Soluções de coexistência LTE/Wi-Fi em banda não licenciada

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE. U NIVERSIDADE F EDERAL DO R IO G RANDE DO N ORTE C ENTRO DE T ECNOLOGIA P ROGRAMA DE P ÓS -G RADUAÇÃO EM E NGENHARIA E LÉTRICA E DE C OMPUTAÇÃO. Soluções de Coexistência LTE/Wi-Fi em Banda Não Licenciada. Pedro Maia de Santana. Orientador: Vicente A. de Sousa Jr.. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Engenharia de Telecomunicações) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.. Número de ordem PPgEEC: M510 Natal, RN, dezembro de 2017.

(2) Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede. Santana, Pedro Maia. Soluções de coexistência LTE/Wi-Fi em banda não licenciada / Pedro Maia de Santana. - 2017. 80 f.: il. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. Vicente A. de Sousa Junior.. 1. Computação - Dissertação. 2. LTE - Dissertação. 3. Wi-Fi Dissertação. 4. LTE-LAA - Dissertação. 5. Q-Learning Dissertação. I. Sousa Junior, Vicente A. de. II. Título. RN/UF/BCZM. CDU 004. 301 - FERNANDA DE MEDEIROS FERREIRA AQUINO.

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(4) §oluções de coexistência LTEflryi-Fi em Banda. l{ão Licenciada. Pedro Maia de Santana. L)issertacii() cle \lestrado uprc»,arla ent 07 cle Dczcntbr.o clc 2017 pela blnca exarlinatkrrir c()mllosla prrI rts scr:uiI'ttcs nrcntbros :. centc r\. de Sousa Jr. (orientaclor.). PnrÍ'. Dr. Allan rie \,leriei. Írs ... ... .. lvlachartrcicMcdeiros. .. DCO/Lj}"RN. ... DLIA/LlFIiii. ..... CIEL/UFJF.

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(6) Resumo Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo sobre a aplicação de redes LTE no espectro ISM (Industrial Scientific and Medical) e seu consequente impacto sobre tecnologias comumente coexistentes na mesma faixa de frequência. Inicialmente, é realizada uma elucidação teórica sobre as regulamentações que envolvem o uso de espectro não-licenciado. Na sequência, são apresentadas as principais soluções de coexistência do LTE nesse meio, destacando-se o mecanismo recentemente padronizado pelo 3GPP, o LTE-LBT, e tecnologias específicas de empresas pioneiras na área, tais como a solução LTE-DC. Como elemento prático complementar à investigação teórica inicial, são desenvolvidas análises de desempenho das respectivas soluções utilizando o simulador ns-3. A novidade do trabalho é materializada pela apresentação de uma proposta de solução para o mecanismo Carrier-Sensing Adaptive Transmission (CSAT). Essa solução, baseada em aprendizado de máquina, visa melhorar o desempenho conjunto dos sistemas que coexistem na faixa ISM. Este trabalho também propõe uma solução de coexistência do LTE-DC consigo próprio a partir de uma abordagem utilizando teoria dos jogos. Essas soluções são comparada com as soluções clássicas e o seus ganhos são evidenciado em cenários definidos por órgãos de padronização mundial. Palavras-chave: LTE, Wi-Fi, 3GPP, LTE-DC, LTE-LBT, LTE-LAA, Q-Learning, game theory, ns-3..

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(8) Abstract This work aims to perform a study about the application of LTE networks in ISM (Industrial Scientific and Medical) spectrum and its impact over technologies that communly coexist in the same frequency range. Initially, it’s made a theoretical elucidation about regulamentations involving the non licensed spectrum usage. In sequence, it’s presented the main LTE coexistence solutions in this field, highlighting the recent mechanism standardized by 3GPP, the LTE-LBT, and specific technologies of pioneering companies in this domain, like LTE-DC solution. As a practical element complementary to the initial theoretical investigation, it’s developed performance analyzes of the respective solutions using ns-3 simulator. The novelty of the work is materialized by the presentation of a solution proposal for the Carrier-Sensing Adaptive Transmission (CSAT). This solution, based on machine learning, aims to improve the joint performance of systems that coexist in the ISM band. This work also propose a solution for LTE-DC self-coexistence by a game theory approach. These solutions are compared to the classical ones and their gains are evidenced in scenarios defined by global standardization institutions. Keywords: LTE, Wi-Fi, 3GPP, LTE-DC, LTE-LBT, LTE-LAA, Q-Learning, game theory, ns-3..

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(10) Sumário. Sumário. i. Lista de Figuras. iii. Lista de Tabelas. v. 1. 1. Introdução. Lista de Símbolos e Abreviaturas 2. 3. 1. Redes Legadas 2.1 Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 LTE - Long Term Evolution . . . . . . . . . . 2.3 Mecanismos de Coexistência do LTE . . . . . . 2.3.1 LTE-LBT . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 LTE-DC . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Outros Padrões LTE em Banda Não-licenciada .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. Análise de Desempenho de Soluções de Coexistência 3.1 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 O Simulador ns-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Prototipagem e Configuração do LTE e do Wi-Fi coexistindo em 5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Trabalhos relacionados à avaliação de desempenho LTE/Wi-Fi . . . . . . 3.3 Avaliação de Resultados no Cenário Simples . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Cenário Simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Campanha de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Resultados e Discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Avaliação de Resultados no Cenário Indoor . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Cenário Indoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Campanha de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Resultados e Discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i. 3 3 7 9 9 11 12 15 15 16 18 19 20 20 21 22 28 29 29 29 30 36.

(11) 4. 5. 6. Proposta CSAT baseada em Q-Learning 4.1 Carrier-Sensing Adaptive Transmission (CSAT) . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Teoria da Decisão aplicada em Redes Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Q-Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Aplicação do Q-Learning no Problema de Variação Adaptativa do Duty-cycle do LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Trabalhos relacionados à aplicações de machine learning no domínio de coexistência LTE/Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Cenário de Avaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Proposta da estratégia de Q-Learning para o CSAT do LTE-DC . 4.4 Simulações e Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 44 47 50. Solução CSAT baseada em Teoria dos Jogos 5.1 Jogos Estocásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Modelagem do Problema de Coexistência do LTE-DC . . . . . . . . . . 5.3 Minimax Q-Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Proposta do Minimax Q-Learning para coexistência entre APs LTE-DC 5.5 Cenário de Avaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Simulações e Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Comentários Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. 55 55 57 58 62 62 64 67. Comentários Gerais e Conclusão 6.1 Produções Acadêmicas e Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Conclusões e Comentários Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 69 70. Referências bibliográficas. 39 39 40 41 43. 71.

(12) Lista de Figuras. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6. Ilustração do DCF com RTS/CTS. . . . . . . . . . . Infraestrutura de rede LTE. . . . . . . . . . . . . . . Modo de operação LTE-LBT. . . . . . . . . . . . . . Modo de operação LTE-DC. . . . . . . . . . . . . . Modo de operação LTE-LWA. . . . . . . . . . . . . Principais tecnologias LTE em banda não-licenciada.. . . . . . .. 4 7 9 11 12 14. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18. Visão geral da modelagem do LTE no ns-3. . . . . . . . . . . . . . . . . Pilha de protocolos LTE do ns-3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cenário Simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coexistência de duas operadoras usando o sistema Wi-Fi. . . . . . . . . . Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego FTP. . . . . . . . . . . Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego UDP full-buffer. . . . . Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego FTP (0.65 duty-cycle). . Coexistência de duas operadoras LTE-LBT (tráfego FTP). . . . . . . . . Coexistência de operadoras LTE-LBT e Wi-Fi (tráfego FTP). . . . . . . . Cenário indoor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coexistência de dois operadores Wi-Fi para o tráfico FTP. . . . . . . . . . Coexistência do LTE-DC com Wi-Fi para o tráfico FTP. . . . . . . . . . . Coexistência do LTE-LBT com Wi-Fi para o tráfico FTP. . . . . . . . . . Coexistência de dois operadores LTE-LBT para o tráfico FTP. . . . . . . Coexistência de dois operadores Wi-Fi para o tráfico UDP full-buffer. . . Coexistência do Wi-Fi e LTE-DC para o tráfico UDP full-buffer. . . . . . Coexistência do Wi-Fi e LTE-LBT para o tráfico UDP full-buffer. . . . . Coexistência de dois operadores LTE-LBT para o tráfico UDP full-buffer.. 17 17 20 22 23 24 25 26 27 29 31 32 33 33 34 35 36 37. 4.1 4.2 4.3 4.4. Representação de uma Markov Decision Process (MDP). . . . . . . . . . Cenário Simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LTE-DC e Wi-Fi operando com mesmo udpRate = 75 Mbps. . . . . . . . LTE-DC operando com udpRate=75Mbps e Wi-Fi operando com udpRate=37,5 Mbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LTE-DC operando com udpRate=37,5 Mbps e Wi-Fi operando com udpRate=75Mbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema mostrando o perfil de acesso ao meio Wi-Fi/LTE-DC. . . . . . . Funcionamento do Q-Learning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desempenho do Q-Learning para o LTE com udpRate fixo a 75 Mbps e Wi-Fi com udpRate variável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40 44 45. 4.5 4.6 4.7 4.8. iii. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 46 46 48 50 52.

