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2013 123 Israel Guío Muñoz Gestión de Recursos Radio en Redes Móviles Celulares Basadas en Tecnología OFDMA para la Provisión de QoS y Control de la Interferencia Departamento Director/es Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Hernández Solana, María Ángela Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Israel Guío Muñoz GESTIÓN DE RECURSOS RADIO EN REDES MÓVILES CELULARES BASADAS EN TECNOLOGÍA OFDMA PARA LA PROVISIÓN DE QOS Y CONTROL DE LA INTERFERENCIA Director/es Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Hernández Solana, María Ángela Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Universidad de Zaragoza Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Gestión de Recursos Radio en Redes Móviles Celulares Basadas en Tecnología OFDMA para la Provisión de QoS y Control de la Interferencia Tesis doctoral Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles (TICRM) Autor: Israel Guío Muñoz Directora: Dra. Ángela Hernández Solana Zaragoza, 2013 Agradecimientos A mi directora Ángela Hernández, por su inestimable ayuda e infinita paciencia durante todo el proceso de elaboración de esta tesis. A los excompañeros del GTC, por estar siempre dispuestos a echar una mano y por el buen ambiente que creaban cada día. A los amigos de aquí y de allá, por acompañarme a lo largo de todos estos años y darme el apoyo que necesitaba cuando más lo necesitaba. A mi familia, y en especial a mis padres, por los esfuerzos realizados y el incondicional apoyo en todo momento. Sin vosotros, esto no hubiera sido posible. Gracias. I Índice de Contenidos Lista de Figuras ................................................................................V Lista de Tablas ............................................................................... XI Lista de Acrónimos ..................................................................... XIII 1 - Introducción ................................................................................ 1 1.1 Motivación y objetivos de la tesis ............................................................. 1 1.2 Estructura de la tesis ................................................................................ 6 2 - Estado del Arte ............................................................................ 9 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha ................. 10 2.1.1 Modulación OFDM ..........................................................................11 2.1.2 Acceso Múltiple OFDMA ................................................................ 18 2.1.3 Diferencias entre los estándares de comunicaciones móviles de banda ancha basados en OFDMA ............................... 23 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente ............... 27 2.2.1 Mitigación de interferencias ........................................................... 29 2.2.2 Cancelación de interferencias ........................................................ 33 2.2.3 Coordinación de interferencias ...................................................... 34 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS .................................. 62 II 2.3.1 Propuestas para el Scheduling Frecuencial ................................... 72 2.3.2 Propuestas para el Scheduling Temporal ..................................... 80 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación Dinámica de Subportadoras y Potencia .......................................... 93 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura ................................................................................................. 96 3.1.1 Modelo Básico del Sistema ............................................................. 96 3.1.2 Mecanismos de Coordinación de ICI ............................................. 99 3.1.3 Evaluación de los Mecanismos de Coordinación de ICI .............. 105 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y recursos frecuenciales .......................................................... 119 3.2.1 Aspectos Comunes de Diseño para los Algoritmos de Asignación de Recursos ............................................................... 122 3.2.2 Descripción de los Algoritmos de Asignación de Recursos ......... 128 3.2.3 Evaluación de prestaciones.......................................................... 138 3.3 Comparativa de los mecanismos de control de la ICI y asignación de recursos considerando la evolución temporal del sistema .................................................................................................. 155 3.3.1 Condiciones de simulación ........................................................... 158 3.3.2 Resultados de las simulaciones ................................................... 163 3.4 Conclusiones ......................................................................................... 173 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica de Potencia, Subportadoras y MCS, y Provisión de QoS ..................... 179 4.1 Análisis de la variabilidad de la ICI en sistemas FFR con diferentes mecanismos de CQI ............................................................. 182 4.1.1 Algoritmos de asignación de recursos considerados ................... 184 4.1.2 Evaluación de las propuestas ....................................................... 193 4.1.3 Conclusiones ................................................................................. 202 IX Figura 4.27: Comparación del retardo para las estrategias de scheduling temporal ...................................................................................................... 247 Figura 4.28: Tasa de descarte para ambos servicios con FFR y FFRopa ......... 250 Figura 4.29: Número medio de TUs para cada servicio y zona con FFRopa .... 252 Figura 4.30: Retardo promedio de TUs para ambos servicios con FFR y FFRopa ........................................................................................................ 254 Figura 5.1: Prestaciones en el descarte de TUs al aplicar reúso a nivel de sector ........................................................................................................... 266 Figura 5.2: Impacto de la ordenación en el reúso unidad a nivel de sector ..... 267 Figura 5.3: Comparación entre FFRopa-RB-R y FFRopa-MCS-R .................... 268 Figura 5.4: Definición de la zona de frontera .................................................... 269 Figura 5.5: Esquema de despliegue del algoritmos FSRopa .............................. 271 Figura 5.6: Definición de subbandas en el algoritmos FSRopa-FS_Sec .......... 272 Figura 5.7: Definición de subbandas en el algoritmos FSRopa-FS_Est ........... 273 Figura 5.8: Esquema de despliegue del algoritmo FSRopa-VF ........................ 275 Figura 5.9: RBs asignables en el interior y frontera con FSRopa-VF en cada sector ........................................................................................................... 276 Figura 5.10: RBs asignables en el exterior y en la frontera con FSRopa-VF .... 277 Figura 5.11: Ejemplos de asignación de RBs para las variantes de FSRopa-VF .................................................................................................. 278 Figura 5.12: Tasa de descarte para los algoritmos FSRopa y FSRopa-FS ........ 283 Figura 5.13: Tasa de BLER para los usuarios de frontera en FSRopa y FSRopa-FS ................................................................................................... 284 Figura 5.14: Tasa de descarte para los algoritmos FSRopa-VF......................... 285 Figura 5.15: Ganancia en capacidad al aplicar reúso a nivel de sector ............. 286 X Figura 5.16: Satisfacción de tasa para algoritmos de reúso unidad a nivel de sector ........................................................................................................... 287 XI Lista de Tablas Tabla 2.1: Numerología para WiMAX móvil (PUSC) y LTE a 5MHz .................. 18 Tabla 3.1: Pedestrian-A extendido (3km/h) ....................................................... 111 Tabla 3.2: Typical Urban extendido (120km/h)................................................. 112 Tabla 3.3: Parámetros de simulación ................................................................. 114 Tabla 3.4: Valores de las máscaras de potencia (dBm/RB) ............................... 115 Tabla 3.5: Parámetros relacionados con los UEs .............................................. 126 Tabla 3.6: Parámetros relacionados con los RBs ............................................... 127 Tabla 3.7: Parámetros relacionados con la potencia .......................................... 127 Tabla 3.8: Parámetros adicionales de simulación .............................................. 141 Tabla 3.9: Máscaras de potencia para los algoritmos FFS y AFS ..................... 143 Tabla 3.10: Máscaras de potencia para FFR_cell2mask ................................... 143 Tabla 3.11: Porcentajes de acceso con carga homogénea ................................... 145 Tabla 3.12: Porcentajes de acceso con carga heterogénea ................................. 151 Tabla 3.13: Parámetros del modelo de tráfico .................................................... 159 Tabla 3.14: Porcentajes de asignación para cada algoritmo a 3km/h ............... 165 Tabla 3.15: Porcentajes de asignación para cada algoritmo a 120km/h ........... 170 XII Tabla 4.1: Máscaras de potencia para los algoritmos basados en FFR .............. 194 Tabla 4.2: Parámetros generales del sistema .................................................... 220 Tabla 4.3: Capacidad de la celda para cada algoritmo ...................................... 229 Tabla 4.4: Comparativa de FFR y FFRopa (Capacidad / Retardo promedio) .. 248 Tabla 4.5: Capacidad con FFR y FFRopa para dos servicios ............................ 250 Tabla 5.1: Máscaras de potencia para reúso unidad a nivel de celda ............... 265 Tabla 5.2: Máscaras de potencia para reúso unidad a nivel de sector .............. 265 Tabla 5.3: Máscaras de potencia para el algoritmo FSRopa ............................. 282 Tabla 5.4: Máscaras de potencia para los algoritmos FSRopa-FS .................... 282 Tabla 5.5: Máscaras de potencia para los algoritmos FSRopa-VF ................... 282 XIII Lista de Acrónimos 3GPP 3 rd Group Partnership Project AFS Adaptive Frequency Sectorization ARQ Automatic Request Response BLER Block Error Rate BS Base Station BSC Base Station Controller C 3 WPF Class and Channel Condition Weighted Proportionally Fair Scheduler CDF Cumulative Density Function CP Cyclic Prefix CQI Channel Quality Indicator CSI Channel State Information DC Direct Current DFT Discrete Fourier Transform EDF Earliest Deadline First EXP Exponential Rule XIV FD Frequency Domain FDD Frequency Division Duplex FDM Frequency Division Multiplex FFR Fractional Frequency Reuse FFT Fast Fourier Transform FTP File Transfer Protocol GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile HARQ Hybrid Automatic Repeat Request HoL Head of Line ICI Inter-Cell Interference ICIC Inter-Cell Interference Coordination IDMA Interleave Division Multiple Access IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform IP Internet Protocol ISD Inter-Site Distance LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MCS Modulation and Coding Scheme MIMO Multiple Input Multiple Output MLWDF Modified Largest Weighted Delay First MMPF Modified Multistream Proportional Fair M-LDF Modified Largest Delay First XV NACK Not Acknowledge NPU Non-Prioritary User nRT Non-Real Time OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OWFQ Opportunistic Weighted Fair Queueing PDF Probability Density Function PDOR Packet Delay Outage Ratio PF Proportional Fair POD Phase Offset Diversity PU Prioritary User PUSC Partial Usage Subchannelization QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying QoS Quality of Service RB Resource Block RE Resource Element RNC Radio Network Controller RT Real Time SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SINR Signal to Interference and Noise Ratio SNR Signal to Noise Ratio TD Time Domain TDD Time Division Duplex XVI TDOA Time Difference Of Arrival TTI Transmission Time Interval TU Transport Unit UE User Equipment UEPS Urgency and Efficiency Based Packet Scheduling UMB Ultra Mobile Broadband UMTS Universal Mobile Telecommunications System WCDMA Wireless Code Division Multiple Access WFQ Weighted Fair Queueing WFO Weighted Fair Opportunistic WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access 1 Capítulo 1 1 - Introducción 1.1 Motivación y objetivos de la tesis Las comunicaciones móviles han experimentado un crecimiento significativo en los últimos tiempos gracias a que son capaces de proveer de servicios de comunicaciones a los usuarios en cualquier lugar y en condiciones de movilidad, funcionalidades que son muy valoradas por los usuarios. Por su parte, los usuarios demandan servicios cada vez más restrictivos y con mayores requisitos para la red. Desde las primeras redes móviles, en las que el tráfico cursado era básicamente de voz, se ha pasado a redes de alta capacidad en las que la voz es simplemente uno más de los múltiples servicios ofrecidos: tráfico de datos, videoconferencia, videostreaming, etc. Cada uno de los estos servicios presenta unos requisitos específicos en cuanto a tasa promedio o retardo de los paquetes. El cumplimiento de estos requisitos determina la satisfacción que los usuarios obtienen de los servicios proporcionados. El crecimiento en el tráfico demandado por los usuarios a través de las redes móviles, así como las diferentes tipologías del mismo, requiere del diseño de tecnologías de transmisión y procedimientos cada vez más eficientes y versátiles 1.1 Motivación y objetivo de la tesis 2 para dar soporte a dicho crecimiento de la demanda. Solo a modo de ejemplo, en pocos años se ha pasado de sistemas con conmutación de circuitos, donde la reserva de recursos para la transferencia de información se realizaba al inicio de la conexión y se mantenía hasta el fin de esta, a sistemas con multiplexación estadística de paquetes, que permiten gestionar más eficientemente los escasos recursos disponibles y aumentar el número de usuarios soportados. Y lo mismo sucede con las tecnologías de acceso radio, donde la búsqueda de la máxima utilización del espectro disponible lleva a diseñar tecnologías de banda ancha cada vez más complejas que permitan cursar una gran tasa de datos y a usuarios en muy distintas condiciones, al tiempo que se requiere una gran flexibilidad en lo que se refiere a la gestión de recursos radio para poder adaptarse así a la naturaleza cambiante de la carga de la red, tanto en volumen como en distribución de la misma. En este sentido, las soluciones tecnológicas que se están imponiendo en los nuevos sistemas móviles de banda ancha están basadas en la técnica de capa física OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), y su correspondiente esquema de acceso múltiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Esta tecnología es muy robusta frente al problema de la propagación multicamino, permite un uso eficiente del espectro y ofrece gran flexibilidad en la gestión de los recursos radio. Sin embargo, para que un sistema basado en OFDMA resulte verdaderamente eficiente, es preciso diseñar procedimientos de gestión de recursos radio y acceso al medio (MAC: Medium Access Control) que aprovechen dicha flexibilidad para obtener la máxima utilización del espectro disponible y dar servicio a un gran número de usuarios (UE: User Equipment) con diferentes tipos de servicios. El espectro disponible para las comunicaciones radio es un bien muy escaso. Para dar cabida a la alta demanda de tráfico por parte de los usuarios es necesario aplicar esquemas agresivos de reúso por el que las estaciones base (BS: Base Station) reutilizan los recursos radio de otras celdas vecinas. En concreto, los sistemas modernos pretenden maximizar el uso del espectro tomando como 9 Capítulo 2 2 - Estado del Arte El objetivo de esta tesis es el desarrollo de algoritmos de asignación de recursos radio para el control de la interferencia intercelular (ICI) y provisión de QoS en el enlace descendente en el contexto de redes móviles de banda ancha basadas en tecnología OFDMA. Dado que la ICI (y en su caso la interferencia intersector) es un factor limitante en las prestaciones ofrecidas por los algoritmos de asignación de recursos, en el diseño de los mismos se prestará especial atención al control de la interferencia generada a otras celdas. Para contextualizar el trabajo realizado en esta tesis, se presenta a continuación una revisión bibliográfica general del entorno de las redes de banda ancha basadas en OFDMA. En primer lugar se realizará una breve descripción de dicha tecnología radio, para centrarnos a continuación en los mecanismos de control de la ICI más destacados, estudiando sus prestaciones tanto en términos de calidad de señal como de accesibilidad a los recursos, y analizar después distintas propuestas existentes en lo que se refiere a la asignación de recursos radio en redes de alta capacidad. 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 10 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha La tecnología OFDMA se ha convertido en el estándar de facto para las redes móviles de banda ancha puesto que presenta un buen número de características que la hacen adecuada para este tipo de sistemas. Dicha tecnología se aplica con ligeras modificaciones en los sistemas WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), tanto en su versión para terminales fijos [IEEE 802.16 Working Group, 2004] como para terminales móviles [IEEE 802.16 Working Group, 2005], en el sistema LTE (Long Term Evolution) [TS36.211, 2009], así como en el sistema WiBro [Korean Telecommunication Technology Association, 2004] desarrollado en Corea y en UMB (Ultra Mobile Broadband) [3GPP2 Technical Specification Group C, 2008], creado por el 3GPP2 como evolución de CDMA2000. Estos dos últimos sistemas han perdido importancia debido a la aceptación general que tienen los sistemas WiMAX y LTE en todo mundo, que se han convertido en los estándares principales para los futuros sistemas móviles de banda ancha OFDMA. A grandes rasgos, la tecnología de acceso OFDMA, que se deriva de la modulación OFDM, se basa en dividir el ancho de banda total del sistema en un número elevado de subportadoras que cumplen con determinadas propiedades de ortogonalidad entre ellas. Cada una de estas subportadoras transporta un símbolo de datos distinto, lo que permite adaptar la transmisión de cada símbolo a las condiciones de canal y combatir mejor los efectos de la propagación multicamino. Por otra parte, la ortogonalidad evita la aparición de interferencia entre subportadoras adyacentes y elimina la necesidad de bandas de guarda, mejorando la eficiencia espectral frente a soluciones tipo FDM. Estas ventajas, propias de OFDM, se extienden al aplicar esquema de acceso múltiple OFDMA, que permite transmitir simultáneamente información de los distintos usuarios móviles que comparten el canal repartiendo entre ellos las Capítulo 2 – Estado del Arte 11 subportadoras existentes en cada símbolo temporal. A efectos prácticos, se crea una estructura de recursos en 2 dimensiones (tiempo y frecuencia) que el nivel de control de acceso al medio (MAC) deberá repartir entre los usuarios de la forma más eficiente posible. Se analizan a continuación con mayor detalle las características específicas de OFDMA y derivadas de OFDM. 2.1.1 Modulación OFDM La modulación OFDM puede verse como un caso especial de modulación multiportadora en la que las subportadoras se definen de tal forma que presentan ortogonalidad entre ellas. El flujo de datos de alta velocidad se divide en N C flujos de menor tasa que son transmitidos en paralelo en las N C subportadoras. Esto hace que la duración neta del símbolo que viaja en cada subportadora sea mayor y así es más robusto frente a variaciones del canal. El conformado de los símbolos modulados es tan simple como un pulso rectangular, cuya duración (T b ) determina el tiempo que compone un símbolo de datos. Este conformado implica que en frecuencia, cada subportadora será una Sinc al cuadrado, tal y como se muestra en la Figura 2.1 y se describe en la ecuación (2.1). -1/T b 0 -2/T b -3/T b 1/T b 2/T b 3/T b f Figura 2.1: Espectro de una subportadora OFDM con conformado rectangular 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 12 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2b b b sen T f P f Sinc T f T f π ππ ⋅ ⋅   = ⋅ ⋅ =   ⋅ ⋅   (2.1) Como se puede comprobar en la Figura 2.1, el espectro de una subportadora presenta un cero de potencia en los valores múltiplos de 1/T b distintos de cero. Por tanto, se pueden transmitir simultáneamente y sin interferencia mutua distintas subportadoras siempre y cuando la separación entre ellas ∆f sea múltiplo de 1/Tb, como se muestra en la Figura 2.2. Esta forma de modular proporciona un mayor aprovechamiento del espectro puesto que las subportadoras presentan realmente solapamiento en frecuencia. Lógicamente, la pérdida de ortogonalidad entre las subportadoras, debida por ejemplo a imperfecciones de los equipos o a efectos del canal que se describen más adelante, supone que las subportadoras comienzan a interferirse entre ellas, lo que se denomina interferencia intersimbólica. Esto provoca un aumento de la tasa de error en la demodulación de los símbolos de datos. Figura 2.2: Espectro de una señal OFDM De forma esquemática, la estructura de un modulador y un demodulador OFDM básico se muestra en la Figura 2.3. La secuencia de símbolos de datos a j se separa en N C flujos paralelos que se modulan con la frecuencia f j Capítulo 2 – Estado del Arte 13 correspondiente y se suman para obtener el símbolo OFDM transmitido. Por tanto, la señal OFDM puede verse como una suma de N C sinusoides de duración T b segundos, cada una de las cuales se multiplica por un símbolo complejo de la modulación considerada. Del mismo modo, el demodulador multiplica el símbolo OFDM recibido por cada una de las sinusoides y realiza la integración en el periodo de duración del símbolo (T b ). Gracias a las restricciones impuestas en cuanto a la separación frecuencial entre subportadoras, durante el periodo de integración T b existe un número entero de periodos de cada una de las sinusoides. Así, al multiplicar en cada rama por una sinusoide e integrar, las componentes del resto de subportadoras quedan anuladas y se recupera en cada rama el símbolo a j transmitido en la subportadora correspondiente. Serie a Paralelo 1 2 Nc j f t e π − 1 2 j f t e π 0 2 j f t e π 0 a 1 a 1 c N a − 0 1 1 , ..., c N a a a − a) Modulador OFDM 0 2 j f t e π − 1 2 j f t e π − 1 2 Nc j f t e π − − 0 a 1 a 1 c N a − b) Demodulador OFDM Figura 2.3: Esquema del modulador (a) y demodulador (b) OFDM 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 14 Las propiedades especiales de la señal OFDM hacen que las estructuras de modulación y demodulación puedan implementarse digitalmente de forma sencilla y eficiente mediante la transformada rápida de Fourier (FFT: Fast Fourier Transform) para la demodulación y su correspondiente operador inverso transformada inversa rápida de Fourier (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) para el proceso de modulación. Para poder utilizar estos operadores deben satisfacerse las siguientes condiciones: el número total de subportadoras existente en el sistema (N C ) debe ser una potencia de 2, de modo que se pueda aplicar algoritmo de lazo mariposa para la computación rápida de dicha transformada [Oppenheim y otros, 1989]; y la frecuencia de muestreo de la señal OFDM (f S ) ha de ser múltiplo de la separación frecuencial entre subportadoras. Además de los efectos clásicos que el canal tiene en señales transmitidas a través del medio radio, como son el ruido térmico o las pérdidas de propagación por citar algunos, en la señal OFDM tienen especial importancia dos aspectos del canal: el efecto Doppler y la propagación multicamino. En primer lugar, la velocidad relativa de desplazamiento entre el emisor y el receptor de la señal provoca un batido aleatorio de sus componentes frecuenciales conocido como efecto Doppler [Stüber, 2001]. El rango de posible desviación de dichas componentes frecuenciales crece con la velocidad de desplazamiento. En el caso de la modulación OFDM, el efecto Doppler se traduce en una pérdida de la ortogonalidad entre subportadoras al modificarse la separación entre ellas, lo que provoca un aumento de la tasa de error. La tolerancia al efecto Doppler para el rango de velocidades de desplazamiento considerado en el sistema es un parámetro importante a la hora de determinar la separación frecuencial entre subportadoras, pues a menor separación, mayor es el impacto del efecto Doppler [R1-050368, 2005; R1-063107, 2006]. Capítulo 2 – Estado del Arte 15 El efecto de la propagación multicamino en la señal OFDM se manifiesta en la pérdida en el dominio frecuencial de la ortogonalidad de las subportadoras debido al retraso temporal entre las distintas réplicas de la señal recibidas y la aparición de interferencia intersimbólica en el dominio temporal. En cada símbolo OFDM, la sinusoide correspondiente a cada subportadora va multiplicada por el símbolo complejo de datos transmitido, por lo que entre dos símbolos OFDM consecutivos es probable que se produzcan saltos tanto en amplitud como en fase de estas sinusoides. Cuando se recibe una réplica de la señal con distinto retardo, esta discontinuidad de amplitud y fase se produce durante el periodo de integración en el receptor, con lo que las subportadoras dejan de ser ortogonales y se produce un error en la detección del símbolo transmitido en cada subportadora. Para evitar este efecto, en el símbolo OFDM se inserta un prefijo cíclico (CP: Cyclic Prefix) al inicio del símbolo, generado copiando los últimos T g segundos del símbolo OFDM (Figura 2.4). T b T g CP Símbolo OFDM Figura 2.4: Generación del prefijo cíclico Como resultado de la propagación multicamino, el receptor recibe varias réplicas de la señal con diferente retardo y potencia. En el caso de OFDM, las réplicas que lleguen al receptor con un retardo inferior a la duración del CP no provocarán saltos de amplitud y fase durante el periodo de integración. Además, al utilizar una copia de la parte final del símbolo OFDM para generar el CP, nos aseguramos de que las componentes de dichas réplicas en cada subportadora comprendan un número entero de periodos y, por tanto, al ser integradas junto 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 16 con las del rayo principal, mejoran la recepción del símbolo recibido. Un ejemplo visual de dicho efecto puede verse en la Figura 2.5, donde por simplicidad se asume una modulación QPSK (no hay modificación de amplitud entre dos símbolos consecutivos). El salto de fase en la réplica del tercer símbolo (en línea discontinua) se produce dentro del CP (zona sombreada en rojo), por lo que en el periodo de integración útil (zona sombreada en verde), se observan periodos enteros de las sinusoides, con lo que no se produce interferencia intersimbólica. Sin embargo, en el diseño del tamaño del prefijo cíclico debe tenerse en cuenta que supone una reducción de la eficiencia del sistema en un factor T b /(T g +T b ), por lo que normalmente se elige una duración que permita absorber un determinado rango de posibles dispersiones del canal, generalmente las de mayor potencia, sin que la pérdida de eficiencia sea elevada. CP Símbolo OFDM Símbolo transmitido Rayo directo Réplica Transiciones de fase Retardo de la réplica f0 f1 f2 Figura 2.5: Utilidad del prefijo cíclico para absorber las réplicas del canal Para que la tecnología OFDM sea aplicada en cualquier sistema de comunicaciones móviles es preciso realizar ciertas acotaciones en cuanto a la Capítulo 2 – Estado del Arte 17 estructura frecuencial de la señal OFDM. En primer lugar, para la transmisión de información en el canal radio se hace uso de una determinada frecuencia de portadora (frecuencia central del sistema) con una cierta canalización, establecidas generalmente por la regulación. Por tanto, la subportadora central del ancho de banda no deberá utilizarse para la transmisión de información pues será ocupada por la frecuencia de portadora