AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA EDGE (E-GPRS) COM MECANISMO DE DECISÃO POR CODIFICAÇÃO POR LIMIAR DE ERRO

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1 AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA EDGE (E-GPRS) COM MECANISMO DE DECISÃO POR CODIFICAÇÃO POR LIMIAR DE ERRO Henrique M. O. de Queiroz e Leonardo G. R. Guedes Departmento de Computação Universidade Católica de Goiás (UCG) Av. Universitaria, 169, Setor Universitario Goiania GO- Brazil Escola de engenharia Elétrica, Universidade Federal de Goiás (UFG) Praça Universitaria Goiania GO Brazil Abstract. This work analyses the Link Quality Control scheme utilized by EDGE. The system model is simulated by means of a new routine for Network Simulator 2. A new scheme for Modulation and Coding Schemes Choosing is proposed and the simulations results are compared with the ideals ones, which validates this new simulator. Resumo. Este trabalho analisa o esquema Link Quality Control utilizado no EDGE. O modelo de sistema é simulado a partir do desenvolvimento de rotinas para o Network Simulator 2. Um novo modelo para a escolha dos esquemas de modulação e codificação é proposto e os resultados das simulações são comparados aos resultados considerados ideais, que validam este novo simulador. 1. Introdução Na década de 8, o International Telecommunications Unit (ITU), através do padrão International Mobile Telecommunications in the year (IMT-), definiu os requisitos para que um sistema móvel celular fosse considerado como de terceira geração (3G) [1-6]. Basicamente, ele deve ser capaz de prover altas taxas de transmissão e de utilizar o método de comutação de pacotes. Dessa forma, os atuais sistemas de comunicação móveis, classificados como de segunda geração (2G), que suportam o método de comutação de pacotes mas não conseguem prover altas taxas de transmissão, são chamados de sistemas da geração 2,5G. O padrão General Packet Radio Service (GPRS), desenvolvido para sistemas Global System for Mobile Communication (GSM), se enquadra nesse nível [6-1]. A implementação de sistemas 3G envolve, entre outras coisas, a aquisição de novas faixas de freqüência e a instalação de novas redes. O conceito Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE E-GPRS) provê capacidades de sistemas 3G nas atuais faixas de freqüência (8, 9,

2 2 Henrique M. O. de Queiroz e Leonardo G. R. Guedes 18 e 19 MHz), utilizando os mesmos canais de khz do GSM [11-17]. Baseado no padrão GPRS, o EDGE utiliza outra técnica de modulação, a 8-PSK. Dessa forma, o EDGE passa a utilizar nove esquemas de codificação do canal, cuja utilização é escolhida através do método de Link Quality Control (LQC). Dois exemplos de métodos de LQCs são o Link Adaptation (LA) e o Incremental Redundancy (IR). Esse trabalho analisa o primeiro método, definido para o EDGE [3]. Para esse estudo, foi utilizado o módulo EDGE para o Network Simulator (NS) [24]. Esse módulo suporta simulações em dois ambientes de rádio móvel, definidos pelo ITU e pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP), o Typical Urban at 3km/h (TU3) e o Typical Urban at km/h (TU). Esse artigo descreve o método LQC e analisa seu desempenho. A próxima Seção descreve o método LQC para o EDGE. A análise do desempenho das simulações e a definição do problema são realizadas nas Seções III e IV. A Seção IV descreve outro sistema proposto e apresenta os resultados das simulações. Por último, a Seção V conclui o artigo. 2. Link Quality Control no EDGE Uma característica fundamental dos sistemas celulares é que usuários diferentes tendem a experimentar diferentes qualidades de canal em termos do nível de Carrier to Interferece (C/I) como conseqüência de diferentes distâncias em relação à estação rádio base, fading e interferências. O EDGE parte dessa característica e introduz uma série de novos esquemas de codificação e um novo esquema de modulação ao GPRS. Com a utilização do EGDE, o GPRS passa a ser tratado por EGPRS. A Tabela 1 mostra os diferentes Modulations and Coding Schemes (MCS) utilizados pelo EGPRS [2]. Os diferentes esquemas de codificação são selecionados de acordo com a qualidade do canal. Quanto menor o nível de C/I, mais robusto deve ser o esquema selecionado. Esse nível de C/I está intimamente ligado à taxa de erro de bit, Bit Error Rate (BER), no canal de comunicação. Essa relação própria de cada esquema de modulação, advem da probabilidade do símbolo ser interpretado de forma errada. O EDGE provê um esquema de controle de qualidade do canal que combina as técnicas de LQC e IR [22]. O esquema LQC estima regularmente a qualidade do canal e seleciona a modulação e o esquema de codificação mais apropriado, de forma a maximizar o throughput. No IR, a informação primeiramente é enviada com pouca ou nenhuma proteção, produzindo uma alta taxa de transmissão se a decodificação obter sucesso. Se a decodificação falhar, esquemas com maior proteção são selecionados nas retransmissões até que a decodificação obtenha sucesso. O esquema suportado pelo EDGE é uma combinação dos dois sistemas. Inicialmente são efetuadas medições da qualidade do canal com o objetivo de chegar ao esquema de codificação ideal que será utilizado na IR. Dessa forma, o atraso provocado pelo processo de obtenção da taxa inicial e minimizado. Quando utilizando o IR, o receptor deve possuir memória suficiente para armazenar informações sobre os blocos com insucesso na decodificação [22]. O transmissor irá então transmitir o bloco com maior codificação. No caso do LQC o receptor descarta os blocos com problemas na decodificação. O LQC é o procedimento padrão no EDGE, sendo que a redundância incremental implementado opcionalmente. Nas simulações realizadas nessa

