MAESTRÍA EN INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
TESIS DE MAESTRÍA
T E M A
PACKETSCHEDULING:EVALUACIÓN Y PROPUESTA DE NUEVOS ESQUEMAS PARA OPTIMIZAR UNA RED LTE, CASO DE APLICACIÓN:CIUDAD DE TUCUMÁN
AUTOR:
ING. DANIEL JARAMILLO.
TUTOR:
ING: GUSTAVO MAHNIC
AÑO 2016
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos que siempre a pesar de la distancia estuvieron conmigo y me brindaron todo su apoyo incondicional para con tesón lograr culminar esta investigación, a toda mi familia que con sus palabras me alentaban a nunca rendirme, también quiero dedicarle este trabajo a mi Patria querida el Ecuador.
AGRADECIMIENTO
Primeramente quiero agradecer a mi tutor Ing. Gustavo Mahnic por la orientación brindada durante el desarrollo de esta investigación.
Al equipo de Ingeniería de Red de Acceso Inalámbrico del Interior (IRDA-I) de Movistar de la República Argentina cuyos profesionales aportaron con este estudio.
A la Escuela de Graduados de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones (EGRIET) donde tuve el orgullo de seguir formándome y conocer grandes amistades y colegas.
RESUMEN
En Argentina inició el despliegue de la tecnología de cuarta generación en AMBA e Interior recientemente en el año 2015, la región NOA inició en el tercer trimestre del año pasado, es una red nueva y es necesario realizar un estudio de planificación de optimización sobre la red LTE desplegada hasta el momento en la provincia de Tucumán.
LTE es la interfaz radioeléctrica basada en Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) para el enlace descendente (DL) y Single Carrier FDMA (SC_FDMA) para el enlace ascendente (UL), para tener eficiencia en la provisión de calidad de servicio (QoS), es necesario un diseño eficaz de gestión y asignación de recursos.
Se inició con una primera parte de investigación teórica sobre toda la tecnología de cuarta generación y de las estrategias utilizadas en la asignación de recursos del sistema LTE mediante Packet Scheduling (Round Robin, Proportional Fair, Proportional Demand & Max C/I).
Seguidamente se realizó un análisis del software utilizado ATOLL para realizar las simulaciones, se realizó una descripción matemática de como el software realiza la asignación de recursos, una vez entendido el funcionamiento de la herramienta se procede a realizar las predicciones y simulaciones necesarias para poder observar el impacto de cada una de las estrategias en la obtención de los throghputs por usuario, por celda y totales de la red, así como la cantidad de usuarios que puedan satisfacer sus demandas de tráfico en cada caso, tomando como referencia las condiciones de la red desplegada en la ciudad de Tucumán.
Luego del análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones como conclusión general se obtuvo que la estrategia Proportional Fair es la que mejor se desempeña para el caso de aplicación en la ciudad de Tucumán, teniendo como libertad que el planificador lo haga según las necesidades requeridas como brindar más robustez o rendimiento a la red teniendo en consideración aplicar la diversidad de transmisión o la multiplexación espacial.
I NDICE GENERAL
DEDICATORIA ... ...2
AGRADECIMIENTO...3
RESUMEN...4
ÍNDICE GENERAL...5
ÍNDICE DE FIGURAS... ...8
ÍNDICE DE TABLAS...10
LISTA DE ACRÓNIMOS...11
INTRODUCCIÓN...14
CUERPO CENTRAL DE LA TESIS...15
1. CAPITULO...16
1.1 COMUNICACIONES MÓVILES ...16
1.1.1 Comunicaciones móviles de primera generación...16
1.1.2 Comunicaciones móviles de segunda generación...17
1.1.3 Comunicaciones móviles 2.5 G...20
1.1.4 Comunicaciones móviles 3G...21
1.1.5 Comunicaciones móviles 4G...23
1.2 SISTEMA LTE... ...24
1.2.1 Acceso múltiple multiportadora...24
1.2.2 Arquitectura del Sistema...25
1.2.3 Red de Acceso E-UTRAN...26
1.2.4 Red Troncal EPC...27
1.3 PACKET SCHEDULING... ...27
1.3.1 Downlink y Uplink Packet Scheduling...28
1.3.2Dominio temporal y frecuencial del Packet Scheduling...30
1.3.3 Scheduling semi - persistente...31
1.3.4 Estrategias de Packet Scheduling...31
1.3.5 Round Robin (RR)...32
1.3.6 Proportional Fair (PF)...32
1.3.7 Proportional Demand (PD)...33
1.3.8 Maximum C/I Scheduler (Max C/I)...33
2. CAPITULO II...34
2.1 ATOLL...34
2.1.1 Diseño de una Red LTE en ATOLL...35
2.1.2 Predicciones de Cobertura...35
2.1.3 Simulaciones Monte Carlo...37
2.2 CÁLCULOS DE SCHEDULING Y RRM...41
2.2.1 Selección de los usuarios para la asignación de recursos...41
2.2.2 Cálculo de las demandas mínimas y máximas de throughput...43
2.2.3 Asignación de los recursos para satisfacer las demandas mínimas de Throughput...45
2.2.4 Asignación de los recursos para satisfacer las demandas máximas de Throughput...47
2.3 MIMO (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT)...52
2.3.1 Diversidad en Transmisión y Recepción...52
2.3.2 Multiplexación espacial o Single.User MIMO(SU-MIMO)...52
2.3.3 Adpatative MIMO Switch (AMS)...53
2.3.4 Multi User MIMO (MU-MIMO)...53
3. CAPITULO III...54
3.1 DESPLIEGUE DE RED...54
3.1.1 Frecuency Bands...55
3.1.2 Modelo de Propagación...56
3.1.3 Link Budget...57
3.1.4 Número de sitios para la cobertura...61
3.1.5 Modelo de Servicios y terminales...61
3.2 ESTUDIO DE COBERTURA POR NIVEL DE SEÑAL...63
3.2.1 Despliegue y cobertura en la ciudad de Tucumán...63
3.3 PLANING CELL...66
3.3.1 Mapas de Tráfico...66
3.3.2 Asignación de Vecinos...68
3.3.3 Planificación de PCI...68
4. CAPITULO IV...69
4.1 PREDICCIÓN DE ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING...69
4.1.1 Round Robin (RR) en DL...72
4.1.2 Estrategias PF, PD y Max (C/I) en DL...76
4.1.3 Round Robin (RR) en UL...78
4.1.4 Estrategias PF, PD y Max (C/I) en UL...79
4.2 SIMULACIÓN DE ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING CON MAPA DE TRÁFICO...82
4.2.1 Grupo de Simulaciones...83
4.2.2 Ganancia de diversidad multiusuario (MUG) para estrategia PF...92
4.2.3 Estudio del Target Throughput para servicio de voz y datos...93
4.2.4 Estudio del Bearer Selection Criterion...96
4.2.5 Estudio del Uplink Bandwith Allocation Target...98
4.3 PROPUESTAS A EMPLEAR EN LAS ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING...100
4.3.1 Propuesta de emplear diversidad de transmisión y recepción...100
4.3.2 Propuesta de emplear diversidad MU-MIMO para cada estrategia...103
4.4 ESTUDIO SOBRE UN ENB SIMULANDO UN EVENTO...105
4.4.1 Simulaciones sobre eNB LTE001...105
CONCLUSIONES...107
ANEXOS...110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...111
I NDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Red GSM...19
Figura 1.2: Arquitectura GSM...20
Figura 1.3: Arquitectura GSM/GPRS...21
Figura 1.4: Arquitectura UMTS...22
Figura 1.5: Estándares de comunicaciones móviles...23
Figura 1.6: Dominio de frecuencia de acceso múltiple de LTE...25
Figura 1.7: Arquitectura de red LTE...26
Figura 1.8: Scheduling de paquetes en OFDMA...28
Figura 1.9: Physical Resource Block de LTE...29
Figura 1.10: Esquema funcional para Scheduling en LTE...30
Figura 1.11: Diversidad multiusuario en Packet Scheduling...31
Figura 2.1: Algoritmo de simulaciones LTE en ATOLL...38
Figura 3.1: Proceso de dimensionamiento LTE...54
Figura 3.2: Downlink Budget...58
Figura 3.3:Uplink Budget...60
Figura 3.4: Computation zone en ciudad de Tucumán...63
Figura 3.5: Simulación de cobertura por nivel de señal sitios comerciales...64
Figura 3.6: Simulación de cobertura por nivel de señal sitios comerciales + planificados...65
Figura 3.7: Adaptación de enlace en LTE...67
Figura 4.1: Parque Terminales 2G/3G/4G...71
Figura 4.2: Simulación RR_G1 en DL...72
Figura 4.3: Histograma RR_G1 en DL...72
