Técnicas de cross-layer para optimização do desempenho em comunicações móveis

Abstract

O presente trabalho propõe-se a estudar e explorar técnicas de cross-layer para optimização do desempenho em comunicações móveis, mais especificamente algoritmos adaptativos para alocação de recursos rádio da camada MAC em redes de comunicações móveis vocacionadas para tráfego de pacotes. Para tal, realiza-se inicialmente uma descrição da evolução das comunicações e tecem-se algumas considerações no que diz respeito às tendências e características dos serviços das futuras redes de comunicações móveis, denominadas de redes de 4ª geração. Em seguida, introduz-se e define-se o conceito de cross-layer em sistemas de comunicações móveis. Descrevem-se os princípios e desafios em que assenta uma arquitectura de rede baseada numa abordagem cross-layer. Com base nestes princípios, propõem-se e descrevem-se algoritmos de alocação de recursos rádio (scheduling de pacotes) a nível da camada MAC para cenários 4G, segundo uma concepção cross-layer da arquitectura de rede. Os algoritmos de scheduling propostos baseiam-se em assegurar alguma justiça na atribuição dos recursos disponíveis, enquanto ao mesmo tempo se exploram estratégias oportunistas de alocação de recursos para aumentar o throughput do sistema. Os resultados demonstram de que se podem extrair ganhos significativos se a optimização de um sistema de comunicações móveis passar por uma maior interacção e cooperação entre as camadas protocolares da arquitectura de rede.

This thesis explores cross-layer design for resource allocation in MAC layer for wireless packet switched data networks, such as cellular networks. The main objective is to improve the system performance by incorporating the information from the physical layer and the network layer into the design of resource management. To achieve that goal, we first review the evolution of mobile communications, and identify the current main trends in the definition of 4G networks. Then we address the issue of cross-layer design and outline the basic principles and challenges and discuss the tradeoffs involved. Based on these principles we describe, analyse and evaluate packet scheduling algorithms for the downlink of cellular systems. We present algorithms that jointly exploit the temporal variation in users channel conditions to opportunistically select users with best potential, while also ensuring that resource allocation fairness and Quality of service (QoS) constraints are satisfied. The results show that it is possible to set significant gains, if the system optimizes the performance by making use of the interaction across protocol layers.