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LPRAD - Laboratório de Planejamento de Redes de Alto Desempenho PPGCC - Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação UFPA - Universidade Federal do Pará

Uma Nova Abordagem de Seleção de Célula e Handover para Redes LTE Heterogêneas: Critérios Adicionais Baseados em

Estimativa de Capacidade e Velocidade de Usuário

Dissertação de Mestrado - Defesa

Edinaldo João Costa de La-Roque

Orientador: Prof. Dr. Carlos Renato Lisboa Francês

Co-Orientador: Msc. Carlos Patrick Alves da Silva

agosto/2015

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Agenda

1. Contextualização 2. Definição do Problema 3. Objetivos 4. Fundamentos 5. Trabalhos Correlatos 6. Proposta 7. Avaliação de Desempenho e Resultados 8. Conclusão Referências

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1. Contextualização

• A explosão do uso de dispositivos e aplicações móveis tem levado a uma sobrecarga do sistema, afetando tanto o desempenho da rede quanto a experiência do usuário (4G AMERICAS, 2012):

Constante

aumento do número de

usuários

Dispositivos móveis mais

potentes (proc e mem)

Aplicações

mais vorazes: +harware +banda

-latência

Crescimento

exponencial do tráfego de

dados

Degradação no desempenho

da rede

Impacto

negativo na qualidade de

serviço

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3

4

5

6

4


2. Definição do Problema

• As redes de acesso LTE (Long Term Evolution) surgem como uma solução de rádio acesso, projetadas para aumentar a capacidade, cobertura e velocidade, em comparação aos sistemas wireless anteriores (4G AMERICAS, 2012).

LTE

Fonte: adaptado de CISCO (2013)

Estações Rádio Base Evoluídas (eNodeBs)

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2. Definição do Problema (2)

a. No LTE Releases 8 e 9, os processos de seleção de célula e handover são ineficientes (baseados apenas em relação sinal/ruído);

b. Consequentemente, as macrocélulas tornam-se sobrecarregadas, enquanto que as pico e femtocélulas ficam ociosas.

Consequências • Desbalanceamento de carga

da rede;

• Degradação do desempenho da rede;

• Degradação da qualidade de serviço para o usuário.

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2. Definição do Problema (3)

Considerando a tecnologia LTE release 8 do 3GPP, foram identificados dois processos: • Seleção de célula • Handover

A otimização desses processos pode ajudar numa melhor distribuição do tráfego na rede, promovendo:

• Melhoria no balanceamento de carga, com consequente desafogamento de tráfego na macrocélula.

• Melhoria na percepção de Qualidade de Serviço (QoS) para o usuário

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3. Objetivos

3.1 Objetivo Geral Implementação de dois critérios adicionais para os processos de seleção de célula e handover:

• Estimativa de capacidade das estações base • Velocidade do usuário.

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3. Objetivos (2)

3.2 Objetivos Específicos

a) Propor método de estimativa de velocidade média para usuários móveis para proteger usuários de femtocélulas contra tráfegos indesejáveis;

b) Propor um método de estimativa de disponibilidade de capacidade para as estações base;

c) Desenvolver códigos em C++ no simulador OPNET Modeler para que os UEs priorizem as estações base que ofereçam melhores garantias de disponibilidade de recursos;

d) Validar a solução por simulação discreta;

e) Avaliar o desempenho da solução proposta.

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4. Fundamentos

4.1 Arquitetura de uma rede LTE heterogênea

DSL Digital Subscriber Line eNB eNodeB fUE Femtocell UE HeNB Home eNodeB (femto resid.) mUE Macrocell UE SONET Synchronous Optinal Network TDM Time Division Multiplexing

Legenda

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4. Fundamentos (2)

4.2 Processo de Seleção e Re-seleção de Célula a. Determina eNodeB que fornece serviço a um UE;

b. Executado quando UE se junta à rede (seleção de célula) ou quando o UE se movimenta no modo idle (re-seleção de célula);

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4. Fundamentos (3)

4.3 Handover

Garante a mobilidade à medida que UE se move por entre as células. Pode acontecer quando: • O sinal da eNodeB atual se deteriora;

• Por necessidade de balanceamento de carga da rede;

• Expectativa de um QoS melhor, custo menor, largura de banda, etc.