Figura 4.4: Simulación RR_G2 en DL...73
Figura 4.5: Histograma & Inverse CDF RR_G2 en DL...73
Figura 4.6: Simulación RR_G3 en DL...74
Figura 4.7: Histograma & Inverse CDF RR_G3 en DL...74
Figura 4.8: Simulación RR_G4 en DL...75
Figura 4.9: Histograma & Inverse CDF RR_G4 en DL...75
Figura 4.10: Comparación de estrategias de Packet Scheduling para resultados Coverage by Throughput DL...77
Figura 4.11: Comparación de la estrategia RR en 4 grupos de predicciones...78
Figura 4.12: Simulación RR_G1 en DL...79
Figura 4.13: Histograma RR_G1 en DL...79
Figura 4.14: Comparación de estrategias de Packet Scheduling para resultados Coverage by Throughput UL...80
Figura 4.15: Comparación de la estrategia RR en 4 grupos de predicciones para UL...81
Figura 4.15: Mapa de Tráfico Total Number of users (all activity statues)...83
Figura 4.16: Parámetros de Schedulers...83
Figura 4.17: Simulación Total Number of users (all activity statues)...85
Figura 4.18: Simulación Total Number of users (all activity statues)...85
Figura 4.19: Comparación de estrategias de Scheduling Coverage by Throughput DL...86
Figura 4.20: Comparación de estrategias de Scheduling Coverage by Throughput UL...86
Figura 4.21: Mediciones de UL y DL en LTC029...87
Figura 4.22: LTC029...87
Figura 4.23: Mediciones UL y DL en LTC008...88
Figura 4.24: LTC008...88
Figura 4.25: Coverage by Throughput DL para RR (Izquierda) y PF (derecha)...89
Figura 4.26 : Coverage by Throughput UL para RR(Izquierda) y PF (derecha)...89
Figura 4.27 : Ganancia multiusuario en PF...91
Figura 4.28 : Estudio sobre único eNB LTE001...104
I NDICE DE TABLAS
Tabla 2.1: Predicciones que se pueden realizar en ATOLL...37
Tabla 2.2: Diferencias métodos de cálculo………...42
Tabla 2.3: Demandas de Throughput para PEAk RLC Throughput...44
Tabla 2.4: Demandas de Throughput para Effective RLC Throughput...44
Tabla 2.5: Demandas de Throughput para Application RLC Throughput...45
Tabla 3.1: Bandas de LTE Release 10...55
Tabla 3.2: Modelos de propagación típicos...56
Tabla 3.3: Antena Tx Ganancia (dBi)...59
Tabla 3.4: Cálculo para downlink MAPL...59
Tabla 3.5: Cálculo para uplink MAPL...60
Tabla 3.6: Parámetros de servicios LTE...62
Tabla 3.7: Características de los terminales de red LTE...62
Tabla 3.8: Análisis de polígono de cobertura eNB comerciales...64
Tabla 3.9: Análisis de polígono de cobertura eNB comerciales + planificados...65
Tabla 3.10: Parámetro de entorno de la red LTE...66
Tabla 3.11: Características de los Radio Bearers de LTE...67
Tabla 4.1: Grupos con características de simulación...70
Tabla 4.2: Parque Terminales 2G/3G/4G...70
Tabla 4.3: Parque Terminales 2G/3G/4G...71
Tabla 4.4: Demandas de las simulaciones Grupo 1...90
Tabla 4.5: Simulación Total Number of users (all activity statues)...90
Tabla 4.6: Simulación de Tabla 4.5 con nuevos valores de MUG para PF...92
Tabla 4.7: Estadísticas para estudio de Throughput para Datos y voz...94
Tabla 4.8: Estadísticas para estudio de Target Bearer Selection criterion...96
Tabla 4.9: Estadísticas para estudio de Uplink Allocation Target...98
Tabla 4.10: Características para estudio de diversidad de Tx y Rx...99
Tabla 4.11: Simulación de estudio de diversidad de Tx y Rx...100
Tabla 4.12: Características para estudio de diversidad MU-MIMO...102
Tabla 4.13: Simulaciones con diversidad MU-MIMO...103
Tabla 4.14: Demandas de Evento...105
Tabla 4.15: Demandas de Evento...105
LISTA DE ACRO NIMOS
1G: Primera Generación
2.5G: Generación 2.5
2G: Segunda generación
3G: Tercera Generación
3GPP: Third Generation Partnership Project ACP: Automatic Cell Planning
AFP: Automatic Frecuency Planning AMBA Area Metropolitana de Buenos Aires
AMPS: Advanced Mobile Phone System, desarrollado en EE.UU. en los 80's
AS: Access Stratum
AUC: Autentication Center BER: Bit Error Rate
BLER: Block Error Rate BSC: Base Station Controller BSR: Buffer Status Report BTS: Base Transerver Station CDMA: Code Division Multiple Access
CEPT: Conference of European Postal and Telecommunications CFD-I Función de Distribución Acumulativa Inversa
EDGE: Enhanced Data Rates fos Global Evolution EIR: Equipment Identification Register
eNB: Evolved NodeB
EPC: Evolved Packet Core
EPRE: Energy per Resorce Element EPS: Evolved Packet System
ETSI: European Telecomication Standard Institute E-UTRAN: Evolved- UMTS Terrestrial Radio Access Network FDD: Frecuency Division Duplexing
FFT: Fast Fourier Transform FM: Frecuency Modulation GGSN: Gateway GPRS Support Node GPRS: General Packet Radio Services HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request HLR: Home Location Register
HSCD: High - Speed Circuit - Switched Data HSDPA: High Speed Downlink Packet Access HSPA: High Speed Packet Access
HSS: Home Subscriber Server
HSUPA: High Speed Uplink Packet Access ICIC: Inter-Cell Interference Coordination
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFTT: Inverse FFT
IMEI: Identificador Internacional de equios móviles IMS: IP Multimedai Subsystem
IP: Internet Protocol
ISI: Interferencia Intersimbólica
IT: Information Technology
KPI Key Performance Indicator
LAN: Local Area Network LTE: Long Term Evolution MAC: Medium Access Control MAPL Maximum Allowed Path Loss MIMO Multiple Input - Multiple Output MME: Mobility Management Entity MMS: Multimedia Message Service
MRC Maximun Ratio Combining
MSC: Movile Switch Center MUG Ganancia Multiusurio
NMT: Nordic Mobile Telephony, desarrollado por Ericsson en 1986
NOA Nor-Oeste Argentino
OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR: Peak-to-Average Power Ratio
PCI Physical Cell Id
PCRF: Policy Control and Charging Rules Function PCU: Packet Contro Unit
PDCCH: Physical Downlink Control Channel PDSCH: Physical Downlink Shared Channel
PF: Proportional Fair
P-GW: Packet Data Network Gateway PRB: Physical Resource Block PSK: Phase Shift Keying
PUCCH: Physical Uplink Control Channel PUSCH: Physical Uplink Shared Channel QAM: Quadrature Amplitude Modulation QoS: Quality of Service
QPSK: Quadrature -PSK RLC: Radio Link Control
RR: Round Robin
RRM: Radio Resource Managment
RSRP Received Reference Signal Energy per Resource Element
SC-FDMA: Single Carrier- Frequency Division Multiple Access SGSN: Serving GPRS Support Node
S-GW: Serving Gateway
SIM: Módulo de identificación del abonado SINR: Signal to Interference Noise Ratio SMS: Short Message Service
SRB: Scheduler Resource Block SRS: Sounding Reference Signals SU-MIMO Single User MIMO
TAC: Total Acces Comunication System, se utilizó en España hasta su extinción en 2003
TD - CDMA: TIme - Division CDMA TDD: Time Division Duplex TTI: Transmission Time Interval
UE: User Equipment
UMB: Ultra - Mobile Broadband
UMTS: Universal Mobile Comunication System VLR: Visitor Location register
W-CDMA: Wideband - CDMA
WIMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access
INTRODUCCIO N
Por la gran cantidad de variables presentes en una red de comunicaciones móviles, como los son las interferencias, movilidades de los usuarios, servicios demandados, condiciones de propagación, entre otras, sumado al hecho de que LTE es un sistema que opera completamente en modo paquete, es indispensable disponer de un mecanismo que permita compartir de forma organizada los recursos de radio entre los usuarios, estos mecanismos son denominados Packet Schedulers y son los que se encargan de asignar los recursos que disponen las celdas de la red a los usuarios que un determinado tiempo solicitan transmitir o recibir información y asegurar que se cumplan los requisitos mínimos de calidad de servicio.
