بخشی از مقاله
چکیده
مدیریت حرکت یکی از فاکتورهای اصلی در طراحی شبکه موبایل است که هدف آن ردیابی کاربران و همچنین امکان برقراری تماس ها، سرویس پیام کوتاه و تحویل دیگر سرویس های تلفن همراه به کاربران می باشد. در پروتوکل حرکت بررسی مسأله مدیریت حرکت به لحاظ نگهداری مسیر و موقعیت های مکانی کاربران و امکان برقراری ارتباط درصورت حرکت کاربر تلفن همراه از یک سلول به سلولهای دیگر، قابلتوجه میباشد. ردیابی مقرون به صرفه کاربران یکی از چالشهای اصلی در مدیریت مکانی کاربران در شبکههای سلولی میباشد.
در این مقاله با اختصاص لیستی از مناطق ردیابی1 به هر کاربر، استفاده از الگوهای فراخوانی متفاوت و بکارگیری الگوهای آماری در مدل سازی نرخ ورود تماسها به کاربران و زمان های اقامت کاربران در گستره سلولها ی شبکه، تحت الگوهای ترافیکی مختلف، هزینه های ناشی از سیگنالینگ شبکه شبیه سازی شده است.
هزینه های سیگنالینگ شبکه برای کاربرانی که دارای حرکت های متغیر با زمان می باشند مدل سازی شده و سپس اطلاعات حرکت کاربران، با بهره گیری از مدل حرکت خطی مارکوف 2 تخمین زده شده است. با اعمال توزیع آماری ویبول3 به زمان های سپری شده در یک سلول، موقعیت کاربر ردیابی شده و تخمین زده شده است. تعیین هزینه های فراخوانی با بهره مندی از استراتژی هایی بر مبنای آخرین موقعیت ثبت شده در شبکه، با سه الگوی مختلف فراخوانی CT، TT و CTT انجام شده است.
.1 مقدمه
نظر به توسعه چشمگیر و سریع شبکه های سلولی که منجر به سیستم های دارای بار اضافی5، تأخیرهای غیرقابلپذیرش و افزایش هزینههای محاسباتی بعلت مدیریت موقعیت 6 نامناسب می گردد، ارزیابی عملکردها و نقاط ضعف در مدیریت موقعیت در گذشته و حال و ارائه پیشنهادهای تئوری جدید جهت غلبه بر عیبهای فعلی مورد نیاز میباشد. مدیریت موقعیتهای سلولی مناسب شامل طراحی مدلهای مدیریت موقعیت کاربران به منظور کاهش هزینه مدیریت موقعیت که برابر مجموع هزینه بروزرسانی موقعیت و هزینه جستجوی موقعیت کاربران یا همان فراخوانی است، میباشد.
در حالی که ارزیابی الگوهایی برای طراحی مناطق موقعیت و یا تعیین استانداردهای بروزرسانی بهینه جهت بروزرسانیهای موقعیت برای کاربران ممکن است مهم بنظر رسند، اما الگوهای فراخوانی و تحرک کاربران نیز می توانند برای کمک به بهبود عملیات مدیریت موقعیت و بدست آوردن بهترین مدل مورد امتحان قرار گیرند. اگرچه عموماً بروزرسانی موقعیت های مکانی کاربران متحرک هزینههای بالایی را به شبکه به بار میآورد اما هزینه های فراخوانی نیز ناچیز و کم اهمیت نیستند. علاوه بر این الگوریتمهای فراخوانی ضعیف و مدل های حرکتی و پیش بینی نامناسب نیز می توانند منجر به تماسهای همراه با تأخیرهای قابل ملاحظه و همچنین کاهش کیفیت سرویس7 شوند که هیچکدام از آن ها برای کاربران قابل قبول نیست. بهبیان دیگر، درنظر نگرفتن ویژگیهای ترافیک و تحرک کاربران منجر به کاهش قابلملاحظه کارایی شبکهها خواهد شد.
در این حوزه، پژوهشهایی با رویکردهای متفاوتی ارائه شدهاند . بهعنوان نمونه، Lin و همکاران [1]، برای انجام عملیات ردیابی موقعیت از استراتژی TLA8 که متأثر از الگوهای حرکتی کاربر و ترافیک تماس است، جهت کاهش هزینه بروزرسانی بهره بردهاند. با استفاده از دو نوع آدرسدهی در زمان ورود تماسها و در نظر گرفتن الگوی پواسون برای نرخ ورود تماس به کاربر و اختصاص توزی ع گاما به زمان اقامت کاربران موبایل در سلول ها، الگوریتمی را جهت کاهش هزینهها ی شبکه شبیه سازی نمودهاند.
Yang و همکاران[2] ، از یک استراتژی مدیریت موقعتِی بروزرسانیِ سه-سطحه برای کاهش هزینه بروزرسانی و فراخوانی شبکه در حوزه سوییچینگ بسته ای استفاده نموده و به ارزیابی عملکرد مدیریت حرکت پرداختهاند.