3 AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA EDGE (E-GPRS) COM MECANISMO DE DECISÃO POR CODIFICAÇÃO POR LIMIAR DE ERRO 3 dissertação foi implementado apenas o processo de adaptação do enlace. Informações sobre esquemas de codificação e formatos dos dados utilizados são enviados no cabeçalho do bloco. Em [3] o processo de adaptação do enlace para o EDGE é descrito. As medições da qualidade são realizadas durante idle blocks do multiquadro- 52, tanto pela Mobile Station (MS) quanto pela rede. Quando realizadas pela MS, são reportadas à rede através das mensagens de ARQ ou de conexão. As medições geram valores de BER médio e de desvio padrão para quatro radio blocks seguidos. A escolha é feita mapeando-se esses valores em uma matriz com limiares de decisão de esquemas de codificação previamente decididos. De acordo com a recomendação, a definição dos valores desses limiares fica a cargo de cada operadora.. CSs ut ados o G S Esquema Taxa de Troughput Modulação Familias Codificação (kbps) MCS-1,53 GMKS C 8,8 MCS-2,66 GMKS B 11,2 MCS-3,8 GMKS A 14,8 MCS-4 1 GMKS C 17,6 MCS-5,37 8PSK B 22,4 MCS-6,49 8PSK A 29,6 MCS-7,76 8PSK B 44,8 MCS-8,92 8PSK A 54,4 MCS-9 1 8PSK A 59,2 TABELA 1: MCSs utilizados no EDGE/E-GPRS. 3. LQC para o Network Simulator O Network Simulator é um simulador de redes genérico. Baseado no módulo GPRS [19], o módulo EDGE [25] foi então desenvolvido por esta equipe. Esse módulo proposto permite que simulações possam ser realizadas em dois ambientes distintos: TU3 e TU. Permite também a realização de estudos com MCSs fixos ou utilizando o procedimento de LQC. No módulo, a MS simulada só é capaz de utilizar um único timeslot. A taxa de de transmissão máxima é, portanto, de 59.2kbps. Nesse estudo, primeiramente foram realizadas simulações para cada MCS, nos dois ambientes de simulação. Após, a curva de resultado ideal para o LQC foi obtida. As Figuras 1 e 2 mostram os resultados das simulações para cada MCS e o resultado para o LQC ideal. Nessas simulações foi utilizado tráfego Constant Bit Rate (CBR), com taxa de 7kbps e pacotes de bytes. O tempo de simulação foi de 8 segundos. Para as simulações de LQC os limiares de C/I no módulo EDGE devem ser escolhidos, permitindo a correta escolha do MCS. Esses limites são extraídos das Figuras 1 e 2, representando MCS que provê maior throughput no nível. Essas simulações foram necessárias para comprovar os resultados das simulações de LQC no módulo, que são mostradas nas Figuras 3 e 4. Nessas Figuras, os resultados ideais do LQC são comparados aos simulados. Pode ser observado o ótimo resultado obtido nas simulações.

