UMA PROPOSTA DE ALGORITMO DE ESCALONAMENTO PARA REDE LTE

Transcrição

1 UMA PROPOSTA DE ALGORITMO DE ESCALONAMENTO PARA REDE LTE Fabrício Geraldo Araújo, Paulo Roberto Guardieiro Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia MG Resuo Neste trabalho propõe-se u algorito de escalonaento baseado no algorito First Maxiu Expansion (FME) objetivando a justiça entre os fluxos dos usuários óveis e redes Long Ter Evolution (LTE). O algorito proposto utiliza-se de inforações sobre o status do canal (Channel State Inforation - CSI) para obter altos níveis de equidade se dependência do histórico de utilização do enlace do usuário, de aneira oposta ao algorito Proportional Fairness (PF) encontrado na literatura, dessa fora evita-se custos coputacionais adicionais na Evolved Node B (enb). Os estudos de avaliação de desepenho do algorito proposto, baseados e odelage e siulação, deonstrara que elhores índices de justiça são alcançados co o algorito proposto se equiparado ao algorito FME. Palavras-Chave Equidade, Escalonaento, LTE, Uplink A NOVEL SCHEDULING ALGORITHM FOR LTE NETWORK Abstract - In this work we propose a scheduling algorith based on the First Maxiu Expansion (FME) algorith, aiing fairness aong flows of obile users in Long Ter Evolution (LTE) networks. The proposed algorith uses inforation about the status of the channel (Channel State Inforation - CSI) to obtain high levels of fairness without dependency on the experienced throughput, unlike the Proportional Fairness (PF) algorith found in the literature, and thus avoids additional coputational cost in Evolved Node B (enb). Perforance evaluation studies, based on odeling and siulation, showed that the proposed algorith offers better fairness index when copared with FME algorith. 1 Keywords Fairness, LTE, Scheduling, Uplink I. INTRODUÇÃO O núero de usuários de counicações óveis te crescido de fora exponencial nos últios anos. O auento da diversidade de produtos e serviços, principalente aplicações de tepo real, contribui para este cresciento. Diante disso, o surgiento de novas tecnologias de redes óveis celulares se torna ua necessidade para atender este desafio. As redes Long Ter Evolution (LTE) representa a proposta do 3rd Generation Partnership Project (3GPP) para atender este desafio. Esta nova tecnologia de redes óveis celulares por arquitetura de rede all-ip, proporciona elhor utilização dos recursos de rádio, aior eficiência espectral e baixa latência. Dessa fora, torna possível a ipleentação de aplicações exigentes e teros de vazão elevada e atrasos reduzidos. O 3GPP define o esquea de transissão na interface aérea da rede LTE, coo sendo o Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) coo técnica de acesso para o downlink e Single Carrier FDMA (SC-FDMA) para o uplink. O uplink utiliza o SC-FDMA pelo fato de peritir u baixo Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), o que reduz o consuo de energia na aplificação do sinal, provendo u enor consuo de bateria nos aparelhos óveis utilizados pelos usuários. O consuo de energia durante ua transissão no uplink é ajustado de acordo co o Power Control (PC) e interfere no processo de alocação de recursos. Assi o 3GPP define o Channel Souding Concept co o intuito de facilitar o escalonaento para o tráfego uplink. Este consiste basicaente e u usuário transitir sinais de referência (Sounding Reference Signal - SRS) no tráfego uplink cobrindo a totalidade ou ua parte do espectro possível para alocação [1]. O SRS é utilizado pela enb para extrair inforações sobre o status do canal (Channel State Inforation - CSI) e assi atribuir u AMC referente. Logo, para ua elhor eficiência na utilização do SC- FDMA, é necessário a utilização da contiguidade para a alocação de blocos de