reţele wireless cooperative

Curs 9 1Curs 9.1Reele wireless cooperative.

Arhitecturi, algoritmi, aspecte generale.g

Zsolt Polgarg

Communications DepartmentFaculty of Electronics and

Telecommunications,Technical University of Cluj-NapocaTechnical University of Cluj Napoca

Coninutul cursului Iniiative de cercetare internaionale n domeniu. Activiti de standardizare. Comunicaii cooperative. Aspecte generale. Transmisii multihop bazate pe relee.Transmisii multihop bazate pe relee. Diversitatea prin cooperare. Tehnici de cooperare cu o singur surs (Single Source Tehnici de cooperare cu o singur surs ( Single Source

Cooperation). Cooperarea n canale cu acces multiplu.p p Scenarii de baz pentru utilizarea diversitii prin cooperare. Indicatori de baz pentru sisteme cooperative.p p Integrarea cooperrii n sistemul WiMAX.

An universitar 2012 2013Semestrul I

Sisteme de transmisie de larga acoperire eficiente spectral si in putere 2

Iniiative de cercetare n domeniu Proiecte de cerectere EU:

WINNERII (FP6) propune definirea unei noi interfee WINNERII (FP6) propune definirea unei noi interfee radio pentru reelele de comuncaii mobile 4G; Se consider aspecte legate de utilizarea cooperrii prin relee Se consider aspecte legate de utilizarea cooperrii prin relee,

dar numai relee fixe; Efort redus investit pentru analiza la nivel de sistem;p ; Nu se prevede realizarea unor teste experimentale;

FIREWORKS (FP6) propune s studieze concepte de ( ) p p psisteme Mesh Broadband Wireless Access bazate pe utiliarea flexibil a releelor; Se consider numai relee fixe dedicate;terminale necooperative; Scopul principal este dezvoltarea reelelor WMAN i WLAN

bazate pe tehnici OFDM;An universitar 2012 2013Semestrul I


Iniiative de cercetare n domeniu MEMBRANE (FP6) consider apecte legate de

multi-hopping, dar n alt context;pp g , ; Proiectare eficient a releelor pentru reeau backhaul; Proliferarea serviciilor de date wireless de band larg;

Utilizarea releelor fixe este motivat de puterea i nlimea (antenei) redus a nodurilor de acces;

CODIV (FP7) propune s investigheze tehnologii CODIV (FP7) propune s investigheze tehnologii radio care exploateaz diversitatea canalului i cooperarea dintre utilizatori:cooperarea dintre utilizatori: Scopuri urmrite: mbuntirea eficienei spectrale i n

putere, creterea ratei de transfer, extindrea acoperirii i p p asigurarea fairness ntre utilizatori;

Metodologia propus: exploatarea diversitii canalului, t h i i d l i lti tili t ( i l l)tehnici de releu i cooperare multiutilizator (n aceeai celul);



Iniiative de cercetare n domeniuROCKET (FP7) t ti i t l i ROCKET (FP7) este o continuare a proiectului FIREWORKS;

S i ii i l d t idi t di ibilit t idi t Servicii wireless de rat ridicat, cu disponibilitate ridicat (100Mbps 1Gbps), n reele reconfigurabile bazate pe tehnici OFDMA i cu eficien spectral ridicat; p ;

Propune creterea eficienei spectrale n reele wireless de band larg prin utilizarea releelor i folosirea oportunistic a f lfrecvenelor;

REWIND (FP7) propune dezvoltarea unor staii i l t b t t h i OFDMwireless avansate bazate pe tehnica OFDM;

N-CRAVE (FP7) utilizarea tehnicilor de codare di t ib it (N t k C di ) F t I t tdistribuit (Network Coding) n Future Internet;

FUTON (FP7) arhitectur optic transparent t d lt t l i d i t l MIMOpentru dezvoltarea conceptului de virtual MIMO;



Activiti de standardizare

802.16j (WiMAX) MMR (Mobile Multihop Relaying) Recent standardizat; Prevede utilizarea transmisiilor multihop, prin

intermediul unor relee dedicate fixe sau mobile; 802.16m (WiMAX) integrarea i uniformizarea ( ) g

standardelor anterioare; Utilizarea facilitilor de releu, dar la ce nivel?Utilizarea facilitilor de releu, dar la ce nivel? Recent standardizat;

