Politechnika Poznańska

Wydział Elektroniki i Telekomunikacji

Jacek Góra

Zarządzanie zasobami radiowymi

w sieciach wielopasmowych

wykorzystujących stacje przekaźnikowe

Streszczenie rozprawy doktorskiej

Promotor:

prof. dr hab. inż. Krzysztof Wesołowski

Poznań, 2013

1

Spis akronimów

4G czwarta generacja (ang. 4th Generation)

A2A interferencje łącza dostępowego w łącze dostępowe (ang. Access-to-

Access)

A2B interferencje łącza dostępowego w łącze dosyłowe (ang. Access-to-

Backhaul)

AC łącze dostępowe (ang. Access)

AF wzmocnij i wyślij (ang. Amplify and Forward)

BE kryterium utylitarne (ang. Best Effort)

BH łącze dosyłowe (ang. Backhaul)

CF skompresuj i wyślij (ang. Compress and Forward)

CIS skumulowana „siła” interferencji (ang. Cumulated Interference

Strength)

CLB równoważenie obciążenia pasm (ang. Carrier Load Balancing)

D2A interferencje łącza bezpośredniego w łącze dostępowe (ang. Direct-to-

Access)

D2B interferencje łącza bezpośredniego w łącze dosyłowe (ang. Direct-to-

Backhaul)

DF zdekoduj i wyślij (ang. Decode and Forward)

ET elastyczny ruch sieciowy (ang. Elastic Traffic)

FFR wielokrotne wykorzystanie widma z częściowym podziałem (ang,

Fractional Frequency Reuse)

GBR gwarantowana przepływność transmisji (ang. Guaranteed Bit-Rate)

HARQ hybrydowe automatyczne rządanie powtórzeń (ang. Hybrid Automatic

Repeat reQuest)

HFR wielokrotne wykorzystanie widma z twardym podziałem ( ang. Hard

Frequency Reuse)

ICIC koordynacja interferencji międzykomórkowych (ang. Inter-Cell

Interference Coordination)

ISR stosunek mocy interferencji do mocy sygnału (ang. Interference to

Signal Ratio)

LTE-A Long 1Term Evolution-Advanced

MH algorytm losowy (ang. Mobile Hashing)

MI minimum interferencji (ang. Minimum Interference)

ML minimum obciążenia (ang. Minimum Load)

MMF kryterium sprawiedliwe (ang. Max-Min Fair)

PCC podstawowe pasmo składowe (ang. Primary Component Carrier)

PDB budżet czasu dostarczenia pakietu (ang. Packet Delay Budget)

PF kryterium proporcjonalnie sprawiedliwe (ang. Proportional Fair)

2

POF koszt sprawiedliwości (ang. Price of Fairness)

QoS jakość usługi (ang. Quality of Service)

REN sieć uzupełniona o stacje przekaźnikowe (ang. Relay-Enhanced

Network)

RLN sieć pozbawiona stacji przekaźnikowych (ang. Relay-Less Network)

RN stacja przekaźnikowa (ang. Relay Node)

RR algorytm karuzelowy (ang. Round Robin)

RRM zarządzanie zasobami radiowymi (ang. Radio Resource Management)

SCC dodatkowe pasmo składowe (ang. Secondary Component Carrier)

SFR wielokrotne wykorzystanie widma z miękkim podziałem (ang. Soft

Frequency Reuse)

SINR stosunek mocy sygnału do mocy szumu i interferencji (ang. Signal to

Interference and Noise Ratio)

SNR stosunek mocy sygnału do mocy szumu (ang. Signal to Noise Ratio)

SON sieć samo-organizująca/optymalizująca się (ang. Self-

Organizing/Optimizing Network)

TTL pozostały czas życia (ang. Time To Live)

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

3

Spis treści

Spis akronimów ................................................................................................................ 1

Spis treści .......................................................................................................................... 3

Rozdział 1 Wstęp ........................................................................................................... 5

1.1 Wprowadzenie do tematu pracy ......................................................................... 5

1.2 Cel i założenia pracy .......................................................................................... 6

Rozdział 2 Przegląd stanu wiedzy ............................................................................... 7

2.1 Radiowe stacje przekaźnikowe .......................................................................... 7

2.1.1 Klasyfikacja.................................................................................................. 7

2.1.2 Stacje przekaźnikowe w systemie LTE-A ................................................... 9

2.2 Ewolucja koncepcji koordynacji zarządzania .................................................. 10

Rozdział 3 Zarządzanie zasobami w sieciach 4G ..................................................... 11

3.1 Klasyczne modele zarządzania zasobami ........................................................ 11

3.2 Zarządzanie z uwzględnieniem kryteriów QoS ............................................... 12

3.3 Zarządzanie sieciami wzbogaconymi o stacje przekaźnikowe ........................ 16

3.3.1 Podstawowy zarządzania stacjami przekaźnikowymi ............................... 16

3.3.2 Adaptacja teorii użyteczności do optymalizacji sieci z przekaźnikami ..... 18

3.4 Podsumowanie ................................................................................................. 20

Rozdział 4 Stacje przekaźnikowe w systemach jedno- i wielopasmowych ............ 22

4.1 Jednopasmowe systemy z przekaźnikami ........................................................ 22

4.1.1 Czasowy podział zasobów ......................................................................... 22

4.1.2 Ograniczenia systemowe w zakresie przydziału zasobów ......................... 22

4.2 Wielopasmowe systemy z przekaźnikami ....................................................... 25

4.2.1 Częstotliwościowy podział zasobów.......................................................... 25

4.2.2 Interferencje międzypasmowe ................................................................... 26

4.3 Opóźnienia na łączach wieloskokowych ......................................................... 27

4.4 Podsumowanie ................................................................................................. 29

Rozdział 5 Koordynacja zarządzania w systemach wielopasmowych ................... 31

5.1 Równoważenie obciążenia pasm...................................................................... 31

5.1.1 Proaktywne metody równoważenia obciążenia ......................................... 31

5.1.2 Adaptacyjne metody równoważenia obciążenia ........................................ 34

4

5.2 Koordynacja interferencji międzyprzekaźnikowych ........................................ 37

5.2.1 Definicja problemu ..................................................................................... 37

5.2.2 Propozycja algorytmu koordynacji ............................................................ 37

5.2.3 Ocena zaproponowanego algorytmu .......................................................... 38

5.3 Podsumowanie ................................................................................................. 41

Rozdział 6 Podsumowanie .......................................................................................... 42

Dodatek A Opis symulacji komputerowych ............................................................... 42

Spis literatury ................................................................................................................. 43

5

Rozdział 1 Wstęp

1.1 Wprowadzenie do tematu pracy

W systemach radiokomunikacyjnych czwartej generacji (ang. 4th generation, 4G)

zaproponowano szereg innowacyjnych rozwiązań, w celu zapewnienia znaczącego

wzrostu parametrów sieci komórkowych. Każde z zaproponowanych rozwiązań jest

samodzielną funkcjonalnością, jednakże ich współistnienie w jednej sieci nie było

dotychczas szczegółowo badane. W rezultacie możliwe interakcje pomiędzy nimi nie są

w pełni znane. W niniejszej rozprawie podjęto ten temat i zaprezentowano wyniki badań

nad współistnieniem dwóch kluczowych koncepcji sieci 4G: transmisji wieloskokowych

oraz wielopasmowej organizacji widma z agregacją pasm.

W niniejszej pracy przeprowadzono analizę zależności istniejących pomiędzy

stacjami przekaźnikowymi (ang. relay nodes, RNs), a ich stacjami nad- i podrzędnymi

w zakresie zarządzania zasobami radiowymi (ang. radio resource management, RRM).

Na tej podstawie zdefiniowano zbiór zasad RRM dla sieci komórkowych uzupełnionych

o radiowe stacje przekaźnikowe (ang. relay-enhanced networks, RENs). Następnie

koncepcję zarządzania zasobami sieci REN poszerzono o mechanizmy związane

z zapewnieniem parametrów jakościowych transmisji (ang. quality of service, QoS).

W tym celu posłużono się elementami teorii użyteczności. Funkcjonowanie

zaproponowanych mechanizmów zarządzania oceniono pod względem efektywności

wykorzystania zasobów radiowych oraz jednorodności parametrów jakościowych

transmisji dostępnych dla użytkowników obsługiwanych przez stacje różnego typu.

W odniesieniu do koncepcji wielopasmowej organizacji widma i agregacji pasm

przeanalizowano i porównano funkcjonowanie stacji przekaźnikowych w systemach

jedno- i wielopasmowych. W szczególności wzięto pod uwagę możliwość agregacji

pasm dla stacji przekaźnikowych w celu eliminacji wąskich gardeł transmisji

wieloskokowych. Przeprowadzona analiza ukazała wiele korzyści wynikających

z realizacji transmisji wieloskokowych w systemach wielopasmowych w stosunku do

tradycyjnych konfiguracji jednopasmowych.

W dalszej kolejności w rozprawie pokazano, że wielopasmowa organizacja

widma transmisyjnego w sieciach heterogenicznych umożliwia poprawę parametrów

sieci w stopniu wyższym niż wynikający wprost z poszerzenia widma transmisyjnego.

Dodatkowe korzyści powstają dzięki zastosowaniu metod koordynacji wykorzystania

pasm. W rozprawie zaproponowano metody tego typu odnoszące się do równoważenia

obciążenia ruchem sieciowym oraz koordynacji interferencji dla sieci REN.

W rezultacie prac opisanych w rozprawie zaproponowano kompletny schemat

RRM dla sieci REN, w szczególności dla sieci REN o wielopasmowej organizacji

widma. Zaproponowane rozwiązania zostały przygotowane i przetestowane

6

w odniesieniu do systemu LTE-A, jednakże koncepcje leżące u ich podstawy są

uniwersalne. Umożliwia to ich implementację także w innych systemach 4G.

1.2 Cel i założenia pracy

Celem pracy jest przeprowadzenie badań w zakresie zarządzania zasobami radiowymi

w systemach komórkowych wykorzystujących radiowe stacje przekaźnikowe.

W szczególności prowadzone badania koncentrują się na:

zastosowaniu radiowych stacji przekaźnikowych w sieciach wielopasmowych,

optymalizacji przydziału zasobów radiowych pod względem zaspokajania

kryteriów jakościowych QoS transmisji,

dynamicznych i adaptacyjnych metodach zarządzania zasobami dla sieci

o strukturze hierarchicznej zbudowanej w oparciu o stacje przekaźnikowe.

