Handover management in ultra-dense 5G networks
Yeni nesil ultra-yoğun 5G ağlarda hareketlilik yönetimi
- Tez No: 467096
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 72
Özet
Gelecek nesil 5G ağlarda çok fazla sayıda kullanıcı ve baglantının bulunması“ beklenmektedir. Kullanıcı ve baglantı sayısının fazlalıgı ag üzerindeki trafi ”gi“ artırmaktadır. 2017 yılında yayınlanan Cisco sonuçlarına göre mobil veri trafiginin ”2021 yılında aylık yaklaşık olarak 49 exabyte olması beklenmektedir. Bu durum kullanıcıların servis kalitesini azaltmaktadır. Kullanıcı deneyimlerinin azalmaması ve tüm kullanıcıların ihtiyaçları olan veri hızlarının karşılanması için ag kapasitesi“ ve performansının yüksek olması gerekmektedir. Ancak bu şekilde, çok fazla sayıda kullanıcı servis kaliteleri ve veri hızları azalmadan aga baglı kalabilmektedir. ”Bu veri hızlarının karşılanması ve ag performansının artırılması için en temel“ çözümlerden başında aşırı yogun 5G agların kullanılması gelmektedir. Aşırı yogun aglar tek bir makro baz istasyonunun kapsama alanında çok sayıda mikro baz istasyonu ”konuşlandırılarak elde edilir. Mikro baz istasyonları digerlerine göre daha az kapsama alanına sahiptir. Fakat, mikro baz istasyonları küçük kapsama alanlarıyla fazla sayıda gerçekleyerek toplamdaki kapsama alanı, kapasite ve veri hızı artmaktadır. Ek olarak, daha fazla sayıda kullanıcı aga baglanabilmektedir. Sonuç olarak aşırı yogun aglar“ gelecek nesil agların kapasite ve kapsama alanı ihtiyaçlarını karşılamada büyük rol ”oynamaktadır. Yogun agların yukarıda bahsedilen yararlarına ragmen bu aglar farklı açılardan önemli sorunlara neden olmaktadır. Oluşturulan yogun ag, girişim ve enerji tüketimi sorunlarını artırmaktadır. Bu sorunları çözmek amacıyla, 5G aglarda kontrol ve veri“ düzeyi ayrılmış bir yapı kullanılmaktadır. Bu yapıya baglı olarak, mikro ve makro ”baz istasyonları sırasıyla veri ve kontrol sinyal trafigini işlemektedir. Yani, yogun“ 5G agların ihtiyaçlarını karşılayabilmek için ag yapısında bazı degişiklikler yapılması ”gerekmektedir. Yukarıda bahsedilen sorunlara ek olarak, aşırı yogun aglarda handover prosedürü“ ile alakalı birçok sorun bulunmaktadır ve bu tezde handover prosedürü ile ilgili sorunlar ele alınmıştır. Handover prosedürü hareketli kullanıcıların baglı oldukları ”baz istasyonlarını degiştirerek sisteme baglı kalmalarını sa“ glamaktadır. Yani hareketli ”kullanıcılar hareketleri süresinde bulundukları konuma göre farklı baz istasyonlarından hizmet almaktadır. Fakat, aşırı yogun aglarda mikro baz istasyonlarının fazla olmasından dolayı handover sayısı artmaktadır. Handover sayısının fazlalıgı kullanıcı deneyimini azaltmakta ve ag kaynaklarının normalden fazla tüketilmesine neden“ olmaktadır. Aşırı yogun aglarda görülen handover prosedürü ile alakalı birçok ”farklı sorun bulunmaktadır. Handover sayısının artması, handover prosedürünün daha sık bir şekilde gerçekleşmesi, gereksiz handover gerçekleşmesi, handover sırasında gözlenen gecikmelerin artması ve ag üzerindeki sinyal yükünün artması bu sorunlardan bazılarıdır. Bu sorunları çözmek amacıyla 5G agların do“ gru ve uygun ”bir handover yönetim mekanizmasına sahip olması gerekmektedir. Ek olarak, 5G aglarda kontrol-veri kanallarının makro ve mikro baz istasyonlarına ba“ glanmalarından ”dolayı bagımsız bir şekilde aynı anda idare edilmeleri gerekmektedir. Yani, 5G a“ glar ”bahsedilen yapısal degişikliklere ek olarak a“ g yönetiminde de de ”gişikliklere ihtiyaç“ duymaktadır. Yukarıda anlatıldıgı gibi yo ”gun a“ glarda handover ile alakalı birçok problem ”gözlenmektedir. Tezin ilk kısmında bu problemler arasından, handover sırasında gözlenen gecikmelerin artması problemi incelenmiştir ve bu sorunu çözmek amacıyla bir sistem modeli önerilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise gereksiz, çok sık oluşan ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemleri incelenerek çözümü için bir sistem modeli önerilmiştir. Geleneksel LTE handover prosedüründe, mobil element sinyal