LTE Advanced continuare a standardului LTE; LTE Advanced continuare a standardului LTE; Este prevzut utilizarea releelor, fixe ntr-o prima faz;

A t l i f ti d i ii Accentul pus n prima faz pe extinderea acoperirii;An universitar 2012 2013Semestrul I


Comunicaii cooperative. Aspecte generalegenerale

Comunicaiile cooperative sunt considerate ca i o tehnologie de baz pentru utilizarea eficient atehnologie de baz pentru utilizarea eficient a spectrului radio;Id h i di ib i l i i Ideea cheie: distribuirea resurselor existente ntre mai multe noduri ale unei reele;

Motivaia pentru cooperare ntre utilizatori: distribuirea puterii i a capacitii de procesare ntre noduri vecine, fapt ce poate asigura eficientizarea utilizrii globale a resurselor reelei; Beneficiile asigurate de cooperare sunt strns legate de

resursele existente i de modul n care se pot aloca aceste resurse; cooperarea nu este benefic totdeauna!!!



Comunicaii cooperative. Aspecte generalegenerale

Opiuni majore legate de comunicaiile cooperative: Arhitectura de reea:

Ad-hoc: Sensor networks; MANET (Mobile Ad-Hoc Networks); Reelele ad-hoc considerate mai mult pentru reele cu senzori i aplicaii

militare;

Celular mbuntit cu relee; ; Se consider de regul relee convenionale, fr cooperare sau cu

cooperare limitat; Se urmrete de regul extinderea cooperarrii i mai puin creterea Se urmrete de regul extinderea cooperarrii i mai puin creterea

throughput-ului;

Protocoale utilizate n operaiile cu releu: Amplify & Forward: pentru relee mobile, fixe, nomadice; Decode & Forward: pentru relee mobile, fixe, nomadice;



Comunicaii cooperative. Aspecte generalege e a e

Mod de duplexare pentru releu:Half duplex utilizat de regul n operaiile cu relee; Half duplex utilizat de regul n operaiile cu relee;

Full dupplex; Tehnica de acces: Tehnica de acces:

OFDM / OFDMA tehnic prevzut pentru sistemele actuale; MC CDMA / CDMA MC CDMA este o alternativ viabil; MC-CDMA / CDMA MC-CDMA este o alternativ viabil;

Numr de relee utilizate: Single hop; Single-hop; Multi-hop;

Opiuni de codare: Opiuni de codare: Codare FEC distribuit; Codare ST (Space Time) distribuit; Codare ST (Space-Time) distribuit;



Comunicaii cooperative. Aspecte generalege e a e

Nu se poate specifica o soluie unic pentru comunicaiile prin cooperare;comunicaiile prin cooperare; Soluiile punctuale trebuie s depind de aplicaiie i

de caracteristicile concrete ale reelei;de caracteristicile concrete ale reelei;



Transmisii multihop bazate pe relee Transmisiile multihop bazate pe utilizarea releelor

constituie metoda cea mai simpl de cooperare;constituie metoda cea mai simpl de cooperare; Motivaiile majore pentru transmisiile multihop

bazate pe relee:bazate pe relee: Extinderea acoperirii;

b ti th h t l i mbuntirea throughput-ului; mbuntire penetraie cldiri; Reducerea ncrcrii infrastructurii;

Este vorba att de infrastructura wireless, prin utilizarea mai fi i t l i l t i i f t t fi eficient a resurselor wireless ct i infrastructura fix

(backhaul) prin utilizarea reelelor wireless; mbuntirea reutilizrii frecvenelor; mbuntirea reutilizrii frecvenelor;



Transmisii multihop bazate pe relee

Arhitectur i scenariu de utilizare a transmisiilor multihop sistemul 802 16j/m



Arhitectur i scenariu de utilizare a transmisiilor multihop sistemul 802.16j/m

Transmisii multihop bazate pe relee Arhitectur de baz pentru multihop relaying

MMR-BS Mobile MultihopMMR BS Mobile Multihop Relay Base Station; RS Relay Station; MS Mobile Station;

