Gestión de recursos radio en sistemas móviles avanzados de banda ancha con soluciones de extensión de cobertura y capacidad basados en despliegues de red heterogénea

• Autores: Miguel Eguizabal Alonso
• Directores de la Tesis: Angela Hernández Solana (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Valdovinos Bardaji (presid.), José Luis Valenzuela González (secret.), Ramón Ferrús Ferré (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles / Mobile Network Information and Communication Technologies por la Universidad de A Coruña; la Universidad de Cantabria; la Universidad de Oviedo; la Universidad de Zaragoza y la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
• Texto completo no disponible (Saber más ...)
• Resumen

  • El número de usuarios de las redes móviles ha crecido de forma exponencial durante los últimos años. Además, las aplicaciones que se usan en los terminales móviles demandan cada vez mayores tasas de datos, así como requisitos de QoS (Quality of Service) más exigentes, para poder ofrecer a los usuarios servicios en tiempo real como videollamadas, juegos online, streaming de video, etc. Esta demanda tan exigente conlleva que las redes móviles deben ser capaces de proporcionar un servicio ubicuo de calidad, de tal forma que los usuarios disfruten de una experiencia similar, sin importar su ubicación dentro de la celda. Una de las tecnologías candidatas a satisfacer estos crecientes requisitos de mayores tasas de tráfico y menores latencias, es LTE (Long Term Evolution), propuesta por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) para cumplir el estándar IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced). El estándar IMT-Advanced recoge los requisitos considerados por la ITU (International Telecommunication Union) para los sistemas 4G. Sin embargo, LTE no satisface todos los requisitos del estándar IMT-Advanced, y por ello se propuso LTE-A (LTE-Advanced), introduciendo ciertas funcionalidades, como Carrier Aggregation (CA) para incrementar el ancho de banda de las redes, mejoras en técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output), o el soporte para el despliegue de relays.

    Durante los últimos años se ha producido un gran despliegue de redes LTE a nivel comercial por todo el mundo, convirtiéndose en la actual red móvil de referencia. Las redes LTE se basan en la técnica de capa física OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), empleando como técnicas de acceso al medio OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para el enlace descendente y SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) para el enlace ascendente. OFDM ofrece alta inmunidad a la propagación multicamino, permite un uso eficiente del espectro y proporciona escalabilidad del ancho de banda. Es gracias a estas características por lo que OFDM es ampliamente utilizada hoy en día, y no solo en el ámbito de las redes móviles (WiFi, DVB-T, etc.).

    El espectro radio es un bien escaso y muy costoso económicamente, por lo que, si se quieren proporcionar altas tasas de datos, y además a un número elevado de usuarios (UE: User Equipment), las redes móviles 4G deben aplicar esquemas de reúso frecuencial muy agresivos, siendo generalmente el objetivo un reúso unidad, de tal forma que todas las celdas (eNB: evolved NodeB) de la red emplean el mismo ancho de banda. De esta forma se reduce el espectro frecuencial utilizado por la red, sin embargo, estos esquemas generan una fuerte interferencia inter-celular (ICI), que puede degradar las prestaciones de los usuarios, y en especial, de los usuarios que se encuentran en las zonas exteriores de las celdas. Los usuarios exteriores pueden observar niveles de SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) bajos debido a los fuertes niveles de ICI, lo que generalmente limita la tasa de datos alcanzable y define el esquema de codificación y modulación a emplear (MCS). Por lo tanto, es necesario aplicar mecanismos de control de la interferencia que mitiguen su efecto y permitan establecer comunicaciones fiables en los exteriores de las celdas.

    No obstante, aunque se consideren mecanismos de control de la interferencia que permitan reducir los niveles de ICI, el objetivo de proporcionar un servicio ubicuo de calidad sigue quedando limitado, especialmente en áreas con alta concentración de usuarios, en zonas de sombra donde el nivel de señal útil recibido es muy bajo debido al entorno y en las zonas exteriores de las celdas. Una de las propuestas que se consideran dentro del marco de las redes LTE-A para dar solución a estas situaciones es el despliegue de nodos de baja potencia sobre las redes macrocelulares convencionales. Este tipo de despliegues se conoce con el nombre de redes heterogéneas, contemplándose diferentes alternativas basadas en el despliegue de distintos tipos de nodos de baja potencia: femtoceldas, picoceldas y relays.