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4. Fundamentos (4)

4.4 Estrutura Básica de Recursos

• Largura de banda de 20 MHz (Rel. 8);

• Alocação de recursos baseada em RBs (ou PRBs), sendo 100 RBs para 20 MHz;

• 1 RB = 12 subportadoras x 6 ou 7 símbolos = 72 ou 84 REs;

• Esquemas de modulação por RE: QPSK, 16QAM e 64QAM;

• Downlink: 150 Mbps -> MIMO 2x2 300 Mbps -> MIMO 4x4

• uplink: 75 Mbps (taxa de pico)

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4. Fundamentos (5)

4.5 Tabela de CQI (Channel Quality Information) • UE relata à eNodeB o mais alto índice de CQI que corresponda a um MCS

(Modulation and Coding Scheme) e TBS (Transport Block Size);

• BLER (Block Error Rate) não deve exceder 10% para o MCS e TBS atribuídos.

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4. Fundamentos (6)

4.6 Mecanismos de QoS

O QoS está vinculado à ideia de bearer, que é uma espécie de túnel ao qual são associados uma Classe de QoS (QCI) e uma Prioridade de Alocação e Retenção (ARP), este último governando à preempção durante o estabelecimento de um novo bearer em casos de congestionamento da rede. Os bearers podem ser: • Bearers com Garantia Mínima de Taxa de Bit (GBR): recursos alocados de

forma permanente, podendo ter uma Taxa Máxima de Bit (MBR);

• Bearers Não-GBR: não garantem quaisquer taxas de bit e não recebem nenhuma alocação permanente de largura de banda.

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4. Fundamentos (7) (cont.) Cada QCI (QoS Class Identifier) é caracterizado:

• Prioridade; • Delay de pacote; • Taxa aceitável de perda de pacotes.

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5. Trabalhos Correlatos

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5. Trabalhos Correlatos (2)

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6. Proposta 6.1 Escopo

a. Desenvolvimento e implementação de critérios adicionais para os processos

de seleção de célula e handover para:

• Melhorar o balanceamento de carga;

• Promover o "desafogamento" do tráfego na macrocélula;

• Melhorar a percepção de QoS do usuário.

b. Os critérios são: estimativa de capacidade das estações base e estimativa de velocidade do usuário.

c. A solução consiste na implementação de códigos C++ no simulador OPNET.

d. Somente o downlink é contemplado na solução.

e. Pressopõe-se que cada estação base informe tanto a sua capacidade disponível, quanto o seu tipo (macro, pico ou femtocélula).

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6. Proposta (2) 6.2 Visão Geral Sobre a Adoção dos Critérios Adicionais

a. Promover condição na qual intensidade e qualidade de sinal + disponibilidade de capacidade, em certas proporções, afetem o processo decisório de seleção de célula e handover, de maneira a dar preferência à disponibilidade de capacidade.

b. Pesos (proporções) adotados:

• 25% para o parâmetro conjunto intensidade + qualidade de sinal;

• 75% para o parâmetro disponibilidade de capacidade da estação base.

c. Pesos escolhidos empiricamente e atribuídos manualmente, a partir de vários experimentos.

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6. Proposta (3) 6.2 Visão Geral Sobre a Adoção dos Critérios Adicionais (continuação)

a. Seleção de célula teve mais dois pontos de decisão acrescentados:

• Verificação de compatibilidade da velocidade média do UE com o tipo de eNodeB (proteção contra conexões indesejáveis);

• Verificação da disponibilidade de capacidade de cada eNodeB (seleção da que apresente maior disponibilidade).

b. Handover teve dois passos acrescentados:

• Verificação de compatibilidade da velocidade média do UE com o tipo de eNodeB (proteção contra conexões indesejáveis);

• Ranqueamento do valor estimado da disponibilidade de capacidade de cada eNodeB candidata.

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6. Proposta (4) 6.3 Cálculo da Velocidade do UE

a. Velocidade instantânea calculada a intervalos de 1 segundo, armazenando as 10 últimas amostras na memória do UE;

b. Método da distância Euclidiana;

c. Velocidade média baseada nos últimos 10 segundos .

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6. Proposta (5) 6.4 Estimativa de Capacidade da eNodeB via Canal PDSCH

a. Cálculo da quantidade de rercursos disponíveis acontece a cada 1 milissegundo (1 TTI), que é quando a eNodeB monta seus subframes de rádio;

b. Cálculo = recursos livres - recursos ocupados (a partir do PDSCH);

c. Últimas 6.000 amostras do cálculo (6 s de informação arbitrada empiricamente) são armazenadas na memória da eNodeB;

d. Disponibilidade média de recursos calculada com base nas 6.000 amostras;

e. Informação utilizada para seleção de célula e handover.

