I INTRODUÇÃO II -MODELO DE TRÁFEGO

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1 ANÁLISE DA QoS ALIADA A SISTEMAS ELULARES OM ALOAÇÃO FIXA DE ANAL G..S. arvalo, L. A. Guede e J.. W. A. ota rograma de ó Graduação em Engenaria Elétrica da Univeridade Federal do ará Abtract Quality of Service (QoS) i a et of parameter ued to meaure, monitor, and control of performance of network under determined ituation. Toe parameter are not well defined in cellular ytem. Tu, ti paper decribe, a et of parameter tat can be ued to make te global analyze of cellular ytem. Te parameter of QoS are ued to compare te performance of two ceme of fixed cannel aignment: wit prioritized andoff (FIFO), e non-prioritized. It an be oberved tat giving priority to andoff attempt over new call of voice in initial acce attempt would dramatically improve te global average forced termination probability of ytem witout eriouly degrading te global average probability of blocked of new call of voice. I INTRODUÇÃO A comodidade do produto e erviço oferecido pela operadora de erviço celular facilitando o aceo a informação, tem contribuído de forma a aumentar abruptamente o número de uuário móvei. Ee grande aumento do número de uuário do erviço celular, untamente com a exigência para dar uporte à aplicaçõe multimídia, como o andoff e o roaming em tempo real, exigem um uo eficiente do epectro de freqüência para manter a qualidade de erviço pretado (QoS). A QoS e refere a um conunto de parâmetro utilizado para medir, monitorar, e controlar o deempeno da rede ob determinada ituaçõe. equia nea área viam definir o parâmetro de QoS detinado à avaliação de deempeno da rede celular []. omo na rede de telefonia fixa, um parâmetro amplamente aceito na análie de deempeno da rede celular é a probabilidade de bloqueio de uma nova camada de voz []-[], que exprea a percentagem de camada que não ão atendida pelo itema, ou ea, que ão bloqueada devido à indiponibilidade de canai no momento do aceo inicial. róprio da caracterítica de mobilidade do uuário do itema celular, um outro parâmetro importante na análie de deempeno da rede, é a probabilidade de término forçado da camada (bloqueio do andoff), no momento em que o uuário atravea de uma célula para outra (andoff). Ee parâmetro repreenta a fração de nova camada que não ão bloqueada, ma experimentam o término forçado da camada [][]. Um outro parâmetro importante na análie de deempeno da rede, é a probabilidade de uma camada não er completada, ou pelo fato de er bloqueada no aceo inicial, ou por experimentar o término forçado da camada [][]. Outro parâmetro importante da QoS é camado devio do erviço. Ee parâmetro decreve a variação, entre a vária célula da rede, da probabilidade de uma camada não er completada, cauada pela ditribuição não uniforme do tráfego: ou ea, ele fornece informaçõe obre ituaçõe em que alguma célula da rede começam a degradar a QoS. Na análie da rede celular, todo ee parâmetro ão coniderado de forma global para fornecer uma vião geral do comportamento da rede celular para uma dada ituação. Exitem doi modelo amplamente uado no itema telefônico: o modelo de perda, onde toda a camada que bucam o itema no momento em que todo o canai etão ocupado, ão bloqueada, e retirada do itema, e o modelo de epera, onde a camada que não ão ervida imediatamente ão colocada em uma fila de epera até erem atendida. Na telefonia celular ee modelo ão mai conecido como modelo em prioridade, e modelo com prioridade. Nete trabalo analiam-e algun dee parâmetro de qualidade de erviço de rede celulare, em que, de acordo com o propoto em [][], a prioridade é atribuída a tentativa de andoff que não ão ervida imediatamente, e ão colocada em uma fila de andoff, até o momento de erem ervida. Oberva-e atravé do reultado da aplicação dee modelo na rede móvel celular, que o modelo com prioridade de andoff fornece um melor reultado em relação ao em prioridade, em detrimento de um pequeno aumento na ua probabilidade global de bloqueio de voz. O artigo é organizado como egue. No item II, ão decrita a informaçõe pertinente ao modelo de tráfego aumido nete trabalo. No item III, decrevem-e