W odniesieniu do wymienionych kierunków badań zdefiniowano następujące

tezy rozprawy doktorskiej:

1. Sieci komórkowe wykorzystujące radiowe stacje przekaźnikowe są

w stanie funkcjonować bardziej efektywnie w przypadku wielopasmowej

konfiguracji zasobów częstotliwościowych, niż w przypadku konfiguracji

jednopasmowej o tej samej całkowitej szerokości pasma. Zyski, m.in.

w formie przyrostu pojemności sieci, wyższego ogólnego stopnia

zaspokojenia wymagań QoS oraz jego wyższej równomierności, są możliwe

do osiągnięcia w przypadku zastosowania algorytmów koordynacji

przydziału zasobów w dziedzinie częstotliwości.

2. W przypadku nowoczesnych sieci komórkowych zbudowanych

z zastosowaniem stacji dostępowych różnych typów (sieci heterogeniczne),

tradycyjne statyczne metody zarządzania nie są w stanie zapewnić

wystarczającego poziomu koordynacji przydziału zasobów. Dynamiczne

algorytmy adaptacyjne bazujące na ciągłym monitorowaniu parametrów

sieci oraz rozproszeniu kompetencji decyzyjnych bezpośrednio między

stacje dostępowe są w stanie zapewnić lepsze parametry funkcjonowania

sieci niż jest to możliwe przy stosowaniu statycznych metod zarządzania.

7

Rozdział 2 Przegląd stanu wiedzy

Koncepcje rozważane w niniejszej rozprawie zgodne są z planami rozwojowymi

systemów 4G. W szczególności, koncepcje wykorzystania stacji przekaźnikowych oraz

wielopasmowa organizacja widma z agregacją pasm zdefiniowane zostały

w standardach systemów LTE-A i WiMAX IEEE 802.16m. Jednocześnie powszechnie

znane są ograniczenia zastosowania stacji przekaźnikowych, wynikające przede

wszystkim z braku w pełni funkcjonalnych koncepcji zarządzania zasobami dla

transmisji wieloskokowych. Niniejsza rozprawa przedstawia rozwiązania tego problemu.

Podstawowym punktem odniesienia dla analiz przedstawionych w niniejszej

rozprawie jest system LTE w wersji standardu 3GPP Release-10. W tej wersji standardu

system LTE po raz pierwszy zapewnia realizację funkcjonalności 4G i określany jest

mianem LTE-Advanced (LTE-A). Proponowane rozwiązania opracowane są natomiast

w sposób ogólny, co, w zamierzeniu autora, powinno umożliwić ich łatwe dostosowanie

do innych systemów 4G (np. WiMAX).

2.1 Radiowe stacje przekaźnikowe

2.1.1 Klasyfikacja

Na podstawie wpływu stacji przekaźnikowej na sieć komórkową stacje przekaźnikowe

można charakteryzować, jako:

stacje przekaźnikowe nietransparentne (Typ-1): nadające własne sygnały

sterujące i obsługujące własne komórki sieci,

stacje przekaźnikowe transparentne (Typ-2): nie nadające własnych sygnałów

sterujących i nie tworzące własnych komórek sieci, a jedynie wspomagające

funkcjonowanie komórki stacji bazowej.

Zgodnie z powyższą klasyfikacją jedynie nietransparentne stacje przekaźnikowe

zdolne są do realizacji indywidualnych procedur zarządzania zasobami. Z tego powodu

niniejsza rozprawa koncentruje się na tym typie stacji przekaźnikowych.

Kolejna płaszczyzna klasyfikacji stacji przekaźnikowych opiera się na

realizowanej funkcji przetwarzania sygnałów. Istniejące koncepcje stacji

przekaźnikowych charakteryzowane są jako trzy podstawowe modele realizujące:

wzmacnianie analogowe sygnałów (ang. amplify-and-forward, AF),

pełne dekodowanie informacji (ang. decode-and-forward, DF),

częściowe dekodowanie informacji (ang. compress-and-forward, CF).

8

Przekaźniki funkcjonujące zgodnie z modelem AF nie są zdolne do

odseparowania sygnałów użytecznych od interferencji i szumu termicznego. W związku

z tym, są szczególnie wrażliwe na zakłócenia występujące na łączu dosyłowym (ang.

feeder lub backhaul link, BH). Dotyczy to również interferencji własnych, tj. sprzęgania

się sygnałów pomiędzy łączem dostępowym (ang. sink lub access link, AC), a łączem

dosyłowym stacji przekaźnikowej. W rozprawie oszacowano zyski SINR (ang. signal to

interferencje and noise ratio) kanału radiowego, dostępne przy zastosowaniu

przekaźników AF ( ), w stosunku do SNR (ang. signal to noise ratio) transmisji

bezpośredniej ( ), przy różnych poziomach SNR łączy składowych ( i

odpowiednio dla łącza dosyłowego i dostępowego) (patrz rysunek 2-1).

Rysunek 2-1 Zysk SINR sygnału przy transmisji AF w funkcji SNR łączy składowych przekaźnika

Model funkcjonowania przekaźników typu DF zakłada pełne dekodowanie

sygnałów odbieranych przez stację przekaźnikową na łączu dosyłowym. Daje to szereg

możliwości poprawy parametrów transmisyjnych, m.in.: odseparowanie od interferencji,

korekcję błędów, czy indywidualną adaptację kodowania kanałowego dla łączy

składowych. W dalszej kolejności możliwa jest ochrona przed interferencjami własnymi

poprzez podział zasobów na zasoby łącza dosyłowego i zasoby łącza dostępowego (tzw.

podział zasobów stacji przekaźnikowej, ang. resource partitioning). Analiza

przeprowadzona w rozprawie pokazała, że w przypadku wysokiego poziomu

interferencji własnych, a takie warunki zakłada się najczęściej, podział zasobów jest

niezbędny dla efektywnego funkcjonowania przekaźników DF (patrz rysunek 2-2).

9

Rysunek 2-2 Wpływ interferencji własnych przekaźnika DF na wypadkową przepustowość kanału

Model CF obejmuje szereg koncepcji opartych na kooperacji stacji

przekaźnikowych ze stacją bazową. Kooperacja wynika z zastosowania przez stację

przekaźnikową i/lub stację bazową odpowiedniego schematu kodowania, np. kodowania

sieciowego, rozproszonego turbo-kodowania, czy kodowania przestrzenno-czasowego.

Ze względu na dużą różnorodność dostępnych konfiguracji stacji

przekaźnikowych, w niniejszej rozprawie zdecydowano się skoncentrować na jednym

modelu. Analiza przeprowadzona w rozprawie oraz wszystkie proponowane rozwiązania

odnoszą się do sieci komórkowych wykorzystujących nietransparentne stacje

przekaźnikowe typu DF, dalej zwanymi sieciami REN.

2.1.2 Stacje przekaźnikowe w systemie LTE-A

W standardzie systemu LTE-A zdefiniowano przekaźniki typu DF, jako połączenie

funkcjonalności stacji bazowej z funkcjonalnością terminala. Przez stację bazową

przekaźnik widziany jest jako terminal, a przez terminal widziany jest jako stacja

bazowa. Zgodnie z tym ogólnym modelem, przekaźnik realizuje funkcje stacji bazowej

(np. zarządzanie pakietami, alokację zasobów, kodowanie kanałowe), a także funkcje

terminala (np. zbieranie i raportowanie wyników pomiarów). Z tego wynika, że

procedury zarządzania zasobami stosowane tradycyjnie w sieciach bez przekaźników

można odnieść osobno do łącza dosyłowego i dostępowego stacji przekaźnikowej

traktując przekaźnik odpowiednio jako terminal lub stację bazową. Brak jest jednak

dedykowanych rozwiązań w zakresie zarządzania zasobami, które uwzględniałyby fakt

realizacji transmisji w sposób wieloskokowy i brały pod uwagę zależności istniejące

pomiędzy poszczególnymi łączami składowymi. Brak tego typu rozwiązań jest w tej

chwili głównym czynnikiem ograniczającym możliwości praktycznego zastosowania

stacji przekaźnikowych. Rozwiązania proponowane w rozprawie odnoszą się do ww.

10

ograniczeń istniejącego standardu. Stwarza to możliwość bezpośredniego wpływu na

rozwijający się system.

2.2 Ewolucja koncepcji koordynacji zarządzania

Podstawą koncepcji koordynacji zarządzania zasobami na poziomie systemu są

schematy wykorzystania zasobów oparte na planowaniu sieci. W tym temacie dominują

trzy podstawowe schematy wykorzystania zasobów:

wielokrotne wykorzystanie widma z twardym podziałem (ang. hard frequency

reuse, HFR),

wielokrotne wykorzystanie widma z częściowym podziałem (ang. fractional

frequency reuse, FFR),

wielokrotne wykorzystanie widma z miękkim podziałem (ang. soft frequency

reuse, SFR).

Wymienione schematy koordynacji wykorzystania zasobów są w szczególności

przystosowane do implementacji w regularnych sieciach homogenicznych, tzn. sieciach

zbudowanych z wykorzystaniem stacji dostępowych jednego typu, z komórkami

o równomiernych kształtach i rozmiarach. Dla sieci nieregularnych istnieją koncepcje

adaptacji podstawowych schematów wykorzystania zasobów stosujących komunikację

pomiędzy stacjami bazowymi. Jednakże, w obliczu pojawiania się sieci

heterogenicznych, tzn. sieci wykorzystujących stacje dostępowe różnego typu (np.

femto, piko, przekaźniki [13, 17, 18]), rozwiązania te są często niewystarczające.

W odpowiedzi na pojawianie się sieci heterogenicznych konieczny stał się

rozwój adaptacyjnych, autonomicznych algorytmów koordynacji. W szczególności

rozwijane są koncepcje sieci samo-organizujących/optymalizujących się (ang. self-

organizing/optimizing networks, SON) oraz radia kognitywnego (ang. cognitive radio).

Koncepcje te oparte są na mechanizmach ciągłego monitorowania stanu sieci oraz

adaptacji konfiguracji w odniesieniu do chwilowych oraz długoterminowych fluktuacji

stanu sieci. Koncepcie proponowane w niniejszej rozprawie wpisują się w ten trend

koordynacji zarządzania zasobami.

Rozdział 3 Zarządzanie zasobami w sieciach 4G

Problem zarządzania zasobami radiowymi zdefiniować można w następująco:

W jaki sposób dokonać przydziału zasobów dla poszczególnych transmisji,

aby osiągnąć maksymalizację określonych parametrów systemu?

