Melhoria da eficiência energética em redes celularesutilizando cooperação multi-célula

Bruno Miguel Vieira Roque

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Júri

Presidente: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha SanguinoOrientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Vogais: Prof. Luís Eduardo de Pinho Ducla Soares

Janeiro 2015

ii

Para a minha famılia e amigos

iii

iv

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Professor Antonio Rodrigues por todo o apoio e supervisao

prestados durante a elaboracao desta dissertacao.

Gostaria tambem de agradecer a todos os meus amigos, e em particular aos que me acompanharam

durante o meu percurso universitario.

Agradeco ainda a minha namorada e a sua famılia todo o apoio dado nestes ultimos anos.

Finalmente quero prestar o meu mais sincero agradecimento a minha famılia pelo apoio que sempre

me deram ao longo da vida.

v

vi

Resumo

O objetivo principal desta dissertacao foi o estudo do impacto da tecnica Coordinated Multipoint (CoMP)

Joint Transmission (JT) em redes Long Term Evolution (LTE), tanto em questoes de capacidade como

de fairness. Foram desenvolvidos dois modelos e estes foram implementados num simulador LTE ja

existente. Um dos modelos toma a decisao sobre quais os UEs que usam a tecnica JT enquanto o outro

se encarrega do agendamento dos recursos radio da rede. Foi estudado o impacto nos resultados

introduzidos pela tecnica JT e pelos modelos desenvolvidos e para cada um deles foram estimados

quais os parametros de entrada que garantem o maior ganho de fairness para a menor perda de debito

binario da rede. Foi simulado um cenario de referencia que consiste na mesma rede LTE mas sem o

uso da tecnica JT. Usando JT, os melhores ganhos obtidos em relacao a este cenario de referencia

foram de 11.4 % para a fairness e de perdas de debito binario por sector de 6 %. Foram conseguidos

maiores ganhos de fairness mas ao custo de maiores perdas de debito.

Palavras-chave: LTE, CoMP, JT, Fairness, Debito Binario

vii

viii

Abstract

The main objective of this thesis was to study the impact of Coordinated Multipoint’s (CoMP) technique

Joint Transmission (JT) in Long Term Evolution (LTE) networks, concerning both capacity and fairness.

Two models were developed and implemented in an existing LTE simulator. One of the models makes

the decision on which UEs use JT while the other does the scheduling of the radio resources. The

impact of both this technique and these models were studied and the input parameters that guarantee

the highest gain in fairness and the lowest loss in throughput were estimated. A reference scenario

was simulated that consists in the same LTE network but not using the technique JT. Using JT, the best

result obtained compared to the reference scenario was a gain of 11.4 % in fairness and a loss of 6 % in

throughput. Higher gains in fairness were achieved but at the cost of higher losses in throughput.

Keywords: LTE, CoMP, JT, Fairness, Throughput

ix

x

Conteudo

Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

Lista de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi

Lista de Acronimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix

Lista de Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii

1 Introducao 1

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Estrutura da Dissertacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Conceitos Fundamentais 7

2.1 Arquitetura da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Interface Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Multiple Input Multiple Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Coordinated Multipoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.5 Estado da Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Simulador e Modelos Desenvolvidos 23

3.1 Descricao do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Modelos Desenvolvidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.1 Uso de Joint Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.2 Agendamento dos Recursos Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Parametros Constantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4 Avaliacao do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 Analise de Resultados 39

4.1 Cenario de Referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Scheduler 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.1 Diferenca de Macroscopic Pathloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.2 Raio Mınimo Orla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

xi

4.2.3 Macroscopic Pathloss Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.4 Numero Maximo de Sectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2.5 Cluster CoMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3 Scheduler 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5 Conclusao 57

Anexo A Manual de Utilizador 63

Anexo B Clusters 67

Anexo C Wireless World Initiative New Radio 71

Referencias 77

xii

Lista de Tabelas

2.1 Larguras de banda suportadas em LTE [Cox12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 MCSs, CQIs e taxas de codificacao usados em LTE [STB09]. . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Modos de Transmissao suportados no DL em LTE [Cox12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Parametros constantes referentes a criacao da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2 Parametros constantes referentes aos eNBs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Parametros constantes referentes aos UEs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4 Parametros constantes referentes a interface radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1 Parametros do cenario de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro ∆PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro Rmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.5 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro eNBmax . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro ClusterCoMP . . . . . . . . . . . . . 52

4.7 Parametros de entrada para a avaliacao do parametro RBGJT . . . . . . . . . . . . . . . . 54

xiii

xiv

Lista de Figuras

1.1 Evolucao global do trafego movel de voz e de dados desde 2010 ate 2014 [Eri14]. . . . . 2

1.2 Evolucao do debito binario de pico das tecnologias 3GPP [HT11]. . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Datas da aprovacao das especificacoes de cada tecnologia pela 3GPP e da sua respetiva

implementacao comercial [HT11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Subscricoes moveis por tecnologia entre o ano 2010 e 2020 [Eri14]. . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Arquitetura, elementos e interfaces do sistema EPS [Kha09]. . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Elementos e ligacoes da rede EPC [Ols+09]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Sub-portadoras ortogonais na frequencia [DPS14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Radio frame LTE usando FDD e normal CP [Com09]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5 Comparacao entre as tecnicas de acesso multiplo OFDMA e SC-FDMA [Whi08]. . . . . . 12

2.6 Rede LTE tri-sectorizada [MF11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.7 Inter-eNB e Intra-eNB CoMP [Ahm13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.8 Tecnicas usadas no DL em CoMP [Ahm13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Diagrama de blocos do simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7r1119 [IWR10]. 24

3.2 Mapeamento do SNR e BLER para varias curvas de CQI do lado esquerdo e do lado

direito curva de relacao entre SNR e CQI para um BLER de 10 % [Ins13]. . . . . . . . . . 27

3.3 Diagrama de blocos do Scheduler 1, executado para todos os UEs da RDI. . . . . . . . . 31

3.4 Diagrama de blocos do Scheduler 2, executado para todos os sectores. . . . . . . . . . . 32

3.5 Representacao da rede LTE e da RDI usada em todas as simulacoes. . . . . . . . . . . . 34

3.6 Evolucao da media e do desvio padrao de varios parametros para diferentes conjuntos

de simulacoes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7 Coeficiente de variacao de varios parametros para varios conjuntos de simulacoes. . . . 38

4.1 Debito medio por UE da orla e do centro no cenario de referencia para varios valores do

parametro Rmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Numero de UEs na orla e no centro no cenario de referencia para varios valores do

parametro Rmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.3 Debito medio por sector no cenario de referencia para varios valores do parametro Rmin. 42

4.4 Debito medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores

do parametro ∆PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

xv

4.5 Numero de UEs ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores

do parametro ∆PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.6 Numero medio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler

1 para varios valores do parametro ∆PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.7 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores do parametro

∆PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.8 Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores do

parametro Rmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.9 Debito medio por UE da orla, do centro e ligado a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1

para varios valores do parametro Rmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.10 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores de Rmin. . . 48

4.11 Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores do

parametro PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.12 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores do parametro

PLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.13 Debito e numero de RBs medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1

para varios valores do parametro eNBmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.14 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores do parametro

eNBmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.15 Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores do

parametro ClusterCoMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.16 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores do parametro

ClusterCoMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.17 Debito medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 2 para varios valores

do parametro RBGJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.18 Numero medio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler

2 para varios valores do parametro RBGJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.19 Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 2 para varios valores do parametro

RBGJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

B.1 Representacao dos clusters de tamanho 2 para uma rede de 19 eNBs. . . . . . . . . . . 68

B.2 Representacao dos clusters de tamanho 3 para uma rede de 19 eNBs. . . . . . . . . . . 69

C.1 Representacao dum sistema, com varios segmentos [Nar+07b]. . . . . . . . . . . . . . . 72

C.2 Representacao duma ligacao [Nar+07b]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

xvi

Lista de Acronimos

3GPP 3rd Generation Partnership Project.

ACK Acknowledgement.

AMC Adaptive Modulation and Coding.

ANACOM Autoridade Nacional de Comunicacoes.

ARQ Automatic Repeat Request.

BLER Block Error Rate.

CA Carrier Aggregation.

CB Coordinated Beamforming.

CDL Clustered Delay Line.

CDMA Code Division Multiple Access.

CLSM Closed Loop Spatial Multiplexing.

CLTD Closed Loop Transmit Diversity.

CoMP Coordinated Multipoint.

CP Cyclic Prefix.

CQI Channel Quality Indicator.

CS Coordinated Scheduling.

CSI Channel State Information.

CV Coeficiente de Variacao.

DL Downlink.

DPS Dynamic Point Selection.

E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access

Network.

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution.

EESM Exponential Effective Signal to Interference and

Noise Ratio Mapping.

xvii

eNB Evolved NodeB.

EPC Evolved Packet Core.

FDD Frequency Division Duplex.

FDMA Frequency Division Multiple Access.

FEC Forward Error Correction.

GPRS General Packet Radio Service.

GSM Global System for Mobile Communications.

HSDPA High Speed Downlink Packet Access.

HSPA High Speed Packet Access.

HSS Home Subscriber Service.

HSUPA High Speed Uplink Packet Access.

ID Identificador.

IP Internet Protocol.

ISI Inter Symbol Interference.

JP Joint Processing.

JR Joint Reception.

JT Joint Transmission.

LTE Long Term Evolution.

LTE-A Long Term Evolution-Advance.

MCS Modulation and Coding Scheme.

MIESM Mutual Information Effective Signal to Interfe-

rence and Noise Ratio Mapping.

MIMO Multiple Input Multiple Output.

MISO Multiple Input Single Output.

MM Mobility Management.

MME Mobility Management Entity.

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Ac-

cess.

OLSM Open Loop Spatial Multiplexing.

OLTD Open Loop Transmit Diversity.

xviii

P-GW Packet Data Network Gateway.

PCRF Policy and Charging Rules Function.

PDN Packet Data Network.

PMI Precoding Matrix Indicator.

QAM Quadrature Amplitude Modulation.

QoS Quality of Service.

QPSK Quadrature Phase-shift Keying.

RB Resource Block.

RBG Resource Block Grid.

RDI Regiao de Interesse.

RE Resource Element.

RI Rank Indication.

RRM Radio Resource Management.

S-GW Serving Gateway.

SAE System Architecture Evolution.

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Ac-

cess.

SIMO Single Input Multiple Output.

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio.

TB Transport Block.

TDD Time Division Duplex.

TTI Transmission Time Interval.

UE User Equipment.

UL Uplink.

UMTS Universal Mobile Telecommunication System.

UP User Plane.

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access.

WCI Worst Companion Indicator.

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Ac-

cess.

WINNER II Wireless World Initiative New Radio.

xix

xx

Lista de Sımbolos

Cd Constante de desigualdade.

ClusterCoMP Tipo de cooperacao usado entre eNBs.

DeNB Distancia entre eNBs.

Dhb Altura da antena da estacao base medida a

partir da altura media dos telhados.

NX Numero de amostras da variavel X .

Ni Numero de UEs ligados a i sectores.

NRB/RBG Numero total de RBs em cada RBG.

NRB Numero de RBs do UE.

NUEs Numero de UEs ligados ao sector.

PLmax Valor de macroscopic pathloss maximo para o

sector principal que justifique a procura de ou-

tro sector.

PLpri Valor de macroscopic pathloss para o sector

principal.

PLsec Valor de macroscopic pathloss para o sector

secundario.

R Distancia entre o eNB e o UE.

RBGJT Relacao entre o numero de RBs dedicados a

UEs a usar JT e o numero total de RBs na

RBG.

RBi Media de RBs alocados a UEs ligados a i sec-

tores.

Rmin Relacao entre o raio a partir do qual e conside-

rado orla e o raio do eNB.

Xi Valor da amostra i da variavel X .

∆PLmax Diferenca maxima entre o valor de macrosco-

pic pathloss do sector principal para os se-

cundarios.

xxi

e−α Coeficiente de correlacao entre dois pontos

distanciados de x = 1.

X Valor medio da variavel µX.

dx Componente x da distancia do UE ao eNB.

dy Componente y da distancia do UE ao eNB.

eNBmax Maximo numero de sectores a que os UEs se

podem ligar.

f Frequencia da portadora.

n Numero de UEs.

x Distancia entre dois pontos.

xi Debito da ligacao numero i .

xxii

Capıtulo 1

Introducao

Neste capıtulo e apresentada uma breve descricao da evolucao dos sistemas de comunicacoes moveis,

assim como a motivacao para a realizacao deste trabalho. No fim do capıtulo e abordada a estrutura

desta dissertacao.

1

1.1 Motivacao

Nos ultimos anos foram varias as tecnologias de sistemas de comunicacoes moveis introduzidas de

forma a garantir as redes acompanhar as exigencias do mercado. Se no inıcio das comunicacoes

moveis existia um claro domınio do trafego de voz, tal ja nao acontece. O trafego de voz nos ultimos

anos manteve-se sensivelmente constante enquanto o trafego de dados apresentou um crescimento

exponencial tal como mostra a Figura 1.1.

Figura 1.1: Evolucao global do trafego movel de voz e de dados desde 2010 ate 2014 [Eri14].

O crescimento do numero de utilizadores aliado ao aparecimento dos smartphones foi o grande impul-

sionador deste crescimento. E essencial as redes moveis manter uma constante evolucao a todos os

nıveis.

Os sistemas de comunicacoes moveis dividem-se normalmente em geracoes. A primeira geracao sur-

giu na decada de 80 e utilizava sinais analogicos. A segunda geracao (2G) surgiu depois introduzindo

sinais digitais nas comunicacoes moveis. E exemplo desta geracao o sistema Global System for Mobile

Communications (GSM). Foi mais tarde introduzido trafego de dados em redes 2G, sendo que o volume

de trafego de voz continuou a ser o dominante. A introducao dos sistemas 3G, como por exemplo Uni-

versal Mobile Telecommunications System (UMTS), veio aumentar significativamente o uso de dados,

tendo este superado nesta geracao o trafego de voz. Esta geracao foi a primeira a introduzir a banda

larga movel. Finalmente o sistema LTE e o responsavel pela introducao do 4G, embora seja defendido

que o sistema Long Term Evolution-Advance (LTE-A), que equivale ao LTE Release 10, e o verdadeiro

4G.

Entre as metas estabelecidas para o LTE por parte do organismo de padronizacao 3rd Generation Part-

2

nership Project (3GPP) estao as seguintes: o debito de pico para um utilizador de no mınimo 100 Mbit/s

no downlink (DL) e 50 Mbit/s no uplink (UL), a latencia reduzida para melhor desempenho para o uti-

lizador final, e o consumo de energia por parte do terminal movel minimizado de forma a permitir uma

utilizacao longa sem a necessidade de recarregamento da bateria. Tambem era exigida flexibilidade na

frequencia permitindo a alocacao de bandas desde 1.4 MHz ate 20 MHz.

As especificacoes referentes ao LTE-A [3GP14b] foram as seguintes: debito de pico no DL de no mınimo

1 Gbit/s e no UL de 500 Mbit/s, largura de banda maxima de 100 MHz, reduzida latencia em relacao ao

LTE Release 8 e 9, e compatibilidade com uma maior mobilidade por parte dos utilizadores. Foi tambem

nesta release introduzida a tecnica Carrier Aggregation (CA) e os relay nodes. CA e uma tecnica de

agregacao de portadoras que permite aumentar a largura de banda. Os relay nodes podem ser usados

para aumentar a cobertura e melhorar os debitos, em particular na orla das celulas.

Cada geracao elevou o debito binario de pico da geracao anterior como esta ilustrado na Figura 1.2.

Figura 1.2: Evolucao do debito binario de pico das tecnologias 3GPP [HT11].

Num espaco de 10 anos este valor aumentou em mais de 2000 vezes, desde a tecnologia Enhanced

Data rates for GSM Evolution (EDGE) ate ao LTE-A. EDGE e uma extensao do sistema GSM que per-

mite debitos mais elevados. Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) e uma interface radio

usada em redes UMTS que veio tambem aumentar o debito destas. A tecnologia High Speed Packet

Access (HSPA), que inclui High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e High Speed Uplink Packet

Access (HSUPA), por sua vez veio melhorar o debito de redes UMTS baseadas em WCDMA. Final-

mente a tecnologia Evolved High Speed Packet Access (HSDPA+) trouxe debitos as redes WCDMA

comparaveis ao 4G.

Na Figura 1.3 encontram-se apresentadas as datas nas quais foi aprovada cada tecnologia pela 3GPP

e as datas da sua implementacao comercial.

As tecnologias 3GPP foram concebidas para que seja possıvel a coexistencia e interoperabilidade entre

todas elas. O LTE suporta handovers bidirecionais entre as tecnologias GSM e UMTS. GSM, UMTS

e LTE podem partilhar varios elementos da rede, incluindo elementos pertencendo a rede nucleo.

Tambem alguns elementos da rede 3G podem ser atualizados para suportar LTE, permitindo assim

3

Figura 1.3: Datas da aprovacao das especificacoes de cada tecnologia pela 3GPP e da sua respetivaimplementacao comercial [HT11].

a existencia de uma unica plataforma de rede a suportar HSPA e LTE.

Quanto a adocao de tecnologias e aparelhos, de acordo com [Eri14] os smartphones contabilizaram

entre 65 % e 70 % de todas as vendas de telemoveis em Q3 2014, comparado com cerca de 55 %

durante Q3 2013. Este valor deve manter a tendencia ja que de todas as subscricoes de telemoveis a

nıvel global apenas 37 % estao associadas a smartphones.

O numero de subscricoes de banda larga movel esta a crescer cerca de 30 % em todos os anos, tendo

atingido 2.5 mil milhoes em Q3 2014. O LTE continua a crescer e atingiu 350 milhoes de subscricoes

em Q3 2014, tendo conseguido um aumento de 50 milhoes durante o mesmo perıodo. Mas foi o numero

de subscricoes da tecnologia WCDMA/HSPA que mais cresceu no mesmo trimestre, com 85 milhoes.

A maior parte destas subscricoes de 3G e 4G tem acesso a tecnologia GSM/EDGE. O numero de

subscricoes apenas a tecnologia GSM/EDGE desceu 10 milhoes (0.2 %).

Uma das razoes para o rapido aumento do numero de subscricoes de smartphones tem que ver com o

facto dos assinantes na Asia, Medio Oriente e Africa estarem a trocar os seus telemoveis por smartpho-

nes. O facil acesso e o baixo custo dos mesmos sao os principais responsaveis. Em 2020 e esperado

que o numero de subscricoes de smartphones na Europa em relacao a sua populacao seja de 95 %,

enquanto no Medio Oriente seja de 55 %.

Em 2020 a tecnologia WCDMA/HSPA representara a maioria das subscricoes moveis com 4.4 mil

milhoes, enquanto o LTE tera 3.5 mil milhoes. A Figura 1.4 apresenta o numero de subscricoes moveis

por tecnologia entre o ano 2010 e 2020. Por enquanto a tecnologia GSM/EDGE representa a maior

quota de subscricoes. Nos mercados em desenvolvimento tem-se verificado uma migracao para tecno-

logias mais avancadas, o que leva a nıvel global ao declınio do numero de subscricoes GSM/EDGE. E

estimado que pelo ano 2020, 90 % das subscricoes moveis sejam de banda larga movel.

O aumento do trafego originado pelo crescente numero de utilizadores obriga as operadoras de redes

moveis a aumentar a capacidade das mesmas. No entanto o espectro disponıvel e escasso. De entre

as possıveis formas de aumentar a capacidade de uma rede movel destacam-se as seguintes: aumento

da eficiencia espectral, reutilizacao da mesma frequencia em todas as celulas, e diminuicao do tama-

4

Figura 1.4: Subscricoes moveis por tecnologia entre o ano 2010 e 2020 [Eri14].

nho das celulas garantindo assim uma alta capacidade para uma pequena area de cobertura.