o doi modelo de itema coniderado para a análie da QoS. No item IV, ão apreentado o parâmetro de QoS para a análie global da rede. No item V, ão comparado, e analiado o deempeno do doi modelo coniderado egundo o parâmetro de QoS apreentado no item IV. No item VI ão apreentada a concluõe finai a repeito do comportamento do doi itema apreentado, egundo o parâmetro de QoS coniderado. II -MODELO DE TRÁFEGO No modelo de tráfego coniderado, a nova camada ão gerada em cada célula de acordo com proceo de oion independente, com razão média de cegada de camada λ c por ora [][]. omo a quantidade de fonte, ou ea, unidade móvei (UM), ão coniderada infinita, a razão média de nova

2 camada é independente da camada em progreo. A tentativa de andoff em cada célula, também ão coniderada gerada por proceo de oion independente com razão média de tentativa λ por ora[][]. onidera-e que o tempo médio de duração de uma camada T d, é ditribuído exponencialmente com valor médio igual a / d [][]. O tempo médio de reidência da UM na célula T, é definido como tempo que a UM permanece na célula dede o momento em que ela iniciou a ua camada (ou ofreu andoff), até o momento em que ela atravea a fronteira entre a célula coniderada []. Ele também é coniderado como uma variável aleatória ditribuída exponencialmente com média /, endo =.78 V/R, onde R é o raio da célula, e V o valor médio da velocidade [][]. O tempo de retenção do canal T é definido como o tempo trancorrido dede o momento que o canal é atribuído para atender uma camada, até o momento que ele é liberado ou pelo término da camada ou porque a UM ofreu um andoff. Aim, T erá []: T = T d () e a camada for completada na célula na qual é originada. ao contrário, a UM ofre o andoff, então T < T d, deta forma [], T = T () A Equaçõe (), e () ão válida para a nova camada, e para a camada que ofreram andoff []. Deta forma, dependendo do comportamento da UM, para qualquer canal atribuído na célula, T erá ou o tempo de duração da camada, ou o tempo de permanência da UM na célula []. Aim, T = min (T d, T ) () A partir de () tem-e que [], rob{ T t} = rob{( Td > t) e ( T > t)} () o que reulta em, ( + ) r ob{ T t} = e d t, t () que é a Função ditribuição do T. Deta forma, a ua função denidade de probabilidade é: ( d + ) t ft ( t) = ( d + ) e, t (6) com valor médio de [], E T ] = = + [ (7) III -MODELO DO SISTEMA onidera-e que um grupo de canai nominai ão atribuído de forma fixa a cada célula. Aim, dependendo do modelo analítico coniderado, o tratamento dado a tentativa de aceo ao itema podem melorar ou degradar a QoS pretada, poi cada modelo tem a ua etratégia própria de atribuição de canal. O primeiro modelo coniderado, é um modelo em prioridade. Nele, o canai atribuído a cada Etação Radio Bae (ERB), ão compartilado da mema forma entre a tentativa de andoff e a nova camada de voz. Aim, quando todo o canai etão ocupado, a próxima tentativa de aceo ao itema erá d bloqueada (andoff ou voz). Deta forma, a probabilidade de bloqueio da nova camada de voz é igual a probabilidade de término forçado do andoff, o que do ponto de vita do uuário é pior []-[]. Entretanto, atribuindo-e uma prioridade à tentativa de andoff ob a nova camada de voz, a probabilidade do término forçado do andoff é reduzida conideravelmente, em contudo, degradar conideravelmente a probabilidade de bloqueio de voz []. O que é utamente feito na egunda etratégia. ) Etratégia em prioridade de andoff: Neta etratégia a ERB poui o diagrama de etado motrado na fig., coniderando-e que a ERB pode er modelada como um itema de fila []-[]. Fig.