recursos (Resource Blocks - RBs). Para isso deve-se atentar para o problea de NP-hard durante o desenvolviento de u algorito para alocação de recursos, caso contrário isto poderá acarretar elevados índices de processaento e custo coputacional. O 3GPP não especifica o tipo de escalonador que deve ser utilizado ou o tipo de alocação de recursos, tanto para o tráfego uplink quanto para o tráfego downlink. Co base nisso, vários algoritos são propostos por diferentes autores utilizando abordagens distintas. E trabalhos anteriores, coo [2], [3] e [4], fora apresentados os principais algoritos encontrados na literatura para alocação de recursos e seus desepenhos, abordando vantagens e desvantagens e suas utilizações de acordo co as características do SC-FDMA. Já no trabalho apresentado e [5], os autores avaliara o desepenho de u algorito de escalonaento utilizando diferentes étricas Proportional Fairness (PF) para o tráfego 1

2 uplink, as não utiliza a contiguidade durante a alocação de recursos no doínio da frequência. Co base nisso propõe-se u algorito de escalonaento baseado no algorito FME para alcançar a equidade entre os fluxos dos usuários no tráfego uplink. Este trabalho está organizado coo se segue. Na Seção II descreve-se a arquitetura da rede LTE e suas principais características. Já a Seção III apresenta o algorito proposto para a equidade dos fluxos dos usuários. Na Seção IV apresenta-se os parâetros juntaente co a odelage de siulação utilizados no estudo. Os resultados alcançados através de siulações coputacionais e análise dos esos apresenta-se na Seção V. Por fi, as conclusões e trabalhos futuros são descritos na Seção VI. II. SISTEMA LTE O sistea LTE, possui coo rede de acesso a Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), que é a evolução das redes óveis de próxia geração. Baseia-se e ua estrutura de counicação capaz de atender exigentes requisitos de desepenho. A rede LTE trata-se de ua rede banda larga óvel que valoriza fatores coo, velocidade de acesso, baixa latência, baixo consuo de energia e copatibilidade co tecnologias anteriores. O LTE foi projetado para suportar serviços coutados por pacotes, e contraste co redes anteriores baseadas e coutação por circuitos. A arquitetura de rede óvel utilizada é baseada na rede IP. A arquitetura LTE divide-se e quatro principais doínios de alto nível: User Equipent (UE), E-UTRAN, Evolved Packet Core (EPC) e os Serviços superiores ao EPC, confore ilustra a Figura 1 [6]. protocolos da arquitetura LTE: plano do usuário e o plano de controle. Sendo que, para o plano do usuário do lado da rede, todos os protocolos estão localizados na enb, devido a arquitetura plana epregada na rede LTE. A enb atua coo bridge entre o UE e o EPC transferindo a inforação proveniente da conexão rádio existente co o UE para ua dada conexão IP co o EPC. A enb tabé é responsável pela gestão de recursos de rádio por eio do Radio Resource Manageent (RRM), dessa fora atua no escalonaento e abos os tráfegos, uplink e downlink [6]. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) foi definido coo o esquea básico de transissão para o enlace de rádio da rede LTE, devido às suas características, tais coo sua elevada eficiência espectral e coparação co outros esqueas e pela capacidade de se adaptar a variações de acordo co as condições de canal [6]. Diante disso, o conceito de ultiportadoras é fundaental para a rede. Entre cada subportadora possui u espaçaento de 15 khz. As subportadoras são agrupadas, onde cada grupo, forado por 12 co o devido espaçaento, fora u RB [7]. A rede LTE é flexível e relação à largura de banda. De acordo co a largura utilizada te-se ua quantidade de blocos de recursos. O acesso ultiusuário é alcançado através da atribuição de