Análisis de Viabilidad y Rendimiento de un
Sistema LTE CognitivoCarlos Herranz Claveras
Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) – Grupo de Comunicaciones Móviles (MCG)
Índice
• Introducción
• Arquitectura
• Escenario de simulación
• Simulador
• Resultados
• Conclusiones
Introducción
Introducción
• El espectro radioeléctrico es un recurso natural escaso e infrautilizado
– Razón: un anticuado e ineficiente plan de reparto fijo de las bandas de frecuencia a sistemas licenciados.
– Ejemplo: La banda de TV.
• Radio Cognitiva, en inglés Cognitive Radio (CR)
– Solución al uso ineficiente del espectro.
– Toma consciencia del estado de la banda y hace uso oportunista de ella.
Introducción
• Objetivo: aumentar la capacidad de sistemas IMT-Advanced– Viabilidad de sistemas LTE-Advanced (LTE-A) operando en el dividendo
digital y haciendo uso oportunista del espectro disponible.
– Explotar la denominada Agregación de Espectro (Carrier Aggregation) de la tecnología LTE-A.
• Proyecto CORAGE (COgnitive RAdio GEneration) enmarcadodentro del programa Avanza I+D.
B1B2B3
Uso licenciado LTEUso cognitivo LTE
B4
Uso cognitivo
LTE
Arquitectura
Arquitectura
• Requisitos exigidos por el sistema CORAGE
Interoperabilidad entre los diferentes sistemas.
Mecanismos de coordinación y asignación dinámica y flexible de espectro.
Proporcionar la información necesaria en términos de recursos radio disponibles en una posición determinada.
Pasarela TETRA-IMS
IMS- Control de Sesión
Servicios
Internet PSTN-MobNets Redes de Emergencias/Seguridad
DVB-T/DVB-H
Terminales LTE
CORAGE (LTE) RAN
LTE ePCOAM (LTE)
Cognitive Radio Control
TETRA RAN
TETRA CN
Terminales TETRA Terminales
CORAGE
- LTE- TETRA DMO- Wi-fi DMO- Piloto Cognitivo
Arquitectura
• Adaptar la frecuencia de trabajo y ancho de banda al uso del espectro por parte de otros servicios y a las condiciones de interferencia radio.
• Tomar conciencia del estado del espectro no licenciado– Bases de datos geo-localizadas.
– Sensado de espectro.
– Piloto cognitivo.
RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 RBn...
TTI=1
TTI=2
TTI=3
user1 user2 user3
TTI=4
TTI=5
TTI=6
TTI=7
TTI=8
Durante Tsens=2xTTI los usuarios sensan
Ts
Tsens
Durante Tsens=2xTTI los usuarios sensan
Escenario de simulación
Escenario de simulación• Despliegue en la Región de Murcia.
– 37 eNB (eNode B) con tecnología LTE
– 16 comparten emplazamiento con transmisores DVB-T y 21 con emisores TETRA.
• Información real disponible– Posición geográfica del emplazamiento
– Altura del terreno y de las antenas
– Direcciones acimutales de los sectores (o celdas)
– Inclinaciones (tilts) de las antenas
– Diagramas de radiación
– Potencias de transmisión
– Anchos de banda LTE disponibles (1.4, 3, 5, 10 y 15 MHz)
– Mapas de cobertura LTE y DVB-T, con el fin de identificar qué celdas no están siendo interferidas por DVB-T.
Escenario de simulación
• Estudio del enlace descendente.– Usuarios full-buffer. Uno de ellos recibe un vídeo
• Uso cognitivo
• Estudio de la transmisión de distintos vídeos
Tipo Resolución Codificación Contenedor FPSBit-Rate(kbps)
1 320x240 H.264 MP4 12 65
2 640x480 H.264 MP4 12 200
3 800x600 H.264 MP4 12 750
Simulador
Simulador• Capas de enlace y física son
simuladas por SPHERE (SimulationPlatform for HEterogeneous wiRElesssystems).
– Emulación a nivel de paquete
– Especificaciones interfaz radio
– Alta resolución temporal
– Incluye consideraciones IMT-Advanced
• NS2 simula las capas superiores.
– Amplio uso en comunidad investigadora (networking y comunicaciones)
– Trabaja a nivel de paquete
– Soporta gran número de protocolos a diferentes niveles de capa OSI.