-Diagrama de etado da ERB para etratégia em prioridade Ee itema é que uma fila M/M/c/c. Aim, a probabilidade de bloqueio de voz e de término forçado do andoff ão []: endo, B... (-) ( λ c + λ ) ( ) =! F = (8) i ( λ λ ) = + c = ( )! i i i - onde, B é a probabilidade de bloqueio de voz, e F é probabilidade de término forçado do andoff. A probabilidade de uma camada não er completada n, é definida como a fração de nova tentativa de camada que não ão completada ou porque ão bloqueada, ou porque experimentam o término forçado[][], endo dada por: n = B + F ( B ) () ) Etratégia com prioridade de andoff (FIFO): Nea etratégia, a tentativa de andoff que não ão imediatamente ervida, ão colocada em uma fila (fila de andoff) de epera (teoricamente infinita) de acordo com a ordem de ua geração (FIFO). Quando um canal é liberado na célula, a ERB primeiro verifica e ua fila de andoff etá vazia. Se ela não etiver vazia, o canal é atribuído a tentativa de andoff na cabeça da fila []. O tempo máximo de fila T Q, é coniderado uma variável aleatória dependente de uma érie de fatore como, caracterítica de propagação, interferência, e outro efeito variante no tempo []. Ele denota o tempo em que a UM etá na área de andoff, que é definida, como a área onde o nível de potência médio recebido pela UM a partir da ERB etá entre o limiar de andoff e o limiar do inal recebido []. Em ambiente urbano aume-e que T Q é ditribuído exponencialmente com (9)

3 valor médio / Q []. Nee modelo a ERB é modelada como uma fila M/M/c, e poui o eguinte diagrama de etado motrado na fig. []. Fig.-Diagrama de etado da ERB para etratégia com prioridade A probabilidade de bloqueio de uma nova camada de voz, é dada por []: B onde, ( λc + λ ) ( ) = +! = + [( + + ] i Q ( λ + λ ) ( λ + λ ) i= λ c c = + =!( )!( ) = + [( + + i Q] i= λ () () A probabilidade de término forçado do andoff F, é calculada em função da probabilidade de uma tentativa de andoff falar f, e pela probabilidade de uma nova camada que não é bloqueada (ou ter ofrido outro andoff ante) vir a olicitar uma nova tentativa de andoff. Deta forma, F erá [][]: onde, F f = () ( f ) r ob{ Td > T = () + d = } f pode er exprea em termo de probabilidade de etado da ERB ( +k ), e da probabilidade de que uma tentativa de andoff que e unta à fila na poição k+ fale, f (k), da eguinte forma[][]: f k= = ( k) () + k A probabilidade de que uma tentativa de andoff que e unta à fila na poição k+ fale é []: k Q ( + + i Q = f( k) + Q i= ( + + ( i+ ) Q f (6) Do memo modo como, coniderando ante, a probabilidade de uma camada não er completada é definida como (). λ i... (+) + i Q IV -ARÂMETROS DE QoS ARA ANÁLISE GLOBAL DA REDE ELULAR O parâmetro de QoS para análie global da rede celular ão calculado a partir da probabilidade de bloqueio ( B ), de término forçado ( F ), e da probabilidade de uma camada não er completada ( n ), em cada célula da eguinte forma. Dado N, o número de célula do itema, e λ a razõe de cegada de camada totai dentro de cada célula (camada de voz + andoff), a probabilidade global da rede (=B; F; n), é definida como []: N = Λ i i= λ i (7) onde Λ= λ + λ λ N, ou ea, o omatório do tráfego de toda a célula. O último parâmetro de QoS coniderado nete trabalo, é camado de devio de erviço. Ele é definido em [], como a variação entre a célula da probabilidade de bloqueio de uma nova camada de voz, poi nea referência ó é coniderado o efeito do tráfego da nova camada de voz. ontudo, coniderando o efeito do andoff no itema, a probabilidade que exprea o efeito do bloqueio da dua fonte de tráfego (andoff e voz), é a probabilidade de uma camada não er completada. Aim, conidera-e nete trabalo, que o devio de erviço, é a variação entre a célula da probabilidade de uma camada não er completada. ara medir ea quantidade, e utiliza uma clae de medida denominada de bloqueio exceivo de ordem p, propota em [] repreentada por EB(p) p. Ela fazem referência ao grau de erviço na rede celular (%), e ão ponderada pelo tráfego em cada célula, e penalizam apena a célula que pouem a probabilidade de uma camada não er completada (conideração feita nete trabalo) acima do grau de erviço []. EB(p) é definida da eguinte forma []: Dado I o conunto de célula com a probabilidade de uma camada não er completada acima de %, a clae de medida EB(p) p, é: EB( p) = i I λ Λ p p i (.), p =,,... ni (8) Quando p aume o valor, EB(p) torna-e o bloqueio exceivo médio geral. Ele penaliza o devio médio a partir de %. Quando p aume o valor, EB(p) é camado de bloqueio exceivo rm. Ele penaliza grande devio de n a partir de %, quando comparado a EB() []. Aim, com o aumento de p, mai, e mai devio ão penalizado. Uma medida típica de p, e bem definida, é o valor de p igual a [].