diferentes blocos para os vários usuários no tepo e na frequência. No downlink, o OFDMA é ipleentado co u grande núero de subportadoras adjacentes. A quantidade de subportadoras que pode ser alocadas para cada usuário pode variar e, assi, atender aos requisitos de QoS das aplicações. Já no uplink, a eficiência do consuo de energia é ua preocupação iportante. Coo já encionado, o alto PAPR é ua desvantage do OFDM convencional, por conseguinte, ua fora diferente de interface aérea é utilizada, o SC-FDMA. Este é ipleentado por apresentar u baixo PAPR, dessa fora possui u enor consuo de energia para os dispositivos óveis. A Figura 2 ostra as diferentes abordagens do OFDMA e SC-FDMA. Enquanto o OFDMA utiliza portadoras distintas e paralelo para transitir dados, o SC-FDMA utiliza ua única portadora para cada fluxo de dados [8]. Fig. 1. Arquitetura da Rede LTE. Alé da divisão e doínios, a arquitetura pode ser dividida e dois planos que deterina a pilha de Fig. 2. OFDMA e SC-FDMA [8]. 2

3 A. Escalonaento no Tráfego Uplink O principal objetivo do escalonador para o tráfego uplink é alocar recursos para os serviços dos usuários de fora que axiize a eficiência da rede. Tal eficiência pode ser alcançada de acordo co alguns objetivos do sistea coo, axiização da vazão, justiça, requisitos de atraso áxio liitado, consuo de energia, etc. Para isso, recursos são alocados e unidades de Physical Resource Blocks (PRBs). Coo já encionado, cada PRB consiste e 12 subportadoras e 7 síbolos SC-FDMA, co 0.5 s de duração. Logo, decisões de escalonaento são feitas a cada Tie Transission Interval (TTI), que no LTE equivale a 1 s. O escalonador que atua no tráfego uplink pode ser dividido e duas unidades de escalonaento: no doínio do tepo (Tie Doain Packet Scheduler - TDPS) e no doínio da frequência (Frequency Doain Packet Scheduler - FDPS). No TDPS faz-se a filtrage de usuários que efetuara requests (solicitação de recursos para transissão) à enb. Posteriorente, no doínio da frequência, será feita a alocação de recursos, coo é apresentado na Figura 3. principalente o paradiga sobre a condição do canal para decisões de escalonaento no doínio do tepo. III. ALGORITMO DE ESCALONAMENTO PROPOSTO Nesta seção é apresentado o algorito proposto baseado no algorito FME para o tráfego uplink. O algorito desenvolvido utiliza inforações CSI dos usuários e sua étrica PF. Alé disso, a alocação de recursos utiliza contiguidade e sua heurística para alcançar u elhor desepenho na rede. O algorito de escalonaento PF é ua das estratégias ais conhecidas e pesquisadas para a rede LTE. A sua finalidade é proporcionar elhores garantias de QoS de fora justa para todos os usuários da rede. O escalonador de pacotes PF te coo finalidade garantir que todos os fluxos dos usuários, independenteente de suas condições, possua as esas possibilidades de sere escalonados no próxio TTI. Esse procediento é satisfeito devido ao PF realizar u bo balanceaento entre a vazão e a equidade dos seus usuários através de sua étrica. O PF encontrado na literatura visa axiizar a razão entre a taxa de dados instantânea e a vazão édia do desepenho do usuário na rede [10]. Dessa fora, t( u, T( u) PF (1) Fig. 3. Escalonaento no doínio do tepo e da frequência. Para o escalonaento, os usuários envia ensagens de sinalização ou relatórios de suas condições e dado oento, coo o SRS ou o Buffer Status Report (BSR) para a enb. Co base nessas inforações a enb pode toar decisões de escalonaento e alocação de recursos e abos os doínios, de acordo co a étrica aplicada. As étricas aplicadas ao escalonador pode variar de acordo co o objetivo que se deseja alcançar. Alguas se baseia e condições do canal se atribuir requisitos de QoS no cálculo [9], outras já tenta alcançar u elhor índice