UFPA PPGCC LPRAD - Edinaldo La-Roque - Apresentacao Defesa Dissertacao Mestrado - 20150827-0958

LPRAD - Laboratório de Planejamento de Redes de Alto Desempenho
PPGCC - Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
UFPA - Universidade Federal do Pará
Uma Nova Abordagem de Seleção de Célula e Handover para
Redes LTE Heterogêneas: Critérios Adicionais Baseados em
Estimativa de Capacidade e Velocidade de Usuário
Dissertação de Mestrado - Defesa
Edinaldo João Costa de La-Roque
Orientador: Prof. Dr. Carlos Renato Lisboa Francês
Co-Orientador: Msc. Carlos Patrick Alves da Silva
agosto/2015

2
Agenda
1. Contextualização
2. Definição do Problema
3. Objetivos
4. Fundamentos
5. Trabalhos Correlatos
6. Proposta
7. Avaliação de Desempenho e Resultados
8. Conclusão
Referências

3
1. Contextualização
• A explosão do uso de dispositivos e aplicações móveis tem levado a uma sobrecarga
do sistema, afetando tanto o desempenho da rede quanto a experiência do usuário
(4G AMERICAS, 2012):
Constante
aumento do
número de
usuários
Dispositivos
móveis mais
potentes (proc
e mem)
Aplicações
mais vorazes:
+harware
+banda
-latência
Crescimento
exponencial do
tráfego de
dados
Degradação no
desempenho
da rede
Impacto
negativo na
qualidade de
serviço
1
2
3
4
5
6

4
2. Definição do Problema
• As redes de acesso LTE (Long Term Evolution) surgem como uma solução de rádio
acesso, projetadas para aumentar a capacidade, cobertura e velocidade, em
comparação aos sistemas wireless anteriores (4G AMERICAS, 2012).
LTE
Fonte: adaptado de CISCO (2013)
Estações Rádio Base Evoluídas (eNodeBs)

5
2. Definição do Problema (2)
a. No LTE Releases 8 e 9, os processos de seleção de
célula e handover são ineficientes (baseados apenas
em relação sinal/ruído);
b. Consequentemente, as macrocélulas tornam-se
sobrecarregadas, enquanto que as pico e
femtocélulas ficam ociosas.
Consequências
• Desbalanceamento de carga
da rede;
• Degradação do desempenho
da rede;
• Degradação da qualidade de
serviço para o usuário.

6
2. Definição do Problema (3)
Considerando a tecnologia LTE release 8 do 3GPP, foram identificados dois processos:
• Seleção de célula
• Handover
A otimização desses processos pode ajudar numa melhor distribuição do tráfego na
rede, promovendo:
• Melhoria no balanceamento de carga, com consequente desafogamento de
tráfego na macrocélula.
• Melhoria na percepção de Qualidade de Serviço (QoS) para o usuário

7
3. Objetivos
3.1 Objetivo Geral
Implementação de dois critérios adicionais para os processos de seleção de célula e
handover:
• Estimativa de capacidade das estações base
• Velocidade do usuário.

8
3. Objetivos (2)
3.2 Objetivos Específicos
a) Propor método de estimativa de velocidade média para usuários móveis para
proteger usuários de femtocélulas contra tráfegos indesejáveis;
b) Propor um método de estimativa de disponibilidade de capacidade para as
estações base;
c) Desenvolver códigos em C++ no simulador OPNET Modeler para que os UEs
priorizem as estações base que ofereçam melhores garantias de disponibilidade
de recursos;
d) Validar a solução por simulação discreta;
e) Avaliar o desempenho da solução proposta.