del sistema. En el equivalente en banda base de la señal OFDM, esta subportadora se denomina subportadora de DC. La regulación determina a su vez el nivel máximo de interferencia que el sistema puede crear en el canal adyacente. Dado que el espectro de cada subportadora es teóricamente infinito, es necesario dejar subportadoras de guarda a ambos lados del ancho de banda del sistema (N u en frecuencias altas y N l en frecuencias bajas) para garantizar el cumplimiento de la restricción de interferencia en canal adyacente. El resto de subportadoras, que se denominan genéricamente subportadoras activas (N a ) porque son en las que se transmite potencia, se dividen en dos grupos: N p subportadoras piloto, en las que se transmiten símbolos complejos conocidos por el receptor para las tareas de estimación de canal y medidas de potencia recibida, y N d subportadoras de datos, en las que realmente se transmite información. Con todo esto, el equivalente en banda base de una señal OFDM puede esquematizarse como se muestra en la Figura 2.6. Subportadoras piloto Subportadoras de datos Bandas de guarda Ancho de banda del sistema Figura 2.6: Esquema del espectro en banda base de una señal OFDM 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 18 En resumen, de las N C subportadoras en las que se divide el ancho de banda del sistema, solo en N d =N C -N u -N l -N p -1 subportadoras se transmite realmente información (que integra el canal de datos y todos los canales de señalización). El número concreto de subportadoras de cada tipo depende del ancho de banda del sistema y es distinto para cada uno de los estándares de comunicaciones móviles revisados. Como muestra, en la Tabla 2.1 se recogen los valores concretos de dichos parámetros para el enlace descendente y un ancho de banda de 5MHz en el estándar WiMAX móvil (configuración PUSC) [IEEE 802.16 Working Group, 2005] y en LTE [TS36.211, 2009]. No se desglosa el número de subportadoras piloto y de datos puesto que depende además de otros muchos factores de configuración del sistema. Tabla 2.1: Numerología para WiMAX móvil (PUSC) y LTE a 5MHz f s (MHz) ∆f (kHz) N C N u N l N a WiMAX móvil 5.6 10.94 512 45 46 420 LTE 7.68 15 512 105 106 300 2.1.2 Acceso Múltiple OFDMA Para poder aplicar la tecnología OFDM en una red móvil, es preciso definir un esquema de acceso múltiple en el que se puedan multiplexar los tráficos de distintos usuarios. Este esquema se denomina OFDMA y se basa en la agrupación de subportadoras OFDM en bloques de recursos (RB: Resource Block), los cuales se reparten entre los distintos flujos de datos. Debido a la propagación multicamino, un usuario ve diferentes ganancias de canal a lo largo de las subportadoras OFDM. Puesto que cada usuario ve un canal distinto, es muy probable que en las subportadoras donde un usuario observa mal canal, otro observe una buena ganancia. La función de scheduling, ligada a la implementación del procedimiento de control de acceso al medio, deberá Capítulo 2 – Estado del Arte 25 recursos se realizaban en la BSC o RNC. A partir de la R5 de UMTS, las estaciones base comienzan a asumir algunas de las funciones de gestión del enlace radio, con el fin de reducir la latencia de estos procedimientos. En el caso de LTE, este nuevo planteamiento se ha llevado al extremo y no existe ningún elemento entre eNodeB y core (denominada Evolved Packet Core en LTE). Los eNodeB concentran toda la inteligencia para la gestión del interfaz radio, tomando por ejemplo las decisiones de scheduling de forma autónoma sin tener que comunicarse con otros elementos de la red. Esto permite, entre otras cosas, el scheduling rápido de paquetes, siguiendo con mayor precisión la evolución del canal radio hacia cada usuario y proporcionando una gestión más ajustada de la QoS. El estándar LTE considera además un interfaz entre estaciones base, denominado interfaz X2, que permite que los eNodeB intercambien señalización para la coordinación de interferencias o balanceo de carga, lo que permite obtener un uso más eficiente del interfaz radio. - Entramado de la comunicación: WiMAX contempla la configuración de distintas duraciones de trama (de 2,5 a 20ms) si bien utiliza principalmente tramas de 5ms de duración, lo que significa que la celda solo es capaz de realizar asignaciones de recursos cada 5ms. Sin embargo, las asignaciones de recursos en LTE se actualizan con una periodicidad de 1ms, lo que permite una gestión más dinámica de los tráficos, reduciendo considerablemente la latencia en las transmisiones y permitiendo un uso de la información de canal más precisa. En concreto, en LTE la interfaz radio presenta una estructura jerárquica, como se muestra en la Figura 2.10, estructurada en primer lugar en tramas de 10ms. Algunos procedimientos, como el envío de señalización común de la celda o ráfagas de señalización, presentan una periodicidad a nivel de trama. A su vez, cada trama se divide en 10 subtramas de 1ms cada una, siendo la subtrama la unidad temporal de scheduling en LTE, es decir, la 2.1 Tecnología OFDMA para sistemas móviles de banda ancha 26 subtrama se corresponde con el TTI (Transmission Time Interval). Cada milisegundo, el eNodeB realiza una nueva asignación de recursos del downlink y del uplink para la subtrama siguiente. Otros procedimientos, como los procesos de HARQ o el reporte de CQIs, se realizan cada pocas subtramas, lo que da una idea del dinamismo y precisión que es posible obtener en la gestión de recursos en el sistema LTE. #1#0 #3#2 #5#4 #7#6 #9#8 Trama (10ms) Sutrama (1ms) #0 #1 #2 #3 #14 Símbolo OFDM CP Figura 2.10: Estructura de trama en LTE - Tasas de datos: la capacidad de ambos sistemas en condiciones similares es parecida. Sin embargo, el estándar LTE define un mayor número de posibles configuraciones multiantena (MIMO: Multiple Input Multiple Output), que pueden llevar la tasa a valores muy por encima de WiMAX móvil (300Mbps de bajada y 75Mbps de subida con MIMO 4x4 [Holma y Toskala, 2009]). - Asignaciones de recursos frecuenciales: en LTE, la unidad mínima de asignación del sistema es el RB, que se compone de un número elevado de subportadoras (normalmente 120 subportadoras). El tamaño de dichos RBs y su correspondencia con las subportadoras OFDM son Capítulo 2 – Estado del Arte 27 fijos y definidos a priori. En WiMAX móvil, sin embargo, la unidad mínima de asignación es mucho menor (típicamente de 24 subportadoras), agrupándose de una forma mucho más dinámica que en LTE. Este esquema permite asignaciones más ajustadas a las necesidades reales del usuario pero incrementa la señalización necesaria para indicar las asignaciones. Al mismo tiempo, si se aplica un mapeado pseudoaleatorio de subportadoras, se limita el uso de mecanismos de scheduling frecuencial basados en medidas de calidad de canal de los usuarios, pues las agrupaciones de recursos cambian de una subtrama a otra y la interferencia provendrá de diversos usuarios, con lo que presentará un patrón más aleatorio e impredecible en base a los CQIs reportados por los usuarios. Los CQIs deberán entonces ser generales para toda la banda más que agrupadas por RBs como en el caso de LTE, con lo que se pierde precisión en el scheduling frecuencial. Todas a estas características justifican por qué LTE es el estándar que se está imponiendo en todo el mundo para las comunicaciones móviles celulares de banda ancha. Es por esto que en esta tesis se han tomado como referencia los parámetros de dicho sistema para realizar las distintas evaluaciones de los algoritmos de asignación de recursos radio propuestos. 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente El espectro radio es un recurso muy escaso, por lo que para obtener un mayor aprovechamiento del mismo se plantea la reutilización de frecuencias a lo largo de la red. Esto supone lógicamente la aparición de interferencias intercelulares cuando un mismo canal es utilizado en celdas próximas. En los sistemas móviles de banda ancha actuales, como WiMAX o LTE, se propone el despliegue de una red monoportadora con reúso unidad, es decir, todas las 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 28 celdas de la red utilizan simultáneamente el mismo ancho de banda. Naturalmente, este despliegue provoca fuertes interferencias entre celdas y especialmente a aquellos usuarios situados cerca del límite de la misma, llegando a valores de SINR por debajo de 0dB y haciendo imposible la demodulación de los datos recibidos. De forma análoga, para aquellos sistemas en los que los recursos puedan ser reutilizados dentro de la celda una vez por sector, los usuarios situados en la frontera entre sectores sufrirán además fuertes interferencias debidas a las señales transmitidas por los otros sectores de su propia celda. Todo esto justifica la necesidad de aplicar mecanismos de control de la interferencia que mitiguen su efecto y permitan establecer comunicaciones fiables en los límites de las celdas. La ICI en redes OFDMA tiene una naturaleza altamente variable e impredecible. Las fuentes que contribuyen a generar interferencia son pocas, siendo típicamente las 2-3 celdas interferentes más próximas las que provocan el grueso de la interferencia recibida [Plass, 2006]. Las condiciones particulares de estas celdas serán las que en buena medida determinen la interferencia sufrida por los usuarios. Si las celdas están poco cargadas será probable que se produzcan cambios en la ocupación de RBs, es decir, que de una subtrama a otra cambien los RBs en los que se transmite potencia, lo que puede verse como un efecto ON-OFF en la potencia transmitida y contribuye a aumentar la variabilidad de la interferencia. Incluso en condiciones de carga alta, la potencia de transmisión en el RB puede variar como resultado de las decisiones de scheduling realizadas en la celda. A todo esto hay que añadir la variabilidad introducida por el canal radio entre el móvil y cada una de las celdas interferentes, donde el shadowing experimentado en cada enlace es el factor más dominante [Stüber, 2001]. La variabilidad en la interferencia se traduce en que las condiciones reales de interferencia en las que el usuario recibe la señal difieren de aquellas estimadas previamente y que son con las que se realizó la asignación de recursos. Por tanto, una alta variabilidad en la ICI provocará un Capítulo 2 – Estado del Arte 29 gran número de errores en la asignación de recursos que aumentarán la tasa de BLER en la recepción de los bloques de datos. La variabilidad en la ICI es por consiguiente un factor a tener en cuenta a la hora de diseñar mecanismos de control de la interferencia y algoritmos de asignación dinámica de recursos. Los mecanismos de control de interferencia pueden clasificarse en tres grandes grupos: mitigación de interferencias, cancelación de interferencias y coordinación de interferencias. Cada una de estas opciones, que serán detalladas en los apartados siguientes, presenta ciertas restricciones que condicionan la asignación posterior de los recursos radio a los distintos usuarios. De hecho, la interrelación entre el mecanismo de control de la ICI y los algoritmos de scheduling es tan fuerte que es preciso analizar también si las restricciones debidas al primero no limitan de forma exagerada la accesibilidad a los recursos. Así, un mecanismo que consiga proporcionar unas condiciones de interferencia muy buenas a costa de imponer un gran número de restricciones en el acceso a los recursos, y por tanto limitando la libertad de asignación del scheduler, puede acabar siendo contraproducente en términos de bloqueo de usuarios. 2.2.1 Mitigación de interferencias La mitigación de interferencias aplica distintas técnicas para aleatorizar la señal interferente de modo que presente poca correlación con la señal útil. En los siguientes subapartados se describen tres técnicas importantes para la mitigación de interferencias que pueden encontrarse en la literatura. En todos los casos, la ganancia obtenida con la mitigación de interferencias es reducida incluso en los mejores casos, por lo que deberá utilizarse siempre junto con otro mecanismo de control de interferencias para asegurar unas condiciones de canal suficientemente buenas a los usuarios del límite de la celda, como se sugiere para el caso de WiMAX móvil en [Edt, 2006]. 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 30 2.2.1.1 Scrambling El scrambling se basa en aplicar secuencias pseudo-aleatorias distintas entre celdas contiguas de modo que gracias a las propiedades de correlación de dichas secuencias, la interferencia en cada subportadora quede distribuida a lo largo de todo el espectro. Las secuencias de scrambling se pueden aplicar sobre el símbolo OFDM en tiempo [Wang y Lilleberg, 2006], sobre los símbolos complejos a transmitir [R1-050589, 2005] o como es el caso de LTE, sobre los propios bits de datos a modular e independientemente para cada flujo de datos [TS36.211, 2009]. En el primer caso, al multiplicar la secuencia de scrambling por la señal en tiempo, se pierde la ortogonalidad entre subportadoras, produciéndose un trasvase de energía de subportadoras de datos a subportadoras piloto y viceversa. Cuando el scrambling se aplica en frecuencia, es decir, sobre los símbolos complejos a modular, se puede limitar exclusivamente al canal de datos, evitando el efecto negativo sobre las subportadoras piloto. Sin embargo, el efecto en el canal de datos es similar al anterior, observándose en cada subportadora contribuciones de potencia de un gran número de subportadoras interferentes, dependiendo de la longitud de la secuencia de scrambling. En [R1-050589, 2005] en concreto, se proponen secuencias de scrambling que se extienden a lo largo de todo el ancho de banda. La interferencia se verá pues como una combinación pseudo-aleatoria de diversas contribuciones que además variarán de un símbolo a otro. Esto limitará enormemente la aplicabilidad posterior de técnicas de adaptación del enlace, que permiten ajustar la transmisión, principalmente la potencia y la MCS en base a las condiciones de canal del usuario. Por el contrario, el uso de scrambling en los bits de datos permite mantener la coherencia de la estructura de RBs, con lo que se pueden seguir aplicando la adaptación del enlace y por eso ha sido la opción elegida para el estándar LTE. Capítulo 2 – Estado del Arte 31 2.2.1.2 Frequency Hopping En el caso de frequency hopping, la aleatorización de la ICI se logra aplicando distintos patrones de salto pseudo-aleatorios a la hora de mapear el conjunto de REs que componen un RB en las subportadoras del sistema OFDMA (el mapeado en este caso, obviamente es distribuido). Al aplicar distintos patrones de salto en celdas contiguas (Figura 2.11), la interferencia observada en cada subportadora del RB proviene en realidad de RBs distintos en las celdas interferentes, con lo que se reduce la correlación entre señal útil e interferente. Además, en condiciones de baja carga y sin necesidad de que exista coordinación entre celdas, la interferencia promedio experimentada en el RB se reduce puesto que en algunos REs es factible que no se reciba potencia de una o más celdas interferentes, ya que no todos los RBs son utilizados en todas las celdas. frecuencia tiempo Celda 0 Celda 1 Colisión Figura 2.11: Ejemplo de Frequency Hopping Como sucede en el caso del scrambling, debido a que la interferencia observada en el RB se compone de muchas contribuciones pseudo-aleatorias, no es posible obtener una estimación precisa del canal y por tanto la utilización de técnicas de adaptación del enlace no resulta tan beneficiosa. En [R1-051042, 2005] por ejemplo se compara el throughput que puede conseguirse haciendo 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 32 uso de frequency hopping frente a un ejemplo de mapeado localizado como el empleado en LTE. Las prestaciones del frequency hopping solo son mejores para velocidades altas, puesto que en ese caso, la alta variabilidad del canal impide obtener una estimación precisa de las condiciones del usuario, con lo que la ganancia debida a la adaptación del enlace se diluye. A velocidades bajas se puede seguir con la suficiente precisión la evolución del canal y la adaptación del enlace logra obtener ganancias en throughput próximas al 50%. 2.2.1.3 2D-Phase Offset Diversity (2D-POD) La técnica de mitigación 2D-POD [Ramamurthi, 2009] se basa en el conformado de haz para reducir la interferencia proveniente de otras celdas. En sistemas multiantena, la solución elegida normalmente para el conformado de haz pasa por transmitir la misma señal por cada antena pero aplicando una rotación de fase determinada. Dicho valor se elige de forma que la potencia de la señal útil a la salida del combinador de señales en el receptor sea máxima dependiendo de la fase de cada uno de los canales entre las antenas transmisoras y receptoras. La propuesta de 2D-POD sin embargo es aplicar una rotación de fase tal que se reduzca la potencia interferente a la salida del combinador, a costa de cierta pérdida de ganancia de array en la señal útil. Se busca por tanto una combinación en fase de la señal útil y en contra-fase de las señales interferentes provenientes de cada BS. Para ello, la celda debe conocer la rotación de fase que cada celda vecina aplica en sus transmisiones así como la potencia recibida por el usuario de cada una de ellas con el fin de decidir qué interferencia es más conveniente mitigar en un RB determinado. Por tanto, sólo la última celda en realizar la asignación es capaz de obtener ganancia por mitigación basándose en las asignaciones realizadas por las otras BSs, que además deberán mantenerse a lo largo del tiempo para que se consiga la combinación en contra-fase. Todas estas restricciones, unidas a que con esta técnica se requiere un intercambio importante de señalización entre elementos Capítulo 2 – Estado del Arte 33 por la red cableada (backhaul), hacen que no sea aconsejable su aplicación en las redes móviles actuales. 2.2.2 Cancelación de interferencias La cancelación de interferencias pretende, por medio de un fuerte procesado de señal, suprimir la potencia interferente, al menos la interferencia dominante, más allá de lo que se logra con las técnicas de diversidad. La técnica de cancelación de interferencias que más interés ha concentrado en los últimos tiempos es el acceso múltiple por división en entrelazado (IDMA: Interleave Division Multiple Access) [Ping y otros, 2003]. Con esta técnica se pueden separar por medio de demodulaciones recursivas la señal proveniente de diferentes fuentes interferentes cuando se aplican distintos patrones de entrelazado de los datos. El procedimiento es el siguiente: cada bit de información transmitido se ensancha mediante un código conocido y común a todas las celdas, aplicándose posteriormente la secuencia de entrelazado propia de la celda. El proceso de demodulación se muestra en la Figura 2.12: el receptor demodulará la señal recibida (S t ) con el patrón de entrelazado de su celda útil (bloque I u-1 ), obteniendo así una primera estimación de los datos transmitidos Z u . Estos bits recibidos vuelven a modularse (I u ) y se restan de la señal inicialmente recibida para obtener una estimación de la señal interferente S i . Sobre esta señal se aplica nuevamente el proceso de demodulación pero en esta ocasión con el patrón de entrelazado de la celda más interferente (I i-1 ), con lo que se obtiene una estimación de la secuencia de bits transmitida por dicha celda. Esta secuencia vuelve a modularse (I i ), obteniéndose una estimación de la interferencia Z i que se resta de la señal inicialmente recibida, con lo que se obtiene una mejor estimación de la señal realmente transmitida por la celda útil (S r ). Este proceso puede repetirse tantas veces como se desee para obtener una estimación más precisa de la señal transmitida. 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 34 I u-1 I u I i-1 I i S t S u Z u S i Z i S r Figura 2.12: Esquema del demodulador IDMA El sistema IDMA presenta dos problemas fundamentales: por un lado, el proceso de demodulación es extremadamente complejo y supone un gasto computacional muy elevado a medida que el número de iteraciones crece o son más las señales interferentes que se desea cancelar. Es por esto que suele hablarse exclusivamente de cancelar la interferencia dominante. Por otra parte, la técnica IDMA impone fuertes restricciones a la red en cuanto al sincronismo entre BSs, ya que el UE debe recibir con una desviación temporal muy pequeña la señal proveniente de las celdas más próximas. Además, la asignación de RBs debe tener cierta coherencia entre celdas, es decir, que todas las celdas asignen a los UEs los mismos grupos de RBs, de modo que la transmisión correspondiente a cada entrelazador se reciba solapada y alineada [R1-060415, 2006]. Todas estas imposiciones hacen difícil la aplicación de esta técnica en las nuevas redes móviles de banda ancha. 2.2.3 Coordinación de interferencias Los métodos de coordinación de interferencias se basan en la aplicación de restricciones en la asignación de recursos a determinados usuarios de forma coordinada a lo largo de la red, de modo que se reduzcan las interferencias sufridas por los UEs, y especialmente por aquellos situados en el límite de la Capítulo 2 – Estado del Arte 41 ancho de banda disponible, se necesitan factores de reúso más agresivos que permitan gestionar de una forma más versátil los recursos radio disponibles, al tiempo que se garantiza una calidad de señal suficiente en los usuarios del límite de la celda. El escenario límite, y que es el propuesto para las nuevas redes móviles de alta capacidad, se basa en una red monoportadora de reúso unidad, de modo que el ancho de banda del sistema es compartido por todas las celdas del despliegue. En este caso, el uso de sectorización permite mejorar también las condiciones de interferencia frente al reúso unidad puro puesto que reduce el número de sectores interferentes también para redes OFDMA [Kelif y otros, 2008; Riedel y otros, 2010]. Sin embargo, en este escenario la sectorización clásica no ofrece la suficiente protección a los usuarios exteriores como para garantizar unas condiciones de canal suficientemente buenas, lo que dificulta que el sistema sea capaz de ofrecer las prestaciones necesarias para satisfacer la creciente demanda de tráfico. Son necesarias técnicas de coordinación de interferencias más robustas para garantizar una calidad suficiente de señal en los límites de la celda. Es aquí cuando surgen las técnicas mixtas de coordinación en frecuencia y potencia, que suponen la inmensa mayoría de las propuestas que pueden encontrarse en la literatura para las redes OFDMA de banda ancha y que serán detalladas en el siguiente subapartado. Tanto el reúso frecuencial puro como la sectorización presentan un problema de bloqueo ante distribuciones heterogéneas de carga: en el caso de reúso frecuencial, el reparto estático de las subbandas frecuenciales provoca bloqueo de usuarios en las celdas cargadas e infrautilización de recursos en las celdas poco cargadas. Y lo mismo sucede en el caso de la sectorización, pero en este caso el problema surge con distribuciones heterogéneas entre los sectores de una misma celda. Este inconveniente puede mitigarse si se hace uso de esquemas de reúso flexible, asumiendo que la flexibilización del reparto frecuencial supone un incremento de la ICI. En [R1-050833, 2005], la banda frecuencial se divide en tres subbandas para coordinar clusters de tres celdas 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 42 colindantes. A cada una de estas subbandas se les asigna un índice de prioridad distinto en cada subbanda como se muestra en la Figura 2.15a. Cuando la carga de las celdas es inferior a 1/3 de los recursos disponibles, la asignación entre celdas es ortogonal, a modo de reúso frecuencial clásico. Para condiciones superiores de carga, cada celda comienza a asignar recursos de la siguiente subbanda por orden de prioridad, con lo que las asignaciones entre celdas dejan de ser ortogonales y surgen interferencias entre celdas colindantes. Un algoritmo similar fue propuesto en [Engel y Peritsky, 1973] para redes con reúso frecuencial mayor que uno con el fin de reducir la probabilidad de sufrir interferencias entre dos celdas que utilizan la misma subbanda frecuencial. De forma similar, en [Kim y Oh, 2007] se propone un reúso flexible basado en la ocupación ordenada de RBs de las subbandas de otras celdas (Figura 2.15b). En ninguno de estos casos se explica claramente el criterio de asignación de los RBs ocupados a otras celdas, por lo que estos podrían ser asignados a usuarios potencialmente muy interferentes para las celdas que sufren la ocupación. Un diseño más inteligente pasaría, por ejemplo, por asignar dichos RBs a los usuarios que menor potencia de transmisión van a requerir con el fin de minimizar la ICI generada a la otra celda. Estos mismos conceptos podrían aplicarse también de forma directa para generar una sectorización flexible que se adapte a condiciones heterogéneas de carga entre sectores, como bien se apunta en [Kim y Oh, 2007]. Prioridad 1 Prioridad 1 Prioridad 1 Prioridad 2 Prioridad 2 Prioridad 2 Prioridad 3 Prioridad 3 Prioridad 3 f Celda 0 Celda 1 Celda 2 Subbanda ASubbanda BSubbanda C a) [R1-050833, 2005] f Celda 0 Celda 1 Celda 2 Subbanda ASubbanda BSubbanda C b) [Kim y Oh, 2007] Figura 2.15: Esquemas de sectorización flexible Capítulo 2 – Estado del Arte 43 2.2.3.2 Soluciones de coordinación en las nuevas redes de banda ancha Como ya se ha comentado, la mayor parte de las soluciones de coordinación de ICI (ICIC: Inter-Cell Interference Coordination) en redes móviles de banda ancha se basa en una coordinación mixta en frecuencia y potencia para obtener unas mejores prestaciones. El principio fundamental de estas soluciones pasa por definir subbandas frecuenciales dentro del ancho de banda de la celda con diferentes restricciones a la asignación de recursos y aplicar varios niveles de potencia en ellas de forma coordinada a lo largo de la red. En redes de reúso frecuencial unidad, las restricciones impuestas por la coordinación van orientadas a mejorar las condiciones de canal experimentadas por los usuarios situados en el límite entre celdas (o en los límites entre sectores para reúso unidad a nivel de sector), al tiempo que se proporciona una accesibilidad suficiente a los usuarios interiores como para que estas restricciones no limiten el throughput global de la celda. Las soluciones de ICIC se basan en dos esquemas típicos de coordinación frecuencial: la sectorización y el reúso fraccional. Tomando como referencia esos esquemas, en la literatura se pueden encontrar múltiples variantes que incorporar diferentes grados de flexibilidad o protección en el acceso. Sobre un esquema sectorizado clásico es posible aplicar restricciones en cuanto a la potencia transmitida en determinados recursos para crear así una coordinación en potencia. A modo de ejemplo, en [R1-050833, 2005] se propone agrupar a los usuarios de cada sector atendiendo a su potencia requerida, y cada uno de estos grupos se asigna en un subconjunto específico de RBs de la subbanda del sector (Figura 2.16). El objetivo de este esquema es que cada RB se asigne siempre a usuarios con similares condiciones, con lo que la interferencia será más estable. Tal y como se aprecia en la Figura 2.16, las máscaras de potencia se repiten a nivel de sector. 