Entonces al utilizar diferentes estrategias de Packet Scheduling y observar y evaluar su respuesta ante diferentes modificaciones de sus variables empleando el software de simulación ATOLL permitirá que se pueda aprovechar de mejor manera los recursos de radio en la tecnología 4G y configurarlos según la necesidad que tenga en la red como satisfacer cobertura o mejorar el rendimiento.
La presente investigación se enfocará en analizar las estrategias de asignación de recursos de radio para tecnología LTE y determinar las que mejor comportamiento tengan bajo distintas condiciones de red basándose en el despliegue actual de la ciudad de Tucumán.
Las simulaciones que se realicen estarán limitadas a las opciones de la versión del software del que disponemos ATOLL 3.1.0 con el módulo AFP (Automatic Frecuency Planning) y poder modelar las redes LTE lo más apegado a la realidad.
CUERPO CENTRAL
CAPITULO I
En la siguiente sección se describe análisis teórico sobre las comunicaciones móviles haciendo enfoque en la tecnología LTE y PACKET SCHEDULING, se describe las herramientas y definición de criterios necesarias para el desarrollo de la tesis.
1.1 COMUNICACIONES MÓVILES
Se realiza una breve introducción de la evolución que tuvieron los sistemas móviles celulares desde la primera generación en donde pocas personas podían disponer del servicio hasta llegar a la cuarta generación que es en la que se realizará mayor énfasis por circunstancias de desarrollo del proyecto.
El concepto celular nace en 1947 en los laboratorios Bell gracias a D.H. Ring con la ayuda de W.R. Young. El sistema celular que diseñaron define la división de un territorio extenso en pequeñas áreas con geometría hexagonal denominadas celdas, en cada una de las cuales se encuentra un transmisor de baja potencia. También tomaron en cuenta el concepto de re-uso frecuencial entre distintas celdas alejadas suficientemente entre sí y el mecanismo de handover automático que permitiera la continuidad de la comunicación al trasladarse de celda en celda. Para ese entonces no existía la tecnología que permitiera implementar el sistema celular y el espectro necesario aún no estaba disponible, por lo que pasaron treinta años antes de poderse implementar las ideas propuestas[1].
1.1.1 Comunicaciones móviles de primera generación
Los sistemas móviles de primera generación fueron los primeros en poner en práctica el concepto celular, se caracterizaban por ser analógicos y ofrecían únicamente servicios de voz. Estos sistemas no ponían en práctica el mecanismo de control de potencia, lo que significa que todos los terminales transmitían a la misma potencia sin importar su ubicación o condiciones del entorno y por ello el consumo de batería y las interferencias ocasionadas eran elevados. Limitados por la tecnología presente en el momento, los equipos seguían siendo voluminosos y pesados, por lo que en su mayoría seguían siendo implementados en los vehículos [2].
Los sistemas de primera generación rápidamente tuvieron éxito en sus países de origen y fueron siendo adoptados por otros países. En este sentido, el sistema NMT fue introducido en varios países del oriente de Europa pero bajo una nueva versión, NMT-900, que utilizaba la banda de 900 MHz en vez de la de 450 MHz que ya era insuficiente. Asimismo, el sistema TACS fue adoptado por algunos países del medio oriente y del sur de Europa y el sistema norteamericano AMPS fue adoptado en ciertos países de América del Sur y del lejano oriente incluyendo Australia y Nueva Zelanda. El sistema NMT fue el primero en introducir el concepto de roaming internacional para utilizar el servicio en los distintos países donde operaba.
Varios aspectos eran comunes para los sistemas de primera generación. Todos utilizaban la técnica FDD definiendo bandas distintas para el enlace ascendente y el descendente, que generalmente se situaban en torno a los 900 MHz.
Empleaban la modulación analógica FM para la voz, dividían el espectro disponible en canales que repartían a las estaciones base, de manera que para evitar interferencias se asignaban canales distintos a las estaciones bases vecinas, y por cada llamada se asignaba un canal dedicado para cada enlace por todo el tiempo de duración de la misma. Sin embargo, a pesar de que los sistemas de primera generación se basaban en los mismos principios de funcionamiento, ninguno de ellos era compatible entre sí, por lo que un teléfono móvil de aquella época no podía ser utilizado en otros países que no operaran su mismo sistema.
1.1.2 Comunicaciones móviles de segunda generación (2G)
En Europa, debido a las predicciones de saturación de la capacidad de los sistemas de primera generación y al problema de la incompatibilidad entre todos los sistemas existentes, se empezaron las investigaciones para desarrollar un único sistema global que permitiera la movilidad entre países aprovechando los grandes avances tecnológicos que tuvieron lugar en los años 80, tales como los avances en las tecnologías de semiconductores y circuitos integrados, para dar lugar a una nueva generación de telefonía móvil.
En este sentido, la CEPT creó en 1982 el grupo GSM, cuyas siglas en un comienzo significaban Groupe Speciale Mobile y posteriormente fueron rebautizadas a Global System for Mobile Communications es el estándar más usado de Europa.
Se denomina estándar de segunda generación porque, a diferencia de la primera generación de teléfonos portátiles, las comunicaciones se producen de un modo completamente digital[3].
El estándar GSM usa las bandas de frecuencia de 900MHz y 1800 MHz. Sin embargo, en los Estados Unidos se usa la banda de frecuencia de 1900 MHz. Por esa razón, los teléfonos portátiles que funcionan tanto en Europa como en los Estados Unidos se llaman tri-banda y aquellos que funcionan sólo en Europa se denominan bi-banda, permite un rendimiento máximo de 9,6 kbps, y transmisiones de voz y de datos digitales de volumen bajo, por ejemplo, mensajes de texto SMS o mensajes multimedia MMS.
Como se dijo anteriormente las redes de telefonía móvil se basan en el concepto de celdas, estas redes se basan en el uso de un transmisor-receptor central en cada celda, denominado "estación base" o BTS, cuanto menor sea el radio de una celda, mayor será el ancho de banda disponible. Por lo tanto, en zonas urbanas muy pobladas, hay celdas con un radio de unos cientos de metros mientras que en zonas rurales hay celdas enormes de hasta 30 kilómetros que proporcionan cobertura.