O objectivo desta dissertacao e o estudo do impacto da tecnica JT em redes LTE-A. Para isso foram

desenvolvidos e implementados modelos num simulador LTE. Sao tidas como metricas principais os

debitos das celulas, dos utilizadores e o ındice de fairness.

1.2 Estrutura da Dissertacao

Esta dissertacao e composta por 5 capıtulos. O presente capıtulo apresenta a evolucao dos sistemas

de comunicacoes moveis ate a tecnologia LTE-A.

No Capıtulo 2 sao descritas as tecnologias LTE e LTE-A, ambas pertencentes ao 4G. E primeiro apre-

sentada a arquitetura da rede, referindo os seus elementos principais e quais as suas funcoes. E depois

analisada a interface radio descrevendo as tecnicas de acesso multiplo, a constituicao das tramas, as

diferencas entre o DL e o UL e as modulacoes disponıveis. De seguida e apresentada a tecnica Multi-

ple Input Multiple Output (MIMO), assim como os seus modos de transmissao. A tecnica JT estudada

nesta dissertacao e descrita na Seccao 2.4, CoMP. Para alem de JT sao tambem apresentadas as ou-

tras tecnicas CoMP. No fim do capıtulo encontra-se o actual estado da arte.

O Capıtulo 3 comeca com a descricao do simulador usado e sobre o qual foram implementados os

modelos desenvolvidos. Sao de seguida descritos os modelos desenvolvidos, tanto para o uso de JT

como para a alocacao de recursos radio. Os parametros de entrada para o simulador, que nao sofrem

alteracoes durante todas as simulacoes apresentadas nesta dissertacao, sao depois apresentados. No

final do capıtulo e feita a avaliacao do simulador de forma a garantir que os resultados apresentados

sao relevantes.

No Capıtulo 4 sao apresentados e analisados os resultados das simulacoes efetuadas. Comeca por

ser definido um cenario de referencia que serve de comparacao a todos os outros. Ao longo do capıtulo

sao estimados quais os melhores valores para os varios parametros de entrada do simulador, introdu-

zidos pelos modelos desenvolvidos, que maximizem a fairness sem comprometer demasiado o debito

5

do sistema.

No Capıtulo 5 sao compiladas as principais conclusoes dos resultados obtidos nesta dissertacao. E

feita uma analise crıtica do trabalho realizado, incluindo sugestoes para trabalhos futuros. No fim da

dissertacao encontra-se um conjunto de anexos que fornecem informacao adicional sobre o simulador

utilizado.

6

Capıtulo 2

Conceitos Fundamentais

Neste capıtulo sao descritas as geracoes de redes moveis Long Term Evolution (LTE) e Long Term

Evolution-Advance (LTE-A). Inicialmente e apresentada a arquitetura da rede, seguida dos principais

aspetos tecnicos da interface radio. Sao depois apresentadas as tecnicas Multiple Input Multiple Output

(MIMO) e Coordinated Multipoint (CoMP). No fim do capıtulo e abordado o estado da arte.

7

2.1 Arquitetura da Rede

A evolucao da arquitetura da rede das primeiras tecnologias (e.g., GSM, UMTS) para LTE e LTE-A e

denominada System Architecture Evolution (SAE). O seu principal objetivo foi garantir ligacao Internet

Protocol (IP) entre os User Equipment (UE) e a Packet Data Network (PDN) atraves duma rede simples,

nao hierarquica, com reduzida latencia e otimizada para servicos de troca de pacotes. Isto resultou no

Evolved Packet System (EPS) que esta representado na Figura 2.1.

Figura 2.1: Arquitetura, elementos e interfaces do sistema EPS [Kha09].

A arquitetura do sistema EPS consiste em tres elementos: o UE, o Evolved UMTS Terrestrial Radio

Access Network (E-UTRAN) e o Evolved Packet Core (EPC). O elemento responsavel pelo acesso e

comunicacoes radio entre o UE e o EPC e a E-UTRAN. Este e apenas constituıdo por Evolved NodeBs

(eNBs), nao dispondo de qualquer tipo de no responsavel pelo controlo da E-UTRAN. Por sua vez os

eNBs usam a interface X2 para comunicar com outros eNBs e a interface S1 para comunicar com o

EPC. O facto da comunicacao entre os UEs e a rede ser feita atraves de eNBs contribui para uma

reduzida latencia e uma maior flexibilidade e velocidade durantes os handovers.

As principais funcoes do eNB sao as seguintes:

• Compressao do cabecalho IP para melhorar a eficiencia da interface radio;

• Coordenacao dos handovers entre os UEs e os eNBs de forma a evitar perda de dados na

transicao de um eNB para outro usando a interface X2;

• Ligacao ao EPC atraves da interface S1;

• Radio Resource Management (RRM), controlo do uso da interface radio alocando recursos de

forma a garantir a necessaria Quality of Service (QoS) assim como a constante monitorizacao

dos recursos da rede;

• Encriptacao da informacao proveniente do User Plane (UP) garantindo assim seguranca.

8

A rede de nucleo, EPC, e um sistema IP desenhado para obter debitos elevados, latencias reduzidas

e garantir interoperabilidade entre tecnologias. Este e constituıdo por tres elementos como se verifica

na Figura 2.2: Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (S-GW) e Packet Data Network

Gateway (P-GW).

Figura 2.2: Elementos e ligacoes da rede EPC [Ols+09].

O MME e responsavel pelo estabelecimento e controlo dos bearers, que sao fluxos de pacotes entre

dois elementos da rede, assim como garantir a seguranca dos mesmos e assegurar para estes fluxos

uma determinada Block Error Rate (BLER). BLER e a relacao entre o numero de blocos errados rece-

bidos e o numero total de blocos enviados.

O S-GW e o no responsavel pela ligacao entre o EPC e a E-UTRAN, por encaminhar a informacao entre

o eNB e o P-GW, por atuar como ancora de mobilidade para os bearers quando o UE transita dum eNB

para outro e pela interoperabilidade entre outras tecnologias de dados da 3GPP, nomeadamente HSPA

e General Packet Radio Service (GPRS).

O P-GW e o elemento que faz a ligacao entre o EPC e as redes externas, e e responsavel pela alocacao

dum endereco IP aos UEs. Faz tambem a interoperabilidade entre outras tecnologias de dados que nao

sejam da 3GPP, nomeadamente o Code Division Multiple Access (CDMA) 2000 e o Worldwide Intero-

perability for Microwave Access (WiMAX). Tambem incluıdo no P-GW esta o Policy and Charging Rules

Function (PCRF), responsavel pelo controlo e classificacao da qualidade de servico, decidindo qual

devera ser o debito binario mınimo associado a cada fluxo de dados.

Por fim existe tambem o Home Subscriber Service (HSS) que e uma base de dados com a informacao

dos assinantes, das redes publicas de dados que podem ser acedidas pelos UEs, dos diversos perfis

de qualidade de servico, entre outros.

9

2.2 Interface Radio

No LTE as tecnicas de acesso multiplo sao fundamentais pois sao elas que permitem nao so a partilha

de recursos entre utilizadores mas tambem tornar o sistema flexıvel e eficiente. Em LTE, o acesso

multiplo e no DL baseado em Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) enquanto no

UL e baseado em Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). A tecnica Frequency

Division Multiple Access (FDMA) permite o acesso ao sistema a diferentes utilizadores em simultaneo

usando diferentes bandas de frequencia, i.e., portadoras e sub-portadoras. Enquanto no OFDMA a

informacao e modulada numa serie de sub-portadoras ortogonais entre si, no SC-FDMA e modulada

numa portadora apenas. O principio de sub-portadoras ortogonais consiste na sobreposicao das mes-

mas em todas as frequencias excepto na sua propria frequencia central, tendo para esta valor nulo

todas as outras frequencias, como se pode verificar na Figura 2.3. Este conceito permite eliminar o

efeito chamado crosstalk. Cada sub-portadora tem uma largura de banda de 15 kHz.

Figura 2.3: Sub-portadoras ortogonais na frequencia [DPS14].

Devido ao problema do multipercurso sempre presente nas comunicacoes moveis, e consequente Inter

Symbol Interference (ISI), foi necessario introduzir tanto em OFDMA como em SC-FDMA um tempo

de guarda no inıcio de cada sımbolo denominado Cyclic Prefix (CP). Quando a desfasagem e muito

elevada o sımbolo a ser descodificado pelo utilizador sofre interferencia de um sımbolo transmitido an-

teriormente, tipicamente designado por eco, por este ter vindo por um percurso com um maior tempo

de propagacao. Este tempo de guarda foi entao definido para o inıcio de cada sımbolo e pode tomar

dois valores: Normal CP, duracao aproximada de 5 µs e e utilizado em meios urbanos onde o efeito

de multipercurso e menor, e Extended CP, duracao aproximada de 17 µs e e utilizado em meios rurais

onde o efeito de multipercurso e maior.

O elemento basico da modulacao OFDMA e o Resource Element (RE) que corresponde a atribuicao

dum sımbolo OFDM a uma sub-portadora. O numero de bits por sımbolo pode ser de 2, 4 ou 6 para um

esquema de modulacao Quadrature Phase-shift Keying (QPSK), 16-Quadrature Amplitude Modulation

(QAM) ou 64-QAM respetivamente. Os RE estao agrupados em Resource Blocks (RBs), cada um dos

quais com 12 REs, ou seja, 12 sub-portadoras de 15 kHz que resulta numa banda total de 180 kHz e

no domınio do tempo num intervalo de 0.5 ms. Estes slots de 0.5 ms contem 7 sımbolos OFDM para o

Normal CP e 6 sımbolos para o Extended CP. Dois slots formam uma subframe de 1 ms, ou seja, um

10

LTE Transmission Time Interval (TTI). Cada RB equivale a 84 REs no caso de Normal CP e 72 REs

para Extended CP o que permite que sejam reservados conjuntos de REs para diferentes objetivos,

seja transmissao de dados, sincronizacao, etc. Esta divisao do espectro radio usado no DL em LTE

pode ser visualizado na Figura 2.4. Por fim se forem agrupadas 10 subframes obtem-se uma LTE radio

frame com duracao de 10 ms, que corresponde a maior unidade de tempo presente em LTE.

Figura 2.4: Radio frame LTE usando FDD e normal CP [Com09].

No entanto o OFDMA nao e usada no UL pelo facto de necessitar duma elevada potencia de pico, o que

nao e possıvel obter nos UEs por limitacoes referentes a bateria e consequente autonomia. A tecnica

SC-FDMA pelo contrario nao requer uma elevada potencia de pico conseguindo ainda assim manter

alguma flexibilidade no domınio da frequencia.

O SC-FDMA, tal como o OFDMA, divide a banda disponıvel em multiplas sub-portadoras ortogonais

entre si e usa tambem o tempo de guarda CP para eliminar o ISI. A grande diferenca reside no facto do

SC-FDMA usar sub-bandas maiores e menor duracao de sımbolos, o que permite reduzir a potencia de

pico necessaria no OFDMA. Cada sımbolo nao e atribuıdo directamente a cada sub-portadora mas sim

a uma combinacao linear destas. A Figura 2.5 compara o envio de 8 sımbolos QPSK usando OFDMA

ou SC-FDMA. Como se pode verificar no OFDMA sao enviados os 4 sımbolos em paralelo com um

tempo longo de sımbolo enquanto no SC-FDMA o envio de 1 sımbolo ocupa 60 kHz mas em contrapar-

tida necessita de 14 do tempo comparativamente com OFDMA para o envio desse mesmo sımbolo.

Atraves do uso das tecnicas de acesso multiplas ja descritas, os eNBs conseguem distinguir trans-

missoes de diferentes UEs dentro da celula. No entanto ainda e preciso distinguir transmissoes dos

UEs das transmissoes dos proprios eNBs. Isto e conseguido recorrendo a Frequency Division Duplex

(FDD) e Time Division Duplex (TDD). No FDD o eNB recebe e transmite ao mesmo tempo e e usada

uma frequencia para o DL e outra para o UL, sendo este o mais indicado dos dois para servicos com

trafico simetrico, como por exemplo voz. Ja em TDD a frequencia usada e a mesma mas os slots de

tempo sao divididos entre o DL e o UL e a duracao dos mesmos slots pode depender do trafego a ser

enviado. Este sera o mais indicado para servicos de dados visto a assimetria que tipicamente existe

entre o DL e o UL. Nesta tecnica e necessaria a utilizacao dum maior tempo de guarda de forma a

evitar interferencia entre slots adjacentes no tempo. Analogamente, na tecnica FDD e necessaria uma

11

Figura 2.5: Comparacao entre as tecnicas de acesso multiplo OFDMA e SC-FDMA [Whi08].

banda de guarda. Em FDD a trama usada e a Frame Structure Type 1 enquanto em TDD e usada a

Frame Structure Type 2. A que foi referida anteriormente trata-se da primeira visto FDD ser o metodo

mais implementado.

As larguras de bandas inicialmente suportadas em LTE encontravam-se entre 1.4 MHz e 20 MHz, mas

com o LTE-A e possıvel ir ate larguras de banda de 100 MHz usando CA com portadoras de 20 MHz.

Esta agregacao pode ser feita com portadoras da mesma banda, Intra-Band, ou de bandas diferentes,

Inter-Band. Cada banda tem tambem uma banda de guarda associada, uma banda que existe antes e

depois da banda de transmissao de forma a minimizar a interferencia das bandas adjacentes. A Tabela

2.1 mostra as larguras de banda disponıveis em LTE assim como o respetivo numero de RBs e sub-

portadoras suportados nessas bandas. A banda ocupada equivale a banda usada para transmissao,

sem as bandas de guarda.

Tabela 2.1: Larguras de banda suportadas em LTE [Cox12].

Largura deBanda [MHz] Numero de RBs Numero de

sub-portadorasBanda

Ocupada [MHz]Bandas de

Guarda [MHz]

1.4 6 72 1.08 2 x 0.163 15 180 2.7 2 x 0.155 25 300 4.5 2 x 0.2510 50 600 9 2 x 0.515 75 900 13.5 2 x 0.7520 100 1200 18 2 x 1

O debito duma ligacao num dado instante depende da qualidade do sinal recebido que por sua vez

depende da interferencia de celulas adjacentes, do desvanecimento, do ruıdo e das caracterısticas do

recetor, etc. De forma a otimizar o debito duma dada ligacao, o eNB necessita de ter a capacidade

12

de adaptar o sinal enviado tendo em conta as caracterısticas do canal sentidas pelo UE. A esta ca-

pacidade de adaptacao chama-se Adaptive Modulation and Coding (AMC) e consiste na alteracao do

esquema de modulacao e da taxa de codificacao, o que normalmente e referido como Modulation and

Coding Scheme (MCS). Quanto ao esquema de modulacao, e como ja foi referido, sao tres os utili-

zados: QPSK, 16-QAM e 64-QAM. O esquema mais robusto a erros mas com menor debito binario

e o QPSK, ja que apenas transporta 2 bits/sımbolo. Pelo contrario o mais sensıvel a erros mas com

maior debito binario e o 64-QAM por transportar 6 bits/sımbolo pelo que deve apenas ser utilizado em

ligacoes com elevada qualidade de sinal. A taxa de codificacao representa a relacao entre o numero

de bits de informacao e um numero total de 1024 bits. Os bits restantes equivalem a bits usados para

correcao/prevencao de erros que ocorram no canal recorrendo a tecnicas como Forward Error Correc-

tion (FEC), Automatic Repeat Request (ARQ) ou Hybrid ARQ. A selecao deste MCS a usar numa dada

ligacao pode ser definida tambem pelo UE atraves do Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR)

recebido, pois este consegue derivar um Channel Quality Indicator (CQI) que maximize o debito binario

para um valor de BLER considerado (tipicamente 10 %), que seguidamente e enviado no UL ao eNB.

A cada TTI o eNB gera um transport block (TB) para cada UE que corresponde a quantidade de bits

enviados. O tamanho de cada TB vai depender tanto do MCS usado como do numero de RBs alocados

ao respetivo UE. Na Tabela 2.2 encontram-se os valores possıveis de CQI e os respetivos MCS. Um

CQI igual a 0 corresponde a uma qualidade muito reduzida onde nenhum MCS e suportado.

Tabela 2.2: MCSs, CQIs e taxas de codificacao usados em LTE [STB09].

CQI Modulacao Taxa de Codificacao Eficiencia [bits/sımbolo]

0 Nao Aplicavel - -1 QPSK 0.076 0.15232 QPSK 0.120 0.23443 QPSK 0.190 0.37704 QPSK 0.300 0.60165 QPSK 0.440 0.87706 QPSK 0.590 1.17587 16-QAM 0.370 1.47668 16-QAM 0.480 1.91419 16-QAM 0.600 2.4063

10 64-QAM 0.450 2.730511 64-QAM 0.550 3.322312 64-QAM 0.650 3.902313 64-QAM 0.750 4.523414 64-QAM 0.850 5.115215 64-QAM 0.930 5.5547

No domınio do tempo, quanto menor for o intervalo no qual o CQI e reportado por parte do UE, mais

preciso sera o MCS usado numa determinada ligacao tendo em conta as condicoes do canal. O eNB

dispoe do controlo sobre a periodicidade dos CQIs, podendo requisitar ao UE envios periodicos de CQIs

ditando tambem o tempo de periodicidade dos mesmos. No domınio da frequencia os CQIs podem ser

atribuıdos a sub-bandas permitindo tambem uma melhor adaptacao. Os varios modos de feedback

suportados por parte do UE para o eNB no domınio da frequencia sao os seguintes:

13

• wideband feedback, o UE envia apenas um valor de CQI para toda a largura de banda;

• eNodeB configured sub-band feedback, envia um valor de CQI para toda a largura de banda,

assim como um valor de CQI para cada sub-banda definida pelo eNodeB;

• UE-selected sub-band feedback, para alem de enviar tambem um valor de CQI para toda a largura

de banda, sao selecionadas pelo UE um conjunto de sub-bandas sobre as quais este envia CQIs

referentes as mesmas assim como as suas posicoes.

A 3GPP definiu 11 bandas para TDD e 25 bandas para FDD, sendo que nem todas essas bandas

estao disponıveis em todas as regioes do mundo. Na Europa as bandas usadas incluem a de 800,

900, 1800, 2100 e 2600 MHz [3GP14a]. Em Portugal em Novembro de 2011, a Autoridade Nacional

de Comunicacoes (ANACOM), leiloou estas bandas juntamente com uma banda extra nos 450 MHz

[ANA11].

2.3 Multiple Input Multiple Output

A tecnica MIMO, LTE Release 8 [3GP08], consiste no uso de multiplas antenas tanto para o envio

como para a rececao, o que permite aumentar a capacidade do sistema e a distancia de cobertura

sem a necessidade de largura de banda adicional nem aumento de potencia transmitida. Sao tres

as tecnicas usadas recorrendo a MIMO: diversidade espacial, multiplexagem espacial e beamforming.

Com a introducao de MIMO nas comunicacoes moveis tornou-se possıvel explorar uma terceira di-

mensao para alem do tempo e da frequencia: o espaco.

O efeito desvanecimento nas comunicacoes moveis pode ser causado pelos fenomenos de multiper-

curso e efeito sombra. O multipercurso acontece devido aos varios caminhos que o sinal pode tomar,

chegando ao recetor com fases diferentes, o que vai causar interferencia construtiva ou destrutiva na

rececao. Na primeira os sinais estao em fase e portanto aumentam em amplitude enquanto na se-

gunda os sinais subtraem-se podendo mesmo anularem-se mutuamente. Este fenomeno e conhecido

por desvanecimento rapido. O efeito sombra, ou desvanecimento lento, e causado pela atenuacao dos

varios obstaculos que o sinal encontra ate chegar ao recetor, e.g., edifıcios, vegetacao, carros. Este

efeito acontece quando nao existe linha de vista do recetor com o emissor.