(13) 4.9. Desempenho do Q-Learning para o LTE com udpRate fixo a 37,5 Mbps e Wi-Fi com udpRate variável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Desempenho do Q-Learning para o LTE com udpRate fixo a 18,75 Mbps e Wi-Fi com udpRate variável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5. Perfil de acesso ao meio entre dois operadores LTE-DC . . . . . . . . . . Matriz de payoffs do problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamento do Minimax Q-Learning temporalmente. . . . . . . . . . Desempenho do Minimax Q-Learning em um cenário de udpRate variável. Comparativo de desempenho entre dois operadores utilizando ou apenas o Wi-Fi ou apenas o LTE Minimax Q-Learning. . . . . . . . . . . . . . .. 52 53 57 60 64 66 66.

(14) Lista de Tabelas 2.1 2.2. Padrões de CW e TXOP para as classes de serviço EDCA. . . . . . . . . Classes de prioridade do LTE-LBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 10. 3.1 3.2. Parâmetros para avaliação de desempenho. . . . . . . . . . . . . . . . . . Parâmetros sistêmicos utilizados nas simulações. . . . . . . . . . . . . .. 21 30. v.

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(16) Capítulo 1 Introdução. A grande quantidade de usuários que constantemente usa redes Wi-Fi e LTE alternadamente em situações distintas representa um forte indício de que o uso de banda não-licenciada para sistemas LTE pode ser um nicho ou até mesmo uma alternativa para a crescente demanda por taxa de transmissão. Desse modo, vem crescendo o interesse em modificar o método de acesso ao meio do LTE para permitir seu uso em faixas de espectro não-licenciadas, como na banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 5 GHz. Devido à disponibilidade para operação no modo não-licenciado, a faixa entre 5150 e 5925 MHz é potencialmente interessante para a operação do LTE em modo secundário. Contudo, a operação em tal faixa só é permitida por redes que implementem uma série de mecanismos capazes de manter a interoperabilidade com todos os sistemas que desejam operar em tal faixa [ITU 2012]. A própria FCC (Federal Communications Commission) possui normatizações específicas de acesso ao espectro não-licenciado organizadas segundo o documento [FCC Part 15 Rules 2014]. Ele determina, por exemplo, exigências regulatórias com relação ao tempo limite de ocupação do canal, densidade espectral de potência, procedimentos de verificação e certificação de produtos, entre outros padrões. Desse modo, o LTE, como uma tecnologia de operabilidade fundamentada em espectro licenciado, deve se adaptar a todo o aglomerado de regimentos e padrões que cercam o uso do espectro não-licenciado a fim de se dispor das vantagens que envolvem a utilização dessa banda, preservando, assim, a coexistência com outras tecnologias que operam nesse meio. A partir disso, órgãos de padronização, como o 3GPP, o IEEE e o Wi-Fi Alliance, e também empresas, como Qualcomm e Nokia, desenvolveram soluções estratégicas que permitem uma operabilidade do sistema LTE na faixa de espectro ISM. Tais soluções respeitam, com base em diferentes métricas, os critérios de coexistência. No caso do 3GPP, em seu Release 13 [3GPP 2016a], foi estipulado determinadas alterações a nível de camada PHY e MAC para que o LTE obedeça o mecanismo Listen Before Talking (LBT), garantindo um funcionamento do LTE semelhante ao CSMA-CA do Wi-Fi, e dando origem ao chamado LTE-LBT, que será detalhado no próximo capítulo. A Qualcomm foi uma das pioneiras no desenvolvimento de um mecanismo de coexistência que se baseia em uma estipulação alternada de funcionamento do LTE, do qual essa tecnologia determina períodos de on-off baseada em ciclos operacionais.

(17) 2. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO. (Duty-Cycle), dando origem ao chamado LTE-DC, o qual também será detalhado no próximo capítulo. Cabe também destacar que a forma pela qual o LTE em banda não-licenciada se comunica com o sistema LTE legado, em espectro licenciado, determina novos padrões de tecnologia conhecidos como LTE-LAA, LTE-LWA e MuLTEFire, que serão detalhados na seção 2.3. Como análise empírica das soluções apresentadas, o capítulo 3 apresenta uma análise de desempenho do LTE-DC e LTE-LBT coexistindo com o Wi-Fi em diferentes cenários. O capítulo 4 apresenta uma proposta própria de solução para a coexistência do LTE-DC com o Wi-Fi por meio de um algoritmo de aprendizado por reforço. O capítulo 5 estende essa proposta de solução para a coexistência do LTE-DC consigo próprio a partir de uma abordagem utilizando teoria dos jogos. Por fim, o capítulo 6 expõe os comentários gerais, perspectivas futuras e conclusões..

(18) Capítulo 2 Redes Legadas. Este capítulo apresenta características de algumas redes móveis legadas que, na proposta desse trabalho, são expostas a coexistir na faixa de 5GHz.. 2.1. Wi-Fi. O padrão 802.11 (comercialmente conhecido como Wi-Fi) opera mais comumente no modo infraestruturado, no qual cada dispositivo do usuário (denominado STA) se conecta a um ponto de acesso (AP) via uma conexão sem fio. Considerando a Camada de Acesso ao Meio (MAC), o método de acesso padrão é o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Colision Avoidance), o qual pode ser caracterizado como uma evolução do tradicional CSMA/CD (Colision Detection) utilizado nas redes locais Ethernet. O CSMA/CA utiliza uma função de coordenação chamada DCF (Distributed Coordination Function), na qual os nós da rede “escutam” o canal antes de iniciar uma transmissão a partir do procedimento Clear Channel Access (CCA). Este período de “escuta” do canal é composto por um período fixo denominado DCF Interframe Space (DIFS) mais um tempo aleatório chamado Janela de Contenção (CW). Esta, por sua vez, possui um valor máximo que é incrementado exponencialmente de acordo com a quantidade de retransmissões. O DCF também apresenta um padrão de verificação de erros que ocorre após a transmissão de cada quadro de dados. Uma mensagem de confirmação (ACK) é transmitida pelo recebedor da mensagem depois de um intervalo de tempo chamado de Short Interframe Space (SIFS), indicando a correta recepção do quadro de dados. No entanto, quando dois nós Wi-Fi disputam o uso do canal, o problema do nó escondido pode ocorrer. Ele acontece nas situações em que o STA é visível (em termos de sinal) pelo seu AP, mas não é visível para outros STAs que se comunicam com o mesmo AP. Ao tentar acessar o canal, o procedimento de CCA irá falhar para ambos os usuários que não se “escutam” entre si, podendo causar colisão de suas transmissões. Para lidar com esse problema, o padrão 802.11 definiu um mecanismo adicional usando dois sinais de controle, o RTS e o CTS. A utilização desse mecanismo é opcional, entretanto todo nó tem que implementar a função para poder reagir corretamente caso receba esses sinais. A figura 2.1 ilustra o uso do RTS/CTS. Depois de esperar por DIFS (mais um tempo.

