Algoritmos de Reparto de Tráfico en Femtoceldas corporativas LTE

162 Pages·2015·4.66 MB·Spanish

Universidad de Ma´laga
Escuela T´ecnica Superior de Ingenier´ıa de Telecomunicaci´on
TESIS DOCTORAL
Algoritmos de Reparto de Tr´afico en Femtoceldas
corporativas LTE
Autor:
Jose´ Mar´ıa Ruiz Avile´s
Directores:
Mat´ıas Toril Genove´s
Salvador Luna Ram´ırez

A mis maestros y profesores, desde mi infancia hasta aqu´ı, a todos.
Por esa labor tan importante que hac´eis y que tanto me ha ayudado.

Agradecimientos
Me doy cuenta, ahora que esta etapa llega a su fin, que no va a ser f´acil
encontrar una labor tan grata como la que me ha mantenido ocupado estos an˜os.
Pero seguramente lo vea as´ı, adema´s de porque he encontrado mi vocaci´on, por
toda la gente que me ha acompan˜ado estos an˜os.
Por eso quiero agradecer su apoyo a todos mis compan˜eros, a Pablo e Isa que
me recibieron con los brazos abiertos, y a todos los dema´s que fueron llegando
´
despu´es, en especial a Victor, Alex, Sergio, Jos´e Angel, Rocio, Pablo y Antonio.
Gracias a todos por estos an˜os, por vuestra ayuda y por vuestra amistad.
Pero si a alguien tengo que agradecer mi tesis es a mis directores, Salva y
Mat´ıas. No he podido tener mejores maestros para aprender este oficio.
GraciasSalvaportuayudaytuentusiasmo,siemprehassabidotransmitirmeel
´animo y optimismo necesarios. Es admirable tu capacidad para encontrar la mejor
forma de explicar las cosas, haciendo que todo parezca sencillo. Eso, adema´s de
facilitar mi trabajo, se aprecia en el resultado.
Gracias Mat´ıas por todo, y s´e que estas palabras se quedan cortas. Tu esfuerzo
para mejorar continuamente, tu enorme dedicacio´n y conocimiento y, sobre todo,
tu pasi´on por esta profesio´n son y ser´an un ejemplo para m´ı.
Es un orgullo haberos tenido como directores.
Por u´ltimo, quiero dedicar este trabajo a mi familia: a mis padres, a mi abuela,
a mi familia sevillana, mi hermano, Anabel, Pablo y Alba, a Iva´n, a los Ruices,
a los Avileses, a Patri y a su familia, y, por supuesto, a todos mis amigos, a los
que no nombrar´e porque, por suerte, me extender´ıa demasiado. En especial a mis
padres, buenos maestros y mejores personas, con ellos al lado todo es ma´s sencillo.
A mi hermano, con el que s´e que puedo contar para cualquier cosa y eso me da
seguridad. Y por u´ltimo a Patri, porque estos meses me ha demostrado lo que ya
sab´ıa, que soy muy afortunado.
GRACIAS.