4 IV RESULTADOS ara a análie da QoS da rede celular egundo o parâmetro adotado, e utilizou o modelo ipotético da fig., coniderado em [][6]. Ele é contituído por 9 célula exagonai de memo tamano, com 7 célula por cluter, canai por célula. A razão de cegada de camada total por ora (andoff + voz), que bucam o itema, etá indicada dentro de cada célula. O tempo médio de duração de uma camada é minuto. O tempo médio de fila é. minuto. A relação V/R é coniderada minuto -. Ete valor de V/R repreenta uma grande clae de ituaçõe, incluindo um itema celular deno como centro de cidade, ambiente picocelulare, campu, ou ambiente indoor []. A razõe de andoff coniderada ob o tráfego total ão de %, e %, repectivamente []. bloqueio de voz, obtida de acordo com (), e (8) repectivamente, veru um aumento de carga de % a % do valor nominal de tráfego do itema para o doi modelo analiado. Oberva-e, que apó aproximadamente 6% de aumento de carga, a probabilidade global de bloqueio da nova camada de voz no modelo em prioridade (vermelo), é menor que a do modelo com prioridade (azul). Io acontece porque, no modelo com prioridade, um canal liberado omente pode er atribuído a uma nova camada de voz, depoi que a ERB verifica ua fila de andoff. Durante ee intervalo outra nova camada de voz tentam acear o itema e ão bloqueada []. Ito não acontece no itema em prioridade. oi quando um canal é liberado, ele é atribuído para a primeira camada de voz ou andoff erda (% ) ercentagem de aumento de carga Fig. robabilidade global de bloqueio de uma nova camada de voz veru a percentagem aumento de carga Fig. Modelo celular ara a implementação prática de fila coniderou-e o tamano de unidade. Ee valor foi adotado a partir do cálculo da probabilidade global de término forçado do andoff para a condição inicial de tráfego. omo motra a fig., obervou-e aturação dee parâmetro, para amba a relaçõe de tráfego de andoff coniderada, %(triângulo azul), e % (círculo magenta) repectivamente. F (% ). x Aumento do tamano da fila Fig. robabilidade global de término forçado do andoff veru o aumento do tamano da fila Relação de andoff de % do tráfego total: O gráfico da fig. motra a probabilidade global de A fig. 6 motra o deempeno do itema coniderando a probabilidade global de término forçado para o doi modelo adotado. Em azul, tem-e eta probabilidade para o itema com prioridade, e em vermelo para o itema em prioridade, obtida de acordo com (), e (8) repectivamente. Oberva-e a partir dee gráfico, que com o etabelecimento de uma pequena prioridade para a tentativa de andoff, á uma diminuição coniderável dee parâmetro de QoS. Oberva-e ainda, da fig. e fig.6, que no itema em prioridade a probabilidade global de bloqueio de voz é igual a probabilidade global de término forçado, o que diminui muito a qualidade do erviço pretado, poi do ponto de vita do uuário é melor er bloqueado no aceo inicial do que experimentar o término forçado de ua ligação. A fig.7, motra a probabilidade global de uma camada não er completada, calculada de acordo com (), para o doi modelo coniderado. Ee parâmetro de QoS, é de fundamental importância para a análie de deempeno global da rede, poi ele motra como o itema e comporta em relação a ua fonte geradora de tráfego. Novamente e oberva a vantagem do itema com prioridade (azul), em relação ao em prioridade (vermelo), poi o fator diferencial nee parâmetro é utamente a probabilidade global de término forçado do andoff. A fig. 8 motra o devio de erviço, calculado conforme (8). Ela motra que embora o itema em prioridade (vermelo), e com prioridade (azul), globalmente ó comecem a degradar a

5 QoS aproximadamente a partir de %, e 6% (fig.7) repectivamente, alguma célula do itema começam a degradar a QoS aproximadamente a partir de 6 %, e 7% repectivamente, de aumento de carga. Relação de andoff de % do tráfego total: O gráfico da fig. 9 motram a probabilidade globai de uma nova camada de voz, e de término forçado do andoff para o doi modelo coniderado. omparando-e com a fig e fig 6, oberva-e que para razõe de andoff pequena, a probabilidade global de uma nova camada de voz para o modelo com prioridade (azul) diminui, enquanto que para o modelo em prioridade continua a mema (vermelo). Io acontece porque quanto menor é a razão de andoff, menor é o impacto