Zarządzanie zasobami radiowymi w sieciach wielopasmowych wykorzystujących stacje przekaźnikowe

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Elektroniki i Telekomunikacji Jacek Góra Zarządzanie zasobami radiowymi w sieciach wielopasmowych wykorzystujących stacje przekaźnikowe Streszczenie rozprawy doktorskiej Promotor: prof. dr hab. inż. Krzysztof Wesołowski Poznań, 2013

2

3 1 Spis akronimów 4G A2A A2B AC AF BE BH CF CIS CLB D2A D2B DF ET FFR GBR HARQ HFR ICIC ISR LTE-A MH MI ML MMF PCC PDB PF czwarta generacja (ang. 4th Generation) interferencje łącza dostępowego w łącze dostępowe (ang. Access-to- Access) interferencje łącza dostępowego w łącze dosyłowe (ang. Access-to- Backhaul) łącze dostępowe (ang. Access) wzmocnij i wyślij (ang. Amplify and Forward) kryterium utylitarne (ang. Best Effort) łącze dosyłowe (ang. Backhaul) skompresuj i wyślij (ang. Compress and Forward) skumulowana siła interferencji (ang. Cumulated Interference Strength) równoważenie obciążenia pasm (ang. Carrier Load Balancing) interferencje łącza bezpośredniego w łącze dostępowe (ang. Direct-to- Access) interferencje łącza bezpośredniego w łącze dosyłowe (ang. Direct-to- Backhaul) zdekoduj i wyślij (ang. Decode and Forward) elastyczny ruch sieciowy (ang. Elastic Traffic) wielokrotne wykorzystanie widma z częściowym podziałem (ang, Fractional Frequency Reuse) gwarantowana przepływność transmisji (ang. Guaranteed Bit-Rate) hybrydowe automatyczne rządanie powtórzeń (ang. Hybrid Automatic Repeat request) wielokrotne wykorzystanie widma z twardym podziałem ( ang. Hard Frequency Reuse) koordynacja interferencji międzykomórkowych (ang. Inter-Cell Interference Coordination) stosunek mocy interferencji do mocy sygnału (ang. Interference to Signal Ratio) Long 1Term Evolution-Advanced algorytm losowy (ang. Mobile Hashing) minimum interferencji (ang. Minimum Interference) minimum obciążenia (ang. Minimum Load) kryterium sprawiedliwe (ang. Max-Min Fair) podstawowe pasmo składowe (ang. Primary Component Carrier) budżet czasu dostarczenia pakietu (ang. Packet Delay Budget) kryterium proporcjonalnie sprawiedliwe (ang. Proportional Fair)

4 2 POF QoS REN RLN RN RR RRM SCC SFR SINR SNR SON TTL WiMAX koszt sprawiedliwości (ang. Price of Fairness) jakość usługi (ang. Quality of Service) sieć uzupełniona o stacje przekaźnikowe (ang. Relay-Enhanced Network) sieć pozbawiona stacji przekaźnikowych (ang. Relay-Less Network) stacja przekaźnikowa (ang. Relay Node) algorytm karuzelowy (ang. Round Robin) zarządzanie zasobami radiowymi (ang. Radio Resource Management) dodatkowe pasmo składowe (ang. Secondary Component Carrier) wielokrotne wykorzystanie widma z miękkim podziałem (ang. Soft Frequency Reuse) stosunek mocy sygnału do mocy szumu i interferencji (ang. Signal to Interference and Noise Ratio) stosunek mocy sygnału do mocy szumu (ang. Signal to Noise Ratio) sieć samo-organizująca/optymalizująca się (ang. Self- Organizing/Optimizing Network) pozostały czas życia (ang. Time To Live) Worldwide Interoperability for Microwave Access

5 3 Spis treści Spis akronimów... 1 Spis treści... 3 Rozdział 1 Wstęp Wprowadzenie do tematu pracy Cel i założenia pracy... 6 Rozdział 2 Przegląd stanu wiedzy Radiowe stacje przekaźnikowe Klasyfikacja Stacje przekaźnikowe w systemie LTE-A Ewolucja koncepcji koordynacji zarządzania Rozdział 3 Zarządzanie zasobami w sieciach 4G Klasyczne modele zarządzania zasobami Zarządzanie z uwzględnieniem kryteriów QoS Zarządzanie sieciami wzbogaconymi o stacje przekaźnikowe Podstawowy zarządzania stacjami przekaźnikowymi Adaptacja teorii użyteczności do optymalizacji sieci z przekaźnikami Podsumowanie Rozdział 4 Stacje przekaźnikowe w systemach jedno- i wielopasmowych Jednopasmowe systemy z przekaźnikami Czasowy podział zasobów Ograniczenia systemowe w zakresie przydziału zasobów Wielopasmowe systemy z przekaźnikami Częstotliwościowy podział zasobów Interferencje międzypasmowe Opóźnienia na łączach wieloskokowych Podsumowanie Rozdział 5 Koordynacja zarządzania w systemach wielopasmowych Równoważenie obciążenia pasm Proaktywne metody równoważenia obciążenia Adaptacyjne metody równoważenia obciążenia... 34

6 4 5.2 Koordynacja interferencji międzyprzekaźnikowych Definicja problemu Propozycja algorytmu koordynacji Ocena zaproponowanego algorytmu Podsumowanie Rozdział 6 Podsumowanie Dodatek A Opis symulacji komputerowych Spis literatury... 43

7 5 Rozdział 1 Wstęp 1.1 Wprowadzenie do tematu pracy W systemach radiokomunikacyjnych czwartej generacji (ang. 4th generation, 4G) zaproponowano szereg innowacyjnych rozwiązań, w celu zapewnienia znaczącego wzrostu parametrów sieci komórkowych. Każde z zaproponowanych rozwiązań jest samodzielną funkcjonalnością, jednakże ich współistnienie w jednej sieci nie było dotychczas szczegółowo badane. W rezultacie możliwe interakcje pomiędzy nimi nie są w pełni znane. W niniejszej rozprawie podjęto ten temat i zaprezentowano wyniki badań nad współistnieniem dwóch kluczowych koncepcji sieci 4G: transmisji wieloskokowych oraz wielopasmowej organizacji widma z agregacją pasm. W niniejszej pracy przeprowadzono analizę zależności istniejących pomiędzy stacjami przekaźnikowymi (ang. relay nodes, RNs), a ich stacjami nad- i podrzędnymi w zakresie zarządzania zasobami radiowymi (ang. radio resource management, RRM). Na tej podstawie zdefiniowano zbiór zasad RRM dla sieci komórkowych uzupełnionych o radiowe stacje przekaźnikowe (ang. relay-enhanced networks, RENs). Następnie koncepcję zarządzania zasobami sieci REN poszerzono o mechanizmy związane z zapewnieniem parametrów jakościowych transmisji (ang. quality of service, QoS). W tym celu posłużono się elementami teorii użyteczności. Funkcjonowanie zaproponowanych mechanizmów zarządzania oceniono pod względem efektywności wykorzystania zasobów radiowych oraz jednorodności parametrów jakościowych transmisji dostępnych dla użytkowników obsługiwanych przez stacje różnego typu. W odniesieniu do koncepcji wielopasmowej organizacji widma i agregacji pasm przeanalizowano i porównano funkcjonowanie stacji przekaźnikowych w systemach jedno- i wielopasmowych. W szczególności wzięto pod uwagę możliwość agregacji pasm dla stacji przekaźnikowych w celu eliminacji wąskich gardeł transmisji wieloskokowych. Przeprowadzona analiza ukazała wiele korzyści wynikających z realizacji transmisji wieloskokowych w systemach wielopasmowych w stosunku do tradycyjnych konfiguracji jednopasmowych. W dalszej kolejności w rozprawie pokazano, że wielopasmowa organizacja widma transmisyjnego w sieciach heterogenicznych umożliwia poprawę parametrów sieci w stopniu wyższym niż wynikający wprost z poszerzenia widma transmisyjnego. Dodatkowe korzyści powstają dzięki zastosowaniu metod koordynacji wykorzystania pasm. W rozprawie zaproponowano metody tego typu odnoszące się do równoważenia obciążenia ruchem sieciowym oraz koordynacji interferencji dla sieci REN. W rezultacie prac opisanych w rozprawie zaproponowano kompletny schemat RRM dla sieci REN, w szczególności dla sieci REN o wielopasmowej organizacji widma. Zaproponowane rozwiązania zostały przygotowane i przetestowane