Dostępność zasobów radiowych jest z definicji ograniczona, dlatego też niezbędne jest

określenie odpowiednich kryteriów zarządzania nimi. Owe kryteria ustalają priorytet

potrzeb poszczególnych transmisji i umożliwiają kształtowanie stopnia zadowolenia

użytkowników sieci. W dalszej części tego rozdziału rozprawy podjęto dyskusję nad

dwoma zagadnieniami odnoszącymi się do zarządzania zasobami radiowymi:

(1) W jaki sposób zdefiniować parametry jakościowe systemu w obecności usług

komunikacyjnych o zróżnicowanych parametrach jakościowych?

(2) W jaki sposób dokonać przydziału zasobów, aby maksymalizować przyjęte

parametry jakościowe systemu?

Rozważania przeprowadzono w pierwszej kolejności dla systemów nie-

wykorzystujących stacji przekaźnikowych (ang. relay-less network, RLN), a w dalszej

kolejności dla systemów wzbogaconych o stacje przekaźnikowe (systemów REN).

3.1 Klasyczne modele zarządzania zasobami

Klasyczne modele zarządzania zasobami dążą do osiągnięcia zadanego rozkładu

przepływności transmisji użytkowników sieci. Takie podejście do problemu zarządzania

zasobami sprawdza się w odniesieniu do elastycznego ruchu sieciowego. Natomiast jest

ono niewystarczające w obecności usług sieciowych o określonych wymaganiach QoS.

Rozważana jest sieć złożona ze stacji bazowej i grupy użytkowników { }.

Rozważana sieć operuje na zestawie zasobów { }. Zgodnie z przyjętym modelem

przydziału zasobów, każdy użytkownik otrzymuje dostęp do zasobu w wymiarze ,

co wiąże się z osiągnięciem pewnej przepływności transmisji , odpowiednio do

efektywności widmowej jego łącza radiowego (patrz rysunek 3-1).

Rysunek 3-1 Przydział zasobów w sieci bez przekaźników

12

W odniesieniu do określonej powyżej terminologii, powszechnie stosowane

modele klasyczne zarządzania zasobami można zdefiniować, jako:

podejście utylitarne (ang. best effort, BE)

(∑ ( )

) (3.1)

podejście sprawiedliwe (ang. max-min fair, MMF)

( ( ( ) )) (3.2)

podejście proporcjonalnie sprawiedliwe (ang. proportional fair, PF)

(∑∑( )

( )( )

) (3.3)

gdzie ⟨ ⟩ określa stopień sprawiedliwości przydziału zasobów, { } stanowi

zbiór wszystkich możliwych schematów przydziału zasobów, a , i

określają przydział zasobów zgodnie z modelami odpowiednio BE, MMF i PF.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi modele zarządzania

stosowanymi w niniejszej rozprawie są:

sumaryczna przepustowość sieci, np. określana w sposób znormalizowany

w stosunku do najwyższej przepustowości możliwej do osiągnięcia – tzw. koszt

sprawiedliwości (ang. price of fairness, POF) [7]:

( ) ∑ (

) ( )

∑ ( ) (3.4)

współczynnik sprawiedliwości przydziału zasobów, np. współczynnik Jaina,

zdefiniowany jako [16]:

( ) (∑ )

| | ∑ ( )

(3.5)

3.2 Zarządzanie z uwzględnieniem kryteriów QoS

Wygodnym narzędziem pozwalającym na zarządzanie zasobami w odniesieniu

do zróżnicowanych preferencji jest teoria użyteczności. W myśl tej teorii, stopień

13

zadowolenia użytkownika w odniesieniu do osiąganych parametrów oferowanych usług

można wyrazić w postaci indywidualnie definiowanych funkcji preferencji. W dalszej

kolejności przydział zasobów realizowany jest zgodnie z klasycznymi modelami

zarządzania, jednakże odniesionymi do funkcji użyteczności, a nie przepływności

transmisji. A zatem sprowadza się to do rozwiązania następującego problemu:

( ( ( )) ) (3.6)

gdzie ( ) jest funkcją użyteczności systemu, ( ) jest funkcją użyteczności

użytkownika , a stanowi optymalny schemat przydziału zasobów zgodnie z zadanym

modelem zarządzania.

Rozwiązując powyższy problem metodą współczynników Lagrange’a, otrzymuje

się dodatkowe informacje opisujące optymalny schemat przydziału zasobów .

Ostatecznie przydziału zasobów dokonuje się zgodnie z priorytetem dostępu

użytkownika do zasobu . Priorytet ten zdefiniowany jest równaniem:

( ( )) (3.7)

Jak wynika z powyższego równania, preferowany schemat przydziału zasobów

zależy bezpośrednio od postaci funkcji użyteczności systemu i użytkowników. Funkcje

użyteczności systemu definiuje się, odpowiednio dla modeli BE i PF, jako:

( ) ∑

(3.8)

( )

{

∑(

( )

)

∑ ( )

(3.9)

W dalszej kolejności przedstawiono propozycje funkcji użyteczności dla

podstawowych typów usług komunikacyjnych:

elastyczny ruch sieciowy (ang. elastic traffic, ET) – użyteczność transmisji

odpowiada jej średniej przepływności zgodnie ze wzorem:

( ) ( ) (3.10)

14

ruch sieciowy z gwarantowaną? przepływnością transmisji (ang. guaranteed bit-

rate, GBR) – stopień zadowolenia użytkownika jest bliski zeru dla

przepływności niższych niż przepływność preferowana, a osiąga maksymalny

poziom dla przepływności wyższych. Takie zachowanie modeluje np. funkcja:

( )

( ( )

)

(3.11)

gdzie jest parametrem związanym z preferowaną przepływnością transmisji

15

gdzie określa oczekiwany czas transmisji pakietu, stanowi maksymalny czas

transmisji zdefiniowany dla danej klasy QoS, określa rozmiar pakietu danych, a

jest parametrem kształtu funkcji użyteczności.

Funkcja użyteczności PDB zdefiniowana równaniem (3.12) zwiększa priorytet

pakietów o krótkim czasie życia (ang. time to live, TTL), aby maksymalizować

prawdopodobieństwo ich dostarczenia w wymaganym czasie (patrz rysunek 3-3).

Rysunek 3-3 Marginalny koszt użyteczności funkcji użyteczności PDB

Dla usług komunikacyjnych określanych przez przepływność danych i czas

transmisji pakietów zaproponowano złożoną funkcję użyteczności postaci:

( ) ( ) ( )

( ) (3.13)

gdzie ( ) jest funkcją ( ) lub ( ) w zależności od typu usługi.

Dla funkcji użyteczności postaci opisanej równaniem (3.11) określono ogólną

postać priorytetu przydziału zasobów:

( ( ( ))

( ( ))

( ) ) (3.14)

16

3.3 Zarządzanie sieciami wzbogaconymi o stacje przekaźnikowe

3.3.1 Podstawowy zarządzania stacjami przekaźnikowymi

Wprowadzenie stacji przekaźnikowych do tradycyjnych sieci komórkowych stwarza

nowe problemy zarządzania zasobami. W niniejszym rozdziale przedstawiono analizę

zależności występujących w sieciach z przekaźnikami (sieci REN) pomiędzy

procedurami zarządzania zasobami stacji przekaźnikowych oraz stacji bazowych.

W przeprowadzonej analizie rozważano przede wszystkim dwuskokową sieć

REN przedstawioną na rysunku 3-4. W dalszej kolejności uwzględniono również

możliwość tworzenia topologii wieloskokowej o strukturze drzewa.

Rysunek 3-4 Model dwuskokowej sieci REN

Dla dwuskokowej sieci REN określono następujące zależności zarządzania

zasobami [14]:

podział zasobów stacji przekaźnikowej – statyczny podział zasobów systemu

na zasoby zarezerwowane dla łącza dosyłowego ( ) i na zasoby łącza

dostępowego ( ).

dynamiczny przydział zasobów łącza dostępowego stacji przekaźnikowej dla

podległych terminali.

dynamiczny przydział zasobów stacji bazowej dla podległych terminali

i przekaźników,

równoważenie przepływności na łączach dosyłowym i dostępowym stacji

przekaźnikowej.

BS

17

Z powyższych zależności wynikają następujące równania opisujące efektywne

wykorzystanie zasobów w sieci REN:

optymalny podział zasobów stacji przekaźnikowej:

{

| |

( )

( ) | |

| |

( ) | |

(3.15)

gdzie ( ) jest oczekiwaną wartością zysku efektywności widmowej

przekaźnika, tzn. stosunku średniej efektywności widmowej jego łącza

dostępowego do średniej efektywności widmowej jego łącza dosyłowego.

efektywne wykorzystanie zasobów na łączu dosyłowym stacji przekaźnikowej:

| | (

( )

( ) )

⏟

| | | | (3.16)

gdzie określa ilościowo względny przydział zasobów stacji bazowej dla

łącza dosyłowego przekaźnika , jest parametrem efektywności

wykorzystania zasobów radiowych na łączu dosyłowym, uzależniony jest od

przydziału zasobów na stacji bazowej, jeżeli wąskim gardłem transmisji przez

przekaźnik jest łącze dosyłowe, a uzależniony od optymalnej proporcji podziału

zasobów stacji przekaźnikowej jeżeli wąskim gardłem jest łącze dostępowe.

wypadkowa (liczona od stacji bazowej do terminala użytkownika) efektywność

widmowa transmisji użytkownika podłączonego do stacji przekaźnikowej:

(3.17)

gdzie jest średnią efektywnościa widmową łącza dostępowego użytkownika

do stacji przekaźnikowej .

wypadkowa efektywność widmowa zasobu radiowego przydzielonego do

transmisji przez stację przekaźnikową:

(3.18)

gdzie jest efektywnościa widmową łącza dosyłowego przekaźnika na

zasobie radiowym .

18

multipleksacja strumieni danych różnych terminali na łączu dosyłowym stacji

przekaźnikowej:

przy ∑

(3.19)

gdzie jest średnią efektywnością widmową łącza dosyłowego przekaźnika.

W szczególności, równanie (3.19) wiąże przydział zasobów dla transmisji

konkretnego użytkownika dokonywany przez funkcjonalność RRM stacji bazowej

z przydziałem dokonywanym przez stację przekaźnikową. Jest kwestią odgórnej decyzji,

który z procesów ma wyższy priorytet i efektywnie decyduje o przydziale zasobów.