O uso do ganho de diversidade leva a um aumento da qualidade do sinal recebido e a reducao do

desvanecimento recorrendo a multiplas antenas na emissao, na rececao ou em ambos. Quanto maior a

distancia em comprimentos de onda entre as antenas, menor sera a correlacao entre o desvanecimento

sentido pelos sinais e maior sera o ganho de diversidade. Esta tecnica e mais usada no UL pela dificul-

dade existente em colocar multiplas antenas suficientemente espacadas nos UEs. Outra possibilidade

para criar diversidade e o uso de polarizacoes ortogonais ja que o desvanecimento sentido por estas e

pouco correlacionado.

A diversidade de rececao usa duas ou mais antenas na rececao para criar diversidade espacial, desig-

nado por Single Input Multiple Output (SIMO). Na rececao sao usadas duas formas de combining dos

sinais recebidos: selection combining e gain combining. No selection combining e escolhido a cada

14

instante o sinal com maior SINR enquanto no gain combining e feita a combinacao linear de todos os

sinais recebidos. Pelo contrario, a diversidade de transmissao usa duas ou mais antenas na emissao,

Multiple Input Single Output (MISO). O maior problema desta alternativa e a possibilidade da ocorrencia

de interferencia destrutiva na rececao ja que existe apenas uma antena. Existem duas solucoes para

este problema: Closed Loop Transmit Diversity (CLTD) e Open Loop Transmit Diversity (OLTD).

No CLTD o emissor envia duas copias do sinal a partir de duas antenas mas aplica uma desfasagem a

um ou a ambos os sinais. A desfasagem necessaria e determinada no recetor e enviada para o emissor

sob a forma dum precoding matrix indicator (PMI). Um PMI simples pode indicar uma de duas opcoes:

transmitir os dois sinais sem desfasagem ou transmitir o segundo com uma desfasagem de 180◦. Se

a primeira opcao der origem a interferencia destrutiva a segunda nao da certamente. As desfasagens

sentidas no canal dependem do comprimento de onda, e portanto da frequencia. A melhor escolha de

PMI vai entao depender da frequencia pelo que o UE pode enviar PMIs diferentes para conjuntos de

sub-portadoras diferentes. A posicao do UE vai tambem influenciar a escolha do PMI, o que leva a uma

necessidade de constante atualizacao deste no caso de UEs em movimento. O problema que surge e o

uso de PMIs, por parte do emissor, que ja nao estao atuais devido ao atraso introduzido pelo feedback

loop. Por esta razao, CLTD e apenas adequado a UEs que estejam estaticos ou a mover-se com uma

velocidade baixa. Para UEs com elevada velocidade existe o OLTD.

No OLTD o emissor envia dois sımbolos, s1 e s2, em dois intervalos de tempo consecutivos. No primeiro

intervalo envia s1 da primeira antena e s2 da segunda, enquanto no segundo intervalo envia −s∗2 da

primeira antena e s∗1 da segunda. O sımbolo ∗ representa o conjugado. O recetor pode agora resolver

as equacoes resultantes e recuperar os sımbolos transmitidos. Para que este metodo resulte ha dois re-

quisitos necessarios: o desvanecimento se mantenha praticamente o mesmo no primeiro e no segundo

intervalo de tempo e os dois sinais nao podem ser perdidos ao mesmo tempo devido a desvanecimento.

Esta tecnica pode ser usada para quatro antenas em LTE e e possıvel combinar Open e Closed Loop

Transmit Diversity com diversidade de rececao.

Na multiplexagem espacial, ao contrario da diversidade anteriormente abordada, e possıvel aumentar

o debito binario usando as varias antenas disponıveis para estabelecer fluxos de informacao paralelos.

Num sistema com Nt antenas de emissao e Nr antenas de rececao, Nt × Nr , o debito binario maximo

alcancavel e proporcional ao min(Nt , Nr ). Num caso simples de 2 × 2 o que acontece e que o emis-

sor retira do modulador 2 sımbolos a cada instante, para depois serem ambos enviados, 1 sımbolo

por antena. Neste caso o debito esta a ser duplicado. Os sımbolos viajam ate ao recetor por 4 ca-

minhos diferentes experienciando diferentes atenuacoes e alteracoes de fase. O recetor de seguida

usa os 2 sinais recebidos para recuperar os 2 sımbolos enviados. Esta separacao so e possıvel recor-

rendo previamente a uma tecnica denominada Channel Estimation que consiste no envio de sımbolos

de referencia por parte do emissor com uma predefinida amplitude e fase. No recetor e calculado a

atenuacao e o atraso de fase que foi introduzido pelo canal e torna-se assim possıvel remover o mesmo

para sımbolos de informacao. Visto neste exemplo se usarem 2 antenas para o envio, cada antena

envia o seu sımbolo de referencia a vez, o qual vai permitir ao recetor saber a atenuacao e o atraso

de fase de cada antena no recetor para cada antena no emissor. No entanto existe um problema com

15

esta tecnica e com os valores retirados do canal, depois de ser feito o Channel Estimation, que provoca

no recetor uma divisao por 0, [Cox12], impossibilitando assim a recuperacao dos sımbolos enviados.

Tambem este mesmo valor nao sendo 0 mas sendo bastante baixo indica que os sinais estao extre-

mamente afetados por ruıdo e que a recuperacao dos sımbolos nao e possıvel. Para resolver este

problema existe o Open Loop Spatial Multiplexing (OLSM).

No OLSM e enviado apenas um sımbolo num dado instante, i.e. o uso apenas de diversidade, quando

o canal nao permite que se use multiplexagem. Nesta tecnica o recetor estima os elementos do canal e

calcula um rank indication (RI), que indica o numero de sımbolos que o recetor consegue receber. Este

RI e entao enviado ao emissor e equivale ao numero de fluxos de informacao independentes suportados

naquele instante, tambem denominado de layers. Quando esta a ser usada diversidade, pode ocorrer

interferencia destrutiva dos sinais nas antenas de rececao, [Cox12], o que nao permite a recuperacao

dos sımbolos. A tecnica Closed Loop Spatial Multiplexing (CLSM) vem corrigir esse problema.

Quando esta a ser enviado apenas um sımbolo, o que foi introduzido em CLSM e a possibilidade de

alteracao do sinal/fase numa das antenas de emissao. Por exemplo para o envio do sımbolo s1, uma

das antenas enviaria s1 enquanto que a outra enviaria −s1. Caso o RI seja igual a 1, e usada diversi-

dade, enquanto que para um RI igual a 2 continua a ser usada multiplexagem espacial. Nesta tecnica

o recetor necessita de enviar nao so um RI mas tambem um PMI que maximize o debito binario da

ligacao.

E tambem possıvel usar multiplexagem espacial para mais do que um UE ao mesmo tempo, ou seja,

multiple user MIMO (MU-MIMO). Nos casos anteriormente referidos, as tecnicas de multiplexagem es-

pacial eram apenas entre um UE e um eNB, single user MIMO (SU-MIMO). Diferentes UEs podem

transmitir no UL na mesma portadora e no mesmo instante sem saberem que estao a usar multiplexa-

gem espacial. Sao dois os factores que tornam esta tecnica possıvel no UL: os UEs estarem normal-

mente bastante afastados uns dos outros e os eNBs poderem escolher quais os UEs com quem usar

esta tecnica. Apesar de nao aumentar o debito dos UEs em questao, o debito medio da celula aumenta.

No DL esta tecnica ja nao e possıvel sem o uso de beamforming.

O beamforming usa multiplas antenas no eNB de forma a aumentar a cobertura da celula. Esta tecnica

usa agregados de antenas na emissao do eNB para criar interferencia construtiva no UE para o qual

esta a enviar o sinal, e interferencia destrutiva nos UEs que estao a sofrer interferencia. A largura do

feixe para o UE principal e menor do que seria caso se usasse apenas uma antena de emissao, o que,

para a mesma potencia de emissao faz com que a cobertura aumente. O lobulo principal do agregado

pode ser direcionado para qualquer ponto da celula, sendo este apenas influenciado pela amplitude

e fase do sinal de cada antena do agregado. Num sistema com N antenas, e possıvel ter ate N − 2

nulos ou lobulos secundarios. Esta tecnica pode ser usada no UL e assim torna tambem possıvel o

aumento de cobertura. Beamforming funciona melhor se as antenas estiverem perto umas das outras,

com distancias da ordem do comprimento de onda, e se os sinais forem correlacionados ao contrario

da diversidade e multiplexagem espacial.

Com a introducao de multiplexagem espacial surge o Dual Layer Beamforming. Nesta tecnica o eNB

envia ao agregado de antenas dois fluxos de informacao em vez de um. De seguida estes fluxos sao

16

afetados por dois conjuntos de ganhos e alteracoes de fase e sao somados antes da emissao. Desta

forma sao criados dois feixes independentes que usam a mesma portadora mas transportam diferente

informacao para dois UEs. O eNB pode entao ajustar as amplitudes e fases para apontar os fluxos para

os dois UEs diferentes, para que um UE receba interferencia construtiva para a seu fluxo e interferencia

destrutiva para o outro fluxo e vice-versa. O debito binario esta entao a ser duplicado na celula. E

tambem possıvel direcionar dois feixes para duas antenas diferentes dum dado UE, duplicando assim

o debito para esse UE.

As tecnicas anteriormente descritas correspondem a modos de transmissao em LTE e estao na Tabela

2.3. Para cada tecnica esta indicado quais os parametros que o eNB espera receber no feedback por

parte do UE.

Tabela 2.3: Modos de Transmissao suportados no DL em LTE [Cox12].

UL feedback

Modo Descricao CQI RI PMI

1 Single Antenna Transmission x - -2 Open Loop Transmit Diversity x - -3 Open Loop Spatial Multiplexing x x -4 Closed Loop Spatial Multiplexing x x x5 Multiple User MIMO x - x6 Closed Loop Transmit Diversity x - x7 Beamforming x - -8 Dual Layer Beamforming x Configuravel9 Eight layer spatial multiplexing x Configuravel

Num dado TTI o modo de transmissao a ser usado numa ligacao e definido pelo eNB. Tipicamente

os eNB dispoem dum conjunto de antenas usadas para diversidade e multiplexagem espacial, com

distancias elevadas entre as antenas, e um agregado de antenas usado para tecnicas de beamforming,

com menor distancia entre as mesmas.

2.4 Coordinated Multipoint

Cada vez mais nas redes moveis e essencial garantir um elevado debito binario e elevada eficiencia

espectral a todos os utilizadores dentro da celula, independentemente da posicao do mesmo. Quando

um UE se encontra na orla duma celula, para alem da atenuacao de espaco livre ser elevada, este

recebe sinais de eNBs adjacentes ao seu e a sua propria transmissao vai chegar a varios eNB que

nao ao qual esta ligado. Se estas transmissoes de multiplos eNBs forem coordenadas o desempenho

das ligacoes pode melhorar significativamente. A esta coordenacao entre eNBs chama-se CoMP e foi

especificada na LTE Release 11, [Ahm13]. Esta especificacao suporta transmissao coordenada no DL

e rececao coordenada no UL e inclui tanto redes homogeneas como redes heterogeneas, onde poderao

existir nos de baixa potencia (e.g., relay nodes, pico- ou femto-cells) para servir areas especıficas de

celulas. Na transmissao referente ao DL, os sinais transmitidos de multiplos eNBs sao coordenados de

forma a aumentar a potencia do sinal recebido ou reduzir a interferencia co-canal. Ja no UL e possıvel

limitar a interferencia e garantir que a informacao e recebida, tirando partido dos multiplos pontos para

17

rececao disponıveis. Uma metrica tipicamente utilizada em comunicacoes moveis para averiguar o

possıvel desequilıbrio na divisao dos recursos de entre os UEs num eNB designa-se por fairness.

Existem varias formas de calcular este indicador, a utilizada nesta tese sera descrita no Capıtulo 3.

Em CoMP torna-se entao necessario formar grupos de eNBs, os chamados clusters. No entanto, quanto

maior o numero de eNBs e UEs agrupados maior se torna o overhead de sinalizacao e o feedback

necessario por parte dos UEs. Portanto este agrupamento devera ser limitado a um numero reduzido

de eNBs e UEs. A formacao de clusters pode ser feita de forma estatica, se estes nao se alterarem ao

longo do tempo, ou dinamica. A Figura 2.6 mostra uma rede tıpica de LTE e um exemplo de um cluster

nessa mesma rede. Em LTE normalmente um eNB e dividido em 3 sectores, ou celulas, em que cada

um dos quais cobre 120◦ da area desse eNB. Desta forma e garantido um melhor aproveitamento do

espectro disponıvel. Por outro lado vai provocar interferencia intra-eNB, entre sectores do mesmo eNB.

Interferencia entre dois eNBs distintos designa-se inter-eNB.

Figura 2.6: Rede LTE tri-sectorizada [MF11].

Apesar dos eNBs num sistema real apresentarem uma zona de cobertura com a forma dum cırculo, na

Figura 2.6 estes apresentam uma forma hexagonal. Isto acontece pela maior facilidade na modelacao

dum sistema desta forma. Assim nao ha zonas sem cobertura nem zonas com muita interferencia.

As tecnicas de emissao/rececao CoMP podem ser classificadas em duas categorias, as quais estao

representadas na Figura 2.7:

• Inter-eNB CoMP, onde a coordenacao entre eNB e feita atraves da interface X2 com um atraso de

feedback tıpico de 5-30 ms;

• Intra-eNB CoMP, onde os pontos de transmissao estao normalmente ligados atraves de fibra

optica o que possibilita um atraso de feedback na ordem de 5 ms, sem recurso a interface X2.

18

A arquitetura da rede, de forma a ser possıvel o uso de CoMP, tem de garantir a coordenacao e

sincronizacao entre os varios pontos de transmissao. No caso de inter-eNB CoMP, e necessaria a

troca de informacao sobre os UEs e os respetivos Channel State Information (CSI) entre os varios

eNBs, ou pontos de transmissao no caso de redes heterogeneas, o que requer uma baixa latencia e

uma elevada capacidade entre os mesmos. O CSI corresponde a agregacao dos parametros RI, PMI e

CQI.

Figura 2.7: Inter-eNB e Intra-eNB CoMP [Ahm13].

As duas tecnicas CoMP usadas no DL sao Joint Processing (JP) e Coordinated Scheduling/Beamforming

(CS/CB). Estas tecnicas aplicam-se tanto aos modos de operacao FDD como TDD e estao representa-

das na Figura 2.8.

Em JP a informacao a enviar esta em mais do que um ponto de transmissao, ou sectores em redes

homogeneas. JT e uma subcategoria desta tecnica e consiste no envio da mesma informacao, por

parte de pontos de transmissao diferentes para o mesmo UE utilizando o mesmo recurso radio. Desta

forma e possıvel melhorar a qualidade do sinal recebido e reduzir a interferencia na ligacao ja que os

pontos escolhidos para emissao, para alem do proprio eNB, eram anteriormente as maiores fontes de

interferencia para o UE. Outra subcategoria de JP e a Dynamic Point Selection (DPS) e muting, na

qual a informacao e transmitida pelo ponto que garantir melhor qualidade do sinal num dado instante

enquanto e eliminada a maior fonte de interferencia para essa ligacao, muting. O ponto que garante me-

lhor qualidade de sinal varia principalmente pelas constantes alteracoes do desvanecimento do canal.

Esta tecnica garante um equilibro entre complexidade, overhead e debito em relacao ao JT. E tambem

possıvel usar JT e DPS em simultaneo.

Por outro lado para CS/CB a informacao para um determinado UE encontra-se apenas num ponto de

transmissao. A emissao e feita apenas de um ponto mas o agendamento de recursos e a tecnica de

beamforming e coordenada entre os varios pontos de transmissao do cluster. Tambem aqui pode ser

usada a tecnica muting para reduzir a interferencia. Nesta tecnica o UE calcula nao so os PMIs que o

eNB deve usar de forma a maximizar a qualidade da transmissao mas tambem possıveis PMIs causa-

dores de forte interferencia na ligacao se usados por eNBs adjacentes, os chamados Worst Companion

Indicators (WCIs).

No UL as duas tecnicas CoMP usadas sao Joint Reception (JR) e CS/CB. Em JR, e de forma seme-

19

Figura 2.8: Tecnicas usadas no DL em CoMP [Ahm13].

lhante ao DL, a informacao e recebida por varios pontos de forma a melhorar a qualidade do sinal. O

agendamento de recursos e as decisoes de pre-codificacao em CS/CB sao feitas de forma coordenada

pelo cluster e a informacao proveniente do UE e apenas recebida por um ponto.

Os UEs necessitam agora de calcular o CSI nao so para o ponto ao qual estao ligados mas tambem

para um conjunto de pontos de transmissao adjacentes. Este conjunto de pontos equivale a uma parte

do cluster e pode variar com a mobilidade do UE. Na LTE Release 11 foi definida um procedimento de

gestao de recursos CoMP para cada UE de forma a ajudar a rede a definir estes conjuntos sobre os

quais sao calculados os CSIs [Ahm13].

Para a tecnica CS/CB sao necessarios pelo menos dois CSIs para dois pontos de transmissao distintos,

onde um deles e referente ao ponto de transmissao que esta a servir o UE em questao e o outro, ou

outros, e referente ao ponto de transmissao que esta a interferir na ligacao. Tambem na tecnica DPS

sao necessarios os CSIs referentes a varios pontos de transmissao para ser possıvel a rede trocar

para o melhor num dado instante. Em JT a pre-codificacao e aplicada de forma individual entre os

pontos de transmissao e portanto torna tambem necessario o calculo do PMI para diferentes pontos de

transmissao.

2.5 Estado da Arte

O desempenho das tecnicas CoMP JP e CS/CB e analisado em [Ahm13]. Foi concluıdo que ha melho-

ria de desempenho usando CoMP, tanto para redes homogeneas como heterogeneas. Esta melhoria

acontece nos UEs que sao bastante afectados por interferencia, que se encontram normalmente na

orla da celula. No DL em redes homogeneas, usando JT MU-MIMO 4 × 2, os ganhos de eficiencia

espectral medios por celula sao de 10 % enquanto os ganhos na orla sao de 30 % aproximadamente.

Quando usado CS/CB SU-MIMO 4× 2, observam-se perdas de 25 % na eficiencia espectral media por

celula comparativamente com MU-MIMO 4 × 2 enquanto na orla se verificam perdas de 4.5 %. Em

geral a tecnica JT obtem maior ganho comparativamente a CS/CB, a custa dum maior aumento de

20

complexidade nas ligacoes entre os varios pontos de transmissao. No UL quando usado JR MU-MIMO

1 × 4, os ganhos de eficiencia espectral medios por celula sao de 3 % e os ganhos de orla de 2.5 %.

O desempenho destas tecnicas foi tambem testado para diferentes atrasos da rede na comunicacao

entre pontos de transmissao. Assumiu-se um atraso inicial da comunicacao dos CSIs entre pontos de

transmissao de 5 ms e foi-se incrementando esse valor por 5 ms ate um valor final de 20 ms. Por cada

salto, a perda de debito binario por UE e aproximadamente de 7 % para CS/CB SU-MIMO e 10 % para

JT MU-MIMO, pelo que a tecnica CS/CB se mostrou mais resistente a atrasos que JT.

No artigo [Saw+10] sao analisados os desempenhos das tecnicas CoMP JT e CS. Os resultados apre-

sentados sao referentes aos UEs que se encontram na orla, o que neste artigo equivale a 5 % da funcao

de distribuicao cumulativa do debito da celula, assumindo 10 UEs por celula em modo full-buffer. A lar-

gura de banda do sistema e de 9 MHz, o que corresponde a 50 RBs, e a portadora encontra-se nos

2 GHz. A atenuacao em espaco livre decai com um factor de 3.76, enquanto que o efeito sombra segue

a distribuicao log-normal com um desvio padrao de 8 dB. O scheduler usado foi o proportional fair, e foi

tambem usado AMC. Os UEs que usaram CoMP, e assim considerados estar na orla da celula, foram

os que entre o eNB principal que os servia e o segundo melhor eNB tinham apenas 3 dB de diferenca

no valor da atenuacao de espaco livre. No primeiro cenario, 2×2, os ganhos de debito para UEs na orla

usando JT e CS sao de respetivamente 58 % e 43 % em relacao ao caso em que nao e usado CoMP e

se obtem um debito na celula de 12 Mbit/s. Os valores sao obtidos por maior ou menor atribuicao de

recursos da rede a orla. JT consegue maiores ganhos que CS por ter disponıvel uma maior potencia,

de varios eNBs, na rececao nos UEs. Os ganhos, quando e usado 4 × 2, sao aumentados em mais

34 % e 30 % para JT e CS respetivamente.