parametrelerini farklı baz istasyonlarından almaktadır. Daha sonra alınan bu degerler ba“ glı oldu ”gu baz“ istasyonundan elde edilen degerler ile karşılaştırılmaktadır ve bu karşılaştırmalar ”için birçok farklı tetikleme koşulu bulunmaktadır. Eger seçilen tetikleme koşulu“ herhangi bir baz istasyonundan elde edilen degerler ile saglanıyorsa (Örnegin, baglı olunan ve hedeflenen baz istasyonunun sinyal parametreleri arasındaki fark belli bir sınır seviyesinden yüksek olursa), bu degerler baglı olunan baz istasyonuna transfer edilir. Baglı olunan baz istasyonu gerçekleşecek handover çeşidine ve baz istasyonuna ”karar verir. Daha sonra baglı olunan baz istasyonu belirlenen hedef baz istasyonuna“ handover istegi gönderir ve handover prosedürü başlamış olur. Handover iste ”gi alan“ hedef baz istasyonu bu istegi kabul edip etmeyece ”gi sonucunu gösteren kabul kontrolü“ gerçekleştirir. Kabul kontrolü ile elde edilen sonuç hedef baz istasyonu tarafından baglı olunan baz istasyonuna gönderilir. Baglı olunan baz istasyonu aldıgı sonuçlara ”göre handover komutunu mobil elemente iletir. Bu prosedürler sırasında birçok sinyal ve mesaj mobil element, baglı olunan ve hedeflenen baz istasyonları arasında transfer“ edilmektedir. Bu veri ve sinyal trafigi ag üzerindeki yükü artırmaktadır ve aynı ”zamanda handover prosedürü sırasında gecikmelere neden olmaktadır. Ek olarak, tetikleme koşulunda belirlenen sınır degerleri ve sürelere göre handover prosedürünün“ gerçekleşme sıklıgı de ”gişmektedir. Yani, gereksiz, çok sık ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçeklersen handover problemlerine neden olabilmektedir. Bu problemler aynı zamanda paket kayıplarının ve kesilen çagrıların artmasına neden olmaktadır. Ayrıca, geleneksel LTE handover prosedürünün aşırı yogun aglarda kullanılması yukarıda belirtilen sorunların daha çok artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla yeni, dogru ve uygun bir handover mekanizması kullanılarak bu sorunların azaltılması gerekmektedir. Bu tezde 5G aglarda handover prosedüründe gözlenen gecikmeleri azaltmak amacıyla yazılım tanımlı ag tabanlı hareketlilik ve kullanılabilir kaynak tahmini stratejisi“ önerilmiştir. Burada, mobil kullanıcıların komşu baz istasyonlarına geçiş olasılıkları ve bu komşu baz istasyonlarındaki kullanılabilir kaynaklar Markov zinciri ile tahmin edilmektedir. Bu matematiksel yapı sayesinde en uygun baz istasyonları seçilerek sanal bir şekilde kullanıcılara aktarılmaktadır. Baz istasyonlarının aktarılması ve tüm baglantılar OpenFlow tabloları ile OpenFlow protokolü kullanılarak ”gerçekleştirilmektedir. Sonuç olarak, normal LTE ve önerilen handover stratejileri yogunluk oranı parametresine göre analiz edilmektedir. Ek olarak handover sırasında“ gözlenen hataların oranı da iki strateji için analiz edilmektedir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre, standart LTE stratejisine göre önerilen strateji handover sırasında gözlenen gecikmeleri ve hataları sırasıyla %52 ve %21 oranında azaltmaktadır. Ek olarak, çok fazla sayıda, gereksiz ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemlerini çözmek amacıyla, bu tezde, 5G aglarda en uygun baz istasyonun seçilmesi için uzaysal ve zamansal tabanlı hesaplama yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemde, baglantı sağlanmadan önce en uygun baz istasyonunun ”seçilmesi için Kriging interpolasyon ile Semivariogram analiz otoregresyon model ile desteklenmiştir. Kriging interpolasyonun stokastik ve istatistiksel davranışı çok iyi bir modelleme performansı saglamaktadır. Bu operasyonlar önerilen baz istasyonu“ tahmin elemanı tarafından gerçekleştirilmektedir. Ek olarak, tüm hesaplamalar ve tahminler 5G agların veri ve kontrol kanallarına ayrı olarak uygulanmaktadır. Elde ”edilen simülasyon sonuçlarına göre, önerilen handover yönetim stratejisi gereksiz, sık ve ki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemlerini normal LTE handover stratejisine göre sırasıyla %35, %37 ve %17 oranlarında azaltmaktadır.
