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Publicação
Optimization of the interoperability and dynamic spectrum management in mobile communications systems beyond 3G
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Resumo(s)
The future wireless ecosystem will heterogeneously integrate a number of overlapped Radio Access Technologies (RATs) through a common platform. A major challenge arising from the heterogeneous network is the Radio Resource Management (RRM) strategy. A Common RRM (CRRM) module is needed in order to provide a step toward network convergence. This work aims at implementing HSDPA and IEEE 802.11e CRRM evaluation tools. Innovative enhancements to IEEE 802.11e have been pursued on the application of cross-layer signaling to improve Quality of Service (QoS) delivery, and provide more efficient usage of radio resources by adapting such parameters as arbitrary interframe spacing, a differentiated backoff procedure and transmission opportunities, as well as acknowledgment policies (where the most advised block size was found to be 12). Besides, the proposed cross-layer algorithm dynamically changes the size of the Arbitration Interframe Space (AIFS) and the Contention Window (CW) duration according to a periodically obtained fairness measure based on the Signal to Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and transmission time, a delay constraint and the collision rate of a given machine. The throughput was increased in 2 Mb/s for all the values of the load that have been tested whilst satisfying more users than with the original standard. For the ad hoc mode an analytical model was proposed that allows for investigating collision free communications in a distributed environment. The addition of extra frequency spectrum bands and an integrated CRRM that enables spectrum aggregation was also addressed. RAT selection algorithms allow for determining the gains obtained by using WiFi as a backup network for HSDPA. The proposed RAT selection algorithm is based on the load of each system, without the need for a complex management system. Simulation results show that, in such scenario, for high system loads, exploiting localization while applying load suitability optimization based algorithm, can provide a marginal gain of up to 450 kb/s in the goodput. HSDPA was also studied in the context of cognitive radio, by considering two co-located BSs operating at different frequencies (in the 2 and 5 GHz bands) in the same cell. The system automatically chooses the frequency to serve each user with an optimal General Multi-Band Scheduling (GMBS) algorithm. It was shown that enabling the access to a secondary band, by using the proposed Integrated CRRM (iCRRM), an almost constant gain near 30 % was obtained in the throughput with the proposed optimal solution, compared to a system where users are first allocated in one of the two bands and later not able to handover between the bands. In this context, future cognitive radio scenarios where IEEE 802.11e ad hoc modes will be essential for giving access to the mobile users have been proposed.
O futuro ecossistema sem fios vai integrar heterogeneamente um número de Tecnologias de Acesso Rádio (RAT) numa plataforma comum. O maior desafio nestas redes heterogéneas é a estratégia de Gestão de Recursos Rádio (RRM). É necessário um módulo da Gestão Comum de Recursos Rádio (CRRM) que estabeleça uma ponte para a convergência da rede. Este trabalho visa desenvolver ferramentas de avaliação de RRM entre redes HSDPA e IEEE 802.11e. Pesquisaram-se melhorias inovadoras para a norma IEEE 802.11e utilizando-se optimização inter-camada para melhorar a qualidade de serviço (QoS) e utilizar eficientemente os recursos disponíveis, adaptando parâmetros como o espaçamento arbitrário entre tramas, diferentes procedimentos de backoff e as oportunidades de transmissão, bem como as políticas de acknowledgment (onde o tamanho de blocos recomendável alcançado é 12). Além disso, o algoritmo inter-camada proposto altera dinamicamente o tamanho da Arbitration Interframe Space (AIFS) e da janela de contenção (CW), de acordo com medidas obtidas a partir da qualidade de sinal recebido (SINR) e do tempo de transmissão, do atraso permitido e da taxa de colisões de cada máquina. O débito binário aumentou em cerca de 2 Mb/s para todos os valores de carga testados, satisfazendo-se mais utilizadores que com a norma original. Para o modo ad hoc, propôs-se um modelo analítico que permite investigar comunicações sem colisões num ambiente distribuído. Também se considerou a adição de bandas de frequência extra e um CRRM integrado que permite agregação de espectro. Os algoritmos de selecção da RAT permitem determinar os ganhos obtidos usando a tecnologia WiFi como rede de apoio ao HSDPA. O algoritmo de selecção RAT proposto baseia-se na carga de cada rede, não sendo necessário um sistema de gestão complexo. Os resultados de simulação demonstram que, num cenário com carga elevada, obtém-se um ganho marginal de 450 kb/s no goodput explorando localização e aplicando o algoritmo de optimização baseado na adequabilidade da carga. Também se investigou o HSDPA no contexto dos rádios cognitivos, considerando duas estações de base operando em diferentes frequências (nas bandas do 2 GHz e 5 GHz) na mesma célula. O sistema escolhe automaticamente a frequência que vai servir cada utilizador através de um algoritmo Geral de Calendarização Multi-Banda (GMBS). Demonstrou-se que, permitindo o acesso a uma banda secundária e utilizando a proposta CRRM Integrado (iCRRM), obtém-se um ganho quase constante de 30 % para o débito binário utilizando a solução óptima, em comparação com um sistema em que os utilizadores são inicialmente atribuídos a uma das duas bandas, não podendo posteriormente migrar de banda. Neste contexto, propuseram-se cenários futuros para rádios cognitivos onde o modo ad hoc da norma IEEE 802.11e será essencial para utilizadores móveis.