8 6 w odniesieniu do systemu LTE-A, jednakże koncepcje leżące u ich podstawy są uniwersalne. Umożliwia to ich implementację także w innych systemach 4G. 1.2 Cel i założenia pracy Celem pracy jest przeprowadzenie badań w zakresie zarządzania zasobami radiowymi w systemach komórkowych wykorzystujących radiowe stacje przekaźnikowe. W szczególności prowadzone badania koncentrują się na: zastosowaniu radiowych stacji przekaźnikowych w sieciach wielopasmowych, optymalizacji przydziału zasobów radiowych pod względem zaspokajania kryteriów jakościowych QoS transmisji, dynamicznych i adaptacyjnych metodach zarządzania zasobami dla sieci o strukturze hierarchicznej zbudowanej w oparciu o stacje przekaźnikowe. W odniesieniu do wymienionych kierunków badań zdefiniowano następujące tezy rozprawy doktorskiej: 1. Sieci komórkowe wykorzystujące radiowe stacje przekaźnikowe są w stanie funkcjonować bardziej efektywnie w przypadku wielopasmowej konfiguracji zasobów częstotliwościowych, niż w przypadku konfiguracji jednopasmowej o tej samej całkowitej szerokości pasma. Zyski, m.in. w formie przyrostu pojemności sieci, wyższego ogólnego stopnia zaspokojenia wymagań QoS oraz jego wyższej równomierności, są możliwe do osiągnięcia w przypadku zastosowania algorytmów koordynacji przydziału zasobów w dziedzinie częstotliwości. 2. W przypadku nowoczesnych sieci komórkowych zbudowanych z zastosowaniem stacji dostępowych różnych typów (sieci heterogeniczne), tradycyjne statyczne metody zarządzania nie są w stanie zapewnić wystarczającego poziomu koordynacji przydziału zasobów. Dynamiczne algorytmy adaptacyjne bazujące na ciągłym monitorowaniu parametrów sieci oraz rozproszeniu kompetencji decyzyjnych bezpośrednio między stacje dostępowe są w stanie zapewnić lepsze parametry funkcjonowania sieci niż jest to możliwe przy stosowaniu statycznych metod zarządzania.

9 7 Rozdział 2 Przegląd stanu wiedzy Koncepcje rozważane w niniejszej rozprawie zgodne są z planami rozwojowymi systemów 4G. W szczególności, koncepcje wykorzystania stacji przekaźnikowych oraz wielopasmowa organizacja widma z agregacją pasm zdefiniowane zostały w standardach systemów LTE-A i WiMAX IEEE m. Jednocześnie powszechnie znane są ograniczenia zastosowania stacji przekaźnikowych, wynikające przede wszystkim z braku w pełni funkcjonalnych koncepcji zarządzania zasobami dla transmisji wieloskokowych. Niniejsza rozprawa przedstawia rozwiązania tego problemu. Podstawowym punktem odniesienia dla analiz przedstawionych w niniejszej rozprawie jest system LTE w wersji standardu 3GPP Release-10. W tej wersji standardu system LTE po raz pierwszy zapewnia realizację funkcjonalności 4G i określany jest mianem LTE-Advanced (LTE-A). Proponowane rozwiązania opracowane są natomiast w sposób ogólny, co, w zamierzeniu autora, powinno umożliwić ich łatwe dostosowanie do innych systemów 4G (np. WiMAX). 2.1 Radiowe stacje przekaźnikowe Klasyfikacja Na podstawie wpływu stacji przekaźnikowej na sieć komórkową stacje przekaźnikowe można charakteryzować, jako: stacje przekaźnikowe nietransparentne (Typ-1): nadające własne sygnały sterujące i obsługujące własne komórki sieci, stacje przekaźnikowe transparentne (Typ-2): nie nadające własnych sygnałów sterujących i nie tworzące własnych komórek sieci, a jedynie wspomagające funkcjonowanie komórki stacji bazowej. Zgodnie z powyższą klasyfikacją jedynie nietransparentne stacje przekaźnikowe zdolne są do realizacji indywidualnych procedur zarządzania zasobami. Z tego powodu niniejsza rozprawa koncentruje się na tym typie stacji przekaźnikowych. Kolejna płaszczyzna klasyfikacji stacji przekaźnikowych opiera się na realizowanej funkcji przetwarzania sygnałów. Istniejące koncepcje stacji przekaźnikowych charakteryzowane są jako trzy podstawowe modele realizujące: wzmacnianie analogowe sygnałów (ang. amplify-and-forward, AF), pełne dekodowanie informacji (ang. decode-and-forward, DF), częściowe dekodowanie informacji (ang. compress-and-forward, CF).

10 8 Przekaźniki funkcjonujące zgodnie z modelem AF nie są zdolne do odseparowania sygnałów użytecznych od interferencji i szumu termicznego. W związku z tym, są szczególnie wrażliwe na zakłócenia występujące na łączu dosyłowym (ang. feeder lub backhaul link, BH). Dotyczy to również interferencji własnych, tj. sprzęgania się sygnałów pomiędzy łączem dostępowym (ang. sink lub access link, AC), a łączem dosyłowym stacji przekaźnikowej. W rozprawie oszacowano zyski SINR (ang. signal to interferencje and noise ratio) kanału radiowego, dostępne przy zastosowaniu przekaźników AF ( ), w stosunku do SNR (ang. signal to noise ratio) transmisji bezpośredniej ( ), przy różnych poziomach SNR łączy składowych ( i odpowiednio dla łącza dosyłowego i dostępowego) (patrz rysunek 2-1). Rysunek 2-1 Zysk SINR sygnału przy transmisji AF w funkcji SNR łączy składowych przekaźnika Model funkcjonowania przekaźników typu DF zakłada pełne dekodowanie sygnałów odbieranych przez stację przekaźnikową na łączu dosyłowym. Daje to szereg możliwości poprawy parametrów transmisyjnych, m.in.: odseparowanie od interferencji, korekcję błędów, czy indywidualną adaptację kodowania kanałowego dla łączy składowych. W dalszej kolejności możliwa jest ochrona przed interferencjami własnymi poprzez podział zasobów na zasoby łącza dosyłowego i zasoby łącza dostępowego (tzw. podział zasobów stacji przekaźnikowej, ang. resource partitioning). Analiza przeprowadzona w rozprawie pokazała, że w przypadku wysokiego poziomu interferencji własnych, a takie warunki zakłada się najczęściej, podział zasobów jest niezbędny dla efektywnego funkcjonowania przekaźników DF (patrz rysunek 2-2).

11 9 Rysunek 2-2 Wpływ interferencji własnych przekaźnika DF na wypadkową przepustowość kanału Model CF obejmuje szereg koncepcji opartych na kooperacji stacji przekaźnikowych ze stacją bazową. Kooperacja wynika z zastosowania przez stację przekaźnikową i/lub stację bazową odpowiedniego schematu kodowania, np. kodowania sieciowego, rozproszonego turbo-kodowania, czy kodowania przestrzenno-czasowego. Ze względu na dużą różnorodność dostępnych konfiguracji stacji przekaźnikowych, w niniejszej rozprawie zdecydowano się skoncentrować na jednym modelu. Analiza przeprowadzona w rozprawie oraz wszystkie proponowane rozwiązania odnoszą się do sieci komórkowych wykorzystujących nietransparentne stacje przekaźnikowe typu DF, dalej zwanymi sieciami REN Stacje przekaźnikowe w systemie LTE-A W standardzie systemu LTE-A zdefiniowano przekaźniki typu DF, jako połączenie funkcjonalności stacji bazowej z funkcjonalnością terminala. Przez stację bazową przekaźnik widziany jest jako terminal, a przez terminal widziany jest jako stacja bazowa. Zgodnie z tym ogólnym modelem, przekaźnik realizuje funkcje stacji bazowej (np. zarządzanie pakietami, alokację zasobów, kodowanie kanałowe), a także funkcje terminala (np. zbieranie i raportowanie wyników pomiarów). Z tego wynika, że procedury zarządzania zasobami stosowane tradycyjnie w sieciach bez przekaźników można odnieść osobno do łącza dosyłowego i dostępowego stacji przekaźnikowej traktując przekaźnik odpowiednio jako terminal lub stację bazową. Brak jest jednak dedykowanych rozwiązań w zakresie zarządzania zasobami, które uwzględniałyby fakt realizacji transmisji w sposób wieloskokowy i brały pod uwagę zależności istniejące pomiędzy poszczególnymi łączami składowymi. Brak tego typu rozwiązań jest w tej chwili głównym czynnikiem ograniczającym możliwości praktycznego zastosowania stacji przekaźnikowych. Rozwiązania proponowane w rozprawie odnoszą się do ww.

