Análisis de Viabilidad y Rendimiento de un

Sistema LTE CognitivoCarlos Herranz Claveras

Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) – Grupo de Comunicaciones Móviles (MCG)

carhercl@iteam.upv.es

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