Rozpatrując problem ogólnie, każdą topologię -skokową przedstawić można

jako skończoną kombinację topologii ( )-skokowych. Stosując podejście

rekursywne problem zarządzania zasobami w sieci wieloskokowej można rozłożyć na

serię problemów o topologii jednoskokowych, a zatem analogicznych do klasycznych

sieci RLN (model rozproszony zarządzania). Alternatywnie, oszacować można

wypadkowe efektywności widmowe łączy do wszystkich terminali końcowych

i przeprowadzić proces decyzyjny zgodnie z modelem zarządzania scentralizowanego.

W przypadku scentralizowanego zarządzania zasobami, jednostka decyzyjna

powinna rozpatrywać wypadkową efektywność widmową zasobów przypisanych do

stacji przekaźnikowych z uwzględnieniem wąskich gardeł, a nie efektywność widmową

pojedynczego łącza składowego. W przypadku transmisji -skokowej z więcej niż jedną

pośredniczącą stacją przekaźnikową, równania (3.17) i (3.18) przybierają postać [8]:

∏

(3.20)

∏

(3.21)

gdzie indeks określa stacje przekaźnikowe odpowiedzialne za kolejne łącza składowe.

3.3.2 Adaptacja teorii użyteczności do optymalizacji sieci z przekaźnikami

W przypadku zarządzania scentralizowanego stacja bazowa zbiera informacje o stanie

systemu i podejmuje decyzje o przydziale zasobów dla poszczególnych stacji

19

przekaźnikowych i terminali użytkowników. W odniesieniu do teorii użyteczności

model ten opisuje następujące równanie:

( ∑ ( )

∑∑ (

{ })

) (3.22)

gdzie jest wypadkową użytecznością transmisji użytkownika podłączonego do

stacji przekaźnikowej, a określa przydział zasobów do -tego łącza składowego

transmisji -skokowej tego użytkownika.

Alternatywnie, możliwe jest również zarządzanie rozproszone. W modelu tym

każdy przekaźnik decyduje samodzielnie o przydziale zasobów na własnym łączu

dostępowym dla podległych terminali i przekaźników. W odniesieniu do teorii

użyteczności model ten opisany jest następującym równaniem:

(∑ (

)

∑ (

)

) (3.23)

gdzie określa stację obsługującą (stację bazową lub przekaźnikową) dokonującą

przydziału zasobów, określa funkcję użyteczności podległego jej przekaźnika

(podobnie określa użyteczność terminala ), jest zbiorem możliwych schematów

przydziału zasobów stacji obsługującej , a jest zbiorem stacji przekaźnikowych

podległych stacji obsługującej .

W powyższym równaniu użyteczność stacji przekaźnikowej traktowana jest jako

suma użyteczności terminali i przekaźników jej podległych zgodnie z równaniem:

(

) ∑ (

)

∑ (

)

(3.24)

W obu wariantach zarządzania należy wziąć pod uwagę następujące kryteria:

podstawowe warunki przydziału zasobów, np. maksymalna dostępność zasobów

czy zależność przepływności transmisji od ilości przypisanych zasobów,

zależności określające wypadkowe przepływności i czasy transmisji dla

połączenia wieloskokowego [9, 10]:

(

{ })

(3.25)

20

oraz odpowiadające im wypadkowe funkcje użyteczności:

( ) ( (

) { })

( ) (

) (3.26)

gdzie jest przepływnością transmisji użytkownika na -tym łączu

składowym, a

jest całkowitym czasem dostarczenia pakietów.

kryterium podziału zasobów stacji przekaźnikowej (równanie (3.15)),

dostępność danych w buforach stacji nadających oraz miejsca w buforach stacji

odbierających transmisje na poszczególnych łączach składowych.

Biorąc pod uwagę powyższe kryteria, priorytet dostępu do zasobu dla

użytkownika podłączonego do stacji przekaźnikowej zdefiniować można jako:

(3.27)

gdzie:

{

(

)

(3.28)

{

(

( )) (

{ })

(3.29)

3.4 Podsumowanie

W niniejszym rozdziale rozprawy omówiono zagadnienia zarządzania sieciami

komórkowymi. W pierwszej kolejności zaprezentowano klasyczne metody zarządzania

oraz zdefiniowano podstawowe kryteria oceny parametrów sieci. Następnie omówiono

zarządzanie zasobami z uwzględnieniem kryteriów QoS transmisji. W tej części dyskusji

posłużono się teorią użyteczności. Wkładem autora było przede wszystkim zapropono-

wanie funkcji użyteczności dla podstawowych typów usług komunikacyjnych.

W dalszej kolejności skoncentrowano uwagę na zarządzaniu sieciami REN.

Przeanalizowano zależności występujące w zakresie zarządzania zasobami pomiędzy

stacjami przekaźnikowymi, a ich stacjami nad- i podrzędnymi. Sformułowane wnioski

zebrane zostały w formie serii równań opisujących efektywne wykorzystanie zasobów

oraz sprawiedliwy przydział zasobów dla terminali użytkowników.

21

W ostatniej części rozdziału dokonano rozszerzenia koncepcji zarządzania

zasobami w oparciu o teorię użyteczności na sieci REN. W tym celu wykorzystano

wnioski wyciągnięte z analizy zależności występujących w sieciach REN.

22

Rozdział 4 Stacje przekaźnikowe w systemach jedno- i wielopasmowych

4.1 Jednopasmowe systemy z przekaźnikami

4.1.1 Czasowy podział zasobów

Podstawowym schematem działania stacji przekaźnikowych w systemie LTE-A jest

czasowy podział zasobów, tzw. konfiguracja in-band [15]. W tej konfiguracji łącza

dosyłowe i dostępowe przekaźnika są multipleksowane w czasie w ramach jednego

pasma. Z czasowej multipleksacji łączy przekaźnika wynikają następujące ograniczenia:

W momencie przełączenia przekaźnika z odbierania na nadawanie należy

wprowadzić ochronną przerwę w transmisji kompensującą błędy synchronizacji

przekaźnika do stacji bazowej oraz czas propagacji sygnałów radiowych

pomiędzy nimi. Oszacowano, że w systemie LTE-A przerwy te obniżają

pojemność łącza dosyłowego stacji przekaźnikowej o ok. 7-8% [15].

W systemie LTE-A stacja przekaźnikowa wykorzystuje kanały sterujące do

komunikacji z terminalami na łączu dostępowym. W celu wymiany informacji

sterujących pomiędzy stacją bazową, a przekaźnikami wykorzystywane są

kanały transmisji danych. Szacunkowo obniża to efektywną przepływność

transmisji danych na łączu dosyłowym przekaźnika maksymalnie o 4% [15].

Ze względu na kompatybilność z podstawowymi procesami systemu (np. HARQ,

ang. hybrid automatic repeat request), nie ma pełnej elastyczności w przydziale

podramek czasowych dla łącza dosyłowego przekaźnika. W szczególności,

w systemie LTE-A istnieje ograniczenie na maksymalną liczbę podramek

przeznaczonych do obsługi łączy dosyłowych stacji przekaźnikowych.

Oba łącza składowe stacji przekaźnikowej typu in-band nigdy nie są aktywne

jednocześnie. Nie ma zatem możliwości ciągłej transmisji przez przekaźnik tego

typu. Konfigurację tą nazywa się również konfiguracją półdupleksową.

4.1.2 Ograniczenia systemowe w zakresie przydziału zasobów

W standardzie systemu LTE-A zdefiniowano dla przekaźników typu in-band 255

schematów konfiguracji multipleksacji łączy, przy czym sumaryczny przydział czasu dla

łączy dosyłowych wszystkich przekaźników wynosi maksymalnie .

Ograniczenie to może powodować niemożność zapewnienia optymalnej konfiguracji dla

stacji przekaźnikowych. Problem ten ujawnia się w szczególność w dwóch przypadkach:

gdy duża część ruchu sieciowego przesyłana jest przez stacje przekaźnikowe,

w przypadku transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band.

23

Efektywność podziału zasobów stacji bazowej

Dla analizy pierwszego scenariusza w rozprawie rozważono przypadek stacji bazowej

obsługującej grupę przekaźników . Stacja bazowa przydziela przekaźnikom (łącza

dosyłowe) sumarycznie część zasobów systemu. Zasoby te są następnie

odwzorowywane w transmisje poszczególnych terminali obsługiwanych przez stacje

przekaźnikowe. Dla takiego scenariusza przeanalizowano wartość współczynnika Jaina

sprawiedliwości przydziału zasobów dla użytkowników podłączonych do stacji

przekaźnikowych, względem przydziału zasobów dla użytkowników podłączonych do

stacji bazowej. Na podstawie przeprowadzonej analizy oszacowano

prawdopodobieństwo niemożności zapewnienia optymalnego przydziału zasobów

wynikającej z ograniczeń systemowych:

( ) | |

( ∑ (| | ) ( ( ))

( ( ))

| |

⌊ | |⌋

) (4.1)

gdzie ( ) jest prawdopodobieństwem podłączenia się terminala do stacji

bazowej, a | | jest liczbą wszystkich aktywnych terminali. Oszacowano również

maksymalną możliwą do osiągnięcia wartość współczynnika Jaina sprawiedliwości

przydziału zasobów (patrz rysunek 4-1).

Wartości oszacowane teoretycznie potwierdzono również przeprowadzając

symulacje komputerowe systemu LTE-A. Zebrane wyniki pokazały, że w typowych

scenariuszach ewaluacyjnych 3GPP omawiana nieefektywność przydziału zasobów

w sieciach z przekaźnikami typu in-band jest zauważalna przy zastosowaniu ponad

sześciu stacji przekaźnikowych na sektor stacji bazowej. Natomiast przy zastosowaniu

ponad dziewięciu stacji przekaźnikowych na sektor stacji bazowej prawdopodobieństwo

wystąpienia tego problemu jest bliskie 100%.