(19) 4. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS. de backoff aleatório, se o meio estiver ocupado), o emissor transmite um RTS (Request to Send). O pacote RTS inclui o destinatário e uma previsão do tempo de uso do canal. Essa estimativa de tempo especifica o intervalo necessário para transmitir o quadro de dados mais o sinal ACK que será enviado pelo receptor. Toda estação que receber o sinal RTS tem que fixar o seu NAV (Network Allocation Vector) de acordo com a duração da estimativa de tempo especificada no RTS. O NAV indica o ponto no tempo no qual a estação pode tentar acessar o meio novamente. Se o destinatário da mensagem recebe o RTS, ele responde com um CTS (Clear to Send), depois de esperar por SIFS. O CTS contém novamente a estimativa de tempo para transmissão da mensagem. Todas as estações que receberem o CTS têm que ajustar seu NAV novamente. O conjunto de estações que receberam o CTS não é, necessariamente, o mesmo conjunto de estações que receberam o RTS. Agora todas as STAs dentro do raio de cobertura do emissor e do receptor foram informadas que vão ter que aguardar mais tempo para tentar acessar o meio. Isso contorna o problema do terminal escondido, pois o mecanismo reserva o meio para um único emissor. Finalmente, o emissor pode enviar a mensagem propriamente dita depois de SIFS. O destinatário recebe a mensagem, espera por SIFS, e envia o sinal ACK, se a recepção estiver correta. Agora a transmissão está completa e o NAV de cada STA indica que o meio está inativo e o ciclo pode recomeçar [Schiller 2003]. Figura 2.1: Ilustração do DCF com RTS/CTS.. Fonte: Adaptado de [Junior 2015]. Em 2005, foi especificado o padrão IEEE 802.11e [IEEE 2016], no qual surgiu um novo modelo de acesso ao meio capaz de implementar estratégias de QoS (Quality of Service). O IEEE 802.11e define quatro novas categorias de tráfego (TC): AC_BK (Background), AC_BE (Best Effort), AC_VI (Video), AC_VO (Voice). Modificações no CCA foram necessárias para implementar o suporte a QoS, de maneria que o valor máximo do CW é definido de acordo com a TC em questão, proporcionando, estatisticamente, maior ou menor prioridade de transmissão para determinada TC. Esse modo de transmissão é chamado Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). Também foi introduzido o Transmission Opportunity (TXOP), pelo qual se define o tempo que o STA pode mandar quadros após ganhar o acesso ao canal via CCA. Com o TXOP, diferente do modo tradicional, o STA pode transmitir mais de um quadro ao ganhar o acesso ao canal. A tabela 2.1 apresenta os valores de parâmetros EDCA para as respectivas classes de serviço, como definidos pelo sistema 802.11e [IEEE 2005]..

(20) 2.1. WI-FI. 5. Tabela 2.1: Padrões de CW e TXOP para as classes de serviço EDCA.. Fonte:Adaptado de [IEEE 2005]. Já o padrão 802.11n-2009 [IEEE 2016] trouxe melhorias importantes para o Wi-Fi, proporcionando taxas de transmissão na ordem de 600 Mbps (802.11n-HT). As principais melhorias na camada MAC incluem: novos métodos de agregação de pacotes (agregar pacotes pequenos para diminuir o overhead) e Block Acknowledgement (a confirmação pode ser enviada para múltiplos pacotes ao invés de imediatamente depois do recebimento de um pacote). As principais melhorias na camada física incluem: channel bounding (canais de 40MHz pela junção de dois canais de 20MHz), intervalo de guarda menor (de 800 ns para 400 ns, permitindo aumentar o número de símbolos transmitidos por unidade de tempo) e MIMO 4x4. Entre as gerações mais recentes do padrão IEEE 802.11, pode-se citar o IEEE 802.11ac [IEEE 2013] e o IEEE 802.11ad [IEEE 2012]. Ambos dispõe de taxas de transmissão superiores aos padrões antecessores, atingindo cerca de 1.3 Gbps para o 802.11ac e 7 Gbps para o 802.11ad. Esse ganho de taxa constatou-se principalmente pelos seguintes fatores: 1. Técnicas mais avançadas de MIMO: O 802.11ac tem capacidade para MIMO 8x8 e introduziu a tecnologia de antenas beamforming, possibilitando aplicações de MU-MIMO (Multi-user MIMO). Com isso, permitiu-se ao AP Wi-Fi se comunicar com múltiplos usuários simultaneamente, utilizando diversidade espacial. O padrão 802.11ad, por sua vez, dentro do contexto de operação em ondas milimétricas, introduz a aplicação de Massive MIMO, que é capaz de proporcionar uma real separação espacial da matriz de canal. Como consequência disso, o arranjo de antenas beamforming pode estabelecer uma comunicação altamente diretiva, permitindo que múltiplos dispositivos operem lado a lado em um ambiente indoor com mínimos efeitos de interferência entre si. 2. Aumento na largura de banda e flexibilidade espectral: O 802.11ac opera exclusivamente na faixa de 5 GHz, podendo utilizar canais de 20, 40, 80 e 160 MHz (quatro vezes superior ao 802.11n), com channel bonding (80+80) contíguo ou descontíguo. O 802.11ad vai além e introduz o uso de canais na faixa ISM de 60 GHz (precisamente entre 57 e 66 GHz dependendo da região), com largura de banda que pode chegar a 2160 MHz..

(21) 6. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS 3. Técnicas de modulação mais densas: Foi introduzido no 802.11ac o 256-QAM, o que representou um aumento de quatro vezes na eficiência espectral em relação ao 802.11n.. Por fim, tem-se a expectativa do próximo padrão IEEE 802.11 em 2019, o 802.11ax [Boris Bellalta 2016]. Ele é denominado como High Efficiency WLAN (HEW) e tem a desafiadora meta de aumentar em quatro vezes a taxa de transmissão média de dados por usuário em ambientes com alta densidade de usuários. Esse novo padrão almeja a implementação de mecanismos que oferecem aos usuários um fluxo de dados (transmissão média de dados) consistente e confiável, mesmo na presença de muitos outros usuários. Todas as melhorias no Wi-Fi são efetivas em promover, a longo prazo, uma distribuição justa de acesso ao canal para todos os STAs e maior taxa de transmissão. Contudo, ainda não existe solução padronizada para gerenciar a interferência que outras redes causam no Wi-Fi ou, até mesmo, a interferência que APs Wi-Fi causam entre si..

(22) 2.2. LTE - LONG TERM EVOLUTION. 2.2. 7. LTE - Long Term Evolution. LTE é um padrão introduzido pelo 3GPP Release 8 que se caracteriza por ser uma tecnologia predecessora do 4G. Entre suas principais melhorias em relação à tecnologias anteriores do 3GPP, destacam-se aumento da taxa de transmissão, diminuição da latência, maior flexibilidade de uso do espectro e maior eficiência espectral devido ao uso do OFDMA. O LTE opera com múltiplos MCSs (Modulation and Coding Schemes), com taxa de transmissão que pode chegar à ordem de 300 Mbps no Downlink - DL (com MIMO 4x4, 20 MHz e 64-QAM) e 75 Mbps no Uplink - UL (com SIMO 1x2, 20 MHz e 64 QAM). Outra característica relevante do LTE é o fato de ser uma tecnologia all-IP, operando unicamente no modo de chaveamento de pacotes, mas com um arquitetura plana, conhecida como SAE (System Evolution Architecture). A redução no número de nós de sua arquitetura contribui para a redução da latência do sistema e viabilidade do uso de pacotes de dados para comunicação de voz e tráfego multimídia em geral. A infraestrutura do LTE, como mostra a figura 2.2, é dividida em dois elementos principais: E-UTRAN, composto por eNodeBs (estações rádio base LTE) e UEs (User Equipments), esse último sendo responsável por promover o acesso do usuário ao sistema. O segundo elemento é o Envolved Packet Core (EPC), que é responsável pela interconexão da eNodeB com outras redes, garantindo aos usuários acesso à internet e a outras redes externas (e.g., à rede de telefonia fixa). Figura 2.2: Infraestrutura de rede LTE.. Fonte: Teleco [TELECO 2014]. Um frame LTE de 10 ms é divido em 10 subframes de 1 ms cada, com cada subframe sendo formado por 2 slots de 0,5 ms cada. O subframe facilita a alocação de recursos, o slot é útil para sincronização, enquanto que o frame é a unidade de envio de informação do sistema. Cada slot contém 6 ou 7 símbolos OFDM, dependendo do tamanho do prefixo cíclico. Na frequência, múltiplos de 12 subportadoras de 15 kHz cada são agrupados em blocos de 180 kHz, denominados Physical Resource Blocks (PRBs). O número de.