No livro [MF11] sao comparados os ganhos de JT e CB/CS no DL numa rede LTE, assim como os

requisitos de capacidade entres os varios pontos de transmissao da rede para suportar o uso de CoMP.

O sistema e constituıdo por 19 eNBs colocados numa rede hexagonal e distanciados de 500 m entre

si. Os UEs encontram-se uniformemente distribuıdos pelas celulas, 10 UEs/celula, e e usado full-buffer

quanto ao trafego. A frequencia da portadora e de 2 GHz com uma largura de banda de 10 MHz. Os

MCSs sao atualizados com um intervalo de 1 ms. Os clusters usados em JT nesta simulacao sao cons-

tituıdos por 2 ou 3 eNBs, nao havendo cooperacao de nenhum tipo fora dos mesmos. Usando CS/CB

4 × 2 SU-MIMO os ganhos de debito observados na orla da celula sao de 11 % e o ganho medio por

celula de 5 %. Por outro lado para CS/CB 4 × 2 MU-MIMO houve ganhos de debito de 5 % na orla da

celula mas nao houve ganho no debito medio. O que acontece usando MU-MIMO e que as restricoes

dos WCIs sao tantas que muitos recursos operam em SU-MIMO. Visto que o ganho de eficiencia es-

pectral de MU-MIMO em relacao a SU-MIMO e de apenas 13 , nao sao compensadas estas restricoes

com o aumento do SINR. Ja em JT 2 × 2 MU-MIMO os ganhos medios de debito por celula foram de

20 % e 42 % para clusters de tamanho 2 e 3 respetivamente. O aumento de trafego entre eNBs que

a rede necessitaria para suportar CS/CB seria de 1.8 Mbit/s/celula, para cada lado, quando o UE re-

porta 4 WCIs dos 6 possıveis, dos eNBs adjacentes ao seu. Para suportar JT a rede necessitaria de

80 Mbit/s/eNB e 168 Mbit/s/eNB para clusters de tamanho 2 e 3 respetivamente. Foi assumido que

para clusters de tamanho 2 e para 2 celulas arbitrarias a realizar JT, a probabilidade de pertencerem

21

ao mesmo eNB e de 13 . Para clusters de tamanho 3 a probabilidade das 3 celulas em cooperacao

pertencerem ao mesmo eNB e de 16 , de 2 pertencerem e 1

2 e finalmente 13 quando apenas uma celula

pertence ao eNB principal.

Em [Zha+09] e analisado o desempenho de JT 4 × 2 no DL numa rede LTE. A rede e constituıda por

7 eNBs, 10 UEs/celula. A banda utilizada sao 10 MHz, a potencia de emissao dos eNBs e 46 dBm e

atuam em modo full-buffer. O debito medio da celula e aumentado em 3.67 % enquanto o da orla e

aumentado em 2.89 % quando e usado JT apenas nos UEs com pior SINR. Os valores de referencia

correspondem ao caso SU-MIMO sem JT. Quando usado MU-MIMO com JT o aumento e de 18.43 %

para o debito medio e 32.53 % para o debito da orla. Pelo contrario quando e usado SU-MIMO com JT

em toda a celula o debito medio cai 54.41 % e o da orla cai 24.58 %.

Sao propostos dois algoritmos iterativos para a alocacao de recursos radio para um cluster de eNBs a

usar JT numa rede operando em OFDMA em [Li+12b]. E estudada a alocacao de potencia e o agenda-

mento de UEs sobre multiplos eNBs. Os resultados da simulacao mostram que estes algoritmos obtem

uma solucao muito proxima da otima, com baixa complexidade computacional.

E desenvolvido no artigo [Li+12a] um esquema de alocacao de potencia num sistema, com dois eNB e

dois UEs, a usar JT no DL. E estudado o pior caso em que as fases das portadoras nao estao sincroni-

zadas entre os eNBs o que impossibilita o uso de precoding. A alocacao de potencia e extremamente

simples, cada celula transmite com a potencia maxima para apenas um UE. Os resultados demonstram

que ha ganhos na soma dos debitos binarios em relacao aos esquemas power allocation, binary power

control, greedy power allocation e joint water-filling.

A transmissao de informacao em redes a usar CoMP na presenca de limitacoes no feedback de CSIs,

e a usar quantizacao dos mesmos, e estudado em [Mak+12]. Os resultados mostram que ha melho-

rias no desempenho em redes com limitado numero de bits para feedback por eNB, particularmente

quando o desvanecimento nao e muito sentido. A alocacao otima de bits torna-se mais importante para

UEs que estejam na orla. Na maior parte dos casos o esquema Zonal-sampling consegue a melhor

alocacao de bits e consequentemente a maximizacao do debito do sistema.

22

Capıtulo 3

Simulador e Modelos Desenvolvidos

Inicialmente e introduzido o simulador LTE usado nesta tese, assim como o seu funcionamento. De

seguida sao apresentados os modelos desenvolvidos e os parametros de simulacao constantes em

todos os cenarios apresentados no Capıtulo 4. No fim do capıtulo encontra-se a avaliacao do simulador

de forma a validar os resultados obtidos.

23

3.1 Descricao do Simulador

O simulador usado nesta tese, e sobre o qual foram implementados os modelos descritos na Seccao

3.2, designa-se LTE Downlink System Level Simulator v1.7 r1119 [IWR10] e foi desenvolvido pelo Ins-

titute of Communications and Radio-Frequency Engineering da Vienna University of Technology. O

funcionamento do referido simulador esta ilustrado no diagrama de blocos da Figura 3.1.

Leitura dosParametros

Definicaodo Cenario

Criacao da Rede

Fim daSimulacao?

Calculo doSINR/CQIpelos UEs

eNB recebefeedback e

agenda RBs

Envio de TBs Apresentacaodos Resultados

Nao

Sim

Figura 3.1: Diagrama de blocos do simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7r1119[IWR10].

No primeiro bloco “Leitura dos Parametros”, o simulador guarda todos os valores introduzidos no fi-

cheiro de entrada. Estes parametros definem a simulacao e nao sao alterados ao longo da mesma, e

serao apresentados posteriormente na Seccao 3.3.

Em seguida, na “Definicao do Cenario” o simulador carrega um dos varios ficheiros de configuracao da

rede que se encontram disponıveis, os quais contem os valores necessarios para definir um cenario.

Pelo facto de haver muitas variaveis a definir, estes cenarios predefinidos facilitam a simulacao por parte

do utilizador.

Na “Criacao da Rede” sao colocados sobre um mapa de coordenadas, de 2 dimensoes, um numero

de estacoes base, ou eNBs, previamente definido. Estas podem-se encontrar equidistantes ou nao.

No caso de nao o estarem, a sua posicao tem de ser definida no ficheiro de entrada. Sao tambem

definidos quais os eNBs para os quais sera calculado o debito binario, e sao estes os definem a regiao

24

de interesse (RDI). Os outros eNBs sao apenas utilizados como fontes de interferencia. Idealmente

nao sao incluıdos na RDI os eNBs do anel mais distantes do centro por nao terem todas as fontes

de interferencia que teriam num caso real. No decorrer desta tese foram sempre considerados eNBs

tri-sectorizados pelos motivos apresentados na Seccao 2.4. Para alem de eNBs podem tambem ser

colocadas femtocells na rede de forma homogenea. Sao depois introduzidos os UEs de uma de duas

formas: um numero de UEs fixo para cada eNB ou, de forma semelhante aos eNBs, e especificado

uma posicao para cada um. Esta posicao consiste na especificacao duma distancia do UE ao eNB

ou nas proprias coordenadas. Os UEs podem deslocar-se a uma velocidade constante durante toda a

simulacao, ou por outro lado encontrarem-se estaticos.

Em relacao as antenas e o seu padrao de radiacao, este e modulado em 3D. Numa primeira fase a

empresa KATHREIN forneceu os valores referentes aos padroes de radiacao de modelos de antenas

comerciaveis. Seguidamente a interpolacao desses padroes de radiacao para 3D foi realizado em

[Thi+09]. Este modelo tem como valores de entrada: altitude e altura do eNB, altura do UE, downtilt

mecanico/eletrico, tipo de antena e a largura de banda que as antenas usam.

Tambem nesta fase sao calculados mapas de pathloss e desvanecimento. Cada sector de eNB tem uma

matriz na qual e possıvel retirar a atenuacao em espaco livre para qualquer ponto do mapa. O modelo

para o calculo do pathloss, em dB, em redes LTE urbanas usado no decorrer desta tese encontra-se

em [RAN14] e obedece a seguinte equacao:

L[dB] = 40 · (1− 4 · 10−3 · Dhb[m]) · log10(R[km])− 18 · log10(Dhb[m]) + 21 log10(f[MHz]) + 80 (3.1)

onde:

• Dhb: altura da antena da estacao base medida a partir da altura media dos telhados;

• R: distancia entre o eNB e o UE;

• f : frequencia da portadora.

O calculo do mapa de efeito de sombra e feito para todos os eNBs da rede. Para cada eNB e gerada

uma distribuicao lognormal 2D espacialmente correlacionada, de acordo com [Cla05]. Os valores da

media e do desvio padrao da distribuicao lognormal, da resolucao do mapa, do numero de vizinhos e

da correlacao inter-eNBs sao parametros de entrada. A resolucao do mapa indica para quantos metros

se aplica um valor do mapa. O numero de vizinhos indica quantos eNBs sao tidos em conta pelo

algoritmo na correlacao espacial e a correlacao inter-eNBs indica o nıvel de correlacao entre mapas de

eNBs diferentes. A correlacao entre sectores num eNB esta fixado em 1, ou seja, para um dado ponto

do mapa e um dado eNB, os 3 sectores desse eNB tem o mesmo valor de efeito sombra. A funcao

normalizada de correlacao entre a atenuacao causada pelo efeito sombra entre um dado ponto e outro

ponto a uma distancia x e dada por:

r (x) = e−αx , x ≥ 0 (3.2)

onde:

25

• e−α: coeficiente de correlacao entre dois pontos distanciados de x = 1;

• x : distancia entre dois pontos.

Alternativamente e possıvel correr o simulador e limitar o efeito de sombra a 0 dB para todos os pontos

do mapa.

Apos obtidos os valores de pathloss, desvanecimento lento e ganho das antenas e gerado o mapa de

macroscopic pathloss para cada sector. O ganho das antenas vai depender dos angulos (horizontal

e vertical como referidos no simulador) da antena para um determinado ponto e pode ser calculado

consultando o padrao de radiacao previamente gerado. Caso a rede tenha um numero fixo de UEs por

sector, a posicao destes so pode ser definida depois de obtido este mapa de macroscopic pathloss.

Seguidamente e calculado o desvanecimento rapido com recurso ao modelo Wireless World Initiative

New Radio (WINNER II) [Nar+07a], que se encontra descrito no Anexo C. Sao parametros de entrada

para este modelo o numero de antenas tanto no eNB como no UE, a largura de banda, a velocidade

dos UEs, a correlacao ou nao do desvanecimento ao longo do tempo e a duracao em segundos.

Depois de gerados os mapas de macroscopic pathloss e feita a ligacao dos UEs aos eNBs, ou mais

especificamente, aos sectores. Para cada UE sera calculado o sector com menor valor de macroscopic

pathloss e e feita a ligacao para este.

A unidade de tempo usada no simulador e o TTI, pelo que a verificacao de fim de simulacao e uma

comparacao entre o TTI atual com o TTI final. O desempenho do sistema e calculado TTI a TTI. No

fim de cada um sao guardados os valores relevantes a fim de serem apresentados e impressos nos

resultados.

A primeira funcao dentro da rotina consiste no calculo do SINR/CQI, e RI e PMI se necessarios (con-

forme referido na Seccao 2.3), por parte de todos os UEs para todos os RBs disponıveis no sistema.

Nesta fase os UEs ainda nao sabem quais os recursos da rede que lhes serao atribuıdos. Por fim e

preparado o feedback por parte do UEs para os eNBs. Este feedback pode sofrer um atraso especi-

ficado em TTIs no ficheiro de entrada. Um atraso de 0 TTI implica que os SINRs/CQIs sao recebidos

pelos eNBs antes destes fazerem o envio dos correspondentes RBs, ou TBs. Nesta tese e este o caso

utilizado. Por outro lado os Acknowledgements (ACKs) tem um atraso mınimo de 1 TTI. Um ACK e uma

simples mensagem usada em comunicacoes moveis, enviada do recetor para o emissor, que indica a

correta rececao dum dado conjunto de bits.

O desvanecimento rapido e calculado para grupos de 6 sub-portadoras, ou seja, 90 kHz. Desta forma

para um RB existem dois valores de desvanecimento diferentes, o que se traduz em dois valores de

SINR diferentes. O simulador usa um algoritmo de calculo de media do SINR designado por Mutual In-

formation Effective Signal to Interference and Noise Ratio Mapping (MIESM) [WTA06]. Inicialmente o si-

mulador usava a tecnica Exponential Effective Signal to Interference and Noise Ratio Mapping (EESM),

descrita em [PWT04]. Esta tecnica consiste na traducao dos valores SINR dum bloco de sımbolos a

variar na frequencia para um SINR efetivo. No entanto para fazer esta conversao era necessario ter

dois fatores de ajustamento: modulacao e taxa de codificacao de cada bloco. Por outro lado usando

MIESM apenas e necessario um dos fatores, e na maioria dos casos e possıvel obter bons resultados

26

mesmo sem factor de ajustamento [WTA06].

Depois de obtido o vetor com os SINRs e antes de ser enviado o feedback aos eNBs, e necessario fazer

a conversao para valores de CQI que garantam um BLER abaixo do desejado. O mapeamento desta

conversao esta ilustrado na Figura 3.2. Do lado esquerdo esta o grafico generico que permite calcular,

para um dado SNR, o CQI para qualquer valor de BLER enquanto que do lado direito se encontra o

caso tıpico de um BLER igual a 10 %. O RI e o PMI sao escolhidos de forma a maximizar o debito da

ligacao em questao.

Figura 3.2: Mapeamento do SNR e BLER para varias curvas de CQI do lado esquerdo e do ladodireito curva de relacao entre SNR e CQI para um BLER de 10 % [Ins13].

No segundo bloco da rotina os eNBs vao receber todo o feedback sobre os UEs aos quais estao liga-

dos, para de seguida estarem em condicoes de fazer o agendamento dos RBs. Sao 4 os schedulers

suportados pelo simulador:

• round robin, distribui os RBs de igual forma por todos os UEs;

• best CQI, cada RB e atribuıdo ao UE que apresentar melhores condicoes de canal;

• proportional fair Sun, tenta maximizar o debito do sistema garantindo fairness entre UEs [SYY06];

• fractional frequency reuse, permite a especificacao dum scheduler para os UEs na zona de full

reuse e outro scheduler para a zona de partial reuse.

A equacao segundo a qual a metrica fairness e calculada no simulador chama-se Raj Jain [Lab+84]:

J(x1, x2, ... , xn) =(

n∑i=1

xi )2

n ·n∑

i=1x2

i

(3.3)

onde:

• n: numero de UEs;

27

• xi : debito da ligacao numero i .

Este indicador varia entre um valor mınimo de 1n , quando apenas um UE e servido, e 1 no caso em que

todos os UEs conseguem o mesmo debito binario.

O numero de RBs disponıveis no sistema e tambem parametro de entrada, assim como a frequencia

de funcionamento. Depois do agendamento e calculado para cada UE o numero de RBs, o numero de

layers, a potencia atribuıda, a taxa de codificacao, e o tamanho do TB. RBs com um CQI igual a 0 sao

perdidos no TTI em questao. Os modos de transmissao suportados no simulador sao: uma antena de

transmissao, OLTD, OLSM e CLSM.

O ultimo bloco da rotina esta encarregue de avaliar se os TBs foram bem recebidos ou nao por parte

dos UEs com base nos respetivos BLERs. No fim, e antes de comecar novo ciclo para o TTI seguinte,

sao guardados os desempenhos da rede no TTI atual.

Depois de simulados todos os TTIs os resultados sao apresentados no ecra e guardados num ficheiro

“.mat”.

3.2 Modelos Desenvolvidos

Foi necessario criar dois modelos para a implementacao de JT no simulador LTE Downlink System Level

Simulator v1.7 r1119 [IWR10]. Esses modelos serao descritos nesta seccao, assim como alteracoes de

outra ordem no simulador. UEs que nao usem JT serao referidos como UEs normais.

3.2.1 Uso de Joint Transmission

O primeiro modelo desenvolvido foi implementado no bloco “Criacao da Rede”, Seccao 3.1. Tem como

finalidade decidir quais os UEs que usarao JT e encontrar para estes o(s) melhor(es) sector(es) para o

fazerem. Podem ser ligados a 2 ou a 3 sectores, conforme o tipo de cooperacao escolhido. Quanto a

formacao de clusters de cooperacao, foram 4 as definidas:

• todos os eNBs cooperam entre si, a rede e um unico cluster ;

• definidos clusters de 2 eNBs;

• definidos clusters de 3 eNBs;

• apenas existe cooperacao no proprio eNB, intra-eNB.

No caso de serem definidos clusters de tamanho 2 ou 3, estes sao definidos para uma dada rede e caso

esta rede se altere, torna-se necessario redefini-los. Nao existe cooperacao entre clusters diferentes.

Os clusters usados nesta tese podem ser visualizados no Anexo B.

Tal como no simulador sem alteracoes, os UEs sao inicialmente ligados ao sector que apresentar menor

valor de macroscopic pathloss. Como ja foi referido o mapa de macroscopic pathloss para cada sector e

obtido atraves da soma do pathloss, do ganho da antena e do desvanecimento lento. O primeiro sector

ao qual os UEs se ligam sera referido como sector principal. Os outros serao os sectores secundarios.

28

De seguida e preciso definir quais as condicoes que permitam decidir se um dado UE usara JT ou

nao. Para isso foram criadas 3 variaveis: relacao entre o raio a partir do qual e considerado orla e

o raio do eNB, valor de macroscopic pathloss maximo para o sector principal que justifique a procura

de outro sector, e diferenca maxima entre o valor de macroscopic pathloss do sector principal para os

secundarios. A primeira e a segunda variavel sao aplicadas na condicao 1 e condicao 2 respetivamente:

Rmin[%] ·DeNB[m]

2<

√d2

x [m] + d2y [m] (3.4)

onde:

• Rmin: relacao entre o raio a partir do qual e considerado orla e o raio do eNB;

• DeNB: distancia entre eNBs;

• dx : componente x da distancia do UE ao eNB;

• dy : componente y da distancia do UE ao eNB.

PLpri [dB] > PLmax [dB] (3.5)

onde:

• PLpri : valor de macroscopic pathloss para o sector principal;

• PLmax : valor de macroscopic pathloss maximo para o sector principal que justifique a procura de

outro sector.

A condicao 1 fara com que UEs que se encontrem suficientemente longe do sector principal, e con-

sequentemente a uma distancia semelhante dum sector secundario, usem JT. A condicao 2 garante

que UEs que nao consigam um bom macroscopic pathloss devido ao diagrama de radiacao e efeito

sombra do sector procurem tambem um sector secundario. Outra vantagem da condicao 2 e a invaria-

bilidade quando se alteram valores de (3.1), ou mesmo quando se altera o modelo usado para calculo

de pathloss ou efeito sombra. Cada UE que cumpra pelo menos uma das condicoes referidas devera ir

a procura dum segundo e, dependendo dos parametros de entrada, dum terceiro sector.

