резкий рост мобильного трафика данных является серьезной проблемой для сетевых операторов с ограниченными ресурсами радиочастотного спектра

Текущие аналитические данные утверждают о том, что к 2020 году 54% всего трафика мобильных данных загружались через сети Wi-Fi или сети малых сот, (см. рис. 1). Методы разгрузки мобильных данных могут обеспечить оптимальное использование доступных радиоресурсов и сбалансировать распределение нагрузки между ними.

Ожидается, что в будущем для выполнения требований приложений для передачи данных в беспроводных сетях будут использоваться технологии множественного доступа. В настоящее время всего несколько операторов сотовой связи, используют сети Wi-Fi в качестве альтернативной сетевой технологии доступа

[2]

,

[6]

,

[7]

,

[8]

.

Рисунок 1 - Разгрузка трафика с мобильных устройств через Wi-Fi

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.13

Разгрузка трафика через Wi-Fi позволит мобильным устройствам решать, когда, как и где выбирать альтернативную сетевую инфраструктуру доступа, функции поддержки и примеры сценариев приведены в

[11]

. Основными целями внедрения методов разгрузки данных в мобильных сотовых сетях являются снижение нагрузки на сотовую сеть (например, разгрузка трафика LTE) и расширение зоны доступа 4G. Когда для мобильных устройств (например, смартфонов) доступно несколько RAT (технология радиодоступа), назначение и разгрузка пользователей среди этих доступных RAT, управление потоками и другие вопросы начинают появляться как фундаментальные проблемы. Хотя было проведено всего несколько исследований, посвященных этим важным вопросам, главный вопрос был отодвинут на второй план.

В этой статье мы рассматриваем вопрос о том, как преодолеть перегрузку мобильной сети (перегрузку RAN в мобильной сети) путем разгрузки части трафика данных в дополнительные сети доступа, т.е. с помощью инфраструктуры Wi-Fi всякий раз, когда происходит перегрузка данных и/или уровень принимаемого сигнала слишком низок. Наша стратегия разгрузки основана на разгрузке Wi-Fi как наиболее естественном выборе альтернативной радиотехнологии для повышения общей производительности сети (пропускной способности) экосистемы LTE и Wi-Fi. В нашем подходе мы предполагаем базовый сценарий, в котором весь трафик в основном передается через сеть LTE, а канал IEEE 802.11 используется в качестве элемента поддержки.

Мы провели обширное исследование, чтобы оценить алгоритмы для порогового хэндовера SNR (отношение сигнал-шум) и решения для хендовера на основе пропускной способности для разгрузки LTE/Wi-Fi.

Оставшаяся часть статьи организована следующим образом. В Разделе 1 представлены механизмы выгрузки мобильных данных, которые могут быть реализованы в реальной сотовой сети операторского уровня. В Разделе 2 описывается предлагаемая методология оценки выгрузки мобильных данных, а также подробно обсуждается созданная модель выгрузки. В Разделе 3 представлены полученные результаты, и, наконец, в Разделе 4 мы делаем выводы вместе с нашими планами на будущее в этой области исследований.

Хотя разгрузку можно применить к любой сети, текущие исследования в основном касаются разгрузки трафика из сотовых сетей. В этой статье мы ограничиваем объем описываемых решений двумя основными подходами, в которых мобильные терминалы явно используются как часть схемы разгрузки (либо за счет использования нескольких беспроводных интерфейсов, либо за счет использования нетрадиционных сотовых технологий, таких как LTE-D2D (Device-D2D). Помимо преимущества снижения нагрузки на сеть инфраструктуры, перенос данных на дополнительную беспроводную технологию приводит к ряду улучшений (увеличение общей пропускной способности, сокращение времени доставки, расширение сети, покрытие, повышение доступности сети и повышение энергоэффективности)

Поскольку Wi-Fi стал доминирующей технологией разгрузки

Выгрузка мобильных данных по каналам IEEE 802.11

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) в основном используется для широкополосного доступа в помещениях. Wi-Fi представляет собой естественное решение для разгрузки благодаря встроенным возможностям современных смартфонов, которые представляют собой структуру разгрузки мобильных данных через Wi-Fi. Из-за ухудшения качества по причине перегрузки базовых станций (eNodeB) в случае мобильной сети LTE, и текущей политики тарификации в сотовых сетях все больше и больше пользователей уже используют Wi-Fi в качестве технологии, обеспечивающей доступ в Интернет. Исследования