de justiça entre os usuários [5]. Entretanto, o escalonador precisa garantir QoS para os últiplos serviços utilizados pelos usuários. SC-FDMA possui restrições para atingir u elhor desepenho durante a fase de escalonaento, pois, se torna necessário que as transissões ocorra e subportadoras adjacentes. Isto significa que os recursos não pode ser alocados livreente e precisa ser contíguos no doínio da frequência, o que ipõe ua liitação na diversidade de usuários. Os principais algoritos de escalonaento propostos na literatura fora projetados para alcançar ua elhor eficiência na rede, coo o First Maxiu Expansion (FME) e o Recursive Maxiu Expansion (RME). Abos possue coo ênfase a alocação de recursos e utiliza onde t é a vazão atual do fluxo do usuário u e relação ao bloco de recurso r, assi que a enb recebeu o SRS correspondente. Logo, T é a vazão édia do desepenho do usuário u. Dessa fora te-se o PF noralente estudado na literatura, no qual a enb precisa arazenar inforações sobre a perforance dos fluxos dos usuários para executar o escalonaento. O algorito FME utiliza por padrão a seguinte equação, t( u, FME (2) onde t é a vazão instantânea da aplicação do usuário u e relação ao bloco de recurso r no TTI atual. Portanto, o algorito de escalonaento FME aloca co prioridade blocos de recursos para as aplicações dos usuários co elhores condições, co isso ocasionalente fluxos de usuários co piores condições pode sofrer inanição na rede. O algorito proposto é u ajuste para o algorito FME, objetivando o índice de justiça entre os fluxos de dados dos usuários. A equação proposta pode ser expressa da seguinte aneira, PF SINR S S CSI CSI, W ( u) (3) 3

4 onde S CSI é a condição do canal da aplicação do usuário no TTI atual de acordo co o SINR, que é estiado a partir do SRS co o valor de CSI correspondente. Já o S, é a CSI W condição total da rede referente ao SINR entre a enb e o usuário. Ao contrário da étrica PF encontrada na literatura, o PF- SINR não precisa calcular o valor de S, para cada TTI, CSI W ua vez que se define que o SINR da rede é estacionário e conhecido no TTI e a largura de banda é suficienteente abrangente para não se alterar durante o escalonaento [5]. Co isso a étrica PF-SINR não te qualquer dependência sobre o desepenho anterior das aplicações dos usuários, por esta razão pode classificá-lo coo ua étrica livre de eória. O algorito proposto é ilustrado na Figura 4. Tabela I Parâetros de siulação Parâetros Valores Tepo de Siulação TTIs Tepo do Subfrae 1 s Largura de Banda 5 MHz Espaço entre os Subcarriers 15 khz Nível de Transissão enb 43 db Reuso da Frequência 4 clusters Modelo de Propagação Urbano Macro-Célula Layout da Célula Raio de 0,5 K Mobilidade do Usuário Randôico Velocidade do Usuário 30 K/h Quantidade de Usuários 70 Modelo de Tráfico Web Siulador LTE-Si 5 V. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Os resultados apresentados nesta seção refere-se a siulações realizadas co o eprego do algorito FME descrito e [3] e co o eprego do algorito proposto, visando a coparação de desepenho entre eles e teros de justiça e vazão. Na Figura 5 apresenta a vazão édia, tanto do algorito FME coo do algorito proposto, e função da quantidade de requests no sistea. Fig. 4. Algorito de Escalonaento Proposto. IV. MODELAGEM E SIMULAÇÃO Para avaliar o algorito proposto foi utilizado o LTE-Si [11] coo siulador. O cenário de rede utilizado consiste de ua única célula equipada co ua antena onidirecional utilizando o SC- FDMA coo interface aérea para transissão, assi coo é definido pelo 3GPP. O tepo de siulação possui TTIs de duração, sendo que cada TTI corresponde a 1 s. Foi considerada ua largura de banda de 5 MHz co 25 RBs a sere escalonados e cada TTI. Os usuários são distribuídos na