Depois de encontrado o segundo sector com menor macroscopic pathloss, ou seja, o primeiro sector

secundario, e necessario que este cumpra a condicao 3 antes que a ligacao do UE ao sector seja feita:

PLsec[dB] < PLpri [dB] + ∆PLmax [dB] (3.6)

onde:

• PLsec : valor de macroscopic pathloss para o sector secundario;

• PLpri : valor de macroscopic pathloss para o sector principal;

• ∆PLmax : diferenca maxima entre o valor de macroscopic pathloss do sector principal para os

secundarios.

29

Desta forma e garantido que um UE nao se liga a um sector secundario se este nao apresentar um

macroscopic pathloss semelhante, ou pelo menos nao muito superior ao do sector principal. Caso a

ligacao seja entao feita para o segundo sector, o UE procura um terceiro sector. Tambem o macroscopic

pathloss para o terceiro sector tem de respeitar a condicao 3. E possıvel limitar a cooperacao a dois

sectores por UE no ficheiro de entrada, independentemente do tipo de cooperacao escolhido.

No bloco “Calculo do SINR/CQI pelos UEs”, descrito na Seccao 3.1, foi necessario fazer alteracoes

para suportar o uso de JT. Agora os UEs calculam tambem para os sectores secundarios os seguin-

tes valores: pathloss, ganho da antena, perdas de penetracao e desvanecimento lento e rapido. As

potencias dos varios sectores sao depois somadas na rececao para o calculo correto dos CQIs por

parte dos UEs. Nesta tese o atraso no feedback entre os UEs e os eNBs e igual a 0 TTI, ou seja, os

eNBs usam sempre os CQIs/RIs/PMIs ideais para o estado das ligacoes, tanto dos sectores principais

como secundarios. Nao e tirado partido do facto de haver mais antenas na emissao por se usar JT,

como por exemplo ganho de diversidade.

Na apresentacao dos resultados foi criada uma funcao que calcula o numero de UEs a usar JT (tanto

ligados a 2 como a 3 sectores), o numero de UEs restantes da orla sem usar JT, e o numero de UEs do

centro. E tambem calculado o debito medio para todos estes grupos de UEs. Todos estes valores sao

impressos no ecra e guardados no ficheiro de resultados. Um UE pertence a orla se cumprir a condicao

1, (3.4).

3.2.2 Agendamento dos Recursos Radio

O agendamento de RBs que era feito ate entao pelo simulador de forma individual passou a ser feito em

conjunto entre sectores. Agora o pretendido e que, em cada TTI, UEs a usar JT tenham disponıveis os

mesmos RBs em todos os sectores aos quais estao ligados. Estas alteracoes foram feitas no bloco em

que os eNBs recebem o feedback dos UEs e fazem o preenchimento da resource block grid (RBG). A

RBG consiste num vetor de RBs onde o tamanho depende da largura de banda disponıvel no sistema.

Cada setor tem a sua RBG, logo por eNB existem 3 RBGs. Inicialmente cada sector agenda os recursos

de forma individual e em concordancia com o scheduler escolhido no ficheiro de entrada, tal como seria

feito pelo simulador sem alteracoes. Depois e entao aplicado um dos dois modelos criados nesta tese:

Scheduler 1 ou Scheduler 2. O modelo a usar e especificado no ficheiro de entrada. O Scheduler 1

e executado para todos os UEs na RDI a usar JT, enquanto o Scheduler 2 e executado para todos os

sectores na RDI.

O Scheduler 1 esta representado no diagrama de blocos da Figura 3.3.

Sao primeiro calculadas as posicoes em que o UE a ser alterado se encontra nas RBGs. De recordar

que nesta fase ja foi feito o agendamento dos recursos e as RBGs ja se encontram preenchidas. As

posicoes sao obtidas segundo a forma dum vetor, e cada UE tera um vetor para cada sector ao qual

esta ligado. Cada posicao do vetor indica um RB que o UE dispoe no corrente TTI no correspondente

sector. Neste momento existem entao 2, ou 3 vetores para cada UE com muito provavelmente valores

diferentes e tamanhos diferentes. Os vetores terem tamanhos diferentes acontece porque cada sector

pode ter um numero de UEs diferentes devido aos UEs a usar JT. O pretendido e que tenham os

30

Obterposicoes RBG

Alterar RB

Ultimo RB?

Limpar RBsisolados

Sim

Nao

Figura 3.3: Diagrama de blocos do Scheduler 1, executado para todos os UEs da RDI.

mesmos valores e o mesmo tamanho. E feito um ciclo em que a cada iteracao e tratada uma posicao

dos 2/3 vetores. Um dos valores do vetor e tido como o de referencia a vez, e e tentado trocar os UEs

que ocupam esse RB nos outros sectores. A troca e feita se:

• o RB nao esteja alocado a nenhum UE (traduz-se num 0 na RBG);

• o UE ao qual pertenca o RB nao esteja a usar JT;

• o identificador (ID) do UE seja superior ao ID do proprio UE.

Os UEs que nao usem JT podem ser alterados na RBG pelo facto de nao haver qualquer tipo de sin-

cronismo entre sectores. Pelo contrario alterar UEs a usar JT na RBG pode ser feito apenas se o ID for

superior ao ID do proprio UE, o que significa que o Scheduler 1 ainda nao foi executado para este UE

e portanto ainda nao existe sincronismo. Cada UE tem um ID unico em toda a rede.

Estao disponıveis tantos valores de referencia quantos sectores aos quais um UE esta ligado por

iteracao. Se depois de tomadas as 2 ou 3 posicoes de referencias ainda nao tiver sido possıvel co-

ordenar os setores, sao alterados todos eles. Varre-se a RBG de todos os setores ate ser encontrado

um RB comum em que seja possıvel colocar o UE.

Caso um ou dois sectores tenham mais RBs alocados ao UE que os outros ou outro sector, estes RBs

a mais sao alocados a UEs normais. Desta forma e garantido que os UEs sao servidos apenas quando

ha coordenacao entre todos os sectores aos quais estao ligados. Para encontrar UEs que nao usem JT

e percorrida uma lista que cada sector tem com os UEs que este serve.

Caso o scheduler usado pelo simulador antes de ser executado o Scheduler 1 tenha em conta o des-

vanecimento rapido em cada RB, e em particular neste caso em que o atraso no feedback e igual a 0,

esta troca de RBs seria pouco eficiente. No entanto este nao e o caso ja que nenhum dos schedulers

31

implementados no simulador tem isso em conta.

O Scheduler 2 aloca uma percentagem da RBG destinada ao uso de JT. Esta percentagem e especifi-

cada no ficheiro de entrada e e igual para todos os sectores. Na Figura 3.4 encontra-se o diagrama de

blocos referente ao Scheduler 2. Cada bloco do diagrama e executado primeiro para todos os sectores,

e so depois se passa para o bloco seguinte. O primeiro bloco e executado para todos os sectores da

rede enquanto os restantes apenas para sectores na RDI.

Desalocar partedas RBGs

Alocar uma vezUEs a usar JT

PreencherRBGs com

UEs a usar JT

Finalizar RBGscom UEs normais

Figura 3.4: Diagrama de blocos do Scheduler 2, executado para todos os sectores.

Tal como no Scheduler 1, so e alocado um determinado RB a um UE a usar JT se este for servido

por todos os sectores aos quais esta ligado. Tambem este modelo e aplicado depois de preenchida a

RBG uma primeira vez. Comecam por ser retirados todos os UEs que usam JT da RBG, o que equivale

a colocar um 0 em todos os RBs ocupados por estes. De seguida sao eliminados todos os UEs da

percentagem da grelha que esta dedicada ao uso de JT. Da parte da RBG dedicada a UEs normais sao

retirados os UEs que usam JT, e sao preenchidos esses RBs com UEs normais com recurso a um vetor

de prioridades em que o UE na primeira posicao e o que menos RBs tem na RBG. E usado o algoritmo

de ordenacao bubble sort [Moo14] para conseguir este vetor de prioridades. Depois de executado este

bloco para todos os sectores, e passado ao proximo. As RBGs neste momento estao vazias ate ao

ultimo RB alocado para JT e preenchidas por UEs normais nos restantes RBs.

No segundo bloco, cada sector aloca um RB para cada UE a usar JT que tenha o proprio sector como

principal. Esta alocacao so e possıvel se o RB estiver ainda livre tambem nos sectores secundarios.

Desta forma tenta-se garantir que haja pelo menos um RB para cada UE a usar JT. Isto pode nao acon-

tecer se a percentagem da grelha alocada for menor que o numero de UEs a usar JT num dado sector,

ou se por motivos de sincronismo nao for possıvel fazer a coordenacao entre sectores para um dado

UE. Os primeiros sectores terao mais facilidade ao alocar visto disporem de mais RBs livres, tanto na

sua RBG como na dos outros sectores. Caso esta parte da RBG fosse toda preenchida neste bloco,

em muitos sectores quando chegasse a vez de preencher a sua parte ja seriam muito poucos os RBs

disponıveis e entao haveriam muitos UEs sem um unico RB.

No terceiro bloco a restante percentagem da grelha alocada para JT e preenchida. E percorrido RB a

32

RB e sao tentados preencher os RBs ainda livres. E tambem aqui usado o algoritmo bubble sort para

criar um vetor de prioridades para UEs a usar JT. Pode ocorrer o caso em que mesmo usando este

vetor de prioridades o UE a ser alocado seja sempre o mesmo por impossibilidade de sincronismo dos

UEs com prioridade sobre este. Por este motivo foi criada a condicao:

NRB >NRB/RBG

NUEs+ Cd (3.7)

onde:

• NRB: numero de RBs do UE;

• NRB/RBG: numero total de RBs em cada RBG;

• NUEs: numero de UEs ligados ao sector;

• Cd : constante de desigualdade.

Se um UE tiver demasiados RBs na RBG, este e retirado do vetor de prioridades e fica portanto sem a

possibilidade de lhe serem alocados mais RBs. O valor da constante de desigualdade e parametro de

entrada no simulador. Se esta constante tiver um valor negativo os UEs normais serao favorecidos em

termos de numero de RBs alocados. Se pelo contrario tiver um valor positivo os UEs a usar JT serao

os favorecidos.

Caso no terceiro bloco nao seja possıvel preencher algum RB por motivos de sincronismo entre secto-

res e em particular devido a condicao referida, estes RBs sao preenchidos no ultimo bloco. Sao usados

apenas UEs normais e e feito um vetor de prioridades de forma semelhante aos blocos anteriores.

Todos os UEs na rede procuram sectores secundarios desde que cumpram uma das condicoes referi-

das na Seccao 3.2.1. Se apenas UEs ativos usassem JT as simulacoes seriam otimistas pelo que os

eNBs da RDI usariam RBs de eNBs fora da RDI, sem que eles proprios “perdessem” RBs. Assim os

eNBs da RDI usariam 100 % dos seus RBs mais RBs de eNBs fora da RDI. Os debitos sao calculados

apenas para UEs ativos. Um UE esta ativo se o seu eNB principal pertencer a RDI. Desta forma os RBs

de eNBs da RDI nao usados por pertencerem a UEs desativos sao compensados pelos RBs de eNBs

fora da RDI que se encontrem alocados a UEs ativos.

3.3 Parametros Constantes

Nesta seccao sao apresentados os valores que se manterao constantes durante todas as simulacoes

apresentadas na Seccao 3.4 e no Capıtulo 4. Na Tabela 3.1 encontram-se os valores referentes a

geracao da rede.

O numero de aneis foi escolhido de forma a garantir que todos os eNBs na RDI tenham os 6 eNBs

causadores de maior parte da interferencia inter-eNB. Os sectores sao trisectorizados pelas razoes

apresentadas na Seccao 2.4. O numero de UEs e constante por sector e estes encontram-se estaticos.

A RDI sera constituıda pelo eNB do centro da rede e pelo primeiro anel de eNBs como se pode ver na

Figura 3.5.

33

Tabela 3.1: Parametros constantes referentes a criacao da rede.

Criacao da Rede

Parametro Valor

Numero de Aneis de eNBs 2Sectores Trisectorizados

Distancia entre eNBs [m] 500Densidade de UEs [UE/sector] 20

Figura 3.5: Representacao da rede LTE e da RDI usada em todas as simulacoes.

Os eNBs constituintes da RDI sao: 5, 6, 7, 10, 11, 12 e 16. Os pontos a azul representam UEs ativos e

os a vermelho UEs desativados. A cinzento estao os numeros dos sectores. E necessario um mınimo

de 1 UE/sector para correr o simulador. A area a cinzento representa a cobertura dos eNBs da RDI.

Os valores referentes aos eNBs estao na Tabela 3.2.

Serao usadas 2 antenas na emissao ja que e um valor tıpico nas operadoras de redes moveis. Os

modos de transmissao, descritos na Seccao 2.3, suportados pelo simulador vao do 1 ao 4. E usado o

valor 4 por ser o que melhor partido tira de serem usadas 2 antenas tanto na emissao como na rececao.

Tanto o facto de poderem ser usadas 2 layers em ligacoes com elevada qualidade de sinal como o facto

do feedback nao ser contabilizado pelo simulador torna este modo de transmissao o melhor a usar.

A altura do emissor e em relacao a altura onde os UEs estao. Antes de serem usados os modelos

apresentados na Seccao 3.2.2 e aplicado o scheduler round robin. Este scheduler divide igualmente

a RBG por todos os UEs do sector, sendo dos mais justos em termos de numero de RBs alocados a

34

Tabela 3.2: Parametros constantes referentes aos eNBs.

eNB

Parametro Valor

Antenas de Emissao 2Modo de Transmissao 4

Potencia de Emissao [W] 46Ganho Maximo da Antena [dBi] 15

Altura do Emissor [m] 20Altura do eNB [m] 0

Downtilt Mecanico [◦] 0Downtilt Eletrico [◦] 8

Scheduler Round Robin

cada UE e o que maior valor de fairness consegue obter. Os valores de potencia de emissao, ganho

maximo da antena e altura do emissor foram retirados da referencia [RAN14].

Quanto aos UEs, os seus parametros encontram-se na Tabela 3.3.

Tabela 3.3: Parametros constantes referentes aos UEs.

UE

Parametro Valor

Antenas de Rececao 2Altura do Recetor [m] 1.5Ruıdo do Recetor [dB] 9

Densidade de Ruıdo Termico [dBm/Hz] -174

Os UEs tem 2 antenas de rececao como e tıpico em terminais moveis. A altura do recetor e um valor

tıpico para a altura dum utilizador e portanto dos UEs. Os valores para o ruıdo do recetor e densidade

de ruıdo termico foram retirados de [RAN14].

Por ultimo a Tabela 3.4 contem os valores da interface radio, do pathloss e do desvanecimento lento e

rapido.

A frequencia de operacao e largura de banda sao as utilizadas na Europa, principalmente em meios

urbanos e para coberturas outdoor. O valor para as perdas mınimas de insercao foi consultado em

[RAN14]. O modelo de calculo de pathloss e desvanecimento sao os especificados na Seccao 3.1. A

correlacao e 0.5 entre eNBs e 1 entre sectores tal como ja tinha sido referido.

3.4 Avaliacao do Simulador

Esta seccao cobre a avaliacao do simulador de forma a validar os resultados obtidos. E tambem im-

portante estimar o valor mınimo de simulacoes necessario para garantir relevancia estatıstica dos re-

sultados. Para caraterizar os resultados foram calculados os parametros estatısticos media e desvio

padrao [Mor10]. Estes parametros permitem entender as flutuacoes dos resultados quando e alterado o

35

Tabela 3.4: Parametros constantes referentes a interface radio.

Radio

Parametro Valor

Frequencia [GHz] 2.6Largura de Banda [MHz] 20

Perdas Mınimas de Insercao [dB] 70PathlossModelo TS36942

Ambiente UrbanoDesvanecimento Lento

Modelo ClaussenResolucao do Mapa [m/pixel] 5

Numero de Vizinhos 12Media da Distribuicao Lognormal 0

Desvio Padrao 8Correlacao Inter-eNB 0.5

Desvanecimento RapidoModelo Winner+

Duracao [s] 1Correlacao ao Longo do Tempo Sim

numero de simulacoes. A media e o desvio padrao sao calculados usando (3.8) e (3.9) respetivamente.

µX =

NX∑i=1

Xi

NX(3.8)

onde:

• Xi : valor da amostra i da variavel X ;

• NX : numero de amostras da variavel X .

σX =

√√√√ 1NX

NX∑i=1

(Xi − X )2 (3.9)

onde:

• X : valor medio da variavel µX.

Numa primeira fase e preciso estimar o numero de simulacoes necessarias para garantir a relevancia

estatıstica dos resultados. Sao necessarias varias simulacoes pelo facto de haver aleatoriedade na

simulacao, em particular no posicionamento dos UEs, nos mapas de desvanecimento lento e rapido,

na rececao dos TBs, etc. A analise e feita com base na evolucao do valor da media e do desvio

padrao para alguns parametros e como variam para conjuntos diferentes de simulacoes. Os parametros

considerados sao: debito medio por setor, fairness, debito medio dos UEs da orla e debito medio

dos UEs do centro. A Figura 3.6 mostra a variacao destes parametros para diferentes conjuntos de

simulacoes.

A avaliacao foi feita usando o cenario de referencia, descrito no Capıtulo 4. Cada simulacao teve a

duracao de 100 TTI (tempo de simulacao). Em cada simulacao todos os parametros aleatorios sao

36

5 10 15 20 25 30

1.4

1.6

Numero de Simulacoes

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito UEs Orla

(a) Debito UEs Orla

5 10 15 20 25 30

2.8

2.9

3

3.1

Numero de Simulacoes

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito UEs Centro

(b) Debito UEs Centro

5 10 15 20 25 3046

48

50

52

54

Numero de Simulacoes

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Sector

(c) Debito Sector

5 10 15 20 25 300.66

0.68

0.7

0.72

0.74

Numero de Simulacoes

Fairn

ess

Fairness

(d) Fairness

Figura 3.6: Evolucao da media e do desvio padrao de varios parametros para diferentes conjuntos desimulacoes.

novamente gerados apesar destes poderem ser guardados e carregados a partir de ficheiros para

poupar tempo de simulacao.

Para uma melhor analise e posterior determinacao do numero de simulacoes ideal, foi calculada a

relacao entre o desvio padrao e a media, tambem conhecido por coeficiente de variacao (CV). A Figura

3.7 mostra o CV para os parametros relevantes em conjuntos de 5 a 30 simulacoes.

Tanto o parametro debito do centro como a fairness tem um valor de CV baixo, inferior a 0.05, em todos

os conjuntos de simulacoes. O debito do sector apesar de apresentar valores superiores, continuam a

ser baixos. O debito dos UEs da orla e claramente o parametro que melhor nocao da do numero de

simulacoes necessarias. Comeca com um CV igual a 0.114 para 5 simulacoes e desce ate aos 0.087

para o conjunto de simulacoes igual a 25, voltando a subir para 30 simulacoes. Serao usados conjuntos

de 20 simulacoes visto apresentarem um bom compromisso entre o valor de CV e a duracao total da

simulacao.

Os UEs sao colocados no mapa de forma aleatoria, portanto o numero de UEs da orla e do centro varia

37

5 10 15 20 25 30

0.04

0.06

0.08

0.1

Numero de Simulacoes

Coe

ficie

nte

deVa

riaca

o

Debito UEs Orla Debito UEs Centro Debito Sector Fairness

Figura 3.7: Coeficiente de variacao de varios parametros para varios conjuntos de simulacoes.

de simulacao para simulacao. E dado o numero de UEs do centro ser muito superior (mais do dobro)

ao numero de UEs da orla, ja seria de esperar que o debito destes ultimos tivesse maiores flutuacoes.

No cenario de referencia um UE encontra-se na orla dum sector se cumprir a condicao (3.4), com o

Rmin igual a 90 %.