Rysunek 4-1 Współczynnik Jaina przydziału zasobów w sieci z przekaźnikami typu in-band

24

Efektywność transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band

Jako, że wszystkie stacje przekaźnikowe korzystają ze wspólnej puli zasobów łącza

dosyłowego, w przypadku transmisji wieloskokowej przez przekaźniki typu in-band

nadrzędne stacje przekaźnikowe zmuszone są ograniczyć wykorzystanie zasobów łącza

dosyłowego celem umożliwienia operacji łącza dosyłowego stacji podrzędnych. W celu

oceny tego problemu rozważono przypadek stacji przekaźnikowej typu in-band

obsługującej grupę terminali oraz podrzędną dla niej stację przekaźnikową ,

obsługującą grupę terminali . Układ ten charakteryzuje się optymalnym, w

odniesieniu do przyjętego modelu zarządzania zasobami, podziałem przepływności

transmisji stacji przekaźnikowej nadrzędnej pomiędzy przepływność transmisji jej

użytkowników, a przepływność stacji podrzędnej. W funkcji współczynnika podziału

przepływności , współczynnik Jaina przydziału zasobów dla użytkowników obu stacji

przekaźnikowych zbieżny jest do wartości określonej następującym wzorem:

( ) ( )

( | || |

) ( | || |

)

(4.2)

W przypadku zastosowania modelu zarządzania proportional fair i braku

ograniczeń w przydziale zasobów prawdą jest, że:

| |

| | ( ) (4.3)

Natomiast, gdy występują ograniczenia w przydziale zasobów ( ), możliwy

podział przepływności wynosi:

{ (

(

) ) (

)

( )

(4.4)

gdzie jest stosunkiem średniej efektywności widmowej łącza dosyłowego

przekaźnika podrzędnego względem średniej efektywności widmowej łącza

dosyłowego stacji przekaźnikowej nadrzędnej .

Sterując przydziałem czasu dla łącza dosyłowego przekaźnika nadrzędnego ( )

można optymalizować poziom sprawiedliwości przydziału zasobów zgodnie

z równaniem (4.2). Jednakże zwiększenie sprawiedliwości oznacza jednocześnie

zmniejszenie sumarycznej przepływności transmisji zgodnie z równaniem:

( )

( )

→

(4.5)

25

Na podstawie powyższych równań, w rozprawie dokonano analizy zależności

indeksu Jaina względem POF dla transmisji wieloskokowej typu in-band (patrz

rysunek 4-2). Zależność tę potwierdzono również za pomocą symulacji systemu LTE-A.

Rysunek 4-2 Zależność POF-współczynnik Jaina dla różnych

preferowanych wartości współczynnika podziału przepływności ( )

4.2 Wielopasmowe systemy z przekaźnikami

4.2.1 Częstotliwościowy podział zasobów

Częstotliwościowy podział zasobów dla stacji przekaźnikowej oznacza przeznaczenie

osobnych pasm do operacji łącza dosyłowego i dostępowego (konfiguracja typu

out-band). W ogólnym ujęciu, każdemu z łączy może być przydzielone jedno lub więcej

pasm. W porównaniu do konfiguracji jednopasmowej typu in-band, konfiguracje

wielopasmowe nie wprowadzają ograniczeń wykorzystania zasobów przez żadne z łączy

stacji przekaźnikowej. Problemem konfiguracji typu out-band jest natomiast niska

rozdzielczość podziału zasobów na zasoby łącza dosyłowego i dostępowego stacji

przekaźnikowej. Rozdzielczość ta uzależniona jest od liczby i rozmiarów pasm systemu.

Rozwiązaniem tego problemu jest zaproponowana przez autora konfiguracja hybrydowa

łącząca konfigurację typu in-band realizowaną w jednym paśmie, z dodatkowymi

pasmami dedykowanymi do obsługi łącza dosyłowego lub dostępowego. Pasmo typu

in-band zapewnia wysoką rozdzielczość podziału zasobów w domenie czasu, podczas

gdy pasma typu out-band zapewniają dodatkowe zasoby dla poszczególnych łączy.

Ze względu na rozdzielczość podziału zasobów optymalna konfiguracja stacji

przekaźnikowej nie zawsze jest dostępna. Dla oszacowania obniżenia wydajności stacji

przekaźnikowej w związku z niedostępnością optymalnej konfiguracji wyprowadzono

w rozprawie następującą funkcję kosztu ograniczeń systemowych:

26

( )

{

( )

( )( )

(4.6)

gdzie jest zyskiem efektywności widmowej przekaźnika, a jest względną ilością

zasobów systemu przydzielonych do funkcjonowania łącza dosyłowego przekaźnika.

Na podstawie powyższego równania dokonano porównania konfiguracji

jednopasmowej typu in-band z konfiguracjami wielopasmowymi out-band i hybrydową

(patrz rysunek 4-3). Analiza pokazała przewagę konfiguracji typu in-band nad

konfiguracją typu out-band w systemach o niewielkiej liczbie pasm. Konfiguracja typu

out-band wykazuje natomiast przewagę dla przekaźników o wysokiej wartości zysku

przekaźnika . Z kolei proponowana konfiguracja hybrydowa osiągnęła najlepsze

wyniki w większości przypadków.

Rysunek 4-3 Porównanie efektywności podziału zasobów dla konfiguracji

in-band, out-band i hybrydowej przekaźnika

4.2.2 Interferencje międzypasmowe

Kolejnym czynnikiem wpływającym negatywnie na wydajność wielopasmowych

konfiguracji stacji przekaźnikowych są interferencje międzypasmowe. Ze względu na

skończoną dokładność implementacji sprzętowej modułów radiowych, istnieje

możliwość przecieków mocy pomiędzy sąsiednimi pasmami częstotliwościowymi.

W szczególności, istnieje możliwość sprzęgania się międzypasmowo interferencji

własnych stacji przekaźnikowej typu out-band lub hybrydowej.

Przeprowadzona analiza pokazała, że aby zapewnić stacji przekaźnikowej

wystarczającą ochronę przed międzypasmowymi interferencjami własnymi, konieczne

27

jest zapewnienie izolacji pomiędzy antenami łącza dosyłowego i dostępowego na

poziomie ok. 50 dB (patrz rysunek 4-4). Ta izolacja może być zapewniona w postaci np.

separacji przestrzennej, ekranowania czy funkcji usuwania interferencji w odbiorniku

przekaźnika. Gdy nie może być zapewniona wystarczająca izolacja anten, rekomendo-

wana jest konfiguracja typu in-band. Zaznaczyć należy jednak, że problem interferencji

międzypasmowych dotyczy jedynie pasm sąsiadujących. W przypadku wykorzystania

odseparowanych pasm częstotliwościowych problem przecieków mocy nie występuje.

Rysunek 4-4 Wpływ interferencji międzypasmowych na wydajność przekaźników typu out-band

4.3 Opóźnienia na łączach wieloskokowych

W dalszej kolejności w rozprawie przeanalizowano opóźnienia transmisji pakietów

przez przekaźniki różnych typów. W szczególności porównano konfiguracje jedno- i

wielopasmowe.

Efektem ubocznym konfiguracji jednopasmowej typu in-band stacji

przekaźnikowej są opóźnienia transmisji wynikające z nieciągłej aktywności obu łączy

przekaźnika. Pakiet przesyłany ze stacji bazowej do terminala użytkownika przez

przekaźnik typu in-band doświadcza następujących opóźnień:

(1) czasu oczekiwania na podramkę łącza dosyłowego,

(2) czasu transmisji na łączu dosyłowym,

(3) czasu przetwarzania przez stację przekaźnikową,

(4) czasu oczekiwania na łącze dostępowe,

(5) czasu transmisji na łączu dostępowym.

O ile opóźnienia (2), (3) i (5) dotyczą zarówno konfiguracji jedno- jak

i wielopasmowych, to pozostałe opóźnienia są charakterystyczne dla konfiguracji

28

jednopasmowej. W szczególności opóźnienia (1) i (4) zależą od konfiguracji

multipleksacji czasowej łączy przekaźnika typu in-band, tzn. sekwencji podramek

czasowych przydzielonych do łącza dosyłowego lub dostępowego przekaźnika.

W rozprawie przeanalizowano 255 sekwencji podramek dostępnych w systemie

LTE-A dla konfiguracji przekaźników typu in-band. Zauważono, że w rzeczywistości

składają się one jedynie 32 w pełni niezależnych sekwencji [9]. Pozostałe sekwencje

stanowią permutacje czasowe wybranych 32 niezależnych sekwencji. Następnie

przeanalizowano zależności czasowe wybranych sekwencji.

Na podstawie dokonanej analizy zależności czasowych sekwencji podramek

oszacowano wartość oczekiwaną całkowitego czasu transmisji przez połączenie

dwuskokowe funkcjonujące w oparciu o przekaźnik typu in-band, dla różnych

konfiguracji multipleksacji czasowej łączy przekaźnika oraz dla różnych wielkości

pakietów danych. Określono, że decydujący wpływ na całkowity czas transmisji przez

przekaźnik typu in-band ma stosunek liczby podramek łącza dosyłowego do liczby

podramek łącza dostępowego, tzn. zastosowany podział zasobów przekaźnika.

Natomiast w przypadku małych pakietów danych zauważalne są również dodatkowe

opóźnienia inicjalizacji transmisji na poszczególnych łączach (czasy i ).

W dalszej kolejności w rozprawie zaprezentowano wyniki symulacji

komputerowych systemu LTE-A z przekaźnikami zorganizowanymi w topologii

wieloskokowej w konfiguracji typu in-band, out-band i hybrydowej (patrz rysunek 4-5).

W wyniku symulacji uzyskano dane na temat czasów transmisji pakietów dla różnych

usług multimedialnych (transmisji sygnałów wizyjnych, sygnałów dźwiękowych oraz

sygnalizacji związanej z grami sieciowymi). Z wyników symulacji można

wywnioskować, że konfiguracja typu out-band cechuje się najniższymi czasami

transmisji pakietów, kilka razy niższymi niż w przypadku konfiguracji typu in-band.

Natomiast konfiguracja hybrydowa cechuje się opóźnieniami zbliżonymi do opóźnień

konfiguracji typu in-band dla usług o długich maksymalnych czasach transmisji (np.

transmisji sygnałów wizyjnych), a dla usług o krótkich maksymalnych czasach

transmisji (np. gier sieciowych) opóźnieniami zbliżonymi do opóźnień konfiguracji typu

out-band. Zależność ta wynika ze współistnienia pasm in-band i pasm out-band. Pakiety

o bardziej restrykcyjnych wymaganiach czasowych przesyłane są w pasmach out-band,

podczas gdy pakiety z dłuższymi dopuszczalnymi czasami transmisji zajmują pasma

in-band.

