Traffic engineering concepts for cellular packet radio networks with quality of service support [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Peter Stuckmann

Dipl.-Ing. Peter Stuckmann

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Traffic Engineering Concepts for
Cellular Packet Radio Networks with
Quality of Service Support
Von der Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnik der¨ ¨
Rheinisch-Westfal¨ischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des
akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Peter Stuckmann
aus Eslohe
Berichter: Universitatsprofessor Dr.-Ing. Bernhard Walke¨
Universitat¨ sprofessor Dr. Petri Mah¨ on¨ en
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 23. Juni 2003ABSTRACT
Cellular packet radio networks are presently introduced and further developed to support
mobile Multimedia applications and mobile Internet access. The General Packet Radio
Service (GPRS) and Enhanced GPRS (EGPRS), the packet services of the Global System
for Mobile Communications (GSM), are dominant standards for packet data support in
evolved second-generation cellular systems.
This thesis presents traffic engineering concepts for cellular packet radio networks that
areappliedbutnotlimitedtothestandardsGPRSandEGPRSandcanbeintegratedinto
the radio interface capacity planning process. They are based on a comprehensive perfor-
mance evaluation of Internet and Multimedia applications for the relevant cell scenarios,
system parameter settings and protocol options that are expected for the evolution of
GPRS and EGPRS networks. Additionally, optimized algorithms for traffic management
and quality of service management, comprising connection admission control as well as
scheduling, are developed. Their performance is evaluated and compared to existing im-
plementations. Fromthetrafficperformanceanalysis,basedontheexistingandoptimized
system models, traffic engineering rules are derived. They can be used for quantitative
radio interface dimensioning by network operators, equipment vendors or system integra-
tors. Examples for the application of the traffic engineering rules are presented for GPRS
evolution scenarios and an EGPRS introduction scenario. While the examples are based
on the existing standards GPRS and EGPRS, the concepts developed in this thesis are
valid for all packet radio networks.
Thetrafficperformanceevaluationofmobilepacketdataservicesisacomplexproblem,
because non-Poissonian traffic characteristics, dynamic behavior of lower layer protocols
and the effects of the radio channel have to be considered. The author has solved this
problembythedevelopmentoftheemulationtoolGPRSim. Thiscomprisestheimplemen-
tation of the GPRS and EGPRS protocols and load generators for typical GPRS/EGPRS
usage. The tool allows to study the existing and evolved systems in their natural envi-
ronments with the appropriate radio coverage, mobility and typical traffic volumes and
permits to analyze own approaches in the improvements and introduction of new features.KURZFASSUNG
ZellularePaketfunknetzebefindensichinderEinfuhrungundwerdenweiterentwickelt,um¨
mobileMultimedia-AnwendungenunddenmobilenInternetzugangzuermogl¨ ichen. Gene-
ral Packet Radio Service (GPRS) und Enhanced GPRS (EGPRS), die Paketdatendienste
desGlobal System for Mobile communication (GSM),stellendiedominierendenStandards
zur paketorientierten Datenu¨bertragung in weiterentwickelten zellularen Mobilfunksyste-
men der zweiten Generation dar.