12 10 ograniczeń istniejącego standardu. Stwarza to możliwość bezpośredniego wpływu na rozwijający się system. 2.2 Ewolucja koncepcji koordynacji zarządzania Podstawą koncepcji koordynacji zarządzania zasobami na poziomie systemu są schematy wykorzystania zasobów oparte na planowaniu sieci. W tym temacie dominują trzy podstawowe schematy wykorzystania zasobów: wielokrotne wykorzystanie widma z twardym podziałem (ang. hard frequency reuse, HFR), wielokrotne wykorzystanie widma z częściowym podziałem (ang. fractional frequency reuse, FFR), wielokrotne wykorzystanie widma z miękkim podziałem (ang. soft frequency reuse, SFR). Wymienione schematy koordynacji wykorzystania zasobów są w szczególności przystosowane do implementacji w regularnych sieciach homogenicznych, tzn. sieciach zbudowanych z wykorzystaniem stacji dostępowych jednego typu, z komórkami o równomiernych kształtach i rozmiarach. Dla sieci nieregularnych istnieją koncepcje adaptacji podstawowych schematów wykorzystania zasobów stosujących komunikację pomiędzy stacjami bazowymi. Jednakże, w obliczu pojawiania się sieci heterogenicznych, tzn. sieci wykorzystujących stacje dostępowe różnego typu (np. femto, piko, przekaźniki [13, 17, 18]), rozwiązania te są często niewystarczające. W odpowiedzi na pojawianie się sieci heterogenicznych konieczny stał się rozwój adaptacyjnych, autonomicznych algorytmów koordynacji. W szczególności rozwijane są koncepcje sieci samo-organizujących/optymalizujących się (ang. selforganizing/optimizing networks, SON) oraz radia kognitywnego (ang. cognitive radio). Koncepcje te oparte są na mechanizmach ciągłego monitorowania stanu sieci oraz adaptacji konfiguracji w odniesieniu do chwilowych oraz długoterminowych fluktuacji stanu sieci. Koncepcie proponowane w niniejszej rozprawie wpisują się w ten trend koordynacji zarządzania zasobami.

13 Rozdział 3 Zarządzanie zasobami w sieciach 4G Problem zarządzania zasobami radiowymi zdefiniować można w następująco: W jaki sposób dokonać przydziału zasobów dla poszczególnych transmisji, aby osiągnąć maksymalizację określonych parametrów systemu? Dostępność zasobów radiowych jest z definicji ograniczona, dlatego też niezbędne jest określenie odpowiednich kryteriów zarządzania nimi. Owe kryteria ustalają priorytet potrzeb poszczególnych transmisji i umożliwiają kształtowanie stopnia zadowolenia użytkowników sieci. W dalszej części tego rozdziału rozprawy podjęto dyskusję nad dwoma zagadnieniami odnoszącymi się do zarządzania zasobami radiowymi: (1) W jaki sposób zdefiniować parametry jakościowe systemu w obecności usług komunikacyjnych o zróżnicowanych parametrach jakościowych? (2) W jaki sposób dokonać przydziału zasobów, aby maksymalizować przyjęte parametry jakościowe systemu? Rozważania przeprowadzono w pierwszej kolejności dla systemów niewykorzystujących stacji przekaźnikowych (ang. relay-less network, RLN), a w dalszej kolejności dla systemów wzbogaconych o stacje przekaźnikowe (systemów REN). 3.1 Klasyczne modele zarządzania zasobami Klasyczne modele zarządzania zasobami dążą do osiągnięcia zadanego rozkładu przepływności transmisji użytkowników sieci. Takie podejście do problemu zarządzania zasobami sprawdza się w odniesieniu do elastycznego ruchu sieciowego. Natomiast jest ono niewystarczające w obecności usług sieciowych o określonych wymaganiach QoS. Rozważana jest sieć złożona ze stacji bazowej i grupy użytkowników { }. Rozważana sieć operuje na zestawie zasobów { }. Zgodnie z przyjętym modelem przydziału zasobów, każdy użytkownik otrzymuje dostęp do zasobu w wymiarze, co wiąże się z osiągnięciem pewnej przepływności transmisji efektywności widmowej jego łącza radiowego (patrz rysunek 3-1)., odpowiednio do Rysunek 3-1 Przydział zasobów w sieci bez przekaźników

14 12 W odniesieniu do określonej powyżej terminologii, powszechnie stosowane modele klasyczne zarządzania zasobami można zdefiniować, jako: podejście utylitarne (ang. best effort, BE) ( ( )) (3.1) podejście sprawiedliwe (ang. max-min fair, MMF) ( ( ( ) )) (3.2) podejście proporcjonalnie sprawiedliwe (ang. proportional fair, PF) ( ( ) ( ) ( ) ) (3.3) gdzie określa stopień sprawiedliwości przydziału zasobów, { } stanowi zbiór wszystkich możliwych schematów przydziału zasobów, a, i określają przydział zasobów zgodnie z modelami odpowiednio BE, MMF i PF. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi modele zarządzania stosowanymi w niniejszej rozprawie są: sumaryczna przepustowość sieci, np. określana w sposób znormalizowany w stosunku do najwyższej przepustowości możliwej do osiągnięcia tzw. koszt sprawiedliwości (ang. price of fairness, POF) [7]: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.4) współczynnik sprawiedliwości przydziału zasobów, np. współczynnik Jaina, zdefiniowany jako [16]: ( ) ( ) ( ) (3.5) 3.2 Zarządzanie z uwzględnieniem kryteriów QoS Wygodnym narzędziem pozwalającym na zarządzanie zasobami w odniesieniu do zróżnicowanych preferencji jest teoria użyteczności. W myśl tej teorii, stopień

15 13 zadowolenia użytkownika w odniesieniu do osiąganych parametrów oferowanych usług można wyrazić w postaci indywidualnie definiowanych funkcji preferencji. W dalszej kolejności przydział zasobów realizowany jest zgodnie z klasycznymi modelami zarządzania, jednakże odniesionymi do funkcji użyteczności, a nie przepływności transmisji. A zatem sprowadza się to do rozwiązania następującego problemu: ( ( ( )) ) (3.6) gdzie ( ) jest funkcją użyteczności systemu, ( ) jest funkcją użyteczności użytkownika, a stanowi optymalny schemat przydziału zasobów zgodnie z zadanym modelem zarządzania. Rozwiązując powyższy problem metodą współczynników Lagrange a, otrzymuje się dodatkowe informacje opisujące optymalny schemat przydziału zasobów. Ostatecznie przydziału zasobów dokonuje się zgodnie z priorytetem dostępu użytkownika do zasobu. Priorytet ten zdefiniowany jest równaniem: ( ( )) (3.7) Jak wynika z powyższego równania, preferowany schemat przydziału zasobów zależy bezpośrednio od postaci funkcji użyteczności systemu i użytkowników. Funkcje użyteczności systemu definiuje się, odpowiednio dla modeli BE i PF, jako: ( ) (3.8) ( ) { ( ( ) ) ( ) (3.9) W dalszej kolejności przedstawiono propozycje funkcji użyteczności dla podstawowych typów usług komunikacyjnych: elastyczny ruch sieciowy (ang. elastic traffic, ET) użyteczność transmisji odpowiada jej średniej przepływności zgodnie ze wzorem: ( ) ( ) (3.10)

16 14 ruch sieciowy z gwarantowaną? przepływnością transmisji (ang. guaranteed bitrate, GBR) stopień zadowolenia użytkownika jest bliski zeru dla przepływności niższych niż przepływność preferowana, a osiąga maksymalny poziom dla przepływności wyższych. Takie zachowanie modeluje np. funkcja: ( ) ( ( ) ) (3.11) gdzie jest parametrem związanym z preferowaną przepływnością transmisji, określa stromość funkcji w okolicach, a jest priorytetem usługi. Wartości parametrów, and przyjęto arbitralnie. Porównanie przebiegów funkcji użyteczności dla elastycznego ruchu sieciowego i ruchu sieciowego z gwarantowaną przepływnością transmisji przedstawia rysunek 3-2. Rysunek 3-2 Porównanie przebiegów funkcji użyteczności ET i GBR Kryteria QoS mogą również determinować wymagania odnośnie maksymalnych czasów transmisji pojedynczych pakietów danych. Dla usług komunikacyjnych z takimi wymaganiami zdefiniowano funkcję użyteczności PDB (ang. packet delay budget) mającą postać odwróconej funkcji logistycznej, tzn. funkcję postaci: ( ) ( ) ( ) (3.12) {