29

Rysunek 4-5 Czasy transmisji pakietów dla różnych usług sieciowych przez łącza wieloskokowe

4.4 Podsumowanie

W tym rozdziale rozprawy dokonano porównania jedno- i wielopasmowych konfiguracji

stacji przekaźnikowych. Dla obu przypadków przedstawiono szczegóły schematów

przydziału zasobów dostępnych w systemie LTE-A. Każda z możliwych konfiguracji

cechuje się ograniczeniami, które wpływają na efektywność funkcjonowania sieci REN

w zakresie całkowitej wydajności systemu i/lub sprawiedliwości przydziału zasobów:

Konfiguracja jednopasmowa typu in-band – charakteryzuje się ograniczeniem

maksymalnej dostępności zasobów dla łącza dosyłowego, obniżoną

efektywnością widmową łącza dosyłowego oraz znacznymi opóźnieniami

w transmisji pakietów.

Konfiguracja wielopasmowa typu out-band – charakteryzuje się niską

rozdzielczością podziału zasobów, zwłaszcza w systemach o niewielkiej liczbie

pasm. W niektórych przypadkach może cierpieć z powodu międzypasmowych

interferencji własnych. Cechuje się natomiast najniższymi dostępnymi czasami

transmisji pakietów.

30

Konfiguracja wielopasmowa hybrydowa – łączy zalety konfiguracji typów

in-band i out-band w zakresie efektywności podziału zasobów. Charakteryzuje

się średnimi czasami transmisji pakietów, dostosowanymi do wymagań QoS.

Na podstawie przeprowadzonej analizy sformułowano wnioski na temat

preferowanych scenariuszy zastosowania poszczególnych konfiguracji przekaźników.

W systemach jednopasmowych niezbędne jest zastosowanie konfiguracji typu in-band.

W systemach wielopasmowych o niewielkiej liczbie pasm rekomendowane jest

zastosowanie konfiguracji hybrydowej. Natomiast w systemach wielopasmowych

o dużej liczbie pasm stosować należy konfigurację typu out-band lub hybrydową.

31

Rozdział 5 Koordynacja zarządzania w systemach wielopasmowych

W tym rozdziale rozprawy omawiane są mechanizmy koordynacji przydziału zasobów

na poziomie całej sieci. Rozważane są dwa mechanizmy koordynacji wykorzystania

pasm częstotliwościowych w systemach wielopasmowych:

równoważenie obciążenia pasm (ang. carrier load balancing, CLB),

koordynacja występowania interferencji międzykomórkowych (ang. inter-cell

interference coordination, ICIC).

Główną ideą proponowanych rozwiązań jest detekcja fluktuacji ruchu sieciowego

i warunków radiowych w sieciach REN, oraz adaptacja konfiguracji stacji

przekaźnikowych w odpowiedzi na te fluktuacje.

5.1 Równoważenie obciążenia pasm

Celem równoważenia obciążenia jest unikanie przeciążenia jednej grupy zasobów

systemu w sytuacji, gdy inne zasoby są obciążone w mniejszym stopniu. W tym celu

dokonuje się przeniesienia transmisji części użytkowników z przeciążonej grupy

zasobów na zasoby mniej obciążone. W odniesieniu do stacji przekaźnikowych metody

równoważenia obciążenia pasm odnoszą się do:

kontroli liczby pasm przypisanych do funkcjonowania łącza dosyłowego lub

dostępowego stacji przekaźnikowej,

wyboru, które konkretnie pasma powinny być wykorzystywane przez dane łącze

danej stacji przekaźnikowej.

5.1.1 Proaktywne metody równoważenia obciążenia

Kryteria wyboru pasm

Celem proaktywnych metod równoważenia obciążenia jest taki przydział pasm do

terminala/przekaźnika w momencie jego pojawienia się w komórce stacji obsługującej,

który zagwarantuje optymalne funkcjonowanie tego terminala/przekaźnika oraz całej

komórki. W szczególności, parametry jakie mogą być brane pod uwagę przy

podejmowaniu decyzji o wyborze pasm to:

istniejące obciążenie ruchem sieciowym w poszczególnych pasmach stacji

obsługującej,

warunki radiowe w poszczególnych pasmach obserwowane przez podłączający

się terminal/przekaźnik.

32

Uwzględniając powyższe parametry zdefiniowano dwa kryteria wyboru pasm dla

łączy dosyłowych i dostępowych stacji przekaźnikowych:

„Minimum interference” (MI) [12] – wybór z preferencją minimalnego poziomu

interferencji odbieranych przez nowy terminal/przekaźnik,

„Minimum load” (ML) [12] – wybór z preferencją minimalnej liczby już

podłączonych terminali/przekaźników oraz minimalnego poziomu interferencji

odbieranych przez nowy terminal/przekaźnik,

oraz porównano je z dwoma kryteriami proponowanymi w literaturze dla konfiguracji

terminali w sieciach bez przekaźników:

„Mobile Hashing” (MH) [19] – wybór w pełni losowy,

„Round Robin” (RR) [19] – wybór z preferencją minimalnej liczby już

podłączonych terminali/przekaźników.

Funkcjonowanie zdefiniowanych metod wyboru pasm oceniono na podstawie

symulacji systemu LTE-A z wykorzystaniem przekaźników typu out-band. Uzyskane

wyniki pokazały, że (patrz rysunek 5-1):

Metoda MH nie zapewnia żadnej koordynacji i skutkuje przeważnie najgorszymi

parametrami funkcjonowania sieci, nawet dla sieci jednorodnej.

Metoda RR zapewnia podstawową koordynację wykorzystania pasm przez stacje

przekaźnikowe zapewniając, aby ich łącza dosyłowe i dostępowe były

równomiernie rozlokowane w dostępnych pasmach. W ten sposób osiągane są

niewielkie zyski w przepustowości sieci w stosunku do metody MH.

Metoda MI zapewnia najlepsze wartości jakości sygnału obserwowane przez

terminale oraz przez stacje przekaźnikowe na łączu dosyłowym. Niestety, może

ona prowadzić do przeciążenia pasm, a w konsekwencji niskich wartości

przepływności transmisji danych użytkowników.

Metoda ML koncentruje się na jakości kanału radiowego oraz dostępności

zasobów. Dzięki temu najczęściej zapewnia najwyższe przepływności transmisji

danych użytkowników.

Spośród rozważanych metod przydziału pasm najlepsze wyniki zapewnia metoda

ML. Wymaga ona jednak znajomości warunków radiowych występujących na łączach

dosyłowym i dostępowym stacji przekaźnikowej, oraz natężenia ruchu sieciowego

przesyłanego przez ten przekaźnik. Statystyki te przeważnie nie są w pełni znane

w trakcie uruchamiania przekaźnika i muszą być zebrane w trakcie jego pracy. Z tego

względu rekomendowaną procedurą konfiguracji uruchamianej stacji przekaźnikowej

jest wybór pasm na podstawie metody RR, a następnie optymalizacja konfiguracji na

podstawie zbieranych pomiarów.

33

Rysunek 5-1 Statystyki funkcjonowania stacji przekaźnikowych dla różnych metod wyboru pasm

w scenariuszu sieci LTE-A z przekaźnikami i niekontrolowanymi stacjami femto

Wpływ agregacji pasm na obciążenie pasm

W odniesieniu do systemów wielopasmowych postawić można pytanie: Czy lepiej jest

przydzielić każdemu terminalowi/przekaźnikowi pojedyncze pasmo, czy też pozwolić

im na agregację wielu pasm jednocześnie? W celu udzielenia odpowiedzi na to pytanie

w rozprawie dokonano analizy statystycznej rozkładu obciążenia ruchem sieciowym

w pasmach oraz dostępności zasobów radiowych w stosunku do zapotrzebowania na nie.

Na tym etapie pracy traktowano przekaźniki jak terminale odnosząc się jedynie do

obciążenia stacji bazowej łączem dosyłowym przekaźnika. Analizę przeprowadzono dla

równomiernego rozkładu przekaźników w pasmach (metoda round robin wyboru pasm),

przy czym każdy przekaźnik generował losowe obciążenie. Obciążenie generowane

przez przekaźniki przybliżono rozkładem normalnym ograniczonym do dodatnich

wartości obciążenia. Przybliżenie to wynika z centralnego twierdzenia granicznego jako,

że obciążenie przekaźnika jest równe sumie losowych obciążeń generowanych przez

terminale podłączone do tej stacji przekaźnikowej.

W rozważanym scenariuszu wartość oczekiwana obciążenia pojedynczego pasma

oraz wariancja obciążenia opisane są następującymi wzorami:

{

( ) ( )| |

( ) ( )| || |

| |

(5.1)

gdzie jest obciążeniem pojedynczego pasma, jest obciążeniem generowanym

przez terminal , | | jest liczbą terminali, | | jest liczbą pasm systemu, a | | jest liczbą

pasm agregowanych przez terminal.

34

Z powyższych wzorów wynikają następujące wnioski:

Wartość oczekiwana obciążenia pasma nie zależy od zastosowania agregacji

pasm przez terminale.

Wariancja obciążenia pasma zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do liczby

pasm agregowanych przez terminale.

W rezultacie, agregacja pasm zmniejsza prawdopodobieństwo przeciążenia

pojedynczego pasma systemu oraz umożliwia osiągnięcie wyższych przepływności

szczytowych terminala (patrz rysunek 5-2 obrazujący sytuację systemu pięcio-

pasmowego ze średnim obciążeniem na poziomie 70%, z wariancją obciążenia

przekaźnika na poziomie 1,3%). Zależność ta jest szczególnie ważna dla sieci REN,

gdyż stacje przekaźnikowe mogą obsługiwać ruch sieciowy wielu terminali, a zatem ich

zapotrzebowanie na zasoby radiowe w łączu dosyłowym może być nieporównywalnie

wyższe niż w przypadku pojedynczego terminala.

Rysunek 5-2 Statystyki rozkładu obciążenia pasm przy wykorzystaniu techniki agregacji pasm [14]

5.1.2 Adaptacyjne metody równoważenia obciążenia

W rozprawie zaproponowano dwie procedury optymalizacji przydziału pasm dla

stacji przekaźnikowej w zależności od obserwowanych poziomów obciążenia łączy

przekaźnika ruchem sieciowym. Proponowane procedury to [1-3]:

krótkoterminowa procedura adaptacyjna łącza dostępowego, oraz

długoterminowa procedura adaptacyjna podziału pasm.

35

Krótkoterminowa procedura adaptacyjna łącza dostępowego

Krótkoterminowa procedura adaptacyjna polega na dynamicznej aktywacji

i dezaktywacji pasm łącza dostępowego stacji przekaźnikowej w odpowiedzi na wahania

natężenia ruchu sieciowego w komórce stacji przekaźnikowej.

