Algoritmos de alocação dinâmica de recursos rádio para sistemas 4G baseados em MC-CDMA

Abstract

Este trabalho considera o processo de scheduling de pacotes para sistemas rádio móvel da 4ª geração baseados em MC-CDMA. É proposto um algoritmo que se baseia na prioritização de pacotes usando uma métrica que combina requisitos de serviço com a qualidade da ligação, i.e., usa informação proveniente da camada física e camadas superiores para decidir quais os pacotes que devem ser transmitidos. O algoritmo proposto é comparado em termos de desempenho com o algoritmo que maximiza o throughput da célula, e que se baseia exclusivamente na qualidade da ligação física. Para permitir um enquadramento adequado do contexto onde se insere o problema tratado, inclui-se neste trabalho uma análise da evolução das comunicações móveis e dos requisitos e expectativas previsíveis para a componente de banda larga de 4ª geração, bem como uma descrição dos principais estudos e parâmetros definidos pelo projecto europeu MATRICE, onde este trabalho se insere. Tendo em conta que a análise de esquemas de alocação dinâmica de recursos rádio é feita normalmente com recurso a simulações, apresenta-se igualmente o modelo de simulação utilizado neste trabalho. O modelo de simulação a nível de sistema inclui interfaces simplificadas à camada física e rede IP, com o objectivo de não sobrecarregar as simulações, tratando-se os cálculos ao essencial das da parte de sistema. Relativamente às interfaces com a camada física, duas interfaces foram implementadas, interface de valor médio para simulação de aplicações tempo-real em que tempo de sessão é normalmente superior ao tempo de coerência do canal e interface de valor actual para aplicações do tipo comutação de pacotes em que o tempo de sessão é pequeno comparado com tempo de coerência do canal. A avaliação do desempenho dos algoritmos de scheduling propostos é feita utilizando um sistema gestão de recursos semelhante ao proposto pela 3GPP para o HSDPA que inclui modulação e codificação adaptativa, ARQ Híbrido com o Chase combining. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo proposto em comparação com o que maximiza o throughput revela-se num mecanismo mais adequado para scheduling de pacotes quando os requisitos de serviços devem ser levados em conta e que o aumento da satisfação de utilizadores, medido pelo número de utilizadores satisfeitos, é feito com base na diminuição do throughput da célula. Os resultados mostram ainda que a escolha de diferentes parâmetros permitem a afinação do algoritmo a diferentes comportamentos, optimizando o desempenho dependente do tipo de serviço e quantidade tráfego esperados no sistema.

ABSTRACT: This work deals with packet scheduling algorithms for the broadband component of 4G systems. A scheduling algorithm that combines QoS requirements with information from the physical layer is proposed and its performance assessed against the scheduling algorithm used in HSDPA that aims to maximize the throughput. To provide the appropriate framework for the issues tackled in this dissertation, a description of the evolution of mobile communications along with the main requirements and alternatives envisioned for 4G systems is provided, where the main technological are taken from the European IST project MATRICE where the current work fits. Since system level studies are performed resorting to simulations, a thorough description of the requirements and options used in the system level modelling is provided. The system level simulation model includes simplified interfaces models to the physical layer and to the IP layer, to avoid complex and heavy simulations. Physical layer interface included average value interface to be used in simulations of real-time applications, where session duration is longer than coherence time of the fading radio channel. Actual value interface is used for packet based applications where the session duration is short when compared to the coherence time of the fading radio channel. The evaluation of the proposed scheduling algorithm is performed using a resource management system based on the 3GPP HSDPA which includes adaptive modulation and coding, Hybrid ARQ with Chase combining. The results shown that when compared against the maximum throughput algorithm, the proposed algorithm is the most suitable for packet scheduling when both quality of service requirements and user satisfaction must be considered. Furthermore since the performance results represent a trade-off between the number of satisfied user and the cell throughput, it is possible through the appropriate parameterization to adjust the proposed algorithm to different behaviours according to the type and load of the traffic in the system.