Gestão de recursos rádio em redes móveis baseadas em satélites

Abstract

Esta tese debruça-se sobre a problemática da gestão de recursos rádio nas redes móveis baseadas em constelações de satélites. Essas redes possuem certas particularidades, no que concerne aos padrões de tráfego oferecidos e à mobilidade relativa dos utilizadores, que impossibilitam uma utilização eficiente do espectro disponível caso se recorra às técnicas de gestão de recursos rádio presentes nos sistemas móveis terrestres. O trabalho realizado tem como objectivo a concepção e análise de novos algoritmos passíveis de serem implementados nos protocolos de gestão de recursos dos futuros sistemas móveis via satélite. Para o efeito, é realizado um estudo comparativo entre soluções possíveis para o segmento espacial, tipo de constelação e órbitas a utilizar, com o propósito de se avaliar o impacto de cada uma delas na qualidade do serviço fornecido. De seguida, procede-se à análise de um conjunto de técnicas de atribuição de canal e controlo de admissão de chamada presentes na literatura. De entre as técnicas estudadas é dada ênfase às técnicas de atribuição dinâmica DCA (Dynamic Channel Allocation) tendo em conta a sua adequação às características dos sistemas móveis em consideração. Do estudo realizado, conclui-se que a utilização dos canais nominais de uma célula é a principal causa de ganhos de eficiência. Esse facto motivou o estudo e implementação de duas técnicas de optimização, o SA (Simulated Annealing) e os AG (Algoritmos Genéticos), com o intuito de calcular o padrão de canais nominais que melhor se adequa a uma dada distribuição de tráfego assimétrica. O passo seguinte do trabalho compreende a concepção da técnica de atribuição de canais SMP (Simplified Maximum Packing), a especificação dos respectivos algoritmos de atribuição e libertação de canal e a sua implementação computacional. O conceito principal utilizado pela técnica SMP é a utilização preferencial dos canais nominais das células ou em alternativa a utilização de canais não nominais desde que as células de interferência da nova chamada e das chamadas em curso no mesmo canal estejam devidamente sobrepostas. Se os padrões de tráfego oferecido às células do sistema apresentarem assimetrias espaciais, a técnica SMP utiliza o padrão de canais nominais calculado anteriormente pela técnica SA. Para validar a referida técnica desenvolveu-se um novo modelo analítico baseado em cadeias multidimensionais de Markov e na teoria de conjuntos. As simulações realizadas demonstram que a técnica de atribuição de canais proposta SMP apresenta uma utilização de recursos rádio próxima do limite teórico obtido a partir do modelo analítico apresentado. De seguida foi desenvolvida uma aplicação, de nome SATCOM3G, com o intuito de estimar a qualidade das ligações rádio e a capacidade dos sistemas móveis via satélite, permitindo assim a realização de estudos comparativos entre sistemas baseados em diferentes tecnologias e técnicas de acesso múltiplo. Uma das inovações introduzidas por esta aplicação compreende a representação dos resultados das simulações em função da localização geográfica dos móveis, o que facilita muito a sua compreensão. Os resultados obtidos pelo simulador demonstram que a técnica de acesso múltiplo CDMA só pode ser utilizada em sistemas móveis de órbita baixa. As técnicas de acesso múltiplo ortogonais nos domínios da frequência e/ou do tempo podem ser usadas com sucesso indistintamente em sistemas de órbita baixa ou média.

This thesis addresses the problem of radio resource management in mobile satellite networks. Those networks have certain characteristics concerning the offered traffic patterns and user relative mobility that preclude an efficient use of spectrum if we appeal to the radio resource management techniques usually implemented in the terrestrial mobile systems. The conducted work has, therefore, as main goal the conception and analysis of new algorithms that could be implemented on future MSS (Mobile Satellite Systems) radio management protocols. Thus, it was performed a comparative study between different possible solutions for the space segment, type of constellation and orbits, in order to assess their impact on the provided service quality. Next, we proceeded to the analysis of an extensive set of channel allocation and call admission control techniques presented in the literature. Among the studied channel allocation algorithms a particular emphasis has been given to the DCA (Dynamic Channel Allocation) techniques taking into account that they adapt to the characteristics of mobile systems in consideration. From the performed study we concluded that cells nominal channels utilization is the main cause of spectrum efficiency gains. This fact motivates the study and implementation of two optimization techniques: SA (Simulated Annealing) and GA (Genetic Algorithms) aiming to evaluate the nominal channel pattern that best suits a given non-uniform traffic distribution. Following steps include the conception of a new channel allocation technique named SMP (Simplified Maximum Packing), the specification of its allocation and release algorithms and finally its computational implementation. The main concept used by the SMP technique is the preferential use of cells nominal channels or in alternative the utilization of cells non-uniform channels that better overlap the interference cells of the systems ongoing calls with the interference cells of the newcomer call. If the traffic patterns offered to the system cells present considerable spatial asymmetries, then the SMP technique uses the nominal resource pattern obtained earlier by the SA optimisation technique. In order to validate the SMP technique a new mathematical model based on multi-dimensional Markov chains and on set theory was developed. The conducted simulation shows that the proposed channel allocation technique presents a radio resource utilization level that approaches the theoretical limit obtained from the presented analytical model. At this point, it was developed a software tool named SATCOM3G in order to estimate the MSS radio links quality and capacity, allowing thus the establishment of comparative studies between systems based on different technologies and multiple access techniques. One of the innovations introduced by this application comprises the representation of simulator results in function of the mobiles geographic location, which facilitates the results understanding. The results obtained from the simulator show that the CDMA multiple access technique can only be used on MSS low altitude orbit. On the other hand, multiple access techniques orthogonal in the frequency or time domains, FDMA and TDMA respectively, could be used indistinctly on low and medium orbital altitude MSS.