(23) 8. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS. PRBs existentes depende diretamente da banda disponível no sistema. Por exemplo, em 20 MHz de banda, existem 100 PRBs disponíveis para alocação. A unidade mínima de alocação de recurso da camada de acesso ao meio se chama Resouce Block (RB), o qual corresponde a meio subframe no tempo (1 slot) e um PRB na frequência. Assim, a cada TTI (Time Transmission Interval, igual a 1 ms), a eNodeB escalona RBs para os UEs do sistema [3GPP 2016b]. O 3GPP padronizou melhorias para o sistema LTE até se chegar, em 2011, a uma versão aderente ao padrão 4G em seu Release 10 (LTE-Advanced). Foram introduzidas técnicas avançadas de gerenciamento de recursos de rádio, tais como Coordinated Multipoint Transmission and Reception (CoMP) e Enhanced Inter-Cell Interference Coordination (eICIC). Em relação às melhorias da camada física, podem-se citar o método de agregação de portadoras (com banda de até 100 MHz) e a adoção de MIMO 8x8, os quais proporcionam aumento significativo da taxa de transmissão do DL e do UL (3 Gbps e 1.5 Gbps, respectivamente) [3GPP 2017a]. Em março de 2016, em seu Release 13 [3GPP 2016a], o 3GPP padronizou novas melhorias para o LTE-A, estabelecendo uma nova versão, predecessora ao 5G, denominada LTE-Advanced Pro. Entre os avanços estabelecidos por esse novo padrão, tem-se principalmente: 1. Melhorias para prover serviços de Machine-Type Communications (MTC); 2. Implementação de novas técnicas de segurança para novos serviços, tais como comunicação D2D (Device-to-Device) e ProSe (Proximity Services); 3. Aumento de taxa por usuário utilizando tecnologias de small cell dual-connectivity, em que o usuário pode estar conectado a dois grupos diferentes de célula em um esquema mestre-escravo; 4. Melhorias da agregação de portadora; 5. Interoperabilidade com o Wi-Fi; 6. Operação em banda não-licenciada; 7. Redução de latência; 8. Implementação de técnicas Massive MIMO, tais como 3D/FD-MIMO; 9. Introdução do LTE-IoT (Internet of Things), uma tecnologia focada em otimizar o desempenho e eficiência para aplicações de baixa potência e baixa largura de banda. Com a introdução da modulação 256-QAM e largura de banda máxima de 100 MHz, é esperado para o LTE-A Pro taxas de transmissão da ordem de 4 Gbps, com eficiência espectral de 40 bits/Hz [3GPP 2017a]..

(24) 2.3. MECANISMOS DE COEXISTÊNCIA DO LTE. 2.3. 9. Mecanismos de Coexistência do LTE. Como apresentado no capítulo 1, apesar do espectro ISM ser intitulado como banda não-licenciada, existe todo um aparato regulatório que rege seu uso. Por outro lado, a tecnologia LTE, originalmente construída com foco de operação em banda licenciada, não possui mecanismos “equânimes” de acesso ao canal, tais como o CCA do Wi-Fi. Desse modo, para atender às exigências normativas desse tipo de espectro, diversas instituições apresentaram soluções de modificação de acesso ao meio do LTE, mantendo um padrão de desempenho considerável e, conjuntamente, preservando a coexistência com redes heterogêneas. Apresenta-se, nesta seção, algumas dessas soluções.. 2.3.1. LTE-LBT. O LTE-LBT, também conhecido nominalmente como LTE-LAA (Licensed Assisted Access), é uma solução padronizada pelo 3GPP a partir do Release 13 e com melhorias incluídas no Release 14. A ideia dessa solução é que exista uma rede LTE operando em espectro não-licenciado como SCell (Secundary Cell), de forma que essa rede ainda permaneça ancorada a alguma estação base PCell (Primary Cell). Semelhante ao Wi-Fi, o LTE-LBT, como mostra a figura 2.3, implementa o padrão Listen Before Talking, do qual se certifica sobre a disponibilidade do canal verificando se a potência de algum sinal externo dentro da banda específica é maior do que um determinado limiar estabelecido entre -62 e -82 dBm [3GPP 2015b]. Caso o canal não esteja acessível, o LTE-LBT irá esperar um tempo fixo, denominado defer time, mais uma janela de contenção (CW), que é aleatória e varia de acordo com uma certa quantidade de time slots, denominados eCCA slots de 9 ou 10 µs cada. Figura 2.3: Modo de operação LTE-LBT.. Fonte: Adaptado de [Junior 2015]. Se, após a contagem temporal regressiva do CW, o canal ainda estiver ocupado, o processo LBT novamente se reinicia a partir do defer time. Caso contrário, ou seja, o canal se encontra livre, o LTE-LBT irá adquirir um TXOP da ordem de 2 a 10 ms, e ocupará o canal durante este tempo. Após o tempo definido pelo TXOP ter sido finalizado, caso exista alguma outra necessidade de transmissão, um novo CW será gerado para que o processo possa reiniciar seguindo o mesmo critério de etapas. Uma diferença do LTE-LBT em relação ao Wi-Fi é a maneira de atualização da CW máximo. No Wi-Fi, o CW máximo é atualizado após não receber um ACK de um frame.

(25) 10. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS. inteiro. No LTE-LBT, é contabilizada a quantidade de NACKS do feedback do HARQ, de forma que, caso a quantidade de NACKs supere um valor acima de uma percentagem predefinida em relação ao total transmitido, o CW máximo é aumentado. Contudo, para evitar que o CW máximo se mantenha em um valor elevado sem a real necessidade (e.g., caso o canal tenha melhorado suas condições), após quatro transmissões sucessivas com porcentagem de NACKs abaixo do limiar, as configurações atuais do CW máximo são redefinidas ao seu estado inicial [3GPP 2015b]. O LTE-LBT ainda possui quatro classes de prioridade [Koorapaty 2015], representadas na tabela 2.2, cada uma contém diferentes valores de CW e de tempo de ocupação do canal (MCOT), as quais podem ser usadas para diferenciação de QoS semelhante ao EDCA do Wi-Fi. Tabela 2.2: Classes de prioridade do LTE-LBT. Classe 1 2 3 4. CW-min 3 7 15 15. CW-max MCOT Tamanhos CW 7 2 ms 3,7 15 3 ms 7,15 63 10 ou 8 ms 15,31,63 1023 10 ou 8 ms 15,31,63,127,255,511,1023 Fonte: 3GPP [3GPP 2015b].

(26) 2.3. MECANISMOS DE COEXISTÊNCIA DO LTE. 2.3.2. 11. LTE-DC. A Qualcomm, em meados de 2013, desenvolveu um novo padrão de comunicação em espectro não-licenciado utilizando redes LTE, do qual foi denominado LTE-U (LTE in Unlicensed Spectrum). A ideia inicial seria de permitir que as operadoras pudessem aumentar e/ou melhorar a cobertura dos sinais de suas redes móveis utilizando o espectro ISM. Posteriormente, outras empresas, tais como T-Mobile [Relations 2017] e Verizon [Wireless 2017] também indicaram interesse nesse novo tipo de tecnologia. Em termos organizacionais, em 2014, a Verizon, em conjunto com Alcatel-Lucent, Ericsson, Qualcomm e Samsung, fundou o LTE-U Forum [Forum 2017]. 2017]. Essa organização gerencia, de maneira colaborativa, novos padrões e especificações técnicas com objetivo de manter um bom desempenho desse mecanismo aliada às exigências normativas. Em 2015, o 3GPP, em seu Release 12 [3GPP 2015a], também deu início a padronizações baseadas no LTE-U. Inclusive já é possível atualmente encontrar produtos comerciais da Qualcomm, Verizon e T-Mobile que utilizam esse tipo de tecnologia. Com relação ao modo de operação, o LTE-U é um mecanismo de coexistência bem mais simples e direto do que o LTE-LBT, não sendo necessário alterações substanciais em termos de camada PHY e MAC. Ele se baseia em ligar e desligar o sinal do LTE, como mostra a figura 2.4, ocupando o canal por um certo período de tempo e, em seguida, liberando para outras tecnologias. Isso segue um certo padrão de ocupação de canal organizado em ciclos de trabalho (Duty-Cycle), por isso a denominação LTE-DC. Figura 2.4: Modo de operação LTE-DC.. Fonte: Próprio autor. Existem propostas mais avançadas sobre a aplicação desse mecanismo. Por exemplo, a Qualcomm propôs uma forma adaptativa de alterar o duty-cycle para ampliar o desempenho e melhorar a coexistência, denominada CSAT (Carrier Sense Adaptive Transmission) [Inc. 2015]. A ZTE também, em uma contribuição ao 3GPP [3GPP 2014], propõe uma abordagem de duty-cycle baseada em multiplexação no domínio temporal. Neste trabalho, são propostos mecanismos adaptativos baseados em inteligência artificial para monitorar e ajustar o duty-cycle continuamente de acordo com as condições do canal, como será apresentado nos capítulos 4 e 5..