Diese Arbeit stellt Dimensionierungskonzepte fu¨r zellulare Paketfunknetze vor, die an-
wendbar aber nicht beschrankt sind auf die Standards GPRS und EGPRS und die in den¨
Funknetzplanungsprozess integrierbar sind. Sie basieren auf einer umfassenden Leistungs-
bewertung von Internet und Multimedia-Anwendungen fur die relevanten Zellszenarien,¨
Systemeinstellungen und Protokolloptionen, die fu¨r die Evolution von GPRS und EGPRS
erwartet werden. Zusatzlich werden optimierte Algorithmen zur Verkehrs- und Dienstgu-¨ ¨
teverwaltungentwickelt,diesowohlAbfertigungs-alsauchVerbindungsannahmestrategien
umfassen. Ihre Leistungsfahigkeit wird bewertet und mit bereits existierenden Implemen-¨
tierungen verglichen. Ausgehend von der Leistungsanalyse auf Basis der Modelle fu¨r exi-
stierende und fu¨r die optimierten Systeme werden Dimensionierungsregeln abgeleitet, die
von Netzbetreibern, Infrastrukturanbietern oder Systemintegratoren fur die quantitative¨
Dimensionierung von Funkschnittstellen herangezogen werden konnen. Die Anwendung
der Dimensionierungsregeln wird anhand von Beipielen fur ein GPRS-Evolutionsszenario¨
und ein EGPRS-Einfu¨hrungsszenario veranschaulicht. Obwohl die Beispiele auf den kon-
kreten Standards GPRS und EGPRS basieren, behalten die in dieser Arbeit entwickelten
Konzepte fu¨r alle Paketfunknetze ihre Gu¨ltigkeit.
Die Leistungsanalyse von mobilen Paketdatendiensten stellt ein komplexes Problem
dar, weil nicht-Poissonsche Verkehrscharakteristiken, das dynamische Verhalten unterer
Schichten und die Effekte des Funkkanals modelliert werden mu¨ssen. Der Autor hat die-
ses Problem mit der Entwicklung des Emulationswerkzeugs GPRSim gelost, welches so-¨
wohl die Implementierung der GPRS- und EGPRS-Protokolle als auch Lastgeneratoren
fur die Nutzung von GPRS/EGPRS umfasst. Das Werkzeug erlaubt die Untersuchung¨
der existierenden und weiterentwickelten Systeme in ihren natu¨rlichen Umgebungen mit
der zugehorigen Funkabdeckung, Mobilitat und dem typischen Verkehrsaufkommen. Es¨ ¨
schafftaußerdemdieGrundlagefu¨rdieAnalyseeigenerAnsat¨ zezurVerbesserungundzur
Einfuhrung neuer Funktionen.¨vi KurzfassungCONTENTS
Abstract iii
Kurzfassung v
1 Introduction 1
1.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Evolution of Cellular Radio Networks 5
2.1 The IMT-2000 Family of Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Requirements for Cost-effective Network Evolution . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Radio Interface Traffic Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.3 Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Traffic Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2.1 QoS Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2.2 QoS Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.3 QoS Support in Cellular Packet Radio Networks . . . . . . 12
2.2.2.4 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2.5 Proposed Solutions for QoS Support . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Mutual Dependency of Traffic Management and Traffic Engineering 13
3 General Packet Radio Service 15
3.1 Design Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Logical Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Radio Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1 Channel Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1.1 The Master-slave Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1.2 The Capacity-on-demand Concept . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2.1 Packet Common Control Channel (PCCCH) . . . . . . . . 19
3.3.2.2 Packet Broadcast Control Channel (PBCCH) . . . . . . . . 20
3.3.2.3 Packet Traffic Channel (PTCH) . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3 Mapping of the Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3.1 Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3.2 Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 GPRS User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1 GPRS Tunneling Protocol (GTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 Base Station Subsystem GPRS Protocol (BSSGP) . . . . . . . . . . 23
3.4.2.1 Flow Control between SGSN and BSS . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2.2 BSS Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.3 Sub-Network Dependent Convergence Protocol (SNDCP) . . . . . . 25
3.4.4 Logical Link Control (LLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25viii Contents
3.4.4.1 Layer Entities and Service Access Points . . . . . . . . . . 26
3.4.4.2 LLC Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.4.3 LLC Frame Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.4.3.1 LLC Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.4.3.2 Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.5 Radio Link Control (RLC) and Medium Access Control (MAC) . . . 29
3.4.5.1 Multiplexing Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.5.2 RLC/MAC Block Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.5.3 RLC Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.5.3.1 Data Transmission in RLC Acknowledged Mode . 32
3.4.5.3.2 Data Transmission in RLC Unacknowledged Mode 32
3.4.5.4 MAC Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.5.4.1 TBF Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.5.4.2 RLC Block Transfer . . .