17 15 gdzie określa oczekiwany czas transmisji pakietu, stanowi maksymalny czas transmisji zdefiniowany dla danej klasy QoS, jest parametrem kształtu funkcji użyteczności. określa rozmiar pakietu danych, a Funkcja użyteczności PDB zdefiniowana równaniem (3.12) zwiększa priorytet pakietów o krótkim czasie życia (ang. time to live, TTL), aby maksymalizować prawdopodobieństwo ich dostarczenia w wymaganym czasie (patrz rysunek 3-3). Rysunek 3-3 Marginalny koszt użyteczności funkcji użyteczności PDB Dla usług komunikacyjnych określanych przez przepływność danych i czas transmisji pakietów zaproponowano złożoną funkcję użyteczności postaci: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.13) gdzie ( ) jest funkcją ( ) lub ( ) w zależności od typu usługi. Dla funkcji użyteczności postaci opisanej równaniem (3.11) określono ogólną postać priorytetu przydziału zasobów: ( ( ( )) ( ( )) ( ) ) (3.14)

18 Zarządzanie sieciami wzbogaconymi o stacje przekaźnikowe Podstawowy zarządzania stacjami przekaźnikowymi Wprowadzenie stacji przekaźnikowych do tradycyjnych sieci komórkowych stwarza nowe problemy zarządzania zasobami. W niniejszym rozdziale przedstawiono analizę zależności występujących w sieciach z przekaźnikami (sieci REN) pomiędzy procedurami zarządzania zasobami stacji przekaźnikowych oraz stacji bazowych. W przeprowadzonej analizie rozważano przede wszystkim dwuskokową sieć REN przedstawioną na rysunku 3-4. W dalszej kolejności uwzględniono również możliwość tworzenia topologii wieloskokowej o strukturze drzewa. BS Rysunek 3-4 Model dwuskokowej sieci REN Dla dwuskokowej sieci REN określono następujące zależności zarządzania zasobami [14]: podział zasobów stacji przekaźnikowej statyczny podział zasobów systemu na zasoby zarezerwowane dla łącza dosyłowego ( ) i na zasoby łącza dostępowego ( ). dynamiczny przydział zasobów łącza dostępowego stacji przekaźnikowej dla podległych terminali. dynamiczny przydział zasobów stacji bazowej dla podległych terminali i przekaźników, równoważenie przepływności na łączach dosyłowym i dostępowym stacji przekaźnikowej.

19 17 Z powyższych zależności wynikają następujące równania opisujące efektywne wykorzystanie zasobów w sieci REN: optymalny podział zasobów stacji przekaźnikowej: { ( ) ( ) ( ) (3.15) gdzie ( ) jest oczekiwaną wartością zysku efektywności widmowej przekaźnika, tzn. stosunku średniej efektywności widmowej jego łącza dostępowego do średniej efektywności widmowej jego łącza dosyłowego. efektywne wykorzystanie zasobów na łączu dosyłowym stacji przekaźnikowej: ( ( ) ( ) ) (3.16) gdzie określa ilościowo względny przydział zasobów stacji bazowej dla łącza dosyłowego przekaźnika, jest parametrem efektywności wykorzystania zasobów radiowych na łączu dosyłowym, uzależniony jest od przydziału zasobów na stacji bazowej, jeżeli wąskim gardłem transmisji przez przekaźnik jest łącze dosyłowe, a uzależniony od optymalnej proporcji podziału zasobów stacji przekaźnikowej jeżeli wąskim gardłem jest łącze dostępowe. wypadkowa (liczona od stacji bazowej do terminala użytkownika) efektywność widmowa transmisji użytkownika podłączonego do stacji przekaźnikowej: (3.17) gdzie jest średnią efektywnościa widmową łącza dostępowego użytkownika do stacji przekaźnikowej. wypadkowa efektywność widmowa zasobu radiowego przydzielonego do transmisji przez stację przekaźnikową: (3.18) gdzie jest efektywnościa widmową łącza dosyłowego przekaźnika na zasobie radiowym.

20 18 multipleksacja strumieni danych różnych terminali na łączu dosyłowym stacji przekaźnikowej: przy (3.19) gdzie jest średnią efektywnością widmową łącza dosyłowego przekaźnika. W szczególności, równanie (3.19) wiąże przydział zasobów dla transmisji konkretnego użytkownika dokonywany przez funkcjonalność RRM stacji bazowej z przydziałem dokonywanym przez stację przekaźnikową. Jest kwestią odgórnej decyzji, który z procesów ma wyższy priorytet i efektywnie decyduje o przydziale zasobów. Rozpatrując problem ogólnie, każdą topologię -skokową przedstawić można jako skończoną kombinację topologii ( )-skokowych. Stosując podejście rekursywne problem zarządzania zasobami w sieci wieloskokowej można rozłożyć na serię problemów o topologii jednoskokowych, a zatem analogicznych do klasycznych sieci RLN (model rozproszony zarządzania). Alternatywnie, oszacować można wypadkowe efektywności widmowe łączy do wszystkich terminali końcowych i przeprowadzić proces decyzyjny zgodnie z modelem zarządzania scentralizowanego. W przypadku scentralizowanego zarządzania zasobami, jednostka decyzyjna powinna rozpatrywać wypadkową efektywność widmową zasobów przypisanych do stacji przekaźnikowych z uwzględnieniem wąskich gardeł, a nie efektywność widmową pojedynczego łącza składowego. W przypadku transmisji -skokowej z więcej niż jedną pośredniczącą stacją przekaźnikową, równania (3.17) i (3.18) przybierają postać [8]: (3.20) (3.21) gdzie indeks określa stacje przekaźnikowe odpowiedzialne za kolejne łącza składowe Adaptacja teorii użyteczności do optymalizacji sieci z przekaźnikami W przypadku zarządzania scentralizowanego stacja bazowa zbiera informacje o stanie systemu i podejmuje decyzje o przydziale zasobów dla poszczególnych stacji

21 19 przekaźnikowych i terminali użytkowników. W odniesieniu do teorii użyteczności model ten opisuje następujące równanie: ( ( ) ( { })) (3.22) gdzie jest wypadkową użytecznością transmisji użytkownika podłączonego do stacji przekaźnikowej, a określa przydział zasobów do -tego łącza składowego transmisji -skokowej tego użytkownika. Alternatywnie, możliwe jest również zarządzanie rozproszone. W modelu tym każdy przekaźnik decyduje samodzielnie o przydziale zasobów na własnym łączu dostępowym dla podległych terminali i przekaźników. W odniesieniu do teorii użyteczności model ten opisany jest następującym równaniem: ( ( ) ( )) (3.23) gdzie określa stację obsługującą (stację bazową lub przekaźnikową) dokonującą przydziału zasobów, określa funkcję użyteczności podległego jej przekaźnika (podobnie określa użyteczność terminala ), jest zbiorem możliwych schematów przydziału zasobów stacji obsługującej, a jest zbiorem stacji przekaźnikowych podległych stacji obsługującej. W powyższym równaniu użyteczność stacji przekaźnikowej traktowana jest jako suma użyteczności terminali i przekaźników jej podległych zgodnie z równaniem: ( ) ( ) ( ) (3.24) W obu wariantach zarządzania należy wziąć pod uwagę następujące kryteria: podstawowe warunki przydziału zasobów, np. maksymalna dostępność zasobów czy zależność przepływności transmisji od ilości przypisanych zasobów, zależności określające wypadkowe przepływności i czasy transmisji dla połączenia wieloskokowego [9, 10]: ( { }) (3.25)

22 20 oraz odpowiadające im wypadkowe funkcje użyteczności: ( ) ( ( ) { }) ( ) ( ) (3.26) gdzie jest przepływnością transmisji użytkownika na -tym łączu składowym, a jest całkowitym czasem dostarczenia pakietów. kryterium podziału zasobów stacji przekaźnikowej (równanie (3.15)), dostępność danych w buforach stacji nadających oraz miejsca w buforach stacji odbierających transmisje na poszczególnych łączach składowych. Biorąc pod uwagę powyższe kryteria, priorytet dostępu do zasobu użytkownika podłączonego do stacji przekaźnikowej zdefiniować można jako: dla (3.27) gdzie: { ( ) (3.28) { ( ( )) ( { }) (3.29) 3.4 Podsumowanie W niniejszym rozdziale rozprawy omówiono zagadnienia zarządzania sieciami komórkowymi. W pierwszej kolejności zaprezentowano klasyczne metody zarządzania oraz zdefiniowano podstawowe kryteria oceny parametrów sieci. Następnie omówiono zarządzanie zasobami z uwzględnieniem kryteriów QoS transmisji. W tej części dyskusji posłużono się teorią użyteczności. Wkładem autora było przede wszystkim zaproponowanie funkcji użyteczności dla podstawowych typów usług komunikacyjnych. W dalszej kolejności skoncentrowano uwagę na zarządzaniu sieciami REN. Przeanalizowano zależności występujące w zakresie zarządzania zasobami pomiędzy stacjami przekaźnikowymi, a ich stacjami nad- i podrzędnymi. Sformułowane wnioski zebrane zostały w formie serii równań opisujących efektywne wykorzystanie zasobów oraz sprawiedliwy przydział zasobów dla terminali użytkowników.