9
4. Fundamentos
4.1 Arquitetura de uma rede LTE heterogênea
DSL Digital Subscriber Line
eNB eNodeB
fUE Femtocell UE
HeNB Home eNodeB (femto resid.)
mUE Macrocell UE
SONET Synchronous Optinal Network
TDM Time Division Multiplexing
Legenda

10
4. Fundamentos (2)
4.2 Processo de Seleção e Re-seleção de Célula
a. Determina eNodeB que fornece serviço a um UE;
b. Executado quando UE se junta à rede (seleção de célula) ou quando o UE se movimenta
no modo idle (re-seleção de célula);

11
4. Fundamentos (3)
4.3 Handover
Garante a mobilidade à medida que UE se move por entre as células.
Pode acontecer quando:
• O sinal da eNodeB atual se deteriora;
• Por necessidade de balanceamento de carga da rede;
• Expectativa de um QoS melhor, custo menor, largura de banda, etc.

12
4. Fundamentos (4)
4.4 Estrutura Básica de Recursos
• Largura de banda de 20 MHz (Rel. 8);
• Alocação de recursos baseada em RBs
(ou PRBs), sendo 100 RBs para 20 MHz;
• 1 RB = 12 subportadoras x 6 ou 7
símbolos = 72 ou 84 REs;
• Esquemas de modulação por RE: QPSK,
16QAM e 64QAM;
• Downlink: 150 Mbps -> MIMO 2x2
300 Mbps -> MIMO 4x4
• uplink: 75 Mbps (taxa de pico)

13
4. Fundamentos (5)
4.5 Tabela de CQI (Channel Quality Information)
• UE relata à eNodeB o mais alto índice de CQI que corresponda a um MCS
(Modulation and Coding Scheme) e TBS (Transport Block Size);
• BLER (Block Error Rate) não deve exceder 10% para o MCS e TBS atribuídos.

14
4. Fundamentos (6)
4.6 Mecanismos de QoS
O QoS está vinculado à ideia de bearer, que é uma espécie de túnel ao qual são
associados uma Classe de QoS (QCI) e uma Prioridade de Alocação e Retenção
(ARP), este último governando à preempção durante o estabelecimento de um
novo bearer em casos de congestionamento da rede. Os bearers podem ser:
• Bearers com Garantia Mínima de Taxa de Bit (GBR): recursos alocados de
forma permanente, podendo ter uma Taxa Máxima de Bit (MBR);
• Bearers Não-GBR: não garantem quaisquer taxas de bit e não recebem
nenhuma alocação permanente de largura de banda.

15
4. Fundamentos (7)
(cont.)
Cada QCI (QoS Class Identifier) é caracterizado:
• Prioridade;
• Delay de pacote;
• Taxa aceitável de perda de pacotes.

16
5. Trabalhos Correlatos

17
5. Trabalhos Correlatos (2)

18

19

20
6. Proposta
6.1 Escopo
a. Desenvolvimento e implementação de critérios adicionais para os processos
de seleção de célula e handover para:
• Melhorar o balanceamento de carga;
• Promover o "desafogamento" do tráfego na macrocélula;
• Melhorar a percepção de QoS do usuário.
b. Os critérios são: estimativa de capacidade das estações base e estimativa de
velocidade do usuário.
c. A solução consiste na implementação de códigos C++ no simulador OPNET.
d. Somente o downlink é contemplado na solução.
e. Pressopõe-se que cada estação base informe tanto a sua capacidade
disponível, quanto o seu tipo (macro, pico ou femtocélula).

21
6. Proposta (2)
6.2 Visão Geral Sobre a Adoção dos Critérios Adicionais
a. Promover condição na qual intensidade e qualidade de sinal + disponibilidade de
capacidade, em certas proporções, afetem o processo decisório de seleção de
célula e handover, de maneira a dar preferência à disponibilidade de capacidade.
b. Pesos (proporções) adotados:
• 25% para o parâmetro conjunto intensidade + qualidade de sinal;
• 75% para o parâmetro disponibilidade de capacidade da estação base.
c. Pesos escolhidos empiricamente e atribuídos manualmente, a partir de vários
experimentos.