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 44 0 3 1 2 4 5 6f B0 B1 B2 B0 B1 B2 B0 B1 B2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 P Figura 2.16: Asignación de RBs por potencia requerida por los UEs Análogamente al anterior, en [Hernández y otros, 2010] se definen máscaras de potencia con diferentes niveles que marcan la potencia de transmisión utilizada en cada recurso frecuencial con el fin de controlar la interferencia generada en otras celdas. El esquema de partición de recursos y máscaras de potencia aplicados se ilustra en la Figura 2.17. Es preciso puntualizar que aunque cada subbanda B 0 , B1 y B2 podría ser potencialmente utilizada por cualquiera de los sectores de la celda, los RBs solo pueden ser finalmente asignados en uno de los sectores. En el caso específico de aplicar una sectorización pura, cada subbanda se divide en 3 bandas más pequeñas, asignadas de forma rígida a cada uno de los sectores, tal y como se visualiza en la Figura 2.17. No obstante, a diferencia del esquema mostrado en la Figura 2.16, gracias a una adecuada permutación en las máscaras para celdas vecinas se consigue reducir la interferencia experimentada en el exterior de la celda. Capítulo 2 – Estado del Arte 45 0 3 1 2 4 5 6 Celda 0 f B0 B1 B2 Celdas 1, 3 y 5 B0 B1 B2 Celdas 2, 4 y 6 B0 B1 B2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 B0 B1 B2 B0 B1 B2 f B0 B1 B2 B0 B1 B2 f B0 B1 B2 B0 B1 B2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 Sector 0 Sector 1 Sector 2 Figura 2.17: Sectorización con máscaras a nivel de celda En cualquier caso, el problema con ambos esquemas (Figura 2.16 y Figura 2.17) es el bloqueo que surge al considerar una sectorización frecuencial pura, ya que no puede adaptarse convenientemente a distribuciones heterogéneas de carga. Aparece entonces la necesidad de aplicar esquemas de sectorización flexible que alivien esta restricción. Otra opción para evitar este bloqueo es utilizar esquemas de reúso más agresivos para obtener un aprovechamiento máximo del espectro. En este contexto surge el esquema de reúso frecuencial fraccional (FFR: Fractional Frequency Reuse), que se basa en la aplicación de diferentes factores de reúso frecuencial dentro de la celda: en el centro de la celda se aplica un reúso unidad para mejorar la accesibilidad a los recursos, ya que los usuarios interiores están mejor aislados frente a la ICI; en el exterior de la celda se utiliza un reúso 3 de modo que celdas vecinas utilicen recursos frecuenciales ortogonales para mantener unas condiciones de interferencia suficientemente buenas en los límites de la celda (o del sector). El esquema FFR, que fue propuesto por primera vez en [Halpern, 1983] para redes de primera generación, es la solución generalmente aceptada para las redes de banda ancha OFDMA, tanto WiMAX [Edt, 2006] como LTE [R1-050764, 2005]. 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 46 En la literatura pueden encontrarse un gran número de variantes para el esquema FFR, que se pueden agrupar en tres grandes bloques. Por un lado, el esquema soft-FFR fue el primero en aparecer en el contexto de redes OFDMA y sigue siendo uno de los esquemas más comunes [R1-050764, 2005; Qian y otros, 2006; Zhu y otros, 2006; Bilios y otros, 2012]. El ancho de banda del sistema se divide en tres subbandas (Figura 2.18a): dos de ellas se asignan con reúso unidad para el interior de la celda (en color morado en la figura) mientras que la tercera se denomina subbanda exterior y se transmite con una mayor potencia para alcanzar el límite de la celda. Celdas vecinas utilizan un tercio distinto para sus usuarios exteriores, con lo que la interferencia sufrida por estos es menor. Figura 2.18: Esquemas FFR típicos para redes OFDMA Celda 0 Celdas 1, 3 y 5 Celdas 2, 4 y 6 f Potencia f 5 6 1 0 2 3 4 a) Soft-FFR Celda 0 Celdas 1, 3 y 5 Celdas 2, 4 y 6 f Potencia f f 5 6 1 0 2 3 4 b) Hard-FFR o Partial-FFR con subbanda exterior ortogonal 0 2 1 6 3 4 5 Sector 0 f Potencia f f Sector 1 Sector 2 c) Hard-FFR o Partial-FFR con subbanda exterior sectorizada 0 2 1 6 3 4 5 Sector 0 f Potencia f f Sector 1 Sector 2 d) Variante del Hard/Partial-FFR con subbanda exterior sectorizada Capítulo 2 – Estado del Arte 47 El acceso a esta subbanda exterior puede estar limitado exclusivamente a los usuarios del exterior de la celda [Hamouda y otros, 2009] o también puede ser utilizada por usuarios interiores con menor potencia de transmisión [Sarperi y otros, 2008]. La opción normalmente elegida es la segunda, puesto que permite un mejor aprovechamiento de los recursos en condiciones de alta carga al no limitar innecesariamente el acceso a los mismos. El esquema soft-FFR permite asignar todos los recursos frecuenciales disponibles en el ancho de banda del sistema en todas las celdas del despliegue, lo que ofrece una elevada accesibilidad a los recursos radio. Sin embargo, los usuarios del exterior de la celda sufren interferencias de los usuarios interiores de las celdas vecinas. Puesto que en la subbanda interior se aplica reúso unidad (cualquier sector de la celda puede asignar los recursos frecuenciales), esta interferencia presentará una alta variabilidad y limitará enormemente las prestaciones obtenidas por los usuarios del exterior de la celda. Como respuesta a este hecho, aparece el esquema hard-FFR, también denominado partialFFR, en el que las subbandas interior y exterior ocupan siempre recursos frecuenciales distintos a lo largo de toda la red. En la literatura pueden diferenciarse dos opciones para el esquema hard-FFR: subbanda exterior ortogonal y subbanda exterior sectorizada. En el primer caso [R1-050738, 2005; Giuliano y otros, 2008b; Porjazoski y Popovski, 2010], la subbanda exterior utilizada por celdas vecinas es ortogonal entre ellas (Figura 2.18b). En el segundo caso [Lei y otros, 2007; Chiu, 2008; Ali y Leung, 2009; Darwish y otros, 2011], los mismos recursos frecuenciales son utilizados por la subbanda exterior de todas las celdas, pero se aplica sectorización para controlar la interferencia entre celdas (Figura 2.18c). Ambas opciones consiguen estabilizar la interferencia en la subbanda exterior, lo que permite mejorar las prestaciones del sistema con respecto al esquema soft-FFR [Fraimis y otros, 2010; Lei y Di, 2010; Novlan y otros, 2010]. Sin embargo, en el caso de subbanda exterior ortogonal, el número de recursos frecuenciales que deja sin utilizar cada celda 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 48 es muy elevado, lo que disminuye enormemente la utilización del espectro. Es por esto que el esquema con subbanda exterior sectorizada es la opción preferida. Por último, existen múltiples variantes generadas a partir de estos esquemas. Por ejemplo, en la Figura 2.18d se define una solución mixta [Kim y Jeon, 2011; Liu y otros, 2011]: partiendo de un esquema hard-FFR, la fracción de la subbanda exterior que no podía ser asignada por pertenecer a otro sector, puede utilizarse en el interior pero con una potencia de transmisión baja. Si bien este esquema reduce en primera instancia el bloqueo debido a que aumenta el número de recursos asignables, las prestaciones globales finalmente ofrecidas son peores que con hard-FFR, y especialmente para los usuarios exteriores debido al aumento de la interferencia en la subbanda exterior [Elayoubi y otros, 2008; Wu y Sakurai, 2009]. En base a todo lo argumentado anteriormente, el esquema que ofrece unas mejores prestaciones globales es el esquema hard-FFR básico con subbanda exterior sectorizada. Esta será la opción considerada en adelante como referencia de partida en este trabajo. En redes tri-sectorizadas, que es el escenario contemplado en esta tesis, el tamaño de la subbanda exterior es típicamente 1/3 del total, de modo que a nivel teórico, cubra 1/3 del área de la celda. Existen sin embargo otras propuestas que abogan por factores de reúso menores en la subbanda exterior de modo que se incremente la utilización del espectro a costa de un incremento de la ICI para los usuarios exteriores. En [Ghaffar y Knopp, 2010], por ejemplo, se propone que cada celda utilice 2/3 de la subbanda exterior (Figura 2.19a) en lugar del tercio mostrado en los algoritmos anteriores. En la misma línea, la propuesta de [Choi y otros, 2006] divide la subbanda exterior en 7 secciones y cada celda puede utilizar 3 de estas secciones (Figura 2.19b). En ambos casos, la ganancia en accesibilidad a los recursos se ve contrarrestada por un aumento importante de la interferencia en la zona exterior, donde los usuarios son más Capítulo 2 – Estado del Arte 49 sensibles a dicha interferencia. Para transmitir la misma cantidad de datos, los usuarios exteriores requerirán ahora un mayor número de RBs, con lo que prácticamente no hay ganancia efectiva con respecto al esquema normal de reúso 3 en el exterior. Celda 0 Celdas 1, 3 y 5 Celdas 2, 4 y 6 f Potencia f 5 6 1 0 2 3 4 a) Reúso 3/2 en el exterior f Celda 0 f Celda 1 f Celda 2 f Celda 3 f Celda 4 f Celda 5 f Celda 6 5 6 1 0 2 3 4 b) Reúso 7/3 Figura 2.19: Esquemas FFR con menor reúso en la subbanda exterior También con la intención de incrementar la utilización de recursos en la zona exterior, en [Xu, 2010] y [Fu y otros, 2010b] se propone dividir dicha subbanda en dos secciones, tal y como se muestra en la Figura 2.20: en el área próxima a los vértices entre celdas, la señal recibida de las tres BSs de las proximidades es similar, con lo que es necesario aplicar un reúso 3 como se ha 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 50 venido mostrando anteriormente. Sin embargo, en el resto del área exterior, la interferencia proviene principalmente de una única BS vecina, con lo que solo sería necesaria la coordinación con dicha celda. Tal y como se muestra en la figura, una correcta planificación de esta subbanda permite que sea utilizada 2 veces en tres celdas adyacentes (reúso 3/2), lo que posibilita mejorar el factor de reúso de RBs en la zona exterior. Sin embargo, este planteamiento supone aumentar la complejidad del scheduler, imponer un mayor número de restricciones en la asignación de RBs y, para su correcto funcionamiento, requiere un conocimiento preciso de la posición del usuario dentro de la celda. Por todas estas razones, este esquema no ha recibido mucha aceptación en el contexto de las nuevas redes OFDMA. f Potencia f f 0 Celda 0 Celdas 1, 3 y 5 Celdas 2, 4 y 6 6 5 4 3 2 1 Figura 2.20: Esquemas FFR con zona adicional de reúso en el exterior Esta predominancia de una BS interferente en determinadas zonas también se aprovecha en [Fang y Zhang, 2008] añadiendo una restricción adicional en la accesibilidad de algunos recursos frecuenciales para mejorar la calidad de la señal obtenida por los usuarios en dichas zonas. Por ejemplo, veamos el caso de la celda 0 en la Figura 2.21: los usuarios situados en el área marcada en rojo sufren una fuerte interferencia proveniente del sector 2 de la celda 2. Por tanto, Capítulo 2 – Estado del Arte 57 negociación, por lo que no sería adecuado para lidiar con situaciones puntuales de sobrecarga. Por el contrario, la propuesta de [Mao y otros, 2008] se basa en intercambios continuos de señalización entre las BSs indicando el estado de carga de las celdas y la disponibilidad para ceder RBs del exterior. Así, cuando una celda observa sobrecarga, comprueba qué celda vecina está más descargada y ocupa algún recurso, enviando el correspondiente mensaje de señalización a la BS vecina para indicar qué recursos se ha ocupado y evitar así que sea asignado por ella también. Este proceso reduce enormemente la latencia, puesto que la celda sobrecargada sabe desde un primer momento qué recursos puede ocupar, pero supone una carga notable de señalización a través del backhaul. En la literatura no se han encontrado estudios precisos que muestren el impacto real en el retardo debido a las decisiones de modificación de la coordinación y de la cantidad real de señalización necesaria, aunque a priori, los esquemas basados en coordinación distribuida parecen más adecuados para las redes móviles de banda ancha que los basados en un nodo central coordinador. - Coordinación sin señalización: en esta última opción no existe señalización entre celdas para modificar la subbanda exterior. A modo de ejemplo, en [R1-051341, 2005] se propone que las celdas asignen recursos exteriores a sus usuarios en un orden frecuencial determinado, mientras que cuando una celda ha de ocupar recursos exteriores de otras celdas, lo hace en el orden inverso (Figura 2.26). De este modo, solo se producirán colisiones en condiciones de alta carga. Sin embargo, en este caso es difícil garantizar la suficiente calidad de señal a los usuarios exteriores y el scheduler cometerá más errores en la asignación de recursos. En la propuesta de [Qian y otros, 2006] y [Krasniqi y otros, 2009], cada celda modifica el tamaño de la subbanda interior y exterior independientemente del resto con el objetivo de maximizar la tasa 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 58 servida en la celda. Este planteamiento lleva a que la mayor parte de los recursos de la celda se dediquen a la subbanda interior, ya que de este modo se maximiza la tasa cursada por la celda. Orden de Asignación de RBs Orden de Ocupación de RBs f RB0 RB1 RB2 RBn Figura 2.26: Distinto orden en la asignación y ocupación de la subbanda exterior En cualquiera de los tres escenarios anteriores, las prestaciones ofrecidas por los esquemas de adaptación del mecanismo de coordinación no son fácilmente evaluables. La escala temporal de esta adaptación es grande para evitar un gran flujo de señalización o un comportamiento muy variante del sistema. Por tanto, para apreciar un cambio en las prestaciones, la carga de las celdas debe mantenerse estable durante un largo periodo de tiempo. En un sistema real, donde se produce una combinación estadística de los tráficos de muchos usuarios, es posible que se den escenarios en los que sea complicado que estas condiciones se mantengan durante el suficiente tiempo. Es por esto que en la mayor parte de las contribuciones se considera un esquema estático ya que las prestaciones finalmente ofrecidas por el sistema serán similares y la dificultad de implementación del mismo es mucho menor. No obstante, es importante tener en cuenta que las distribuciones de usuarios y servicios no tienen por qué ser homogéneas a largo plazo, lo que implica que necesariamente se tienen que negociar optimizaciones en la distribución de recursos con respecto a la implementación básica de los esquemas FFR. En un intento por incrementar la capacidad de la celda, en la literatura pueden encontrarse propuestas de un esquema FFR con reúso unidad a nivel de sector [Sternad y otros, 2003; Xiang y otros, 2007; Taranetz y otros, 2011]: los Capítulo 2 – Estado del Arte 59 recursos frecuenciales del interior de la celda pueden ser asignados simultáneamente por todos los sectores de la celda. Este esquema de reúso intensivo se puede aplicar en cualquiera de las variantes del esquema FFR descritas anteriormente. Al reutilizarse los recursos frecuenciales dentro de la celda, aparece entonces una fuerte componente de interferencia intersector, que es especialmente perjudicial para los usuarios situados en la frontera entre sectores [Castañeda y otros, 2007; Charafeddine y Paulraj, 2009]. La solución típica a este problema pasa por definir una nueva zona de reúso en el límite entre dos sectores de la celda [Sezginer y Sari, 2009], la zona de frontera. Los usuarios situados en dicha zona pueden ser asignados en subportadoras donde se impone un reúso unidad a nivel de celda para evitar la interferencia intersector. Con esta nueva zona de reúso se pretende evitar que cuando un sector transmite a un usuario de la frontera en un determinado recurso frecuencial, ese mismo recurso sea asignado por el sector adyacente. Este esquema se puede entender como una extensión del hard-FFR con sectorización en el exterior para el caso de reúso unidad a nivel de sector, como se muestra en la Figura 2.27. Sin embargo, reservar más recursos con reúso unidad puede llevar a limitaciones en la accesibilidad a los recursos. 0 6 1 2 3 4 5 Sector 0 f Potencia f f Sector 1 Sector 2 Figura 2.27: FFR para reúso a nivel de sector 2.2 Mecanismos de control de la ICI para el enlace descendente 60 En cuanto a los usuarios del interior de la celda, las propuestas anteriores asumen una asignación libre de los recursos interiores, con lo que un RB podría ser asignado simultáneamente por los tres sectores de la celda mientras otros quedan libres. Resultará más conveniente realizar en la medida de lo posible un reúso más equilibrado para evitar que las condiciones de interferencia en determinados recursos sean muy malas, lo que conduce a una pérdida general de throughput [Lee y otros, 2006]. Para evitar este hecho, en [Wang y otros, 2008] se propone una reasignación ordenada de recursos de modo que un determinado RB solo es asignado por tercera vez cuanto todos han sido asignados ya dos veces. Este procedimiento permite evitar que ciertos recursos frecuenciales sufran una fuerte interferencia intersector mientras otros no están prácticamente interferidos. De todas formas, los trabajos anteriormente referidos sobre el reúso unidad a nivel de sector no ofrecen una idea clara de la ganancia real experimentada en el sistema cuando se aplica este reúso intensivo de recursos. Algunos trabajos se centran únicamente en estimar el impacto en SINR debido al reúso unidad a nivel de sector, sin considerar su efecto real sobre la provisión de QoS. En los casos en los que las prestaciones del reúso unidad a nivel de sector se comparan con el esquema de reúso unidad a nivel de celda, se parte de escenarios simplificados donde no se tienen en cuenta aspectos críticos como por ejemplo, la multiplexación estadística de los distintos tráficos de los usuarios, con lo que no es posible obtener una estimación de la ganancia que se podría obtener en un sistema real. En el capítulo 5 de este trabajo se presentarán una serie de algoritmos de asignación de recursos para el caso de reúso unidad a nivel de sector y se evaluarán sus prestaciones en cuanto a capacidad y satisfacción de QoS en condiciones realistas, comparándolas con un esquema de reúso unidad a nivel de celda. Capítulo 2 – Estado del Arte 61 En resumen, en la literatura pueden encontrarse un gran número de propuestas sobre la coordinación de interferencias en redes OFDMA. Sin embargo, en lo sustancial no suponen un avance significativo con respecto a las propuestas iniciales en cada caso. Tanto la sectorización frecuencial como el esquema FFR, que fueron definidos para las primeras redes celulares, siguen siendo con ligeras modificaciones, los esquemas más comunes en las nuevas redes de banda ancha. Estos esquemas imponen una serie de restricciones en cuanto al acceso de los usuarios que deberán ser consideradas por los algoritmos de scheduling subyacentes para obtener un aprovechamiento máximo de los escasos recursos radio disponibles haciendo uso de la diversidad multiusuario y de la combinación estadística del tráfico en redes de conmutación de paquetes. En este sentido, la mayor parte de los trabajos referidos anteriormente analizan los distintos esquemas de coordinación de interferencias desde un punto de vista de calidad de señal recibida por los usuarios: la efectividad de un mecanismo de coordinación concreto se mide por su capacidad para mejorar la SINR promedio observada por los usuarios exteriores mediante la aplicación de restricciones en el acceso a los recursos radio. Sin embargo, en la mayor parte de los casos no se estudia el impacto que tales restricciones tienen sobre las prestaciones del sistema al limitar las libertades de asignación del scheduler. Y en los casos en los que el mecanismo de coordinación de ICI se analiza junto con un algoritmo de scheduling, la evaluación suele ser simple, considerando algoritmos de scheduling muy sencillos y evaluados en condiciones poco realistas. Por ejemplo, muchos trabajos suponen un conocimiento ideal del canal por parte del scheduler o utilizan para su análisis servicios best-effort que no permiten evaluar la capacidad de la solución presentada para proporcionar QoS a los usuarios del sistema. Por el contrario, en este trabajo se presenta un esquema de coordinación basado en hard-FFR que permite estabilizar la ICI y cuyas prestaciones serán evaluadas junto con diferentes algoritmos de scheduling en 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 62 condiciones realistas, tanto desde el punto de vista de limitaciones del propio sistema como de requisitos de QoS de los servicios demandados por los usuarios. 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS La asignación dinámica de recursos radio, denominada genéricamente como scheduling, engloba las funciones encargadas de gestionar de forma eficiente los recursos radio disponibles en la celda de modo que, haciendo uso de las técnicas de adaptación del enlace existentes, se asegure la satisfacción de los requisitos de QoS de los usuarios [Holma y Toskala, 2009]. Son muchos los factores que hay que tener en cuenta en el scheduling para extraer el máximo partido de los recursos radio en sistemas de conmutación de paquetes. Por una parte, los usuarios pueden exigir una gran variedad de servicios por parte del sistema, cada uno de los cuales tiene parámetros y requisitos distintos. Por otro lado, la cantidad de datos que se pueden transmitir a los usuarios viene determinada por el estado de los buffers en cada momento, por las condiciones de canal en las que se encuentre el usuario y por las asignaciones realizadas a otros usuarios, ya que los recursos radio disponibles en la celda son finitos y han de ser compartidos entre todos ellos. Además, el reparto de dichos recursos debe de cumplir con las restricciones impuestas por el mecanismo de coordinación de interferencias aplicado, que como hemos visto en el apartado anterior, limita los recursos tiempo-frecuencia y la potencia con que pueden ser asignados los usuarios dentro de la celda. Los algoritmos de scheduling no están incluidos en los estándares de comunicaciones móviles, sino que se dejan abiertos a la implementación de los fabricantes de equipos radio. Es por esto que en los últimos años, la asignación de recursos en redes móviles OFDMA ha concentrado un gran esfuerzo investigador. Por lo general, son tres los recursos a gestionar en la celda: las Capítulo 2 – Estado del Arte 63 subportadoras OFDM (y análogamente los RBs), la potencia de transmisión y la tasa transmitida en las asignaciones a cada usuario, esto es, la MCS aplicada. Resulta de vital importancia realizar una gestión eficiente de estos recursos pues determinará las prestaciones ofrecidas por la celda y el aprovechamiento obtenido de los recursos disponibles. El problema, ya de por sí complejo, se agrava cuando la provisión de QoS a los usuarios es otro requerimiento añadido. Las libertades que ofrece la asignación de estos tres recursos hacen que en la literatura puedan encontrarse un gran número de soluciones con diferentes enfoques, que analizaremos a continuación en función de sus distintas características. La Figura 2.28 muestra el modelo esquemático de un algoritmo de scheduling genérico, que será utilizado en el diseño de algoritmos de scheduling a lo largo de esta tesis. La tarea de scheduling comprende dos grandes bloques íntimamente relacionados entre sí. Por un lado, el Scheduling Frecuencial o Frequency Domain Scheduling (FD Scheduling) tiene como objetivo obtener un aprovechamiento máximo de los recursos radio disponibles proporcionando la asignación de recursos más eficiente para la celda. Para ello, el scheduling frecuencial explotará la diversidad multiusuario, asignando principalmente a cada usuario en los RBs donde observe unas mejores condiciones de canal. Por otra parte, el Scheduling Temporal o Time Domain Scheduling (TD Scheduling) va orientado a garantizar la QoS de los distintos servicios por medio de la priorización de los tráficos a la hora de recibir recursos. 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 64 Scheduling Temporal (TD) Scheduling Frecuencial (FD) Información tráfico (incluyendo HARQ) Buffer HARQ Buffer Tráfico Tráfico Ack/Nack Selección adaptativa de potencia Selección adaptativa de MCS CQI por RB CQI en ancho de banda Decisión (RBs , MCS, Potencia) N T_UEs M RBs Scheduling Temporal (TD) Scheduling Frecuencial (FD) Información tráfico (incluyendo HARQ) Buffer HARQ Buffer Tráfico Tráfico Ack/Nack Selección adaptativa de potencia Selección adaptativa de MCS CQI por RB CQI en ancho de banda Decisión (RBs , MCS, Potencia) Scheduling Temporal (TD) Scheduling Frecuencial (FD) Información tráfico (incluyendo HARQ) Buffer HARQ Buffer HARQ Buffer Tráfico Buffer Tráfico Tráfico Ack/Nack Selección adaptativa de potencia Selección adaptativa de MCS Selección adaptativa de potencia Selección adaptativa de potencia Selección adaptativa de MCS Selección adaptativa de MCS CQI por RB CQI en ancho de banda CQI por RB CQI en ancho de banda Decisión (RBs , MCS, Potencia) N T_UEs M RBs Figura 2.28: Modelo general de un algoritmo de scheduling completo Más allá de esta propuesta, si se analiza el problema de la asignación de recursos, para obtener unos resultados óptimos en la utilización de los recursos radio, cada celda debería gestionar todos los recursos disponibles (RBs, potencia y tasa) de forma simultánea, considerando en cada TTI la multiplexación estadística de tráfico y la diversidad multiusuario, al tiempo que se garantiza el cumplimiento de la QoS de los servicios cursados en la celda. La consideración conjunta de todos estos factores supone una complejidad muy elevada en los algoritmos de scheduling debido al gran número de factores que el scheduler debe tener en cuenta simultáneamente en el momento de determinar la asignación. De hecho, en el contexto de redes OFDMA, en un primer momento se propusieron algoritmos exclusivamente dirigidos a gestionar la asignación de potencia, subportadoras o tasa de transmisión, sin considerar aspectos relativos a la naturaleza del tráfico o servicio. Es decir, el objetivo único era obtener el máximo partido de la diversidad multiusuario Capítulo 2 – Estado del Arte 65 propia de los sistemas OFDMA. En concreto, en la literatura se pueden encontrar algoritmos para la asignación de potencia y/o subportadoras encaminados a minimizar la potencia total transmitida en la celda o bien maximizar la tasa servida en la celda. En el primer caso, seleccionan los RBs que permiten minimizar la potencia transmitida considerando requisitos de tasa específicos de cada usuario [Wong y otros, 1999a]. En el segundo caso, la maximización de la tasa servida en la celda se obtiene asignando la mejor MCS posible de acuerdo con las condiciones de canal de los usuarios [Jang y Lee, 2003] en un contexto de potencia de transmisión constante. En ambos caso, las propuestas se desarrollan en un escenario full-buffer, es decir, asumiendo que todos los usuarios tienen datos pendientes de ser transmitidos. Dichos esquemas serán analizados en mayor detalle más adelante ya que, a pesar de sus limitaciones, pueden servir de base para el diseño de algoritmos de scheduling frecuencial más genéricos. Sin embargo, en un escenario más realista en el que los usuarios utilizan distintos servicios multimedia, la cantidad de datos existentes en los buffers de cada usuario varía de un TTI a otro. Por tanto, la selección de RBs y MCSs no dependerá solo de las condiciones de canal, sino también de la cantidad de datos a transmitir para cada usuario, obteniendo de este modo un mayor aprovechamiento del espectro. Muchas de las propuestas que pueden encontrarse en la literatura sobre el scheduling frecuencial se basan en un planteamiento matemático enunciado como un problema de maximización o minimización convexa sujeta a un conjunto determinado de restricciones [Krongold y otros, 2000; Shen y otros, 2003; Chang y Kuo, 2004; Fodor y Koutsimanis, 2008]. Estos algoritmos son capaces de ofrecer una solución óptima al problema de asignación pero con un coste computacional elevado. Sin embargo, la solución obtenida puede no ser viable en un escenario real, ya que cualquier asignación de recursos puede ser solución al problema. Este hecho no es asumible puesto que requeriría una gran cantidad de señalización. En otros casos, es necesario llegar a suposiciones 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 66 inverosímiles en un caso real con el fin de que el problema de asignación sea resoluble. La potencialidad de los métodos matemáticos se reduce todavía más cuando hay que aplicar restricciones adicionales en la asignación de recursos, como pueden ser las derivadas del esquema de coordinación de ICI o limitaciones específicas del sistema, como que en el caso de LTE, la mínima cantidad de recursos asignable es un RB. Surgen entonces los algoritmos heurísticos, que son capaces de ofrecer una solución subóptima con un coste computacional mucho menor. Por norma general, se basan en sucesivas iteraciones que se van aproximando a la solución final, por lo que no resulta muy costoso aplicar restricciones adicionales debidas a los mecanismos de coordinación de interferencias. Por estas razones los algoritmos heurísticos se han convertido en la solución preferida para la asignación de recursos radio en redes celulares OFDMA. En un primer momento, las propuestas