Estratégias de escalonamento OFDMA DL para redes móveis

Abstract

A grande popularidade dos dispositivos móveis que provêm acesso ubíquo à Internet de banda larga, através de redes de rádio, e o volume de tráfego gerado por estes dispositivos estão aumentando a cada ano. Além disso, vem ampliando consideravelmente a frequência com que usuários de dispositivos móveis estão usando serviços baseados na Web. Alguns destes usuários podem estar acessando serviços que precisam de transmissão contínua como, por exemplo, vídeos interativos, outros podem estar apenas lendo e-mails, o que não exige um fluxo contínuo de dados. Mais do que isso, usuários com altos níveis de sinal podem atingir melhores taxas de transferência do que os com níveis menores. Portanto, encontrar a melhor relação entre os usuários que estão acessando serviços sensíveis ao atraso e aqueles que maximizam a taxa de transferência, e ainda ser justo na transmissão, é um relevante desafio para o escalonamento dos recursos de uma rede sem fio. Embora as pesquisas de escalonamento de recursos em redes sem fio tenham evoluído neste sentido, o recente aumento do volume de tráfego mencionado pode levar a uma sobrecarga no sistema, comprometendo o escalonamento. A fim de enfrentar estes desafios, o Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), tecnologia fundamental para o acesso múltiplo em redes de quarta geração, tem sido considerado também para ser utilizado na próxima geração de rádios móveis. Para implementar um serviço efetivo aos usuários, requisitos, tais como, altas taxas de transferência, tolerância baixa ao atraso, minimização da perda de pacotes e maximização da justiça no escalonamento, devem somar-se à característica, de alta densidade de usuários, que surgiu após o advento da popularização dos dispositivos móveis. Portanto, novas estratégias de escalonamento devem ser idealizadas. Nesta dissertação, deu-se um passo além na proposição de um escalonador para as redes móveis de próxima geração, que busca melhorar a relação entre taxa de transferência e atraso, consequentemente, levando a maiores índices de justiça no escalonamento resultante. O escalonador foi especialmente desenvolvido para lidar com altas densidades de usuários, inerentes às redes modernas, e as redes LTE foram utilizadas como caso de estudo. Desta forma, um novo escalonador ótimo que considera provisão dos requisitos acima mencionados, é modelado. Além disso, uma nova heurística parametrizável, baseada na qualidade do canal do usuário, no atraso permitido por cada serviço e na justiça do escalonamento é proposta, a fim de lidar com cenários sobrecarregados. Resultados demonstram que a abordagem de escalonamento proposta leva a uma taxa de transferência apenas 7,5% menor que os valores ótimos, com 25% a menos de perda de pacotes em cenários sobrecarregados. O modelo também garante que o escalonamento resultante seja pelo menos 0,91 na escala do índice de justiça de Jain. Finalmente, os resultados mostram uma melhor relação entre a eficiência espectral e as métricas de QoS.

The huge popularity of mobile devices that provides a ubiquitous Internet broadband access via radio networks and the volume of traffic generated by these devices in the base stations are increasing every year. Furthermore, the frequency which, mobile users are using web-based services, is increasing, requiring high transfer rates such as transmission of interactive videos. These factors have become the main challenges for the scheduling of radio resources. In order to meet these challenges, the Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), a key technology for multiple access in fourth generation networks, has also been considered for use in next-generation mobile radios. To implement an effective service to users, requirements such as high transfer rates, lower delay tolerance, minimum packet loss and maximum scheduling fairness, should be added to the requirements that emerged after the advent of the popularity of mobile devices. Therefore, new scheduling strategies should be projected. Despite efforts to solve the downlink (DL) scheduling problem on wireless networks, we are not aware of previous attempts that have addressed the above requirements in a single strategy. In this thesis, we took a step further in this direction and still considering the high densities in small cells inherent in modern networks. In additional, we address the radio DL resource scheduling problem for multiple users using LTE networks as a case study. A new optimal scheduler is modeled regarding Quality of Service (QoS) provisioning. In addition, a parameterized heuristic based on user channel quality and service delay is proposed to reach scheduling solutions for overbooked scenarios. Results demonstrate that the proposed scheduling approaches led to a throughput of 7.5% lower than the optimal ones and 25% lower packet losses in overloaded scenarios. Our model also ensures that the resultant scheduling is at least as fair as 0.91 in Jain fairness index. Additionally, the obtained results show a reasonable trade-off between spectral efficiency and QoS metrics.