22
6. Proposta (3)
6.2 Visão Geral Sobre a Adoção dos Critérios Adicionais (continuação)
a. Seleção de célula teve mais dois pontos de decisão acrescentados:
• Verificação de compatibilidade da velocidade média do UE com o tipo de
eNodeB (proteção contra conexões indesejáveis);
• Verificação da disponibilidade de capacidade de cada eNodeB (seleção da
que apresente maior disponibilidade).
b. Handover teve dois passos acrescentados:
• Verificação de compatibilidade da velocidade média do UE com o tipo de
eNodeB (proteção contra conexões indesejáveis);
• Ranqueamento do valor estimado da disponibilidade de capacidade de cada
eNodeB candidata.

23
6. Proposta (4)
6.3 Cálculo da Velocidade do UE
a. Velocidade instantânea calculada a intervalos de 1 segundo, armazenando as 10
últimas amostras na memória do UE;
b. Método da distância Euclidiana;
c. Velocidade média baseada nos últimos 10 segundos .

24
6. Proposta (5)
6.4 Estimativa de Capacidade da eNodeB via Canal PDSCH
a. Cálculo da quantidade de rercursos disponíveis acontece a cada 1 milissegundo (1
TTI), que é quando a eNodeB monta seus subframes de rádio;
b. Cálculo = recursos livres - recursos ocupados (a partir do PDSCH);
c. Últimas 6.000 amostras do cálculo (6 s de informação arbitrada empiricamente)
são armazenadas na memória da eNodeB;
d. Disponibilidade média de recursos calculada com base nas 6.000 amostras;
e. Informação utilizada para seleção de célula e handover.

25
6. Proposta (6)
6.6 Fluxograma do Algoritmo
Figura 5 - Fluxograma do algoritmo proposto: (a) Novo processo de seleção de célula a ser executado no UE;
(b) Novo processo de handover a ser executado na eNodeB
Fonte: prórpria

26
7.1 Validação por Simulação Discreta com o OPNET
7. Avaliação de Desempenho e Resultados

27
7.1.1 Métricas Selecionadas
a. Taxa de utilização (%) do canal PDSCH da camada física (PHY) do LTE: reflete o
percentual de recursos de banda utilizados em uma estação base;
b. Quantidade de EPS Bearers GBR admitidos: reflete o sucesso em obter a
quantidade de recursos necessários para a execução das aplicações dos
usuários;
c. Quantidade de EPS Bearers GBR rejeitados: reflete o insucesso em obter a
quantidade de recursos necessários para a execução das aplicações dos
usuários;
d. Taxa de descarte de pacotes no downlink (pacotes/segundo): reflete o
percentual de pacotes descartados no downlink;
e. Delay LTE: reflete o delay de todo o tráfego que chega à camada LTE e que flui
entre as eNodeBs e os UEs.
7. Avaliação de Desempenho e Resultados (2)

28
7.1.2 Cenários de Simulação
a. Cenário Baseline (REF): Cenário LTE de referência, com base na especificação
padrão 3GPP Release 8;
b. Cenário com Estimativa de Capacidade (CAP): O mesmo que o cenário REF,
porém com o algoritmo de estimativa de capacidade habilitado;
c. Cenário com Estimativa de Capacidade e Velocidade de Usuário (C&S): O
mesmo que o cenário REF, porém com os algoritmos de estimativa de
capacidade e velocidade de usuário habilitados.

29
7.2 Resultados da Simulação
Os resultados gerados pela simulação dos três cenários (REF, CAP e C&S) servirão
de base comparativa para avaliar o desempenho da solução proposta.

30
7.2.1 Balanceamento de Carga da Rede - Análise Numérica
A macrocélula teve a sua média de utilização reduzida de 25,46% (cenário REF)
para 4,43% (cenário C&S), o que, para esse caso específico, representa um alívio
significativo para a macrocélula, que terá mais banda disponível para melhor
atender aos UEs.

31
7.2.1 Balanceamento de Carga da Rede - Análise Gráfica
a. No cenário REF, a macrocélula
assumiu a maior parte do
tráfego.
b. No cenário C&S, o tráfego é
redistribuído da macrocélula
para as estações base de baixa
potência, indicando um
balanceamento de carga mais
eficiente.