da fila no deempeno do itema, em relação a camada de voz. A probabilidade global de término forçado do andoff para o modelo com prioridade de andoff (preto), e em prioridade (vermelo), continuam a mema. probabilidade globai mantiveram eu memo valore. A análie do devio de erviço é motrada na fig., onde e oberva que á uma ligeira melora no deempeno do itema com prioridade com a diminuição da razão de andoff na rede (azul), enquanto o itema em prioridade continua praticamente o memo. Io motra que, como carga da rede referida ao andoff é menor, menor é a neceidade da ERB verificar ua fila, o que provoca uma rapidez no aceo ao canai, e por coneguinte, uma maior capacidade do itema reitir ao aumento do tráfego. EB(p) x - erda(%) ercentagem de aumento de carga Fig 8-EB() para itema com prioridade, e em prioridade veru a percentagem aumento de carga ercentagem de aumento de carga Fig. 6 robabilidade global de término forçado do andoff veru a percentagem aumento de carga erda (% ).. 6. erda (% ) ercentagem de aumento de carga Fig. 9 robabilidade globai de bloqueio de uma nova camada de voz, e a probabilidade globai de término forçado do andoff, para o doi modelo coniderado veru a percentagem aumento de carga ercentagem de aumento de carga Fig. 7 robabilidade global de uma camada não er completada veru a percentagem aumento de carga A fig. motra a probabilidade global de uma camada não er completada para o doi modelo coniderado, com prioridade (azul), e em prioridade (vermelo). omparando-e com o reultado apreentado na fig 7, oberva-e uma melora dee parâmetro apena no modelo com prioridade de andoff. Io porque, ocorreu apena uma melora no deempeno do itema em relação a probabilidade global de bloqueio de uma nova camada de voz para ee modelo, enquanto a outra erda (%) ercentagem de aumento de carga Fig. robabilidade global de uma camada não er completada veru a percentagem aumento de carga

6 EB(p) 6 x ercentagem de aumento de carga Fig -EB() para itema com prioridade, e em prioridade veru a percentagem aumento de carga VI ONLUSÃO Veicular and ortable Radio Telepone, IEE roceeding, Vol. 6, No., October 989. []-Y. B. Lin, S. Moan, A. Noerpel, Queuing riority annel Aignment Strategie for S andoff and Initial Acce, IEEE Tranaction on Veicular Tecnology, Vol., No., Augut 99. []-D. M. Lee, D.. Son,. S. Seong, Queuing riority annel Aignment Sceme for andoff in DMA ellular Sytem, International onference on Information, ommunication and Signal roceing IIS 97, Singapore, 9- September 997. [6]- M. Zang, T. S.. Yum, omparion of annel Aignment Strategie in ellular Mobile Telepone Sytem, IEEE Tranaction on Veicular Tecnology, Vol. 8, No., November 989. Em itema de terceira geração, para pretação de erviço multimídia de forma eficiente, a cobertura de uma determinada área é feita uando micro/pico célula, o que ocaiona um aumento coniderável do número de andoff na rede móvel celular. Aim, o uo de ERB que implementem um itema de prioridade de andoff, é de fundamental importância para a manutenção da QoS na rede celulare. O reultado apreentado nete trabalo motraram que o modelo com prioridade de andoff apreenta um melor deempeno no parâmetro de QoS coniderado, em relação ao modelo em prioridade, em detrimento de um pequeno aumento da ua probabilidade global de bloqueio da nova camada de voz. Foi motrado também que para razõe de andoff razoávei, a diferença entre ea probabilidade diminui, poi a frequência com que a ERB verifica ua fila é menor. om relação ao devio de erviço, ee pode er melorado com o emprego de técnica de alocação dinâmica de canal, ou ainda, técnica de alocação fixa de canal não uniforme, que tornem a probabilidade de uma camada não er completada igual em toda a célula. Ea conideraçõe etão endo invetigada e erão obeto de futura publicaçõe VII AGRADEIMENTOS Ete trabalo é parcialmente financiado pelo AES e Nq. VIII REFERÊNIAS BIBLIOGRÁFIAS []-T. S.. Yum, K. L. Yeung, A New Quality of Service Meaure for ellular Radio Sytem, IEEE Tranaction on Veicular Tecnology, Vol. 6, No., Augut 997. []- R. Fantacci, erformance Evaluation of rioritized andoff Sceme in Mobile ellular Network, IEEE Tranaction on Veicular Tecnology, Vol. 9, No., Marc. []-D. ong, S. Rappaport, rioritized Oriented annel Acce for ellular Sytem Serving 6