ANÁLISIS DE DESEMPEÑO DE LOS ALGORITMOS RR, PF, MR Y DE-PS EN LA PLANIFICACIÓN DE PAQUETES DEL ENLACE DE BAJADA DE LTE SOBRE HARDWARE FPGA

ANÁLISIS DE DESEMPEÑO DE LOS ALGORITMOS RR, PF, MR Y DE-PS EN LA PLANIFICACIÓN DE PAQUETES DEL ENLACE DE BAJADA DE LTE SOBRE HARDWARE FPGA

Jeyson Andrés Tumal Molina                                      Ricardo Javier Palacios Torres    
Programa de Ingeniería Electrónica                                     Programa de Ingeniería Electrónica                                        
Institución Universitaria CESMAG                                     Institución Universitaria CESMAG
Pasto, Colombia.                                                                  Pasto, Colombia.
E-mail: Jeyson.tumal.molina@hotmail.com                       E-mail: javierpalacios_pra@hotmail.com

Resumen— El presente documento muestra la simulación de los algoritmos RR, PF, MR y DE-PS en la planificación de paquetes del enlace de bajada de LTE sobre hardware  FPGA; algoritmos los cuales se ejecutan mediante un código en Matlab, y se pasaron a lenguaje VHDL, para ser ejecutados en la FPGA, que es el que este hardware utiliza, de esta manera las variables tales como frecuencia, ancho de banda, cantidad de usuarios por nodo y velocidad de usuarios son otorgadas por Matlab y luego pasa sus valores al hardware para que este ejecute el algoritmo determinado y al final los valores resultantes de justibilidad de cada algoritmo se muestren en Matlab, de esta forma se pudo realizar el análisis de desempeño de estos bajo la FPGA.

Palabras Clave— DE-PS, FPGA, justibilidad, LTE, MR, PF, RR, VHDL.

Abstract— The present paper shows the simulation of the algorithms RR, PF, MR and DE-PS in the planning of packages of the LTE downlink on FPGA hardware; Algorithms that are executed by means of a code in Matlab, and they were passed to VHDL language, to be executed in the FPGA, that is the one that this hardware uses, of this way the variables such as frequency, bandwidth, amount of users by Node and speed of users are granted by Matlab and then passes its values ​​to the hardware so that it executes the algorithm determined and in the end the resulting values ​​of justibility of each algorithm are shown in Matlab, in this way it was possible to perform the performance analysis of These under the FPGA.

Keywords— DE-PS, FPGA, justibility, LTE, MR, PF, RR, VHDL.

1. INTRODUCCIÓN

Las redes de Evolución de Largo Termino (LTE, Long Term Evolution) se están constituyendo en una de las principales opciones de comunicaciones móviles celulares. Buscando siempre una gran eficiencia en cuanto a gama de aplicaciones, servicio de diferente naturaleza y las elevadas tasas de transferencia; sin mencionar que es más flexible que tecnologías anteriores, es capaz de garantizar calidad de servicios y lo más importante, LTE ofrece un aumento en las velocidades de transmisión de datos (una menor latencia y una mejora en la eficiencia espectral).

Esta mejora al ser el auge actual de la tecnología móvil celular provoca una mayor demanda en los recursos haciendo que los operadores móviles incorporen en sus redes estrategias para gestionarlos de una manera eficaz.

La planificación de paquetes está a cargo de la asignación de porciones de espectro entre los usuarios, para lo cual realiza una selección de los Equipos de Usuario (UE, User Equipment), y les asigna los recursos determinados a través de la aplicación de un algoritmo de planificación de paquetes, que persigue maximizar la eficiencia espectral a través de una política de asignación de recursos eficaz, con el fin de evitar los cuellos de botella que se pueden generar en el momento que varios usuarios quieran hacer uso de los recursos de la red.

La planificación de paquetes persigue maximizar la eficiencia espectral a través de una política de asignación de recursos eficaz.

Como LTE está orientado a la transmisión de datos y cada una de las transmisiones se lleva a través de canales compartidos, la forma como se realice la planificación impacta directamente en el desempeño de la red.

Con base en lo anterior, se propone mediante un hardware FPGA un análisis y  una evaluación del impacto que tiene la planificación de paquetes sobre el desempeño del enlace de bajada de LTE.

1. MARCO TEORICO

Tecnología LTE:

Los sistemas LTE según Capozzi^[1] están basados en una arquitectura compuesta por dos partes, la red núcleo conocida como Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC, Evolved Packet Core) y la Red de Acceso Radio Terrestre UMTS Evolucionada (EUTRAN, Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network), tal como se muestra en la figura 1.  

Dentro EUTRAN se encuentran el Equipo de Uusario (UE, User Equipment) y el Nodo B Evolucionado (ENB, Evolved Node B) que a diferencia de las redes de tercera generación, se encarga directamente de la Gestión de Recursos de Radio (RRM, Radio Resource Management) cuyo objetivo es garantizar la calidad del servicio ante la variabilidad que presenta el canal y la demanda de tráfico de los usuarios.

Una de las más importantes funciones que se establece en RRM para LTE, es la Planificación de Paquetes, que es responsable de seleccionar los paquetes de los usuarios, organizarlos y trasmitirlos de forma inteligente haciendo uso eficiente de los recursos de radio y satisfaciendo sus requerimientos de QoS.

Figura 1 Arquitectura de LTE.

[pic 1]

FUENTE: CAPOZZI, F. Downlink Packet Scheduling in LTE Celular Networks: Key Design Issues and a Survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2011.  

Planificación de Paquetes en LTE:

Según Orobio y Cano^[2] en las redes de telecomunicaciones, uno de los mecanismos para lograr una asignación eficiente de los recursos y que esté acorde a los requerimientos de los usuarios es la planificación de paquetes. La planificación de paquetes es una funcionalidad de la RRM que se encarga de decidir cuál es el próximo paquete a transmitir y a que usuario corresponde.

La planificación de paquetes desempeña un papel fundamental en la administración de los recursos del sistema, la forma en que se lleve a cabo determina en gran medida el desempeño de la red, especialmente en una que presente alta carga de tráfico.

De las funciones RRM más relevantes para cumplir el objetivo de asignar recursos de forma eficiente es la planificación de paquetes. El planificador de paquetes reside en el eNB y su función consiste en realizar una selección inteligente de los usuarios para asignarles los recursos que estos requieren. La forma en que se seleccionan los usuarios y se asignan los recursos depende de una estrategia específica, la cual es dada por el algoritmo de planificación de paquetes que se emplee.

El objetivo de la planificación de paquetes es optimizar el throughput en la celda mediante una adecuada estrategia al asignar recursos.

Algoritmos de Planificación de Paquetes:

De acuerdo a la 3GPP^[3] los algoritmos constituyen el corazón de la planificación de paquetes, definen la forma en que se elige a los usuarios que transmiten o reciben la información, y como y cuando deben hacerlo. Tener algoritmos que cumplan a cabalidad con esta función resulta una tarea compleja, y más si se trata de redes inalámbricas, en particular de redes LTE, ya que no solo deben tenerse en cuenta las características de la interfaz de radio, sino también otros requisitos; relacionados con la capacidad, con los servicios y con el desempeño del sistema.

El estándar LTE indica que debe realizarse la planificación de paquetes y especifica que se requiere para llevarla a cabo, pero no muestra como, por lo tanto los operadores cuentan con una gran versatilidad al momento de elegir como quieren planificar a sus usuarios.

Maximum Rate (MR):

En el algoritmo MR, los RB se asignan a los usuarios que logran el máximo throughput en cada TTI. La métrica de MR para un usuario [pic 2][pic 3] sobre el bloque de recurso [pic 4][pic 5]) se puede expresar de acuerdo a la  siguiente ecuación:  

                [pic 6]                        [pic 7]             

Dónde:

[pic 8][pic 9] Es el throughput esperado para el usuario [pic 10][pic 11] en el TTI [pic 12][pic 13] y el k-ésimo RB, respectivamente. Se calcula a partir de la siguiente expresión:

                                [pic 14][pic 15]        

Por tanto MR es capaz de maximizar el throughput de celda y beneficia a aquellos usuarios que cuentan con condiciones favorables de SINR, sin embargo a aquellos usuarios que se encuentren al borde de la celda con condiciones pobres de canal pueden acceder a pocos o ningún RB, dada esta situación se denomina injusta a la asignación de recursos que realiza MR. En la figura 2 se presenta el diagrama de flujo básico para un planificador de paquetes basado en MR en cada TTI.

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