    Las femtoceldas son nodos de bajo coste y baja potencia de transmisión, que principalmente se despliegan en entornos interiores, como casas u oficinas. Una característica fundamental es que el enlace de la femtocelda con la infraestructura de la red móvil (enlace backhaul) se lleva a cabo a través de una red distinta a LTE. Normalmente es un enlace de banda ancha cableado, como puede ser una fibra óptica, o una línea ADSL. A través del enlace backhaul la femtocelda puede intercambiar información con otras femtoceldas o con las macroceldas. El objetivo principal de este tipo de despliegue es mejorar la cobertura en entornos interiores, ya que las pérdidas de penetración de los edificios complican que las redes macrocelulares convencionales sean capaces de proporcionar altas tasas de datos en el interior de edificios. Generalmente las femtoceldas son desplegadas por los propios usuarios, siendo beneficioso tanto para los usuarios, que disponen de un punto de acceso a la red móvil propio, y dentro de su casa, como para los operadores, que se benefician de una mayor capacidad de red y eficiencia espectral con un coste asociado muy reducido.

    La principal diferencia entre picoceldas (PeNB: Pico evolved NodeB) y femtoceldas es que las picoceldas son desplegadas por el propio operador, realizándose un despliegue coordinado de estos nodos de baja potencia. Uno de los objetivos principales de los despliegues de picoceldas es que permitan descargar tráfico de las macroceldas, especialmente en zonas donde la concentración de usuarios es elevada. El enlace backhaul con la red troncal es similar al de cualquier otra estación base (eNB). El área de cobertura que cubren las picoceldas es bastante inferior al cubierto por las macroceldas, y son nodos con menor coste económico, lo que ofrece una alternativa interesante a los operadores para incrementar la capacidad de la red en zonas con alta demanda de tráfico.

    El tercer tipo de nodo de baja potencia considerado en las redes heterogéneas es el relay (RN: Relay Node). Una característica que hace a los relays muy interesantes desde el punto de vista de los operadores es que su enlace backhaul con la red troncal es inalámbrico, reduciéndose significativamente sus costes de despliegue. Los relays emplean la interfaz radio LTE para comunicarse con la macrocelda y acceder a la red troncal, por lo que los relays tienen que compartir los recursos radio disponibles con los usuarios conectados a su macrocelda. Por lo tanto, aunque los usuarios que se conectan a la red a través de los relays serán capaces de emplear MCSs más eficientes gracias a la cercanía de los relays, es necesario tener en cuenta el consumo adicional de recursos radio en los enlaces backhaul de los relays, al tratarse de una comunicación en dos saltos. En definitiva, la ganancia real solo se produce cuando un enlace que ofrece unas condiciones de canal pobres, se sustituye por dos enlaces de mayor calidad, de tal forma que el incremento de tasa obtenido gracias al uso de enlaces de mayor calidad supera el consumo extra de recursos asociado al uso de dos enlaces. El despliegue de relays permite extender la cobertura, incrementar la capacidad de la red y mejorar la experiencia de los usuarios que se encuentran en zonas donde los niveles de señal útil recibidos son bajos, como pueden ser zonas de sombra, o zonas de los exteriores de las celdas.

    La ganancia que pueden proporcionar las redes heterogéneas es indudable, sin embargo, estos despliegues introducen diferentes retos y problemas técnicos, que tienen que ser resueltos para poder materializar esa ganancia en escenarios reales. Uno de los principales retos es la gestión de la interferencia, y es que los nodos de baja potencia son desplegados sobre la cobertura de las macroceldas, y se espera que estos nodos de baja potencia empleen el mismo ancho de banda que las macroceldas. En las redes heterogéneas pueden diferenciarse dos capas de red, de tal forma que una capa está formada por las macroceldas, mientras que la otra capa está formada por los nodos de baja potencia. La interferencia que se produce entre nodos pertenecientes a la misma capa de red se conoce como interferencia co-layer. Mientras que a la interferencia que se produce entre nodos pertenecientes a distintas capas de red se la denomina interferencia cross-layer. Por lo tanto, además de considerar mecanismos de control de la interferencia co-layer entre macroceldas, es necesario analizar el nuevo escenario interferente de las redes heterogéneas, proponiendo nuevos mecanismos que permitan mitigar la interferencia cross-layer, así como la interferencia co-layer entre nodos de baja potencia si estos están desplegados en zonas cercanas.

    Otro aspecto que impacta significativamente en las prestaciones de las redes heterogéneas es el criterio de selección de nodo. Generalmente, en las redes macrocelulares convencionales los usuarios se conectan a la celda de la que reciben el mayor nivel de potencia. Sin embargo, debido a la diferencia en la potencia de transmisión entre las macroceldas y los nodos de baja potencia, si se aplicase este criterio en las redes heterogéneas, solo unos pocos usuarios serían servidos por los nodos de baja potencia. De hecho, usuarios que se encuentran más cerca de un nodo de baja potencia que de la macrocelda, y que por lo tanto observan menores pérdidas de propagación respecto al nodo de baja potencia, podrían conectarse a la macrocelda debido a la diferencia en las potencias de transmisión. Por lo tanto, también es necesario proponer criterios de selección de nodo adecuados a los despliegues heterogéneos, con el objetivo de aprovechar lo máximo posible las ventajas que ofrece disponer de nodos de baja potencia que permitan ofrecer unas pérdidas de propagación bajas.