1. Обход сети: при использовании этого подхода (иногда называемого неуправляемой выгрузкой данных) данные пользователей прозрачно (с точки зрения сети LTE) направляются в сеть Wi-Fi, полностью минуя базовую сотовую сеть для услуг передачи данных. Операторы могут развернуть это решение для разгрузки, просто разместив логику приложения в смартфонах, которая включает инфраструктуру Wi-Fi при обнаружении его сигнала. Возможность беспрепятственного переключения между разнородными сетями называется вертикальным хендовером

2. Управляемая выгрузка данных: этот подход можно использовать в случае, если операторы связи хотят сохранить контроль над своими абонентами. Этот подход достигается за счет реализации интеллектуального сеанса являющегося шлюзом, который пересекает поток данных Wi-Fi абонента на пути к Интернету. Хотя операторы получают контроль над подписчиками, по-прежнему невозможно доставлять какой-либо премиум-контент.

3. Интегрированная разгрузка данных: при таком подходе операторы связи могут иметь полный контроль над абонентами, а также возможность предоставлять любые услуги премиум-класса, пока пользователи используют сеть Wi-Fi. Это было сделано путем интеграции сотовых сетей и сетей Wi-Fi, чтобы можно было сформировать мост между двумя сетями, через которые может быть установлен поток данных.

Существует две архитектуры для соединения сотовых сетей и сетей Wi-Fi: слабая связь и тесная связь. В случае слабой связи сети независимы и не требуют взаимодействия между ними. Сеть Wi-Fi косвенно связана с базовой сетью сотовой связи через внешнюю IP-сеть. Подключение услуги осуществляется путем роуминга между сетями. В тесно связанной системе сети имеют общее ядро и основные сетевые функции (например, вертикальный хендовер, управление ресурсами, выставление счетов)

Как было описано в предыдущих разделах, в этой статье мы сосредоточимся на разгрузке трафика данных из сети LTE в сеть Wi-Fi. В качестве инструмента моделирования использовалась NS-3 версии 3.21

[12]

совместно с фреймворком LENA

[13]

. Сеть создается с использованием модели Wi-Fi по умолчанию

[19]

. Часть LTE созданного сценария изображена ниже (рис. 2). Внутри структуры LENA реализована ANDSF (функция обнаружения и выбора сети доступа). ANDSF помогает мобильному устройству обнаруживать сети доступа, отличные от 3GPP.

Рисунок 2 - Топология исследуемой сети LTE

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.14

Ниже (рис. 3) показана подробная реализация сквозного стека протоколов плоскости данных LTE-EPC, который был реализован для этой исследовательской работы. Самым большим упрощением является объединение функций SGW и PGW в одном узле SGW/PGW. Это устраняет необходимость в интерфейсах S5 и S8, указанных 3GPP.

Рисунок 3 - Стек протоколов плоскости данных LTE-EPC

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.15

Топология реализованного сценария разгрузки показана далее (рис. 4). Сценарий содержит одну точку доступа IEEE 802.11g (точку доступа) и один LTE eNodeB в качестве двух ключевых узлов доступа к сети. Эти два узла находятся на расстоянии 300 м. Между ними располагается мобильный узел (смартфон), представляющий собой устройство с двумя активными беспроводными интерфейсами (Wi-Fi и LTE). Мобильный узел движется со скоростью 1,5 м/с от точки доступа к eNodeB. Когда узел достигает положения eNodeB, траектория изменяется обратно к положению AP. Во время движения мобильный узел постоянно измеряет значение SNR для обоих беспроводных каналов.

Рисунок 4 - Топология реализованного сценария разгрузки мобильных данных

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.16

Подробное описание реализации каждого из двух упомянутых методов измерения дано в следующих подразделах.