En una red celular, cada celda está rodeada por 6 celdas contiguas (por esto las celdas generalmente se dibujan como un hexágono). Para evitar interferencia, las celdas adyacentes no pueden usar la misma frecuencia. En la práctica, dos celdas que usan el mismo rango de frecuencia deben estar separadas por una distancia equivalente a dos o tres veces el diámetro de la celda.
En la red GSM, la terminal del usuario se llama estación móvil. Una estación móvil está constituida por una tarjeta SIM, que permite identificar de manera única al usuario y a la terminal móvil.
Las terminales (dispositivos) se identifican por medio de un número único de identificación de 15 dígitos denominado IMEI. Cada tarjeta SIM posee un número de identificación único (y secreto) denominado IMSI . Este código se puede proteger con una clave de 4 dígitos llamada código PIN.
Por lo tanto, la tarjeta SIM permite identificar a cada usuario independientemente de la terminal utilizada durante la comunicación con la estación base. Las comunicaciones entre una estación móvil y una estación base se producen a través de un vínculo de radio, por lo general denominado interfaz de aire o también interfaz Um.
Figura 1.1: Red GSM Fuente: Extraído de [3]
Todas las estaciones base de una red celular están conectadas a un controlador de estaciones base o BSC, que administra la distribución de los recursos. El sistema compuesto del controlador de estaciones base y sus estaciones base conectadas es el Subsistema de estaciones base.
Por último, los controladores de estaciones base están físicamente conectados al Centro de conmutación móvil (MSC) que los conecta con la red de telefonía pública y con Internet; lo administra el operador de la red telefónica. El MSC pertenece a un Subsistema de conmutación de red (NSS) que gestiona las identidades de los usuarios, su ubicación y el establecimiento de comunicaciones con otros usuarios.
La MSC se conecta a bases de datos que proporcionan funciones adicionales:
El Registro de ubicación de origen (HLR): es una base de datos que contiene información (posición geográfica, información administrativa, etc.) de los abonados registrados dentro de la zona del conmutador (MSC).
El Registro de ubicación de visitante (VLR): es una base de datos que contiene información de usuarios que no son abonados locales. El VLR recupera los datos de un usuario nuevo del HLR de la zona de abonado del usuario. Los datos se conservan mientras el usuario está dentro de la zona y se eliminan en cuanto abandona la zona o después de un período de inactividad prolongado (terminal apagada).
El Registro de identificación del equipo (EIR): es una base de datos que contiene la lista de terminales móviles.
El Centro de autenticación (AUC): verifica las identidades de los usuarios.
La red celular compuesta de esta manera está diseñada para admitir movilidad a través de la gestión de traspasos (movimientos que se realizan de una celda a otra).
Figura 1.2: Arquitectura GSM Fuente: Extraído de [4]
Finalmente, las redes GSM admiten el concepto de roaming: el movimiento desde la red de un operador a otra.
1.1.3 Comunicaciones móviles 2.5G
Algunas de las tecnologías 2.5G que surgieron como evolución del sistema GSM fueron HSCSD, GPRS y EDGE. El sistema HSCSD fue propuesto por la ETSI a comienzos de 1997 con la idea de emplear más de un time slot por usuario de forma paralela para la transmisión de datos, de esta manera la velocidad total de transmisión sería la de un slot en GSM multiplicada por el número de slots utilizados, que podía llegar a ser de hasta cuatro. Este sistema funcionaba muy bien para aplicaciones en tiempo real pero seguía empleando conmutación por circuito, lo que representaba una disminución drástica de los recursos disponibles para los usuarios de voz pues los canales debían ser reservados para un usuario por el tiempo total de la conexión sin importar si se estuviera transmitiendo información o no[5].
Posteriormente la ETSI propone el sistema GPRS como una extensión del sistema GSM para la transmisión de la información empleando la técnica de conmutación de paquetes. Esta técnica permite una mayor eficiencia espectral ya que los recursos no son asignados de manera exclusiva para una única comunicación sino compartidos entre varios usuarios, y además se toma en cuenta la asimetría de los servicios de paquetes de datos pues la asignación de los recursos en los enlaces ascendente y descendente se realiza de manera separada.
Por otro lado, el coste de implementación del sistema GPRS es bajo ya que al ser una extensión de GSM se utiliza todo el hardware existente añadiendo solo dos nuevos nodos SGSN y GGSN para el tráfico de paquetes e incorporando una unidad PCU en las BSC, con la capacidad de que los canales sean asignados dinámicamente a GSM o GPRS dependiendo de los niveles de tráfico dando siempre prioridad a los servicios de voz. GPRS utiliza distintos esquemas de codificación dependiendo de la calidad del radio enlace, el tipo de terminal y el tráfico de datos de la celda (CS1: 9.05 kbps, CS2: 13.4 kbps, CS3: 15.6 kbps y CS4:
21.4 kbps) y permite utilizar varios time slots por conexión, con lo cual se lograría una velocidad máxima teórica de 171.2 kbps utilizando 8 time slots y el esquema CS4 [6].
Figura 1.3: Arquitectura GSM/GPRS Fuente: Extraído de [4]
El sistema 2.5G que surge como mejora del sistema GSM/GPRS es EDGE. Así como la tecnología GPRS complementó a GSM con la adición de una codificación adaptativa, EDGE complementa a GPRS con la introducción de la modulación adaptativa. En este sentido, además de la modulación GMSK empleada en GSM y GPRS, EDGE introduce la modulación 8PSK que permite triplicar la tasa de transmisión de datos de GPRS a cambio de una menor área de cobertura. La máxima velocidad de transmisión en EDGE es de 384 kbps utilizando 8 time slots y el más eficiente de los esquemas de modulación/codificación (MCS9)[5].
1.1.4 Comunicaciones móviles 3G
Los sistemas 3G se plantearon tasas objetivo de 144 kbps para entornos vehiculares de gran velocidad, 384 kbps para espacios abiertos y velocidades de hasta 2 Mbps para entornos interiores de baja movilidad. Con estas velocidades los usuarios pueden utilizar sus terminales móviles en una variedad de servicios desde llamadas telefónicas, acceso a redes LAN corporativas, acceso a Internet,
envío de correo electrónico, transferencia de archivos e imágenes de calidad e incluso servicios de video conferencias y transmisión de audio y video en tiempo real[2].
La primera publicación del sistema UMTS estuvo disponible en 1999 conocida como Release 99. En ella se especifican dos modos de operación en cuanto al acceso radio: el modo FDD empleando la técnica de acceso W-CDMA, donde el canal físico lo define un código y una frecuencia, y el modo TDD empleando la técnica de acceso TD-CDMA, donde el canal físico lo define un código, una frecuencia y un time slot. El uso de la tecnología CDMA implica un cambio en la arquitectura de red de acceso radio GSM/GPRS/EDGE permitiendo la posibilidad de emplear un reuso frecuencial de factor 1, siempre que se tengan controladas las interferencias intercelulares, para lograr de esta manera una gran eficiencia espectral
Figura 1.4: Arquitectura UMTS Fuente: Extraído de [4]
Las mejoras más importantes de las características del acceso radio UMTS se describen en la Release 5 con la adición de HSDPA y en la Release 6 con HSUPA que juntas se conocen como HSPA, esta mejora los servicios de paquetes de datos introduciendo mayores velocidades y menores retardos, manteniendo al mismo tiempo una buena cobertura y una gran capacidad en el sistema. Para lograr esto, HSPA introduce nuevos esquemas de modulación de mayor nivel, control de potencia rápido, fast scheduling y mecanismos de retransmisión híbrida HARQ con redundancia incremental. De esta manera se logran velocidades de hasta 14.4 Mbps en HSDPA y 5.7 Mbps en HSUPA [7]
1.1.5 Sistemas móviles de cuarta generación (4G)
El continuo crecimiento en la demanda de servicios de paquetes de datos y la posibilidad de elaborar terminales cada vez más avanzados aptos para ofrecer nuevas aplicaciones con mayores capacidades para imágenes, audio, video, e- mail y otras aplicaciones multimedia llevó a la necesidad de crear una nueva generación de comunicaciones móviles. En este sentido, la ITU-R estableció los requisitos para las redes de cuarta generación bajo el nombre de IMT-Advanced.