(27) 12. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS. 2.4. Outros Padrões LTE em Banda Não-licenciada. Na seção anterior, foram apresentadas duas das principais soluções de coexistência do LTE na banda não-licenciada, que, em resumo, foram: • LTE-LAA: Também denominado LTE-LBT, é definido pelo padrão 3GPP Release 13 e tem como alvo comercial regiões da Europa e Japão. • LTE-U: Também denominado LTE-DC, é baseado no 3GPP Release 12 e tem como alvo comercial países como EUA, Coreia do Sul e Índia. A diferença nas regiões de atuação se dá por questões regulatórias. No caso da Europa e Japão, que, por sua vez, possuem leis mais restritas sobre o uso do espectro, apenas é permitido o padrão 3GPP Release 13, do qual possui bem definido uma solução que garante, a partir do mecanismo de Listen-Before-Talking, a não intromissão do LTE durante as transmissões Wi-Fi, fato esse que não é totalmente válido para o caso do LTE-DC. No entanto, uma característica comum a ambos os mecanismos, é que foram feitos com a ideia de auxiliar a cobertura da rede móvel primária, operando em modo secundário, semelhante, por exemplo, à Femtomcells [TechTarget 2013]. Desse modo, a rede LTE não-licenciada do LTE-DC e LTE-LBT ainda estaria ancorada à rede licenciada e, ao mesmo tempo, competindo diretamente com o Wi-Fi o uso do espectro. Mais recentemente, emergiram dois novos padrões de uso do LTE no espectro ISM, os quais visam uma proposta mais cooperativa com o Wi-Fi e, ao mesmo tempo, mais agressiva comercialmente. São eles: • LTE-LWA: Também como uma das propostas do Release 13 do 3GPP, o LTE-LWA (LTE - WLAN Aggregation) é uma solução que visa o uso coordenado e simultâneo do LTE em banda licenciada com uma rede WLAN, de forma que o controle de tráfego e gerenciamento dos recursos de rede do Wi-Fi são administrados pela rede LTE, como mostra a figura 2.5 Figura 2.5: Modo de operação LTE-LWA.. Fonte: Qualcomm [Qualcomm 2014]..

(28) 2.4. OUTROS PADRÕES LTE EM BANDA NÃO-LICENCIADA. 13. A ideia da proposta LTE-LWA é criar um link aggregation LTE/Wi-Fi tal que determinados tipos de tráfego, por exemplo, downloads de arquivos relativamente extensos, sejam realizados, em sua maioria, pela rede Wi-Fi, ou seja, com a banda não-licenciada funcionando como um boost na capacidade de transmissão da rede licenciada. O dispositivo móvel iphone da empresa Apple, já há alguns anos vem implementando tecnologia semelhante [Apple 2017], em que dados móveis e Wi-Fi auxiliam-se mutualmente para garantir tráfego. Como mencionado anteriormente, com o Release 13, o 3GPP define a utilização do especto não licenciado para complementar unicamente o tráfego de downlink, no entanto o escopo do Release 14 já inclui um requerimento que especifica também o suporte para uplink do LAA SCell em seu modo de operação [3GPP 2017b]. De forma análoga, os trabalhos de coexistência no Release 13 assumiram que não havia impactos consideráveis sobre o Wi-Fi e, portanto, sem a necessidade de coordenação entre 3GPP e IEEE. Porém, no Release 14, dado a disposição do Wi-Fi para aprimorar o 802.11 como um componente de funcionalidade dentro da umbrella do sistema 3GPP, surgiu o enhanced LWA (eLWA) como uma tecnologia para prover uma cooperação proativa e coordenação entre 3GPP e IEEE. Isto poderá permitir uma evolução mais harmônica entre o LWA e o Wi-Fi, aumentando os benefícios de ambas as tecnologias [3GPP 2017c]. • MulteFire [MuLTEfire 2017]: Essa nova tecnologia pode ser considerada uma das mais agressivas comercialmente em relação ao Wi-Fi, caracterizando-se pode ser um LTE unicamente em banda não-licenciada e não estando ancorado a nenhuma outra rede licenciada, divergindo-se do LTE-DC e LTE-LBT nesse aspecto. Ou seja, funciona simplesmente como um roteador comercial que utiliza tecnologia LTE, podendo, por exemplo, estar diretamente conectado a um ISP (Internet Service Provider) convencional. A ideia desse novo padrão é que as operadoras consigam implantar e/ou estender seus sinais em ambientes indoor hiper densos, criando small cells que beneficiariam desde proprietários de empresas locais às próprias companhias fornecedoras de ISP. Em resumo, a figura 2.6 demonstra os quatro principais padrões de LTE em espectro não-licenciado, assim como suas respectivas especifidades que os distinguem..

(29) 14. CAPÍTULO 2. REDES LEGADAS. Figura 2.6: Principais tecnologias LTE em banda não-licenciada.. Fonte: Qualcomm [Qualcomm 2014]..

(30) Capítulo 3 Análise de Desempenho de Soluções de Coexistência Este capítulo apresenta uma análise de desempenho das soluções LTE para banda não-licenciada (LTE-DC e LTE-LBT) quando coexistem com o Wi-Fi, medindo principalmente o impacto da interferência entre as duas redes na vazão útil de cada uma delas.. 3.1. Metodologia. A pesquisa de novos métodos por meio de técnicas analíticas e a obtenção de fórmulas fechadas para o desempenho de um sistema de telecomunicações se tornam quase sempre inviável. Além disso, o próprio ambiente de comunicações móveis é notoriamente difícil de tratar analiticamente, devido à sua variabilidade e caracterização estatística, como se pode observar em relação ao tráfego, a mobilidade e ao canal sem fio. Técnicas analíticas são ainda bastante úteis e podem apontar uma direção, mas quase sempre só são viáveis com simplificações bastante relevantes da realidade. Uma avaliação completa e verdadeira do desempenho de redes só pode ser feita por meio de testes em ambientes móveis reais. Porém, essa metodologia apresenta sérias dificuldades e desvantagens. Os sistemas reais são muito caros e pouco flexíveis a mudanças, e dificilmente justificaria sua compra para a investigação de novas técnicas, para as quais a eficiência ainda está em cheque. Poderia ser inviável realizar atividades de pesquisa utilizando um rede de telecomunicações real, tanto por questões de custo como de operacionalização. Geralmente, as redes de telecomunicação seguem o modelo de caixa preta, o qual apresenta baixa flexibilidade de configuração e dificuldades didáticas ligadas a pesquisa e inovação. Sua instalação necessita de espaço físico dedicado, com impossibilidade de movimentação, dificultando a configuração de diferentes deployments, principalmente quando se envolve mobilidade dos agentes da comunicação. Prototipagem rápida baseada em aparatos de software representa, de certa forma, um meio termo entre a análise matemática e testes em ambientes móveis reais. Por meio dessa metodologia é possível testar novos conceitos com relativa rapidez, verificar a interação entre diversas técnicas, enriquecer ações de ensino e demonstrar o funcionamento dos sistemas reais para público não especializado na área. Essas tarefas seriam muito.

(31) 16CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA onerosas, senão impossíveis, utilizando uma metodologia puramente analítica ou baseada em sistemas reais. Isso é claro não invalida análises matemáticas, que podem apontar direções com ainda mais rapidez, e cujos resultados podem servir para validar a modelagem utilizada nos protótipos. Da mesma forma, resultados obtidos por meio de testes em redes reais também servem para validar tais modelos. Este trabalho utiliza o simulador ns-3 como ferramenta de prototipagem das soluções de coexistência entre LTE e Wi-Fi em banda não-licenciada.. 3.1.1. O Simulador ns-3. O ns-3 é um simulador de redes baseado em eventos discretos desenvolvido especialmente para pesquisa e uso educacional. O ns-3 nasceu em 2006, oficialmente fundado pela Universidade de Washington (Tom Henderson, Craig Dowell), pela INRIA Sophia Antipolis (Mathieu Lacage) e pela Georgia Tech University (George Riley e Raj Bhattacharjea) [Sousa 2013]. Atualmente, existe um grande esforço para manter o simulador em um ambiente de código aberto e direcionado a pesquisadores que queiram contribuir com sua extensão. O ns-3 é construído em linguagem C++, mas, a partir do ns-3.2, a maioria das APIs (Application Programming Interface) já estão disponíveis em Python, mesmo que os modelos continuem sendo escritos em C++ [Project 2014]. O ns-3 é uma ferramenta de simulação amplamente utilizada em todo o mundo e com grandes perspectivas de crescimento, contando com diversos colaboradores que trabalham exaustivamente para conceber melhoramentos para redes emergentes [Sousa 2013]. A Figura 3.1 apresenta uma visão geral da modelagem do LTE no ns-3. Ela serve para ilustrar que é possível realizar análises de desempenho desde radio-level até end-to-end QoE. Também existem módulos para construção de cenários indoor, com prédios, paredes internas e externas. O ns-3 também possui suporte para vários modelos de canal, o qual incluem path loss, sombramento e desvanecimento em pequena escala. A abstração da camada física do simulador envolve um mapeamento link-to-system, em que as curvas de BLER vs. Eb /N0 (Block Error Ratio vs. Normalized Signal-to-Noise Ratio) são usadas para modelar o erro nos blocos de dados de transporte. A Figura 3.2 ilustra a pilha de protocolos LTE do ns-3 com os fluxos do plano de usuário. Como se pode notar, o simulador implementa boa parte da sinalização da rede (Realistic RRC, RLC, PDCP, S1-U, X2-U, S1-C, X2-C e S11), procedimento bastante complexo que não é tão comum em simuladores construídos in-house. Dessa forma, o overhead e os atrasos devidos à sinalização são considerados na modelagem. Pelas razões apresentadas acima, o ns-3 é usado como ferramenta de prototipagem para análise desempenho das soluções testadas neste trabalho. Um dos objetivos deste capítulo é a apresentação de alguns testes que atestam seu uso correto como ferramenta de prototipagem em software ao mesmo tempo em que compara o desempenho de soluções existes de redes LTE e Wi-Fi coexistindo na banda ISM de 5 GHz..