    Una gestión efectiva de la interferencia pasa por la aplicación conjunta de mecanismos de coordinación en frecuencia y potencia y mecanismos de scheduling, que a una escala temporal pequeña ajustan las transmisiones de cara a conseguir el máximo aprovechamiento de la diversidad multiusuario y multicanal. No obstante, la aplicación de esquemas de coordinación de interferencia fijos limita la eficiencia de la red, ya que esta no puede adaptarse a las variaciones de carga. Por lo tanto, otro reto que se plantea en los despliegues heterogéneos, y al que tampoco son ajenos los despliegues homogéneos macrocelulares, es la “adaptación lenta” del algoritmo de coordinación (a una escala temporal más grande que el scheduling) para encontrar la combinación de parámetros de funcionamiento, reparto o compartición de recursos y criterio de selección de nodo que maximizará la función de utilidad de la red (función de utilidad que depende no solo del grado de satisfacción de los parámetros de QoS, sino de requisitos de accesibilidad y mantenimiento del servicio, equitatividad, etc.). La obtención de una solución óptima se complica al considerar no sólo de qué manera esa combinación se ajustará a las condiciones cambiantes de la carga de la red, sino cómo los nodos y estaciones involucradas obtendrán, difundirán o intercambiarán información y se coordinarán para dar soporte a este algoritmo de adaptación lenta.

    Además de considerar soluciones para implementar una “adaptación lenta” del esquema de coordinación de interferencias y reparto de recursos, también se requiere considerar otros mecanismos, como el control de admisión. El control de admisión es el encargado de evaluar la conveniencia de aceptar una nueva conexión que requiere recursos del nodo. No debe olvidarse que los recursos con los que se cuenta son limitados y por ello no siempre será posible dar servicio a todos los usuarios que lo requieran, ya que podría sobrepasarse la capacidad del nodo de acceso y en ese caso todas las conexiones en curso verían degradadas sus prestaciones, hecho que debe evitarse en la medida de lo posible. En términos generales, el control de admisión suele englobar dos aspectos: por un lado, el cálculo de la capacidad del nodo y el consumo de recursos de los usuarios, y por otro lado, aplicar políticas de admisión, las cuales definen las condiciones que deben darse para que una nueva conexión sea aceptada. Esta estimación de la capacidad disponible, y del consumo de las nuevas conexiones puede no ser simple, ya que el comportamiento de las estrategias de gestión de recursos radio puede ser diferente dependiendo de la distribución espacial de los usuarios, de las condiciones de canal que estén experimentando, de la movilidad de los usuarios, etc. Por lo tanto, es importante analizar diferentes alternativas de estimación de la capacidad y consumo de los usuarios, así como considerar políticas de admisión que busquen evitar que se sobrepase la capacidad total de la celda.

    Recientemente se han comenzado a desplegar las primeras redes móviles 5G, no obstante, las redes 5G no van a reemplazar a las redes 4G por el momento, sino que se espera que durante los próximos años coexistan ambos tipos de redes. De hecho, dentro de las primeras especificaciones del 3GPP para las redes 5G (5G New Radio (NR)) se considera una versión NSA (Non-StandAlone), en la que se mantiene la red troncal LTE (EPC: Evolved Packet Core). Como se ha visto, las redes LTE todavía tienen que solventar diferentes retos para poder satisfacer la alta demanda de tasa de datos de los usuarios, sin importar su movilidad, o su ubicación dentro de las celdas. La potencialidad del uso de redes heterogéneas queda avalada por el considerable esfuerzo investigador invertido en este tipo de soluciones. En este contexto, esta tesis se centra en proponer y evaluar estrategias de gestión de recursos y gestión de interferencias en el enlace descendente para garantizar la coexistencia entre las macroceldas y los nodos de baja potencia desplegados en ellas, centrándose en picoceldas y relays. En primer lugar, el trabajo se centra en desarrollar y evaluar estrategias de gestión de recursos a nivel de enlace que den soporte a las distintas soluciones de despliegue heterogéneo. Para posteriormente centrarse en estrategias de soporte a la coexistencia en condiciones cambiantes de carga y movilidad. Bajo estas condiciones de movilidad se requiere considerar de forma conjunta mecanismos que se condicionan entre sí: criterios de selección de nodo, handover y control de admisión, estimación de consumo y capacidad, así como la aplicación de estrategias adaptativas de reúso frecuencial.