célula de fora aleatória. A Tabela I apresenta os principais parâetros utilizados para a siulação. Para siplificar o estudo executou-se apenas fluxo Web. Fig. 5. Vazão Média e função do Núero de Usuários. Pode-se notar que o algorito FME possui elhores resultados para a vazão, pois utiliza coo étrica usuários co elhores condições. Dessa fora fluxos ais próxios à enb te prioridade de escalonaento e relação àqueles que estão e ua posição rui na célula. A Figura 6 ostra que o ajuste proposto ao algorito FME te elhores índices de justiça e função da quantidade de requests no sistea, se coparado ao FME encontrado na literatura. Coo pode ser visto, o algorito proposto nesse trabalho alcançou aiores níveis de justiça e, co isso, os fluxos dos usuários tê ua aior probabilidade de sere escalonados. 4

5 Poré, o algorito proposto apresenta valores enores de vazão édia se equiparado ao algorito FME, isto é devido ao fato deste priorizar usuários co elhores condições. Dessa fora, o algorito apresentado, co seu coportaento e desepenho na rede, conseguiu alcançar resultados satisfatórios de justiça no escalonaento. Fig. 6. Índice de Justiça e função do Núero de Usuários. VI. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Neste trabalho propôs-se u algorito de escalonaento, baseado no algorito FME, para atingir elhores índices de justiça no tráfego uplink e redes LTE. A proposta utilizou ua versão do PF e que não se te dependência sobre o histórico de utilização do enlace dos usuários, diinuindo assi o custo coputacional na enb. A equação considerada no escalonaento no doínio do tepo utilizou inforações do status de canal obtidas através do CSI. O desepenho deste algorito foi avaliado e teros de níveis de justiça e vazão édia dos fluxos de acordo co a quantidade de requests recebidos na enb. Os resultados das siulações deonstrara que o algorito proposto consegue alcançar elhor índice de justiça entre os fluxos dos usuários se coparado ao algorito FME encontrado na literatura, auentando assi a probabilidade de todos os usuários sere atendidos. Para os trabalhos futuros pode-se adicionar étricas para alcançar ua aior vazão a fi de elhorar a eficiência da rede. REFERÊNCIAS [1] 3GPP, Technical Specification Group Services and Syste Aspects - Policy and charging control architecture (Release 12), 3GPP TS [2] K. Elgazzar, M. Salah, A. Taha e H. Hassanein, Coparing Uplink Schedulers for LTE, ECE Departent - Queen s University Ontario, [3] M. Salah, Coparative Perforance Study of LTE Schedulers, Queen s University Ontario, [4] F. Liu e Y. Liu, Iproved Scheduling Algoriths for Uplink Single Carrier FDMA Syste, Journal of Inforation and Coputational Science, pp. 9-11, [5] F. Calabrese, C. Rosa, K. Pedersen e P. Mogensen, Perforance of Proportional Fair Frequency and Tie Doain Scheduling in LTE Uplink, Wireless Conference, 2009, EW European, [6] S. Sesia, I. Toufik e M. Baker, LTE, The UMTS Long Ter Evolution: Fro theory to practice, John Wiley and Sons, [7] K. Tahboub, Coparison of Channel Dependent Scheduling Policies in LTE Uplink. [8] U. Villanueva, Coexistência entre as Tecnologias de 3ª e 4ª Gerações, Dissertação (Mestrado), PUC-Rio, [9] F. Liu, X. She, L. Chen e H. Otsuka, Iproved Recursive Maxiu Expansion Scheduling Algoriths for Uplink Single Carrier FDMA Syste, IEEE 71st Vehicular Technology Conference (VTC 2010-Spring), pp. 1-5, [10] F. Capozzi, G. Piro, G. Boggia e P. Caarda, Downlink Packet Scheduling in LTE Cellular Networks: Key Design Issues and a Survey, IEEE (Volue: 15, Issue: 2) Counications Surveys & Tutorials, [11] G. Piro, L. Grieco, G. Boggia, F. Capozzi e P. Caarda, Siulating LTE Cellular Systes: An Open-Source Fraework, IEEE Transactions (Volue: 60, Issie: 2) Vehicular Technology, pp ,