Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G baseados em MC-CDMA
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Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G baseados em MC-CDMAValdemar Monteiro
Provas de Mestrado - Universidade de Aveiro, 21 de Julho de 2005
Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G
baseados em MC-CDMA
Valdemar Celestino Monteiro
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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
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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
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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
DifusãoDigital
Canal de Download
Rede Core baseada em Pacotes
Serviços e Aplicações
Móveis 2ª Ger. IMT-2000
Conectividade à Curta Distência
WLAN
Ligação por fioxDSL
Novas Interf. Rádio
outras entidades
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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
Id dos Códigosde Espalhamento
Grupo deSub-Portadoras
Id dos SlotsdeTempo1 2 3
12
3
32
1
23
Slot de tempousado para o UL
Código 1 (DL)
Código 2 (DL)
Códigos 3 a 32 (DL)
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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
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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
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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
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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)
Módulo da Inteface IP
Saída 1Ficheiros
Ficheiro de Captura da
rede
Configuração
Saída 2 Simulador de Sistema
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Simulação a nível de sistema Interface IP (II)
• Ficheiro de texto– Um ficheiro por parâmetro– Parâmetros organizados
por StreamsStream = comb[End_origem,
End_destino, Id_fluxo]
Pacote Pacote Pacote Pacote
Streamde Pacotes
• Alterações pouco significativas se mais parâmetros forem necessários (indexação etc.)
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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
Router Router
Nó 1 Nó 2
Camadassuperiores
Camadafísica
Scheduler
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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
Estação Base
Camadassuperiores
Camadafísica
Scheduler
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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
))attempTx#,type(W)out_time,type(W)(SIR,type(WriorityP 321
Camadassuperiores
Camadafísica
Scheduler
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Algoritmos de schedulingAlgoritmo de Projecto (II)
• Função da fiabilidade da transmissão
W(SIR)
0
1
2
3
W(S
IR)
Alvo Alvo + Limiar
LimiarAlvoSIR se
LimiarAlvoSIRAlvo se
AlvoSIR se
SIRServiçoW
2
1
0~
),(1
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• Função do tempo de espera
• Função do numero de tentativas de transmissão
Algoritmos de schedulingAlgoritmo de Projecto (III)
Time-Out Weight Function
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 5 10 15 20 25
W(T
ime_
Out
)
MaxAtraso
Tempo de espera
Função Tempo de espera do pacote
W(t
em
po
De
Esp
era
)
)eraTempoDeEspMaxAtraso(k)eraTempoDeEsp,Serviço(W 2
Attempted Transmission Weight
0
1
2
3
0 1 2
W(A
ttem
pTx)
Tentativas Tx
Função tentativas Tx
W(t
empo
DeE
sper
a)
2Tx Attemp if 2
1Tx Attemp if 1
0Tx Attemp if 0
3 ),( AttempTxTypeW
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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
Alocação Dinâmica de Recursos
Scheduler
Recursos
Fontes
IQS
TTI
Fonte
Slot
Codigo
MCS
nBits
ARQ
Adaptação Link
MC1
MC2
MC3
MCN
Fonte 1 ,1 Fonte 1, 2 Fonte 2 , 1
Fonte I , j
Fonte
W 1 ( SIR )
W 2 (time - out) W 3 (nTx)
QoS
Lista ARQ
ARQ 1, 1
ARQ 1, 2
ARQ 2 , 1
ARQ 2 , 2
ARQ n , 1
ARQ n , 2
)) # , ( ) _ , ( )( , ( P 3 2 1 attempTx type W out time type W SIR type W riorida
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Algoritmos de schedulingCenário de simulação
Ambiente de simulação Urbano
Raio da célula 300 m
Tipo de célula(Omni ou sectorizada)
Omni
Velocidade do móvel 3km/h
Modelo de canal – Perdas por propagação e desvanecimento lento Modelo de canal urbano
Modelo de canal - desvanecimento rápido
ETSI BRAN E(18 taps e Atraso max. 1.76µs)
Interface com camada física MATRICE Interface de Valor Actual
Serviços Voz e Web simultaneamente
Número de utilizadores de voz 20
Número de utilizadores de Web 9
Duração da trama 10 ms
Número de slots de tempo alocados para DL 1
Número de códigos de espalhamento alocados para dados 30
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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)))SIR(Maxarg(riorityP i_User
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Algoritmos de schedulingResultados (I)
SIR – Alvo-13.5 dB (Web)-13.9 dB (Voz)
SIR – Limiar (sobre o alvo) 15 dB
Factor de prioritização do atraso
0.75
H-ARQ Número de transmissões
1 Tx p/ Voz3 Tx p/ Web
Scheduling de prioridade – Parâmetros de referência
Serviço de voz
CDF BLER e Atraso de Transferência
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Algoritmos de schedulingResultados (II)
Scheduling de prioridade – Parâmetros de referência
Serviço de Web
Pacotes que atingiram deadline vs. recebidos erradamente
Serviço de Voz
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Algoritmos de schedulingResultados (III)
Scheduling de referência: max(C/I)
Serviço de WebServiço de Voz
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Algoritmos de schedulingResultados (IV) Throughput da célula
Métrica(media por célula)
Prioridade Parâmetros de
referência SIR Máximo
OTA 566 kbps 588 kbps
Th. de Serviço 400 kbps 426 kbps
Razão Th. Serv/OTA
0.707 0.724
Serviço Satisfeito 270 kbps 277 kbps
RazãoServSatisf /ThServ
0.676 0.650
Número médio de Tx p/ bloco (Web)
1.13 1.39
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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
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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
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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
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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
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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
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Obrigado