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ANÁLISIS DE VIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE UN SISTEMA LTE COGNITIVO
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ANÁLISIS DE VIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE UN SISTEMA LTE COGNITIVO

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La Radio Cognitiva (CR) emerge como una posible solución al problema del uso ineficiente de espectro ocasionado por una política de asignación fija de frecuencias. De entre los mecanismos facilitados …

La Radio Cognitiva (CR) emerge como una posible solución al problema del uso ineficiente de espectro ocasionado por una política de asignación fija de frecuencias. De entre los mecanismos facilitados por CR destaca el acceso dinámico al espectro donde se pretende hacer un uso oportunista de ciertas bandas licenciadas a otros servicios siempre y cuando éstas estén disponibles. Dicha operación requiere de una consciencia espectral para no provocar interferencias con los sistemas licenciados en dichas bandas. En este escenario, cobra especial relevancia el estudio de sistemas de comunicaciones móviles capaces de mejorar su rendimiento mediante el acceso cognitivo a bandas adicionales a las ya asignadas. En el contexto del proyecto CORAGE (COgnitive RAdio GEneration), este trabajo aborda la viabilidad y el rendimiento de un sistema basado en el estándar LTE (Long Term Evolution) capaz de operar de forma cognitiva en las bandas correspondientes al dividendo digital y al sistema TETRA (TErrestrial Trunked RAdio). Para ello, un estudio basado en simulación ha sido llevado a cabo con el objetivo de evaluar las prestaciones de dicho sistema cognitivo. Para dicha evaluación, se ha considerado un servicio de transmisión de video a distintos niveles de calidad, dado su alto requerimiento en cuanto a recursos, bajo la premisa de alta carga o congestión. Los resultados obtenidos sobre un despliegue real de LTE en la Comunidad de Murcia demuestran que el sistema cognitivo es capaz de sacar un mayor rendimiento al ancho de banda disponible. Este mayor rendimiento del sistema CORAGE se traduce no sólo en una mayor tasa transmitida, sino también en unas mejores prestaciones extremo a extremo del servicio de transmisión de vídeo.

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  • 1. Análisis de Viabilidad y Rendimiento de un Sistema LTE Cognitivo Carlos Herranz ClaverasInstituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) – Grupo de Comunicaciones Móviles (MCG) carhercl@iteam.upv.es
  • 2. Índice• Introducción• Arquitectura• Escenario de simulación• Simulador• Resultados• Conclusiones
  • 3. Introducción
  • 4. 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.
  • 5. 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. Uso cognitivo LTE Uso licenciado LTE Uso cognitivo LTE B3 B2 B1 B4 – Explotar la denominada Agregación de Espectro (Carrier Aggregation) de la tecnología LTE-A.• Proyecto CORAGE (COgnitive RAdio GEneration) enmarcado dentro del programa Avanza I+D.
  • 6. Arquitectura
  • 7. Arquitectura Internet PSTN-MobNets Redes de Emergencias/Seguridad Servicios IMS- Control de Sesión Pasarela Cognitive Radio Control TETRA-IMS OAM (LTE) LTE ePC TETRA CN DVB-T/DVB-H CORAGE (LTE) RAN TETRA RAN Terminales Terminales LTE TETRA Terminales CORAGE - LTE - TETRA DMO - Wi-fi DMO - Piloto Cognitivo• 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.
  • 8. 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. user1 user2 user3 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 ... RBn TTI=1 TTI=2 TTI=3 Durante Tsens=2xTTI Tsens TTI=4 los usuarios sensan Ts TTI=5 TTI=6 TTI=7 Durante Tsens=2xTTI TTI=8 los usuarios sensan
  • 9. Escenario de simulación
  • 10. 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.
  • 11. 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 Bit-Rate Tipo Resolución Codificación Contenedor FPS (kbps) 1 320x240 H.264 MP4 12 65 2 640x480 H.264 MP4 12 200 3 800x600 H.264 MP4 12 750
  • 12. Simulador
  • 13. Simulador• Capas de enlace y física son • NS2 simula las capas superiores. simuladas por SPHERE (Simulation – Amplio uso en comunidad Platform for HEterogeneous wiREless investigadora (networking y systems). comunicaciones) – Emulación a nivel de paquete – Trabaja a nivel de paquete – Especificaciones interfaz radio – Soporta gran número de protocolos a – Alta resolución temporal diferentes niveles de capa OSI. – Incluye consideraciones IMT- – Simula redes cableadas e Advanced inalámbricas. Node 1 Node 2 Usuario Final Fuente de Punto de trafico Acceso APPLICACION APLICACION NS-2 TRANSPORTE TRANSPORTE IP IP IP IP IP SPHERE ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE FISICA FISICA FISICA FISICA FISICA FISICA
  • 14. Resultados
  • 15. Resultados • Tráfico Ancho de Banda LTE de 10 MHz Vídeo #2 600 25Average Throughput video user (kbps) Throughput medio / celda (Mbps) 500 20 400 15 LTE 300 LTE+DVB 200 10 LTE+TETRA 100 LTE+TETRA+DVB 5 0 LTE LTE+DVB LTE+TETRA LTE+TETRA+DVB 0 video 1 (360x240) video 2 (600x480) video 3 (800x600) 1,4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz
  • 16. 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) 50 Retardo medio de frame de vídeo (s) 45 40 35 30 25 20 video 1 (360x240) 15 video 2 (600x480) 10 5 video 3 (800x600) 0
  • 17. Resultados • Tiempo de sensado – Ancho de banda de LTE de 5 MHz – Vídeo #2 250 3,5 Retardo medio de frame vídeo #2 (s)Throughput medio usuario vídeo #2 3 200 2,5 150 2 (kbps) 100 1,5 1 50 0,5 0 0 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 Tiempo de sensado (s) Tiempo de sensado (s)
  • 18. Resultados • Agresividad del sistema – Comportamiento del sistema en la declaración de canales libres. – Ancho de banda de LTE de 5 MHz. 12 0,6 Retardo medio por frame vídeo #2 (s)Throughput medio / celda (Mbps) 10 0,5 8 0,4 6 0,3 Agresividad Agresividad 4 0,2 2 0,1 0 0,0 Suave Media Fuerte Suave Media Fuerte
  • 19. Conclusiones
  • 20. 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
  • 21. Gracias por su atención ¿Preguntas?
  • 22. Simulador - Extra• Co-simulación NS2-SPHERE  Estructura paquete (PQT) de TCP Common Estructura del …... IP Header …... Paquete en ns-2 Header Header ……. …... intercambio NS2-SPHERE SourceIP PktId DestinationIP PktSize TTL PktType • Mapeo de datos PQT NS2 a PQT de …... ErrorFlag intercambio. …... 1. Establecimiento conexión con SPHERE (socket_TCP) para tx de PQT de intercambio …... Estructura del XXX PktId PktSize SourceIP DestIP TTL ErrorFlag Paquete de intercambio • NS2 entra en estado de Bloqueo 2. SPHERE rx el PQT de intercambio lo procesa y lo myUDP 5 myNull entrega a SingleServer para que sea solicitado. ns-2 3. Una vez procesado por SPHERE, tx mensaje desbloqueo a NS2: Unblock-X (X=#capas a tx) 3 1 4 4. NS2 conexión con SingleServer y pedir el paquete modificado SingleClient 2 SingleServer • Una vez NS2 recupera el paquete proveniente SPHERE: mapeo inverso SPHERE 5. NS2 llama la función recv() de su target (myNull) y le pasa el PQT, para continuar el Comunicación Directa Comunicación via sockets proceso a capas superiores

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