(32) 3.1. METODOLOGIA. 17. Figura 3.1: Visão geral da modelagem do LTE no ns-3.. Fonte:Adaptado de [ns-3 2016b].. Figura 3.2: Pilha de protocolos LTE do ns-3.. Fonte:Adaptado de [ns-3 2016b]..

(33) 18CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA. 3.1.2. Prototipagem e Configuração do LTE e do Wi-Fi coexistindo em 5 GHz. O código que modela a coexistência entre redes LTE e Wi-Fi é mantido em um repositório chamado laa/ns-3-lbt [ns-3 2016c], separado do ramo de desenvolvimento principal do ns-3. Esse código é fruto de um projeto financiado pela Wi-Fi Alliance e conduzido pelo Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC) e pela Universidade de Washington [ns-3 2016d]. As principais melhorias implementadas nesse projeto foram: 1. 2. 3. 4. 5.. No procedimento CCA do Wi-Fi; Na modelagem da sincronização de quadros; Na modelagem de seleção de AP baseada em RRSI; No modelo de propagação e interferência; Na modelagem MIMO.. Foram implementados dois novos modos de transmissão do LTE: (i) o LTE Duty-cycle (LTE-DC); e (ii) o LTE Listen Before Talking (LTE-LBT). Adicionalmente, estão disponíveis alguns cenários de avaliação (indoor e outdoor) definidos pelo [3GPP 2015b]. A próxima seção traz alguns detalhes da implementação dessas soluções. LTE Listen Before Talking (LTE-LBT) Para uma implementação que incorpore várias maneiras de acesso ao meio, a classe ChannelAccessManager foi especializada para a classe LbtAccessManager, a qual implementa os mecanismos necessários para backoff do LTE-LBT de acordo com o que está especificado em [Koorapaty 2015] (3GPP RAN 1 designs). Essa classe foi implementada de modo a não impactar nas funcionalidades existentes do módulo LTE do ns-3 [ns-3 2016a]. A implementação do LTE-LBT incorpora vários parâmetros que podem ser configurados em tempo de execução, entre eles: o DeferTime (tempo mínimo entre tentativas de acesso ao canal via procedimento de CCA), o MinCw (tamanho mínimo da janela de contenção do LTE-LBT), o MaxCw (tamanho máximo da janela de contenção do LTE-LBT), o Txop (duração do acesso ao canal após sucesso no procedimento de contenção do LTE-LBT, o MCOT) e o CwUpdateRule (regra de atualização da janela de contenção). O limiar de detecção de energia (ED threshold) também pode ser variado para nós LTE e Wi-Fi de maneira independente [ns-3 2016a]. A janela de contenção é atualizada baseada em uma de quatro regras definidas pelo parâmetro CwUpdateRule. Atualmente, a janela de contenção pode ser atualizada quando: (i) NACKS_10_PERCENT, são recebidos 10% de NACKS no procedimento de HARQ dentro do Txop; (ii) NACKS_90_PERCENT, quando são recebidos 90% de NACKS; (iii) ALL_NACKS, quando todos os pacotes HARQ recebem NACK; e (iv) ANY_NACK, sempre que algum pacote HARQ recebe um NACK. Com a especialização da classe ChannelAccessManager, é possível configurar o tipo de acesso ao canal usando o método LteEnbPhy::SetChannelAccessManager, por meio de.

(34) 3.2. TRABALHOS RELACIONADOS À AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO LTE/WI-FI19 três valores: Default, Lbt e DutyCycle. Dessa forma, para configurar o modo LTE-LBT, o usuário deve invocar o método LteEnbPhy::SetChannelAccessManager com Lbt como parâmetro. LTE Duty-Cycled (LTE-DC) A modelagem do LTE-DC segue a abordagem proposta por [Almeida et al. 2013], do qual descreve uma técnica de usar a funcionalidade Almost Blank Subframe (ABS) do LTE para desabilitar suas transmissões em determinados subframes. Este componente é implementado a partir da especificação de um padrão ABS de duração 40 ms, sendo configurado a partir de um bit-mask de 40 valores, um para cada TTI (Time Transmission Interval) do LTE, em conformidade com o especificado pela norma [3GPP 2011]. O LTE clássico implementado no ns-3 não inclui uma representação detalhada do PBCH (Physical Broadcast Channel) e Reference Signal (RS). Em decorrência disso, o modelo ABS implementado comporta-se na verdade como um Completely Blank ao invés de Almot Blank subframe, ou seja, para cada blank subframe, nenhum sinal interferência é gerado, exatamente como especificado por pesquisadores do Instituo Nokia de Tecnologia (INdT) em [Almeida et al. 2013].. 3.2. Trabalhos relacionados à avaliação de desempenho LTE/Wi-Fi. Muitos trabalhos tem sido publicados com intuito de discutir e avaliar a coexistência LTE/Wi-Fi. Em [Chen et al. 2017], é apresentado um excelente survey que mostra uma visão geral sobre as principais características que envolvem o domínio de coexistência e fornece recomendações convenientes para análises de desempenho. Em [Mukherjee et al. 2016], o autor introduz as especificações do 3GPP Release 13, esclarecendo, com detalhes técnicos, o modo de operação, em camada PHY, do LTE no espectro não licenciado. Uma abordagem com cadeias de Markov para modelar a coexistência do LTE com o Wi-Fi é apresentado em [Gao et al. 2016]. De forma semelhante, os autores em [Cano et al. 2016] propõe um modelo analítico bastante íntegro para a coexistência do LTE-DC e LTE-LBT com o Wi-Fi, demonstrando uma coexistência justa entre eles. Também foi demonstrado em [de Santana et al. 2016], via simulações, uma coexistência isonômica entre essas tecnologias. Além disso, de acordo com documentos técnicos apresentados por instituições como o LTE-U [LTE-U Forum 2017] e a Qualcomm [Qualcomm 2017], resultados de medições práticas demonstraram que o desempenho do Wi-Fi é até mesmo beneficiado quando está coexistindo com o LTE-U. Em contrapartida, vários resultados de simulações revelarem que, em cenários dense deployment, o impacto sobre o desempenho do Wi-Fi é muito maior quando está coexistindo com algum padrão LTE do que com outro Wi-Fi [El-Samadisy et al. 2016, Dama et al. 2015, Rupasinghe & Guvenc 2014, kwan et al. 2015]. Além disso, esses trabalhos também mostraram que o impacto do parâmetro de limiar de energia para acesso ao canal do LTE-LBT pode afetar consideravelmente a vazão útil do Wi-Fi. O.