4 4 Henrique M. O. de Queiroz e Leonardo G. R. Guedes 4. Definição do Problema Os limiares de decisão obtidos na Seção anterior foram diferentes para cada ambiente de simulação. Isso significa que a tabela ideal de limiares varia de acordo com as velocidades da MS. Isso se deve ao fato de que os MCSs possuem desempenho diferente em cada velocidade. Esse cenário indica um problema na utilização do LQC, pois o sistema, para utilizar os valores ideais, deveria possuir a informação da velocidade do movimento da MS. FIGURA 1. LQC ideal para TU MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS FIGURA 2. LQC ideal para TU.

5 AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA EDGE (E-GPRS) COM MECANISMO DE DECISÃO POR CODIFICAÇÃO POR LIMIAR DE ERRO 5 7 LA NS FIGURA 3. LQC ideal e simulada para TU3. LA NS FIGURA 4. LQC ideal e simulada para TU. 1 1 BLER 1 2 MCS 1 MCS 2 MCS 3 MCS 4 MCS 5 MCS 6 MCS 7 MCS 8 MCS FIGURA 5. Utilização dos MCSs para BLER de 1% no ambiente TU3.

6 6 Henrique M. O. de Queiroz e Leonardo G. R. Guedes BLER 1 2 MCS 1 MCS 2 MCS 3 MCS 4 MCS 5 MCS 6 MCS 7 MCS 8 MCS FIGURA 6. Utilização dos MCSs para BLER de 1% no ambiente TU. 7 6 LA NS LA analise de 1% FIGURA 7. LQC ideal, simulada e com limiar de 1% de BLER para TU LA NS LA analise de 1% FIGURA 8. LQC ideal, simulada e com limiar de 1% de BLER para TU.

7 AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA EDGE (E-GPRS) COM MECANISMO DE DECISÃO POR CODIFICAÇÃO POR LIMIAR DE ERRO 7 Diferentes propostas de limiares de LQC foram analisadas pelo 3GPP para o sistema GPRS [4]. Nesse estudo foi considerado um esquema de decisão baseado no Block Error Rate (BLER). Para isso, foram realizadas, pelo 3GPP, simulações de throughput versus C/I para TU3 e TU. De acordo com o método proposto, um esquema seria utilizado até atingir um determinado valor de BLER, passando assim para o esquema seguinte. O limite de BLER testado nesse documento é de 1%. A escolha dos MCSs no Network Simulator foi implementada baseada no nível de C/I. Deve-se, portanto, identificar esses níveis baseados na BLER, o que é mostrado na Figuras 5, para o ambiente TU3, e na Figura 6, para o ambiente TU. As mesmas simulações realizadas na Seção anterior foram agora realizadas com os novos limiares de BLER. Os resultados são comparados aos obtidos pelo LQC ideal, sendo apresentados nas Figuras 7 e 8. O resultado obtido com esse método é pior que o ideal, já que ele utiliza alguns MCSs mesmo quando não apresentam maior throughput. 5. Conclusões Esse artigo analisa um esquema alternativo para o LQC no sistema EDGE. Inicialmente, simulações foram realizadas, utilizando o Network Simulator, para cada MCS e para o procedimento de LA. Os resultados foram comparados com os casos ideais, validando as simulações realizadas. Com os resultados ideais do LQCs, um novo esquema, proposto pelo 3GPP para o sistema GPRS, foi simulado. Os resultados obtidos foram comparados com os ideais. Conforme esperado, os resultados apresentaram pior desempenho. O estudo apresentado nesse artigo mostra que o esquema de LQC utilizado no EDGE gera diferentes limiares de decisão de MCSs. Esses limiares variam com a velocidade e com o ambiente em que se encontra a MS, representando o melhor caso para cada ambiente. Dessa forma, um método de detecção de velocidade da MS seria necessário, adaptando os limiares ideais a serem utilizados. A fim de se utilizar apenas uma tabela de limiares de decisão, um método proposto pelo 3GPP para o GPRS foi analisado. Esse método, apesar de ocasionar uma perda de throughput, permite a utilização de esquemas de decisão baseados no nível de BLER, independente do ambiente e da velocidade que se encontra a MS. Como continuação desse estudo, novos níveis de decisão deverão ser testados, bem como o estudo em outros ambientes de simulação, como o Rural Area (RA) e Rilly Terrain (RT). 6. Referências [1] 3GPP (Ed.). 3GPP TS Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network, Overall description of the GPRS radio interface. [S.l.]: 3GPP,. [2] 3GPP (Ed.). 3GPP TS Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network, Channel coding. [S.l.]: 3GPP,. [3] 3GPP (Ed.). 3GPP TS Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network, Radio subsystem link control. [S.l.]: 3GPP, 1.