Przyjęto, że w przypadku stacji przekaźnikowej o wielu pasmach

skonfigurowanych do funkcjonowania łącza dostępowego, jedno z pasm jest pasmem

podstawowym (ang. primary component carrier, PCC), a pozostałe są pasmami

dodatkowymi (ang. secondary component carrier, SCC). Wyłączenie pasm

dodatkowych łącza dostępowego przekaźnika, gdy są niewykorzystywane, powoduje

zmniejszenia zużycia energii przez stację przekaźnikową oraz zmniejszenie interferencji

generowanych przez te pasma w postaci nadawanych symboli referencyjnych.

Oceny wpływu zastosowania proponowanej procedury dokonano na podstawie

symulacji sieci LTE-A. Uzyskane wyniki pokazują, że w wyniku zastosowania

proponowanej procedury adaptacyjnej w sieci z 210 przekaźnikami osiągnięto obniżenie

średniej transmitowanej mocy sumarycznie o wartość rzędu 26 W. Dodatkowe obniżenie

zużycia mocy powinno być dostępne w wyniku mniejszej aktywności modułów

radiowych stacji przekaźnikowych, głównie wzmacniaczy mocy. Jednocześnie,

osiągnięto nieznaczną redukcję interferencji (zwiększenie SINR łączy dosyłowych

przekaźników o 1,1 dB i zwiększenie SINR łączy terminali o 0,3 dB, patrz rysunek 5-3)

oraz poprawę średnich przepływności transmisji użytkowników o 1,5-2,0%. Poprawa

przepustowości sieci oraz jakości kanałów radiowych jest znikoma, natomiast pokazuje,

że dezaktywacja nośnych nie została opłacona pogorszeniem się statystyk systemu.

Rysunek 5-3 Rozkłady wartości SINR łączy radiowych przed i po zastosowaniu procedury

adaptacyjnej łącza dostępowego stacji przekaźnikowej

36

Długoterminowa procedura adaptacyjna partycjonowania pasm

Celem długoterminowej procedury adaptacyjnej jest optymalizacja podziału pasm

pomiędzy łącze dosyłowe a łącze dostępowe stacji przekaźnikowej. Stacja

przekaźnikowa obserwując długoterminowe statystyki obciążenia łącza dostępowego

ruchem sieciowym może stwierdzić, które z łączy stanowi wąskie gardło transmisji:

Jeżeli poziom wykorzystania zasobów łącza dostępowego jest niski, tzn.

prawdopodobieństwo aktywacji wszystkich pasm łącza dostępowego jest poniżej

określonego progu, wąskim gardłem jest łącze dosyłowe.

Jeżeli poziom wykorzystania zasobów łącza dostępowego jest wysoki, tzn.

prawdopodobieństwo aktywacji wszystkich pasm łącza dostępowego jest

powyżej określonego progu, wąskim gardłem jest łącze dostępowe.

Jeżeli jeden z powyższych warunków jest spełniony i stacja przekaźnikowa ma

skonfigurowane pasma dodatkowe na łączu niebędącym wąskim gardłem, należy

przekonfigurować jedno z tych pasm dodatkowych na pasmo dodatkowe łącza będącego

wąskim gardłem. W ten sposób, po sekwencji kilku rekonfiguracji, można osiągnąć

optymalny podział pasm. Ponadto, dzięki tej procedurze istnieje możliwość adaptacji

konfiguracji stacji przekaźnikowych w sytuacji zmiany warunków radiowych (np.

pojawienie się nowych źródeł interferencji), a co za tym idzie zmiany optymalnych

proporcji podziału pasm dla stacji przekaźnikowych. Przeprowadzone analizy

symulacyjne sieci wieloskokowych LTE-A pokazały możliwość poprawy przepływności

transmisji do terminali użytkowników podłączonych do stacji przekaźnikowych na

poziomie 6% w stosunku do systemu, w którym wszystkie stacje przekaźnikowe

skonfigurowane były jednakowym stosunkiem podziału pasm (patrz rysunek 5-4).

Rysunek 5-4 Rozkłady przepływności transmisji terminali i przekaźników przy zastosowaniu jednej

konfiguracji pasm dla wszystkich przekaźników i przy indywidualnej optymalizacji tej konfiguracji

dla każdego z przekaźników

37

5.2 Koordynacja interferencji międzyprzekaźnikowych

5.2.1 Definicja problemu

Stacja przekaźnikowa funkcjonująca w sieci REN może doświadczać następujących

rodzajów interferencji na łączu w dół [11, 14]:

z łącza dostępowego sąsiedniej stacji przekaźnikowej do własnego łącza

dosyłowego (ang. Access-to-Backhaul, A2B),

z łącza dostępowego sąsiedniej stacji przekaźnikowej do własnego łącza

dostępowego (ang. Access-to-Access, A2A),

z łącza dostępowego stacji bazowej do własnego łącza dostępowego (ang.

Direct-to-Access, D2A).

Ponadto w przypadku topologii wieloskokowej mogą występować interferencje

pochodzące z łącza dostępowego stacji bazowej a obserwowane w łączu dosyłowym

stacji przekaźnikowej (ang. Direct-to-Backhaul, D2B).

W systemach wielopasmowych koordynacje interferencji zapewnić można

poprzez przydział pasm poszczególnym stacjom w taki sposób, aby wzajemnie

interferujące stacje nie wykorzystywały tych samych pasm.

W sieciach z przekaźnikami typu out-band lub hybrydowymi występuje

specyficzny problem koordynacji. Dokonując rekonfiguracji, która eliminuje

interferencje typu A2A, można generować nowe interferencje typu A2B. Zachodzi także

przypadek przeciwny: eliminacja interferencji A2B może generować interferencje A2A.

W procedurze koordynacji interferencji dla sieci REN należy wziąć pod uwagę istnienie

tego zjawiska i odpowiednio wyważyć dążenia do eliminacji każdego typu interferencji.

5.2.2 Propozycja algorytmu koordynacji

W rozprawie zaproponowano dwuetapową procedurę koordynacji interferencji [2, 4, 11,

14]. W pierwszym kroku każda stacja przekaźnikowa zbiera informacje na temat

interferencji odbieranych przez nią w łączu dosyłowym oraz przez terminale

użytkowników w łączu dostępowym. W zależności od przyjętego modelu zarządzania

(scentralizowany, rozproszony lub autonomiczny) stacje przekaźnikowe mogą się

wymieniać informacjami o wykrytych interferencjach. W drugim kroku, przydział

zasobów dla stacji przekaźnikowej jest zmieniany, aby wyeliminować wykryte

problemy sprzęgania się interferencji.

Detekcja interferencji pomiędzy przekaźnikami

Dla każdego wykrytego źródła interferencji obliczana jest względna „siła” interferencji

w postaci stosunku mocy interferencji do mocy sygnału użytecznego (ang. interference

to signal ratio, ISR). Obliczona „siła” interferencji porównywana jest z zadanym

38

poziomem wrażliwości. Jedynie interferencje o współczynniku ISR powyżej poziomu

wrażliwości brane są pod uwagę w procedurze koordynacji.

W celu wyważenia dążeń do eliminacji interferencji typu A2B i A2A definiuje

się dla nich osobne poziomy wrażliwości, odpowiednio i . Te poziomy

wrażliwości odpowiadają preferowanym poziomom jakości sygnału (SINR)

odpowiednio na łączu dosyłowym i dostępowym. Interferencje A2B wykrywane są na

podstawie pomiarów własnych przekaźnika, natomiast interferencje A2A wykrywane są

na podstawie pomiarów terminali użytkowników.

Rozwiązywanie problemów interferencyjnych

Koordynacja wykrytych interferencji przebiega w sposób iteracyjny. W każdym kroku

iteracji podejmowane są dwie decyzje:

(1) wybór stacji przekaźnikowej, która będzie przekonfigurowana, oraz

(2) wybór nowej konfiguracji stacji przekaźnikowej.

Wybór stacji do przekonfigurowania dokonywany jest na podstawie

skumulowanej „siły” interferencji związanych z daną stacją przekaźnikową (ang.

cumulated interference strength, CIS). Do rekonfiguracji wybiera się przekaźnik

o najwyższej wartości CIS, przy czym CIS określa się z uwzględnieniem interferencji

odbieranych, jak i generowanych.

Wyboru nowej konfiguracji dla stacji przekaźnikowej dokonuje się na podstawie

następującej metryki oceny pasm:

( ) ∑(

( ) ( )

( ) ( ))

(5.2)

gdzie i

są odpowiednio „siłami” interferencji A2B i A2A generowanymi

przez stację w stronę stacji . Pasma dla łącza dosyłowego wybierane są wg

najwyższych wartości metryki ( ), a pasma dla łącza dostępowego wybierane są

wg najniższych wartości metryki ( ).

5.2.3 Ocena zaproponowanego algorytmu

Oceny funkcjonowania zaproponowanej procedury koordynacji interferencji dokonano

za pomocą symulacji sieci LTE-A. Rozważono trzy schematy implementacji:

(1) scentralizowany – decyzje o rekonfiguracji podejmowane są na podstawie

danych o interferencjach zebranych ze wszystkich stacji przekaźnikowych.

Jednocześnie rekonfigurowane są oba łącza stacji przekaźnikowej.

Rekonfiguracja nie jest wykonywana często ze względu na konieczność zebrania

informacji o stanie całego systemu.

39

(2) rozproszony – decyzje o rekonfiguracji podejmowane są na podstawie danych

o interferencjach zebranych osobno w każdym sektorze sieci. Okresowo

wykonywane są pełne rekonfiguracje stacji przekaźnikowych, natomiast dużo

częściej (w symulacji dziesięć razy częściej) stacje przekaźnikowe mogą

samodzielnie rekonfigurować własne łącza dostępowe.

(3) autonomiczny –każda stacja przekaźnikowa podejmuje decyzje o rekonfiguracji

samodzielnie na podstawie własnych danych o interferencjach. Okresowo

wykonywane są pełne rekonfiguracje stacji przekaźnikowych, natomiast dużo

częściej (w symulacji dziesięć razy częściej) stacje przekaźnikowe mogą

samodzielnie rekonfigurować własne łącza dostępowe.

Dla każdego schematu implementacji przyjęto, że w jednej iteracji procedury

rekonfigurowany jest jeden przekaźnik na sektor sieci.

W symulacjach przeanalizowano również zdolności adaptacyjne proponowanej

procedury w sytuacji pojawienia się nowych źródeł interferencji. To zjawisko

zamodelowano w postaci grupy stacji femto aktywowanych w połowie symulacji.