para la asignación de recursos radio se centraban en escenarios con una única celda en los que las decisiones de reparto de recursos se realizaban asumiendo un determinado nivel del ruido [Rhee y Cioffi, 2000; Pietrzyk y Janssen, 2002]. En los sistemas 3G, dado que la señal transmitida se componía normalmente de la suma de un gran número de secuencias código solapadas, la interferencia experimentada se acaba asemejando a un ruido, por lo que esta aproximación puede ser aceptable. Sin embargo, en las redes celulares basadas en OFDMA, el número de fuentes interferentes es reducido (típicamente una señal interferente por celda o sector circundante) y dicha interferencia intercelular tiene un efecto determinante en las prestaciones ofrecidas por el sistema. Es por esto que en el diseño de algoritmos de asignación de recursos se debe tener en cuenta de forma explícita el entorno multicelular y considerar así el impacto de la ICI en las prestaciones del sistema. En este entorno multicelular, en la literatura también pueden encontrarse distintas propuestas para la asignación de recursos radio de forma centralizada, es decir, en la red existe un elemento que asigna de forma Capítulo 2 – Estado del Arte 73 basan, como se ha comentado anteriormente, en un planteamiento matemático: la asignación de recursos se obtiene como solución a un problema de maximización o minimización convexa sujeta a un conjunto determinado de restricciones. Dichas soluciones permiten obtener una asignación de recursos óptima a expensas de un elevado coste computacional. En la literatura pueden encontrarse propuestas matemáticas encaminadas a maximizar la SINR mínima observada por los usuarios en el RB asignado bajo ciertas restricciones de potencia total transmitida y tasa servida a cada usuario [Chang y Kuo, 2004], minimización de las variaciones en los RBs asignados entre dos tramas consecutivas [Fodor y Koutsimanis, 2008] o minimización de los recursos frecuenciales ocupados para asignar una determinada tasa a cada usuario [Hosein, 2009]. No obstante, la mayor parte de las propuestas se centran en dos planteamientos. Por una parte están los planteamientos matemáticos orientados a minimizar la potencia total transmitida por la celda bajo determinadas restricciones de tasa servida a cada usuario [Wong y otros, 1999a]. Mediante la definición de una función ideal que relaciona la tasa alcanzable en el RB con la potencia requerida, se realiza la asignación de recursos que permite que la tasa lograda por los usuarios sea igual a sus requisitos y la potencia transmitida por la celda sea la menor posible. Sin embargo, el grueso de las propuestas matemáticas pretenden maximizar la tasa servida por la celda bajo ciertas restricciones de potencia máxima transmitida [Krongold y otros, 2000; Jang y Lee, 2003; Hassan y Assaad, 2010; Schwarz y otros, 2010]. La relación entre la tasa de datos y la potencia de transmisión sigue normalmente un curva teórica que relaciona la SNR medida en un canal con la tasa alcanzable, siendo la curva de Shannon la opción normalmente utilizada por tener una expresión sencilla [Zhang y otros, 2007]. Por norma general, este tipo de soluciones de maximización de tasa conducen a que los usuarios interiores reciban la mayor parte de los recursos radio, puesto que son capaces de obtener un mayor throughput con una potencia de transmisión dada. En un intento por ofrecer 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 74 mayor equitatividad en la asignación, en [Shen y otros, 2003] se añade una condición más en la asignación de modo que las tasas asignadas a los distintos usuarios deben cumplir una determinada proporción fijada a priori. De forma similar, en [Indumathi y otros, 2011] la equitatividad en las asignaciones se consigue por medio de la maximización de la tasa total ponderada de cada usuario, es decir, la tasa cursada por cada usuario se multiplica por un peso determinado y la suma de todas ellas es el valor a maximizar por el algoritmo. Estos esquemas suelen suponer que la tasa que puede ser cursada para cada usuario es infinitamente divisible. Sin embargo, en un sistema real la tasa cursada viene dada por alguna de las MCSs soportadas por el sistema. Además, con el fin de obtener una solución cerrada para el planteamiento matemático, en muchos casos es necesario relajar determinadas condiciones que hacen que dicha solución sea inviable en un sistema real. A modo de ejemplo, para que el problema de la asignación de recursos pueda ser resuelto, en [Stolyar y Viswanathan, 2009] y [Aggrawal y otros, 2011] se parte como premisa que cada subportadora puede ser asignada potencialmente a todos los usuarios de la celda, lo que a todas luces no es posible en un sistema real. Por tanto, tras obtener una solución por alguno de estos métodos, es necesario aplicar una discretización posterior que acaba alejando la solución del óptimo ofrecido por el algoritmo. En resumen, los planteamientos matemáticos no son aplicables directamente para sistemas reales. Si bien son capaces de obtener un reparto óptimo de los recursos existentes, en muchos casos se basan en suposiciones no realistas y exigen un gran tiempo de computación para alcanzar la solución final. En este contexto aparecen los métodos heurísticos, que permiten obtener una solución cercana al óptimo pero con un tiempo de computación asumible. Los algoritmos heurísticos son extremadamente versátiles y flexibles, ya que pueden incorporar un gran número de restricciones a la asignación sin que su complejidad crezca enormemente. Pueden por tanto integrarse perfectamente con el mecanismo de Capítulo 2 – Estado del Arte 75 ICIC aplicado en el sistema, y de ahí que sea la solución más aceptada para la asignación de recursos radio en redes de banda ancha OFDMA. En el caso de los algoritmos heurísticos, la asignación de la potencia de transmisión en cada RB sigue fundamentalmente dos tendencias: el esquema de potencia constante y la inversión de canal. El esquema más simple para la asignación de la potencia de transmisión es el método de potencia constante, ya que se basa en repartir la potencia total disponible en la celda de forma equitativa entre todos los RBs del sistema [Rhee y Cioffi, 2000]. Así, si llamamos P Tmax a la potencia máxima de transmisión de la celda y N RB al número de RBs del sistema, la potencia asignada en cada RB se obtiene directamente como P Tmax /N RB . Todo el peso de la adaptación del enlace recae entonces en la selección de subportadoras [Zhang y Wang, 2006] y/o la adaptación de la MCS [Li y Liu, 2003]. Sin embargo, este esquema penaliza a los usuarios del exterior de la celda puesto que normalmente son los que requerirán más potencia para recibir servicio. Además, limita enormemente la capacidad de asignación del algoritmo de scheduling, puesto que un usuario que exceda incluso por una mínima cantidad el valor preasignado de potencia en el RB, no podrá recibir servicio en él. Resulta por tanto más conveniente aplicar un método que tenga en cuenta el estado de canal para determinar la potencia requerida por el usuario en cada RB. De ahí surge el método denominado inversión de canal, que es la solución más extendida en la literatura para la asignación de potencia en redes móviles de nueva generación. Este esquema se basa en compensar las pérdidas introducidas por el canal de modo que la señal llegue al usuario con una determinada potencia [Haas y otros, 1997] o con un cierto nivel de SINR [Foschini y Miljanic, 1993; Taketsugu y otros, 2004]. Si se dispone de una buena estimación de canal, este esquema ofrece buenas prestaciones, ya que permite asegurar el nivel de calidad deseado en recepción para garantizar el uso de una determinada tasa de transmisión (un determinado esquema MCS). No obstante, una excesiva variabilidad en la asignación de 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 76 potencia, asociada a la aplicación de scheduling dinámico, conlleva implícitamente una mayor variabilidad en la interferencia, lo que finalmente introduce dificultades prácticas para estimar con bajo error las condiciones de canal e interferencia. En cuanto a la asignación de recursos frecuenciales, la mayor parte de las propuestas que se pueden encontrar en la literatura se basan en el denominado greedy assignment: cada subportadora (o análogamente cada RB) se asigna a aquel usuario que mejores condiciones de canal observa en él [Wong y otros, 1999a; Pfletschinger, 2005]. Este esquema aplicado sin ningún tipo de restricción adicional, implica que los usuarios con mejor canal acaparan los recursos frecuenciales, siendo imposible garantizar cualquier tipo de prestaciones a los usuarios del exterior de la celda. Para ofrecer un cierto grado de equitatividad en las asignaciones de recursos frecuenciales, en [Shen y otros, 2005] se definen unos pesos para cada usuario de forma que el número de recursos frecuenciales finalmente asignados a cada usuario mantiene la proporción dada por sus respectivos pesos. Este esquema en concreto no permite priorizar adecuadamente las conexiones para satisfacer de forma clara los requisitos específicos de tráfico del usuario tales como la tasa promedio, puesto que al observar distintas condiciones de canal, es necesario aplicar diferentes MCSs y la tasa real servida a los usuarios puede cambiar de un RB a otro. En esta línea, algoritmos ampliamente conocidos como Proportional Fair (PF) [Jalali y otros, 2000; Holtzman, 2001], aplicable también como criterio de priorización temporal, busca asignar cada RB al usuario que maximiza la tasa de transmisión, pero añadiendo un criterio de ponderación inversamente proporcional a la cantidad de throughput ya recibido por ese usuario en una determinada ventana temporal. El objetivo último es un reparto equitativo a medio plazo de la capacidad del sistema. Capítulo 2 – Estado del Arte 77 Los algoritmos heurísticos más directos y sencillos, algunos de ellos ya presentados anteriormente, tratan de maximizar el beneficio en cada una de las asignaciones realizadas, es decir, cada RB se asigna al usuario con mejor canal o alternativamente, cada usuario recibe el RB en el que mejores condiciones de canal observa. Sin embargo, resulta más conveniente buscar una asignación que obtenga el mayor beneficio global para el sistema, en un planteamiento muy próximo al de las soluciones óptimas matemáticas. Por ejemplo, los usuarios del interior de la celda, que generalmente observan un mejor canal en toda la banda, no deberían ocupar los pocos RBs en los que los usuarios exteriores son capaces de recibir servicio con la suficiente calidad. Una solución clásica para este tipo de propuestas se basa en definir una matriz de costes, en la que la posición (k,i) representa el beneficio de asignar al usuario k en el RB i [Dasgupta y otros, 2008; Sun y otros, 2009]. La asignación global que maximiza el beneficio puede encontrarse por medio de un algoritmo iterativo bien conocido en la literatura que se denomina Método Húngaro [Kuhn y otros, 1955]. Sin embargo, este algoritmo lleva asociado un coste de computación muy elevado, puesto que necesita aplicar operaciones sobre matrices potencialmente muy grandes. Por tanto, esta idea de maximizar el beneficio global de la celda en vez de maximizar cada una de las asignaciones particulares, se traslada a algoritmos heurísticos más simplificados mediante una fase de reajuste de las asignaciones realizadas de modo que la solución obtenida se acerque más a la asignación óptima con un coste computacional asumible. Así, en [Hamouda y otros, 2006] se parte de una asignación por potencia constante donde cada RB se asigna al usuario que sin haber satisfecho su tasa requerida, mayor SINR observa en él. En caso de que algún RB no haya sido asignado, la potencia no utilizada se invierte en incrementar la potencia de transmisión de los usuarios situados en el exterior de la celda para mejorar su MCS. De este modo, resulta más probable que se puedan satisfacer los requisitos de tasa de dichos usuarios, que son los que peores condiciones observan. En [Heo y otros, 2007], sin embargo, el exceso de 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 78 potencia se obtiene cuando la potencia de transmisión se asigna por inversión de canal de modo que la SINR lograda por el usuario sea igual a la SINR mínima de la MCS objetivo. La diferencia entre la potencia total asignada y el máximo de la celda se reinvierte en incrementar la capacidad de la celda: el exceso de potencia se va repartiendo a los usuarios que menor incremento de potencia requieran para subir un nivel su MCS. Aunque la propuesta referida no lo contempla, sería preciso considerar el cumplimiento de QoS en el reparto de potencia de modo que la potencia disponible se invierta en los usuarios que menor satisfacción de QoS acumulan. Utilizando este mismo método para extraer el exceso de potencia, en [Baum y otros, 2003] se establecen y comparan varios criterios a la hora de repartir la potencia: por un lado, el exceso de potencia puede emplearse en aumentar el throughput global de la celda asignando más potencia a aquellos terminales que tengan un mayor ratio de incremento de throughput frente a incremento de potencia al pasar a una MCS un nivel superior. Otras opciones consisten en asignar el excedente de potencia de modo que se maximice el número de usuarios que utilizan la MCS máxima (mayor throughput) o invertirla para permitir la entrada de usuarios que en un principio fueron rechazados por no llegar a la SINR mínima de la menor MCS (mayor cobertura). Mediante simulaciones se determina que el método que mejores prestaciones ofrece consiste en primero intentar usuarios que fueron rechazados por no llegar a la MCS mínima y, con el sobrante, aumentar la capacidad global de la celda por el método de mínima ratio. La fase de reajuste puede también afectar al reparto realizado en la etapa inicial de los recursos frecuenciales. En [Zhang y Wang, 2006] se comienza asignando cada RB al usuario que mejores condiciones de canal observa en él. Posteriormente, se calcula la satisfacción de tasa de cada usuario asignado como la diferencia entre la tasa servida y la realmente requerida. Se entra entonces en un proceso de reajuste en el que el usuario que excede en mayor medida su tasa requerida cede su RB menos eficiente al usuario con menor satisfacción de tasa Capítulo 2 – Estado del Arte 79 siempre y cuando el primero siga cumpliendo con sus requisitos de tasa. Una propuesta similar puede encontrarse en [Kivanc y otros, 2003], pero en este caso los recursos intercambiados son aquellos que provocan una menor disminución en la tasa global servida por la celda. El reajuste de las asignaciones frecuenciales también puede aplicarse para reducir la potencia de transmisión en la celda. Por ejemplo, en [Wong y otros, 1999b] se comienza asignando cada subportadora (o equivalentemente cada RB) al usuario que mejores condiciones de canal presenta en ella, siempre y cuando no haya satisfecho sus requisitos de tasa. A continuación se realizan intercambios de subportadoras entre usuarios siempre y cuando esto suponga una reducción en la potencia total transmitida y la tasa servida sea superior o igual a la tasa requerida por ellos. A modo de conclusión, en la literatura pueden encontrarse un gran número de propuestas para la asignación dinámica de recursos radio en redes móviles de banda ancha, pero la mayor parte se basan en planteamientos matemáticos que en muchos casos aplican premisas ideales que no pueden ser aplicados en un sistema real. Los algoritmos heurísticos por su parte logran una asignación subóptima pero con una complejidad computacional asumible. Sin embargo, son pocos los ejemplos en los que los tres recursos fundamentales (RBs, potencia y tasa) se gestionan de forma simultánea para obtener unas mejores prestaciones. Por otro lado, la mayor parte de los algoritmos heurísticos se centran en buscar una asignación de recursos lo más eficiente posible desde el punto de vista de los recursos gestionados, sin tener en cuenta el grado de satisfacción de la QoS demandada por los usuarios. Por este motivo, la aproximación seguida en esta tesis pasa por definir algoritmos de asignación de recursos que gestionen simultáneamente los RBs, potencia y tasa bajo las restricciones impuestas por el mecanismo de coordinación de ICI y que se 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 80 integren perfectamente con la estrategia de scheduling temporal, de modo que sean capaces de proporcionar la QoS exigida por los usuarios a lo largo de toda la celda. 2.3.2 Propuestas para el Scheduling Temporal Como ya se ha descrito anteriormente, la provisión de QoS a los usuarios pasa por la aplicación de criterios de priorización temporal, relacionados principalmente con la satisfacción de los requisitos de tasa y retardo, conjuntamente con las estrategias de selección adaptativa de RB, potencia y MCS dirigidas a maximizar la eficiencia en el uso de los recursos de la red. Debido a la complejidad que acarrea aplicar conjuntamente todos estos factores, uno de los planteamientos más comunes de entre los propuestos en la literatura divide el scheduling en dos fases a priori desacopladas: el scheduling en el dominio del tiempo (TD), encargada fundamentalmente de la gestión de la QoS, y el scheduling en el dominio frecuencial (FD), que reparte los recursos de la celda y de la que ya hemos hablado cumplidamente en la sección anterior. El scheduling temporal determina un conjunto limitado o bien priorizado de usuarios candidatos a recibir una asignación de recursos en un TTI, considerando el tráfico almacenado en la buffers de todos los potenciales usuarios que demandan servicio. Dicha selección y ordenación se hace en base a una métrica que puede estar relacionada con las condiciones de canal, el throughput alcanzable por el usuario, el retardo que experimenta, el tamaño del buffer o ser simplemente una prioridad estática relacionada con la clase de servicio que soporta o el rol del usuario. En definitiva, el conjunto de políticas a aplicar es amplio, empezando por estrategias tan simples como el Round Robin, donde las conexiones reciben siempre el mismo número de oportunidades de transmisión independientemente de su estado, o bien con ligeras modificaciones para adaptarlas al canal radio. A modo de ejemplo, tomando Capítulo 2 – Estado del Arte 81 como base la estrategia Weighted Fair Queueing (WFQ) heredada de la red fija, en [Khawam y Kofman, 2006] se propone una versión modificada denominada Opportunistic WFQ (OWFQ), que contempla las condiciones promedio de canal que observan los usuarios a la hora de priorizarlos. Sin embargo, estas estrategias adaptadas al entorno radio, no se ajustan suficientemente a este medio tan cambiante, de tal forma que la garantía de cumplimiento de la QoS queda bastante limitada, y de ahí que surjan estrategias específicamente diseñadas para el entorno móvil. Por ejemplo, la estrategia Maximum Rate, también denominada Maximum Throughput [Wu y otros, 2005; Pokhariyal y otros, 2007], asigna más prioridad al usuario que observa mejor canal promedio o lo que es equivalente, que es capaz de obtener una mayor tasa instantánea promedio, en los RBs asignables en el TTI. Al elegir a los usuarios en orden decreciente de prioridad, aunque el throughput cursado por la celda será máximo, se obtiene un reparto muy injusto de los recursos puesto que los usuarios del exterior de la celda rara vez conseguirán una oportunidad de transmisión. En un intento por mitigar este hecho aparece la estrategia Proportional Fair (PF) [Jalali y otros, 2000 Holtzman, 2001], ya mencionada anteriormente. En este caso, la prioridad del UE k en el instante de scheduling n se calcula como en la expresión (2.2), donde ˆ [ ] k r n es el throughput instantáneo que puede recibir el usuario en el intervalo de scheduling n y [ ] k T n es el throughput medio ofrecido al usuario en el pasado. Este último se calcula normalmente de forma recursiva utilizando la expresión (2.3), considerando un intervalo de filtrado de la estimación de longitud f t TTIs. El throughput instantáneo ˆ [ ] k r n se puede asociar con la tasa instantánea de transmisión, escogida del conjunto de MCS posibles en función de las condiciones de canal experimentadas por el UE, y se calcula normalmente considerando los RBs asignables en el TTI y asumiendo una distribución potencia uniforme entre ellos. [ ] ˆ [ ] PF k k k r n PT n = (2.2) 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 82 [ ] [ ] [ ] 1 1 ˆ 1 1 [ ] si el UE recibe servicio en el TTI 1 1 1 en otro caso k k f f k k f T n r n k t t T n T n t     − − +             =  − −        (2.3) La estrategia PF sigue adoleciendo de limitar el acceso a los usuarios del exterior de la celda, puesto que estos requieren una mejora significativa en su canal como para poder obtener mayor prioridad que los usuarios interiores, de forma que acumulan bastante retraso en el acceso. Para corregir este efecto, en [Huang y Niu, 2007] se propone multiplicar el factor PF por un término que tiene en cuenta la tasa de llenado del buffer y el espacio disponible en el mismo. De este modo, a medida que los usuarios con peores condiciones de canal van acumulando paquetes, el término que considera el estado del buffer va ganando peso y se asignan más oportunidades a dichos usuarios. Sin embargo, este esquema se basa en tener una caracterización precisa de la estadística de llegada de paquetes para cada servicio, lo que no resulta sencillo cuando se habla de servicios multimedia en redes IP. Un método más simple de asignar más oportunidades a los usuarios más desfavorecidos es considerar como métrica de scheduling temporal únicamente el inverso de la tasa de datos servida al usuario [Pokhariyal y otros, 2007]. El objetivo último de esta disciplina es proporcionar a todos los usuarios el mismo throughput promedio independientemente de su localización. Sin embargo, esta estrategia no tiene en cuenta los diferentes requisitos de tasa de los usuarios y además resulta en una pérdida de throughput en el global de la celda puesto que se asignan un gran número de recursos a los usuarios del exterior para que alcancen valores de throughput comparables a los del interior. Cuando se trata de servicios en tiempo real, la tasa servida a los usuarios no es el parámetro más determinante de QoS. En este caso, el retardo acumulado por los paquetes de datos resulta más significativo. Teniendo en cuenta esto, en Capítulo 2 – Estado del Arte 89 que se recorren los RBs o la lista de usuarios tiene gran impacto en la asignación finalmente realizada. Es esperable por tanto que se puedan obtener unos mejores resultados cuando el par usuario-RB se elige simultáneamente. El proceso sería el siguiente: calcular para cada usuario k y RB i su valor de prioridad de asignación. Tomar entonces el par usuario-RB {k, i} con mayor prioridad, lo que significa asignar el RB i al usuario k, actualizar la prioridad de todos los pares usuario-RB y buscar el siguiente par con mayor prioridad. El proceso finaliza cuando todos los usuarios han satisfecho sus requisitos de tasa o cuando todos los RBs han sido asignados. Cualquiera de las métricas anteriormente descritas puede utilizarse para este tipo de solución, aunque en la literatura pueden encontrarse otras propuestas más elaboradas al efecto. Por ejemplo, la estrategia Class and Channel Condition Weighted Proportionally Fair Scheduler (C 3 WPF) [Ramachandran y otros, 2008] supone una generalización de las métricas basadas en condiciones instantáneas de canal. El valor de prioridad para cada par usuario-RB {k, i} se calcula de acuerdo con la ecuación (2.8), donde [ ] k T n es el throughput medio recibido por el UE k hasta el momento, , k i C representa las condiciones de canal instantáneas del UE k en el RB i y γ es una variable que controla el peso dado a las condiciones de canal. En el caso de que 1 = γ , el método es equivalente a PF. Por el contrario, cuando el valor = ∞ γ , cada RB se asigna al usuario con unas mejores condiciones de canal en él. La misma propuesta puede encontrarse en [Nonchev y otros, 2011] bajo el nombre de Modified Multistream Proportional Fair (MMPF). , ( , ) [ ] k i k C F k i T n γ = (2.8) Con el fin de incorporar la satisfacción de QoS en la fórmula de cálculo de la prioridad, en [Andrews y otros, 2001, Gowda y otros, 2007] se propone utilizar la estrategia Modified Largest Weighted Delay First (MLWDF), que es una de las estrategias más populares para servicios en tiempo real. Esta estrategia 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 90 combina en una simple fórmula el estado del canal junto con el retardo acumulado por los paquetes, de modo que se intenta obtener un compromiso entre eficiencia en la utilización de los recursos radio y satisfacción de QoS. Así, se tomará el par usuario-RB {k, i} que maximice el factor F de acuerdo con la fórmula siguiente: ( ) [ ] , ˆ [ ] , [ ] k i k k k r n F k i a W n r n = (2.9) donde ( ) max log k k k aW δ = − (2.10) siendo W k [n] el retardo del paquete más retrasado del usuario k, , ˆ [ ] k i r n la tasa instantánea que puede lograr el usuario k en el RB i, [ ] k r n la tasa promedio que puede obtener el usuario k en todo el ancho de banda del sistema y k δ la probabilidad con la que se desea alcanzar los requerimientos de retardo, es decir, el ratio de paquetes cuyo retardo total es inferior a una cota máxima max k W. En un intento por potenciar aún más la satisfacción de QoS en el cálculo de la prioridad de asignación, surge la estrategia Exponential Rule (EXP) [Rhee y otros, 2004; Basukala y otros, 2009], que puede verse como un MLWDF al que se le ha añadido un término de promediado exponencial que da más peso a aquellas conexiones con un mayor número de paquetes con un retardo elevado. La fórmula de cálculo de la prioridad de cada par {k, i} es como sigue: ( ) [ ] , 1 ˆ[ ] [ ] 1 , [ ] exp con [ ] 1 M k i k k k k k k k k r n a W n aW F k i a W n aW a W n r n M aW =   − = =     +   ∑ (2.11) [Ofuji y otros, 2003] propone una estrategia simple de scheduling que considera de forma conjunta para calcular la prioridad de asignación los requisitos de retardo del servicio, el tipo de paquete (si es una retransmisión o no) y las condiciones de canal hacia el usuario. Para ello se utiliza la fórmula Capítulo 2 – Estado del Arte 91 (2.12), donde la prioridad de una conexión k en un RB i se calcula mediante la ponderación de tres factores: ( ) ( ) ( ) ( , ) , delay delay type type SINR SINR F k i P k P k P k i α α α = + + (2.12) donde: • , , delay type SINR α α α son los pesos de ponderación de cada uno de los factores. • ( ) delay P k es el índice de prioridad de la conexión k en función de sus requerimientos de retardo. En el citado trabajo se hace uso de una función de escalón que da prioridad a un paquete cuando excede un retardo superior a una cierta cota (W pri ), antes de alcanzar la cota máxima (W max ) y ser descartado. ( ) [ ] [ ] max 0 1 k pri Delay pri k W n W P k W W n W <  =≤ <   (2.13) • ( ) type P k es el índice de prioridad de la conexión k en función del tipo de paquete que ocupa el primer lugar en la cola de salida (HoL: Head of Line). Fijando este valor a 1 solo cuando se trata de un paquete retransmitido, se consigue reducir el retardo en el servicio debido a las retransmisiones. • ( ) , SINR P k i es el índice de prioridad de la conexión j en el RB i, en función de las condiciones de canal observadas por el usuario en cuestión. Dicho índice se expresa en función del valor instantáneo y promedio de SINR en recepción, ( ) , inst SINR k i y ( ) , avg SINR k i respectivamente. El término n G es un factor de normalización para establecer los valores máximo y mínimo de ( ) , SINR P k i . El término w SINR determina el umbral de SINR a partir del cual los UEs reciben una prioridad más elevada. Valores bajos de w SINR maximizan el throughput, ya que la prioridad depende de la SINR instantánea en el RB. Por el contrario, valores altos de w SINR favorecen los 2.3 Scheduling de recursos radio y provisión de QoS 92 repartos más equitativos, ya que el peso del valor promedio de SINR es mayor en la priorización. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , , ,,, , n inst avg w SINR inst n w avg w avg G SINR k i SINR k i SINR P k i SINR k i G SINR SINR k i SINR SINR k i >  =≤   (2.14) Todos los métodos anteriores proporcionan de forma rápida una solución subóptima en el problema de la asignación de recursos: cada vez que se asigna un recurso, el algoritmo de scheduling busca el mejor usuario de entre las opciones posibles de acuerdo con la estrategia de scheduling considerada. Tal y como se ha mencionado con anterioridad, esta aproximación no ofrece generalmente la mejor solución global de entre todas las posibles. Por ejemplo, si un usuario puede recibir una asignación en muchos RBs por tener buenas condiciones de canal pero otro solo puede ser asignado en unos pocos, las estrategias anteriores pueden llevar a que el primer usuario ocupe los pocos recursos viables para el segundo. Por tanto, en el diseño de los algoritmos heurísticos de asignación dinámica de recursos radio que se presentarán en los siguientes capítulos se ha considerado como premisa que el algoritmo sea capaz de alcanzar una solución subóptima para la asignación de recursos de forma global en la celda bajo las restricciones introducidas por el mecanismo de control de ICI subyacente. Para ello, se plantearán algoritmos que integran el scheduling frecuencial y temporal de modo que la prioridad de asignación de cada usuario se actualiza dinámicamente con las asignaciones realizadas y de este modo lograr una asignación de recursos más equitativa y eficiente en el sentido de provisión de QoS a los usuarios. 93 Capítulo 3 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación Dinámica de Subportadoras y Potencia Los mecanismos de coordinación de ICI son indispensables a la hora de garantizar una calidad suficiente en la señal recibida por los terminales móviles situados en el límite de la celda. Puesto que en los nuevos sistemas de comunicaciones móviles de banda ancha se plantean un reúso unidad a nivel de celda para aprovechar al máximo el ancho de banda disponible, el control de la ICI es una herramienta imprescindible que permite mejorar las condiciones observadas por los usuarios situados en el extremo de la celda, ofreciendo así un servicio más equitativo para todos los usuarios del sistema. Desde un punto de vista de gestión de recursos radio, la coordinación de interferencias no puede aislarse completamente del posterior mecanismo de asignación de recursos radio (subportadoras, potencia y MCS). Como se ha comentado anteriormente, existe una gran interrelación entre ellos: las restricciones impuestas por el mecanismo de ICIC limitan los recursos asignables a cada usuario. Por esto, deben ser consideradas a la hora de diseñar 94 el algoritmo de asignación de recursos subyacente, de modo que se obtenga un aprovechamiento máximo del espectro. A modo de ejemplo, en el caso de un esquema FFR, los RBs asignables a los usuarios exteriores de celdas contiguas son ortogonales, alejando así la fuente interferente. Por tanto, el algoritmo concreto de asignación de recursos deberá intentar en la medida de lo posible que los usuarios del interior de la celda no sean asignados en estos RBs o de lo contrario se limitará enormemente el acceso de los usuarios exteriores por falta de recursos. Sin embargo, a pesar de esta íntima relación entre el mecanismo de ICIC y los algoritmos de asignación de recursos de recursos, en este capítulo se presenta una evaluación preliminar por separado de cada uno de ellos, con el fin de poder realizar un análisis más profundo de estos. En primer lugar, se llevará a cabo una evaluación inicial en términos de calidad de señal recibida para distintos mecanismos de ICIC en el enlace descendente (apartado 3.1). Se van a comparar diferentes esquemas basados en sectorización con un esquema de reúso fraccional analizando la SINR media medida en distintas posiciones en la celda considerando condiciones de saturación, esto es, todos los recursos radio son asignados en cada TTI. De este modo se obtiene una estimación de la calidad mínima que en media puede ofrecer el sistema en condiciones de congestión. Cuando la carga del sistema sea inferior, la calidad de señal promedio recibida por los usuarios mejorará puesto que el nivel de interferencia será menor. Cabe señalar en este punto que la calidad de la señal recibida, medida generalmente en términos de SINR promedio en recepción, no es el único factor a tener en cuenta a la hora de evaluar las prestaciones ofrecidas por el mecanismo de coordinación de interferencias. Hay que considerar también las restricciones que este mecanismo impone en el reparto de recursos radio entre los usuarios con tráfico activo: un mecanismo que proporcione una calidad de Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 95 señal excelente a costa de imponer un gran número de restricciones al acceso de los usuarios, no resulta a la larga beneficioso para el sistema, puesto que un elevado número de usuarios no llegarán a ser asignados debido a dichas restricciones. Es por tanto necesario encontrar un equilibrio entre la calidad de señal ofrecida y la accesibilidad a los recursos, que marcará la capacidad del algoritmo para gestionar con eficacia los recursos radio disponibles en el sistema. Con esta intención, una vez estudiados los mecanismos de coordinación de interferencias en términos de cobertura, se propondrán una serie de algoritmos de asignación de recursos para los mecanismos de ICIC más interesantes. Estos algoritmos, que contemplan únicamente la asignación de RBs y potencia, no serían de aplicación directa en un escenario realista, puesto que no tienen en cuenta la satisfacción de los requisitos de QoS de los usuarios. Sin embargo, nos permitirán realizar una evaluación preliminar de distintos aspectos que afectan a la tarea de scheduling y que nos será de utilidad para el diseño de algoritmos más complejos y robustos en capítulos posteriores. En este sentido, los algoritmos propuestos en este capítulo van a ser evaluados primero en unas condiciones ideales para extraer unas primeras conclusiones que serán después confirmadas y ampliadas cuando se considere un modelo del sistema más completo. De todas las posibles opciones analizadas en el capítulo 2 sobre este aspecto, en esta tesis nos hemos centrado en el diseño de algoritmos heurísticos para la asignación de recursos puesto que, aunque no obtienen la solución “óptima”, permiten tener en cuenta una gran cantidad de restricciones y condicionantes que no pueden ser asumidos por los algoritmos matemáticos. Además, dado que la tendencia de los sistemas actuales pasa por una arquitectura plana que concentre la gestión de los recursos radio en la propia BS, los algoritmos presentados asumen que cada celda es independiente en cuanto a la asignación 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 96 de recursos, por lo que no es necesaria la comunicación con otras BSs o elementos de la red. 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura En este primer apartado se presenta una comparativa preliminar de distintos esquemas de coordinación de interferencias desde un punto de vista de valores promedio y desviación típica de la SINR en recepción para diferentes posiciones a lo largo de la celda. El objetivo es estimar la calidad de señal que pueden ofrecer los mecanismos de coordinación seleccionados para posteriormente elegir los que ofrezcan unas prestaciones más interesantes y desarrollar algoritmos concretos de asignación de recursos adaptados a ellos. En primer lugar se va a presentar el modelo general del sistema que definirá los aspectos más importantes de la estructura de la capa radio, sobre los que se apoyará la posterior descripción de un conjunto mecanismos de coordinación de ICI para redes OFDMA. 3.1.1 Modelo Básico del Sistema A lo largo de esta tesis se va a considerar exclusivamente una comunicación con duplexado en frecuencia (FDD: Frequency Division Duplex) del enlace ascendente y descendente. En comparación con el duplexado temporal (TDD: Time Division Duplex), el modo FDD ofrece una gestión más simple de los recursos radio al tiempo que reduce los requerimientos de sincronización entre celdas. Por otra parte, dado que esta tesis se centra en la gestión de la interferencia y en la asignación de recursos para el enlace descendente, puede asumirse que las BSs actúan como fuentes generadoras de tráfico y transmisores de señal, mientras que los usuarios móviles se limitan a recibir dicha señal, Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 97 demodular los datos recibidos y obtener las correspondientes estadísticas de tráfico y calidad del enlace. El modelo de despliegue de red considerado en adelante se basa en un clúster compuesto de N BS =19 celdas con geometría hexagonal. La BS se sitúa en el centro de la celda, que tienen un radio de R cell =1km, lo que a su vez fija una distancia entre BSs R ISD =1732m. Cada celda está compuesta por N sec =3 sectores, cada uno de los cuales cubre un ángulo de 120º y da servicio a los UEs que se encuentran dentro de su área de cobertura. Cada sector dispone de una antena tipo panel cuyo patrón de radiación se da en la ecuación (3.1) y se representa gráficamente en la Figura 3.1. ( ) 2 3 3 1·min 12 ,20 70º dB dB D con θ θ θ θ       = − =           (3.1) -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0Diagrama de radiación de la antena Ángulo Pérdidas de radiación (dB) Figura 3.1: Patrón de radiación de la antena panel Las dos configuraciones más comunes para la orientación de los sectores se encuentran en la Figura 3.2. El esquema a), que evita la alineación de la dirección de máxima radiación entre sectores colindantes, provoca sin embargo 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 98 la aparición de una zona de interferencia extremadamente alta en las intersecciones entre tres sectores (zona marcada con un círculo en la figura). La antena de los dos sectores más próximos de celdas vecinas se encuentra directamente orientada hacia esa zona, con lo que en caso de aplicar esquemas sin sectorización estática, la SINR observada caerá por debajo de 0 dB. Este problema puede evitarse orientando el azimut de los sectores como se muestra en el esquema b) de la Figura 3.2, de modo que no coincida la orientación de las direcciones de máxima radiación entre sectores de celdas vecinas. En adelante consideraremos únicamente este último esquema por ofrecer unas mejores prestaciones globales sin incrementar la complejidad del scheduler. 0º 0º 0º 0º 0º 0º 0º a) Despliegue a 0º 30º 30º 30º 30º 30º 30º 30º b) Despliegue a 30º Figura 3.2: Configuraciones más comunes para el despliegue de sectores Para el entramado de la comunicación se ha asumido la estructura utilizada en el estándar LTE para el esquema FDD [TS36.211, 2009], puesto que es la opción de duplexado preferida para el despliegue de sistemas LTE: la comunicación en el enlace descendente se organiza en base a subtramas de duración T sf =1ms. En cada subtrama se realiza una nueva asignación de los Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 105 basada en códigos ortogonales. En este tipo de sectorización, cada sector ensancha sus símbolos de datos con una secuencia-código de longitud C, ortogonal a las utilizadas por los otros sectores de la celda. Dado que este ensanchado solo está destinado a mantener la ortogonalidad entre sectores de la misma celda, con secuencias-código de tamaño C=N sec =3 es suficiente. De entre las opciones existentes para estas secuencias-código, se ha optado por los códigos de rotación de fase propuestos por el 3GPP para LTE [R1062712, 2006]. En la ecuación (3.4) se muestra la expresión concreta de esta familia de códigos particularizada para el caso de C=3. Al multiplicar en recepción por el conjugado del código correspondiente se puede obtener el símbolo transmitido por cada sector de la celda, mientras que los símbolos del resto de sectores quedan anulados por la ortogonalidad entre códigos. [ ] 0 2 2 3 3 1 2 2 3 3 2 1111 3 11 3 11 3 j j j j c c e e c e e π π π π − − =   =       =     (3.4) 3.1.3 Evaluación de los Mecanismos de Coordinación de ICI En este apartado se describen de forma detallada las condiciones en las que se han realizado las simulaciones para la comparación de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura, así como los resultados y conclusiones que pueden extraerse de dicha comparación. 3.1.3.1 Condiciones de simulación La comparativa aquí presentada se basa en medir los valores de SINR promedio por RB que los distintos algoritmos son capaces de ofrecer a los 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 106 usuarios a lo largo del área de cobertura de la celda asumiendo una potencia de transmisión constante. Para ello se computarán los valores promedio de SINR que se miden a lo largo de tres trayectorias radiales mostradas en la Figura 3.8, que son representativas de las distintas condiciones que pueden darse dentro de la celda. T1 T2 T3 Figura 3.8: Trayectorias para la evaluación de mecanismos de coordinación La evaluación de los mecanismos de coordinación de ICI se lleva a cabo en condiciones de saturación, lo que implica que cada sector transmite en todos sus RBs utilizando la potencia de transmisión marcada por la máscara de potencia correspondiente. No se implementa por tanto ningún mecanismo de adaptación del enlace que ajuste la potencia a las condiciones de canal. En el caso de los mecanismos que no contemplan sectorización, puesto que la interferencia puede provenir de cualquier sector de las celdas vecinas, se decidirá por medio de una variable aleatoria qué sector transmite potencia en cada RB, emulando así de forma fidedigna el comportamiento de estos mecanismos. Además, en cada posición de medida se promediarán un número suficiente de muestras para mitigar el impacto de la aleatoriedad del canal y poder analizar así aisladamente el efecto del mecanismo de coordinación. A continuación se describen otras consideraciones realizadas a la hora de definir el modelado del sistema y llevar a cabo las simulaciones. En todos los Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 107 casos se seguirán las directrices de [TR36.942, 2010], donde se recomienda un juego de parámetros para las simulaciones del sistema LTE. Simulación del despliegue de red Para evitar los efectos de borde al no simular una red infinita, el clúster de N BS =19 celdas se simulará haciendo uso de la técnica wrap-around, que se basa en considerar que celdas suficientemente alejadas, y por tanto altamente incorreladas, son celdas vecinas. De este modo se puede emular una red de grandes dimensiones con un conjunto reducido de celdas simuladas y tomar estadísticas válidas en todas ellas. Para un clúster de N BS =19 celdas como el mostrado en la Figura 3.9, la técnica wrap-around hace que por ejemplo, la celda 8 aparezca como vecina de la 13 y 14 aun cuando se encuentran en el otro extremo del clúster simulado. 16 17 11 15 13 14 17 13 12 10 9 9 11 87 18 715 21 8 11 3 10 45 0617 18 9 7 13 12 15 1614 Figura 3.9: Técnica de wrap-around Generación de interferencias Dado que en las redes celulares OFDMA la interferencia intercelular e intersector son los factores dominantes (varios órdenes de magnitud por encima del ruido), su impacto en las prestaciones ofrecidas por los distintos algoritmos es determinante. Es por esto que para realizar la evaluación de prestaciones en un escenario más realista, se evita el uso de modelos de interferencia y se 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 108 emulará de forma explícita la transmisión de señal por parte de todas las BSs del escenario. Puesto que la interferencia intercelular experimentada por un usuario se debe en gran medida a las celdas más próximas, en las simulaciones se va a considera únicamente la contribución correspondiente a las celdas del primer anillo interferente, es decir, las 6 celdas que colindan con la celda en la que se encuentra el usuario (Figura 3.10). Figura 3.10: Señal útil (azul) e interferentes (rojo) del primer anillo En el caso de FFR, la interferencia puede provenir de cualquiera de los sectores de las celdas vecinas puesto que no hay restricciones entre sectores a la hora de asignar los RBs. Este efecto será emulado en las simulaciones, tal y como se ha comentado anteriormente, asumiendo que cada sector de las celdas vecinas tiene 1/3 de probabilidades de asignar un determinado RB. Así, para estimar la SINR promedio a lo largo de una determinada trayectoria asumiremos que todos los RBs de la celda útil se transmiten en el sector correspondiente a dicha trayectoria, mientras que en las celdas interferentes, se decidirá aleatoriamente qué sector transmite cada uno de los RBs. Modelo de canal En las simulaciones de sistema resulta especialmente determinante modelar con precisión los distintos efectos de primer nivel derivados del canal radio, de modo que los resultados obtenidos por medio de simulaciones sean representativos de lo que podría suceder en un sistema real. El modelo de canal Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 109 considerado a lo largo de esta tesis contempla tres partes fundamentales, como son las pérdidas de propagación con la distancia, los desvanecimientos lentos y los desvanecimientos rápidos: • Pérdidas de propagación Las pérdidas de propagación se corresponden con la atenuación media que sufre la señal dependiendo de la frecuencia del sistema y de la distancia entre transmisor y receptor. Siguiendo las recomendaciones del 3GPP [TR36.942, 2010], el modelo utilizado en las simulaciones se muestra en la ecuación (3.5) donde d es la distancia entre transmisor y receptor expresada en km: 10 ( ) 128.1 37.6log p L dB d = + (3.5) • Desvanecimientos lentos Los desvanecimientos lentos o shadowing son las pérdidas que experimenta la señal como resultado de la presencia de grandes obstáculos en la trayectoria de propagación, como pueden ser colinas o grandes edificios. Las pérdidas introducidas por el shadowing se modelan por medio de una variable aleatoria ( ξ k ) de distribución lognormal con desviación típica σ ajustable. En un escenario real, los desvanecimientos debidos a los grandes obstáculos no varían excesivamente entre dos posiciones cercanas, o dicho de otro modo, existe un cierto grado de correlación espacial en el shadowing. Se define por tanto una distancia de correlación (d cor =50m), que puede entenderse como la distancia entre dos puntos tal que, en un escenario dado, presentan valores del shadowing incorrelados. Además de esta correlación a pequeña escala, existe también una correlación macroscópica entre las distintas celdas del escenario, lo que reproduce el hecho de que los obstáculos que puede encontrarse la señal entre un usuario y las BSs cercanas de su entorno son por lo general similares. Para modelar este efecto, se 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 110 utiliza una segunda variable aleatoria lognormal ( ξ ) con desviación típica σ , común a todos los caminos de propagación de la señal hacia un mismo usuario. Así, el valor final de shadowing en un camino de propagación determinado (ζ k ) se obtiene como una ponderación de las dos lognormales: la común a todos los caminos y la propia de cada uno de ellos, como se muestra en la ecuación (3.6). En entornos urbanos suele utilizarse un valor de a 2 =b 2 =0,5, lo que significa que hay un 50% de correlación en el shadowing entre celdas. 2 2 ( ) ( ) ( ) con 1 k k dB a dB b dB a b ζ ξ ξ = ⋅ + ⋅ + = (3.6) Debido a que la evolución del shadowing es extremadamente lenta en comparación con el resto de componentes aleatorias del canal, en estas primeras simulaciones se ha optado por no tomarlo en consideración para evitar que el valor concreto del mismo en un determinado instante desvirtúe los resultados obtenidos. Esto supone fijar una desviación típica de 0 dB en todos los caminos de propagación. Por tanto, es importante notar que los resultados obtenidos con estas simulaciones presentan una componente menos de variabilidad frente a un escenario real. • Desvanecimientos rápidos Los desvanecimientos rápidos o Rayleigh son desvanecimientos selectivos en frecuencia que se deben al efecto combinado de la propagación multicamino y la movilidad del terminal, como se muestra gráficamente en la Figura 3.11. Como consecuencia de la propagación multicamino, la suma de la contribución de varios caminos puede provocar nulos de recepción en determinadas subportadoras o picos de ganancia en otras. Dado que los usuarios observarán perfiles Rayleigh distintos, el scheduler puede aprovechar esta diversidad multiusuario para asignarlos en aquellas subportadoras donde tengan mejores condiciones de canal, pudiendo de este modo utilizar una MCS más eficiente y obteniendo así un mejor aprovechamiento del espectro. Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 111 Figura 3.11: Ejemplo de propagación multicamino La propagación multicamino se modela normalmente en base a modelos de canal de varios rayos donde la potencia de cada rayo representa la ganancia media del camino de propagación. Para considerar el efecto conjunto de propagación multicamino y movilidad, la potencia de cada rayo se genera mediante una estadística Rayleigh con el valor promedio dado. Los modelos multicamino considerados a lo largo de esta tesis se muestran en las siguientes tablas, que se corresponden con los modelos propuestos por el 3GPP en el desarrollo de LTE [TR36.104, 2010]. Tabla 3.1: Pedestrian-A extendido (3km/h) Retardo del camino (ns) Potencia relativa (dB) 0 0.0 30 -1.0 70 -2.0 90 -3.0 110 -8.0 190 -17.2 410 -20.8 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 112 Tabla 3.2: Typical Urban extendido (120km/h) Retardo del camino (ns) Potencia relativa (dB) 0 -1.0 50 -1.0 120 -1.0 200 0.0 230 0.0 500 0.0 1600 -3.0 2300 -5.0 5000 -7.0 Además del efecto en la potencia de señal debida a la suma de los distintos rayos que conforman el canal de propagación, es importante resaltar que las réplicas de la señal provocan interferencia inter-simbólica cuando el retardo del rayo es superior a la duración del prefijo cíclico. En las simulaciones presentadas en esta tesis asumiremos que el prefijo cíclico es capaz de absorber todas las réplicas del canal sin que exista interferencia. Sin embargo, la velocidad de desplazamiento del usuario provoca una dispersión en frecuencia denominada efecto Doppler que se traduce en un batido de las componentes frecuenciales de la señal. Este efecto se modela variando la potencia relativa de los rayos del canal, de tal forma que los desvanecimientos rápidos presentan cierta coherencia temporal, cambiando más lentamente para velocidades bajas de desplazamiento del usuario ya que el entorno varía más lentamente. Podemos definir por tanto un tiempo de coherencia del canal τ c que indica el tiempo que ha de transcurrir hasta que los desvanecimientos rápidos pueden considerarse incorrelados. El tiempo de coherencia es, lógicamente, inversamente proporcional a la velocidad de desplazamiento del móvil, pues cuanto más rápido se desplaza, más cambia el entorno de propagación y, por tanto, los desvanecimientos rápidos. De las distintas relaciones que pueden encontrarse en la literatura, en todas las simulaciones se utiliza la mostrada en (3.7), donde f D es la frecuencia Doppler del terminal, v es su velocidad media de Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 113 desplazamiento y c es la velocidad de la luz. Una vez fijada la velocidad de cambio de los desvanecimientos, la potencia de cada rayo del modelo se ajusta de acuerdo con el modelo clásico de Jakes para considerar el efecto Doppler [Jakes, 1975]. 0,423 0,423 c D C v f f c τ = = (3.7) Valores de las máscaras de potencia Para definir los valores de la máscara de potencia a utilizar en cada algoritmo se ha considerado como premisa que se deben ofrecer unas condiciones de SNR similares en los extremos de las tres zonas concéntricas de igual superficie en las que se ha dividido la celda. Basándose en el modelo de propagación se puede estimar el incremento de potencia requerido para obtener una SNR similar en el límite de cada zona ∆ l , con lo que el valor de la máscara de potencia en el nivel l ( l med M ) se puede obtener a partir del nivel anterior l-1 y el incremento ∆ l tal y como expuso en el apartado 3.1.2: 1l l med med l M M ∆ − = + 1 1 l ,...,L = − (3.8) A la hora de definir los valores concretos que toma la máscara de potencia es preciso tener en cuenta el número de RBs que potencialmente puede utilizar cada sector, puesto que debe garantizarse que ningún sector excede la potencia máxima (P Tmax ) incluso cuando asigna todos los RBs potencialmente asignables, como se enuncia en la ecuación (3.9). En los algoritmos basados en sectorización frecuencial, un tercio del ancho de banda es transmitido siempre por cada sector. Sin embargo, en los casos de FFR y sectorización por códigos, un único sector puede transmitir todos los RBs, con lo que hay que presupuestar la máscara de potencia asumiendo que el número de RBs potencialmente asignables por un sector s ( , s RB l N ) es el número total de RBs (N RB ). 3.1 Comparativa de mecanismos de coordinación de ICI por cobertura 114 ( / ) 1 max 10 , 0 10 l med M dBm RB Ls RB l T l N P − = ⋅ = ∑ (3.9) Resumiendo todo lo enunciado anteriormente y tomando otros parámetros típicos de las simulaciones en el sistema LTE [TR36.942, 2010], los parámetros generales de la simulación se muestran en la Tabla 3.3. Tabla 3.3: Parámetros de simulación Parámetro Valor Despliegue 19 celdas trisectorizadas, técnica wrap-around Distancia entre estaciones base (R ISD ) 1732m Modelo de propagación ( ) 10 128.1 37.6log ( ) L d km = + Desviación típica del shadowing ( σ ) 0dB Modelo de canal multicamino Typical-Urban extendido Ruido térmico -174dBm/Hz Ancho de banda del sistema 5MHz Número de subportadoras totales (N C ) 512 Número de subportadoras totales (N a ) 270 Separación entre subportadoras (f SC ) 15kHz Periodo de scheduling (TTI) 1ms Símbolos OFDM por TTI 14 (4 de ellos para control y pilotos) Número de RBs (N RB ) 27 Tamaño del RB (N SC x N T ) 10 subportadoras durante 10 símbolos OFDM Tamaño del prefijo cíclico 16.6µs Modulación QPSK Estimación de canal Perfecta Ecualización Zero Forcing Potencia máxima de transmisión (P Tmax ) 43dBm Ganancia de antena de la BS 15dB Patrón de radiación de la antena de la BS 70º (-3dB) con 20dB de relación delante-atrás Ganancia de antena del UE 0dB Figura de ruido del receptor 5dB Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 121 En la evaluación de los algoritmos de control de ICI y asignación de recursos presentada en este apartado se va a asumir un modelo simplificado del sistema para centrarnos en la evaluación detallada de los algoritmos de scheduling en condiciones de elevada carga, donde sus diferencias son más evidentes. En este sentido, vamos a aplicar un modelo full-buffer en el que todos los usuarios del sistema tienen datos pendientes de ser transmitidos y con igual prioridad. No se tendrán en cuenta por tanto el modelo de tráfico de los usuarios ni el estado de los buffers, con lo que no existirá una correlación temporal en el sistema. De ahí que se aplique también un modelo de canal simplificado en el que el perfil del canal está incorrelado entre dos subtramas consecutivas. Sin embargo, con el fin de obtener una primera impresión de la flexibilidad del algoritmo en situaciones de alta carga, los usuarios serán agrupados aleatoriamente en usuarios prioritarios y no prioritarios de modo que sea posible analizar la capacidad del algoritmo para gestionar la QoS. Una vez evaluadas en detalle las propuestas en escenarios de carga homogénea, se evaluarán a continuación las limitaciones en cuanto a distribuciones heterogéneas de carga entre sectores. Las conclusiones principales extraídas de este análisis se refrendarán con la evaluación mostrada en el apartado 3.3, en la que se aplicará ya en su totalidad un modelo del sistema completo que tiene en cuenta la correlación temporal del canal y el tráfico de los usuarios. El resto del apartado se organiza como sigue: en primer lugar se describen los aspectos comunes en los que se apoyan los diferentes algoritmos de asignación de recursos propuestos, para posteriormente definir detalladamente cada uno de ellos. Finalmente, se presenta una evaluación de las distintas propuestas en términos de calidad de señal y accesibilidad, que permitirá determinar la mejor solución de compromiso para luego diseñar algoritmos más complejos para unas condiciones más realistas que adapten también la tasa transmitida por RB en función de las condiciones de canal y de los requisitos de tráfico del usuario. 