8 8 Henrique M. O. de Queiroz e Leonardo G. R. Guedes [4] 3GPP (Ed.). 3GPP TR Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network, Background for Radio Frequency (RF) requirements. [S.l.]: 3GPP, 2. [5] 3GPP (Ed.). 3GPP TS Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network, Radio transmission and reception. [S.l.]: 3GPP, 3. [6] BETTSTETTER, C.; VÄGEL, H.; EBERS-PÄCHER, J. Gsm phase 2+ general packet-radio service gprs: Architecture, protocols, and air interface. IEEE Communications Surveys, v. 2, n. 3, p. 2-14, 3rd trimestre [7] BRASCHE, G.; WALKE, B. Concepts, services, and protocols of the new gsm phase 2+ general packet radio service. IEEE Communications, v. 35, n. 8, p , August [8] CAI, J.; GOODMAN, D. J. General packet radio service in gsm. IEEE Communications, v. 35, n. 1, p , October [9] EKEROTH, L.; HEDSTRÄM, P. Gprs support nodes. Ericsson Review, v. 77, n. 3, p ,. [1] ERIKSSON, M. et al. The gsm/edge radio access network - geran, system overview and performance evaluation. IEEE Vehicular Technology Conference, May. [11] ERIKSSON, S.; et al. Comparison of link quality control strategies for packet data services in edge. In proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference, [12] ETSI (Ed.). Tdoc SMG2 EDGE 274/99 9rev - ETSI SMG2 EDGE Working Session. [S.l.]: ETSI, [13] FURUSKÄR, A. Can 3G services be offered in existing spectrum? Dissertation (Technical Licentiate), Royal Institute of Tecnology, Suécia, 1. [14] FURUSKÄR, A. et al. System performance of edge, a proposal for enhanced data rates in existing digital cellular systems. In proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference, [15] FURUSKÄR, A. et al. Capacity evaluation of the edge concept for enhanced data rates in gsm and tdma/136. In proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference, February [16] FURUSKÄR, A.; OLOFSSON, H. Aspects of introducing edge in existing gsm networks. In proceedings of IEEE ICUPC, [17] FURUSKÄR, A. et al. Edge: Enhanced data rates for gsm and tdma/136 evolution. IEEE Personal Communications Magazine, v. 6, n. 3, p , June [18] GRANBOHM, H.; WIKLUND, J. Gprs: General packet radio service. Ericsson Review, v. 76, n. 2, p , [19] JAIN, R. GPRS Simulations using NS-Network Simulator. Dissertação (Bachelor of Technology and Master of Technology in Communications and Signal Processing), Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Bombai, June 1. [] MÄULLER, F.; SORELIUS, J.; TURINA, D. Further evolution of the gsm/edge radio access network. Ericsson Review, n. 3, 1. [21] MOLKDAR, D.; LAMBOTHARAN, S. Link performance evaluation of egprs in la and ir modes. IEEE Personal Communications,. [22] NANDA, S.; BALACHANDRAN, K.; KUMAR, S. Adaptation techniques in wireless packet data services. IEEE Communications Magazine, p , January. [23] OUSTERHOUT, J. Scripting: Higher-level programming for the 21st century. IEEE Computer, v. 31, p. 23-, March [24] PROJECT, T. V. The Network Simulator NS-2: Documentation. Access: May, [25] QUEIROZ, H. M. O. de, Simulação e Análise de Trafego na Interface Aérea do Sistema EDGE em Ambientes de Radio Móvel, Dissertação (Master Degree), Universidade Federal de Goiás, 3. [26] SCHRAMM, P.; et al. Radio interface performance of edge, a proposal for enhanced data rates in existing digital cellular systems. In proceedings of IEEE ICUPC, 1998.

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