23 W ostatniej części rozdziału dokonano rozszerzenia koncepcji zarządzania zasobami w oparciu o teorię użyteczności na sieci REN. W tym celu wykorzystano wnioski wyciągnięte z analizy zależności występujących w sieciach REN. 21

24 22 Rozdział 4 Stacje przekaźnikowe w systemach jedno- i wielopasmowych 4.1 Jednopasmowe systemy z przekaźnikami Czasowy podział zasobów Podstawowym schematem działania stacji przekaźnikowych w systemie LTE-A jest czasowy podział zasobów, tzw. konfiguracja in-band [15]. W tej konfiguracji łącza dosyłowe i dostępowe przekaźnika są multipleksowane w czasie w ramach jednego pasma. Z czasowej multipleksacji łączy przekaźnika wynikają następujące ograniczenia: W momencie przełączenia przekaźnika z odbierania na nadawanie należy wprowadzić ochronną przerwę w transmisji kompensującą błędy synchronizacji przekaźnika do stacji bazowej oraz czas propagacji sygnałów radiowych pomiędzy nimi. Oszacowano, że w systemie LTE-A przerwy te obniżają pojemność łącza dosyłowego stacji przekaźnikowej o ok. 7-8% [15]. W systemie LTE-A stacja przekaźnikowa wykorzystuje kanały sterujące do komunikacji z terminalami na łączu dostępowym. W celu wymiany informacji sterujących pomiędzy stacją bazową, a przekaźnikami wykorzystywane są kanały transmisji danych. Szacunkowo obniża to efektywną przepływność transmisji danych na łączu dosyłowym przekaźnika maksymalnie o 4% [15]. Ze względu na kompatybilność z podstawowymi procesami systemu (np. HARQ, ang. hybrid automatic repeat request), nie ma pełnej elastyczności w przydziale podramek czasowych dla łącza dosyłowego przekaźnika. W szczególności, w systemie LTE-A istnieje ograniczenie na maksymalną liczbę podramek przeznaczonych do obsługi łączy dosyłowych stacji przekaźnikowych. Oba łącza składowe stacji przekaźnikowej typu in-band nigdy nie są aktywne jednocześnie. Nie ma zatem możliwości ciągłej transmisji przez przekaźnik tego typu. Konfigurację tą nazywa się również konfiguracją półdupleksową Ograniczenia systemowe w zakresie przydziału zasobów W standardzie systemu LTE-A zdefiniowano dla przekaźników typu in-band 255 schematów konfiguracji multipleksacji łączy, przy czym sumaryczny przydział czasu dla łączy dosyłowych wszystkich przekaźników wynosi maksymalnie. Ograniczenie to może powodować niemożność zapewnienia optymalnej konfiguracji dla stacji przekaźnikowych. Problem ten ujawnia się w szczególność w dwóch przypadkach: gdy duża część ruchu sieciowego przesyłana jest przez stacje przekaźnikowe, w przypadku transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band.

25 23 Efektywność podziału zasobów stacji bazowej Dla analizy pierwszego scenariusza w rozprawie rozważono przypadek stacji bazowej obsługującej grupę przekaźników. Stacja bazowa przydziela przekaźnikom (łącza dosyłowe) sumarycznie część zasobów systemu. Zasoby te są następnie odwzorowywane w transmisje poszczególnych terminali obsługiwanych przez stacje przekaźnikowe. Dla takiego scenariusza przeanalizowano wartość współczynnika Jaina sprawiedliwości przydziału zasobów dla użytkowników podłączonych do stacji przekaźnikowych, względem przydziału zasobów dla użytkowników podłączonych do stacji bazowej. Na podstawie przeprowadzonej analizy oszacowano prawdopodobieństwo niemożności zapewnienia optymalnego przydziału zasobów wynikającej z ograniczeń systemowych: ( ) ( ( ) ( ( )) ( ( )) ) (4.1) gdzie ( ) jest prawdopodobieństwem podłączenia się terminala do stacji bazowej, a jest liczbą wszystkich aktywnych terminali. Oszacowano również maksymalną możliwą do osiągnięcia wartość współczynnika Jaina sprawiedliwości przydziału zasobów (patrz rysunek 4-1). Wartości oszacowane teoretycznie potwierdzono również przeprowadzając symulacje komputerowe systemu LTE-A. Zebrane wyniki pokazały, że w typowych scenariuszach ewaluacyjnych 3GPP omawiana nieefektywność przydziału zasobów w sieciach z przekaźnikami typu in-band jest zauważalna przy zastosowaniu ponad sześciu stacji przekaźnikowych na sektor stacji bazowej. Natomiast przy zastosowaniu ponad dziewięciu stacji przekaźnikowych na sektor stacji bazowej prawdopodobieństwo wystąpienia tego problemu jest bliskie 100%. Rysunek 4-1 Współczynnik Jaina przydziału zasobów w sieci z przekaźnikami typu in-band

26 24 Efektywność transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band Jako, że wszystkie stacje przekaźnikowe korzystają ze wspólnej puli zasobów łącza dosyłowego, w przypadku transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band nadrzędne stacje przekaźnikowe zmuszone są ograniczyć wykorzystanie zasobów łącza dosyłowego celem umożliwienia operacji łącza dosyłowego stacji podrzędnych. W celu oceny tego problemu rozważono przypadek stacji przekaźnikowej typu in-band obsługującej grupę terminali oraz podrzędną dla niej stację przekaźnikową, obsługującą grupę terminali. Układ ten charakteryzuje się optymalnym, w odniesieniu do przyjętego modelu zarządzania zasobami, podziałem przepływności transmisji stacji przekaźnikowej nadrzędnej pomiędzy przepływność transmisji jej użytkowników, a przepływność stacji podrzędnej. W funkcji współczynnika podziału przepływności, współczynnik Jaina przydziału zasobów dla użytkowników obu stacji przekaźnikowych zbieżny jest do wartości określonej następującym wzorem: ( ) ( ( ) ) ( ) (4.2) W przypadku zastosowania modelu zarządzania proportional fair i braku ograniczeń w przydziale zasobów prawdą jest, że: ( ) (4.3) Natomiast, gdy występują ograniczenia w przydziale zasobów ( podział przepływności wynosi: ), możliwy { ( ( ) ) ( ) ( ) (4.4) gdzie jest stosunkiem średniej efektywności widmowej łącza dosyłowego przekaźnika podrzędnego względem średniej efektywności widmowej łącza dosyłowego stacji przekaźnikowej nadrzędnej. Sterując przydziałem czasu dla łącza dosyłowego przekaźnika nadrzędnego ( ) można optymalizować poziom sprawiedliwości przydziału zasobów zgodnie z równaniem (4.2). Jednakże zwiększenie sprawiedliwości oznacza jednocześnie zmniejszenie sumarycznej przepływności transmisji zgodnie z równaniem: ( ) ( ) (4.5)

27 25 Na podstawie powyższych równań, w rozprawie dokonano analizy zależności indeksu Jaina względem POF dla transmisji wieloskokowej typu in-band (patrz rysunek 4-2). Zależność tę potwierdzono również za pomocą symulacji systemu LTE-A. Rysunek 4-2 Zależność POF-współczynnik Jaina dla różnych preferowanych wartości współczynnika podziału przepływności ( ) 4.2 Wielopasmowe systemy z przekaźnikami Częstotliwościowy podział zasobów Częstotliwościowy podział zasobów dla stacji przekaźnikowej oznacza przeznaczenie osobnych pasm do operacji łącza dosyłowego i dostępowego (konfiguracja typu out-band). W ogólnym ujęciu, każdemu z łączy może być przydzielone jedno lub więcej pasm. W porównaniu do konfiguracji jednopasmowej typu in-band, konfiguracje wielopasmowe nie wprowadzają ograniczeń wykorzystania zasobów przez żadne z łączy stacji przekaźnikowej. Problemem konfiguracji typu out-band jest natomiast niska rozdzielczość podziału zasobów na zasoby łącza dosyłowego i dostępowego stacji przekaźnikowej. Rozdzielczość ta uzależniona jest od liczby i rozmiarów pasm systemu. Rozwiązaniem tego problemu jest zaproponowana przez autora konfiguracja hybrydowa łącząca konfigurację typu in-band realizowaną w jednym paśmie, z dodatkowymi pasmami dedykowanymi do obsługi łącza dosyłowego lub dostępowego. Pasmo typu in-band zapewnia wysoką rozdzielczość podziału zasobów w domenie czasu, podczas gdy pasma typu out-band zapewniają dodatkowe zasoby dla poszczególnych łączy. Ze względu na rozdzielczość podziału zasobów optymalna konfiguracja stacji przekaźnikowej nie zawsze jest dostępna. Dla oszacowania obniżenia wydajności stacji przekaźnikowej w związku z niedostępnością optymalnej konfiguracji wyprowadzono w rozprawie następującą funkcję kosztu ograniczeń systemowych:

28 26 ( ) ( ) { ( )( ) (4.6) gdzie jest zyskiem efektywności widmowej przekaźnika, a jest względną ilością zasobów systemu

29 27 jest zapewnienie izolacji pomiędzy antenami łącza dosyłowego i dostępowego na poziomie ok. 50 db (patrz rysunek 4-4). Ta izolacja może być zapewniona w postaci np. separacji przestrzennej, ekranowania czy funkcji usuwania interferencji w odbiorniku przekaźnika. Gdy nie może być zapewniona wystarczająca izolacja anten, rekomendowana jest konfiguracja typu in-band. Zaznaczyć należy jednak, że problem interferencji międzypasmowych dotyczy jedynie pasm sąsiadujących. W przypadku wykorzystania odseparowanych pasm częstotliwościowych problem przecieków mocy nie występuje. Rysunek 4-4 Wpływ interferencji międzypasmowych na wydajność przekaźników typu out-band 4.3 Opóźnienia na łączach wieloskokowych W dalszej kolejności w rozprawie przeanalizowano opóźnienia transmisji pakietów przez przekaźniki różnych typów. W szczególności porównano konfiguracje jedno- i wielopasmowe. Efektem ubocznym konfiguracji jednopasmowej typu in-band stacji przekaźnikowej są opóźnienia transmisji wynikające z nieciągłej aktywności obu łączy przekaźnika. Pakiet przesyłany ze stacji bazowej do terminala użytkownika przez przekaźnik typu in-band doświadcza następujących opóźnień: (1) czasu oczekiwania na podramkę łącza dosyłowego, (2) czasu transmisji na łączu dosyłowym, (3) czasu przetwarzania przez stację przekaźnikową, (4) czasu oczekiwania na łącze dostępowe, (5) czasu transmisji na łączu dostępowym. O ile opóźnienia (2), (3) i (5) dotyczą zarówno konfiguracji jedno- jak i wielopasmowych, to pozostałe opóźnienia są charakterystyczne dla konfiguracji

30 28 jednopasmowej. W szczególności opóźnienia (1) i (4) zależą od konfiguracji multipleksacji czasowej łączy przekaźnika typu in-band, tzn. sekwencji podramek czasowych przydzielonych do łącza dosyłowego lub dostępowego przekaźnika. W rozprawie przeanalizowano 255 sekwencji podramek dostępnych w systemie LTE-A dla konfiguracji przekaźników typu in-band. Zauważono, że w rzeczywistości składają się one jedynie 32 w pełni niezależnych sekwencji [9]. Pozostałe sekwencje stanowią permutacje czasowe wybranych 32 niezależnych sekwencji. Następnie przeanalizowano zależności czasowe wybranych sekwencji. Na podstawie dokonanej analizy zależności czasowych sekwencji podramek oszacowano wartość oczekiwaną całkowitego czasu transmisji przez połączenie dwuskokowe funkcjonujące w oparciu o przekaźnik typu in-band, dla różnych konfiguracji multipleksacji czasowej łączy przekaźnika oraz dla różnych wielkości pakietów danych. Określono, że decydujący wpływ na całkowity czas transmisji przez przekaźnik typu in-band ma stosunek liczby podramek łącza dosyłowego do liczby podramek łącza dostępowego, tzn. zastosowany podział zasobów przekaźnika. Natomiast w przypadku małych pakietów danych zauważalne są również dodatkowe opóźnienia inicjalizacji transmisji na poszczególnych łączach (czasy i ). W dalszej kolejności w rozprawie zaprezentowano wyniki symulacji komputerowych systemu LTE-A z przekaźnikami zorganizowanymi w topologii wieloskokowej w konfiguracji typu in-band, out-band i hybrydowej (patrz rysunek 4-5). W wyniku symulacji uzyskano dane na temat czasów transmisji pakietów dla różnych usług multimedialnych (transmisji sygnałów wizyjnych, sygnałów dźwiękowych oraz sygnalizacji związanej z grami sieciowymi). Z wyników symulacji można wywnioskować, że konfiguracja typu out-band cechuje się najniższymi czasami transmisji pakietów, kilka razy niższymi niż w przypadku konfiguracji typu in-band. Natomiast konfiguracja hybrydowa cechuje się opóźnieniami zbliżonymi do opóźnień konfiguracji typu in-band dla usług o długich maksymalnych czasach transmisji (np. transmisji sygnałów wizyjnych), a dla usług o krótkich maksymalnych czasach transmisji (np. gier sieciowych) opóźnieniami zbliżonymi do opóźnień konfiguracji typu out-band. Zależność ta wynika ze współistnienia pasm in-band i pasm out-band. Pakiety o bardziej restrykcyjnych wymaganiach czasowych przesyłane są w pasmach out-band, podczas gdy pakiety z dłuższymi dopuszczalnymi czasami transmisji zajmują pasma in-band.

31 29 Rysunek 4-5 Czasy transmisji pakietów dla różnych usług sieciowych przez łącza wieloskokowe 4.4 Podsumowanie W tym rozdziale rozprawy dokonano porównania jedno- i wielopasmowych konfiguracji stacji przekaźnikowych. Dla obu przypadków przedstawiono szczegóły schematów przydziału zasobów dostępnych w systemie LTE-A. Każda z możliwych konfiguracji cechuje się ograniczeniami, które wpływają na efektywność funkcjonowania sieci REN w zakresie całkowitej wydajności systemu i/lub sprawiedliwości przydziału zasobów: Konfiguracja jednopasmowa typu in-band charakteryzuje się ograniczeniem maksymalnej dostępności zasobów dla łącza dosyłowego, obniżoną efektywnością widmową łącza dosyłowego oraz znacznymi opóźnieniami w transmisji pakietów. Konfiguracja wielopasmowa typu out-band charakteryzuje się niską rozdzielczością podziału zasobów, zwłaszcza w systemach o niewielkiej liczbie pasm. W niektórych przypadkach może cierpieć z powodu międzypasmowych interferencji własnych. Cechuje się natomiast najniższymi dostępnymi czasami transmisji pakietów.

32 30 Konfiguracja wielopasmowa hybrydowa łączy zalety konfiguracji typów in-band i out-band w zakresie efektywności podziału zasobów. Charakteryzuje się średnimi czasami transmisji pakietów, dostosowanymi do wymagań QoS. Na podstawie przeprowadzonej analizy sformułowano wnioski na temat preferowanych scenariuszy zastosowania poszczególnych konfiguracji przekaźników. W systemach jednopasmowych niezbędne jest zastosowanie konfiguracji typu in-band. W systemach wielopasmowych o niewielkiej liczbie pasm rekomendowane jest zastosowanie konfiguracji hybrydowej. Natomiast w systemach wielopasmowych o dużej liczbie pasm stosować należy konfigurację typu out-band lub hybrydową.

33 31 Rozdział 5 Koordynacja zarządzania w systemach wielopasmowych W tym rozdziale rozprawy omawiane są mechanizmy koordynacji przydziału zasobów na poziomie całej sieci. Rozważane są dwa mechanizmy koordynacji wykorzystania pasm częstotliwościowych w systemach wielopasmowych: równoważenie obciążenia pasm (ang. carrier load balancing, CLB), koordynacja występowania interferencji międzykomórkowych (ang. inter-cell interference coordination, ICIC). Główną ideą proponowanych rozwiązań jest detekcja fluktuacji ruchu sieciowego i warunków radiowych w sieciach REN, oraz adaptacja konfiguracji stacji przekaźnikowych w odpowiedzi na te fluktuacje. 5.1 Równoważenie obciążenia pasm Celem równoważenia obciążenia jest unikanie przeciążenia jednej grupy zasobów systemu w sytuacji, gdy inne zasoby są obciążone w mniejszym stopniu. W tym celu dokonuje się przeniesienia transmisji części użytkowników z przeciążonej grupy zasobów na zasoby mniej obciążone. W odniesieniu do stacji przekaźnikowych metody równoważenia obciążenia pasm odnoszą się do: kontroli liczby pasm przypisanych do funkcjonowania łącza dosyłowego lub dostępowego stacji przekaźnikowej, wyboru, które konkretnie pasma powinny być wykorzystywane przez dane łącze danej stacji przekaźnikowej Proaktywne metody równoważenia obciążenia Kryteria wyboru pasm Celem proaktywnych metod równoważenia obciążenia jest taki przydział pasm do terminala/przekaźnika w momencie jego pojawienia się w komórce stacji obsługującej, który zagwarantuje optymalne funkcjonowanie tego terminala/przekaźnika oraz całej komórki. W szczególności, parametry jakie mogą być brane pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o wyborze pasm to: istniejące obciążenie ruchem sieciowym w poszczególnych pasmach stacji obsługującej, warunki radiowe w poszczególnych pasmach obserwowane przez podłączający się terminal/przekaźnik.