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Indice general
Resumen I
Abstract III
Lista de Acro´nimos V
1 Introduccio´n 1
1.1 Objetivos del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Metodolog´ıa de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Conceptos b´asicos 7
2.1 Esta´ndar LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Arquitectura de una red LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Capa f´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Capa de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.4 Capa de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Redes autoorganizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Autoconfiguraci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Autooptimizacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Autocuraci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Femtoceldas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Escenarios de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 Arquitectura de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 Modos de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4 Movilidad de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.5 SON en femtoceldas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 T´ecnicas de reparto de tr´afico 29
3.1 Estado de la investigaci´on y la tecnolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Formulaci´on del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Congesti´on en la red de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Limitaciones del reparto de tra´fico en LTE . . . . . . . . . . 35
3.3 Disen˜o de t´ecnicas de reparto de tra´fico para femtoceldas LTE . . . 42
3.3.1 Estructura general de los algoritmos. . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 Implementaci´on de los controladores . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1 Metodolog´ıa experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Posicionamiento de femtoceldas 83
4.1 Estado de la investigaci´on y la tecnolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Formulaci´on del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1 M´ınima p´erdida de trayecto media . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2 M´axima peor calidad de conexi´on . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 M´axima calidad de conexi´on media . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.4 M´aximo solapamiento entre celdas . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Disen˜o de estrategias de posicionamiento de femtoceldas . . . . . . 89
4.3.1 Metodolog´ıa de an´alisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2 Resultados del an´alisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Metodolog´ıa experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 Conclusiones 113
5.1 Principales contribuciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2 L´ıneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 Publicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A Anexo: Herramienta de simulaci´on 123
A.1 Estructura b´asica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.1.1 Escenario de simulaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.1.2 Modelo de movilidad de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.1.3 Distribuci´on espacial del tra´fico . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.1.4 Modelo de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2 Capa f´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2.1 Modelo de propagaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2.2 Modelo de desvanecimiento ra´pido . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.3 Capa de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.3.1 C´alculo de SIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.3.2 Esquema HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A.3.3 Adaptaci´on del enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A.3.4 Asignacio´n de recursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
A.4 Capa de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.4.1 Control de admisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.4.2 Algoritmos de traspaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Resumen
En las redes de comunicaciones mo´viles actuales, la mayor parte de la demanda
de tra´fico se genera en ubicaciones de interior, donde las condiciones de cobertu-
ra son deficientes. Para solventar este problema, se ha propuesto el uso de redes
de femtoceldas. Las femtoceldas, tambi´en conocidas como estaciones base de uso
dom´estico, son estaciones base de pequen˜o taman˜o que se instalan en entornos re-
sidencialesocomerciales,demaneraaisladaoengrupos,paramejorarlacobertura
mo´vil en interiores.
El despliegue masivo de femtoceldas dificulta sobremanera la gestio´n de la
red, dado que la complejidad del entorno radio de interior y el elevado nu´mero de
femtoceldasimpidenunprocesodeplanificacio´nexhaustivoporpartedeloperador.
Es en este tipo de escenarios heterog´eneos donde el uso de t´ecnicas de redes auto-
organizadas(Self-OrganizingNetwork,SON)durantelaoperaci´ondelaredaporta
mayores beneficios.
Uno de los problemas ma´s frecuentes en las redes de femtoceldas corporativas
es la congestio´n de tra´fico causada por la distribucio´n irregular de usuarios. Estos
problemas pueden resolverse mediante t´ecnicas de balance de carga, que se ha
identificado como uno de los principales casos de uso de SON en redes Long Term
Evolution (LTE). Aunque este problema se ha estudiado ampliamente para redes
de macroceldas y escenarios exteriores, las redes de femtoceldas LTE en entornos
interiores presentan caracter´ısticas completamente distintas, que hacen necesaria
la bu´squeda de nuevas soluciones.
En esta tesis se ha realizado un trabajo de an´alisis, investigaci´on y exper-
imentaci´on para desarrollar soluciones robustas, eficaces y autom´aticas para la
congestio´n en redes de femtoceldas corporativas LTE. Las soluciones propuestas
incluyen m´etodos autom´aticos de optimizacio´n y planificacio´n de red. Por un la-
do, se han disen˜ado m´etodos de ajuste de para´metros radio de las femtoceldas,
como los ma´rgenes de traspaso y la potencia de transmisi´on, para desplazar tra´fico
desde femtoceldas sobrecargadas hacia femtoceldas infrautilizadas. Por otro lado,
se ha definido un conjunto de reglas para determinar el emplazamiento de las
femtoceldas que permita que los m´etodos de balance de carga funcionen de man-
era eficaz. Todos estos m´etodos se han validado con un simulador dina´mico de
nivel de red que modela un escenario de oficinas.
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