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6. Proposta (6) 6.6 Fluxograma do Algoritmo

Figura 5 - Fluxograma do algoritmo proposto: (a) Novo processo de seleção de célula a ser executado no UE; (b) Novo processo de handover a ser executado na eNodeB

Fonte: prórpria

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7.1 Validação por Simulação Discreta com o OPNET

7. Avaliação de Desempenho e Resultados

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7.1.1 Métricas Selecionadas

a. Taxa de utilização (%) do canal PDSCH da camada física (PHY) do LTE: reflete o percentual de recursos de banda utilizados em uma estação base;

b. Quantidade de EPS Bearers GBR admitidos: reflete o sucesso em obter a quantidade de recursos necessários para a execução das aplicações dos usuários;

c. Quantidade de EPS Bearers GBR rejeitados: reflete o insucesso em obter a quantidade de recursos necessários para a execução das aplicações dos usuários;

d. Taxa de descarte de pacotes no downlink (pacotes/segundo): reflete o percentual de pacotes descartados no downlink;

e. Delay LTE: reflete o delay de todo o tráfego que chega à camada LTE e que flui entre as eNodeBs e os UEs.

7. Avaliação de Desempenho e Resultados (2)

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7.1.2 Cenários de Simulação

a. Cenário Baseline (REF): Cenário LTE de referência, com base na especificação padrão 3GPP Release 8;

b. Cenário com Estimativa de Capacidade (CAP): O mesmo que o cenário REF, porém com o algoritmo de estimativa de capacidade habilitado;

c. Cenário com Estimativa de Capacidade e Velocidade de Usuário (C&S): O mesmo que o cenário REF, porém com os algoritmos de estimativa de capacidade e velocidade de usuário habilitados.


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7.2 Resultados da Simulação

Os resultados gerados pela simulação dos três cenários (REF, CAP e C&S) servirão de base comparativa para avaliar o desempenho da solução proposta.


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7.2.1 Balanceamento de Carga da Rede - Análise Numérica


A macrocélula teve a sua média de utilização reduzida de 25,46% (cenário REF) para 4,43% (cenário C&S), o que, para esse caso específico, representa um alívio significativo para a macrocélula, que terá mais banda disponível para melhor atender aos UEs.

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7.2.1 Balanceamento de Carga da Rede - Análise Gráfica


a. No cenário REF, a macrocélula assumiu a maior parte do tráfego.

b. No cenário C&S, o tráfego é redistribuído da macrocélula para as estações base de baixa potência, indicando um balanceamento de carga mais eficiente.

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7.2.2.1 Quantidade de EPS Bearers GBR Admitidos e Rejeitados - Análise Numérica


a. Aumento de 24,62% na admissão de bearers GBR indica melhoria na QoS, nos cenários REF e C&S (788 contra 982 bearers no total).

b. Grande decréscimo na rejeição de bearers GBR indica de melhoria no nível de QoS (19.338 do REF contra 653 do C&S).

c. Grande quantidade de EPS bearers (6.253, 19.338 e 26.628 nos totalizadores), em REF e CAP, são parcialmente devidos a excessivas tentativas de conexão com estações de curto raio de cobertura (femtocélulas), devido à ausência do algoritmo de verificação de velocidade nos cenários REF e CAP. Totais presentes em REF e CAP indicam qualidade de serviço inferior em comparação com C&S.

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7.2.2.1 Quantidade de EPS Bearers GBR Admitidos e Rejeitados - Análise Gráfica


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7.2.2.2 Pacotes/Segundo Descartados no Downlink - Análise Numérica


a. O algoritmo de estimativa de capacidade ativado tanto no cenário CAP quanto no cenário C&S, foi sem dúvida o responsável pela redução na taxa de descarte de pacotes;

b. O algoritmo de velocidade de usuário mostrou uma pequena influência de 0,58% (20,23% - 19,65%) nessa métrica.

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7.2.2.3 Delay LTE - Análise Numérica


a. Um melhor resultado foi alcançado com o cenário CAP (somente o algoritmo de estimativa de capacidade ativo), que apresentou um delay LTE de 1,87 s;

b. No entanto, considerando-se o desempenho geral do sistema, reforçado pelas outras métricas apresentadas, o delay LTE de 2,84 s do cenário C&S ainda representa uma redução significativa de 55,63% (4,42 segundos contra 2,84 segundos).

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8. Conclusão

Os resultados mostraram que :

a. A macrocélula se torna mais livre para aceitar conexões de um número maior de usuários;

b. Os usuários de femtocélulas não sofrem o impacto dos usuários em velocidades veiculares;

c. As picocélulas passam a assumir mais tráfego de rede, mesmo com suas baixas potências de transmissão em comparação com a potência da macrocélula.