Tipuri de relee WiMAX: Relee fixe; Relee nomadice; Relee mobile;

Caracteristici de baz multihop relaying WiMAX: Caracteristici de baz multihop relaying WiMAX: Tehnic de acces OFDMA; Metod de duplexare: TDD, opional FDD;



Lrgime de band, codare, beamforming identic cu 802.16e;

Transmisii multihop bazate pe relee Structura cadrului radio 802.16j:

Trebuie asigurat compatibilitatea cu sistemul 802 16e; Trebuie asigurat compatibilitatea cu sistemul 802.16e; Fiecare cadru are durat fix; Fiecare cadru conine un sub-cadru downlink i uplink; Fiecare cadru conine un sub cadru downlink i uplink; Se utilizeaz un numr de sloturi de timp pentru o alocare mai

eficient a benzii de frecven; Exist definite zone distincte pentru leg. BS-MS/RS i RS-MS;



Transmisii multihop bazate pe relee Detalii suplimentare legate de structura cadrului radio WiMAX-MMR;



Diversitatea prin cooperare Diversitatea prin cooperare este o forma alternativ de

diversitate prin care se poate asigura o diversitate radiodiversitate prin care se poate asigura o diversitate radio mai pronunat fr a fi necesar utilizarea unor antene adiionale sau mrirea semnificativ a benzii de frecven; ;

Idea de baz este utilizarea unor terminale cu o singur anten care implementeaz tehnici de releu i de p procesare distribuit a informaiei; aceste terminale cooperative implementeaz canalul de comunicaie dintre surs i destinaie. Implementarea cooperrii ntre terminale se bazeaz pe

natura broadcast a canalului radio i pe terminalele utilizator idle capabile de cooperare;



Diversitatea prin cooperare Protocoale de cooperare proiectate optim, ce implic

k terminale pot asigura o diversitate de ordin kk terminale, pot asigura o diversitate de ordin k necesitnd numai modificri reduse ale protocoalelor wireless existente;wireless existente; Noiunea de protocol se refer la operaiile de la

i l l i f i l t t l i OSI di LLC i PHYnivelele inferioare ale stratului OSI, adic LLC i PHY; Terminalele utilizator care acioneaz ca i releu se

id d l h lf d l i t b iconsider c opereaz n modul half-duplex i trebuie s fie fixe sau s aib o mobilitate sczut;C t tili t i t tili Cooperarea ntre utilizatori se poate utiliza n comunicaii punct la punct (o singur surs) sau multipunct (acces multiplu);multipunct (acces multiplu);



Diversitatea prin cooperare

Concepte de cooperare de baz: Amplify and Forward:

Releul recepioneaz o versiune zgomotoas a semnalului transmis de surs, amplific acest semnal i l retransmite; destinaia decodeaz doar semnalul recepionat de la releu varianta multihop; nu se obine diversitate;varianta multihop; nu se obine diversitate;

Destinaia combin informaia recepionat de la surs i releu i ia o decizie asupra bitului/simbolului transmis; p ; Zgomotul este aplificat de ctre procesul de cooperare, dar destinaia

recepioneaz dou replici afectate de fading ale aceluiai semnal; Se asigur diversitate de ordinul doi; Se asigur diversitate de ordinul doi; Se presupune c destinaia cunoate parametrii canalelor utilizate de

procesul de cooperare pentru a realiza o decodare optimal;Semnalizarea necesar trebuie ncorporat n mecanismul de cooperare; Semnalizarea necesar trebuie ncorporat n mecanismul de cooperare;



Diversitatea prin cooperare Decode and Forward:

Releul opereaz asupra semnalului recepionat de la surs; Releul opereaz asupra semnalului recepionat de la surs; n varianta multihop legtura direct nu se utilizeaz;

Dac se utilizeaz i legtura direct destinaia trebuie s combine cele dou semnale recepionate se poate obine tot o diversitate de ordin doi dac eroarea pe canalul surs releu este neglijabil; altfel se obine o diversitate de ordin 1;releu este neglijabil; altfel se obine o diversitate de ordin 1;

Releul trebuie s cunoasc parametrii canalului surs-releu; Exist mai multe posibiliti de implementare;p p ;