Algunos de los requisitos consisten en una red basada completamente en conmutación por paquete con una arquitectura plana basada en el protocolo IP, velocidades de transferencia de datos mayores a 100 Mbps para altas movilidades y de 1 Gbps para entornos relativamente fijos, interoperabilidad con estándares existentes, canalizaciones flexibles, menores tiempos de latencia, entre otros [8].
Como se observa en la Figura 1.5, existen tres organizaciones que se han encargado de desarrollar estándares de comunicaciones móviles con el fin de cumplir los requisitos del IMT-Advanced. La 3GPP empezó a finales de 2004 la primera especificación del sistema LTE que fue concluida a finales de 2008 y ha evolucionado posteriormente a LTE-Advanced. Por otro lado, la IEEE ha creado la familia 802.16 conocida como WiMAX donde la versión 802.16m, también conocida como WirelessMAN-Advanced, ha sido aprobada por la ITU-R como una tecnología IMT-Advanced. Por último, la 3GPP2 comenzó el desarrollo del sistema UMB como evolución del sistema CDMA2000 con las intenciones de convertirse en un sistema de 4G pero el proyecto fue dejado inconcluso para pasar a apoyar a LTE [8]
Figura 1.5: Estándares de comunicaciones móviles Fuente: Extraído de [8]
Hasta ahora se han expuesto las características más resaltantes de cada una de las generaciones de comunicaciones móviles, a continuación se abarcará con mayor detalle el sistema LTE, sistema sobre el cual se basa el presente proyecto de tesis.
1.2 SISTEMA LTE
LTE es el primer sistema en ofrecer todos los servicios, incluida la voz, sobre el protocolo IP dejando atrás la conmutación de circuitos para pasar a un nuevo sistema basado completamente en conmutación de paquetes. Además, las velocidades pico de la interfaz radio que introduce LTE superan ampliamente a aquellas conseguidas en los sistemas anteriores, soportando velocidades de al menos 100 Mbps en el downlink y 50 Mbps en el uplink, que permite a los usuarios la posibilidad de movilizarse a grandes velocidades y al mismo tiempo disfrutar de los servicios multimedia [9].
1.2.1 Acceso múltiple multiportadora.
El sistema LTE se caracteriza por ofrecer una canalización flexible que permite alcanzar altas velocidades de transmisión y facilitar la migración gradual hacia LTE de bandas espectrales ocupadas por 2G y 3G. En este sentido, las posibles canalizaciones son: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz y 20 MHz, siendo esta última la considerada para alcanzar velocidades de transmisión en el orden de 100 Mbps en el downlink. Además de la canalización flexible, LTE permite trabajar en bandas pareadas con FDD y no pareadas con TDD [9].
En vista de que el ancho de banda de 20 MHz introduciría elevadas distorsiones debido a la interferencia intersimbólica (ISI) ocasionada por la propagación multitrayecto, se adoptó la técnica de acceso múltiple OFDMA en el downlink que permite dividir el espectro en múltiples portadoras de banda estrecha ortogonales entre sí con una separación fija de 15 KHz. Para obtener los distintos anchos de banda mencionados se varía el número de subportadoras, manteniendo la separación entre ellas constante. Incluso utilizando OFDMA queda presente cierta interferencia, por lo tanto se emplea un prefijo cíclico que permite eliminar la ISI ofreciendo de esta manera una gran eficiencia espectral [6].
Gracias al scheduler empleado en OFDMA se pueden asignar las portadoras eficientemente a los usuarios dependiendo de las condiciones del canal y los requisitos de los servicios de cada uno de ellos, concediendo más o menos portadoras a cada usuario según el caso y ofreciendo diversidad frecuencial al
asignar portadoras no contiguas a un mismo usuario. Por otro lado, la implementación de esta técnica se hace sencilla en el dominio digital gracias a la implementación de los procesos de FFT e IFFT [9].
En el uplink se adoptó una variante de OFDMA llamada SC-FDMA que presenta una significante reducción de la relación entre la potencia instantánea transmitida y la potencia media, denominado PAPR, evitando complejidades en el amplificador de frecuencia de los terminales móviles y aumentando la batería de los mismos.
Figura 1.6: Dominio de frecuencia de acceso múltiple de LTE Fuente: Extraído de [8]
1.2.2 Arquitectura del sistema
La arquitectura del sistema LTE se diseñó en base a tres requisitos fundamentales: conmutación de paquetes únicamente, baja latencia y costos reducidos. Para lograr los objetivos, se planteó una arquitectura plana sin ningún nivel de jerarquización con la menor cantidad de nodos e interfaces posibles. La arquitectura de LTE comprende una nueva red de acceso denominada E-UTRAN y una nueva red troncal denominada EPC, la combinación de la red de acceso y la red troncal recibe el nombre de EPS, también llamada bajo el término LTE [9].
Figura 1.7: Arquitectura de red LTE Fuente: Extraído de [9]
1.2.3 Red de Acceso E-UTRAN
Esta red de acceso está formada por un único elemento de red llamado eNB que constituye la estación base de E-UTRAN. Los eNBs realizan todas las funciones de la red de acceso que en las redes 3GPP anteriores eran llevadas a cabo por las estaciones base junto a los controladores de red (BTS y BSC en GSM, NodeB y RNC en UMTS), de allí que sea denominada una arquitectura plana. En este sentido, las funciones que realizan los eNBs incluyen la gestión de recursos radio (control de los Radio Bearers, control de admisión radio, control de la movilidad, scheduling de paquetes y asignación dinámica de los recursos tanto en uplink como en downlink), compresión de cabeceras, seguridad en la interfaz radio y conectividad con la red troncal EPC [9].
Para llevar a cabo todas las funciones mencionadas, los eNBs están interconectados a los equipos de usuario (UE) mediante la interfaz Uu donde aplican los protocolos AS. Asimismo, la interfaz que conecta a los eNBs entre sí es denominada X2, y la interfaz que conecta un eNB a la red troncal EPC es denominada S1, que a su vez se divide en S1-MME para el plano de control y S1- U para el plano de usuario [9].
1.2.4 Red Troncal EPC
La red troncal de LTE es la responsable de proporcionar un servicio de conectividad IP para permitir el acceso a las distintas redes externas y plataformas de servicios como IMS y a la vez controlar el establecimiento de los Bearers. Los elementos principales del EPC son: el MME, el S-GW y el P-GW, pero además de estas entidades se encuentran también el HSS y el PCRF [8].
Las funciones principales del MME son el establecimiento, mantenimiento y liberación de los Bearers así como el establecimiento de la conexión y la seguridad entre la red y el UE. Por otro lado, las funciones asociadas al plano de usuario se concentran en el S-GW y el P-GW, quienes además se encargan de servir de anclaje para la gestión de movilidad entre LTE y redes 3GPP y no 3GPP respectivamente. El HLR es la base de datos principal que contiene la información de los subscriptores tales como los perfiles de QoS, las restricciones de roaming, información permanente y dinámica del usuario, etc. Por su lado, el PCRF se encarga de controlar los servicios portadores que ofrece la red LTE y de los mecanismos de tarificación [9].