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y (…) 122 3.2.1 Aspectos Comunes de Diseño para los Algoritmos de Asignación de Recursos Los algoritmos de asignación dinámica de recursos propuestos a continuación trabajan todos bajo un determinado mecanismo de coordinación de ICI (FFR o sectorización) y utilizan máscaras de potencia para determinar la potencia a asignar en cada RB. Puesto que en estos algoritmos la potencia de transmisión es un recurso a repartir dinámicamente por el scheduler, los algoritmos contemplan dos límites en la potencia de transmisión en cada subportadora o RB: - El primero de los límites (M med ) debe garantizar a priori, un reparto equitativo de la potencia entre las distintas subportadoras o RBs de una banda determinada. En concreto este límite se fija como la potencia a la que deberían transmitir las distintas subportadoras de modo que, en total, la potencia transmitida por la BS sea igual al límite máximo (P Tmax ). Con esta premisa se evita que determinadas subportadoras no puedan ser asignadas en primera instancia por falta de potencia. En cualquier caso, la potencia finalmente asignada a un usuario podría ser inferior al valor M med dependiendo de las condiciones de canal que observa. Por ejemplo, la potencia requerida por un usuario próximo a la BS será inferior a la requerida por un usuario de la zona exterior. Así, si se asigna poca potencia al usuario del interior, la potencia restante hasta el límite M med contribuye a la creación de un margen de potencia que se reinvierte en incrementar la potencia transmitida para los usuarios con menor ganancia de canal, hasta un máximo de potencia transmitida fijado por el siguiente límite. - El segundo límite (M max ) igual o superior al anterior, suele venir impuesto por la recomendación de los estándares a fin de limitar la Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 123 potencia máxima de transmisión por unidad de frecuencia. Por ejemplo, en el caso de LTE, se establece un límite de 32dBm por RB. Este límite garantiza que la potencia transmitida no crece incontrolablemente, llevando al sistema a una situación de inestabilidad. Estos valores M med y M max pueden no ser constantes a lo largo del ancho de banda del sistema. Por ejemplo, cuando se aplica una máscara de potencia a nivel de celda, redefinidos como M lmed y M lmax para cada nivel l, cambian de un nivel de la máscara a otro, aunque las condiciones generales enunciadas anteriormente sobre potencia total transmitida deben satisfacerse. A continuación se enumeran otras suposiciones consideradas en los algoritmos de asignación de subportadoras y potencia con su debida justificación: - Cada celda realiza las asignaciones de recursos sin conocimiento de las asignaciones realizadas en las celdas vecinas. De este modo se evita el intercambio continuo de señalización interna entre BSs para indicar las decisiones de scheduling. - La unidad mínima de asignación de recursos tiempo-frecuencia a un usuario es el RB, aplicándose la misma potencia de transmisión a todas las subportadoras del RB. - El scheduler maneja de forma coordinada las asignaciones de recursos (RBs y potencia) entre sectores de la misma celda, siempre bajo las restricciones impuestas por el mecanismo de coordinación de ICI. - Un RB solo puede ser asignado a un UE en cada celda, de modo que no existen interferencias intracelulares. 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y (…) 124 - No se aplica ningún mecanismo de adaptación de la tasa de datos transmitida en cada RB dependiendo del estado del canal o del tráfico. Se asumirá por tanto que los usuarios disponen de suficientes datos en los buffers como para recibir una asignación en cualquier momento con la modulación elegida. - Sin pérdida de generalidad y para desligar el efecto de los algoritmos de asignación de recursos de los de gestión de tráfico de usuario, se ha considerado un modelo full-buffer (los terminales siempre tienen datos para transmitir). Este modelo, que se utiliza normalmente en la evaluación de mecanismos de coordinación de ICI y scheduling frecuencial, no permite sacar conclusiones acerca de la flexibilidad del algoritmo para proporcionar la QoS demandada por los usuarios: al no priorizar los servicios, los recursos radio acaban siendo asignados a los usuarios con mejor canal y los usuarios del exterior de la celda acaban recibiendo un servicio limitado. Para emular de forma simple los requisitos de QoS en este modelo simplificado, los M usuarios de la celda se ordenan de forma aleatoria en cada instante de scheduling. De entre ellos, los N P primeros se consideran usuarios prioritarios (PU), aquéllos que tienen una prioridad máxima a la hora de recibir una asignación, mientras que el resto se denominan no prioritarios (NPU) y no recibirán recursos a menos que tras asignar a los prioritarios, aún queden recursos libres. Dado que la distribución de PUs es aleatoria a lo largo de la celda, este esquema nos permitirá determinar también la capacidad del algoritmo para proporcionar la QoS demandada por los usuarios tanto en el interior como en el exterior de la celda. De este modo, la tasa de PUs asignados en cada TTI es una medida directa de la accesibilidad a los recursos radio proporcionada por el algoritmo y nos permitirá realizar un primer análisis de la flexibilidad del mismo para proporcionar la QoS requerida por los usuarios. Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 125 - Dado que en la evaluación aquí presentada no se pretende analizar la capacidad del algoritmo para gestionar los tráficos de los usuarios con distinta demanda de QoS (tasa, retardo…), se asumirá que un usuario siempre tiene datos para transmitir y solo puede recibir un RB en cada TTI. - Las asignaciones de RBs y potencia de transmisión se realizan de forma conjunta para lograr una solución subóptima con buenas prestaciones. El objetivo general de los algoritmos de asignación de recursos radio presentados es minimizar la potencia total transmitida manteniendo los requerimientos de SINR de cada usuario para la modulación exigida. El problema de optimización puede expresarse como sigue: 1 0 1 s RB Ns max out out i T sec i minP con P P P y s ,...,N = = ≤ = − ∑ (3.10) donde s RB N es el número de RBs que el mecanismo de coordinación de ICI asigna al sector s y s i P la potencia transmitida en el RB i en el sector s, siendo sec N el número de sectores. Se asume que todas las subportadoras del RB son transmitidas con la misma potencia. - La BS dispone de conocimiento ideal del estado del canal (CSI) para cada uno de los UEs de la celda excluyendo los desvanecimientos Rayleigh. Aunque idealizado, esta suposición permite evaluar el sistema en un escenario más realista que la suposición de estimación ideal completa de canal. En este caso, se asume que el UE solo es capaz de indicar idealmente la estimación de aquellos parámetros que permanecen más o menos estables durante un cierto tiempo, como son las pérdidas por distancia, las pérdidas de antena y los desvanecimientos lognormales. De este conjunto de parámetros estimables se excluyen los desvanecimientos 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y (…) 126 Rayleigh ya que varían rápidamente y se asume que el UE no puede estimarlos e informar a la BS con la suficiente frecuencia. - Con esta información la BS estima la potencia requerida por cada usuario k en un RB i (P k,i ), de modo que la señal recibida cumpla teóricamente con los requerimientos de SINR fijados para la tasa de datos exigida: ( ) , , , , , k req N i k i k i k i SINR P I Ph ⋅ + = (3.11) donde h k,i es la ganancia del canal para el usuario k en el RB i, , N i P e , k i I la potencia de ruido térmico y la interferencia en el RB i, y , k req SINR la SINR que necesita el usuario k para poder cursar su tasa de datos con la tasa de error deseada. No obstante, la SINR que el usuario finalmente reciba diferirá de la deseada debido a las fluctuaciones impredecibles de los desvanecimientos Rayleigh y de la potencia interferente. 3.2.1.1 Convenio de símbolos para la descripción de los algoritmos Las siguientes tablas resumen la nomenclatura utilizada a lo largo de la descripción de los algoritmos de asignación dinámica de recursos que se presenta en los siguientes apartados. Tabla 3.5: Parámetros relacionados con los UEs M Número de UEs activos en un instante de scheduling N p Número de UEs prioritarios PU Γ Lista de los UEs prioritarios NPU Γ Lista de los UEs no prioritarios Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 127 Tabla 3.6: Parámetros relacionados con los RBs RB N , s RB N Número de RBs disponibles en la celda o en el sector s , RB l N , , s RB l N Número de RBs disponibles en el nivel l de la máscara en la celda o en el sector s l s Φ Lista de RBs no asignados en el nivel l de la máscara en el sector s RB Ω Lista indicando a qué usuario se ha asignado cada RB. Por ejemplo, ( ) RB i k Ω = si el RB i se ha asignado al UE k Tabla 3.7: Parámetros relacionados con la potencia P k,i Potencia requerida por el usuario k en el RB i. Esta potencia se calcula mediante la ecuación (3.11) M lmed , M lmax Límites medio y máximo de la máscara de potencia en cada RB i perteneciente al nivel l de la máscara max T P Límite máximo de potencia que puede transmitir el sector P out Acumula la potencia que ha sido asignada hasta el momento P res Acumula el margen de potencia logrado hasta el momento. Cuando se asigna un RB con una potencia de transmisión inferior a M lmed (de acuerdo con la máscara que corresponda), P res se incrementa en una cantidad igual a M lmed – P k,i 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y (…) 128 3.2.2 Descripción de los Algoritmos de Asignación de Recursos En los siguientes subapartados se describen de forma detallada los 5 algoritmos heurísticos propuestos para la asignación adaptativa de subportadoras y potencia bajo el marco común descrito anteriormente. 3.2.2.1 Sectorización frecuencial con máscaras a nivel de celda de tres niveles Este algoritmo, denominado en adelante FFS_3LevelMask, utiliza sectorización frecuencial estática junto con máscaras a nivel de celda con L=3 niveles de potencia. Las decisiones de scheduling se toman de forma independiente en cada sector (s= 0 ,.., N sec -1) dado que cada uno recibe un tercio de la banda frecuencial y no hay coordinación entre ellos. Los pasos seguidos por el algoritmo pueden enunciarse como sigue: Paso 1: Para cada PU PU k ∈Γ (inicialmente todos los PUs localizados en el sector) en orden de prioridad descendente, buscar en el nivel l de la máscara (comenzando por l= 0 ) aquel RB i que todavía no ha sido asignado ( l s i ∈Φ ) donde el usuario k requiere una menor potencia. Si esta potencia es inferior al límite M lmed , el RB es asignado al usuario y los valores P out y P res se actualizan correspondientemente: ( ) ( ) , , , argmin l s PU i RB k l k i med out out k i l res res med k i i k i k i P P M P P P P P M P   ∈Φ ∧ ∈Γ   Ω = ⇔ =   ≤     = + = + − (3.12) En caso de no cumplirse estas restricciones, se prueba con el siguiente RB hasta haber intentado la asignación en todos los RBs del nivel. A continuación se vuelve a aplicar el paso 1 pero con el siguiente nivel de la máscara (l= 0 ...L-1). En este algoritmo podemos Capítulo 3 - Propuesta Preliminar de Mecanismos de ICIC y Asignación (…) 129 apreciar que si un usuario requiere una potencia superior a la máscara media aunque sea en una ínfima cantidad, se intentará asignar en el siguiente nivel de la máscara antes de permitirle utilizar una potencia de transmisión superior. Por tanto, UEs que podrían utilizar una subbanda de baja potencia con un ligero incremento de potencia van a ocupar recursos de subbandas con mayor potencia de transmisión, limitando la entrada a usuarios que realmente necesitan esa mayor potencia de transmisión. Para evitar este efecto se propone una versión alternativa de este primer paso (3.13), en la que los UEs que exceden el límite M lmed en un valor inferior al margen de potencia logrado hasta el momento (P res ) reciben la asignación. Esta será la opción que utilicemos en adelante. ( ) ( ) , , , , argmin l s PU RB k i l k i med res out out k i l res res k i med i k i k i P P M P P P P P P P M   ∈Φ ∧ ∈Γ   Ω = ⇔ =   ≤ +     = + = − − (3.13) Cuando un RB es asignado hay que eliminarlo de la lista de RBs libres, así como quitar al UE de la lista de PUs: { } { } l l s s PU PU i k Φ = Φ − Γ = Γ − (3.14) Paso 2: En esta segunda iteración se asignan los RBs libres, comenzando por la subbanda de menor potencia l= 0 , a aquellos PUs no servidos cuya potencia de transmisión es inferior al límite M lmax , siempre y cuando no se exceda el límite máximo de potencia transmitida en el sector: 3.2 Control de la ICI y algoritmos de asignación dinámica de potencia y (…) 130 ( ) { } { } , , max , , argmin l s PU l k i max RB k i out k i T out out k i l l s s PU PU i k P M i k i P PPP P P P i k   ∈Φ ∧ ∈Γ     ≤ Ω = ⇔ =     + ≤     = + Φ = Φ − Γ = Γ − (3.15) Paso 3: En la tercera iteración se intentan asignar los RBs libres a los usuarios no prioritarios con el valor medio de la máscara. Por tanto, el planteamiento es idéntico al paso 1 pero con la lista NPU Γ en lugar de PU Γ . Utilizamos el límite medio de la máscara en este paso ya que, al tratarse de NPUs y por tanto no haber obligación de servirlos en este momento, se prefiere asignar usuarios que requieran poca potencia y generen así pocas interferencias a otras celdas. Paso 4: Finalmente, en el paso 4 se asignan los RBs libres a los NPUs con el límite máximo de la máscara, por lo que es similar al paso 2 pero con la lista NPU Γ . 3.2.2.2 Reúso fraccional frecuencial (FFR_2LevelMask) Como ya se ha comentado anteriormente, vamos a utilizar un algoritmo basado en un esquema FFR como referencia para analizar las limitaciones en cuanto a accesibilidad que ofrecen los esquemas basados en sectorización con máscaras a nivel de celda. En concreto, se ha utilizado un esquema soft-FFR puesto que es el que menos restricciones impone en cuanto al acceso de usuarios a los recursos frecuenciales Así, el esquema propuesto en este apartado y que se denomina FFR_2LevelMask, está basado en un mecanismo de coordinación de soft-FFR añadiendo las máscaras M lmed y M lmax , que en este caso tienen dos niveles correspondientes a la subbanda interior y a la subbanda exterior. Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 233 celda aumenta, las condiciones de interferencia empeoran y por tanto, más transmisiones se asignarán con la MCS 0 , lo que implica ocupar 2 RBs para transmitir la tasa generada por subtrama. Esto supone que comienzan a escasear los RBs y en más ocasiones será necesario utilizar MCSs altas (3 y 4) para recuperar los retrasos sufridos en los tráficos. Si comparamos ambos algoritmos podemos observar que en FFR-MCS_PriDin se hace un menor uso de la MCS2, mientras que se utilizan con mayor frecuencia el resto de MCSs. Este hecho se explica porque las condiciones de canal observadas por los usuarios en FFR son peores, con lo que aumentan las ocasiones en las que los usuarios tienen que trabajar con MCSs bajas ( 0 o 1) que ocupan más RBs, aumentando el retardo del resto de conexiones. Así, los usuarios en mejores condiciones de canal deberán utilizar MCSs más elevadas para recuperarse de los retrasos en los tráficos. Por el contrario, la gestión de la interferencia que realiza FFRopa-MCS_PriDin permite que los usuarios observen unas mejores condiciones de canal, con lo que se puede utilizar en mayor medida la MCS2, que es la que permite transmitir en 1 RB la tasa generada en cada TTI. FFR-MCS_PriDin FFRopa-MCS_PriDin Porcentaje de uso de cada MCS (%) Número de usuarios MCS 0 MCS 1 MCS 2 MCS 3 MCS 4 0 20 40 60 80 100 72 81 90 99 108 Porcentaje de uso de cada MCS (%) Número de usuarios Figura 4.18: Porcentaje de asignación de cada MCS 4.2 Propuesta de algoritmos de asignación de recursos radio basados (…) 234 Tasa de error en el bloque de datos Otro elemento a tener en cuenta al evaluar las prestaciones de los algoritmos es la tasa de BLER que ofrece el algoritmo en la transmisión de datos: si bien los mecanismos de HARQ garantizan que los paquetes son correctamente entregados a las capas superiores, las sucesivas retransmisiones de paquetes aumentan el retardo del servicio y la carga real experimentada en la celda, y por consiguiente, el descarte de paquetes. La Figura 4.19 muestra una comparación del BLER asociado a los esquemas FFR (en azul) y FFRopa (en rojo) para el global de la celda y detallado para cada una de las zonas. Se han simulado 2 puntos más con menor número de usuarios para poder apreciar también los efectos a baja carga. Como se puede apreciar en todos los casos, el BLER asociado al esquema FFRopa es sensiblemente más bajo que con FFR, gracias fundamentalmente a que la ordenación aplicada en la subbanda interior reduce la variabilidad de la interferencia y hace que la asignación de recursos sea más precisa. A medida que la carga de la celda aumenta, el BLER crece también debido unas condiciones de interferencia peores y a la necesidad de utilizar MCSs más altas para recuperar retrasos en sus tráficos. Sin embargo, en el caso de FFR se aprecia asimismo un aumento del BLER para condiciones de carga baja como resultado del efecto ON-OFF de la interferencia, tal y como se analizó en el apartado 4.1. Es especialmente destacable el BLER observado por los usuarios de la zona exterior (Figura 4.19d), que supera el 10% con los algoritmos basados en FFR frente al 2,5% observado por los usuarios exteriores con FFRopa. Todos los resultados presentados en este apartado se han obtenido por medio de simulaciones asumiendo una velocidad de desplazamiento de 3km/h de los terminales, con lo que es posible obtener una estimación del estado del Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 235 1 2 3 4 5 6 7 54 63 72 81 90 99 108 FFR-RB_PriDin FFR-MCS_PriDin FFRopa-RB_PriDin FFRopa-MCS_PriDin BLER(%) Número de usuarios a) Celda 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 54 63 72 81 90 99 108 FFR-RB_PriDin FFR-MCS_PriDin FFRopa-RB_PriDin FFRopa-MCS_PriDin BLER en zona 0(%) Número de usuarios b) Zona 0 1 2 3 4 5 6 7 54 63 72 81 90 99 108 FFR-RB_PriDin FFR-MCS_PriDin FFRopa-RB_PriDin FFRopa-MCS_PriDin BLER en zona 1(%) Número de usuarios c) Zona 1 2 4 6 8 10 12 54 63 72 81 90 99 108 FFR-RB_PriDin FFR-MCS_PriDin FFRopa-RB_PriDin FFRopa-MCS_PriDin BLER en zona 2(%) Número de usuarios d) Zona 2 Figura 4.19: BLER en la celda y por zonas para FFR y FFRopa canal con buena precisión. Como se vio en el capítulo anterior, a medida que la velocidad de desplazamiento crece se producen un mayor número de errores en la asignación de recursos que se traducen en un aumento del BLER de las transmisiones. Al tener que retransmitir más paquetes, la carga real del sistema crece y el 1% de descarte se alcanza para un menor número de usuarios en la celda. 4.2 Propuesta de algoritmos de asignación de recursos radio basados (…) 236 Prestaciones en condiciones menos restrictivas de descarte Finalmente, vamos a comparar brevemente la evolución del sistema cuando se permiten unas condiciones menos restrictivas en términos de descarte TUs. De acuerdo con las curvas recogidas en la Figura 4.20 sobre la tasa de descarte, las diferencias entre los algoritmos propuestos resultan más acusadas a medida que la carga del sistema aumenta, siendo aún más evidente la mejora obtenida 0 1 2 3 4 5 6 90 99 108 117 FFR-RB_PriHoL FFRo-RB_PriHoL FFRopa-RB_PriHoL Descarte de TUs (%) Número de usuarios a) RB adicional, PriHoL 0 1 2 3 4 5 6 90 99 108 117 FFR-RB_PriDin FFRo-RB_PriDin FFRopa-RB_PriDin Descarte de TUs (%) Número de usuarios b) RB adicional, PriDin 0 1 2 3 4 5 6 90 99 108 117 FFR-MCS_PriHoL FFRo-MCS_PriHoL FFRopa-MCS_PriHoL Descarte de TUs (%) Número de usuarios c) Mejora de MCS, PriHoL 0 1 2 3 4 5 6 90 99 108 117 FFR-MCS_PriDin FFRo-MCS_PriDin FFRopa-MCS_PriDin Descarte de TUs (%) Número de usuarios d) Mejora de MCS, PriDin Figura 4.20: Tasa de descarte de TUs para una mayor carga del sistema Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 237 con el algoritmo FFRopa. Los algoritmos basados en prioridad dinámica experimentan un crecimiento más rápido de la tasa de descarte que sus correspondientes versiones con prioridad por HoL. Esto se explica porque los usuarios del exterior acaban monopolizando los recursos radio y los usuarios del interior de la celda ven mermada considerablemente su accesibilidad, incrementándose también su tasa de descarte. Esto no sucede en HoL puesto que el reparto secuencial de oportunidades de asignación evita que determinados usuarios monopolicen los recursos de la celda. Para el caso de PriDin, el incremento del descarte es más acusado cuando el algoritmo prioriza la asignación de RBs antes de mejorar la MCS, ya que los RBs disponibles en la celda se consumen antes. Sin embargo, para el caso HoL no hay prácticamente diferencia como ya sucediera en las simulaciones anteriores. 4.2.4 Conclusiones A lo largo de esta sección se han comparado una serie de algoritmos para la asignación de recursos radio en redes OFDMA con reúso unidad. Las conclusiones principales que pueden extraerse son las siguientes: • FFR vs. FFRo vs. FFRopa: la ordenación en la asignación de RBs de la subbanda interior limita la variabilidad de la interferencia, lo que reduce a su vez el BLER, pero solo cuando se aplica junto con el mecanismo de asignación de potencia propuesto, se obtiene una reducción importante en el descarte de TUs y en el retardo. • Prioridad por HoL vs. prioridad individual: el uso de prioridad individual ofrece una mejor gestión de los recursos al asignar más oportunidades de acceso a aquellas conexiones que ven menos satisfecha su QoS, de acuerdo con el mecanismo de scheduling temporal utilizado. • RB adicional vs. mejora de la MCS: cuando se han de asignar recursos adicionales, la mejora de la MCS ofrece unas mejores prestaciones que la 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 238 asignación de RBs adicionales puesto que los usuarios en buenas condiciones de canal ocupan menos RBs, con lo que el número de usuarios que reciben asignaciones por subtrama es mayor. A la vista de lo expuesto, el algoritmo que ofrece unas mejores prestaciones globales es FFRopa-MCS_PriDin. Este será el algoritmo que utilizaremos en los siguientes análisis, bajo el nombre simplificado de FFRopa, y lo compararemos con el algoritmo FFR-MCS_PriDin, denominado también por simplicidad FFR, como mejor algoritmo para el esquema de coordinación de interferencias FFR. 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS Las simulaciones mostradas en el apartado anterior permitieron realizar una comparativa entre un buen número de algoritmos de asignación de recursos para una determinada estrategia de scheduling temporal, que priorizaba aquellas conexiones con una tasa promedio cursada inferior a su tasa promedio requerida. En este apartado se va a profundizar en el análisis de la provisión de QoS, analizando las prestaciones ofrecidas por los mejores algoritmos de scheduling frecuencial para diferentes estrategias de scheduling temporal. Consideraremos en primer lugar un escenario con un único tipo de servicio, de forma similar al apartado anterior, para posteriormente analizar un escenario de dos servicios con diferentes requerimientos de retardo. El objetivo final es analizar las prestaciones ofrecidas por el algoritmo FFRopa frente a FFR en escenarios de tráficos con requisitos de retardo aplicando distintas estrategias de scheduling temporal. 4.3.1 Estrategias de scheduling temporal Tal y como se ha detallado en el apartado 2.3.2, en la bibliografía pueden encontrarse un gran número de propuestas para el scheduling temporal. Para el Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 239 análisis aquí presentado se han considerado las 6 estrategias que se detallan a continuación. Dichas estrategias se encuentran entre las soluciones más comunes que pueden encontrarse en la literatura y puesto que tratan la priorización de tráficos desde diferentes enfoques, nos permitirán analizar qué aspectos son más adecuados a la hora de priorizar los tráficos en escenarios con requisitos de retardo. • Tasa: ratio entre la tasa promedio recibida por el usuario y su tasa requerida. Este es el criterio utilizado en las simulaciones anteriores. • Proportional Fair (PF) [Jalali y otros, 2000 Holtzman, 2001]: cociente entre la tasa promedio alcanzable por el usuario k ( [ ] k r n ) en los RBs que le pueden ser asignados en el TTI n-ésimo frente a la tasa promedio recibida por el usuario T k [n] (calculada como en el criterio tasa). En esta estrategia, los usuarios que observan un mejor canal son aquellos que logran a la larga una mayor prioridad de asignación para sus servicios. [ ] [ ] argmax k kk r n k T n ∗ = (4.4) • Earliest Deadline First (EDF) [Chiussi y Sivaraman, 1998]: esta estrategia da más prioridad a la conexión a la que pertenece el paquete con menor tiempo restante hasta su cota máxima. Si denominamos W k [n] al retardo que acumula el paquete más retrasado de la conexión k en el TTI n-ésimo y D max,k la cota máxima del servicio de la conexión k, la prioridad se calcula como: ( ) max, argmin [n] k k k k D W ∗ = − (4.5) • Modified Largest Delay First (M-LDF): la prioridad de asignación de cada conexión se determina en función del retardo acumulado por sus paquetes con respecto a su cota máxima de retardo. Al aplicar una ponderación del retardo de los paquetes, esta estrategia de scheduling permite tratar de forma equitativa conexiones con diferentes cotas máximas de retardo. 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 240 max, [n] argmax k k k W kD ∗ = (4.6) • Modified Largest Weighted Delay First (MLWDF) [Andrews y otros, 2001, Gowda y otros, 2007]: se trata de una versión de la estrategia PF ponderada por el retardo del paquete. El factor δ k es un parámetro de diseño que marca la probabilidad deseada de que el retardo de los paquetes alcance un determinado valor D k . Se han considerado los valores estándar para este parámetro: δ k = 5% y D k = 0,8·D max,k . [ ] ( ) log [ ] argmax con k k k k k kk k R n k a W a T n D δ ∗ = = − (4.7) • Exponential Rule (EXP) [Rhee y otros, 2004; Basukala y otros, 2009]: es una versión extendida del MLWDF en la que se añade un factor de ponderación exponencial que da más prioridad a las conexiones con un mayor retardo promedio que el resto. [ ] [ ] [ ] argmax exp 1 k k k k k kk R n a W n aW k a W T n aW ∗   − =     +   (4.8) 1 1 con [ ] N k k k aW a W n N = =∑ (4.9) 4.3.2 Escenario con un solo tipo de servicio 4.3.2.1 Condiciones de simulación En este primer escenario de simulación, todos los usuarios utilizan el mismo tipo de servicio, modelado como en las simulaciones anteriores, por medio de un tráfico ON-OFF con una cota máxima de retardo de D max,k =50ms. Los parámetros de simulación son idénticos a los que se han utilizado en el apartado anterior. Al igual que en la sección 4.2, las prestaciones ofrecidas por los algoritmos de asignación y estrategias de scheduling temporal se analizan en Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 241 términos de tasa de descarte de TUs, limitando nuevamente la región de scheduling en una cota máxima de descarte del 1%. 