Exist definite mai multe variante ale acestui protocol: Compress and Forward optimal pentru situaia unui singur releu;

rele l treb ie s c noasc toate canalele pentr a p tea alege/adaptareleul trebuie s cunoasc toate canalele pentru a putea alege/adapta compresia datelor;

Variante adaptive: timpul n care releul ascult transmisia se adapteaz l lit t l l i lla calitatea canalului surs-releu;




Coded cooperation cooperare prin codare: Este o metod care integreaz cooperarea n codarea

canalului; Coded cooperation acioneaz prin trimiterea diferitelor pri Coded cooperation acioneaz prin trimiterea diferitelor pri

ale cuvntului de cod generat de surs pe dou canale cu fading independent; Metoda de codare de baz este Incremental Redundancy releul

decodeaz cuvntul de cod recepionat i genereaz bii de control n plus ctre destinaie;

Destinaia realizeaz decodarea combinat a cuvntului de cod de pe legtura direct i a biilor de control suplimentari de pe legtura de releu;

Exist i alte modaliti de cooperare releul poate genera i cuvinte deExist i alte modaliti de cooperare releul poate genera i cuvinte de cod complete;

Distributed Turbo Coding este una dintre opiunile cele mai bune; releul trebuie s utilizeze un interleaver adecvat;trebuie s utilizeze un interleaver adecvat;




Protocolul de cooperare de baz n doi timpi:p p Se presupune operare semi-duplex a releului;



Diversitatea prin cooperare Recapitulare tehnici de diversitate prin cooperare;



Tehnici de cooperare cu o singur surs (Single Source Cooperation)su s ( S g e Sou ce Coope at o )

Ideea tehnicilor de cooperare cu o singur surs este creare unui grid de antene virtuale;creare unui grid de antene virtuale; Se realizeaz procesarea distribuit a datelor ntr-un

grup de k utilizatori: un utilizator este surs iar celelaltegrup de k utilizatori: un utilizator este surs iar celelalte acioneaz ca i relee;

Schem similar cu schem de transmisie k1 MISO; Schem similar cu schem de transmisie k1 MISO; Canale adiionale se utilizeaz ntre surs i relee (antene); Alte diferene semnificative: Alte diferene semnificative:

Terminalele opereaz n mod half-duplex; izolarea dintre transmitor i receptor se poate realiza n timp sau n frecven; Avantajul n diversitate se obine prin creterea benzii (sau a altor resurse)

comparativ cu transmisiile MISO care utilizeaz coduri space-time; Creterea ratei de codare necesare i reducerea numrului de retransmisii

t t b ii t dpoate compensa creterea benzii cerut de cooperare;




A doua diferen const n faptul c gradul de diversitate a sistemului d t i t l d i t fi i d d t it ilde antene virtuale cu dou ramuri poate fi numai de unu datorit erorilor de pe legturile surs relee, dac se utilizeaz o tehnic DF.

Strategii posibile pentru creterea gradului de diversitate a sistemului de antene virtuale: a. Utilizarea tehnicii Selective forwarding (SF) la releu:

Pachetul recepionat este utilizat de releu numai dac este decodat corect; Pachetul recepionat este utilizat de releu numai dac este decodat corect; este necesar un control de tip CRC;

b. Utilizarea tehnicii Amplify & Forward (AF) la releu: Releul doar amplific semnalul analogic recepionat; Releul doar amplific semnalul analogic recepionat;

c. Utilizarea tehnicii Decode & Forward (DF) la releu i a tehnicii Cooperative Maximum Ratio Combining (C-MRC) la destinaie;

Fi t t i t j i d t j Fiecare strategie are avantaje i dezavantaje: SF cel mai simplu din p.d.v. al destinaiei, dar necesit procesare la

suplimentar releu; dac legturile surs releu sunt mai bune dect legturile surs destinaie este soluia cea mai bun;




AF necesit procesare minim la releu, dar implic stocarea unor valori analogice, crescnd necesarul de memorie; este o soluie viabil dac releul este poziionat mai aproape de destinaie i legturile releureleul este poziionat mai aproape de destinaie i legturile releu destinaie sunt mai bune dect legturile surs destinaie i surs releu;