32
7.2.2.1 Quantidade de EPS Bearers GBR Admitidos e Rejeitados - Análise Numérica
a. Aumento de 24,62% na admissão de
bearers GBR indica melhoria na QoS, nos
cenários REF e C&S (788 contra 982
bearers no total).
b. Grande decréscimo na rejeição de
bearers GBR indica de melhoria no nível
de QoS (19.338 do REF contra 653 do
C&S).
c. Grande quantidade de EPS bearers
(6.253, 19.338 e 26.628 nos
totalizadores), em REF e CAP, são
parcialmente devidos a excessivas
tentativas de conexão com estações de
curto raio de cobertura (femtocélulas),
devido à ausência do algoritmo de
verificação de velocidade nos cenários
REF e CAP. Totais presentes em REF e
CAP indicam qualidade de serviço
inferior em comparação com C&S.

33
7.2.2.1 Quantidade de EPS Bearers GBR Admitidos e Rejeitados - Análise Gráfica

34
7.2.2.2 Pacotes/Segundo Descartados no Downlink - Análise Numérica
a. O algoritmo de estimativa de
capacidade ativado tanto no cenário
CAP quanto no cenário C&S, foi sem
dúvida o responsável pela redução na
taxa de descarte de pacotes;
b. O algoritmo de velocidade de usuário
mostrou uma pequena influência de
0,58% (20,23% - 19,65%) nessa
métrica.

35
7.2.2.3 Delay LTE - Análise Numérica
a. Um melhor resultado foi alcançado com o cenário
CAP (somente o algoritmo de estimativa de
capacidade ativo), que apresentou um delay LTE de
1,87 s;
b. No entanto, considerando-se o desempenho geral
do sistema, reforçado pelas outras métricas
apresentadas, o delay LTE de 2,84 s do cenário C&S
ainda representa uma redução significativa de
55,63% (4,42 segundos contra 2,84 segundos).

36
8. Conclusão
Os resultados mostraram que :
a. A macrocélula se torna mais livre para aceitar conexões de um número
maior de usuários;
b. Os usuários de femtocélulas não sofrem o impacto dos usuários em
velocidades veiculares;
c. As picocélulas passam a assumir mais tráfego de rede, mesmo com suas
baixas potências de transmissão em comparação com a potência da
macrocélula.

37
8.1 Contribuições à Área
8. Conclusão (2)
As principais possíveis contribuições deste trabalho são:
a. Proposição de uma nova abordagem de seleção de célula e handover para redes
LTE heterogêneas, utilizando critérios adicionais baseados em estimativa de
capacidade das estações base e velocidade de usuário.
b. Implementação (no OPNET) de algoritmo de estimativa de capacidade disponível
com base no percentual de utilização (%) de uma eNodeB, conforme informado
via canal PDSCH (Physical Downlink Shared Channel);
c. Implementação (no OPNET) de algoritmo para cálculo da velocidade média do
usuário (UE);
d. Identificação dos principais parâmetros que envolvem o processo de seleção de
célula e handover, bem como dos principais parâmetros envolvidos nos processos
de alocação de recursos no downlink;

38
8.1 Contribuições à Área (continuação)
8. Conclusão (4)
e. Desenvolvimento de três materiais didáticos sobre introdução ao OPNET,
planejamento, configuração, simulação, coleta de estatísticas e análise de
resultados, conforme abaixo. Material utilizado durante o estágio em docência.
OPNET - Apresentação do Simulador Discreto: apresentação com 23 slides;
OPNET - Tutorial Rede LTE Básica: tutorial com 51 páginas;
OPNET - Tutorial Rede LTE - VoIP e Videoconferência: tutorial com 61 páginas.
f. Estágio em docência , envolvendo aulas e reuniões com alunos de mestrado do
PPGEE, no período 2014.2, para ajudar nos seus trabalhos com simulação LTE.
g. Artigo publicado em conferência internacional classificada pela CAPES-CC como
B1: AICT 2015 – The Eleventh Advanced International Conference on
Telecommunications, sediada em Bruxelas, na Bélgica, entre os dias 21 e 26 de
junho de 2015, organizada pela IARIA – International Academy, Research, and
Industry Association (LA-ROQUE, SILVA e FRANCÊS, 2015).