(35) 20CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA autor em [kwan et al. 2015] inclusive afirma que o mecanismo LBT não é suficiente para prover coexistência justa do LTE com o Wi-Fi, sendo necessários constantes ajustes de parâmetros para que o LTE opere o mais semelhante possível a um Wi-Fi.. 3.3. Avaliação de Resultados no Cenário Simples. Esta seção tem como alvo apresentar e discutir resultados de desempenho do Wi-Fi, do LTE-DC e do LTE-LBT em dois cenários definidos pelo 3GPP para avaliação da coexistência LTE/Wi-Fi [3GPP 2015b]: (i) Cenários simples; e (ii) Cenário Indoor.. 3.3.1. Cenário Simples. Este cenário, como mostra a Figura 3.3, é composto de dois Access Points (APs) de diferentes operadoras e dois usuários (STAs) diferentes (um para cada operadora). Os APs são configurados para operar uma das tecnologias: Wi-Fi, LTE-DC, LTE-LBT. Também é possível configurar a distância d2 (entre os operadoras) a fim de modelar diferentes níveis de interferência entre os APs. A distância d1 (entre AP e STA), por sua vez, conduz a diferentes níveis de sinal recebido. O backhaul é modelado como um agente gerador de tráfico FTP intermitente (Poisson) em downlink para os STAs. A fim de evidenciar, entretanto, um comportamento importante em relação à coexistência do LTE-DC com o Wi-Fi, também foram realizadas simulações utilizando tráfego UDP full-buffer. Figura 3.3: Cenário Simples.. Fonte:Adaptado de [3GPP 2015b]..

(36) 3.3. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO SIMPLES. 3.3.2. 21. Campanha de Simulação. A tabela 3.1 mostra os principais parâmetros usados no levantamento de valor agregado apresentado neste capítulo. A comparação de desempenho é avaliada por meio da CDF (Cumulative Distribution Function) da vazão útil (throughput) dos fluxos de tráfego de cada um dos usuários indicados na Figura 3.3 (medido na camada de transporte). Tabela 3.1: Parâmetros para avaliação de desempenho.. Fonte: Próprio autor..

(37) 22CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA. 3.3.3. Resultados e Discussões. Apresenta-se agora o desempenho da coexistência entre duas operadoras em espectro não-licenciado considerando dois casos: (i) com sistemas desacoplados, em que a distância entre os pontos de acesso é grande o suficiente para que um não interfira no outro (d2 = 10000 m); (ii) com sistemas em coexistência, em que a distância entre os pontos de acesso é pequena o suficiente para haver sobreposição das áreas de cobertura dos dois sistemas (d2 = 10 m). Ambos os casos consideram d1 = 10 m e tempo de simulação igual a 200 s. Wi-Fi A Figura 3.4 mostra o desempenho quando as duas operadoras adotam o Wi-Fi como tecnologia de acesso. Percebe-se que 18% dos pacotes são recebidos com vazão inferior devido à coexistência. Ao comparar o décimo percentil, 10% dos fluxos são recebidos com até 37% a menos de vazão. Figura 3.4: Coexistência de duas operadoras usando o sistema Wi-Fi.. Fonte: Próprio autor..

(38) 3.3. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO SIMPLES. 23. LTE-DC A Figura 3.5 mostra o desempenho da coexistência entre o Wi-Fi e o LTE-DC para um valor de duty-cycle crescente. Figura 3.5: Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego FTP.. Fonte: Próprio autor. É possível notar que, no cenário de alta interferência (d2 = 10m), como resultado do crescente aumento de colisão de pacotes devido ao aumento do duty-cycle, o desempenho do Wi-Fi foi reduzido em 47%, comparando os pontos extremos de variação do duty-cycle (0 - 1). Já para o caso oposto, quando d2 = 1000m, o Wi-Fi não sofre nenhum impacto com a variação de duty-cycle, enquanto que o LTE-DC vai aumentando gradualmente sua vazão à medida que reduz os períodos de off, como esperado. No entanto, a expectativa inicial para um resultado mais consistente seria se o Wi-Fi reduzisse à zero (0 Mbps) sua vazão útil no caso extremo de duty-cycle máximo (dc = 1). Nessa situação, o LTE-DC utilizaria todo o tempo o canal e não permitira o Wi-Fi transmitir, permanecendo constantemente em backoff. A partir disso, avaliando-se mais detalhadamente o modelo de tráfego FTP padronizado pelo 3GPP [3GPP 2015b], é possível notar que o tráfego gerado para taxa oferecida de 2,5 arquivos por segundo (Poisson) e tamanho médio do arquivo de 0,5 MB é pequeno comparado à capacidade de canal do LTE, o qual não utiliza o canal 100% do tempo. Isso faz com que o Wi-Fi aproveite os gaps deixados na transmissão do LTE entre arquivos distintos, para acessar o canal e realizar transmissões bem sucedidas. Apresentando, assim, um valor de vazão razoável nos resultados, mesmo para dc = 1..

(39) 24CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA A fim de evidenciar de fato o real efeito do LTE em plena carga, a Figura 3.6 demonstra o desempenho da coexistência entre o Wi-Fi e o LTE-DC para um valor de duty-cycle crescente, semelhante à Figura 3.5, porém agora com tráfego UDP full-buffer. Figura 3.6: Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego UDP full-buffer.. Fonte: Próprio autor. Como se pode notar, o desempenho de vazão do Wi-Fi reduziu-se completamente à 0 Mbps devido à interferência proporcionada pelo LTE-DC. Além disso, tanto para os casos da Figura 3.6 como também da Figura 3.5, é possível perceber que o desempenho do LTE-DC também é afetado pela interferência devido à maior colisão de pacotes no cenário com d2 = 10m..

(40) 3.3. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO SIMPLES. 25. Outra conclusão que também pode ser inferida da Figura 3.5 é o ponto de máximo throughput agregado (intersistêmico) em torno do duty-cycle de valor 0.65. Considerando esse ponto, o gráfico da Figura 3.7 mostra a CDF do fluxo de tráfego FTP no mesmo cenário de coexistência LTE/Wi-Fi. Figura 3.7: Coexistência do Wi-Fi com LTE-DC para tráfego FTP (0.65 duty-cycle).. Fonte: Próprio autor.. Tomando-se o décimo percentil da CDF como referência, é possível inferir que, no cenário de maior interferência (d2 = 10 m), há uma perda de desempenho de 7% para o LTE e de 50% para o Wi-Fi..

(41) 26CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA LTE-LBT Este seção mostra o desempenho da solução LBT padronizada pelo 3GPP. A Figura 3.8 mostra a CDF da vazão útil em um cenário no qual ambas as operadoras utilizam LTE-LBT empregando um limiar de detecção de -72 dBm, i.e., conexões LTE-LBT vão entrar no processo de backoff caso detectem potência maior que esse valor. Figura 3.8: Coexistência de duas operadoras LTE-LBT (tráfego FTP).. Fonte: Próprio autor. Pode-se constatar da Figura 3.8 que cerca de 39% dos pacotes são recebidos com taxa inferior devido à coexistência. No entanto, essa perda no décimo percentil é inferior à 11%. Analogamente comparou-se o desempenho da coexistência do LTE-LBT com o Wi-Fi, apresentado na Figura 3.9. Neste caso, no cenário de maior interferência (d = 10m), houve perda de vazão em 50% dos fluxos para o Wi-Fi e em 15% para o LTE-LBT. No entanto, considerando o décimo percentil, essa redução foi de 16% e 12% para o Wi-Fi e LTE-LBT, respectivamente..

(42) 3.3. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO SIMPLES. Figura 3.9: Coexistência de operadoras LTE-LBT e Wi-Fi (tráfego FTP).. Fonte: Próprio autor.. 27.

(43) 28CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA. 3.3.4. Conclusões. Uma impactante conclusão que se pode tirar a partir dos gráficos analisados é que, de acordo com os parâmetros testados, a coexistência do LTE-LBT com Wi-Fi apresentou resultados superiores à coexistência do Wi-Fi com ele mesmo. Como mostram as figuras 3.4 e 3.9, o Wi-Fi apresentou queda de desempenho de 37% no seu décimo percentil coexistindo com ele próprio e queda de 16% coexistindo com o LTE-LBT, sendo este, portanto, um melhor vizinho para o Wi-Fi do que ele próprio. Faz-se necessário considerar que o limiar de detecção do LTE-LBT pode impactar diretamente nesses resultados, tanto positivamente como negativamente para ambas as tecnologias. A Qualcomm, todavia, em seu whitepaper intitulado Harmonious Coexistence with Wi-Fi [Qualcomm 2014], já havia reportado resultados semelhantes de melhor coexistência do Wi-Fi com o LTE do que ele próprio em diversos cenários. Porém, ainda é uma pergunta aberta na comunidade científica os fatores que levam ao melhor desempenho do LTE. No contexto deste trabalho, acredita-se que o HARQ, um mecanismo existente no LTE e não no Wi-Fi, impacta diretamente no desempenho do LTE, podendo ser uma estratégia que melhora o desempenho em termos de vazão em detrimento do delay, devido as retransmissões (parâmetro ainda a ser analisado em trabalhos futuros). Outro fator pode ser o acesso escalonado do LTE em relação ao acesso aleatório do DCF do Wi-Fi. De certa forma, a maneira mais organizada de transmissão do LTE pode causar menos intermitência do uso do canal e impactar menos no processo de backoff do DCF (algo somente especulado e não investigado por esse trabalho). É importante salientar também que o Wi-Fi, embora seja um tecnologia altamente aceita comercialmente, é um padrão desenvolvido em meados da década de 1990, do qual, inicialmente, perdia-se por volta de 70% do tempo de transmissões com overhead. O problema do terminal exposto (exposed node) do Wi-Fi, inclusive, é uma questão ainda aberta na comunidade científica e não existe solução ótima para esse problema..

