Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G baseados em MC-CDMA

1. Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G baseados em MC-CDMA Valdemar Celestino Monteiro

2. Resumo • Motivação • Definição do cenário da 4ª geração • Modelo de simulação a nível de sistema • Algoritmos de scheduling • Cenário de simulação • Resultados numéricos • Conclusões • Sugestões para trabalho futuro

3. Motivação • Comunicações móveis evoluem para a 4ª geração • Rede core baseada em pacotes (All-IP) • Componente de banda larga • Elevada largura de banda (da ordem das fornecidas actualmente pelas LANs) • Suporta ambientes de grandes velocidades • MC-CDMA (TDD) tecnologia candidata • Flexibilidade no domínio Tempo-Código-Frequência • Desafio: Optimizar a gestão de recursos para reagir a variações instantâneas • No canal rádio • No tráfego dos utilizadores • Arquitectura de Alocação Dinâmica de Recursos (DRA) • Que pacote a servir? • Que recurso rádio deve ser utilizado? (Potência, Modulação etc.) Scheduling de Pacotes

4. Cenário da 4ª GeraçãoMúltiplos sub-sistemas • Tentativa de definição do cenário da 4ª geração considera: • Rede de sistemas onde qualquer utilizador terá ligação a qualquer sistema a qualquer hora de forma eficiente em termos do custo

5. Sistemas móveis da 4ª Geração Sistema do projecto MATRICE • Tecnologia baseada em MC-CDMA • Técnicas avançadas de processamento • Cancelamento de interferência • Estimação de canal • Detecção multi-utilizador • Alocação Dinâmica de Recursos na camada MAC • Na fase inicial a cobertura não será completa como esperada com o UMTS • Inter-operabilidade com o UMTS-TDD • LB=50Mhz, adaptável (múltiplo de 5MHz) • Banda dos 5GHz • Trama MC-CDMA • Tempo-código-frequência • 3 slots (mesma duração do UMTS) • 23 grupos de 32 subportadoras • Símbolo de dados espalhado num grupo de subportadoras em um de 32 códigos ortogonais de comprimento 32

6. Simulação a nível de sistema Requisitos, desafios e soluções • Avaliação fiável da capacidade do sistema • Desempenho do sistema a nível da físico deverá ser levado em conta • Complexidade elevada (tempos de simulação) quando plataformas heterogéneas são usados em simultâneo • Simulação simultânea de transmissão a nível de bit (nível físico) e a nível de trama (nível de sistema) deverá ser evitada • Avaliação da capacidade de sistema deve explorar interfaces simplificadas • Interfaces com a camada ligação – Tabelas de acesso directo • Mapeamento de SIR ao BLER (bloco) • Interfaces implementadas • Interface de valor médio • Interface de valor actual

7. Simulação a nível de sistema Interface de valor médio • Aplicações do tipo tempo real • Tempo de chamada/sessão longo • Avaliação da qualidade da ligação em período relativamente longo quando comparado com o tempo de coerência do canal • Tabelas obtidas segundo as seguintes condições • Durante o período de avaliação do sistema (Tqos) • Ligação encontra-se activa • Tráfego é estacionário • Atribuição de potência constante • Número de desvanecimentos rápidos deve ser suficientemente grande de modo que seja aplicada a lei dos grandes números

8. Simulação a nível de sistema Interface de valor actual • Ligações do tipo comutação de pacotes • Tempo de chamada/sessão relativamente curto • Período associado à transmissão de pacote curto (duração do slot) da ordem de grandeza do tempo de coerência do canal • Tabelas obtidas nas seguintes condições • Perdas por propagação e desvanecimento lento considerados constantes durante o período Tslot • Os percursos associados ao desvanecimento rápido são mutuamente independentes • Cancelamento perfeito de interferência

9. Simulação a nível de sistema Interface IP (I) • Interface do simulador de sistema com tráfego IP da rede • Baseada na rede IPv6 • Características bem definidas de QoS • Acesso através de ficheiros de captura • Parâmetros de tráfego extraídos de cada pacote (armazenados em ficheiros de texto) • Endereço de origem • Endereço de destino • Instante de chegada • Tamanho • Classe de serviço (DSCP de DiffServ)

10. Simulação a nível de sistema Interface IP (II) • Ficheiro de texto • Um ficheiro por parâmetro • Parâmetros organizados por Streams Stream = comb[End_origem, End_destino, Id_fluxo] • Alterações pouco significativas se mais parâmetros forem necessários (indexação etc.)