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8.1 Contribuições à Área

8. Conclusão (2)

As principais possíveis contribuições deste trabalho são: a. Proposição de uma nova abordagem de seleção de célula e handover para redes

LTE heterogêneas, utilizando critérios adicionais baseados em estimativa de capacidade das estações base e velocidade de usuário.

b. Implementação (no OPNET) de algoritmo de estimativa de capacidade disponível com base no percentual de utilização (%) de uma eNodeB, conforme informado via canal PDSCH (Physical Downlink Shared Channel);

c. Implementação (no OPNET) de algoritmo para cálculo da velocidade média do usuário (UE);

d. Identificação dos principais parâmetros que envolvem o processo de seleção de célula e handover, bem como dos principais parâmetros envolvidos nos processos de alocação de recursos no downlink;

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8.1 Contribuições à Área (continuação)

8. Conclusão (4)

e. Desenvolvimento de três materiais didáticos sobre introdução ao OPNET, planejamento, configuração, simulação, coleta de estatísticas e análise de resultados, conforme abaixo. Material utilizado durante o estágio em docência.

OPNET - Apresentação do Simulador Discreto: apresentação com 23 slides;

OPNET - Tutorial Rede LTE Básica: tutorial com 51 páginas;

OPNET - Tutorial Rede LTE - VoIP e Videoconferência: tutorial com 61 páginas.

f. Estágio em docência , envolvendo aulas e reuniões com alunos de mestrado do PPGEE, no período 2014.2, para ajudar nos seus trabalhos com simulação LTE.

g. Artigo publicado em conferência internacional classificada pela CAPES-CC como B1: AICT 2015 – The Eleventh Advanced International Conference on Telecommunications, sediada em Bruxelas, na Bélgica, entre os dias 21 e 26 de junho de 2015, organizada pela IARIA – International Academy, Research, and Industry Association (LA-ROQUE, SILVA e FRANCÊS, 2015).

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8.2 Dificuldades Encontradas

8. Conclusão (5)

Restrições de software e hardware enfrentadas com o simulador OPNET, com a configuração de cenários complexos e realísticos (REF, CAP e C&S): a. Limitou o tempo de cada simulação (150 segundos);

b. Limitou o número de seeds com simulações concluídas com sucesso;

c. Simulações acima de 150 segundos provocavam abortos, provavelmente devido às instabilidades geradas pelo número muito grande de eventos gerados (em torno de 60 milhões de eventos para cada um dos cenários), fazendo com que somente alguns raros seeds conseguissem atingir o tempo delimitado para cada simulação.

Esse fatores impossibilitaram um tratamento estatístico mais adequado a uma avaliação de desempenho mais primorosa, através de intervalos de confiança que refletissem o comportamento médio de um sistema realístico.

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8.3 Trabalhos Futuros

8. Conclusão (6)

Como sugestões para trabalhos futuros, é desejável: a. Empreender um estudo mais profundo com relação ao método utilizado para o

cálculo dos pesos tanto para os valores dos parâmetros RSRP e RSRQ, quanto para os valores do parâmetro de estimativa de capacidade, a fim de que o efeito do balanceamento de carga da rede possa ser refinado.

b. Buscar uma compreensão mais detalhada sobre o efeito da velocidade de UEs outdoor sobre a qualidade dos serviços móveis para os usuários de femtocélulas indoor.

c. Realizar experimentos com diferentes modelos de perda de propagação (pathloss), bem como com maiores distâncias entre os UEs e as estações base.

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Referências

4G AMERICAS. Mobile Broadband Explosion: The 3GPP Wireless Evolution. White Paper, Agosto 2012. Disponível em: < http://www.4gamericas.org/files/5414/0759/4533/4G_Americas_Mobile_Broadband_Explosion_August_20121.pdf >. Acesso em: 13 jul. 2015. ALI-YAHIYA, Tara. Understanding LTE and its Performance. New York, USA: Springer Science & Business Media, 2011a. 277 p. Cisco. Cisco ASR 5000 PDSN: Packet Core Connectivity for CDMA Networks. http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/wireless/ps11035/ps11047/ps11072/data_sheet_c78-607122.html. Acessado em 09/11/2013. HOLMA, Harri; TOSKALA, Antti. LTE for UMTS: Evolution to LTE-advanced. 2ed. Nokia Siemens Networks, Finland: John Wiley & Sons, 2011. 559 p. LA-ROQUE, E. J. C.; SILVA, C. P. A.; FRANCÊS, C. R. L. A New Cell Selection and Handover Approach in Heterogeneous LTE Networks: Additional Criteria Based on Capacity Estimation and User Speed. In: The Eleventh Advanced International Conference on Telecommunications (AICT), IARIA, 2015. p. 57-65. ISBN 978-1-61208-411-4. SESIA, Stefania; TOUFIK, Issam; BAKER, Matthew. LTE–The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. 2ed. United Kingdom: John Wiley & Sons, Ltd., 2011. 794 p.

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Agradecimentos

Obrigado!

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