Analiza funkcjonowania proponowanego algorytmu w implementacji

scentralizowanej przy różnych poziomach detekcji interferencji (patrz rysunek 5-5)

pokazała, że najlepsze rezultaty koordynacji osiąga się spełniając zależność:

(5.3)

Powyższa zależność oznacza, że w sieciach REN optymalizacja jakości łączy

dosyłowych stacji przekaźnikowych ma większe znaczenie dla całkowitej wydajności

systemu niż optymalizacja łączy terminali użytkowników.

Rysunek 5-5 Zysk przepustowości system w funkcji wartości poziomów detekcji interferencji [14]

40

Dla poziomów wrażliwości i określono zysk

koordynacji scentralizowanej na ok. 10% w sieci REN bez dodatkowych źródeł

interferencji i na ok. 12% w sieci REN ze stacjami femto (patrz rysunek 5-6). Podobne

wyniki uzyskano dla implementacji rozproszonej, przy czym konfiguracja rozproszona

charakteryzuje się znacznie szybszym wzrostem wydajności systemu na początkowym

etapie koordynacji. Około 9% zysku dla sieci REN bez stacji femto osiągnięte zostało

ok. trzy razy szybciej niż przy konfiguracji scentralizowanej. Wynika to z mniejszego

obciążenia wymianą informacji o stanie systemu. Natomiast implementacja

autonomiczna charakteryzuje się maksymalnym zyskiem koordynacji na poziomie ok.

8% dla sieci REN bez stacji femto. Niższa wydajność tej implementacji wynika z braku

wymiany informacji na o stanie systemu między przekaźnikami. Należy jednak

zaznaczyć, że przy konfiguracji autonomicznej obciążenie sygnalizacją sterującą

zmniejszone jest do minimum.

Rysunek 5-6 Porównanie działania procedury ICIC przy różnych schematach implementacji:

(a) początkowa konfiguracja systemu, (b) adaptacja do zmian zachodzących w sieci

41

5.3 Podsumowanie

W tym rozdziale pracy zaproponowano dwie procedury skoordynowania zarządzania

sieciami REN:

koordynację rozkładu obciążenia ruchem sieciowym na pasmach systemu

wielopasmowego,

koordynację wykorzystania pasm ze względu na minimalizowanie występowania

interferencji pomiędzy stacjami przekaźnikowymi.

W pierwszej części rozdziału zaproponowano proaktywne i reaktywne metody

przydziału pasm do stacji przekaźnikowych. Wykorzystano w nich dwie metody wyboru

pasm opisane w literaturze oraz zaproponowano dwie własne metody. W rozdziale

przeanalizowano również wpływ zastosowania techniki agregacji pasm na rozkład

obciążenia pasm ruchem sieciowym oraz parametry transmisji. W dalszej kolejności

zaproponowano dwie procedury adaptacyjnego równoważenia obciążenia:

krótkoterminową procedurę adaptacyjną łącza dostępowego, oraz

długoterminową procedurę adaptacyjną rozdziału pasm.

W przypadku obu metod wykorzystuje się analizę krótko- i długoterminowych fluktuacji

poziomów obciążenia stacji przekaźnikowej ruchem sieciowym.

Drugą procedurą koordynacji proponowaną w rozprawie jest procedura

minimalizacji interferencji występujących pomiędzy stacjami przekaźnikowymi.

Proponowane rozwiązanie bierze pod uwagę optymalizację konfiguracji przekaźników

ze względu na jakość sygnału mierzoną przez terminale na łączu dostępowym oraz ze

względu na jakość sygnału na łączu dosyłowym stacji przekaźnikowych. Stosując

zrównoważone podejście do minimalizacji poszczególnych rodzajów interferencji

uzyskać można nawet 10% poprawy średniej przepływności transmisji w systemie.

W odniesieniu do proponowanej procedury koordynacji interferencji porównano

również działanie scentralizowanych, rozproszonych oraz autonomicznych

implementacji zarządzania sieciami REN. Implementacja autonomiczna okazała się

najmniej skuteczna, co wynika z minimalnej akwizycji informacji na temat stanu

systemu. Z kolei metody scentralizowana i rozproszona zapewniły porównywalne

parametry funkcjonowania sieci, co przy mniejszej wymianie informacji na temat stanu

systemu daje przewagę metodzie rozproszonej.

42

Rozdział 6 Podsumowanie

W rozdziale końcowym rozprawy podsumowano jej zawartość i przedstawiono jej

główne wnioski. W szczególności zebrano w postaci listy elementy pracy, stanowiące

według jej autora o jej innowacyjnym charakterze. Według wiedzy autora rozprawy są

nimi::

analiza i definicja kryteriów efektywnego zarządzania sieciami komórkowymi

wykorzystującymi stacje przekaźnikowe,

propozycja mechanizmu zarządzania zasobami radiowymi w sieciach

wieloskokowych z uwzględnieniem parametrów QoS,

przeprowadzenie dokładnej analizy porównawczej jedno- i wielopasmowych

konfiguracji stacji przekaźnikowych,

propozycja nowej konfiguracji stacji przekaźnikowych (konfiguracji

hybrydowej) wykorzystującej technikę agregacji pasm,

propozycja proaktywnych i reaktywnych procedur koordynacji konfiguracji

stacji przekaźnikowych opartych na mechanizmie równoważenia obciążenia

pasm ruchem sieciowym,

propozycja procedury minimalizacji wpływu interferencji występujących

pomiędzy stacjami przekaźnikowymi.

W odniesieniu do przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że uzyskane

wyniki pracy potwierdzają tezy postawione w jej rozdziale wstępnym. Na koniec

wskazano kilka obszarów, w których warto podjąć badania związane z rozpatrywanymi

w rozprawie zagadnieniami.

Dodatek A Opis symulacji komputerowych

Jako dodatek, na końcu rozprawy umieszczono opis metodyki symulacji systemu

LTE-A, jaka została zastosowana w celu oceny zjawisk i procedur omawianych w pracy.

W szczególności dodatek zawiera opis modeli [5, 6]:

systemu komórkowego oraz urządzeń występujących w symulacjach,

kanałów radiowych,

usług komunikacyjnych.

W dodatku dokonano także podstawowej dyskusji na temat wiarygodności

danych zebranych z przeprowadzonych symulacji.

43

Spis literatury

[1] ARTIST4G WP3, “Deliverable D3.2: Advanced Relay Technical Proposals,”

raport z prac badawczych, 2011 (https://ict-artist4g.eu/projet/deliverables)

[2] ARTIST4G WP3, “Deliverable D3.5a: Enhancements to Type-1 Relay

Implementation,” raport z prac badawczych, 2012 (https://ict-

artist4g.eu/projet/deliverables)

[3] ARTIST4G WP3, “Deliverable D3.4: Relay Configurations,” raport z prac

badawczych, 2011 (https://ict-artist4g.eu/projet/deliverables)

[4] ARTIST4G WP3, “Deliverable D3.3: Relay Networks Specific Resource

Management Features,” raport z prac badawczych, 2011 (https://ict-

artist4g.eu/projet/deliverables)

[5] ARTIST4G WP3, “Deliverable D3.5: Performance Evaluations of Advanced

Relay Concepts,” raport z prac badawczych, 2012 (https://ict-

artist4g.eu/projet/deliverables)

[6] ARTIST4G WP5, “Deliverable D5.1: Scenarios, KPIs and Evaluation

Methodology for Advanced Cellular Systems,” raport z prac badawczych, 2010

(https://ict-artist4g.eu/projet/deliverables)

[7] D. Bertsimas, V. F. Farias, and N. Trichakis, “The Price of Fairness,” INFORMS

Operations Research, nr 59/1, 2011, str. 17–31.

[8] J. Góra, “Performance of Relay-Enhanced Networks under Transmission Power

Constraints,” w materiałach konferencyjnych European Wireless conference

(EW), 2012, str. 1–8.

[9] J. Góra, “QoS-Aware Resource Management for LTE-A Relay-Enhanced

Networks,” tekst zgłoszony do publikacji w czasopiśmie EURASIP Journal on

Wireless Communications and Networking, data zgłoszenia: marzec 2013.

[10] J. Góra, “Zastosowanie teorii użyteczności w zarządzaniu stacjami

przekaźnikowymi LTE-Advanced,” w Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości

Telekomunikacyjne, nr 6, 2013, str. 250–253.

[11] J. Góra, “Interference mitigation for multi-carrier relay-enhanced networks,”

w materiałach konferencyjnych International Symposium on Wireless

Communication Systems (ISWCS), 2011, str. 192–196.

44

[12] J. Góra and A. Bohdanowicz, “Improving Fairness by Carrier Load Balancing in

Relay Enhanced Systems,” w materiałach konferencyjnych Future Networks and

Mobile Summit (FNMS), 2011, str. 1–8.

[13] J. Góra and T. Kolding, “Deployment aspects of 3G femtocells,” w materiałach

konferencyjnych IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile

Radio Communications (PIMRC), 2009, str. 1507–1511.

[14] J. Góra and S. Redana, “Resource Management Issues for Multi-Carrier Relay-

Enhanced Systems,” w czasopiśmie EURASIP Journal on Wireless

Communications and Networking, nr 124, 2012, str. 1–8.

[15] J. Góra and S. Redana, “In-band and Out-band Relaying Configurations for Dual-

Carrier LTE-Advanced System,” w materiałach konferencyjnych IEEE

International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications

(PIMRC), 2011, str. 1820–1824.

[16] R. Jain, D. Chiu, and W. Hawe, “DEC TR-301: A Quantitative Measure of

Fairness and Discrimination for Resource Allocation in Shared Computer

System,” raport, 1984.

[17] T. Kolding, H.-J. Schwarzbauer, J. Pekonnen, K. Drażyński, J. Góra, M. Pakulski,

P. Pisowacki, H. Holma, and A. Toskala, “Home NodeB and Femtocells,”

w WCDMA for UMTS: HSPA Evolution and LTE, John Wiley & Sons, 2010,

str. 515–546.

[18] K. Safjan, S. Strzyż, and J. Góra, “Kontrola interferencji oraz poprawa

wydajności heterogenicznych sieci LTE,” w czasopiśmie Przegląd

Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 6, 2011, str. 1–4.

[19] Y. Wang, S. Member, K. I. Pedersen, T. B. Sørensen, and P. E. Mogensen,

“Carrier Load Balancing and Packet Scheduling for Multi-Carrier Systems,”

w czasopiśmie IEEE Transactions on Wireless Communications, nr 9/5, 2010,

str. 1780–1789.