11. Algoritmos de schedulingRedes Cabladas • Canal praticamente invariante comparado com tempo de sessão • Políticas de scheduling de pacotes ditadas essencialmente por • Limites de atraso • Largura de banda imposta para classe de serviço e/ou utilizador • Três grandes categorias • Fair queuing • Baseados em deadline • Baseados no ritmo de transmissão

12. Algoritmos de schedulingRedes rádio móvel • Dinâmica inerente • Utilizadores “entram” e “saem” do sistema • Movem-se durante as sessões (variação do canal rádio) • Pacotes com destinos diferentes estão associados a diferentes níveis de sinal e interferência • O Scheduler que não tem em conta o estado do canal terá um fraco desempenho

13. Algoritmos de schedulingAlgoritmo de Projecto (I) • Prioritização de pacotes com base em • Informação da camada física • Fiabilidade da transmissão • Informação de camada superior • SIR alvo • Limites de atraso da aplicação • Função de prioridade combina pesos associados a • Fiabilidade, W1 • Time_out, W2 • Número de transmissões efectuadas, W3

14. Algoritmos de schedulingAlgoritmo de Projecto (II) • Função da fiabilidade da transmissão

15. Algoritmos de schedulingAlgoritmo de Projecto (III) • Função do tempo de espera • Função do numero de tentativas de transmissão

16. Algoritmos de schedulingDRA Implementado • Estrutura do DRA baseado no HSDPA do UMTS • Inclui • Codificação e modulação adaptativa • ARQ Híbrido com Chase combining • 30 dos 32 códigos alocados para dados • BS transmite com a potência máxima • 70% da potência total alocada para dados, dividida igualmente pelos códigos

17. Algoritmos de schedulingCenário de simulação

18. Algoritmos de schedulingSimulação – Métricas de desempenho • Utilizador (utilizador satisfeito) • BLER • Atraso de transferência • Célula • Throughput sobre a Interface Ar • Throughput de serviço • Serviço satisfeito • Algoritmo proposto comparado com max(C/I)

19. Algoritmos de schedulingResultados (I) Scheduling de prioridade – Parâmetros de referência CDF BLER e Atraso de Transferência Serviço de voz

20. Algoritmos de schedulingResultados (II) Scheduling de prioridade – Parâmetros de referência Serviço de Voz Serviço de Web Pacotes que atingiram deadline vs. recebidos erradamente

21. Algoritmos de schedulingResultados (III) Scheduling de referência: max(C/I) Serviço de Voz Serviço de Web

22. Algoritmos de schedulingResultados (IV) Throughput da célula

23. Algoritmos de schedulingAnálise de resultados • Melhores resultados de Throughput da célula para Scheduler max(C/I) • 72.4% de eficiência (Service/OTA) comparado com 70.7% com scheduling de prioridade • Melhores resultados de QoS (Serv_Satisf/Th_serv) com scheduling de prioridade • 66.7% de eficiência comparado com 65% com max(C/I) • Resultados mostram que aumento da quantidade de tráfego com qualidade de serviço é obtido à custa da diminuição do Throughput da célula; • Resultados obtidos sem inclusão de política de admissão de utilizadores, o que levaria de certo a melhores resultados de desempenho

24. Conclusões (I) • Foi proposto e avaliado um algoritmo de atribuição de recursos a pacotes com o objectivo de maximizar o Throughput da célula mantendo o QoS dos utilizadores; • O algoritmo proposto revela.se mais adequado para scheduling de pacotes quando requisitos de serviço devem ser levados em conta; • Resultados mostram que aumento de cerca de 2.5% na satisfação de utilizadores (Th_satisfeito/Th_serviço) é obtido com a diminuição de 1.7% no Throughput da célula (Th_serviço/OTA) • O algoritmo proposto fornece um compromisso entre qualidade de serviço e Throughput do sistema

25. Conclusões (II) • O principal benefício do algoritmo proposto reside na flexibilidade que permite ‘afinar’ o Scheduler com parametrização adequada para o controlo do Throughput do sistema • A alocação dinâmica de recursos é um processo complexo em que o Throughput final depende não só das políticas de scheduling como também de adaptação da ligação e processo de ARQ; • Simulação é um processo delicado e as interfaces utilizadas para o efeito foram apresentadas • Interfaces com a camada física: de valor médio e valor actual • Apresentou-se igualmente uma interface relativamente simples que permite ao simulador operar com tráfego IP da rede

26. Sugestões para trabalho futuro • Avaliação dos algoritmos de scheduling com inclusão Controlo de Admissão de Utilizadores • Análise optimizada do número de blocos com pacotes de cada serviço em simultâneo num slot de tempo • Analise da complexidade na sinalização inerente à flexibilidade associada ao recurso elementar • Estudo do desempenho do DRA com técnicas alternativas de HARQ, como por exemplo Redundância Incrementada

27. Agradecimentos Este trabalho foi financiado pelo Projecto MATRICE (IST-2001-32620). O autor gostaria de agradecer à Universidade de Surrey pela utilização do simulador de sistema e à France Telecom R&D pelas melhorias introduzidas no módulo de DRA do mesmo

28. Obrigado