C-MRC necesit un terminal releu mai simplu, dar destinaia necesit informaie despre canalele surs relee; duce la creterea overhead ului;informaie despre canalele surs relee; duce la creterea overhead-ului;

Pentru un grup de k terminale cooperative se poate obine o diversitate de ordinul k prin aplicarea strategiilor a cdiversitate de ordinul k prin aplicarea strategiilor a c enunate anterior;

n general cea mai bun abordare n reele cooperativen general cea mai bun abordare n reele cooperative este o combinare ntre multi-hopping i multi-branching Multi-hopping nu asigur diversitate, dar exploateaz atenuarea mai redus

ntre terminalele cooperative; Multi-branching asigur transmiterea mesajelor generate de surs prin

utilizarea a k terminale cooperative, asigurnd o diversitate mai mare n p gcondiiile unei atenuri mai mari;



Cooperarea n canale cu acces multiplumultiplu

Definiie canale cu acces multiplu: canal multiplexat care asigur comunicaia unui grup de utilizatori cu o g g pdestinaie comun (staie de baz sau punct de acces) pe link-uri independente afectate de fading Rayleigh; Tehnicile de multiacces pot fi ortogonale n mod

deterministic sau statistic, realiznd astfel multiplexarea; Protocoalele care implementeaz accesul multiplu pot

utiliza resursele utilizatorilor idle conectai la reea: Se asigur diversitate fr a se mri banda de frecven, dar

este necesar un consum de energie suplimentar;Di it t t d t t i ii l i t Diversitatea crete odat cu creterea mrimii reelei; se pot asigura performane asementoare cu transmisiile pe canalele AWGN;;



Cooperarea n canale cu acces multipluu t p u

Cele mai des considerate protocoale cooperative utilizate pe canale cu acces multiplu: Multipath oportunistic este bazat pe utilizarea unor

protocoale de repetiie copiile semnalului trimise de releu (relee) pot fi privite ca i o form de multipathreleu (relee) pot fi privite ca i o form de multipath. Pentru a se evita extensia de band trebuie utilizate

transmisii ortogonale (deterministic sau statistic);transmisii ortogonale (deterministic sau statistic); Cooperare n dou faze: broadcast cu putere redus

urmat de o transmisie cooperativ ctre destinaie.p Se bazeaz pe separarea spaial dintre utilizatori un canal

shared poate reduce necesarul de band cerut de i l t iiimplementarea cooperrii; Se poate implementa prin utilizarea unui slot de timp T1 n care toi

utilizatorii transmit broadcast datele urmat de N sloturi de timp T2 in care fiecare releu/grup de relee comunic cu destinaia;




Scheme care implementeaz cooperare multi-surs: Utilizatorii coopereaz pentru a crea transmisii codate Utilizatorii coopereaz pentru a crea transmisii codate

distribuite care asigur un grad de diversitate egal cu numrul de utilizatori activi;

De regul se bazeaz pe cooperare n dou faze: transmisia direct i prin releu (nededicat n acest caz):

n prima faz se utilizeaz N sloturi de timp n care cele N surse transmit n prima faz se utilizeaz N sloturi de timp n care cele N surse transmit blocurile lor de informaie i care vor fi recepionate de ctre destinaie, respectiv i de ctre celelalte surse localizate n acelai cluster de cooperare;cooperare; SNR va fi mai ridicat pe legturile dintre surse dect ntre surse i destinaie;

Sursele intercaleaz i codeaz datele recepionate de la celelalte surse i le trimit ctre destinaie ntr un slot de timp din a doua faz a cooperrii;i le trimit ctre destinaie ntr-un slot de timp din a doua faz a cooperrii;

Este vorba de o cooperare de tip cluster coopereaz doar un set limitat de utilizatori;




Cooperarea n reelele cu access aleator: Nu utilizeaz o alocare fix a canalelor la utilizatori, u u ea o a oca e a ca a e o a u a o ,

permindu-se acestora s transmit n mod aleator ctre un punct de acces;

Transmisia cu succes a pachetelor depinde nu numai de canalul fizic, dar i de ci utilizatori se decid s transmit;