Por fim foi testado o cenario limite de um unico UE num eNB. O script criado para correr este cenario

esta descrito no Anexo A. Este UE estava a 30 m do eNB e em linha de vista. Foi utilizada a frequencia

de 2.6 GHz e uma largura de banda de 20 MHz. Foram alocados 100 RB/TTI ao UE em todos os TTIs, o

que seria de esperar. O UE obteve um debito medio de 146.68 Mbit/s que e um valor bastante proximo

do limite teorico [Rat+14].

38

Capıtulo 4

Analise de Resultados

Neste capıtulo sao simulados os modelos apresentados no Capıtulo 3, e e feita a otimizacao dos

parametros de entrada de forma a obter o melhor equilıbrio possıvel entre o debito medio por sector e

o valor da metrica fairness.

39

4.1 Cenario de Referencia

Comecou por ser definido o cenario que vai servir de referencia para todos os resultados apresentados

neste capıtulo. Como concluıdo na Seccao 3.4, serao feitas 20 simulacoes para cada cenario e os

resultados apresentados serao a media e o desvio padrao das metricas consideradas relevantes. Este

cenario consiste no simulador sem alteracoes, salvo na apresentacao dos resultados. Nao e portanto

usado JT. Na apresentacao dos resultados e agora impresso tanto o numero de UEs pertencentes a

orla como o seu debito binario medio.

Neste e em todos os cenarios simulados e usado um sistema de 19 celulas hexagonais, das quais

as 7 celulas do centro fazem parte da RDI tal como descrito na Seccao 3.2.1. Tambem na mesma

seccao podem ser consultados todos os parametros constantes a todas as simulacoes. Na Tabela 4.1

encontram-se os parametros usado no cenario de referencia.

Tabela 4.1: Parametros do cenario de referencia.

Parametro Valor

Joint Transmission 0Rmin [0.5; 0.7; 0.9]

PLmax [dB] -∆PLmax [dB] -

RBGJT -ClusterCoMP -

eNBmax -

O parametro Joint Transmission indica se sera usado JT ou nao, 0 para falso e 1 para verdadeiro. O

Rmin e a relacao entre o raio a partir do qual e considerado orla e o raio do eNB. PLmax e o valor de

macroscopic pathloss maximo que justifique procurar outros setores e o ∆PLmax a diferenca maxima

entre o valor de macroscopic pathloss do setor principal para os secundarios. Estes 3 parametros sao

os que definem as condicoes para o uso de JT tal como esta descrito na Seccao 3.2.1. O relacao entre

o numero de RBs dedicados a UEs a usar JT e o numero total de RBs na RBG e dado pelo valor de

RBGJT , e e necessario para o Scheduler 2. Caso este valor seja igual a 0 e usado o Scheduler 1. Caso

fosse usado JT, o parametro ClusterCoMP indicaria quais os clusters de eNBs usados tal como descrito

no Anexo A. O parametro eNBmax define o numero maximo de sectores aos quais um UE se pode ligar.

O parametro Rmin e importante neste cenario de referencia para imprimir qual o debito dos UEs a partir

dum dado valor de raio, pois sera posteriormente comparado ao de UEs a usar JT nessa mesma area.

Foi entao avaliado o debito de UEs a partir de 3 valores de raio: 0.5, 0.7 e 0.9. As simulacoes sao

independentes umas das outras, portanto foram feitas 20 simulacoes para cada valor de Rmin. Todos

os outros parametros sao referentes ao uso de JT pelo que os seus valores sao irrelevantes.

A Figura 4.1 apresenta os debitos dos UEs da orla e do centro para os 3 valores de Rmin considerados.

Como seria de esperar os debitos tanto do centro como o da orla diminuem com o aumento do Rmin. Se

por um lado os UEs da orla comecam por ser cada vez mais os afastados do centro e portanto com pior

SINR, a area dos UEs do centro tambem aumenta e inclui cada vez mais UEs com pior SINR. O debito

para um Rmin igual a 0.5 e 2.30 Mbit/s para os UEs da orla e 3.48 Mbit/s para os do centro. Quando o

40

0.5 0.7 0.9

1.5

2

2.5

3

3.5

Rmin

Deb

ito[M

bit/s

]

UEs Orla UEs Centro

Figura 4.1: Debito medio por UE da orla e do centro no cenario de referencia para varios valores doparametro Rmin.

Rmin e 0.9 o debito passa a ser 1.58 Mbit/s para a orla e 2.98 Mbit/s para o centro. Na Figura 4.2 esta

representada a evolucao do numero de UEs da orla e do centro para o aumento do Rmin.

0.5 0.7 0.9

100

150

200

250

300

350

Rmin

Num

ero

deU

Es

UEs Orla UEs Centro

Figura 4.2: Numero de UEs na orla e no centro no cenario de referencia para varios valores doparametro Rmin.

Sao 7 eNBs na RDI, portanto para eNBs trisectorizados tem-se 21 sectores, o que da um total de 420

UEs na RDI. Para um cırculo de raio 0.7, o que equivale a 49 % da area total do sector/eNB, seria

de esperar que o valor de UEs da orla e do centro nao fosse muito diferente. Mas o que acontece

e que devido ao efeito sombra a area de cobertura dos sectores vai aumentar, nao necessariamente

para todos os angulos, o que faz com que este valor seja na realidade igual a 44.7 %. Este efeito vai

causar esta discrepancia entre o valor de UEs e a area do centro e da orla. Finalmente na Figura 4.3

41

encontra-se o debito medio por sector na RDI.

0.5 0.7 0.9

48

50

52

54

Rmin

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

Figura 4.3: Debito medio por sector no cenario de referencia para varios valores do parametro Rmin.

O debito por sector nao varia para diferentes valores de Rmin como seria de esperar. Feita a media

dos 3 cenarios obtem-se o valor de 50.86 Mbit/s. Para alem desta metrica tambem a fairness, com um

valor de 0.722, e o numero de RBs por UE por TTI, com 4.97 RB, se mantem muito semelhantes nos 3

cenarios. Nem sempre todos os UEs conseguem ter os 5 RBs que tem direito devido as condicoes do

canal. Como a RBG tem 100 RBs, cada sector tem 20 UEs e e usado o scheduler round robin, no caso

ideal todos os UEs conseguiriam 5 RBs em cada TTI.

4.2 Scheduler 1

Sera primeiro abordado o Scheduler 1 e feita a maximizacao dos parametros deste tendo em conta

os debitos dos UEs e da rede, assim como a fairness. Depois de feita a otimizacao sera simulado o

Scheduler 2.

Os parametros ideais serao descobertos da seguinte forma: sera alterado cada um deles individual-

mente enquanto os restantes se manterao constantes. Partir-se-a do parametro mais autossuficiente

ate se chegar aos mais dependentes. E assim garantido que nao se assumem valores que podem a

partida estar longe do otimo. As condicoes para o uso de JT apresentadas na Seccao 3.2.1 serao as

primeiras a ser avaliadas. Depois de avaliado um dado parametro, daı em diante sera considerado o

valor que melhor relacao entre o debito e o valor de fairness apresentar.

4.2.1 Diferenca de Macroscopic Pathloss

O primeiro parametro a ser avaliado e a diferenca de macroscopic pathloss entre os sectores principais

e os secundarios, ∆PLmax . Este parametro define a condicao 3. Tanto a condicao 1 como a 2 serao

avaliadas posteriormente por necessitarem ambas de cumprir a condicao 3. Na Tabela 4.2 encontram-

42

se os parametros de entrada usados nesta seccao.

Tabela 4.2: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro ∆PLmax .

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin 0

PLmax [dB] ∞∆PLmax [dB] [3; 6; 9; 12]

RBGJT 0ClusterCoMP 1

eNBmax 3

De forma a garantir que nem a condicao 1 nem a condicao 2 tem impacto na simulacao foi assumido

o valor 0 para a primeira e ∞ para a segunda. Todos os UEs cumprem desta forma a condicao 1 e

portanto procuram um sector secundario para o uso de JT. A condicao 2 com este valor nunca sera

cumprida por nenhum UE. A condicao 3 torna-se assim na unica com impacto nos resultados. E usado

o Scheduler 1 ja que o valor da variavel RBGJT e 0. Toda a rede funciona como um cluster unico e

cada UE pode ligar-se a 3 sectores. De recordar que nao ha mobilidade pelo que os UEs se mantem

ligados aos mesmos eNBs durante toda a simulacao. A Figura 4.4 apresenta os debitos obtidos de UEs

ligados a 1, 2 ou 3 sectores.

3 6 9 121.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

∆PLmax [dB]

Deb

ito[M

bit/s

]

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.4: Debito medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valoresdo parametro ∆PLmax .

Numa primeira analise os debitos de todos os UEs descem com o aumento do valor do ∆PLmax . Acon-

tece que com o aumento deste parametro, o numero de UEs a usar JT aumenta e assim a rede fica

com menos RBs por UE para alocar. UEs a usar JT sao mais caros para a rede em termos de RBs do

que UEs normais, ja que necessitam do dobro do numero de RBs se tiverem ligados a 2 sectores ou do

triplo se ligados a 3. O debito medio de UEs ligados a 3 sectores apenas e maior do que UEs ligados

43

a 2 sectores para um ∆PLmax igual a 3 dB. Para um UE se ligar a 3 sectores e necessario que estes

tenham um macroscopic pathloss muito semelhante e na maior parte dos casos, desde que o efeito

sombra nao tenha grande influencia neste valor, isto significa que se encontram igualmente longe de

qualquer eNB. Na Figura 4.5 esta representado o numero de UEs ligados a 1, 2 ou 3 sectores.

3 6 9 120

100

200

300

∆PLmax [dB]

Num

ero

deU

Es

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.5: Numero de UEs ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro ∆PLmax .

Tal como seria de esperar o numero de UEs a usar JT aumenta com o ∆PLmax . O numero de UEs

ligados a 2 sectores nao aumenta da mesma forma que os ligados a 3 sectores porque se por um lado

com o aumento do ∆PLmax cada vez mais UEs usam JT, por outro lado tambem cada vez mais os UEs

tem uma maior margem para se ligarem ao terceiro sector. Para um ∆PLmax de 12 dB o numero de

UEs ligados a 3 sectores supera os ligados apenas a 2. Para um ∆PLmax de 3 dB, 19.7 % dos 420 UEs

da RDI usam JT enquanto que para 12 dB sao 58.7 % os que usam JT. A media do numero de RBs

alocados a cada UE em cada TTI esta representado na Figura 4.6.

Como ja foi referido e pelo facto de UEs a usar JT se tornarem mais caros em questoes de RBs, cada

vez que aumenta o numero de UEs a usar JT serao menos os RBs para distribuir. Outra agravante e

o numero de UEs a usar JT fora da RDI aumentar e aumentar o numero de RBs alocados de eNBs da

RDI para estes. A seguinte equacao permite calcular o numero de RBs que sao alocados a UEs na

RDI:

RBRDI =3∑

i=1

Ni · RBi · i (4.1)

onde:

• Ni : numero de UEs ligados a i sectores;

• RBi : media de RBs alocados a UEs ligados a i sectores;

44

3 6 9 122

2.5

3

3.5

4

∆PLmax [dB]

Num

ero

deR

Bs

[RB

/TTI

]

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.6: Numero medio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1para varios valores do parametro ∆PLmax .

Para um ∆PLmax de 3 dB tem-se um RBRDI de 2068.1 RB enquanto que para 12 dB obtem-se 1890.0 RB.

Ora como a RDI e composta por 7 eNBs trisectorizados cada um com 100 RB, existe um total de

2100 RB na RDI. Fazendo a relacao do numero de RBs usados e total da RDI chega-se a 98.5 % para

3 dB e 90.0 % para 12 dB. E entao possıvel concluir que o numero de RBs alocados a UEs fora da RDI

aumenta com o numero de UEs a usar JT na rede, ou seja, a RDI empresta maior numero de RBs do

que aquilo que recebe dos eNBs de fora da RDI. Isto acontece pelo facto do numero de eNBs no anel

de fora ser sempre superior ao do anel de dentro.

Finalmente na Figura 4.7 encontra-se a fairness e o debito medio por sector obtidos neste cenario.

3 6 9 12

0.8

0.85

0.9

∆PLmax [dB]

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

3 6 9 12

35

40

45

∆PLmax [dB]

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.7: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores do parametro∆PLmax .

45

Comparando os valores obtidos neste cenario com o cenario de referencia a fairness sobe 11.6 % para

um ∆PLmax de 3 dB, e 16.3 %, 19.7 % e 22.2 % para os restantes valores. O debito por sector cai 8.7 %

para o primeiro valor e 17.1 %, 24.9 % e 32.8 % para cada incremento do ∆PLmax . A fairness aumenta

nao so pelo facto de mais UEs usarem JT e melhorarem o seu debito mas tambem porque o debito total

da rede, e em particular dos UEs do centro, diminui e existe uma menor discrepancia entre os varios

grupos de UEs. O melhor valor para o parametro ∆PLmax sera o de 3 dB por conseguir o maior ganho

em fairness para a menor percentagem de debito perdido em relacao ao cenario de referencia.

4.2.2 Raio Mınimo Orla

A condicao 1 sera a proxima a ser avaliada. Nesta fase a condicao 3 ja sera incluıda por ter sido des-

coberto o melhor valor dos comparados. A Tabela 4.3 apresenta os parametros de entrada para este

cenario.

Tabela 4.3: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro Rmin.

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin [0.5; 0.7; 0.9]

PLmax [dB] ∞∆PLmax [dB] 3

RBGJT 0ClusterCoMP 1

eNBmax 3

A condicao 2 continua sem efeito. Novamente a rede e toda considerada um cluster, e usado o Sche-

duler 1 e os UEs ligam-se a 3 sectores quando tem possibilidade. O valor do parametro ∆PLmax sao

3 dB por ter sido considerado o melhor valor no cenario anterior.

Neste cenario e esperado que haja alteracoes em particular no numero de UEs que usam JT por estar

a ser aplicada a condicao 1. Portanto serao primeiro analisadas essas diferencas, tal como esta repre-

sentado na Figura 4.8.

Em comparacao com a Seccao 4.2.1 na qual nao e aplicada a condicao 1, e para o primeiro valor de

Rmin, o numero de UEs ligados a 2 sectores diminui em 11.6 UE e ligados a 3 sectores mantem-se

pouco alterado, aumentando em 0.3 UE. Para um Rmin de 0.7 o numero de UEs ligados a 3 sectores

volta a manter-se sensivelmente o mesmo pelo que e possıvel concluir que estes UEs encontram-se

principalmente para um Rmin superior a 0.7. Quanto aos UEs ligados a 2 sectores, 51.7 % destes

encontram-se num Rmin superior a 0.9. Dos restantes 48.3 %, 17.9 % estao num Rmin inferior a 0.5 e

30.4 % entre um Rmin de 0.5 e 0.7. Conclui-se portanto que JT com 2 sectores acontece um pouco por

toda a area da celula enquanto que JT com 3 sectores apenas para Rmin superiores a 0.7. De referir

que o CV destes valores e bastante elevado, chegando no ultimo valor de Rmin a ser de 29 % para UEs

ligados a 3 sectores. Estes valores sao muito variaveis ja que dependem tanto do posicionamento dos

UEs como dos valores de efeito sombra.

Esta representado na Figura 4.9 os debitos dos grupos de UEs do centro, da orla e a usar JT com 2 ou

46

0.5 0.7 0.9

20

40

60

Rmin

Num

ero

deU

Es

UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.8: Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro Rmin.

3 sectores. O debito dos UEs normais e dos UEs da orla desce com o aumento do Rmin pelas razoes

0.5 0.7 0.9

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Rmin

Deb

ito[M

bit/s

]

UEs Centro UEs Orla UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.9: Debito medio por UE da orla, do centro e ligado a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1para varios valores do parametro Rmin.

descritas na Seccao 4.1, no cenario de referencia. Quanto ao debito dos UEs ligados a 2 sectores, este

mantem-se constante. Ja o debito dos UEs ligados a 3 sectores sobe com o aumento do Rmin. Isto

deve-se facto da maior parte dos UEs ligados a 3 sectores se encontrarem com um Rmin superior a 0.7

e pelo facto do numero de UEs a usar JT diminuir e assim aumentar o numero de RBs por UE.

Comparando com o cenario de referencia o debito da orla desce 6.0 % para 0.5, mas sobe 1.0 % e

17.0 % nos 2 restantes valores de Rmin. Para este calculo foi considerado o debito da orla como sendo

47

o debito dos UEs da orla e os UEs a usar JT. Conclui-se que JT oferece os maiores ganhos quando o

Rmin e 0.9 para o cenario considerado. O debito dos UEs do centro desce 18.4 %, 16.2 % e 12.8 % para

o cenario de referencia. O menor numero de RBs e o causador desta diminuicao.

Na Figura 4.10 estao os resultados de fairness e debito do sector para este cenario.

0.5 0.7 0.9

0.76

0.78

0.8

0.82

Rmin

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

0.5 0.7 0.9

44

46

48

Rmin

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.10: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores de Rmin.

O ganho dos valores de fairness apresentados e de 10.7 % para o primeiro valor de Rmin, 10.5 % para

o segundo e 6.8 % para o terceiro em relacao ao cenario de referencia. No entanto todos estes valo-

res sao menores que a fairness apresentada no cenario no qual nao e aplicada a condicao 1 (0.806).

Quanto ao debito por sector as perdas sao de 9.3 %, 9.5 % e 7.0 % para o primeiro, segundo e terceiro

valor respetivamente. Com a diminuicao do numero de UEs a usar JT o debito naturalmente aumenta.

Do primeiro para o segundo valor o debito na realidade diminui um pouco. Isto pode ter acontecido

por pequenas flutuacoes nos valores das simulacoes e pelo facto dos UEs ligados a 3 sectores serem

os principais responsaveis pela diminuicao do debito pelo numero de RBs que consomem da rede. A

Figura 4.8 mostra que apenas o numero de UEs ligados a 2 sectores diminui do primeiro para o se-

gundo valor de Rmin. No entanto o debito por sector para o primeiro e segundo valor de Rmin diminui em

relacao ao caso em que este e 0. Apenas para um Rmin igual a 0.9 o debito sobe 1.8 % mas a fairness

desce 4.3 %. E possıvel entao assumir que e vantajoso usar JT para UEs que se encontrem para um

Rmin inferior a 0.5. A condicao 1 sera, portanto, descartada nas restantes simulacoes.

4.2.3 Macroscopic Pathloss Maximo

Sera por fim avaliada a condicao 2. Esta condicao difere da 1 por selecionar os UEs com base no seu

valor de macroscopic pathloss para o eNB principal. Mas depois de descartada a condicao 1 por falta

de utilidade e em ultima instancia por piorar os resultados obtidos, o esperado e que aconteca o mesmo

a condicao 2. Teoricamente a aplicacao das duas condicoes daria os mesmos resultados desde que

estas tivessem os valores corretos. O unico fim torna-se portanto a obtencao duma melhor percepcao

dos valores a partir dos quais compense para o sistema o uso de JT. A Tabela 4.4 apresenta os valores

48

utilizados.

Tabela 4.4: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro PLmax .

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin ∞

PLmax [dB] [75; 85; 95; 105]∆PLmax [dB] 3

RBGJT 0ClusterCoMP 1

eNBmax 3

A condicao 1 nao e usada o que equivale a igualar o valor de Rmin a∞. Para a condicao 3 sera usado

o valor previamente escolhido, 3 dB. E usado o Scheduler 1, existe um unico cluster e os UEs ligam-se

a 3 sectores se tiverem condicoes para tal.

Na Figura 4.11 esta representado o numero de UEs a usar JT com 2 ou 3 sectores para uma variacao

do valor de PLmax .

75 85 95 1050

20

40

60

PLmax [dB]

Num

ero

deU

Es

UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.11: Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro PLmax .