34 32 Uwzględniając powyższe parametry zdefiniowano dwa kryteria wyboru pasm dla łączy dosyłowych i dostępowych stacji przekaźnikowych: Minimum interference (MI) [12] wybór z preferencją minimalnego poziomu interferencji odbieranych przez nowy terminal/przekaźnik, Minimum load (ML) [12] wybór z preferencją minimalnej liczby już podłączonych terminali/przekaźników oraz minimalnego poziomu interferencji odbieranych przez nowy terminal/przekaźnik, oraz porównano je z dwoma kryteriami proponowanymi w literaturze dla konfiguracji terminali w sieciach bez przekaźników: Mobile Hashing (MH) [19] wybór w pełni losowy, Round Robin (RR) [19] wybór z preferencją minimalnej liczby już podłączonych terminali/przekaźników. Funkcjonowanie zdefiniowanych metod wyboru pasm oceniono na podstawie symulacji systemu LTE-A z wykorzystaniem przekaźników typu out-band. Uzyskane wyniki pokazały, że (patrz rysunek 5-1): Metoda MH nie zapewnia żadnej koordynacji i skutkuje przeważnie najgorszymi parametrami funkcjonowania sieci, nawet dla sieci jednorodnej. Metoda RR zapewnia podstawową koordynację wykorzystania pasm przez stacje przekaźnikowe zapewniając, aby ich łącza dosyłowe i dostępowe były równomiernie rozlokowane w dostępnych pasmach. W ten sposób osiągane są niewielkie zyski w przepustowości sieci w stosunku do metody MH. Metoda MI zapewnia najlepsze wartości jakości sygnału obserwowane przez terminale oraz przez stacje przekaźnikowe na łączu dosyłowym. Niestety, może ona prowadzić do przeciążenia pasm, a w konsekwencji niskich wartości przepływności transmisji danych użytkowników. Metoda ML koncentruje się na jakości kanału radiowego oraz dostępności zasobów. Dzięki temu najczęściej zapewnia najwyższe przepływności transmisji danych użytkowników. Spośród rozważanych metod przydziału pasm najlepsze wyniki zapewnia metoda ML. Wymaga ona jednak znajomości warunków radiowych występujących na łączach dosyłowym i dostępowym stacji przekaźnikowej, oraz natężenia ruchu sieciowego przesyłanego przez ten przekaźnik. Statystyki te przeważnie nie są w pełni znane w trakcie uruchamiania przekaźnika i muszą być zebrane w trakcie jego pracy. Z tego względu rekomendowaną procedurą konfiguracji uruchamianej stacji przekaźnikowej jest wybór pasm na podstawie metody RR, a następnie optymalizacja konfiguracji na podstawie zbieranych pomiarów.

35 33 Rysunek 5-1 Statystyki funkcjonowania stacji przekaźnikowych dla różnych metod wyboru pasm w scenariuszu sieci LTE-A z przekaźnikami i niekontrolowanymi stacjami femto Wpływ agregacji pasm na obciążenie pasm W odniesieniu do systemów wielopasmowych postawić można pytanie: Czy lepiej jest przydzielić każdemu terminalowi/przekaźnikowi pojedyncze pasmo, czy też pozwolić im na agregację wielu pasm jednocześnie? W celu udzielenia odpowiedzi na to pytanie w rozprawie dokonano analizy statystycznej rozkładu obciążenia ruchem sieciowym w pasmach oraz dostępności zasobów radiowych w stosunku do zapotrzebowania na nie. Na tym etapie pracy traktowano przekaźniki jak terminale odnosząc się jedynie do obciążenia stacji bazowej łączem dosyłowym przekaźnika. Analizę przeprowadzono dla równomiernego rozkładu przekaźników w pasmach (metoda round robin wyboru pasm), przy czym każdy przekaźnik generował losowe obciążenie. Obciążenie generowane przez przekaźniki przybliżono rozkładem normalnym ograniczonym do dodatnich wartości obciążenia. Przybliżenie to wynika z centralnego twierdzenia granicznego jako, że obciążenie przekaźnika jest równe sumie losowych obciążeń generowanych przez terminale podłączone do tej stacji przekaźnikowej. W rozważanym scenariuszu wartość oczekiwana obciążenia pojedynczego pasma oraz wariancja obciążenia opisane są następującymi wzorami: { ( ) ( ) ( ) ( ) (5.1) gdzie jest obciążeniem pojedynczego pasma, jest obciążeniem generowanym przez terminal, jest liczbą terminali, jest liczbą pasm systemu, a jest liczbą pasm agregowanych przez terminal.

36 34 Z powyższych wzorów wynikają następujące wnioski: Wartość oczekiwana obciążenia pasma nie zależy od zastosowania agregacji pasm przez terminale. Wariancja obciążenia pasma zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do liczby pasm agregowanych przez terminale. W rezultacie, agregacja pasm zmniejsza prawdopodobieństwo przeciążenia pojedynczego pasma systemu oraz umożliwia osiągnięcie wyższych przepływności szczytowych terminala (patrz rysunek 5-2 obrazujący sytuację systemu pięciopasmowego ze średnim obciążeniem na poziomie 70%, z wariancją obciążenia przekaźnika na poziomie 1,3%). Zależność ta jest szczególnie ważna dla sieci REN, gdyż stacje przekaźnikowe mogą obsługiwać ruch sieciowy wielu terminali, a zatem ich zapotrzebowanie na zasoby radiowe w łączu dosyłowym może być nieporównywalnie wyższe niż w przypadku pojedynczego terminala. Rysunek 5-2 Statystyki rozkładu obciążenia pasm przy wykorzystaniu techniki agregacji pasm [14] Adaptacyjne metody równoważenia obciążenia W rozprawie zaproponowano dwie procedury optymalizacji przydziału pasm dla stacji przekaźnikowej w zależności od obserwowanych poziomów obciążenia łączy przekaźnika ruchem sieciowym. Proponowane procedury to [1-3]: krótkoterminowa procedura adaptacyjna łącza dostępowego, oraz długoterminowa procedura adaptacyjna podziału pasm.

37 35 Krótkoterminowa procedura adaptacyjna łącza dostępowego Krótkoterminowa procedura adaptacyjna polega na dynamicznej aktywacji i dezaktywacji pasm łącza dostępowego stacji przekaźnikowej w odpowiedzi na wahania natężenia ruchu sieciowego w komórce stacji przekaźnikowej. Przyjęto, że w przypadku stacji przekaźnikowej o wielu pasmach skonfigurowanych do funkcjonowania łącza dostępowego, jedno z pasm jest pasmem podstawowym (ang. primary component carrier, PCC), a pozostałe są pasmami dodatkowymi (ang. secondary component carrier, SCC). Wyłączenie pasm dodatkowych łącza dostępowego przekaźnika, gdy są niewykorzystywane, powoduje zmniejszenia zużycia energii przez stację przekaźnikową oraz zmniejszenie interferencji generowanych przez te pasma w postaci nadawanych symboli referencyjnych. Oceny wpływu zastosowania proponowanej procedury dokonano na podstawie symulacji sieci LTE-A. Uzyskane wyniki pokazują, że w wyniku zastosowania proponowanej procedury adaptacyjnej w sieci z 210 przekaźnikami osiągnięto obniżenie średniej transmitowanej mocy sumarycznie o wartość rzędu 26 W. Dodatkowe obniżenie zużycia mocy powinno być dostępne w wyniku mniejszej aktywności modułów radiowych stacji przekaźnikowych, głównie wzmacniaczy mocy. Jednocześnie, osiągnięto nieznaczną redukcję interferencji (zwiększenie SINR łączy dosyłowych przekaźników o 1,1 db i zwiększenie SINR łączy terminali o 0,3 db, patrz rysunek 5-3) oraz poprawę średnich przepływności transmisji użytkowników o 1,5-2,0%. Poprawa przepustowości sieci oraz jakości kanałów radiowych jest znikoma, natomiast pokazuje, że dezaktywacja nośnych nie została opłacona pogorszeniem się statystyk systemu. Rysunek 5-3 Rozkłady wartości SINR łączy radiowych przed i po zastosowaniu procedury adaptacyjnej łącza dostępowego stacji przekaźnikowej

