Técnicas de Acceso y Gestión de Recursos para Garantizar Calidad de Servicio en Sistemas de Comunicaciones Móviles basados en CDMA

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1 DEPARTAMENTO DE TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES Técnicas de Acceso y Gestión de Recursos para Garantizar Calidad de Servicio en Sistemas de Comunicaciones Móviles basados en CDMA Tesis Doctoral presentada en la Universitat Politècnica de Catalunya Autor: Luis Gonzaga Alonso Zárate Director: Dr. Ramón Agustí Comes Febrero 2001

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3 ÍNDICE 1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN, MOTIVACIONES Y OBJETIVOS INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES COMUNICACIONES MÓVILES DE TERCERA GENERACIÓN Por qué una nueva generación de móviles? Proceso de estandarización de las comunicaciones móviles de tercera generación. La elección del interfaz aire WCDMA (Wideband CDMA) WTDMA (Wideband TDMA) TDMA/CDMA OFDMA ODMA El sistema seleccionado Evolución del interfaz aire. Nuevos requisitos para la tercera generación Asignación de espectro La evolución futura del estándar UMTS Nuevos servicios y aplicaciones Clases de servicio Clase conversacional Clase streaming Clase interactiva Clase Background MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS DE LA TESIS CONTENIDOS PUBLICACIONES RELACIONADAS CAPÍTULO 2. ENTORNO DE TRABAJO INTRODUCCIÓN EL ACCESO CDMA Introducción Principios básicos de CDMA Receptor RAKE Secuencias código Secuencias m Secuencias de Gold Sincronismo

4 2.2.6 Control de potencia Control de potencia en lazo abierto Control de potencia en lazo cerrado Hipótesis Gaussiana para el modelado de las interferencias Probabilidad de error en los paquetes Todos los usuarios con control de potencia en lazo cerrado Todos los usuarios con control de potencia en lazo abierto Usuario útil con control en lazo abierto e interferencia mixta Usuario útil con control en lazo cerrado e interferencia mixta Resultados numéricos Codificación de canal PROTOCOLOS DE ACCESO AL MEDIO (MAC) Clasificación Estado del arte ALOHA puro Slotted-ALOHA R-ALOHA (ALOHA con reserva) Packet Reservation Multiple Access (PRMA) Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Inhibit Sense Multiple Access (ISMA) Distributed Queueing Request Update Multiple Access (DQRUMA) Distributed Queueing Random Access Protocol (DQRAP) ALGORITMOS DE GESTIÓN DE LOS RECURSOS RADIO (SCHEDULING) Introducción Modelos de tráfico en servicios garantizados Funcionalidades de los algoritmos Estado del arte Algoritmos Work-conserving First-come-first-served (FCFS) Virtual clock (VC) Generalized Processor Sharing ( GPS ) o Fluid Fair Queueing ( FFQ ) Packet by packet GPS o Weighted Fair Queueing (WFQ) Worst-case Fair Weighted Fair Queueing (WF 2 Q) Virtual Spacing (VS) o Self-Clocked Fair Queueing (SCFQ) Delay Earliest Due Date (Delay EDD) Algoritmos Non-work-conserving Jitter-Earliest-Due-Date (Jitter-EDD)

5 Stop-and-Go Hierarchical Round Robin (HRR) Rate-Controlled Static Priority (RCSP) Resumen CAPÍTULO 3. UN NUEVO PROTOCOLO MAC: DQRAP/CDMA (DISTRIBUTED QUEUEING RANDOM ACCESS PROTOCOL) INTRODUCCIÓN RECURSOS DE RESERVA Y TRANSMISIÓN DESCRIPCIÓN DEL PROTOCOLO ALGORITMO DEL PROTOCOLO DTR (Data Transmission Rules) RTR (Request Transmission Rules) QDR (Queuing Discipline Rules) EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO CONSIDERACIONES GENERALES Resolución de colisiones y CRI Adaptación automática a la carga de tráfico Información de control Control de flujo Transmisión CDMA. Número máximo de transmisiones óptimo MODELO DEL PROTOCOLO ANÁLISIS DEL MODELO Retardo total del subsistema de resolución de colisiones Retardo total del subsistema de transmisión de datos Retardo por la colisión en la transmisión de datos Retardo total del sistema RENDIMIENTO DEL PROTOCOLO DETECCIÓN DE PETICIONES DE ACCESO EN LOS MINISLOTS DE CONTROL Análisis del receptor de las peticiones de acceso Probabilidad de error en la detección del estado de los minislots Modificaciones del protocolo para la recuperación de errores Minislot con éxito detectado / Ninguna transmisión de usuario (S k=0) Colisión detectada / Ninguna transmisión de usuario (C k=0) Minislot vacío detectado / Transmisión de un solo usuario (E k=1) Colisión detectada / Transmisión de un solo usuario (C k=1) Minislot vacío detectado / Transmisión de múltiples usuarios (E k>1)

6 Minislot con éxito detectado / Transmisión de múltiples usuarios (S k>1) Rendimiento del protocolo con errores en la detección de los minislots Rendimiento con tráfico heterogéneo CARACTERÍSTICAS DEL PROTOCOLO DQRAP/CDMA CONCLUSIONES APÉNDICE A APÉNDICE B APÉNDICE C CAPÍTULO 4. OPTIMIZACIÓN DEL PROTOCOLO DE ACCESO INTRODUCCIÓN ANÁLISIS DEL SISTEMA DE DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS MINISLOTS MÁXIMO RENDIMIENTO DE DQRAP/CDMA Análisis de parámetros significativos del sistema Análisis del comportamiento de los errores de detección de minislots ASIGNACIÓN DINÁMICA DE CÓDIGOS Aumento de la tasa de resolución de colisiones Explotación de los códigos inactivos Solución Mixta Comparación de rendimientos OPTIMIZACIÓN CON VARIACIÓN DEL NÚMERO DE MINISLOTS POR CÓDIGO (M) RENDIMIENTO GENERAL CUASI-ÓPTIMO ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DEL PROTOCOLO OPTIMIZADO ADAPTACIÓN DE VELOCIDADES DE TRANSMISIÓN Algoritmo de selección de velocidad Ejemplo de elección de velocidades CONCLUSIONES ANEXO A CAPÍTULO 5. DQRAP/CDMA EN ENTORNO CELULAR INTRODUCCIÓN MARCO DE TRABAJO Tipo de células Modelo de propagación Control de potencia Modelo de movilidad de los usuarios Algoritmo de decisión para los traspasos

7 Algoritmo de IS Algoritmo de UTRA SIMULACIONES Tipo de células y modelo de propagación Control de potencia Modelo de movilidad de los usuarios Algoritmo de decisión para los traspasos Resumen de los parámetros utilizados Parámetros generales del sistema Parámetros de propagación Parámetros del control de potencia Parámetros del mecanismo de traspaso (handovers) Parámetros de las estaciones base Parámetros de los móviles Parámetros DQRAP/CDMA (capa física) RESULTADOS Sistema estándar (según 5.3) Comparación de mecanismos de handover Variación del tamaño del active set Concentración de tráfico CONCLUSIONES CAPÍTULO 6. CALIDAD DE SERVICIO (QOS) GARANTIZADA INTRODUCCIÓN Clases de Servicio Parámetros de Calidad de Servicio (QoS) DQRAP/CDMA CON CALIDAD GARANTIZADA Características de DQRAP/CDMA Colas independientes para servicios distintos Gestión de los recursos (scheduling) distribuida Gestión de los recursos para el subsistema de transmisión Un nuevo concepto: Crédito de Servicio Definición de CrS Mecanismo de cálculo del CrS Propuesta de mecanismo de gestión de recursos Ejemplo de asignación Gestión de los recursos para el subsistema de acceso

8 Algoritmo de asignación Ejemplo de asignación Simulaciones y resultados Modelos de tráfico Voz (ON-OFF) Datos interactivos (VBR) Datos no interactivos (IP) Datos genéricos (best-effort) Codificación de canal Resultados CONCLUSIONES CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN INTRODUCCIÓN El marco de trabajo Un nuevo protocolo de acceso al medio (MAC) Optimización del protocolo Estudio del MAC en un sistema celular Calidad de Servicio INTEGRACIÓN DE LAS PROPUESTAS EN UMTS CONCLUSIONES FINALES LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN ANEXO A. EL ESTÁNDAR UTRA La capa física Canales físicos Canales dedicados Canales comunes Canales de Transporte Canales dedicados Canales comunes Canales Lógicos Canales de control Canales de tráfico Estructura de capas en UTRA Estructura básica de transmisión Transmisión en canales dedicados Transmisión en canales comunes en modo paquete

9 Canal PRACH Canal PCPCH GLOSARIO DE SIGLAS REFERENCIAS

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