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

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

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

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

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

5 Sistemas móveis da 4ª Geração Sistema do projecto MATRICE Tecnologia baseada em MC-CDMA Técnicas avançadas de processamento Cancelamento de interferência Estimação de canal Detecção multi-utilizador Alocação Dinâmica de Recursos na camada MAC Na fase inicial a cobertura não será completa como esperada com o UMTS Inter-operabilidade com o UMTS-TDD LB=50Mhz, adaptável (múltiplo de 5MHz) Banda dos 5GHz Trama MC-CDMA Tempo-código-frequência 3 slots (mesma duração do UMTS) 23 grupos de 32 subportadoras Símbolo de dados espalhado num grupo de subportadoras em um de 32 códigos ortogonais de comprimento Grupo de Sub-Portadoras Id dos Slots detempo Códigos 3 a 32 (DL) Código 2 (DL) Código 1 (DL) Slot de tempo usado para o UL Id dos Códigos de Espalhamento 5

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

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

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

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

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

11 Algoritmos de scheduling Redes Cabladas Canal praticamente invariante comparado com tempo de sessão Políticas de scheduling de pacotes ditadas essencialmente por Limites de atraso Largura de banda imposta para classe de serviço e/ou utilizador Três grandes categorias Fair queuing Baseados em deadline Baseados no ritmo de transmissão Nó 1 Nó 2 Router Camadas superiores Camada física Scheduler Router 11

12 Algoritmos de scheduling Redes rádio móvel Dinâmica inerente Utilizadores entram e saem do sistema Movem-se durante as sessões (variação do canal rádio) Pacotes com destinos diferentes estão associados a diferentes níveis de sinal e interferência O Scheduler que não tem em conta o estado do canal terá um fraco desempenho Estação Base Camadas superiores Camada física Scheduler 12

13 Algoritmos de scheduling Algoritmo de Projecto (I) Prioritização de pacotes com base em Informação da camada física Fiabilidade da transmissão Informação de camada superior SIR alvo Limites de atraso da aplicação Função de prioridade combina pesos associados a Fiabilidade, W1 Time_out, W2 Número de transmissões efectuadas, W3 Camadas superiores Camada física Priority = W 1 ( type,sir )( W2( type,time _ out ) + W3( type,# attemptx )) Scheduler 13

14 Algoritmos de scheduling Algoritmo de Projecto (II) Função da fiabilidade da transmissão 3 W(SIR) W 1 ( Serviço, SIR) = ~ 0 se SIR < Alvo 1 se Alvo SIR < Alvo + Limiar 2 se SIR Alvo + Limiar 2 W(SIR) 1 0 Alvo Alvo + Limiar Target SIR Threshold 14

15 Algoritmos de scheduling Algoritmo de Projecto (III) Função do tempo de espera W ( Serviço,TempoDeEspera ) = k( MaxAtraso TempoDeEspera ) 2 W(tempoDeEspera) W(Time_Out) Função Time-Out Tempo Weight de Function espera do pacote 0 MaxAlloableDelay MaxAtraso Tempo de Time-out espera Função do numero de tentativas de transmissão 3 Attempted Função Transmission tentativas Weight Tx W 3 ( Type, AttempTx ) 0 if Attemp Tx = 0 = 1if Attemp Tx = 1 2 if Attemp Tx = 2 W(tempoDeEspera) W(AttempTx) Tentativas Attempted Tx Tx 15

16 Algoritmos de scheduling DRA Implementado Estrutura do DRA baseado no HSDPA do UMTS Inclui Codificação e modulação adaptativa ARQ Híbrido com Chase combining 30 dos 32 códigos alocados para dados BS transmite com a potência máxima 70% da potência total alocada para dados, dividida igualmente pelos códigos Fonte 1,1 Fonte 1,2 Fonte 2,1 Fonte I,j Fontes QoS Alocação Dinâmica de Recursos Priorida = W1 ( type, SIR)( W2 ( type, time _ out) + W3 ( type,# attemptx )) Fonte Schedule W 1(SIR) W 2 (time-out) W 3 (ntx) IQS TTI Recursos Fonte Slot Codigo MCS nbits ARQ Adaptação Link Lista ARQ ARQ1,1 ARQ1,2 ARQ2,1 ARQ2,2 ARQn,1 ARQn,2 MC1 MC2 MC3 MCN 16

17 Algoritmos de scheduling Cenário de simulação Ambiente de simulação Raio da célula Tipo de célula (Omni ou sectorizada) Velocidade do móvel Modelo de canal Perdas por propagação e desvanecimento lento Modelo de canal - desvanecimento rápido Interface com camada física MATRICE Urbano 300 m Omni 3km/h Modelo de canal urbano ETSI BRAN E (18 taps e Atraso max. 1.76µs) Interface de Valor Actual Serviços Voz e Web simultaneamente Número de utilizadores de voz 20 Número de utilizadores de Web 9 Duração da trama 10 ms Número de slots de tempo alocados para DL 1 Número de códigos de espalhamento alocados para dados 30 17

18 Algoritmos de scheduling Simulação Métricas de desempenho Utilizador (utilizador satisfeito) BLER Atraso de transferência Célula Throughput sobre a Interface Ar Throughput de serviço Serviço satisfeito Algoritmo proposto comparado com max(c/i) Priority = arg( Max( SIR User _ i )) 18

19 Algoritmos de scheduling Resultados (I) Scheduling de prioridade Parâmetros de referência CDF BLER e Atraso de Transferência SIR Alvo SIR Limiar (sobre o alvo) Factor de prioritização do atraso H-ARQ Número de transmissões db (Web) db (Voz) 15 db Tx p/ Voz 3 Tx p/ Web Serviço de voz 19

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

21 Algoritmos de scheduling Resultados (III) Scheduling de referência: max(c/i) Serviço de Voz Serviço de Web 21

22 Algoritmos de scheduling Resultados (IV) Throughput da célula Métrica (media por célula) Prioridade Parâmetros de referência SIR Máximo OTA 566 kbps 588 kbps Th. de Serviço 400 kbps 426 kbps Razão Th. Serv/OTA Serviço Satisfeito 270 kbps 277 kbps Razão ServSatisf /ThServ Número médio de Tx p/ bloco (Web)

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

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

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

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

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

28 Obrigado 28