1.3 PACKET SCHEDULING
Con la introducción de la transmisión en modo paquete surgió la necesidad de crear nuevos mecanismos que permitieran conseguir un uso eficiente de los recursos de radio disponibles entre los diferentes usuarios. Estos mecanismos se conocen como gestión de recursos radio o RRM (Radio Resource Management) y constituyen una parte esencial en el funcionamiento del sistema LTE así como de sus antecesores UMTS y HSPA. El objetivo de RRM es optimizar la asignación de los recursos radio logrando que la mayor cantidad de usuarios tenga acceso a la red y al mismo tiempo garantizar los niveles de calidad de servicio necesarios asociados a cada uno de los servicios establecidos en el segmento radio [7].
Una de las principales funciones de RRM es el Packet Scheduling o scheduler de paquetes, encargado de asignar los recursos a los usuarios dentro del área de cobertura de la celda decidiendo qué usuarios transmiten en cada momento y bajo qué esquemas de modulación y codificación. En otras palabras, el scheduler permite asignar los recursos dinámicamente a los usuarios para que éstos puedan realizar sus transmisiones de forma ordenada [9].
Por otro lado, el uso de un scheduler apropiado en conjunto con la técnica ICIC permite que el sistema LTE trabaje con un factor de reuso frecuencial igual
a 1, es decir que todos los recursos de radio están disponibles en todas las celdas. Para esto, el scheduler debe ser capaz de evitar las interferencias de células adyacentes a usuarios que se ubican en el borde de la celda, asignándoles recursos que no estén siendo utilizados por las celdas vecinas. Esta coordinación entre schedulers se logra gracias a la interfaz X2 entre eNBs [9].
1.3.1 Downlink y Uplink Packet Scheduling
En el caso de LTE, las funciones del Packet Scheduling son llevadas a cabo por los eNBs para la asignación de los recursos radio tanto en el downlink como en el uplink. En ambos casos, el scheduler toma las decisiones acerca de la asignación de los recursos tomando en cuenta el estado de los buffers (para asignar recursos solo a los usuarios que tienen información por enviar o recibir), las prioridades y requisitos de QoS de los servicios asociados a los usuarios (en tanto que aquellos que requieran enviar más información necesitan un mayor número de portadoras) y la información del estado del canal que observa cada usuario en las diferentes subportadoras (tomando en cuenta la SINR para no asignarle a un usuario aquellas portadoras donde presenta elevada atenuación o interferencia) [9].
Figura 1.8: Scheduling de paquetes en OFDMA Fuente: Extraído de [9]
A diferencia de los sistemas de comunicaciones antecesores en LTE no existen canales de tráfico dedicados sino compartidos. En otras palabras, los recursos son asignados a los usuarios únicamente cuando tienen datos para enviar o recibir. De esta manera el scheduler asigna el canal PDSCH que transporta los datos de usuario en el enlace descendente, cuando los usuarios tienen información para recibir, o el canal PUSCH, que transporta los datos de usuario en el enlace ascendente, cuando los usuarios tienen información para enviar. En ambos casos la asignación se le comunica al usuario mediante el canal de control PDCCH para que puedan modular/demodular los canales de tráfico respectivos en el dominio tiempo-frecuencia que le fueron asignados. Cabe destacar que en el caso del enlace ascendente el móvil debe enviar su petición
previamente al eNB para que el scheduler pueda asignarle los recursos, esto se lleva a cabo mediante el canal de control PUCCH a través de los Scheduling Request [9].
El Packet Scheduling está implementado en la capa RLC1/MAC2 pues opera a corto plazo, es decir que permite reaccionar a las rápidas variaciones del canal radio y asignar recursos cada TTI, que corresponde a la duración de una subtrama siendo igual a 1 ms. El mínimo recurso radio asignable a un usuario corresponde a un SRB que consiste en dos PRB consecutivos. Asimismo, cada PRB consiste en un bloque de 180 kHz conformado por 12 subportadoras adyacentes espaciadas a 15 kHz entre sí, con una duración igual a 0,5 ms, que es la duración de un time slot. En un PRB se pueden transmitir 6 ó 7 símbolos OFDMA (dependiendo de la longitud del prefijo cíclico empleado) con modulación QPSK, 16QAM o 64QAM [9].
Figura 1.9: Physical Resource Block de LTE Fuente: Extraído de [9]
Los procedimientos de Packet Scheduling en el uplink para SC-FDMA son similares a los empleados en el downlink para OFDMA, sin embargo, debido a que estas funciones residen en el eNB, la asignación de los recursos en el enlace ascendente es más compleja que en el enlace descendente ya que requiere de mayor señalización del sistema. Por ejemplo, el UE debe transmitir al eNB unas señales denominadas SRS para estimar la calidad del canal en cualquier PRB, además debe reportar el estado de su buffer enviando los BSR y debe informar su disponibilidad de potencia por medio de los mensajes power headroom para que el scheduler pueda establecer el esquema de modulación y codificación.
Además, a diferencia del downlink, en el uplink las subportadoras asignadas a un usuario deben ser contiguas por basarse en SC-FDMA [8].
1 RLC: Radio Link Control.- permite establecer enlace fiable a través de la interfaz de aire
2 MAC: Medium Access Control.- permite el acceso ordenado de los diferentes usuarios a l medio de transmisión.
Figura 1.10: Esquema funcional para Scheduling en LTE Fuente: Extraído de [9]
1.3.2 Dominio temporal y frecuencial del Packet Scheduling
Para mejorar la capacidad del sistema, LTE establece soporte de Packet Scheduling en el dominio temporal y frecuencial. En el dominio temporal el scheduler permite explotar la diversidad multiusuario considerando que en una determinada subtrama ciertos usuarios observarán un canal de mayor calidad que otros usuarios, y en este sentido el scheduler les asignará recursos a los usuarios del primer grupo. Cabe destacar que la ganancia que ofrece la diversidad multiusuario será mayor en la medida que la red tenga más usuarios y que las variaciones del canal sean más rápidas. Por otro lado, el concepto de diversidad multiusuario se extiende al dominio frecuencial ya que el scheduler explota los desvanecimientos lentos en frecuencia en tanto que se evita asignar un PRB a un usuario que presente grandes desvanecimientos en las frecuencias de dicho PRB, y de esta manera se pueden asignar recursos a múltiples usuarios en las subportadoras donde cada uno obtenga una mejor calidad de canal [9].
Figura 1.11: Diversidad multiusuario en Packet Scheduling Fuente: Extraído de [9]
1.3.3 Scheduling semi - persistente
Además del scheduling dinámico descrito anteriormente, LTE introduce el scheduler semi-persistente en el cual los recursos radio son asignados a los usuarios para un conjunto sucesivo de varias subtramas en vez de cada TTI. El uso de un scheduler semi-persistente es útil cuando se trata de un servicio con pequeños volúmenes de tráfico que llegan de forma regular, como es el caso de VoIP (Voice over IP), pues reduce significativamente la cantidad de mensajes de señalización y permite ofrecer un servicio de voz con calidad comparable a los sistemas basados en modo circuito [18].
1.3.4 Estrategias de Packet Scheduling
El estándar indica que se debe implementar el Packet Scheduling como una de las funcionalidades de RRM, sin embargo no especifica el algoritmo que se debe utilizar, por lo tanto cada fabricante es responsable de implementar la estrategia que mejor considere. En este sentido, se han definido diversas técnicas de Packet Scheduling, algunas de las cuales toman en consideración las condiciones del canal (channel-aware scheduling), otras que intentan realizar una asignación justa entre usuarios y otras cuyo objetivo es maximizar la capacidad de la red, a continuación se describen las cuatro estrategias de Packet Scheduling que pueden configurarse dentro de la herramienta ATOLL para la planificación de una red de telefonía celular LTE.
1.3.5 Round Robin (RR)
Esta estrategia asigna los recursos a los usuarios de manera cíclica por la misma cantidad de tiempo sin tomar en cuenta las condiciones del canal. Se considera una estrategia justa en el sentido que todos los usuarios tienen la misma cantidad de recursos asignados, pero a la vez es injusta en el sentido que aquellos usuarios con condiciones más favorables obtienen un throughput mayor a los que presentan peores condiciones de canal, que para igualar a los primeros requerirían un mayor número de recursos [9].