 Разгрузка трафика данных на основе SNR

Первый реализованный метод разгрузки трафика данных между сетями LTE и Wi-Fi основан на непрерывном измерении значения SNR. Основываясь на наших предыдущих исследованиях

 Разгрузка трафика данных в зависимости от пропускной способности сети

Следуя поведению первого реализованного метода, мы выполнили второй метод разгрузки, который улучшает логику принятия решений для переключения между сетями. В случае разгрузки только на основе SNR существует потенциальный сценарий, когда связь SNR или Wi-Fi обеспечивает лучшее качество покрытия сети.

Таким образом, метод разгрузки, использующий реальную пропускную способность в качестве ключевого фактора принятия решений, может обеспечить более высокую производительность в определенных обстоятельствах. Разгрузка трафика данных на основе пропускной способности сети использует алгоритм, который в начале моделирования загружает теоретическую информацию о пропускной способности доступных сетей в зоне действия мобильного узла. Во время моделирования измерение фактического значения пропускной способности выполняется каждые 0,1 секунды.

В случае разгрузки на основе SNR мы устанавливаем значение порога SNR на 10 дБм. Полоса пропускания была установлена на 3 МГц (15 РБ, ресурсные блоки) и 5МГц (25 РБ). По результатам, (см. рис. 5 и 6), можно сказать, что мобильное устройство сохраняет соединение с точкой доступа (сетью Wi-Fi) на расстоянии 117 метров от точки доступа. На данный момент значение пропускной способности составляет 1,68 Мбит/с. После этой точки мобильное устройство переключается на сеть LTE, и пропускная способность постоянно составляет 8,5 Мбит/с для полосы пропускания канала 3 МГц, и 16,08 Мбит/с для полосы пропускания канала 5 МГц. Когда мобильное устройство достигает позиции eNodeB, оно возвращается к точке доступа.

Рисунок 5 - Разгрузка трафика данных с помощью SNR, 15RB

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.17

Рисунок 6 - Разгрузка трафика данных с помощью SNR, 25RB

DOI:10.23670/IRJ.2023.127.144.18

Исследование разгрузки трафика данных на основе пропускной способности, см. рис. 5 и рис. 6, проводилось для канала 3 МГц, активированного на расстоянии 73 метра (при 50-секундном времени моделирования) от точки доступа, когда пропускная способность канала IEEE 802.11 упала ниже пропускной способности LTE.

В диапазоне расстояний от 73 до 83 метров от точки доступа (время моделирования 45-60 секунд) переключение между сетями (LTE и Wi-Fi) выполнялось очень часто. Такое поведение известно как эффект пинг-понга, который возникает из-за одинаковых значений пропускной способности для обеих сетей. В нашей имитационной модели мы избежали этого нежелательного эффекта, определив минимальный период времени работы услуги для обеих технологий сетей с произвольным доступом (RAN) равным 3 секундам. Этот защитный период позволяет избежать любых накладных расходов на сигнализацию или дополнительного потребления энергии, вызванного переключением между различными сетями.

При предложенной методике разгрузки трафика данных из мобильной сотовой сети в сеть Wi-Fi наши системные оценки показали, что разгрузка из сети LTE в сеть Wi-Fi снижает нагрузку на сотовую сеть и повышает скорость доступа для пользователя. Во время эксплуатации мобильное устройство выполняет измерение SNR и пропускной способности сети. Когда в случае первого сценария измеренное значение превышает 10 дБм (установлено как пороговое значение), то при наличии другой доступной сети доступа выполняется разгрузка. Измерение значения SNR проводится мобильным устройством каждые 0,5 секунды.

В этом исследовании использовался инструмент моделирования Network Simulator 3. Современные инструменты моделирования (например, OMNET++ или OPNET Modeler) часто используются для моделирования механизмов связи в мобильных сетях. Упомянутые инструменты распространяются по коммерческим лицензиям, и поэтому эти инструменты не являются лучшим выбором для академических исследований. По этой причине мы и остановили выбор на NS-3, который распространяется и как продукт с открытым исходным кодом.

Побочным, но не менее важным вкладом в нашу работу является открытая реализация технологии выгрузки мобильных данных в симулятор NS-3. Кроме того, мы представили разработанную имитационную модель NS-3, которую можно использовать для обширных исследований и анализа выгрузки мобильных данных в будущих работах.