38 36 Długoterminowa procedura adaptacyjna partycjonowania pasm Celem długoterminowej procedury adaptacyjnej jest optymalizacja podziału pasm pomiędzy łącze dosyłowe a łącze dostępowe stacji przekaźnikowej. Stacja przekaźnikowa obserwując długoterminowe statystyki obciążenia łącza dostępowego ruchem sieciowym może stwierdzić, które z łączy stanowi wąskie gardło transmisji: Jeżeli poziom wykorzystania zasobów łącza dostępowego jest niski, tzn. prawdopodobieństwo aktywacji wszystkich pasm łącza dostępowego jest poniżej określonego progu, wąskim gardłem jest łącze dosyłowe. Jeżeli poziom wykorzystania zasobów łącza dostępowego jest wysoki, tzn. prawdopodobieństwo aktywacji wszystkich pasm łącza dostępowego jest powyżej określonego progu, wąskim gardłem jest łącze dostępowe. Jeżeli jeden z powyższych warunków jest spełniony i stacja przekaźnikowa ma skonfigurowane pasma dodatkowe na łączu niebędącym wąskim gardłem, należy przekonfigurować jedno z tych pasm dodatkowych na pasmo dodatkowe łącza będącego wąskim gardłem. W ten sposób, po sekwencji kilku rekonfiguracji, można osiągnąć optymalny podział pasm. Ponadto, dzięki tej procedurze istnieje możliwość adaptacji konfiguracji stacji przekaźnikowych w sytuacji zmiany warunków radiowych (np. pojawienie się nowych źródeł interferencji), a co za tym idzie zmiany optymalnych proporcji podziału pasm dla stacji przekaźnikowych. Przeprowadzone analizy symulacyjne sieci wieloskokowych LTE-A pokazały możliwość poprawy przepływności transmisji do terminali użytkowników podłączonych do stacji przekaźnikowych na poziomie 6% w stosunku do systemu, w którym wszystkie stacje przekaźnikowe skonfigurowane były jednakowym stosunkiem podziału pasm (patrz rysunek 5-4). Rysunek 5-4 Rozkłady przepływności transmisji terminali i przekaźników przy zastosowaniu jednej konfiguracji pasm dla wszystkich przekaźników i przy indywidualnej optymalizacji tej konfiguracji dla każdego z przekaźników

39 Koordynacja interferencji międzyprzekaźnikowych Definicja problemu Stacja przekaźnikowa funkcjonująca w sieci REN może doświadczać następujących rodzajów interferencji na łączu w dół [11, 14]: z łącza dostępowego sąsiedniej stacji przekaźnikowej do własnego łącza dosyłowego (ang. Access-to-Backhaul, A2B), z łącza dostępowego sąsiedniej stacji przekaźnikowej do własnego łącza dostępowego (ang. Access-to-Access, A2A), z łącza dostępowego stacji bazowej do własnego łącza dostępowego (ang. Direct-to-Access, D2A). Ponadto w przypadku topologii wieloskokowej mogą występować interferencje pochodzące z łącza dostępowego stacji bazowej a obserwowane w łączu dosyłowym stacji przekaźnikowej (ang. Direct-to-Backhaul, D2B). W systemach wielopasmowych koordynacje interferencji zapewnić można poprzez przydział pasm poszczególnym stacjom w taki sposób, aby wzajemnie interferujące stacje nie wykorzystywały tych samych pasm. W sieciach z przekaźnikami typu out-band lub hybrydowymi występuje specyficzny problem koordynacji. Dokonując rekonfiguracji, która eliminuje interferencje typu A2A, można generować nowe interferencje typu A2B. Zachodzi także przypadek przeciwny: eliminacja interferencji A2B może generować interferencje A2A. W procedurze koordynacji interferencji dla sieci REN należy wziąć pod uwagę istnienie tego zjawiska i odpowiednio wyważyć dążenia do eliminacji każdego typu interferencji Propozycja algorytmu koordynacji W rozprawie zaproponowano dwuetapową procedurę koordynacji interferencji [2, 4, 11, 14]. W pierwszym kroku każda stacja przekaźnikowa zbiera informacje na temat interferencji odbieranych przez nią w łączu dosyłowym oraz przez terminale użytkowników w łączu dostępowym. W zależności od przyjętego modelu zarządzania (scentralizowany, rozproszony lub autonomiczny) stacje przekaźnikowe mogą się wymieniać informacjami o wykrytych interferencjach. W drugim kroku, przydział zasobów dla stacji przekaźnikowej jest zmieniany, aby wyeliminować wykryte problemy sprzęgania się interferencji. Detekcja interferencji pomiędzy przekaźnikami Dla każdego wykrytego źródła interferencji obliczana jest względna siła interferencji w postaci stosunku mocy interferencji do mocy sygnału użytecznego (ang. interference to signal ratio, ISR). Obliczona siła interferencji porównywana jest z zadanym

40 38 poziomem wrażliwości. Jedynie interferencje o współczynniku ISR powyżej poziomu wrażliwości brane są pod uwagę w procedurze koordynacji. W celu wyważenia dążeń do eliminacji interferencji typu A2B i A2A definiuje się dla nich osobne poziomy wrażliwości, odpowiednio i. Te poziomy wrażliwości odpowiadają preferowanym poziomom jakości sygnału (SINR) odpowiednio na łączu dosyłowym i dostępowym. Interferencje A2B wykrywane są na podstawie pomiarów własnych przekaźnika, natomiast interferencje A2A wykrywane są na podstawie pomiarów terminali użytkowników. Rozwiązywanie problemów interferencyjnych Koordynacja wykrytych interferencji przebiega w sposób iteracyjny. W każdym kroku iteracji podejmowane są dwie decyzje: (1) wybór stacji przekaźnikowej, która będzie przekonfigurowana, oraz (2) wybór nowej konfiguracji stacji przekaźnikowej. Wybór stacji do przekonfigurowania dokonywany jest na podstawie skumulowanej siły interferencji związanych z daną stacją przekaźnikową (ang. cumulated interference strength, CIS). Do rekonfiguracji wybiera się przekaźnik o najwyższej wartości CIS, przy czym CIS określa się z uwzględnieniem interferencji odbieranych, jak i generowanych. Wyboru nowej konfiguracji dla stacji przekaźnikowej dokonuje się na podstawie następującej metryki oceny pasm: ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) (5.2) gdzie i są odpowiednio siłami interferencji A2B i A2A generowanymi przez stację w stronę stacji. Pasma dla łącza dosyłowego wybierane są wg najwyższych wartości metryki ( ), a pasma dla łącza dostępowego wybierane są wg najniższych wartości metryki ( ) Ocena zaproponowanego algorytmu Oceny funkcjonowania zaproponowanej procedury koordynacji interferencji dokonano za pomocą symulacji sieci LTE-A. Rozważono trzy schematy implementacji: (1) scentralizowany decyzje o rekonfiguracji podejmowane są na podstawie danych o interferencjach zebranych ze wszystkich stacji przekaźnikowych. Jednocześnie rekonfigurowane są oba łącza stacji przekaźnikowej. Rekonfiguracja nie jest wykonywana często ze względu na konieczność zebrania informacji o stanie całego systemu.

41 39 (2) rozproszony decyzje o rekonfiguracji podejmowane są na podstawie danych o interferencjach zebranych osobno w każdym sektorze sieci. Okresowo wykonywane są pełne rekonfiguracje stacji przekaźnikowych, natomiast dużo częściej (w symulacji dziesięć razy częściej) stacje przekaźnikowe mogą samodzielnie rekonfigurować własne łącza dostępowe. (3) autonomiczny każda stacja przekaźnikowa podejmuje decyzje o rekonfiguracji samodzielnie na podstawie własnych danych o interferencjach. Okresowo wykonywane są pełne rekonfiguracje stacji przekaźnikowych, natomiast dużo częściej (w symulacji dziesięć razy częściej) stacje przekaźnikowe mogą samodzielnie rekonfigurować własne łącza dostępowe. Dla każdego schematu implementacji przyjęto, że w jednej iteracji procedury rekonfigurowany jest jeden przekaźnik na sektor sieci. W symulacjach przeanalizowano również zdolności adaptacyjne proponowanej procedury w sytuacji pojawienia się nowych źródeł interferencji. To zjawisko zamodelowano w postaci grupy stacji femto aktywowanych w połowie symulacji. Analiza funkcjonowania proponowanego algorytmu w implementacji scentralizowanej przy różnych poziomach detekcji interferencji (patrz rysunek 5-5) pokazała, że najlepsze rezultaty koordynacji osiąga się spełniając zależność: (5.3) Powyższa zależność oznacza, że w sieciach REN optymalizacja jakości łączy dosyłowych stacji przekaźnikowych ma większe znaczenie dla całkowitej wydajności systemu niż optymalizacja łączy terminali użytkowników. Rysunek 5-5 Zysk przepustowości system w funkcji wartości poziomów detekcji interferencji [14]