Se considera que RR es una estrategia simple y fácil de implementar pero a la vez no es muy eficiente, porque al no tomar en cuenta las condiciones del canal no se garantiza que exista buena calidad en el enlace entre la estación base y el usuario al que se le ha asignado un recurso, lo que se refleja en una reducida capacidad de la celda, y en consecuencia de la red en general, en comparación a otras estrategias [9].
1.3.6 Proportional Fair (PF)
Esta estrategia sí toma en cuenta las condiciones del canal (es channel- aware) y su objetivo es conseguir un equilibrio entre ser una estrategia justa y optimizar el throughput de cada usuario, para ello el scheduler asigna recursos a un usuario cuando la calidad del canal que dicho usuario observa en un determinado momento (calidad instantánea) es mayor a la calidad media que el mismo usuario ha percibido en el tiempo [8].
Siguiendo con la idea, el SRB l es asignado al usuario k con la mayor prioridad que viene definida por:
𝑃𝑘 = 𝑟𝑙(𝑘) 𝑇𝑘(𝑡)
Donde 𝑇𝑘(𝑡) representa el throughput medio que el usuario k ha obtenido en una ventana de tiempo en el pasado y 𝑟𝑙(𝑘) representa la tasa instantánea que el usuario k puede obtener en el SRB l. Una vez que la asignación del SRB se ha llevado a cabo se actualiza el valor del throughput medio 𝑇𝑘(𝑡).
La estrategia PF está diseñada para sacar provecho a la diversidad multiusuario y al mismo tiempo mantener niveles comparables entre los throughputs de los distintos usuarios. Como el scheduler selecciona al usuario con la mejor calidad instantánea sobre calidad media, para cada usuario se evitan los canales donde observan malas condiciones. Además, los usuarios que
han pasado un tiempo a la espera de recursos obtienen mayor prioridad logrando de esta manera una repartición justa
1.3.7 Proportional Demand (PD)
Esta estrategia asigna los recursos de manera proporcional a las demandas máximas de throughput, con lo cual los usuarios que solicitan niveles mayores de throughput máximo obtendrán mayores throughput que aquellos que solicitan menores niveles de throughput máximo [11].
1.3.8 Maximum C/I Scheduler (Max C/I)
En esta estrategia el scheduler asigna los recursos cada TTI a los usuarios que presenten las mejores condiciones SINR. Con esta estrategia se consigue maximizar la capacidad de la celda pero es una estrategia injusta ya que los recursos solo estarán disponibles para los usuarios con las mejores condiciones del canal, y aquellos que se encuentran en los bordes de las celdas (donde se presencian mayores interferencias y atenuaciones) se verán penalizados al punto que no podrán cumplir con los requisitos de QoS [10].
Se debe tener presente que la estrategia que el planificador elija utilizar lo hará de acuerdo a las necesidades específicas que presente la red que dispone ya que como se detalló en los cuatro punto anteriores puede inclinarse por realizar una repartición entre todos los usuarios de la red al utilizar RR y verificar la imparcialidad de la asignación de recursos o aprovechar las condiciones de radio y dando más recursos aquellos que tengan la capacidad al seleccionar PF, además también puede canalizar los recursos según la demanda de cada usuario PD o simplemente obviar a aquellos usuarios que tienen baja relación SINR aplicado Max C/I, para este caso de aplicación se realizará el estudio correspondiente mediante simulaciones para elegir la estrategia que garantice la mayor cantidad de usuarios con buena calidad de servicio en la ciudad de Tucumán.
CAPITULO II
En este capítulo se va a realizar un estudio minucioso de la herramienta de simulación que se utilizará para evaluar las distintas estrategias de Packet Scheduling que se ha revisado y sus distintas funcionalidades para realizar las simulaciones de las red LTE; se trata de ATOLL con su versión 3.1 el cual cuenta con módulo LTE.
2.1 ATOLL
ATOLL es una plataforma (64 bits multi-tecnología) de diseño y optimización de redes inalámbricas tiene integrado capacidades de diseño para redes con tecnología 3GPP (GSM/UMTS/LTE) y 3GPP2 (CDMA/LTE). Es una potente herramienta utilizada por operadores y vendors para evaluar y optimizar sus redes, también se utiliza para: small cell planning y Wi-Fi Offloading.
Incluye un set integrado de herramientas de planificación AFP y ACP permitiendo a los operadores rendimientos mediante tareas de optimización de una simple aplicación utilizando base de datos e infraestructura IT.
Atoll soporta ambientes multiusuario a través de una arquitectura de base de datos que provee derechos de administración, compartición manejo e integración de datos además de una fácil integración con otros sistemas IT, permite automatización de tareas a través de un estándar macro lenguaje e incluye un avanzado Kit de desarrollo de software C++ que facilita la personalización e integración IT.
Una funcionalidad también muy importante es que soporta multi-formato y multi-resolución geográfica. Alta resolución y set de datos urbanos y rurales que son soportados y mostrados interactivamente como multilples capas incluyendo gráficos de ingeniería y predicciones, además posee funcionalidades integradas como editor de cartografía y se integra con herramienta GIS tales como MapInfo y ArcView.
2.1.1 Diseño de una Red LTE en ATOLL
En primer lugar en la planificación de redes inalámbricas se debe recopilar información necesaria del Hardware a instalar, datos de la tecnología a manejar e información geográfica que se utilizará en el despliegue.
Para iniciar se debe crear un nuevo proyecto; se utilizará las plantillas definidas en el software con parámetros específicos de cada tecnología en este caso el template LTE según las especificaciones de 3GPP, seguido a esto se debe agregar los mapas del terreno, emplazamientos (sites), transmisores (transmitters), celdas (cells) y demás parámetros de ingeniería.
ATOLL permite realizar predicciones básicas de cobertura por nivel de señal recibida sin tomar en cuenta las interferencias, éstas comprenden estudios de nivel de señal recibida de distintas señales LTE en cada pixel del mapa, coberturas por transmisor que permite estudiar configuración de la red sin tomar datos de tráfico, también se debe establecer vecindades de cada celda para luego realizar una asignación de frecuencias y evitar en mayor medida las interferencias, además se debe asignar el Cell Id para el procedimiento de selección de celdas; estos dos procedimientos de pueden realizar en forma manual o automática.
En el estudio propuesto es necesario realizar cargas de tráfico a las celdas que conforman la red porque a medida que la carga de una celda se incrementa se reduce el área de cobertura que ésta ofrece, para esto se puede utilizar simulaciones Monte Carlo basadas en mapas de tráfico o listas de usuarios, también se pueden definir valores manualmente para cada celda. Las predicciones en esta etapa se calculan en base a la calidad de la señal recibida tomando en cuenta las interferencias SINR, área de servicio e indicadores de calidad.
Al final se analiza el resultado de las simulaciones y las predicciones de cobertura por calidad de señal para realizar modificaciones, si es necesario en los parámetros configurados para optimizar resultados siendo este el objetivo del proyecto al proponer las diferentes estrategias que se deben adoptar.
2.1.2 Predicciones de cobertura
En ATOLL existen dos tipos de predicciones de cobertura las que permiten analizar los niveles de señal y aquellas que permiten evaluar la calidad de la señal; las primeras no dependen de las condiciones tráfico y de interferencia mientras que las segundas sí.
En el mapa que se mostrará de la simulación cada píxel es considerado como un usuario no interferente que dispone de movilidad y servicio; en cuanto a éste se toman en cuenta los valores de tasa de transferencia máxima y mínima que puede emplear dicho servicio, así como el Throughput y las pérdidas.