Özet (Çeviri)
In next generation 5G networks, there are a high number of mobile nodes and these high number of nodes produce ultra-high data traffic. Network densification is a promising architectural solution that can help meet such high data transfer requirements. In such scenarios, very high number of small cells (micro/pico/home) are located within the coverage area of a macrocell. This design results in a low-cost, low-power operation, with a significant increase in the total capacity, coverage, and energy efficiency of the network. On the other hand, this ultra-dense network architecture leads to different problems in different aspects. More specifically, this high number of small cell deployments in such ultra-dense networks (UDNs) may result in unnecessary, frequent, and ping-pong handovers, with additional problems related to increased delay and total failure of the handoff process. That can also lead to high packet loss, dropped and blocked calls. Additionally, due to the separation of control and data signaling in 5G technology, the handover operation must be executed in both tiers. For these reasons, handover management in this specific 5G deployment becomes a challenging issue. We believe that having an optimal and accurate handover management strategy, handover delay and overhead in these deployments can be dramatically decreased. Therefore, in addition to the architectural enhancements, the 5G requires improvements in terms of the network management. Accordingly, to solve the handover delay problem, in this thesis, we propose an SDN-based mobility and available resource estimation strategy. Here, we estimate the neighbor eNB transition probabilities of the mobile node and their available resource probabilities by using a Markov Chain formulation. This allows a mathematically elegant framework to select the optimal eNBs and then assign these to the mobile nodes virtually, with all connections completed through the use of OpenFlow Tables. Finally, we compare the conventional LTE and our proposed handover strategies by analyzing the observed delays according to the densification ratio parameter. Also, we analyze the handover failure ratios of both strategies according to the user number. Results reveal that the proposed strategy reduces the handover delay and failures by 52% and 21% compared to the conventional approach. Moreover, to solve the frequent, unnecessary and ping-pong handover problems, in this thesis, we propose an optimal eNodeB selection mechanism for 5G intra-macrocell handovers based on spatio-temporal estimations. In this approach, Kriging Interpolator with Semivariogram Analysis is supported by the Autoregressive model for selecting the optimal eNodeB before the connection setup. The stochastic and statistical behaviors of Kriging Interpolation provide better modeling performance. These operations are performed by the proposed EnodeB Estimation Entity. Also, these estimations are applied to both the data and control channels independently. As a result of the proposed management scheme, unnecessary, frequent and ping-pong handover rates are decreased by 35%, 37%, and 17% respectively compared to the conventional handover method.
Benzer Tezler
- 5G ötesi aşırı yoğun heterojen haberleşme ağlarında el değiştirmelere dayalı hücresel ağ iyileştirmesi
Handover-based cellular network healing in beyond 5G ultra dense heterogeneous communication networks
ABDUSSAMET HATİPOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
- Traffic and mobility aware delay modeling for software-defined networks (SDN)
Yazılım tanımlı ağlar için trafik ve hareket duyarlı gecikme modeli
MÜGE ÖZÇEVİK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Ultra yoğun ağlarda güvenli geçiş yönetimi
Secure handover managment in ultra dense network
YERDOS AMİRBEKOV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMilli Savunma ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF BOZKAYA
- Offloading decision with mobility-aware for mobile edge computing in 5G networks
5g şebekesinde mobil kenar bilgi işlem için mobilite bilinci ile aktarma kararları
SAEID JAHANDAR BONAB
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERGEN
- Resilient ultra dense networks under UAV coverage for disaster management
Afet yönetiminde İHA'lar ile dayanıklı ultra yoğun ağlar
ELİF BOZKAYA
Doktora
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK