Descric¸ ˜ao do Simulador

O simulador usado nesta tese, e sobre o qual foram implementados os modelos descritos na Secc¸ ˜ao 3.2, designa-se LTE Downlink System Level Simulator v1.7 r1119 [IWR10] e foi desenvolvido pelo Ins-titute of Communications and Radio-Frequency Engineering da Vienna University of Technology. O funcionamento do referido simulador est ´a ilustrado no diagrama de blocos da Figura 3.1.

Leitura dos Par ˆametros

Definic¸ ˜ao do Cen ´ario

Criac¸ ˜ao da Rede

Fim da Simulac¸ ˜ao? C ´alculo do SINR/CQI pelos UEs eNB recebe feedback e agenda RBs

Envio de TBs ^{Apresentac¸ ˜ao}

dos Resultados

N ˜ao

Sim

Figura 3.1: Diagrama de blocos do simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7r1119 [IWR10].

No primeiro bloco “Leitura dos Par ˆametros”, o simulador guarda todos os valores introduzidos no fi-cheiro de entrada. Estes par ˆametros definem a simulac¸ ˜ao e n ˜ao s ˜ao alterados ao longo da mesma, e ser ˜ao apresentados posteriormente na Secc¸ ˜ao 3.3.

Em seguida, na “Definic¸ ˜ao do Cen ´ario” o simulador carrega um dos v ´arios ficheiros de configurac¸ ˜ao da rede que se encontram dispon´ıveis, os quais cont ˆem os valores necess ´arios para definir um cen ´ario. Pelo facto de haver muitas vari ´aveis a definir, estes cen ´arios predefinidos facilitam a simulac¸ ˜ao por parte do utilizador.

Na “Criac¸ ˜ao da Rede” s ˜ao colocados sobre um mapa de coordenadas, de 2 dimens ˜oes, um n ´umero de estac¸ ˜oes base, ou eNBs, previamente definido. Estas podem-se encontrar equidistantes ou n ˜ao. No caso de n ˜ao o estarem, a sua posic¸ ˜ao tem de ser definida no ficheiro de entrada. S ˜ao tamb ´em definidos quais os eNBs para os quais ser ´a calculado o d ´ebito bin ´ario, e s ˜ao estes os definem a regi ˜ao

de interesse (RDI). Os outros eNBs s ˜ao apenas utilizados como fontes de interfer ˆencia. Idealmente n ˜ao s ˜ao inclu´ıdos na RDI os eNBs do anel mais distantes do centro por n ˜ao terem todas as fontes de interfer ˆencia que teriam num caso real. No decorrer desta tese foram sempre considerados eNBs tri-sectorizados pelos motivos apresentados na Secc¸ ˜ao 2.4. Para al ´em de eNBs podem tamb ´em ser colocadas femtocells na rede de forma homog ´enea. S ˜ao depois introduzidos os UEs de uma de duas formas: um n ´umero de UEs fixo para cada eNB ou, de forma semelhante aos eNBs, ´e especificado uma posic¸ ˜ao para cada um. Esta posic¸ ˜ao consiste na especificac¸ ˜ao duma dist ˆancia do UE ao eNB ou nas pr ´oprias coordenadas. Os UEs podem deslocar-se a uma velocidade constante durante toda a simulac¸ ˜ao, ou por outro lado encontrarem-se est ´aticos.

Em relac¸ ˜ao `as antenas e o seu padr ˜ao de radiac¸ ˜ao, este ´e modulado em 3D. Numa primeira fase a empresa KATHREIN forneceu os valores referentes aos padr ˜oes de radiac¸ ˜ao de modelos de antenas comerci ´aveis. Seguidamente a interpolac¸ ˜ao desses padr ˜oes de radiac¸ ˜ao para 3D foi realizado em [Thi+09]. Este modelo tem como valores de entrada: altitude e altura do eNB, altura do UE, downtilt mec ˆanico/el ´etrico, tipo de antena e a largura de banda que as antenas usam.

Tamb ´em nesta fase s ˜ao calculados mapas de pathloss e desvanecimento. Cada sector de eNB tem uma matriz na qual ´e poss´ıvel retirar a atenuac¸ ˜ao em espac¸o livre para qualquer ponto do mapa. O modelo para o c ´alculo do pathloss, em dB, em redes LTE urbanas usado no decorrer desta tese encontra-se em [RAN14] e obedece `a seguinte equac¸ ˜ao:

L_[dB]= 40 · (1 − 4 · 10⁻³· Dhb_[m]) · log₁₀(R_[km]) − 18 · log₁₀(Dhb_[m]) + 21 log₁₀(f_[MHz]) + 80 (3.1)

onde:

• Dhb: altura da antena da estac¸ ˜ao base medida a partir da altura m ´edia dos telhados; • R: dist ˆancia entre o eNB e o UE;

• f : frequ ˆencia da portadora.

O c ´alculo do mapa de efeito de sombra ´e feito para todos os eNBs da rede. Para cada eNB ´e gerada uma distribuic¸ ˜ao lognormal 2D espacialmente correlacionada, de acordo com [Cla05]. Os valores da m ´edia e do desvio padr ˜ao da distribuic¸ ˜ao lognormal, da resoluc¸ ˜ao do mapa, do n ´umero de vizinhos e da correlac¸ ˜ao inter-eNBs s ˜ao par ˆametros de entrada. A resoluc¸ ˜ao do mapa indica para quantos metros se aplica um valor do mapa. O n ´umero de vizinhos indica quantos eNBs s ˜ao tidos em conta pelo algoritmo na correlac¸ ˜ao espacial e a correlac¸ ˜ao inter-eNBs indica o n´ıvel de correlac¸ ˜ao entre mapas de eNBs diferentes. A correlac¸ ˜ao entre sectores num eNB est ´a fixado em 1, ou seja, para um dado ponto do mapa e um dado eNB, os 3 sectores desse eNB t ˆem o mesmo valor de efeito sombra. A func¸ ˜ao normalizada de correlac¸ ˜ao entre a atenuac¸ ˜ao causada pelo efeito sombra entre um dado ponto e outro ponto a uma dist ˆancia x ´e dada por:

r (x ) = e^−αx, x ≥ 0 (3.2)

• e−α: coeficiente de correlac¸ ˜ao entre dois pontos distanciados de x = 1;

• x: dist ˆancia entre dois pontos.

Alternativamente ´e poss´ıvel correr o simulador e limitar o efeito de sombra a 0 dB para todos os pontos do mapa.

Ap ´os obtidos os valores de pathloss, desvanecimento lento e ganho das antenas ´e gerado o mapa de macroscopic pathloss para cada sector. O ganho das antenas vai depender dos ˆangulos (horizontal e vertical como referidos no simulador) da antena para um determinado ponto e pode ser calculado consultando o padr ˜ao de radiac¸ ˜ao previamente gerado. Caso a rede tenha um n ´umero fixo de UEs por sector, a posic¸ ˜ao destes s ´o pode ser definida depois de obtido este mapa de macroscopic pathloss. Seguidamente ´e calculado o desvanecimento r ´apido com recurso ao modelo Wireless World Initiative New Radio (WINNER II) [Nar+07a], que se encontra descrito no Anexo C. S ˜ao par ˆametros de entrada para este modelo o n ´umero de antenas tanto no eNB como no UE, a largura de banda, a velocidade dos UEs, a correlac¸ ˜ao ou n ˜ao do desvanecimento ao longo do tempo e a durac¸ ˜ao em segundos. Depois de gerados os mapas de macroscopic pathloss ´e feita a ligac¸ ˜ao dos UEs aos eNBs, ou mais especificamente, aos sectores. Para cada UE ser ´a calculado o sector com menor valor de macroscopic pathloss e ´e feita a ligac¸ ˜ao para este.

A unidade de tempo usada no simulador ´e o TTI, pelo que a verificac¸ ˜ao de fim de simulac¸ ˜ao ´e uma comparac¸ ˜ao entre o TTI atual com o TTI final. O desempenho do sistema ´e calculado TTI a TTI. No fim de cada um s ˜ao guardados os valores relevantes a fim de serem apresentados e impressos nos resultados.

A primeira func¸ ˜ao dentro da rotina consiste no c ´alculo do SINR/CQI, e RI e PMI se necess ´arios (con-forme referido na Secc¸ ˜ao 2.3), por parte de todos os UEs para todos os RBs dispon´ıveis no sistema. Nesta fase os UEs ainda n ˜ao sabem quais os recursos da rede que lhes ser ˜ao atribu´ıdos. Por fim ´e preparado o feedback por parte do UEs para os eNBs. Este feedback pode sofrer um atraso especi-ficado em TTIs no ficheiro de entrada. Um atraso de 0 TTI implica que os SINRs/CQIs s ˜ao recebidos pelos eNBs antes destes fazerem o envio dos correspondentes RBs, ou TBs. Nesta tese ´e este o caso utilizado. Por outro lado os Acknowledgements (ACKs) t ˆem um atraso m´ınimo de 1 TTI. Um ACK ´e uma simples mensagem usada em comunicac¸ ˜oes m ´oveis, enviada do recetor para o emissor, que indica a correta recec¸ ˜ao dum dado conjunto de bits.

O desvanecimento r ´apido ´e calculado para grupos de 6 sub-portadoras, ou seja, 90 kHz. Desta forma para um RB existem dois valores de desvanecimento diferentes, o que se traduz em dois valores de SINR diferentes. O simulador usa um algoritmo de c ´alculo de m ´edia do SINR designado por Mutual In-formation Effective Signal to Interference and Noise Ratio Mapping (MIESM) [WTA06]. Inicialmente o si-mulador usava a t ´ecnica Exponential Effective Signal to Interference and Noise Ratio Mapping (EESM), descrita em [PWT04]. Esta t ´ecnica consiste na traduc¸ ˜ao dos valores SINR dum bloco de s´ımbolos a variar na frequ ˆencia para um SINR efetivo. No entanto para fazer esta convers ˜ao era necess ´ario ter dois fatores de ajustamento: modulac¸ ˜ao e taxa de codificac¸ ˜ao de cada bloco. Por outro lado usando MIESM apenas ´e necess ´ario um dos fatores, e na maioria dos casos ´e poss´ıvel obter bons resultados

mesmo sem factor de ajustamento [WTA06].

Depois de obtido o vetor com os SINRs e antes de ser enviado o feedback aos eNBs, ´e necess ´ario fazer a convers ˜ao para valores de CQI que garantam um BLER abaixo do desejado. O mapeamento desta convers ˜ao est ´a ilustrado na Figura 3.2. Do lado esquerdo est ´a o gr ´afico gen ´erico que permite calcular, para um dado SNR, o CQI para qualquer valor de BLER enquanto que do lado direito se encontra o caso t´ıpico de um BLER igual a 10 %. O RI e o PMI s ˜ao escolhidos de forma a maximizar o d ´ebito da ligac¸ ˜ao em quest ˜ao.

Figura 3.2: Mapeamento do SNR e BLER para v ´arias curvas de CQI do lado esquerdo e do lado direito curva de relac¸ ˜ao entre SNR e CQI para um BLER de 10 % [Ins13].

No segundo bloco da rotina os eNBs v ˜ao receber todo o feedback sobre os UEs aos quais est ˜ao liga-dos, para de seguida estarem em condic¸ ˜oes de fazer o agendamento dos RBs. S ˜ao 4 os schedulers suportados pelo simulador:

• round robin, distribui os RBs de igual forma por todos os UEs;

• best CQI, cada RB ´e atribu´ıdo ao UE que apresentar melhores condic¸ ˜oes de canal;

• proportional fair Sun, tenta maximizar o d ´ebito do sistema garantindo fairness entre UEs [SYY06]; • fractional frequency reuse, permite a especificac¸ ˜ao dum scheduler para os UEs na zona de full

reuse e outro scheduler para a zona de partial reuse.

A equac¸ ˜ao segundo a qual a m ´etrica fairness ´e calculada no simulador chama-se Raj Jain [Lab+84]:

J(x1, x2, ... , xn) = ( n P i=1 x_i)2 n · n P i=1 x2 i (3.3) onde: • n: n ´umero de UEs;

• x_i: d ´ebito da ligac¸ ˜ao n ´umero i.

Este indicador varia entre um valor m´ınimo de ¹_n, quando apenas um UE ´e servido, e 1 no caso em que todos os UEs conseguem o mesmo d ´ebito bin ´ario.

O n ´umero de RBs dispon´ıveis no sistema ´e tamb ´em par ˆametro de entrada, assim como a frequ ˆencia de funcionamento. Depois do agendamento ´e calculado para cada UE o n ´umero de RBs, o n ´umero de layers, a pot ˆencia atribu´ıda, a taxa de codificac¸ ˜ao, e o tamanho do TB. RBs com um CQI igual a 0 s ˜ao perdidos no TTI em quest ˜ao. Os modos de transmiss ˜ao suportados no simulador s ˜ao: uma antena de transmiss ˜ao, OLTD, OLSM e CLSM.

O ´ultimo bloco da rotina est ´a encarregue de avaliar se os TBs foram bem recebidos ou n ˜ao por parte dos UEs com base nos respetivos BLERs. No fim, e antes de comec¸ar novo ciclo para o TTI seguinte, s ˜ao guardados os desempenhos da rede no TTI atual.

Depois de simulados todos os TTIs os resultados s ˜ao apresentados no ecr ˜a e guardados num ficheiro “.mat”.