La movilidad determina los umbrales de selección de las tasas de transmisión (Bearers) y las curvas de calidad de recepción empleadas en los cálculos ya que los requisitos de C/(I+N) para la selección de diferentes Radio Bearers depende en gran medida de la velocidad del móvil, por último, también se tiene la opción de elegir el tipo de terminal ya que éste influye en la figura de ruido establecida y afectará los cálculos en el Downlink de igual forma que el número de antenas afectará los casos que empleen diversidad.
Las predicciones de calidad de señal se basan en valores de DL Traffic Load y UL Noise Rise establecidos en la tabla de celdas o calculados por simulaciones Monte Carlo para calcular C/(I+N) en cada píxel del mapa, se debe recalcar que el software permite establecer un valor de UL Traffic Load éste solo es un indicador de las cargas de las celdas en el Uplink ya que UL Noise Rise es tomado en consideración en las predicciones; la siguiente tabla muestra las distintas predicciones que pueden realizarse en ATOLL.
Clasificación Nombre Descripción
Por nivel de Señal
Coverage by Signal Level Permite predecir las zonas de cobertura según los niveles de señal del transmisor en cada píxel del mapa Coverage by Transmitter Permite predecir las zonas de cobertura
por transmisor analizando para cada píxel del mapa el mejor transmisor Overlapping Zones Permite calcular las zonas donde existe
cobertura de dos o más transmisores.
Effective Signal Analysis Permite calcular los niveles de señal de diferentes canales utilizados por LTE (SS, PBCH, PDSCH, PDCCH, PUSCH)
Por Calidad de Señal
Coverage by C/(I+N)
Level Permite predecir los niveles de
interferencia y de portadora a interferencia y ruido para cada píxel del mapa.
Service Area Analysis Permite calcular y mostrar los mejores Radio Bearers disponibles para cada píxel del mapa basado en C/(I+N).
Effective Service Analysis Permite mostrar las zonas donde un servicio se encuentra disponible tanto en DL como en UL.
Coverage by Throughput Permite calcular y mostrar para cada píxel del mapa los Channel Throughputs y Cell Capacities basados en los niveles C/(I+N) y en los Radio Bearers disponibles.
Coverage by Quality
Indicator Permite calcular y mostrar diferentes indicadores de calidad (BLER, BER etc) basados en los Radio Bearers y en los niveles deC/(I+N).
Tabla 2.1: Predicciones que se pueden realizar en ATOLL Fuente: Elaboración propia
2.1.3 Simulaciones Montecarlo
El método Montecarlo es un método numérico que permite resolver problemas físicos y matemáticos mediante la simulación de variables aleatorias, fue bautizado así por su clara analogía con los juegos de ruleta de los casinos, el más célebre de los cuales es el de Montecarlo, casino cuya construcción fue propuesta en 1856 por el príncipe Carlos III de Mónaco, siendo inaugurado en 1861.
El uso real de los métodos de Montecarlo como una herramienta de investigación, proviene del trabajo de la bomba atómica durante la Segunda
Guerra Mundial. Este trabajo involucraba la simulación directa de problemas probabilísticos de hidrodinámica concernientes a la difusión de neutrones aleatorios en material de fusión.
Aún en la primera etapa de estas investigaciones, John von Neumann y Stanislao Ulam refinaron esta curiosa “Ruleta rusa” y los métodos “de división”.
Sin embargo, el desarrollo sistemático de estas ideas tuvo que esperar el trabajo de Harris y Herman Kahn en 1948, aproximadamente en el mismo año, Fermi, Metropolos y Ulam obtuvieron estimadores para los valores característicos de la ecuación de Schrödinger para la captura de neutrones a nivel nuclear.
La importancia actual del método se basa en la existencia de problemas que tienen difícil solución por métodos exclusivamente analíticos o numéricos, pero que dependen de factores aleatorios o se pueden asociar a un modelo probabilístico artificial (resolución de integrales de muchas variables, minimización de funciones, etc.) posibilitando la realización de experimentos con muestreos de números pseudoaleatorios en una computadora. A diferencia de los métodos numéricos que se basan en N evaluaciones en un espacio M- dimensional para producir una solución aproximada.
Gracias al avance en el diseño de los ordenadores, cálculos Montecarlo que en otros tiempos hubieran sido inconcebibles, hoy en día se presentan como asequibles para la resolución de ciertos problemas. En estos métodos el error absoluto 1/√N, por tanto, ganar una cifra decimal en la precisión implica aumentar N en 100 veces. La base es la generación de números aleatorios de los que se sirve para calcular las probabilidades [17].
Las Simulaciones que se realizan en el software corresponden a una foto instantánea de la red para determinados usuarios, los resultados principales es la distribución de los mismos geográficamente y su demanda de tráfico , la asignación de los recursos a cada uno de ellos y también la carga de tráfico en las celdas; estos resultados se pueden visualizar también en modo tabla que también muestra información estadística relacionada, en la siguiente figura se muestra el algoritmo que utiliza el software:
Figura 2.1: Algoritmo de simulaciones LTE en ATOLL Fuente: Extraído de [11]
A continuación se realiza una descripción de cada uno de los pasos del algoritmo:
1. Generación de usuarios.- ATOLL realiza una distribución de usuarios mediante el algoritmo Monte Carlo. Los usuarios son generados utilizando una distribución de Poisson basándose en los mapas de tráfico que contienen la información de entorno (Environment); en este sentido, cada móvil generado tiene asignado un servicio, una movilidad y un tipo de terminal de acuerdo al perfil de usuario que se le ha asignado previamente. También se determina para cada móvil el status de
transmisión (p. ej. inactivo, activo en el DL, activo en el UL o activo en DL y UL) de acuerdo a las probabilidades de actividad para cada servicio.
Cabe destacar que el status del móvil influye directamente en los siguientes pasos del proceso de las simulaciones tanto en los cálculos de RRM como en los cálculos de interferencia.
2. Determinación de la mejor celda servidora.- Se determina la mejor celda servidora para cada móvil según los niveles de señal recibidos en el downlink de las señales de referencia de los distintos transmisores siendo seleccionada aquella con mejor señal recibida.
3. Determinación del área de servicio.- Para cada móvil se determina si se encuentra dentro del área de servicio de la celda seleccionada como mejor servidora para esto se debe cumplir que el EPRE de la señal de referencia recibido por el móvil sea mayor o igual al mínimo RSRP definido para la celda.
4. Cálculos en el Downlink.- Se calcula la C/(I+N) de las señales de referencia, SS, PBCH, PDSCH y PDCCH para cada móvil en el downlink, se determina el mejor Bearer disponible según la C/(I+N) del canal PDSCH, se calcula el Channel Throughput en la ubicación del móvil, se realiza la asignación de los recursos a los usuarios de cada celda de acuerdo a las prioridades de los servicios y a las demandas de throughput y por último se calcula el User Throughput de cada usuario según los recursos que le fueron asignados.
5. Cálculos en el Uplink.- De forma similar al downlink, en el uplink se calcula la C/(I+N) de los canales PUSCH y PUCCH, se determina el mejor Bearer disponible según la C/(I+N) de los canales PUSCH y PUCCH, se realiza el control de potencia en el uplink, se calcula el Channel Throughput, se lleva a cabo la asignación de los recursos y se calcula el User Throughput de cada usuario.
6. Resultados.- Una vez que se han asignado los recursos a todos los móviles se actualizan los valores de Traffic Load y UL Noise Rise de acuerdo a la cantidad total de recursos en uso en cada celda. De acuerdo a los valores de UL Noise Rise y Max UL Noise Rise de cada celda se realiza el control de potencia de transmisión de los móviles de las celdas vecinas para ser tomados en cuenta en las siguientes iteraciones, este proceso se repite hasta su convergencia que es cuando finaliza la simulación y se muestran los resultados principales: Downlink Traffic