(44) 3.4. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO INDOOR. 3.4. 29. Avaliação de Resultados no Cenário Indoor. Também foram analisados resultados de coexistência LTE/Wi-Fi com simulações no cenário indoor, que, por sua vez, é mais desafiador que o cenário simples e também é padronizado pelo 3GPP [3GPP 2015b].. 3.4.1. Cenário Indoor. Semelhante ao cenário simples, esse cenário é composto basicamente de dois operadores identificados como Operador A and Operador B em um ambiente de dimensões 50x120m, como mostra a Figura 3.10. Cada operador possui quatro small cells com cinco usuários (UEs) por small cell, totalizando 20 UEs. Os usuários são estáticos e aleatoriamente distribuídos no cenário. Os APs são configurados para operar com uma das três soluções: LTE-DC, LTE-LBT ou Wi-Fi. Embora também seja possível configurar a distância entre APs dos operadores A e B, manteve-se esta distância constante ao longo das simulações com um valor de 5 m, o que simula situações de elevada interferência co-canal entre os operadores, como define a norma do 3GPP [3GPP 2015b]. Figura 3.10: Cenário indoor.. Fonte:Adaptado de [3GPP 2015b].. 3.4.2. Campanha de Simulação. As simulações foram executadas para os modelos de tráfego FTP e UDP consoante com as recomendações do 3GPP descritas em [3GPP 2015b]. Os resultados obtidos são comparados via CDF (Cumulative Distribution Function) da vazão por fluxo (per-flow throughput) considerando duas diferentes situações: baixa e alta interferência. Essas duas situações de interferências são modeladas alterando a taxa de chegada (λ) para o caso de tráfego intermitente FTP e a taxa de transmissão (udpRate) para o caso de tráfego contínuo UDP full-buffer..

(45) 30CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA A Tabela 3.2 apresenta os principais parâmetros utilizados nas simulações. Como o foco é avaliar as soluções de coexistência, que, por sua vez, são implementações de camada MAC, os parâmetros de camada PHY de todos os sistemas foram configurados o mais equivalente possível. Tabela 3.2: Parâmetros sistêmicos utilizados nas simulações. Wi-Fi Parameters (PHY/MAC 802.11n-HT) Bandwidth and Guard Interval 20MHz and 400ns CCA-ED and CCA-CS -62 dBm and -82 dBm thresholds Rate Adaptation SINR-driven (BER target = 10-6) LTE-FDD Parameters Bandwidth 20 MHz - 100 PRBs Packet Scheduler Proportional Fair and wideband and CQI report CQI(based on SINR) - 15 CQIs LTE-LBT TxOP and Slot Duration 8 ms and 9 µs MinCw and MaxCw 15 and 63 slots Contention Windows 80% of HARQ NACKS Updating Rule LBT-ED detection threshold -72 dBm Common Parameters Path loss and Shadow fading ITU Indoor Multi-antenna Technology 2x2 MIMO (18 dBm Tx Power) UDP rates 200kbps, 1Mbps, 4Mbps Wi-Fi Parameters (PHY/MAC 802.11n-HT) ABS Pattern Duration 40 ms Duty Cycle Pattern 0.65 Fonte:Próprio autor.. 3.4.3. Resultados e Discussões. A discussão dos resultados foi agrupada de acordo com cada tipo de tráfego. No FTP, avaliou-se o desempenho dos operadores para duas condições de taxa de chegada: λ = 0, 5 e λ = 2, 5 arquivos/segundo. No UDP full-buffer, o desempenho foi avaliado segundo três diferentes taxas de transmissão: ud pRate = 200 kbps, ud pRate = 1000 kbps, ud pRate = 4000 kbps. Resultados FTP - Operadores com Wi-Fi A Figura 3.11 apresenta o desempenho de coexistência quando os operadores adotam o Wi-Fi como tecnologia de acesso..

(46) 3.4. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO INDOOR. 31. Pode-se observar que houve um decréscimo em torno de 30% da vazão útil por fluxo para ambos os operadores no 10o percentil devido à maior interferência proporcionada quando λ = 2, 5. No entanto, acima do 20o percentil o desempenho de ambos operadores foram equivalentes. Esse resultado será utilizado como um benchmarking para fins comparativos de coexistência do Wi-Fi com as outras soluções. Figura 3.11: Coexistência de dois operadores Wi-Fi para o tráfico FTP.. Fonte: Próprio autor.. Resultados FTP - Operadores com Wi-Fi e LTE-DC A Figura 3.12 mostra o desempenho da coexistência do Wi-Fi e do LTE-DC para um valor de duty-cycle igual a 0.6. Este valor foi escolhido com base na ocupação igualitária de tempo do canal para ambos os sistemas, como foi demonstrado na Figura 3.5. Considerando o cenário de maior interferência (λ = 2, 5) na Figura 3.12, o desempenho do Wi-Fi em seu 10o percentil foi reduzida em mais de 40%, enquanto o LTE-DC praticamente permaneceu inalterado. Notadamente, apenas por volta do 5o percentil, é evidenciado uma redução de desempenho do LTE em torno de 8% devido ao compartilhamento do canal com o Wi-Fi. Além disso, o desempenho de ambos os operadores tornam-se equivalentes apenas acima do 40o percentil. Resultados FTP - Operadores com Wi-Fi e LTE-LBT A Figura 3.13 mostra o desempenho da coexistência do Wi-Fi e do LTE-LBT. A queda de desempenho no 10o percentil para λ = 0, 5 é de 13% e 14% para Wi-Fi e LTE-LBT, respectivamente. Para λ = 2, 5, esta redução chega a 22% e 29%, respectivamente..

(47) 32CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOLUÇÕES DE COEXISTÊNCIA. Figura 3.12: Coexistência do LTE-DC com Wi-Fi para o tráfico FTP.. Fonte: Próprio autor.. É interessante notar que a queda de desempenho do Wi-Fi em seu 10o percentil para λ = 2, 5, no caso de coexistência com o LTE-LBT, é menor do que no caso de coexistência com o próprio Wi-Fi, como apresentado na Figura 3.11. O que pode ser um indicativo de que o LTE-LBT garante uma melhor coexistência com o Wi-Fi para cenários de alta interferência. Resultados FTP - Operadores com LTE-LBT Considerando agora a coexistência entre dois operadores LTE-LBT, como mostra a Figura 3.14, os impactos mais relevantes ocorrem somente abaixo do 40o percentil. No 10o percentil, a variação da vazão por fluxo para λ = 0, 5 and λ = 2, 5 fica abaixo de 2%. O pico dessa variação ocorre no 38o percentil com um valor de 6%. Esse resultado evidencia que, em cenários de elevada interferência, a coexistência de dois operadores LTE-LBT apresentam uma vazão útil agregada maior do que dois operadores Wi-Fi. Resultados UDP full-buffer - Operadores com Wi-Fi A Figura 3.15 apresenta o desempenho quando ambos os operadores adotam o Wi-Fi com um cenário de tráfego oferecido UDP full-buffer. É possível notar que, para baixas taxas de transmissão (ud pRate = 200 kbps e ud pRate = 1000 kbps), os operadores não apresentam queda de desempenho significativa. No entanto, para ud pRate = 4000 kbps, quase 30% dos pacotes não atingem metade (2 Mpbs) da taxa total demandada. A vazão, nesse caso, é reduzida em 58% no 10o , o que.

(48) 3.4. AVALIAÇÃO DE RESULTADOS NO CENÁRIO INDOOR. Figura 3.13: Coexistência do LTE-LBT com Wi-Fi para o tráfico FTP.. Fonte: Próprio autor.. Figura 3.14: Coexistência de dois operadores LTE-LBT para o tráfico FTP.. Fonte: Próprio autor.. 33.