Para um PLmax de 75 dB o numero de UEs a usar JT e de 80.6 enquanto na Seccao 4.2.1, e para

um ∆PLmax de 3 dB, era de 82.9. E possıvel concluir que praticamente todos os UEs que cumprem

a condicao 3 cumprem tambem a condicao 2 para este valor. O numero de UEs ligados a 2 sectores

decresce em 9.3 % quando o valor de PLmax e alterado de 75 dB para 85 dB. Ja para 95 dB o numero

de UEs a usar JT com 2 sectores e apenas 49.8 % do valor inicial enquanto que para 105 dB este valor

passa a 10.3 %. E entao possıvel concluir que 80.4 % dos UEs que utilizam JT ligados a 2 sectores se

encontram com um valor de macroscopic pathloss entre um valor de 85 dB e 105 dB.

Quanto ao numero de UEs ligados a 3 sectores, este valor tem a maior descida quando o PLmax passa

de 95 dB para 105 dB. Este valor sobe 4.9 % para 85 dB e desce 11.8 % para 95 dB e 76.9 % para

49

105 dB em relacao ao valor inicial. Portanto 65.1 % dos UEs a usar JT com 3 sectores tem um valor de

macroscopic pathloss entre um valor de 95 dB e 105 dB. O numero de UEs aumentar para um PLmax de

85 dB quer apenas dizer que a condicao 2 em nada influencia os UEs ligados a 3 sectores. Isto deve-se

a flutuacoes dos resultados pela aleatoriedade presente no simulador, em particular na posicao dos

UEs e nos mapas de efeito sombra.

Assumindo um valor para o efeito sombra e para o ganho da antena de 0 dB e manipulando (3.1) para

um L de 75 dB, 85 dB, 95 dB e 105 dB, obtem-se um R de 33 m, 61 m, 113 m e 209 m respetivamente.

De relembrar que o raio de cada eNB e de 250 m. Conclui-se portanto que UEs ligados a 2 sectores

encontram-se maioritariamente entre 61 m e 209 m enquanto UEs ligados a 3 sectores entre 113 m e

209 m.

Esta representado na Figura 4.12 a fairness e o debito por sector obtidos para este cenario.

75 85 95 105

0.75

0.8

PLmax [dB]

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

75 85 95 105

44

46

48

50

52

PLmax [dB]

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.12: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro PLmax .

Tanto o debito como a fairness para os dois primeiros valores de PLmax deveriam ser sensivelmente os

mesmos, pelo que as diferencas presentes sao consideradas devido a flutuacoes dos resultados das

simulacoes e ao facto do segundo valor ter menor numero de UEs ligados a 2 sectores. Para o primeiro

valor de PLmax a fairness sobe 12.0 % e o debito desce 7.0 % em relacao ao cenario de referencia.

Para os dois ultimos valores como seria de esperar o debito deveria comecar a aumentar e a fairness a

reduzir ja que o numero de UEs a usar JT diminui. Para um PLmax igual a 75 dB este cenario mostra-se

em tudo semelhante ao da Seccao 4.2.1, quando o ∆PLmax e 3 dB, ja que o numero de UEs a usar

JT e praticamente o mesmo. A condicao 2 e portanto considerada irrelevante para o simulador e sera

descartada a partir deste ponto.

4.2.4 Numero Maximo de Sectores

Sera agora avaliado o parametro de entrada que controla o numero maximo de sectores aos quais

um UE a usar JT se pode ligar. Este parametro pode assumir o valor de 2 ou de 3. Na Tabela 4.5

50

encontram-se os valores utilizados.

Tabela 4.5: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro eNBmax .

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin 0

PLmax [dB] ∞∆PLmax [dB] 3

RBGJT 0ClusterCoMP 1

eNBmax [2; 3]

Das condicoes inicialmente consideradas apenas e usada a condicao 3. E usado o Scheduler 1 e toda

a rede funciona como um cluster de cooperacao.

Na Figura 4.13 encontram-se os debitos e o numero de RBs por UEs ligados a 1, 2 ou 3 sectores no

cenario atual.

2 3

1.8

2

2.2

2.4

2.6

eNBmax

Deb

ito[M

bit/s

]

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

(a) Debito

2 3

3.6

3.8

4

4.2

eNBmax

Num

ero

deR

Bs

[RB

/TTI

]

(b) Numero de RBs

Figura 4.13: Debito e numero de RBs medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1para varios valores do parametro eNBmax .

Quando os UEs se podem ligar apenas a 2 sectores o debito dos UEs normais e maior por terem acesso

a maior numero de RBs. Como se pode verificar o numero de RBs por UE desce quando o eNBmax e

igual a 3, seja para que grupo de UEs for. Por outro lado o debito de UEs ligados a 2 sectores e maior

quando os UEs se podem ligar a 3 sectores, apesar de terem acesso a menor numero de RBs por

TTI. Os UEs com maior valor de macroscopic pathloss vao se ligar muito provavelmente a 3 sectores

como ja foi concluıdo anteriormente, o que vai causar com que no grupo de UEs ligados a 2 sectores

sejam retirados os UEs com pior SINR. Isto fara com que o debito deste ultimo grupo suba. Depois pelo

facto de JT com 3 sectores trazer maiores ganhos faz com que o debito destes supere mesmo os UEs

ligados a 2 sectores que a partida teriam melhor SINR, mesmo dispondo de menor numero de RBs por

TTI. UEs ligados a 3 sectores tem menos RBs do que os ligados a 2 por ser mais complicado para o

scheduler arranjar o mesmo RB disponıvel em 3 sectores do em 2.

51

Na Figura 4.14 estao representadas as variacoes nos valores de fairness e debito de sector para o atual

cenario.

2 3

0.79

0.8

0.81

0.82

eNBmax

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

2 3

46

48

eNBmax

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.14: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro eNBmax .

A fairness mantem-se praticamente a mesma nos 2 casos. Ja o debito tem uma descida de 1.34 Mbit/s

quando UEs a usar JT se podem ligar a 3 sectores, o que acontece devido a media de RBs por UE por

TTI ser menor para este caso. Em relacao ao cenario de referencia e quando o parametro eNBmax e

igual a 2, a fairness subiu 11.4 % e o debito baixou 6.0 %. Se por um lado UEs ligados a 3 sectores

apresentam maior ganho de debito ate considerando que se encontram em media mais longe dos

eNBs, por outro lado por gastarem tantos RBs tanto eles como todos os UEs conseguem menos RBs.

No entanto a diferenca e baixa e apenas no debito binario da rede.

4.2.5 Cluster CoMP

O ultimo parametro a ser analisado usando o Scheduler 1 e o ClusterCoMP . Este parametro assume

1 de 4 valores tal como descrito no Anexo B. Na Tabela 4.6 encontram-se os valores usados neste

cenario.

Tabela 4.6: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro ClusterCoMP .

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin 0

PLmax [dB] ∞∆PLmax [dB] 3

RBGJT 0ClusterCoMP [1; 2; 3; 4]

eNBmax 3

As condicoes para o uso de JT sao as previamente definidas. Sao testadas as 4 formas de agrupar

eNBs, e e usado JT com 3 sectores. Ja que o numero de UEs a usar JT vai descer com o aumento

52

do valor de ClusterCoMP , desta forma e conseguida uma melhor percepcao de como varia o numero de

UEs a usar JT com 2 e 3 sectores.

Na Figura 4.15 encontra-se a variacao do numero de UEs a usar JT para os 4 valores de ClusterCoMP .

1 2 3 40

20

40

60

ClusterCoMP

Num

ero

deU

Es

UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.15: Numero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro ClusterCoMP .

Os valores do 1 ao 4 do parametro ClusterCoMP significam respetivamente o seguinte: todos os eNBs

cooperam entre si, cooperacao apenas entre grupos de 2 ou 3 eNBs e cooperacao intra-eNB.

Naturalmente quando a rede funciona como um unico cluster o numero de UEs a usar JT e o mais

elevado. O numero de UEs a usar JT com 2 sectores desce 50.8 % para clusters de tamanho 2, 40.0 %

para clusters de tamanho 3 e 75.9 % para cooperacao intra-eNB. Para UEs ligados a 3 sectores a

descida e de 93.15 % para clusters de tamanho 2 e 79.2 % para clusters de tamanho 3. Olhando para

as configuracoes dos clusters e possıvel perceber que clusters de tamanho 3 tem maior flexibilidade

para conseguir 2/3 sectores nos quais o diagrama de radiacao seja compatıvel. A cooperacao com 3

sectores e claramente a que mais sofre quando sao utilizados clusters de tamanho fixo em vez de toda

a rede. Quando e usada cooperacao intra-eNB torna-se impossıvel o uso de JT com 3 sectores pelo

facto de haver sempre pelo menos um sector com uma atenuacao muito elevada devido ao seu padrao

de radiacao.

Na Figura 4.16 esta representada a fairness e o debito por sector para o presente cenario.

Mantendo a tendencia dos cenarios anteriores, quando o numero de UEs a usar JT sobe a fairness

tambem sobe e o debito da rede desce. Tanto para clusters de tamanho 2 como 3 a fairness sobe 4.4 %

em relacao ao cenario de referencia. O debito desce 3.1 % para clusters de tamanho 2 e 6.4 % para

os de tamanho 3. Na cooperacao intra-eNB a fairness sobe 2.2 % e o debito desce 1.3 % comparando

com o cenario de referencia. Apesar dos ganhos serem marginais, neste tipo de cooperacao nao e

necessario o aumento de capacidade entre eNBs.

53

1 2 3 4

0.75

0.8

ClusterCoMP

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

1 2 3 4

46

48

50

52

ClusterCoMP

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.16: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 1 para varios valores doparametro ClusterCoMP .

4.3 Scheduler 2

No ultimo cenario e usado o Scheduler 2 e em particular e avaliado o impacto do parametro RBGJT

nos resultados das simulacoes. Serao usados os melhores valores descobertos anteriormente para os

parametros de entrada. A Tabela 4.7 contem os valores de entrada utilizados neste cenario.

Tabela 4.7: Parametros de entrada para a avaliacao do parametro RBGJT .

Parametro Valor

Joint Transmission 1Rmin 0

PLmax [dB] ∞∆PLmax [dB] 3

RBGJT [0.3; 0.4; 0.5]ClusterCoMP 1

eNBmax 3Cd 0

As condicoes 1, 2 e 3 usam os melhores valores descobertos anteriormente. E usado apenas 1 cluster.

Apesar do parametro eNBmax igual a 2 ter apresentado debitos ligeiramente mais elevados, sera usado

aqui o valor 3 de forma a perceber como se diferenciam estes 2 grupos de UEs. E alocado 30 %, 40 %

e 50 % da RBG aos UEs a usar JT. O parametro Cd e igual a 0 pelo que nao e favorecido nenhum grupo

de UEs.

Na Figura 4.17 encontram-se representados os debitos obtidos para UEs normais e UEs a usar JT.

O aumento do valor de RBGJT causa o aumento do debito dos UEs a usar JT como seria de esperar.

Quando este e 0.5 o debito dos UEs normais chega mesmo a ser inferior a UEs ligados a 2 sectores. Na

Figura 4.18 encontra-se a variacao do numero de RBs por UE para 3 valores de RBGJT que justificara

estas diferencas nos debitos.

Quando o parametro RBGJT e igual a 0.4 os 3 grupos de UEs tem em media o mesmo numero de RBs

54

0.3 0.4 0.5

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

RBGJT

Deb

ito[M

bit/s

]

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.17: Debito medio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 2 para variosvalores do parametro RBGJT .

0.3 0.4 0.5

3

3.5

4

4.5

RBGJT

Num

ero

deR

Bs

[RB

/TTI

]

UEs normais UEs 2 Sectores UEs 3 Sectores

Figura 4.18: Numero medio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler2 para varios valores do parametro RBGJT .

no sector principal. O grupo de UEs normais e constituıdo por cerca de 336.6, enquanto que os UEs

ligados a 2 e 3 sao 65.1 e 18.3 respetivamente. Idealmente para ser possıvel obter uma fairness igual

a 1 seria preciso atribuir RBs a UEs de acordo com o seu valor de SINR. UEs com melhor qualidade

de sinal precisam de menor numero de RBs para conseguir o mesmo debito. Analisando novamente a

Figura 4.17 e possıvel constatar que a diferenca entre debitos nos 3 grupos e menor quando 50 % da

RBG e alocada a UEs a usar JT. O grupo dos UEs normais inclui os UEs do centro e os UEs da orla

55

que nao cumpriram a condicao 3, pelo que os debitos deste grupo sao por si so bastante diferentes.

Portanto apesar dos 3 grupos apresentarem uma media de debito binario bastante proxima umas das

outras, nao quer isto dizer que o valor de fairness va ser o mais elevado.

Ao contrario do Scheduler 1 em que UEs ligados a 2 sectores apresentavam maior numero de RBs,

com o Scheduler 2 sao UEs ligados a 3 sectores que conseguem mais RBs. O facto dos ultimos 3

blocos do Scheduler 2 serem executados apenas para sectores da RDI fara com que o agendamento

de UEs que usam JT mas apenas com sectores de fora da RDI nao aconteca. E garantido desta forma

que UEs a usar JT na RDI e ligados a sectores de fora desta tenham um maior numero de RBs livres

nesses sectores e portanto uma maior facilidade no agendamento. No entanto o cenario nao se torna

assim optimista. Usando a equacao (4.1) obtem-se os valores 2104.5 RB, 2119.6 RB e 2098.8 RB para

o primeiro, segundo e terceiro valor de RBGJT . Comparando com o valor de referencia 2100 RB, a

diferenca e no pior caso de menos de 1 %.

Finalmente na Figura 4.19 encontram-se os valores de fairness e do debito por sector para este cenario.

0.3 0.4 0.5

0.74

0.76

0.78

0.8

RBGJT

Fairn

ess

Fairness

(a) Fairness

0.3 0.4 0.5

44

46

48

50

RBGJT

Deb

ito[M

bit/s

]

Debito Medio Sector

(b) Debito Medio Sector

Figura 4.19: Fairness e debito medio por sector usando o Scheduler 2 para varios valores doparametro RBGJT .

O aumento do parametro RBGJT reduz o debito do sistema mas aumenta a fairness. Quando o RBGJT

e 30 % a fairness sobe 6.0 % e o debito desce 3.7 % comparando com o cenario de referencia. Ja para

o ultimo valor a fairness sobe 9.8 % e o debito desce 12.3 %. A fairness nao e mais elevada porque nao

sao so os UEs do centro que sao prejudicados e conseguem menos RBs mas tambem os UEs da orla

que nao usam JT.

56

Capıtulo 5

Conclusao

Este capıtulo conclui o presente trabalho, apresentando um sumario do trabalho realizado e a discussao

dos resultados obtidos. No fim do capıtulo encontram-se sugestoes para trabalhos futuros.

57

O objetivo desta dissertacao foi o estudo do impacto da tecnica CoMP JT em redes LTE-A, em particular

nas metricas debito binario e fairness.

No Capıtulo 1 sao introduzidas as comunicacoes moveis e a sua evolucao nos ultimos anos. No fim sao

apresentadas as motivacoes e o conteudo desta dissertacao.

O Capıtulo 2 fornece uma abordagem teorica dos seguintes aspectos: arquitetura da rede, interface

radio, MIMO, e tecnicas CoMP. Na primeira seccao sao apresentados os varios elementos da rede e

quais as funcoes de cada um deles. A seccao sobre a interface radio apresenta as tecnicas de acesso

multiplo usadas entre os eNBs e os UEs, a estrutura das tramas usadas, FDD e TDD, as larguras

de banda disponıveis, e AMC. De seguida sao descritas as vantagens e a forma como sao execu-

tados cada modo de transmissao quando sao usadas multiplas antenas tanto na transmissao como

na rececao, MIMO. Na seccao sobre CoMP sao definidos clusters de cooperacao e as tecnicas JP e

CS/CB. Sao descritas as duas subcategorias da tecnica JP: JT e DPS. No fim do capıtulo e apresentado

o estado da arte sobre a tecnica CoMP JT.

No Capıtulo 3 e apresentado na primeira seccao o simulador usado nesta dissertacao. E fornecido um

diagrama de blocos com o funcionamento do mesmo e sao descritos cada um desses blocos. Depois

de explicada como e criada a rede LTE no simulador, sao apresentados os modelos para os calculos

das seguintes variaveis: padrao de radiacao das antenas, pathloss, efeito de sombra, macroscopic

pathloss, desvanecimento rapido e calculo da media do SINR. E explicado como os UEs sao ligados

aos sectores com base no valor de macroscopic pathloss. O mapeamento entre o SINR dos UEs e

os CQIs usados esta tambem ilustrado. Os schedulers suportados pelo simulador sao descritos e e

apresentado o modelo utilizado para o calculo da metrica fairness.

Na segunda seccao sao apresentados os modelos desenvolvidos e implementados no simulador. O

primeiro modelo e sobre como e feita a distincao entre os UEs que apenas se ligam a 1 sector, os de-

signados UEs normais, e os UEs que usam JT e portanto se ligam a 2 ou 3 sectores. Foram criadas 3

condicoes para este fim. Os 4 modos para a criacao de clusters de cooperacao entre eNBs sao tambem

aqui explicados. De seguida sao descritos os 2 schedulers desenvolvidos, que sao aplicados depois de

agendados os UEs com um dos schedulers ja disponıveis no simulador. Estes schedulers desenvolvi-

dos tem como funcao sincronizar os RBs dos UEs a usar JT nos varios sectores. So e atribuıdo um RB

a um UE a usar JT se este RB estiver disponıvel em todos os sectores aos quais este esta ligado. Para

cada scheduler desenvolvido e apresentado um diagrama de blocos e e explicado cada um desses

blocos.

Na terceira seccao do Capıtulo 3 encontram-se os parametros de entrada do simulador constantes em

todas as simulacoes apresentadas nesta dissertacao. Sao estes parametros os referentes a criacao

da rede, caracterısticas dos eNBs e UEs, e interface radio. E fornecida tambem uma ilustracao dos 19

eNBs constituintes da rede LTE simulada e dos 7 eNBs que formam a RDI. No fim do capıtulo e feita a

avaliacao do simulador de forma a garantir que os resultados apresentados sao relevantes.

No Capıtulo 4 sao finalmente apresentados os resultados obtidos. Em cada cenario sao primeiro re-

feridos quais os seus parametros de entrada e depois sao apresentados os resultados considerados

relevantes. Em todos os cenarios, excepto no primeiro, e variado um parametro de entrada dos mode-

58

los desenvolvidos nesta dissertacao e descoberto qual o seu melhor valor tendo em conta os debitos

binarios obtidos e a fairness da rede. E primeiro definido um cenario de referencia no qual os resultados

obtidos servirao de referencia para as outras simulacoes. Este cenario de referencia obteve um debino

binario por sector de 50.86 Mbit/s e uma fairness de 0.722. Neste cenario apesar de nao ser usado JT,

foi variado o valor de Rmin para obter uma melhor nocao de quantos UEs fazem parte da orla e qual

o seu debito para cada um dos valores. O aumento do parametro Rmin faz com que o valor do debito

dos UEs do centro e da orla diminua. No primeiro grupo porque sao incluıdos cada vez mais UEs com

baixo SINR e no segundo grupo porque lhes sao retirados os UEs com melhor SINR.

No segundo cenario e testada a condicao 3 do modelo introduzido na Seccao 3.2.1. Foram testados 4

valores para a variavel ∆PLmax . Em cada cenario e apenas testada uma condicao, pelo que a condicao

1 e 2 nao sao usadas neste cenario. Com o aumento do parametro ∆PLmax o numero de UEs a usar JT

e a fairness aumenta, e o debito binario por sector diminui. O facto dos UEs a usar JT se tornarem mais

caros em termos de RBs e o principal responsavel pela diminuicao do debito da rede. UEs ligados a 2

ou a 3 sectores gastam o dobro ou o triplo do numero de RBs, assumindo que tem o mesmo numero

de RBs no sector principal. Tambem o numero de UEs ligados a 3 sectores aumenta com o ∆PLmax .