O futuro ecossistema sem fios vai integrar heterogeneamente um número de Tecnologias de Acesso Rádio (RAT) numa plataforma comum. O maior desafio nestas redes heterogéneas é a estratégia de Gestão de Recursos Rádio (RRM). É necessário um módulo da Gestão Comum de Recursos Rádio (CRRM) que estabeleça uma ponte para a convergência da rede. Este trabalho visa desenvolver ferramentas de avaliação de RRM entre redes HSDPA e IEEE 802.11e. Pesquisaram-se melhorias inovadoras para a norma IEEE 802.11e utilizando-se optimização inter-camada para melhorar a qualidade de serviço (QoS) e utilizar eficientemente os recursos disponíveis, adaptando parâmetros como o espaçamento arbitrário entre tramas, diferentes procedimentos de backoff e as oportunidades de transmissão, bem como as políticas de acknowledgment (onde o tamanho de blocos recomendável alcançado é 12). Além disso, o algoritmo inter-camada proposto altera dinamicamente o tamanho da Arbitration Interframe Space (AIFS) e da janela de contenção (CW), de acordo com medidas obtidas a partir da qualidade de sinal recebido (SINR) e do tempo de transmissão, do atraso permitido e da taxa de colisões de cada máquina. O débito binário aumentou em cerca de 2 Mb/s para todos os valores de carga testados, satisfazendo-se mais utilizadores que com a norma original. Para o modo ad hoc, propôs-se um modelo analítico que permite investigar comunicações sem colisões num ambiente distribuído. Também se considerou a adição de bandas de frequência extra e um CRRM integrado que permite agregação de espectro. Os algoritmos de selecção da RAT permitem determinar os ganhos obtidos usando a tecnologia WiFi como rede de apoio ao HSDPA. O algoritmo de selecção RAT proposto baseia-se na carga de cada rede, não sendo necessário um sistema de gestão complexo. Os resultados de simulação demonstram que, num cenário com carga elevada, obtém-se um ganho marginal de 450 kb/s no goodput explorando localização e aplicando o algoritmo de optimização baseado na adequabilidade da carga. Também se investigou o HSDPA no contexto dos rádios cognitivos, considerando duas estações de base operando em diferentes frequências (nas bandas do 2 GHz e 5 GHz) na mesma célula. O sistema escolhe automaticamente a frequência que vai servir cada utilizador através de um algoritmo Geral de Calendarização Multi-Banda (GMBS). Demonstrou-se que, permitindo o acesso a uma banda secundária e utilizando a proposta CRRM Integrado (iCRRM), obtém-se um ganho quase constante de 30 % para o débito binário utilizando a solução óptima, em comparação com um sistema em que os utilizadores são inicialmente atribuídos a uma das duas bandas, não podendo posteriormente migrar de banda. Neste contexto, propuseram-se cenários futuros para rádios cognitivos onde o modo ad hoc da norma IEEE 802.11e será essencial para utilizadores móveis.
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Palavras-chave
Common Radio Resource Management Spectrum Aggregation Cross-layer design ad hoc network SINR Event driven simulation
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Universidade da Beira Interior