Lee و همکاران [3]، با ترکیب دو تقری ب بروزرسانی بر حسب زمان و بروزرسانی بر حسب حرکت با ارائه شمای هیبریدی جدید و فرض ورود تماس با یک فرآیند پواسون هزینه های سیگنالینگ شبکه را تحلیل نمودند. در مدیریت حرکت با رویکرد منطقه ای بروزرسانی مرکزی، Lio و همکاران[4]، روش هایی بر مبنای جابجایی، فاصله و روش طراحی TAL، هزینه ناشی از بروزرسانی در زمان ورود تماس و هزینه فراخوانی با استفاده از تعداد دفعات لازم برای فراخوانی کاربر با ورود تماسها و تحت الگوهای فراخوانی متفاوت بر مبنای SDF9 و TAL، را بررسی کردند. آنها نشان دادند که در بعضی از الگوهای حرکتی و ترافیکی، طرح پیشنهادی بر اساسTALها در LTE عملکرد بهتری حاصل میگردد. همانطور که اشاره شد، برای کاهش هزینههای مدیریت موقعیت استراتژیهای مختلفی پیشنهاد میشود.
در مقاله کنونی، هزینه های سیگنالینگ شبکه برای کاربرانی که دارای حرکت های متغیر با زمان میباشند مدلسازی شده است. اطلاعات حرکت کاربران، با مدل حرکت خطی مارکوف10 تخمین زده شده است. با اعمال توزیع آماری ویبول به زمانهای سپری شده در یک سلول، موقعیت کاربر تخمین زده میشود. تعیین هزینه های فراخوانی با بهرهمندی از استراتژیهایی بر مبنای آخرین موقعیت ثبت شده در شبکه، با سه الگوی مختلف فراخوانی CT، TT و CTT انجام شده است.
.2 مدلسازی ریاضی طراحی TAL
در یک شبکه مخابراتی موبایل برای تحویل تماس های ورودی به کاربران موبایل میبایست موقعیت آنها در شبکه بطور دقیق ردی ابی شود. این عملیات تحت عنوان مدیریت حرکت و شامل دو فرآیند بروز رسانی و فراخوانی میباشد. از طریق عملیات بروزرسانی، موقعیت جدید کاربری که از وضعیت مکانی قبلی خود به محلی جدید حرکت کرده است به اطلاع شبکه رسانده می شود. موقعیتیابی کاربر در زمان رسیدن یک تماس نیز طی فرآیند فراخوانی به انجام می رسد.
در LTE، واحد MME11 وظیفه مدیریت حرکت را بهعهده دارد. به این ترتیب با اختصاص یک مشخصه منحصر بفرد به هر سلول شبکه و قرار دادن تعدادی از این سلولها در گروهی بنام TA12 که هر کدام از یک مشخصه مخصوص بخود یعنی TAI برخوردار هستند و تعریف مجموعهای از TAها در یک TAL، کاربر اطلاعات TALای را که در یکی از TAهای آن اقامت دارد، ذخیره مینماید.
با ورود تماس به کاربر، به سلولهای ذخیره شده در TAL اختصاص یافته به کاربر از سوی شبکه پیام فراخوانی ارسال شده، اگر پاسخ کاربر به TAI دریافت شده مثبت باشد به معنای آن است که TAI، مربوط به TAای میباشد که در TAL تخصیص داده شده وجود دارد و کابر به TAL دیگری حرکت نکرده و نیاز به بروزرسانی موقعیت وجود ندارد. در غیراینصورت، MME طی فرآیند بروزرسانی میبایست یک TAL جدید به کاربر اختصاص دهد که در انتخاب TAL جدید از رویکرد TA مرکزی استفاده می شود. بدین ترتیب در صورت ترک TAL فعلی کاربر، MME، TAL جدیدی به آن اختصاص می دهد که TA مرکزی آن، TAای است که کاربر در حال حاضر در آن قرار دارد. از رویکرد مرکزی جهت کاهش اثر پینگ پونگ در مقاله حاضر بهره برده شده است.
در پیکربندی TAL، مدیریت موقعیت پویا به منظور کاهش هزینه مدیریت موقعیت، شکل سلولها را بهصورت مستطیل در نظر میگیرد. هر TALای که به کاربر اختصاص داده میشود، شامل NT واحد TA میباشد که هر کدام از TAها، NC واحد سلول را پوشش میدهد.
با استفاده از رویکرد مزکزی، NT یک عدد فرد در نظر گرفته میشود. همچنین، هر TAL امکان همپوشانی با TALهای مجاور خودش را حداکثر در 1 N C NT / 2 سلول دارد. بنابراین، کاربر واقع در سلول NC NT ، TAL اختصاصی و فعلی خود را ترک نموده و وارد سلول 1 N C NT / 2 از TAL جدید میشود. بهطور مشابه، اگر کاربر واقع در سلول اول از TAL فعلی خود خارج شود، آنگاه سلول 1 - N C - NT / 2 ، اولین سلول TAL جدید میشود. در شکل - - 1 پیکربندی توصیف شده نشان داده شده است.
شکل :1 پیکربندی TAL
در محاسبه هزینه بروزرسانی، تعداد دفعاتی که کاربر قبل از ترک TAL فعلی، مرزهای سلولی را قطع مینماید برای هر مقدار p به دست آورده می شود. باید خاطر نشان گردد کهp، احتمال آن است که کاربر مرز بین سلول ها را قطع کرده و به سمت سلول همسایه سمت راست خود حرکت نماید. همچنین، 1-p ، احتمال حرکت کاربر به سلول همسایه سمت چپ می باشد. به عنوان نمونه برای p 0.5 ، تعداد دفعاتی که کاربر بدون ترک TAL فعلی، مرزهای بین سلولی را قطع می نماید، از رابطه ذیل محاسبه میشود:
محاسبات مربوط به تعداد دفعات فراخوانی کاربران و هزینه ناشی از فراخوانیها، طی الگوریتمهای بسیار پیچیده ریاضی و با استفاده از تئوری صف و معادلات توازن انجام شده است