4.3.2.2 Resultados de la simulación La Figura 4.21 compara las prestaciones ofrecidas por las distintas estrategias de scheduling temporal para FFR (algoritmo FFR-MCS_PriDin) y FFRopa (algoritmo FFRopa-MCS_PriDin). Los resultados muestran que en todos los casos, las prestaciones de FFRopa mejoran las ofrecidas por FFR. Cuando la carga pasa de 99 a 108 usuarios por celda, el descarte con las estrategias Tasa, EDF y M-LDF aumenta rápidamente como resultado de la congestión que aparece en FFR. Sin embargo, para valores más bajos de carga se observa una mayor diferencia entre FFR y FFRopa para aquellas estrategias de scheduling temporal que tienen en cuenta el estado del canal a la hora de determinar la prioridad de las conexiones (PF, MLWDF y EXP). Esto se debe a que estas estrategias tienden a asignar con mayor frecuencia recursos a usuarios del interior de la celda, especialmente cuando las condiciones de canal de los usuarios del exterior son malas, lo cual sucede en mayor medida en FFR que en FFRopa. Este aspecto puede comprobarse en la Figura 4.22, donde se compara el porcentaje de RBs asignados a los usuarios de cada zona para M-LDF y EXP. A medida que la carga de la celda aumenta, la estrategia M-LDF asigna más RBs a los usuarios del exterior para compensar que acumulan mayor retraso por tener menos oportunidades de asignación. Sin embargo, la estrategia EXP tiende a ofrecer más oportunidades a los usuarios del interior de la celda porque disponen de mejores condiciones de canal. Este hecho puede verse claramente en el caso de FFR (Figura 4.22a), donde las malas condiciones de canal observadas por los usuarios del exterior de la celda hacen que reciban menos oportunidades de asignación con EXP, aumentando consecuentemente la tasa de descarte en la celda. En el caso de FFRopa (Figura 4.22b), como las 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 242 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios Tasa a) Tasa 0 1 2 3 4 5 6 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios PF b) PF 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios EDF c) EDF 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios M-LDF d) M-LDF 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios MLWDF e) MLWDF 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 FFR FFRopa Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios EXP f) EXP Figura 4.21: FFR vs. FFRopa para cada estrategia de scheduling temporal Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 249 cada estrategia de scheduling temporal para gestionar adecuadamente la prioridad de asignación para servicios con diferentes restricciones de QoS. 4.3.3.1 Condiciones de simulación En este escenario se van a considerar dos tipos de servicios con diferentes cotas de retardo: D max,k =50ms (servicio 0 ) y D max,k =250ms (servicio 1). La región de scheduling vendrá en este caso marcada por el servicio más restrictivo en retardo, puesto que es el que más fácilmente alcanzará la tasa límite de descarte del 1%. El algoritmo de scheduling temporal deberá por tanto asignar recursos más frecuentemente a los servicios con una cota de retardo menor, puesto que será el servicio limitante en términos de descarte. Consideraremos una distribución homogénea de servicios a lo largo de la celda, es decir, en cada zona, el 50% de los usuarios utilizan el servicio 0 mientras que el 50% restante hacen uso del servicio 1. 4.3.3.2 Resultados de la simulación La Figura 4.28 muestra una comparativa de las prestaciones obtenidas con FFR y FFRopa para las distintas estrategias de scheduling consideradas, mientras que la Tabla 4.4 recoge las prestaciones en términos de capacidad de la celda (tasa de descarte del 1% para el servicio 0 ). Como en el caso anterior, el algoritmo FFRopa mejora las prestaciones de FFR para cualquiera de las estrategias de scheduling. De entre estas, es M-LDF la que obtiene unas mejores prestaciones, reduciendo el descarte de TUs para el servicio 0 , que es el tráfico más restrictivo (Figura 4.28a y b), y aumentando por tanto la capacidad de la celda. La estrategia EDF, que ofrecía las mismas prestaciones que M-LDF en el escenario de un único servicio, ve degradado claramente su comportamiento cuando se consideran 2 servicios. Esto es debido a que con EDF, los paquetes con una cota de retardo menor siempre tienen una mayor prioridad de 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 250 0 2 4 6 8 10 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Tasa de descarte de TU para el servicio 0 (%) Número de usuarios a) FFR, Servicio 0 0 2 4 6 8 10 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Tasa de descarte de TU para el servicio 0 (%) Número de usuarios b) FFRopa, Servicio 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Tasa de descarte de TU para el servicio 1 (%) Número de usuarios c) FFR, Servicio 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Tasa de descarte de TU para el servicio 1 (%) Número de usuarios d) FFRopa, Servicio 1 Figura 4.28: Tasa de descarte para ambos servicios con FFR y FFRopa Tabla 4.5: Capacidad con FFR y FFRopa para dos servicios FFR FFRopa Tasa 96 101 PF 81 85 EDF 99 102 M-LDF 101 106 MLWDF 93 99 EXP 96 101 Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 251 asignación. Por tanto, las conexiones con servicio 1 acumulan un gran número de paquetes en sus buffers hasta que la diferencia entre la cota y el retardo del paquete es inferior a 50ms, momento en el que la prioridad de ambos servicios se iguala. Entonces, el número de paquetes en los buffers del servicio 1 es tan elevado que resulta imposible recuperarse de este retraso, aumentando así su descarte (Figura 4.28c y d). Sin embargo, en el caso de M-LDF, la prioridad se calcula de forma proporcional a la cota máxima de retardo, de modo que todos los paquetes que alcanzan el 50% de su cota, obtienen la misma prioridad de asignación, independientemente del valor de dicha cota. Esto permite un reparto más equitativo de las oportunidades de asignación. De acuerdo con los resultados anteriores y al igual que en el escenario de un único servicio, la estrategia PF ofrece un descarte muy elevado para el servicio 0 al limitar enormemente el acceso de los usuarios del exterior de la celda, lo que se traduce en un valor de capacidad muy bajo. Aunque las estrategias MLWDF y EXP consideran el retardo de los paquetes a la hora de establecer la prioridad, el peso del término PF es tan significativo que sus prestaciones son peores que las ofrecidas por las estrategias M-LDF. Por su parte, la estrategia Tasa, que en el escenario de un único servicio ofrecía buenas prestaciones, muestra ahora un peor comportamiento puesto que no prioriza las conexiones por retardo sino por tasa satisfecha. Esto supone que todas las conexiones son priorizadas de forma similar, independientemente de su cota de retardo o condiciones de canal. Por tanto, los usuarios con servicio 1 obtienen un descarte muy reducido mientras que los usuarios con servicio 0 ven más difícil satisfacer sus requisitos de QoS. En la Figura 4.29 se muestra el número medio de TUs en cola para cada servicio y zona con el algoritmo FFRopa. Para ambos servicios, el número de TUs con el esquema PF crece a medida que nos alejamos del centro de la celda 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 252 0 2 4 6 8 10 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 1 para el servicio 0 Número de usuarios a) Zona 0, servicio 0 0 20 40 60 80 100 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 1 para el servicio 1 Número de usuarios b) Zona 0, servicio 1 0 2 4 6 8 10 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 1 para el servicio 0 Número de usuarios c) Zona 1, servicio 0 0 20 40 60 80 100 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 1 para el servicio 1 Número de usuarios d) Zona 1, servicio 1 0 2 4 6 8 10 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 2 para el servicio 0 Número de usuarios e) Zona 2, servicio 0 0 20 40 60 80 100 72 81 90 99 108 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Número medio de TUs en la zona 2 para el servicio 1 Número de usuarios f) Zona 2, servicio 1 Figura 4.29: Número medio de TUs para cada servicio y zona con FFRopa Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 253 porque se ofrecen un menor número de oportunidades de asignación. En el servicio 0 se aprecia que con las estrategias MLWDF y EXP se acumulan un menor número de TUs en las colas de los usuarios del centro de la celda, pero aumenta en la zona 2 como efecto del término dependiente del canal que aplican. Sin embargo, las estrategias Tasa, EDF y M-LDF consiguen unos valores similares en las tres zonas porque se centran únicamente en el servicio prestado al usuario. La estrategia Tasa acumula mayor número de paquetes porque no prioriza el servicio 0 frente al servicio 1, mientras que EDF y M-LDF sí dan más prioridad a los usuarios con servicio 0 y de ahí que el número medio de TUs en cola sea menor. Resulta destacable el elevado número de TUs que almacenan en sus buffers las conexiones con servicio 1 para el caso de EDF, debido a las pocas opciones de asignación que se proporcionan a este servicio. Como se ha comentado, las conexiones correspondientes al servicio 1 acumulan tantos paquetes que no es posible recuperarse de estos retrasos y aumenta su tasa de descarte. Sin embargo, la estrategia M-LDF consigue balancear de una forma más eficiente las oportunidades de asignación entre los usuarios de diferentes servicios y condiciones de canal, lo que permite reducir el descarte global en la celda. El número de paquetes en cola mostrado en las gráficas anteriores guardan relación con el retardo promedio experimentado en la transmisión de TUs (Figura 4.30). Se puede apreciar claramente que las estrategias PF y Tasa son las que mayor retardo acumulan para el servicio 0 . Sin embargo, en condiciones de elevada carga, se aprecia un crecimiento significativo del retardo para las estrategias EDF y M-LDF, como resultado de su intento por balancear las oportunidades de asignación en función del retardo que acumulan los paquetes. A pesar de esto, el descarte obtenido con M-LDF es el menor de todos, lo que prueba la potencialidad de esta estrategia para la priorización de servicios dependientes del retardo. En la Figura 4.30c y d se puede observar claramente 4.3 Impacto del scheduling temporal en la provisión de QoS 254 el elevado retardo acumulado por los paquetes del servicio 1 en EDF, debido a su menor prioridad frente al servicio 0 . 0 5 10 15 20 25 30 35 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Retardo promedio de TUs para el servicio 0 (ms) Número de usuarios a) FFR, Servicio 0 0 5 10 15 20 25 30 35 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Retardo promedio de TUs para el servicio 0 (ms) Número de usuarios b) FFRopa, Servicio 0 0 50 100 150 200 250 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Retardo promedio de TUs para el servicio 1 (ms) Número de usuarios c) FFR, Servicio 1 0 50 100 150 200 250 72 81 90 99 108 117 Tasa PF EDF M-LDF MLWDF EXP Retardo promedio de TUs para el servicio 1 (ms) Número de usuarios d) FFRopa, Servicio 1 Figura 4.30: Retardo promedio de TUs para ambos servicios con FFR y FFRopa El escenario con dos servicios aquí considerado puede extenderse de forma directa a un escenario en el que se mezcle un servicio en tiempo real con un servicio en tiempo no real, sin más que considerar que el retardo máximo asumido por este segundo servicio es D max,k =∞. En este caso extremo, el número de paquetes en el sistema aumentará enormemente y las diferencias entre los algoritmos se acentuarán. Solo la estrategia M-LDF será capaz de garantizar Capítulo 4 - Algoritmos Basados en FFR para la Asignación Dinámica (…) 255 convenientemente que el servicio en tiempo real cumple con los requisitos de QoS esperados, asignando siempre el máximo número de recursos posible a los usuarios de dicho servicio. El resto de los recursos del sistema se repartirían entre los servicios en tiempo no real, aunque para su priorización sería más conveniente utilizar otro tipo de estrategia debido a que no existen requisitos de retardo. Por ejemplo, se podría aplicar el criterio Tasa para ofrecer un reparto equitativo de los recursos o el esquema PF para maximizar la utilización de los recursos radio. Por tanto, cabe plantearse como posible mejora de la solución mostrada anteriormente un esquema de priorización por niveles compuesto a su vez por diferentes estrategias de scheduling temporal, cada una de las cuales se aplica sobre un tipo de servicio distinto. Si sobre los servicios de tiempo no real se definieran ciertos requisitos de tasa mínima garantizada a los usuarios, el cumplimiento de dichos requisitos debería considerarse de forma conjunta con la satisfacción de los requisitos de retardo de los usuarios en tiempo real. En este caso, sería más conveniente calcular de forma simultánea y mediante una única fórmula la prioridad relativa de ambos tipos de tráfico para que el scheduling sea más simple. Hay que prestar atención en este caso al peso relativo que se da a cada uno de los términos que componen la fórmula para que reflejen la prioridad real de cada servicio de acuerdo con el cumplimiento de los diferentes requisitos de QoS. A modo de ejemplo de este aspecto, las estrategias MLWDF y EXP ven degradadas sus prestaciones por culpa de que el término PF tiene un peso excesivo con respecto al término dependiente del retardo. 4.4 Conclusiones A lo largo de este capítulo se han presentado diferentes propuestas para la asignación de recursos radio para la gestión de la interferencia y provisión de QoS a los usuarios en redes móviles OFDMA con reúso frecuencial unidad. De las simulaciones presentadas a lo largo del capítulo se puede extraer que entre 4.4 Conclusiones 256 las propuestas analizadas para la asignación de recursos bajo un esquema FFR, es el algoritmo FFRopa el que ofrece una mejor gestión de la interferencia intercelular por medio de la aplicación de una ordenación en la asignación de RBs y de la reducción de la variabilidad de la potencia transmitida mediante el uso de máscaras de potencia. De entre las distintas variantes presentadas, la que mejores prestaciones globales ofrece es FFRopa-MCS_PriDin ya que intenta reducir el número de RBs ocupados, mejorando si es posible la MCS antes de asignar RBs adicionales, mientras que se realiza una gestión dinámica de la prioridad de las conexiones, de modo que se recalcula la prioridad de asignación de las conexiones tras la asignación de cada RB, con lo que se logra un seguimiento más preciso de la QoS ofrecida a los usuarios. En cuanto a las estrategias de scheduling temporal, las simulaciones aquí presentadas indican que para servicios dependientes del retardo, la estrategia M-LDF es la que mejores prestaciones globales ofrece en términos de descarte de TUs al priorizar de forma directa las conexiones en función del retardo relativo acumulado por sus paquetes. Esta estrategia resulta especialmente indicada para escenarios con servicios con diferentes cotas de retardo. Es por esto que dicha estrategia M-LDF será la considerada para las simulaciones recogidas en el capítulo siguiente, donde se presentan algoritmos que aplican un reúso más agresivo de los recursos frecuenciales, asignando varias veces cada RB dentro de la celda trisectorizada. 257 Capítulo 5 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda En el capítulo anterior se han propuesto diversas soluciones para la asignación de recursos radio en sistemas de reúso unidad a nivel de celda. En este caso, los RBs de la subbanda interior pueden ser asignados por cualquier sector de la celda, pero solamente uno de los sectores transmitirá información en él. O lo que es lo mismo, cada RB puede utilizarse una sola vez dentro de la celda. En este caso, la interferencia intercelular es el factor limitante, por lo que los usuarios situados en el exterior de la celda son los que observan en general unas peores condiciones de canal. Sin embargo, los usuarios del interior de la celda están más aislados frente a ella por encontrarse más alejados de las fuentes interferentes y más próximos a la fuente de señal útil. Cabría plantearse por tanto aprovechar este exceso de margen de interferencias para la aplicación de esquemas de reúso intensivo en la zona interior de la celda, donde los RBs pueden ser reutilizados dentro de la propia celda hasta un máximo de una vez por sector. Este tipo de esquema se denomina reúso unidad a nivel de sector y permiten incrementar la capacidad de la celda a costa de un incremento de la variabilidad de la interferencia intercelular, como resultado de que un RB puede 258 ser asignado una o varias veces y por distintos sectores cada vez, y también de la aparición de la interferencia intersector como factor limitante para las prestaciones de ciertos usuarios, especialmente de aquellos situados en la zona de frontera entre sectores. En la realidad no es posible obtener un nivel de reúso de todos los RBs de hasta tres veces por celda debido a dos factores fundamentalmente: en primer lugar, es necesario mantener las restricciones descritas en capítulos anteriores para combatir la interferencia intercelular, por lo que seguirá existiendo una subbanda exterior donde los usuarios del exterior de celdas contiguas recibirán asignaciones de forma ortogonal. El reúso unidad a nivel de sector se circunscribe únicamente a los RBs de la subbanda interior, donde las condiciones de interferencia intercelular son mejores. Por otro lado, debido a que las antenas de los sectores no radian idealmente solo en su propio sector, parte de la potencia transmitida alcanza a los usuarios situados en los otros sectores de la celda, apareciendo interferencia intersector al aplicar reúso de RBs dentro de la celda. Este efecto es especialmente perjudicial para los usuarios situados en la frontera entre sectores, pues la potencia recibida del sector útil y del interferente puede ser similar [Charafeddine y Paulraj, 2009]. La SINR en esta zona vendrá principalmente determinada por la relación de potencia transmitida en cada RB entre los sectores de la celda y la ganancia respectiva de cada antena. El problema de la interferencia intersector es por tanto similar al de la interferencia intercelular pero a menor escala. Sin embargo, en el caso de la interferencia intersector, el scheduler de la estación base controla las asignaciones de recursos que se realizan tanto en el sector interferente como en el interferido, por lo que se pueden tomar medidas especiales para controlar el impacto de dicha interferencia. La solución a esta cuestión pasa generalmente por aplicar restricciones en el acceso a los recursos radio de los usuarios situados en la frontera entre sectores para mejorar las condiciones observadas por dichos usuarios. Así, debido a todas estas Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 265 debe tenerse en cuenta también a la hora de computar la potencia transmitida, pues debe asegurarse que incluso cuando todos los RBs del sistema se han asignado con reúso máximo (3 veces en la subbanda interior y 1 vez en la exterior), en ningún caso se exceda el límite máximo de potencia transmitida fijado en la celda. Tabla 5.1: Máscaras de potencia para reúso unidad a nivel de celda Subbanda Número de RBs/celda M med (dBm/RB) M min (dBm/RB) M max (dBm/RB) Interior 18 26 23 29 Exterior 9 31 31 31 Tabla 5.2: Máscaras de potencia para reúso unidad a nivel de sector Subbanda Número de RBs/celda M med (dBm/RB) M min (dBm/RB) M max (dBm/RB) Interior 54 (18/sector x 3 sectores) 23.8 20.8 26.8 Exterior 9 28.8 28.8 28.8 5.1.1.2 Resultados de la simulación La Figura 4.23 muestra una comparación entre los distintos algoritmos con reúso unidad a nivel de celda y de sector. La comparación se efectúa únicamente con los algoritmos FFR-MCS y FFRopa-MCS para el caso de reúso unidad a nivel de celda, puesto que como se vio en el capítulo 4, mejoraban las prestaciones de FFR-RB y FFRopa-RB. Los algoritmos con reúso unidad a nivel de sector basados en FFRopa mejoran la capacidad de la celda, pasando de 104 usuarios en FFRopa-MCS a 117 en FFRopa-RB-R y 115 en FFRopa-MCS-R, lo que supone un incremento del 12,5% y del 10,6% respectivamente en el número de usuarios soportados por la celda. 5.1 Evaluación preliminar de la potencialidad del reúso unidad a nivel de sector 266 0 1 2 3 4 5 54 63 72 81 90 99 108 117 FFR-MCS FFRopa-MCS FFR-RB-R FFRopa-RB-R FFR-MCS-R FFRopa-MCS-R Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios Figura 5.1: Prestaciones en el descarte de TUs al aplicar reúso a nivel de sector En el caso del algoritmo FFR, se aprecia una elevada tasa de descarte incluso para carga baja y media puesto que no establece ningún control en la asignación de recursos frecuenciales en la subbanda interior. Esto supone que para el caso de reúso unidad a nivel de sector, la interferencia presenta una variabilidad elevada, lo que incrementa el error cometido en la asignación de recursos radio por a la imposibilidad de estimar adecuadamente el estado del canal. Para comprobar este extremo, se propone ahora un algoritmo intermedio entre FFRRB-R y FFRopa-RB-R que hemos denominado FFRs-RB-R y que se basa en FFRopa-RB-R pero sin aplicar ordenación en la asignación de RBs, es decir, el scheduler se limitará a asignar primero RBs de la subbanda preasignada a cada sector antes de ocupar RBs de otros sectores, pero no se implementará el concepto de grupo inicial ni la ocupación ordenada. La aplicación de esta simple restricción en la asignación de RBs reduce drásticamente el descarte, como se muestra en la Figura 5.2a, debido a que limita significativamente la variabilidad de la interferencia y se cometen menos errores en la asignación de recursos. Como resultado, la tasa de BLER disminuye de forma importante (Figura 5.2b) y de ahí la reducción obtenida en el descarte. Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 267 0 0,5 1 1,5 2 54 63 72 81 90 99 108 117 FFR-RB-R FFRs-RB-R FFRopa-RB-R Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios a) Tasa de descarte 0 5 10 15 20 25 30 35 54 63 72 81 90 99 108 117 FFR-RB-R FFRs-RB-R FFRopa-RB-R BLER(%) Número de usuarios b) Tasa de BLER Figura 5.2: Impacto de la ordenación en el reúso unidad a nivel de sector Si comparamos la opción de asignar RBs adicionales o mejorar la MCS para incrementar la tasa servida a los usuarios en la Figura 5.1, aunque la diferencia no es muy acusada, las simulaciones indican que asignar RBs adicionales obtiene un menor descarte tanto para FFR como FFRopa. Esto es debido a que si se mejora la MCS de un usuario, aumentan en consonancia sus requisitos de SINR. Por consiguiente, resulta más improbable que se puedan reutilizar sus RBs en otro sector y la ganancia frente a reúso unidad a nivel de celda no es tan elevada. En la Figura 5.3a se puede apreciar la diferencia en el grado de reúso de RBs para FFRopa-RB-R y FFRopa-MCS-R, definido como el número total de veces que se asignan los RBs de la subbanda interior con respecto al número total de RBs disponibles (un valor 1 indicaría que todos los RBs interiores se han asignado 1 vez, mientras que un valor 2 significaría que en promedio, todos los RBs interiores se han asignado 2 veces en todos los TTIs). Se puede ver que a medida que la carga de la celda crece, y por tanto con más frecuencia es necesario utilizar MCSs altas para recuperar retrasos en los servicios, el factor de utilización de RBs decrece, lo que a la larga aumenta el bloqueo en la celda. Sin embargo, cuando se prioriza la asignación de RBs adicionales, la MCS 5.1 Evaluación preliminar de la potencialidad del reúso unidad a nivel de sector 268 utilizada es más baja, con lo que la SINR requerida será menor y será más sencillo reutilizar el RB en otro sector, obteniendo de este modo un descarte menor. Además, el uso de MCSs elevadas hace que la transmisión de datos sea más sensible a las variaciones del canal, incrementándose el BLER como se puede observar en la Figura 5.3b. En cambio, dado que existe un elevado número de recursos radio disponibles para la retransmisión de paquetes erróneos gracias al reúso de RBs, este ligero aumento en el BLER no se traduce en un incremento importante de la tasa de descarte. 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 54 63 72 81 90 99 108 117 FFRopa-RB-R FFRopa-MCS-R Grado de reúso de RBs de la subbanda interior Número de usuarios a) Grado de reúso de RBs 0 1 2 3 4 5 6 54 63 72 81 90 99 108 117 FFRopa-RB-R FFRopa-MCS-R Tasa de BLER (%) Número de usuarios b) Tasa de BLER Figura 5.3: Comparación entre FFRopa-RB-R y FFRopa-MCS-R El incremento de la interferencia promedio observada por los usuarios debido a la aparición de la componente intersector hace que la opción de asignar RBs adicionales resulte más adecuada. Esta será por tanto la opción considerada en el resto del capítulo. Es importante destacar que el incremento en capacidad mostrado anteriormente se obtiene aplicando directamente el reúso a nivel de sector sobre el esquema FFRopa, sin tomar medidas específicas para mejorar las condiciones de canal de los usuarios situados en la frontera entre sectores, que son los más sensibles a la interferencia en este nuevo escenario de interferencia intere intracelular. Es por tanto esperable una Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 269 mejora aún mayor en las prestaciones si se aplican mecanismos específicos para proteger a estos usuarios fronterizos, que será el objetivo de los algoritmos presentados en las siguientes secciones. 5.2 Propuestas específicas para la asignación de recursos con reúso unidad a nivel de sector El efecto de la interferencia intersector es mucho más perjudicial en las proximidades de las fronteras entre sectores, donde dicha interferencia puede llegar a ser dominante con respecto a la ICI [Charafeddine y Paulraj, 2009]. Para combatir este efecto, los algoritmos propuestos en este apartado definen una nueva zona de reúso, denominada zona de frontera alrededor del límite entre sectores de una misma celda. Los UEs que pertenecen a dicha zona se denominan genéricamente usuarios fronterizos y recibirán un tratamiento especial con el fin de mejorar sus condiciones de canal. La anchura angular de la zona de frontera ( θ F ) es un parámetro de diseño que condiciona el porcentaje de UEs de la celda que se consideran fronterizos y, por tanto, la cantidad de recursos que serán dedicados a ellos. La Figura 5.4 muestra un ejemplo gráfico de la definición de la zona de frontera en el área interior de una celda trisectorizada. θ F Figura 5.4: Definición de la zona de frontera 5.2 Propuestas específicas para la asignación de recursos con reúso unidad (…) 270 Los siguientes subapartados describen las propuestas realizadas para la asignación de recursos radio en sistemas de reúso unidad a nivel de sector. Partiendo de un esquema FFRopa-RB-R, que es el que mejores prestaciones ofrecía de acuerdo con la evaluación preliminar mostrada en el apartado 5.1, se definirán una serie de esquemas orientados a mejorar las prestaciones de los usuarios fronterizos. En primer lugar se va a analizar la opción simple de tratar a los usuarios fronterizos como usuarios exteriores, asignándolos en la subbanda exterior donde se aplica un reúso 3. Posteriormente se explorarán las posibilidades de definir una subbanda específica para los usuarios de frontera con diferentes restricciones de asignación. Finalmente, se propondrán una serie de algoritmos que asignan a los usuarios de frontera dentro de la subbanda interior pero aplicando restricciones adicionales para la asignación de usuarios no fronterizos con el fin de mejorar las condiciones observadas por los primeros. 5.2.1 Usuarios fronterizos como usuarios exteriores La solución más simple para mejorar las prestaciones de los usuarios fronterizos es considerarlos como usuarios exteriores, de modo que reciban asignaciones en la subbanda exterior. En esta subbanda no se aplica reúso de RBs, con lo que no aparecerá el problema de la fuerte interferencia intersector. Además, como se aplica coordinación por sectorización con las celdas vecinas, la interferencia intercelular también se verá reducida. Así, si aplicamos esta restricción sobre el algoritmo FFRopa-RB-R obtenemos el algoritmo FSRopa (Fractional Sector Reuse con ordenación y adaptación de potencia), cuyo modelo de despliegue se muestra en la Figura 5.5. El tamaño de la subbanda exterior debe entonces aumentarse para absorber el incremento de tráfico gestionado por esta subbanda debido a los usuarios de frontera. Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 271 Sector 0 Celda 0 f Celdas 1, 3 y 5 Celdas 2, 4 y 6 f f Sector 1 Sector 2 Subbanda Interior Subbanda Exterior 1 med M 0 med M 1 med M 0 med M 1 med M 0 med M 0 6 1 2 3 4 5 Sector 0 Sector 2 Sector 1 Figura 5.5: Esquema de despliegue del algoritmos FSRopa 5.2.2 Usuarios fronterizos en una subbanda específica En FSRopa, los usuarios fronterizos reciben recursos en la subbanda exterior aunque por condiciones de canal pudieran recibir recursos en la subbanda interior, con menor consumo de potencia. Al incrementar la utilización de los recursos de esta subbanda, la interferencia observada por las celdas vecinas es mayor. Esto puede limitar la accesibilidad de los usuarios exteriores, quienes realmente necesitan acceder en dicha subbanda, aumentado el descarte en dicha zona. Es por esto que proponemos una segunda opción en la que los usuarios de frontera reciben asignaciones en una subbanda específica, la subbanda de frontera, que tiene una potencia de transmisión igual a la subbanda interior y cuyos RBs no pueden ser reusados dentro de la celda. El tamaño de la subbanda de frontera es un parámetro de diseño del sistema, que tiene relación con la anchura angular considerada para la zona de frontera. De este modo, si el número promedio esperable de usuarios en la frontera es n F , y para cursar su tasa deseada con la MCS objetivo se requieren N F,RB RBs, este será el tamaño fijado para la subbanda de frontera. El resto de RBs de baja potencia conforman 5.2 Propuestas específicas para la asignación de recursos con reúso unidad (…) 272 la subbanda interior, en la que se aplica un ordenamiento y adaptación de potencia similar a FSRopa. Se evaluarán tres posibles implementaciones de esta subbanda de frontera, tal y como se detalla a continuación: 5.2.2.1 FSRopa-FS_Sec: FSRopa estático y subbanda de frontera sectorizada El algoritmo FSRopa-FS_Sec considera una subbanda de frontera sectorizada con reúso unidad a nivel de celda, como se muestra en la Figura 5.6. De este modo, se elimina la interferencia intersector y se reduce la interferencia intracelular puesto que el sector de la celda vecina más interferente en una determinada frontera, no transmite potencia en los RBs de dicha frontera. 1 0 2 3 6 5 4 f Sector 0 Sector 1 Sector 2 Subbanda interior Subbanda de frontera Subbanda exterior Figura 5.6: Definición de subbandas en el algoritmos FSRopa-FS_Sec En la primera etapa del algoritmo FSRopa-FS_Sec, los usuarios fronterizos son los únicos que pueden recibir recursos de la subbanda de frontera. Si por condiciones de canal no son capaces de recibir recursos en ella, podrán recibir asignaciones en la subbanda exterior. Si tras la asignación de recursos a los usuarios fronterizos quedan RBs libres en la subbanda de frontera, estos podrán ser ocupados por usuarios no fronterizos del sector correspondiente (la sectorización en la subbanda de frontera es rígida) con el fin de aumentar la utilización del espectro. Del mismo modo, si la banda de frontera está Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 273 completamente asignada y algún usuario fronterizo requiere RBs adicionales, este podrá recibir recursos en la subbanda interior si es capaz de lograr la SINR objetivo aun cuando el RB esté reutilizado. 5.2.2.2 FSRopa-FS_Est: FSRopa estático y subbanda de frontera no sectorizada En el algoritmo FSRopa-FS_Est, a diferencia de FSRopa-FS_Sec, no se aplica sectorización en la subbanda de frontera, sino que en ella se utiliza un mecanismo de asignación similar a FFR en el que los usuarios fronterizos reciben asignaciones en los RBs de la subbanda de frontera en los que experimentan las mejores condiciones de canal (Figura 5.7). Por tanto, se obtiene una mayor accesibilidad a los recursos de la frontera a cambio de un aumento de la variabilidad de la interferencia. El resto del algoritmo es similar a FSRopa-FS_Sec. f Sector 0 Sector 1 Sector 2 Subbanda interior Subbanda de frontera Subbanda exterior Figura 5.7: Definición de subbandas en el algoritmos FSRopa-FS_Est 5.2.2.3 FSRopa-FS_Din: FSRopa dinámico y subbanda de frontera El algoritmo FSRopa-FS_Din es similar a FSRopa-FS_Est con la diferencia de que el reparto de recursos entre las subbandas interior y de frontera es dinámico, en el sentido de que en cada TTI se realiza un ajuste del tamaño de las subbandas en función del número de usuarios activos de cada tipo (fronterizos y no fronterizos). La idea de este algoritmo es aumentar la accesibilidad a los 5.2 Propuestas específicas para la asignación de recursos con reúso unidad (…) 274 recursos mediante el ajuste del número de RBs de cada subbanda de acuerdo a la carga real experimentada en cada subtrama. Como en el caso anterior, una relajación en las restricciones de asignación implica un aumento en la variabilidad de la interferencia que será necesario analizar. El algoritmo de ajuste del tamaño de las subbandas es como sigue: al inicio de cada TTI se realiza una estimación de los RBs necesarios para cursar la tasa requerida por los UEs fronterizos con tráfico activo en ese TTI haciendo uso de su MCS objetivo. Este valor determina el tamaño fijado para la subbanda de frontera en dicho TTI. Dado que el ajuste dinámico de la subbanda de frontera modifica a su vez el tamaño de la subbanda interior, se ha optado por no establecer límites fijos al tamaño de las particiones preasignadas a cada sector, sino que se adaptan también dinámicamente en cada TTI de forma proporcional al número de usuarios con tráfico activo en cada uno de ellos: más RBs de la subbanda interior son preasignados a la subbanda del sector con un mayor número de usuarios activos. Para definir el tamaño de estas subbandas no se consideran los UEs fronterizos pues teóricamente serán asignados en la subbanda de frontera. Una vez definidos los tamaños de las distintas subbandas, el algoritmo procede de forma similar a FSRopa-FS_Est. 5.2.3 Usuarios fronterizos en la subbanda interior La tercera opción planteada para la gestión de los usuarios fronterizos pasa por asignarlos en un subconjunto de RBs de la subbanda interior en los que se aplican ciertas restricciones de acceso, lo que en definitiva supone crear una subbanda de frontera virtual dentro de la propia subbanda interior. Partiendo de un despliegue similar a FFRopa-RB-R, asumamos que los primeros N F,RB RBs de la subbanda interior preasignada a cada sector se configuran para asignar a los usuarios de frontera. El acceso a estos RBs es sectorizado, es decir, solo los UEs fronterizos de un sector pueden acceder a los RBs de la subbanda Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 281 de la misma celda reutilicen el mismo RB de frontera, con lo que baja el nivel de interferencia en ellos. En la Figura 5.11f se muestra el ejemplo concreto de la celda 0 , pudiendo obtenerse los valores para el resto de celdas siguiendo el mismo procedimiento. 5.3 Evaluación de los algoritmos de asignación de recursos con reúso unidad a nivel de sector 5.3.1 Condiciones de simulación Los algoritmos presentados en este apartado se evaluarán a continuación en las mismas condiciones descritas en el apartado 5.1.1.1. Para no aumentar innecesariamente la complejidad exigida a los terminales, vamos a asumir que no se requiere el apoyo de ningún mecanismo preciso de posicionamiento del usuario, sino que el terminal solo deberá reportar a la BS si se encuentra en una zona de frontera o no, además de los CQIs con las medidas del estado del canal que se han venido utilizando en las simulaciones anteriores. Para determinar si el usuario se encuentra en una zona de frontera, basta con realizar un promediado a lo largo del tiempo de la potencia observada en las subportadoras piloto del sector útil y del sector más interferente de la propia celda. Si ese valor está por encima de un cierto umbral, el UE reporta a la BS una indicación de que es un usuario fronterizo. Para la parametrización de los distintos algoritmos de reúso unidad a nivel de sector, vamos a considerar una zona de frontera de θ F =34º, que se corresponde con el área en el que la SINR es inferior a 10dB como resultado de la interferencia intersector proveniente del sector más próximo. Esta área supone el 28,3% de la superficie de la zona interior de la celda, por lo que se ha decidido que 6 RBs de los 18 que componen la subbanda interior sean asignados a la subbanda de frontera en los algoritmos FSRopa-FS y FSRopa-VF. 5.3 Evaluación de los algoritmos de asignación de recursos con reúso unidad (…) 282 Las máscaras de potencia de cada algoritmo deberán adaptarse al factor de reúso de RBs en cada caso, de modo que aun cuando una celda transmita todos los RBs con reúso máximo, no se supere el límite de potencia máxima fijada en la celda. Los valores considerados para las máscaras de potencia se muestran en las siguientes tablas: Tabla 5.3: Máscaras de potencia para el algoritmo FSRopa Subbanda Número de RBs/celda M med (dBm/RB) M min (dBm/RB) M max (dBm/RB) Interior 36 (12/sector x 3 sectores) 23,5 20,5 26,5 Exterior+Frontera 15 28,5 28,5 28,5 Tabla 5.4: Máscaras de potencia para los algoritmos FSRopa-FS Subbanda Número de RBs/celda M med (dBm/RB) M min (dBm/RB) M max (dBm/RB) Interior 36 (12/sector x 3 sectores) 24,5 21,5 27,5 Frontera 6 24,5 21,5 27,5 Exterior 9 29,5 29,5 29,5 Tabla 5.5: Máscaras de potencia para los algoritmos FSRopa-VF Subbanda Número de RBs/celda M med (dBm/RB) M min (dBm/RB) M max (dBm/RB) Interior+Frontera 54* (18/sector x 3 sectores) 23,8 20,8 26,8 Exterior 9 28,8 28,8 28,8 * Dependiendo del algoritmo concreto. 54 es el valor máximo. 5.3.2 Resultados de las simulaciones La Figura 5.12 recopila la tasa de descarte obtenida para los algoritmos FSRopa y FSRopa-FS en comparación con el esquema inicial FFRopa-RB-R. Los resultados indican que tanto en el global de la celda (Figura 5.12a) como en particular para los usuarios de frontera (Figura 5.12b), no se obtiene mejora en cuanto a la tasa de descarte con ninguno de estos esquemas. Cuando los usuarios son tratados como exteriores (FSRopa) o asignados en una subbanda Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 283 propia (FSRopa-FS), las condiciones de canal de dichos usuarios mejoran, pero se produce una reducción en la accesibilidad a los recursos debida a las nuevas restricciones impuestas, que acaba por aumentar el descarte de TUs en la celda. En el caso de FSRopa, la asignación de usuarios de frontera en la subbanda exterior conlleva un empeoramiento de las condiciones de interferencia experimentada en dicha subbanda, lo que incrementa el bloqueo de los usuarios del exterior de la celda. En el caso de FSRopa-FS_Sec y FSRopa-FS_Est, el hecho de definir una subbanda específica para la frontera mejora las condiciones de dichos usuarios pero reduce la libertad de asignación de los mismos a esta subbanda. Además, el tamaño de la subbanda interior se ve reducido a 12 RBs, frente a los 18 de FFRopa-RB-R, con lo cual será necesario reutilizar en mayor medida los RBs, empeorando así las condiciones de interferencia en la celda. Esto supone en definitiva un incremento general del descarte de TUs en toda la celda que lastra las prestaciones. Solo cuando se da un mayor grado de libertad en la configuración de las subbandas como sucede en FSRopa-FS_Din, se consigue una reducción en la tasa de descarte, llegando a resultados próximos a FFRopa-RB-R. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 54 63 72 81 90 99 108 117 FFRopa-RB-R FSRopa FSRopa-FS_Sec FSRopa-FS_Est FSRopa-FS_Din Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios a) Global 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 54 63 72 81 90 99 108 117 FFRopa-RB-R FSRopa FSRopa-FS_Sec FSRopa-FS_Est FSRopa-FS_Din Tasa de descarte de TUs para los usuarios de frontera (%) Número de usuarios b) Usuarios de frontera Figura 5.12: Tasa de descarte para los algoritmos FSRopa y FSRopa-FS 5.3 Evaluación de los algoritmos de asignación de recursos con reúso unidad (…) 284 Para confirmar lo dicho anteriormente, en la Figura 5.13 se representa la tasa de BLER obtenida por los usuarios de frontera para cada uno de los algoritmos. Los algoritmos que imponen más restricciones a la asignación de los usuarios de frontera (FSRopa, FSRopa-FS_Sec y FSRopa-FS_Est) son los que logran mejor BLER, pero su tasa de descarte es elevada. Por el contrario, cuando se considera el algoritmo FSRopa-FS_Din, la tasa de BLER aumenta como resultado de una mayor variabilidad en la interferencia, pero el descarte se reduce. Este hecho indica que las prestaciones de los algoritmos están más limitadas por la accesibilidad a los recursos que por condiciones de canal. 0 1 2 3 4 5 6 7 54 63 72 81 90 99 108 117 FFRopa-RB-R FSRopa FSRopa-FS_Sec FSRopa-FS_Est FSRopa-FS_Din Tasa de BLER (%) Número de usuarios Figura 5.13: Tasa de BLER para los usuarios de frontera en FSRopa y FSRopa-FS En la Figura 5.14 se muestran las curvas de la tasa de descarte para las distintas variantes del algoritmo FSRopa-VF. En este caso sí se aprecia una mejora del descarte para todos ellos con respecto a FFRopa-RB-R debido a un reúso más agresivo de los recursos. Si bien el tratamiento de los usuarios de frontera como interiores (FSRopa-VF) permite reducir el descarte con respecto a no aplicar ninguna coordinación sobre ellos (FFRopa-RB-R), la ganancia real se obtiene cuando los sectores pueden reutilizar RBs de la frontera opuesta (FSRopa-VF_OpFrontR) o, alternativamente, cuando se evita asignar en un Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 285 sector los RBs de la frontera más próximas de la celda vecina (FSRopaVF_FrontProtect). Esta última restricción, aunque mejora las condiciones de interferencia de los RBs de la frontera, reduce el número de RBs asignables en cada sector, con lo que aparecen situaciones de bloqueo a medida que la carga crece. Este hecho se solventa permitiendo que los sectores asignen estos RBs protegidos en último lugar en situaciones de carga extrema (FSRopaVF_FrontProtectR), algoritmo que ofrece el mínimo descarte de entre todos los analizados. Si se incorpora además la posibilidad de reutilizar los RBs de la frontera opuesta (FSRopa-VF_FrontProtectR_OpFrontR), se observa una degradación de las prestaciones debido a que prácticamente todos los RBs pueden ser asignados por cualquier sector. El cas0 se asemeja más a un esquema FFR, con lo que se incrementa el nivel de interferencia y su variabilidad. Solo cuando se aplica un esquema de asignación ortogonal de RBs entre celdas (FSRopa-VF_FrontProtectR_OpFrontR_Ort) se logra mejorar ligeramente las prestaciones porque se ofrecen unas mejores condiciones de canal, aunque el aumento del número de restricciones en la asignación de recursos deja la tasa de descarte lejos de FSRopa-VF_FrontProtectR. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 54 63 72 81 90 99 108 117 126 FFRopa-RB-R FSRopa-VF FSRopa-VF_OpFrontR FSRopa-VF_FrontProtect FSRopa-VF_FrontProtectR FSRopa-VF_FrontProtectR_OpFrontR FSRopa-VF_FrontProtectR_OpFrontR_Ort Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios Figura 5.14: Tasa de descarte para los algoritmos FSRopa-VF 5.3 Evaluación de los algoritmos de asignación de recursos con reúso unidad (…) 286 Si comparamos las prestaciones ofrecidas por los algoritmos de asignación de recursos con reúso unidad a nivel de celda o de sector (Figura 5.15), podemos comprobar claramente que el reúso a nivel de sector consigue un incremento importante de la capacidad de la celda para el límite marcado del 1% del descarte. Mientras el mejor algoritmo con reúso unidad a nivel de celda (FFRopa-MCS) ofrece una capacidad de 104 usuarios activos por celda, con los mecanismos de reúso unidad a nivel de sector se obtiene una capacidad de 117 usuarios con el algoritmo FFRopa-RB-R y 126 con FSRopa-VF_FrontProtectR. En términos de ganancia en capacidad, esto se traduce en un 12,5% y 21,1% respectivamente. Si lo comparamos con los resultados de los algoritmos basados en asignación de RBs adicionales FFR-RB y FFRopa-RB, la mejora en capacidad con el algoritmo FSRopa-VF_FrontProtectR resulta del 40% y del 34%, respectivamente. Sin embargo, este incremento de capacidad está lejos del valor teórico del 133% anteriormente apuntado ya que en un sistema real no es posible obtener un reúso total de los recursos debido la interferencia intersector generada. 0 0,5 1 1,5 2 54 72 90 108 126 144 FFR-MCS FFRopa-MCS FFRopa-RB-R FSRopa-VF_FrontProtectR Tasa de descarte de TUs (%) Número de usuarios Figura 5.15: Ganancia en capacidad al aplicar reúso a nivel de sector Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 287 El algoritmo FSRopa-VF_FrontProtectR no solo proporciona una mejora en términos de capacidad de la celda, sino también en la equitatividad en la asignación de recursos. Para mostrar este aspecto, se evalúa el grado de satisfacción de tasa (que se define como el porcentaje de tasa transmitida satisfactoriamente con respecto a la tasa total demandada) para distintos valores de percentiles de usuarios con peores condiciones de probabilidad de descarte. En la Figura 5.16 se puede comprobar que incluso para un valor similar de tasa de descarte del 1%, FSRopa-VF_FrontProtectR (con 126 usuarios por celda) ofrece una mejor satisfacción de tasa que FFRopa-RB-R (con 117 usuarios por celda) para cualquier percentil de peores usuarios, esto es, el número de usuarios soportado es mayor, pero también lo es la equitatividad en la tasa cursada por usuario. Si comparamos para un mismo número de usuarios totales (117 usuarios por celda), se puede comprobar que el algoritmo FSRopa-VF_FrontProtectR proporciona un claro incremento en la tasa transmitida puesto que ofrece una mayor accesibilidad a los recursos radio sin que las condiciones de canal empeoren dramáticamente. 94,5 95 95,5 96 96,5 97 97,5 98 98,5 5 10 15 20 25 FFRopa-RB-R, 117 UEs/celda FSRopa-VF_FrontProtectR, 117 UEs/celda FSRopa-VF_FrontProtectR, 126 UEs/celda Tasa de satisfacción del servicio (%) Percentil 126 UEs/celda 117 UEs/celda Figura 5.16: Satisfacción de tasa para algoritmos de reúso unidad a nivel de sector 5.4 Conclusiones 288 Es importante destacar que la mejora en prestaciones obtenida con los algoritmos de asignación con reúso unidad a nivel de sector no supone un aumento importante de la complejidad del algoritmo ni de los terminales empleados, puesto que la precisión de la información de posición requerida para obtener buenas prestaciones es baja y básicamente se reduce a determinar si un usuario está o no en la frontera. 5.4 Conclusiones En este capítulo se ha explorado la mejora en prestaciones que supone aplicar un reúso unidad a nivel de sector en lugar de a nivel de celda, lo que permite asignar varias veces determinados RBs dentro de la propia celda. Este reúso sin embargo aumenta el nivel de interferencia existente en el sistema. Debido a esto, y a diferencia de lo que sucedía en el capítulo 4, la priorización del uso de MCSs elevadas frente a asignar RBs adicionales deja de ser ventajoso puesto que al tener unos mayores requisitos de SINR, es más improbable que los RBs puedan ser reutilizados en otro sector. La aplicación directa del reúso a nivel de sector sobre un esquema FFR implica una reducción en la capacidad como resultado de la fuerte interferencia intersector existente en el sistema. Sin embargo, al aplicarlo sobre un esquema FFRopa es posible lograr incrementos en la capacidad de la celda por encima del 10% gracias a la ordenación que aplica en la asignación de recursos. No obstante, los usuarios situados en la frontera entre sectores sufren una fuerte interferencia intersector y ven mermadas sus prestaciones. Para mitigar este problema se define una subbanda dedicada a los usuarios fronterizos con restricciones adicionales de reúso que permiten mejorar las condiciones de interferencia observadas por estos. De entre los esquemas analizados para la gestión de los recursos de la frontera, es FSRopa-VF_FrontProtectR el que mejores prestaciones ofrece debido a que conjuga adecuadamente la protección Capítulo 5 - Reúso Intensivo de Recursos Radio dentro de la Celda 289 en términos de ICI de los usuarios de frontera con un cierto grado de reúso de los RBs de la frontera para incrementar los porcentajes de acceso. En cualquier caso, la mejora en capacidad de este algoritmo con respecto al mejor caso para reúso unidad a nivel de celda (FFRopa-MCS) es del 21%, lejos del valor teórico del 133% debido a las limitaciones resultantes de aplicar este esquema de reúso intensivo en un sistema real. Capítulo 6 – Conclusiones y Líneas Futuras de Investigación 297 desplegadas dentro de la cobertura de las estaciones base macro para cubrir huecos de cobertura o áreas de gran demanda de tráfico. Dichas estaciones utilizan el mismo ancho de banda que las estaciones macro circundantes, por lo que será preciso desarrollar esquemas de coordinación de interferencias entre ellas. Por otra parte, el backhaul de las estaciones relay se hace vía radio a través de la propia estación macro. Esto supone que parte de los recursos de la estación base serán utilizados para enviar y recibir datos de la estación relay, con lo que los recursos disponibles para la asignación de los usuarios servidos por la estación macro se reducen. Además, puesto que el ancho de banda disponible para el backhaul radio de la estación relay es limitado, el servicio ofrecido a los usuarios gestionados por la estación relay puede verse afectado. Resulta por tanto imprescindible diseñar algoritmos de scheduling coordinados que residan tanto en la estación macro como en la estación relay que tengan en cuenta estos condicionantes y permitan obtener una mejora de la capacidad del sistema garantizando la provisión de la QoS independientemente de la estación que sirva al usuario. 6.2.2 Algoritmos de control de admisión y congestión para redes OFDMA Las simulaciones presentadas en este trabajo muestran una degradación de las prestaciones del sistema cuando la carga soportada por la celda es excesivamente alta. Por tanto, un campo de especial interés es el estudio de distintos algoritmos de control de admisión para redes de banda ancha OFDMA que rechacen el acceso de nuevos servicios en caso de que se ponga en riesgo el cumplimiento de la QoS de los usuarios presentes ya en el sistema. Por otro lado, debido a la multiplexación estadística de los distintos servicios, se pueden producir en el sistema periodos puntuales de congestión en los que las conexiones acumulan elevados retrasos y se dificulta el cumplimiento 6.2 Líneas futuras de Investigación 298 de la QoS de los usuarios. Para estos casos sería interesante el diseño de mecanismos de control de congestión que permitan relajar temporalmente los requisitos de QoS de las conexiones o incluso liberar los servicios menos prioritarios para de este modo mantener una cierta calidad en la provisión de servicios en estos estados transitorios de congestión. 299 Anexo Publicaciones y Participación en Proyectos de I+D A.1 Listado de publicaciones Revistas internacionales: GUÍO, I.; HERNÁNDEZ, A.; CHÓLIZ, J. y VALDOVINOS, A.: “Resource Allocation Strategies for Full Frequency Reuse in Tri-sectorized Multi-cell Orthogonal Frequency Division Multiple Access Systems”. Wireless Communications and Mobile Computing. Wiley. Pte de publicación. 2012. HERNÁNDEZ, A.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Radio Resource Allocation for Interference Management in Mobile Broadband OFDMA Based Networks”. Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 10, pub. 11, pp. 1409-1430. Wiley. 2010. 2 citas de otros autores: LE, K.N. LE y DABKE, K.P.: “Effects of Doppler Spread on Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Channel Capacity A.1 Listado de publicaciones 300 Employing Diversity in Multipath Environments”. Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 13, pub. 10. Wiley. 2013. PIJCKE, B.; ZWINGELSTEIN-COLIN, M.; GAZALET, M.; GHARBI, M. y CORLAY, P.: “An Analytical Model for the Intercell Interference Power in the Downlink of Wireless Cellular Networks”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, pub. 95. EURASIP. 2011. Congresos internacionales: GUÍO, I.; HERNÁNDEZ, Á.; CHÓLIZ, J.; MONTERO, V.; LAFUENTE, J. y VALDOVINOS, A.: “Radio Resource Management in OFDMA Systems for Strong Frequency Reuse in Sectorized Deployments”. 7th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS’10), pp. 641-645. York, Inglaterra. 2010. 1 cita de otros autores: CHEN, Sh.; ZHANG, Zh.; CHEN, X.; ZHANG, H. y YUEN, Ch.: “Adaptive Bit Allocation in Rateless Coded MISO Downlink System with Limited Feedback”. IEEE Vehicular Technology Conference (VTCFall’12), pp. 1-5. Ciudad de Québec, Québec, Canada. 2012. GUÍO, I.; HERNÁNDEZ, Á.; CHÓLIZ, J.; MONTERO, V.; LAFUENTE, J. y VALDOVINOS, A.: “User Based vs. Frequency Based Resource Occupation Ordering in Packet Scheduling in OFDMA Systems”. 7th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS’10), pp. 441-445. York, Inglaterra. 2010. Anexo – Publicaciones y Participación en Proyectos de I+D 301 GUÍO, I.; HERNÁNDEZ-SOLANA, Á.; CHÓLIZ, J.; MONTERO, V.; LAFUENTE-MARTÍNEZ, J. y VALDOVINOS, A.: “Channel Aware Deferring Strategies to Improve Packet Scheduling in OFDMA Systems”. IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob'10), pp. 294-299. Niagara Falls, Ontario, Canadá. 2010. HERNÁNDEZ, Á.; GUÍO, I.; MONTERO, V. y VALDOVINOS, A.: “Impact of ICI Management Schemes on Packet Scheduling Strategies in OFDMA Systems”. IEEE 5th International Symposium on Wireless Pervasive Computing (ISWPC’10), pp. 395-400. Módena, Italia. 2010. 1 cita de otros autores: KOULAKEZIAN, A.; SOLIMAN, H.M.; TANG, T. y LEON-GARCIA, A. “Robust Traffic Assignment in Transportation Networks Using Network Criticality”. IEEE Vehicular Technology Conference (VTCFall’12), pp. 1-5. Ciudad de Québec, Québec, Canada. 2012. HERNÁNDEZ, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Downlink Scheduling for Intercell Interference Fluctuation Mitigation in Partial-loaded Broadband Cellular OFDMA Systems”. International Conference on Ultra-Modern Telecommunications & Workshops (ICUMT '09), pp. 1-6. San Petersburgo, Rusia. 2009. HERNÁNDEZ, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Interference Management Through Resource Allocation in Multi-cell OFDMA Networks”. IEEE 69th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring’09), pp. 1-5. Barcelona, España. 2009. A.1 Listado de publicaciones 302 Otras publicaciones no relacionadas directamente con la tesis: LAFUENTE-MARTÍNEZ, J.; HERNÁNDEZ-SOLANA, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Inter-cell Interference Management in SC-FDMA Cellular Systems”. IEEE 73rd Vehicular Technology Conference (VTCSpring’11), pp. 1-5. Budapest, Hungría. 2011. LAFUENTE-MARTÍNEZ, J.; HERNÁNDEZ-SOLANA, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Radio Resource Strategies for Uplink Inter-cell Interference Fluctuation Reduction in SC-FDMA Cellular Systems”. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC’11), pp. 185-190. Cancún, Méjico. 2011. 3 citas de otros autores: KADDOUR, F.Z.; VIVIER, E.; PISCHELLA, M. y MARTINS, P.: “A New Method for Inter-Cell Interference Estimation in Uplink SC-FDMA Networks”. IEEE 75th Vehicular Technology Conference (VTCSpring’12), p.p. 1-5. Yokohama, Japón. 2012. DIEHM, F. y FETTWEIS, G.: “Cooperative interference prediction for enhanced uplink link adaptation under backhaul delays”. IEEE 23rd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC’12), pp. 173-177. Sidney, Australia. 2012. KOULAKEZIAN, A.; SOLIMAN, H.M.; TANG, T. y LEON-GARCIA, A. “Robust Traffic Assignment in Transportation Networks Using Network Criticality”. IEEE Vehicular Technology Conference (VTCFall’12), pp. 1-5. Ciudad de Québec, Québec, Canada. 2012. GÁLLEGO, J.R.; HERNÁNDEZ-SOLANA, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Performance Evaluation of Nonsynchronized Initial Random Access for Anexo – Publicaciones y Participación en Proyectos de I+D 303 Mobile Broadband Systems”. Telecommunication Systems Journal, vol. 43 pub. 3-4, pp. 279-29. Springer. 2010. GÁLLEGO, J.R.; HERNÁNDEZ-SOLANA, Á.; GUÍO, I. y VALDOVINOS, A.: “Comparative analysis of non-synchronized initial random access for mobile broadband systems”. IEEE 69th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring’09), pp. 1-5. Barcelona, España. 2009. A.2 Participación en proyectos de I+D relacionados con la tesis “Gestión de Recursos Radio en Redes Móviles Celulares de Banda Ancha OFDMA con Soporte de Servicios Multicast y Modo Relay”, Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (C.I.C.Y.T.) ref. nº TEC200804946. 2009-2011 (Universidad de Zaragoza). “TelMAX: Sistema de Comunicaciones Móviles Profesionales de Banda Ancha”, TELTRONIC S.A.U. (Proyecto CENIT financiado por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio). 2007-2011 (Universidad de Zaragoza). 305 Bibliografía 3GPP2 TECHNICAL SPECIFICATION GROUP C: “Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface Specification”. C.S0084-001-0, v3.0. 2008. ABRARDO, A.; ALESSIO, A.; DETTI, P. y MORETTI, M.: “Centralized Radio Resource Allocation for OFDMA Cellular Systems”. IEEE International Conference on Communications (ICC’07), pp. 5738-5743. Glasgow, Escocia. 2007. 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