Quando o ∆PLmax e 12 dB, 58.7 % dos UEs da RDI usam JT e desses 58.7 %, 56.6 % estao ligados a 3

sectores o que faz com que a media de RBs por UE seja muito baixa. Para um ∆PLmax de 3 dB, 19.7 %

dos UEs usam JT e dessa percentagem 22.1 % estao ligados a 3 sectores. O ganho em fairness em

relacao ao cenario de referencia foi de 11.6 % para 3 dB e 22.2 % para 12 dB. Ja o debito binario baixou

8.7 % para o primeiro valor e 32.8 % para o ultimo valor de ∆PLmax .

Apenas quando ∆PLmax e igual a 3 dB e que o debito dos UEs ligados a 3 sectores e mais elevado do

que os ligados a 2. Apesar destes se encontrarem mais longe do eNB e de terem pior valor macros-

copic pathloss, o debito deles deveria ser maior por serem servidos por 3 sectores. O que acontece

e que caso os UEs se liguem a sectores muito piores que o seu principal em termos de macroscopic

pathloss, estes sectores secundarios pouco mudarao o estado da ligacao pela potencia destes ser tao

menor. Em ultimo caso para alem de pouco alterarem a ligacao, sera ainda pior porque terao acesso a

menos RBs. E tambem para 3 dB que o sistema apresenta um maior ganho fairness e menor perda de

debito binario.

O facto dos UEs de fora da RDI se ligarem a eNBs na RDI faz com que RBs que sejam alocados a

esses UEs nao sejam contabilizados para o debito ja que apenas UEs ativos contribuem para o debito

da rede. Neste ultimo cenario e apresentada uma equacao que permite calcular quantos RBs os UEs

ativos estao a usar. Para um ∆PLmax igual a 3 dB a rede usa 98.5 % dos RBs que tem inicialmente

enquanto que para 12 dB usa apenas 90.0 %. Como o numero de eNBs fora da RDI e maior, o numero

de UEs a usar JT aumenta em maior proporcao para estes do que para a RDI. Desta forma a relacao

entre a percentagem de RBs que a RDI recebe em relacao a que fornece e sucessivamente menor.

Isto acontece apenas para o scheduler 1, pelo que e possıvel assumir que o cenario e pessimista em

termos de debito binario, embora a diferenca seja mınima.

No segundo cenario foram testados 3 valores para o parametro Rmin e portanto para a condicao 1.

Comparando com o cenario anterior em que apenas era aplicada a condicao 3 foi possıvel concluir

59

onde se encontram a maior parte dos UEs a usar JT. Quanto aos UEs ligados a 2 sectores, 51.7 %

destes encontram-se num Rmin superior a 0.9. Dos restantes 48.3 %, 17.9 % estao num Rmin inferior a

0.5 e 30.4 % entre um Rmin de 0.5 e 0.7. Conclui-se portanto que JT com 2 sectores acontece um pouco

por toda a area da celula enquanto que JT com 3 sectores apenas para Rmin superiores a 0.7. O ganho

de fairness foi de 10.7 %, 10.5 % e 6.8 % para os 3 valores de Rmin em relacao ao cenario de referencia.

O debito desceu 9.3 %, 9.5 % e 7.0 % para o mesmo cenario. Em relacao ao cenario anterior onde o

Rmin era igual a 0, tanto o debito como a fairness desceram pelo que a condicao 1 foi descartada. E

possıvel concluir que compensa o uso de JT para raios inferiores a 50 % do raio do eNB.

A ultima condicao a ser avaliada foi a 2. Foram testados 4 valores para o parametro PLmax . Foi concluıdo

que 80.4 % dos UEs que utilizam JT ligados a 2 sectores se encontram com um valor de macroscopic

pathloss entre um valor de 85 dB e 105 dB. Quanto aos UEs ligados a 3 sectores, 65.1 % destes tem um

valor de macroscopic pathloss entre um valor de 95 dB e 105 dB. Em relacao ao cenario de referencia,

a fairness subiu 12.0 % e o debito desceu 7.0 % para o primeiro valor de PLmax . Para o primeiro valor

este cenario e semelhante ao primeiro cenario, no qual o parametro e igual a 3 dB, visto que o numero

de UEs a usar JT e praticamente o mesmo. A condicao 2 foi descartada por ser considerada irrelevante

para os resultados quando assume um valor baixo e por piorar a fairness para um valor elevado.

Foi de seguida testada a hipotese do uso de apenas 2 sectores na tecnica JT. Nesta simulacao foi

apenas usada a condicao 3, tendo sido descartadas tanto a 1 como a 2. O debito para UEs normais

aumenta quando sao usados apenas 2 sectores para o uso de JT, por estes conseguirem um maior

numero de RBs por TTI. Este foi o cenario que apresentou os melhores resultados se for tido em conta

o debito da rede e a fairness. A fairness subiu 11.4 % e o debito baixou 6.0 % em relacao ao cenario

de referencia e quando o eNBmax e igual a 2.

O ultimo parametro a ser avaliado usando o Scheduler 1 foi o ClusterCoMP . Neste cenario foram testa-

das as 4 formas de agregacao de eNBs descritas no Anexo B. Quando a rede funciona como 1 unico

cluster o numero de UEs a usar JT e o mais elevado, tanto ligados a 2 como a 3 sectores. Naturalmente

e muito mais facil para um UE arranjar um sector secundario se este poder considerar todos os sectores

vizinhos. O numero de UEs a usar JT com 2 sectores desce 50.8 % para clusters de tamanho 2, 40.0 %

para clusters de tamanho 3 e 75.9 % para cooperacao intra-eNB. Para UEs ligados a 3 sectores a des-

cida e de 93.15 % para clusters de tamanho 2 e 79.2 % para clusters de tamanho 3. E praticamente

impossıvel usar JT com 3 sectores usando cooperacao intra-eNB dado que existe sempre pelo menos

um sector com um valor de macroscopic pathloss muito elevado. A fairness sobe 4.4 % em relacao ao

cenario de referencia para clusters de tamanho 2 e 3. O debito desce 3.1 % para clusters de tamanho

2 e 6.4 % para os de tamanho 3. Quanto a cooperacao intra-eNB, a fairness subiu 2.2 % e o debito

desceu 1.3 % para o cenario de referencia. A cooperacao intra-eNB tem a vantagem de nao necessitar

de aumento de capacidade entre eNBs, apenas entre sectores.

No ultimo cenario simulado foi avaliado o Scheduler 2, ou seja, o parametro RBGJT . Foram testados 3

valores para este parametro: 30 %, 40 % e 50 %. Com o aumento deste parametro o debito dos UEs

normais desceu pois tinham cada vez menor numero de RBs, chegando mesmo para 50 % a ser inferior

a qualquer um dos 2 grupos de UEs a usar JT. Como consequencia disto a fairness sobe e o debito da

60

rede desce. A fairness subiu para o cenario de referencia 6.0 %, 8.7 % e 9.8 % para o primeiro, segundo

e terceiro valor de RBGJT respetivamente. O debito desceu 3.7 %, 8.7 % e 12.3 %.

Os resultados que o Scheduler 2 apresenta variam muito com o parametro RBGJT , ao contrario do

Scheduler 1 que se adapta consoante o numero de UEs a usar JT na rede. Um RBGJT baixo favorece

os UEs que nao usam JT enquanto um RBGJT alto os UEs normais. Nos UEs normais encontram-se

os UEs com pior SINR da rede, os que se encontram na orla mas apenas ligados a 1 sector. Se o

objetivo e melhorar a fairness tambem estes necessitam de que o seu debito binario melhore. Mesmo

encontrando o valor ideal para o parametro RBGJT que apresente a relacao pretendida entre o ganho

de fairness e a perda de debito, este valor varia no tempo especialmente para redes nas quais exista

mobilidade por parte dos UEs e handovers constantes.

Tambem o Scheduler 2 se mostrou muito mais pesado computacionalmente que o Scheduler 1. Para

correr um conjunto de 20 simulacoes o Scheduler 1 necessitou de 2 h e 40 m enquanto o Scheduler 2

para os mesmos parametros de entrada excepto para um RBGJT de 30 % precisou de 4 h e 28 m. O

facto de haverem 4 ciclos para o Scheduler 2 e apenas 1 para o Scheduler 1 e o responsavel por esta

diferenca de tempo. O Scheduler 2 nao pode ser executado para todos os UEs porque um UE a partida

nao sabe quantos RBs lhe devem ser atribuıdos. E mesmo que para calcular este numero de RBs

fizesse a divisao entre o numero de RBs alocados a JT e o numero de UEs a usar JT, nao saberia se

os outros UEs conseguiriam todos os RBs a que tem direito, ficando assim RBs por alocar que seriam

distribuıdos a UEs normais. Outra questao e o numero de UEs a usar JT variar de sector para sector,

tornando tambem complicada a tarefa de prever quantos RBs um dado UE tem direito.

Tanto a condicao 1 como a 2, e portanto o parametro Rmin e PLmax , mostraram nao ter impacto nos

resultados e quando tinham era para pior. Quanto muito estes parametros farao sentido apenas ao

nıvel computacional, de forma a melhorar o desempenho dos algoritmos de decisao no uso de JT. De

qualquer das formas nestes cenarios simulados foi provado ser benefico o uso de JT para UEs a uma

distancia inferior a 50 % do raio do eNB e para UEs com valor de macroscopic pathloss nao superior a

75 dB.

Os melhores valores para as 3 condicoes foram descobertos quando a rede operava apenas com 1

cluster. Em especial para a condicao 3, seria interessante descobrir qual o melhor valor para clusters

de diferentes tamanhos que nao o primeiro.

Em relacao a trabalhos futuros, faria sentido descobrir qual o impacto dos atrasos na rede nos resulta-

dos. Quer o feedback dos UEs para os eNBs, como o atraso na comunicacao entre eNBs. Tambem a

mobilidade dos UEs na rede deveria ser estudada e em particular os handovers e as suas implicacoes.

Para o Scheduler 2 e possıvel desenvolver um algoritmo que calcule, com base nos ganhos de debito

e fairness desejados, a percentagem da RBG que deveria ser alocada a UEs a usar JT. Seria tambem

interessante alocar essa percentagem da grelha nao so a UEs a usar JT mas mesmo a UEs normais

que se encontrem na orla. Dessa forma seriam apenas os UEs do centro os prejudicados e seriam

tanto os UEs a usar JT como os da orla os beneficiados.

61

62

Anexo A

Manual de Utilizador

Este Anexo explica como correr o simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7 r1119 [IWR10]

e em particular como correr os modelos desenvolvidos nesta dissertacao. Sao descritas tambem todas

as alteracoes realizadas no simulador.

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Dentro da pasta “System Level LTE v1.7 r1119” encontram-se dezenas de pastas e de scripts em que

todas eles fazem parte do simulador e sao necessarios para o normal funcionamento deste. O simula-

dor foi desenvolvido em linguagem Matlab [MAT13].

Para correr o simulador e necessario executar um dos ficheiros que estao na pasta principal e que

comecam pelo nome “LTE sim main launcher ”. Qualquer um destes ficheiros comeca por carregar um

ficheiro “.m” presente na pasta “+simulation config”, que nao faz mais do que inicializar as variaveis

necessarias para a execucao do programa, e depois iniciar o simulador propriamente dito.

Foram criados dois ficheiros de inicializacao do simulador nesta tese: “LTE sim main launcher jt” e

“LTE sim main launcher jt sim aval”. O segundo e usado na Seccao 3.4 para simular a situacao em

que existe apenas um UE. O primeiro ficheiro e usado para simular todos os cenarios em que seja

usado JT.

Para alem de todos os parametros de entrada ja existentes no simulador, consultar [Ins13], foram adici-

onados 8 novos parametros:

• LTE config.joint transmission: uso ou nao de JT, 1 para verdadeiro e 0 para falso;

• LTE config.cluster: tipo de cooperacao usado entre eNBs, 1 para toda a rede, 2 ou 3 para clusters

estaticos de tamanho 2 ou 3 repetivamente, e 4 para cooperacao intra-eNB apenas, corresponde

ao parametro ClusterCoMP ;

• LTE config.percent RBG edge: relacao entre o numero de RBs dedicados a UEs a usar JT e o

numero total de RBs na RBG, referente ao scheduler 2, valor igual a 0 para usar o scheduler 1,

RBGJT ;

• LTE config.min edge: relacao entre o raio a partir do qual e considerado orla e o raio do eNB,

corresponde a variavel Rmin na Seccao 3.2.1;

• LTE config.max PL: valor de macroscopic pathloss maximo para o primeiro sector que justifique

a procura de outro sector, corresponde a variavel PLmax na Seccao 3.2.1;

• LTE config.max diff PL: diferenca maxima entre o valor de macroscopic pathloss do sector princi-

pal para os secundarios, corresponde a variavel ∆PLmax na Seccao 3.2.1;

• LTE config.max eNodeB: maximo numero de sectores a que os UEs se podem ligar, eNBmax ;

• LTE config.equality: constante de desigualdade referente ao scheduler 2, um valor positivo favo-

rece UEs do centro enquanto um valor negativo os UEs a usar JT, corresponde a variavel Cd na

Seccao 3.2.2.

No ficheiro “LTE init generate users and add schedulers” encontram-se definidos os clusters estaticos

de cooperacao, descritos no Anexo B.

As alteracoes no simulador feitas no decorrer desta tese sao sempre precedidas e finalizadas por uma

linha com uma serie de caracteres “percentagem” (%). Apenas para alteracoes de pouca importancia,

como inicializacao de variaveis, e que isto nao acontece.

As alteracoes no simulador encontram-se nos seguintes ficheiros:

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• eNodeB.m: criado vetor para guardar o cluster de cooperacao ao qual o proprio eNB pertence;

• eNodeB sector.m: criada funcao de ligacao dum UE a usar JT a um sector, criadas todas as

funcoes de scheduling;

• LTE init generate users and add schedulers.m: definicao dos clusters estaticos de cooperacao,

aplicacao das condicoes para o uso de JT, descritas na Seccao 3.2.1, para todos os UEs activos;

• LTE GUI show aggregate results.m: apresentacao no ecra e impressao para um “.txt” na pasta

“printed results” os indicadores de desempenho anteriormente calculados;

• LTE sim main.m: chamada das funcoes de scheduling, calculo de varios indicadores de desem-

penho e inclusao destes no ficheiro de saıda;

• macroscopicPathlossMap.m: criada funcao que retorna o segundo e terceiro melhor eNB, com

mais baixo valor de macroscopic pathloss, para um dado UE;

• UE.m: criados vetores para guardar os eNBs de JT, criada nova funcao para calculo do feedback

para os eNBs.

Foram adicionalmente criados 4 scripts Matlab: “calc media desviopadrao”, “delete cache results”, “out-

put” e “for LTE sim main launcher jt”. O primeiro recebe um vetor e calcula a media, o desvio padrao

e o CV dos valores do vetor. O “delete cache results” elimina todos os ficheiros gerados pelo simu-

lador que sao guardados nas seguintes pastas: “data files\UE caches”, “data files\network caches”,

“data files\channel traces” e “results”. Nas tres primeiras pastas estao os ficheiros cache usados para

acelerar a simulacao e na ultima pasta os resultados finais. O script “for LTE sim main launcher jt” e

usado para correr um dado ficheiro de inicializacao do simulador repetidas vezes e por ultimo o script

“output” abre um ficheiro de resultados e imprime no ecra os principais parametros da simulacao.

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66

Anexo B

Clusters

As 4 diferentes formas de definicao de clusters CoMP utilizados nesta dissertacao estao explicados e

ilustrados neste Anexo.

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O parametro do simulador que controla qual o tipo de cooperacao entre eNBs e designado nesta

dissertacao por ClusterCoMP . Este pode assumir 1 de quatro valores:

• 1: todos os eNBs cooperam uns com os outros, existe apenas um unico cluster ;

• 2: sao criados grupos estaticos de 2 eNBs;

• 3: sao criados grupos estaticos de 3 eNBs;

• 4: existe apenas cooperacao intra-eNB, entre os 3 sectores de cada eNB.

A rede LTE usada nas simulacoes apresentadas nesta tese consiste em 19 eNBs distanciados de 500 m

entre si, em que apenas o eNB do centro e o primeiro anel fazem parte da RDI. A RDI e constituıda

pelos seguintes eNBs: 5, 6, 7, 10, 11, 12 e 16. Todos estes clusters sao estaticos durante toda a

simulacao e portanto definidos previamente. Na Figura B.1 encontra-se o caso no qual a rede opera

com clusters de tamanho 2. Os clusters de tamanho 2 usados sao os seguintes: (1,5), (2,6), (3,7),

Figura B.1: Representacao dos clusters de tamanho 2 para uma rede de 19 eNBs.

(4,9), (8,13), (10,15), (11,16) e (12,17). Existem eNBs que nao estao inseridos em nenhum cluster, o

que e justificado pelo facto dos eNBs que fariam parte desses clusters nao estarem na rede. Nenhum

desses eNBs esta na RDI, pelo que nao ha impacto nos resultados das simulacoes. Na Figura B.2 estao

representados os clusters de tamanho 3. Como ilustrado na figura, sao estes os clusters de tamanho

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Figura B.2: Representacao dos clusters de tamanho 3 para uma rede de 19 eNBs.

3: (1,2,6), (3,7,8), (4,9), (5,10,11), (12,13,18) e (15,16,19). Novamente todos os eNBs que pertencem

a RDI tem o cluster completo.

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Anexo C

Wireless World Initiative New Radio

Neste Anexo e descrito o modelo Wireless World Initiative New Radio (WINNER II), que e o usado para

calcular o desvanecimento rapido no simulador utilizado nesta dissertacao.

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O Wireless World Initiative New Radio (WINNER II) e um modelo cujo objectivo e simular um canal radio

para simulacoes tanto ao nıvel da ligacao como ao nıvel do sistema. Este modelo foi implementado em

Matlab, no Workpackage 1 [Nar+07a].

O modelo usa os parametros referentes as antenas e as ligacoes radio definidos pelo utilizador como

esta descrito em [Nar+07b]. O resultado do modelo e um vector multidimensional que contem as res-

postas do canal aos impulsos de cada ligacao radio pretendida. Sao tambem fornecidos parametros

aleatorios do canal para cada ligacao.

De forma a suportar simulacoes ao nıvel do sistema, o modelo necessita de calcular simultaneamente

multiplas ligacoes. Estas simulacoes podem incluir multiplos eNBs, multiplos relay stations e multiplos

UEs como ilustrado na Figura C.1.

Figura C.1: Representacao dum sistema, com varios segmentos [Nar+07b].

Simulacoes ao nıvel da ligacao estao representados pelas linhas azuis a tracejado. Os pequenos tracos

a azul representam segmentos de canal onde os parametros de grande escala se encontram constan-

tes. Estes parametros de grande escala sao: atenuacao devido ao efeito sombra, atraso no canal,

entre outros. Tanto a simulacao ao nıvel do sistema como da ligacao podem ser ser realizadas pela

modulacao de multiplos segmentos, ou por apenas um. No caso da modulacao apenas de um segmento

usa-se o modelo Clustered Delay Line (CDL). Este modelo usa parametros do canal espacio-temporal

tabelados, pelo que o modelo e inteiramente determinıstico. Este modelo pode ser util para fins de

calibracao na simulacao dum sistema.

Na Figura C.2 esta representada uma unica ligacao, assim como os parametros usados pelo modelo.

Cada cırculo, com pontos dentro do mesmo, representa regioes de dispersao o que da origem a um

chamado aglomerado.

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Figura C.2: Representacao duma ligacao [Nar+07b].

O numero de aglomerados, assim como o numero de caminhos, vai variar de cenario para cenario. O

numero de caminhos varia entre 8 e 24. O numero de raios e constante e tem o valor 20. Os varios

cenarios suportados podem ser consultados em [Nar+07b].

73

74

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