39
8.2 Dificuldades Encontradas
8. Conclusão (5)
Restrições de software e hardware enfrentadas com o simulador OPNET, com a
configuração de cenários complexos e realísticos (REF, CAP e C&S):
a. Limitou o tempo de cada simulação (150 segundos);
b. Limitou o número de seeds com simulações concluídas com sucesso;
c. Simulações acima de 150 segundos provocavam abortos, provavelmente devido
às instabilidades geradas pelo número muito grande de eventos gerados (em
torno de 60 milhões de eventos para cada um dos cenários), fazendo com que
somente alguns raros seeds conseguissem atingir o tempo delimitado para cada
simulação.
Esse fatores impossibilitaram um tratamento estatístico mais adequado a uma
avaliação de desempenho mais primorosa, através de intervalos de confiança que
refletissem o comportamento médio de um sistema realístico.

40
8.3 Trabalhos Futuros
8. Conclusão (6)
Como sugestões para trabalhos futuros, é desejável:
a. Empreender um estudo mais profundo com relação ao método utilizado para o
cálculo dos pesos tanto para os valores dos parâmetros RSRP e RSRQ, quanto
para os valores do parâmetro de estimativa de capacidade, a fim de que o efeito
do balanceamento de carga da rede possa ser refinado.
b. Buscar uma compreensão mais detalhada sobre o efeito da velocidade de UEs
outdoor sobre a qualidade dos serviços móveis para os usuários de femtocélulas
indoor.
c. Realizar experimentos com diferentes modelos de perda de propagação
(pathloss), bem como com maiores distâncias entre os UEs e as estações base.

41
Referências
4G AMERICAS. Mobile Broadband Explosion: The 3GPP Wireless Evolution. White Paper, Agosto 2012. Disponível em: <
http://www.4gamericas.org/files/5414/0759/4533/4G_Americas_Mobile_Broadband_Explosion_August_20121.pdf >.
Acesso em: 13 jul. 2015.
ALI-YAHIYA, Tara. Understanding LTE and its Performance. New York, USA: Springer Science & Business Media, 2011a. 277
p.
Cisco. Cisco ASR 5000 PDSN: Packet Core Connectivity for CDMA Networks.
http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/wireless/ps11035/ps11047/ps11072/data_sheet_c78-607122.html.
Acessado em 09/11/2013.
HOLMA, Harri; TOSKALA, Antti. LTE for UMTS: Evolution to LTE-advanced. 2ed. Nokia Siemens Networks, Finland: John
Wiley & Sons, 2011. 559 p.
LA-ROQUE, E. J. C.; SILVA, C. P. A.; FRANCÊS, C. R. L. A New Cell Selection and Handover Approach in Heterogeneous LTE
Networks: Additional Criteria Based on Capacity Estimation and User Speed. In: The Eleventh Advanced International
Conference on Telecommunications (AICT), IARIA, 2015. p. 57-65. ISBN 978-1-61208-411-4.
SESIA, Stefania; TOUFIK, Issam; BAKER, Matthew. LTE–The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. 2ed.
United Kingdom: John Wiley & Sons, Ltd., 2011. 794 p.

42
Agradecimentos
Obrigado!

UFPA PPGCC LPRAD - Edinaldo La-Roque - Apresentacao Defesa Dissertacao Mestrado - 20150827-0958

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (20)

Semelhante a UFPA PPGCC LPRAD - Edinaldo La-Roque - Apresentacao Defesa Dissertacao Mestrado - 20150827-0958

Semelhante a UFPA PPGCC LPRAD - Edinaldo La-Roque - Apresentacao Defesa Dissertacao Mestrado - 20150827-0958 (20)

UFPA PPGCC LPRAD - Edinaldo La-Roque - Apresentacao Defesa Dissertacao Mestrado - 20150827-0958