– Simula redes cableadas e inalámbricas.
IP
FISICA
IP
Fuente de
trafico
Node 1 Node 2
Punto de
Acceso
Usuario
Final
APPLICACION
TRANSPORTE
IP
FISICA
ENLACE
IP
APLICACION
TRANSPORTE
IP
FISICA
ENLACE
FISICA
ENLACE
FISICA
ENLACE
FISICA
ENLACE ENLACE
SP
HE
RE
NS
-2
Resultados
Resultados
• Tráfico
Ancho de Banda LTE de 10 MHz Vídeo #2
0
100
200
300
400
500
600
LTE LTE+DVB LTE+TETRA LTE+TETRA+DVB
Ave
rage
Th
rou
ghp
ut
vid
eo
use
r (k
bp
s)
video 1 (360x240) video 2 (600x480) video 3 (800x600)
0
5
10
15
20
25
1,4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz
Thro
ugh
pu
t m
ed
io /
ce
lda
(Mb
ps)
LTE
LTE+DVB
LTE+TETRA
LTE+TETRA+DVB
Resultados
• Experiencia de usuario
– Valores de PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) y MOS (Mean Opinion Score) elevados.
– Retardo medio por frame (ancho de banda LTE = 10 MHz)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Re
tard
o m
ed
io d
e f
ram
e d
e v
íde
o (
s)
video 1 (360x240)
video 2 (600x480)
video 3 (800x600)
Resultados
• Tiempo de sensado
– Ancho de banda de LTE de 5 MHz
– Vídeo #2
0
50
100
150
200
250
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1
Thro
ugh
pu
t m
ed
io u
suar
io v
íde
o #
2
(kb
ps)
Tiempo de sensado (s)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1
Re
tard
o m
ed
io d
e f
ram
e v
íde
o #
2 (
s)
Tiempo de sensado (s)
Resultados
• Agresividad del sistema
– Comportamiento del sistema en la declaración de canales libres.
– Ancho de banda de LTE de 5 MHz.
0
2
4
6
8
10
12
Suave Media Fuerte
Thro
ugh
pu
t m
ed
io /
ce
lda
(Mb
ps)
Agresividad
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Suave Media Fuerte
Re
tard
o m
ed
io p
or
fram
e v
íde
o #
2 (
s)
Agresividad
Conclusiones
Conclusiones
• La difusión de vídeo sobre LTE es viable pero está limitado al ancho de banda del sistema.
• Mecanismos cognitivos permiten ir más allá de las capacidades que el sistema LTE puede ofrecer.– Notable incremento del tráfico tanto de celda como de usuario.
– Considerable disminución del retardo de vídeo, alcanzando vídeo en tiempo real en determinadas configuraciones.
• Fundamental elección de los parámetros cognitivos– Tiempo de sensado.
• No hacer uso indiscriminado de los recursos licenciados.– Uso muy agresivo origina numerosas colisiones, degradando las
prestaciones del sistema
Gracias por su atención
¿Preguntas?
Simulador - Extra
• Co-simulación NS2-SPHERE Estructura paquete (PQT) de
intercambio NS2-SPHERE
• Mapeo de datos PQT NS2 a PQT de intercambio.
1. Establecimiento conexión con SPHERE (socket_TCP) para tx de PQT de intercambio
• NS2 entra en estado de Bloqueo
2. SPHERE rx el PQT de intercambio lo procesa y lo entrega a SingleServer para que sea solicitado.
3. Una vez procesado por SPHERE, tx mensaje desbloqueo a NS2: Unblock-X (X=#capas a tx)
4. NS2 conexión con SingleServer y pedir el paquete modificado • Una vez NS2 recupera el paquete
proveniente SPHERE: mapeo inverso5. NS2 llama la función recv() de su target
(myNull) y le pasa el PQT, para continuar el proceso a capas superiores
myUDP myNull
SingleClient SingleServer
ns-2
SPHERE
13
2
4
5
Comunicación Directa
Comunicación via sockets
IP HeaderTCP
Header…...
Common
Header…...
…...
PktSize
PktId
PktType
ErrorFlag
…...
SourceIP
…….
DestinationIP
TTL
…...
XXX DestIP ErrorFlagTTL …...PktId SourceIPPktSize
Estructura del
Paquete en ns-2
Estructura del
Paquete de intercambio