Se poate calcula numai un numr mediu de pachete p ptransmise ntr-un slot de timp; n ciuda lipsei de coordonare ntre utilizatori se poate obine

un numr mediu de pachete transmise rezonabil; Utilizarea resurselor utilizatorilor idle poate mri

ctigul de diversitate;An universitar 2012 2013Semestrul I



O serie de aspecte practice trebuie s fie considerate: a. Datorit faptului c cooperarea mrete complexitatea

reelei este important s se determine dac se obine o i th h t l i ti d b iimrire a throughput-ului sau extinderea benzii;

Metoda de cooperare trebuie adaptat la cerinele impuse;b C it d d l l t b. Cooperarea necesit coordonare, dar accesul aleator trebuie s implice o coordinare minim; Trebuie analizat relaia dintre performane i coordonare; Trebuie analizat relaia dintre performane i coordonare;

c. mbuntirile aduse de creterea diversitii trebuie evaluate relativ la excesul de band sau de putere necesare;evaluate relativ la excesul de band sau de putere necesare;

d. Cooperarea necesit sincronizarea tactului nodurilor care coopereaz trebuie gsite tehnici de sincronizare eficiente;coopereaz trebuie gsite tehnici de sincronizare eficiente;




Protocoale de cooperare oportunistice ncearc s tili t l di ibl lutilizeze pentru cooperare resursele disponible la un

moment dat;Ct i ti t ti l t l l d Cteva proprieti atractive ale protocoalelor de cooperare oportunistice:

D t li it t l d tili t i a. Dac cooperarea este limitat la un numr de utilizatori idle nvecinai se poate asigura o diversitate ridicat n condiiile unei extensii reduse de band i putere;condiiile unei extensii reduse de band i putere;

b. Se asigur o acoperire mai extins utiliznd aceeai putere de emisie;putere de emisie;

c. Permite rezolvarea problemei fairness-ului ntre utilizatori printr-o proiectare corespunztoare;p p p ;



Cooperarea n canale cu acces multipluu t p u

Problema sincronizrii distribuite: Referina de sincronizare poate fi asigurat de o staie de

baz (BS) sau punct de acces (AP) ntr-o arhitectur centralizat; l l i l t t b i it t d d n cazul accesului aleator trebuie gsite metode de sincronizare distribuit; Aceste metode estimeaz offsetul dintre semnalele de tact Aceste metode estimeaz offsetul dintre semnalele de tact,

alunecarea i variaiile neliniare ale semnalelor de tact; Trebuie asigurat i o convergen rapid a acestor algoritmi; ebu e as gu at o co e ge ap d a acesto a go t ; Se pot utiliza algoritmi dezvoltai pentru reele mesh

distributed consensus algorithm: Acest algoritm este bazat principiul information flooding sau gossping

fiecare nod care recepioneaz informaie de sincronizare realizeaz o evaluare medie a parametrilor tactului convergena are loc dup mai multe iteraii;



Scenarii de baz pentru utilizarea diversitii prin cooperared e s t p coope a e

Scenarii de baz prevzute pentru cooperarea bazat pe relee dedicate conform IEEE802 16j:bazat pe relee dedicate conform IEEE802.16j: Scenariul de infrastructur fix:

Un provider de servicii instaleaz relee i staii de baz cu capaciti de a lucra cu relee pentru a mbuntii throughput-ul i acoperirea;throughput ul i acoperirea; Are potenial mare de a fi implementat n practic;

Scenariul de asigurare a acoperirii indoor:g p Se instaleaz relee pentru a mbuntii acoperirea i a

crete throughput-ul n cldiri, tunele, metrou, etc; Releele trebuie s fie ct mai simple i de cost redus; staii cu a singur

anten; Se pot utiliza relee fixe sau nomadice, dar nu mobile;




Scenariul de acoperire temporar:p p Staii releu se instaleaz temporar pentru a asigura acoperire

sau capacitate adiional n zone unde releele fixe nu asigur i fi i tacoperire suficient;

Scenariul de acoperire n vehicule:A i i ii ili Acoperirea este asigurat pentru staii utilizator care se deplaseaz mpreun ntr-un vehicol; Un releu mobil se monteaz pe vehicol i se conecteaz la staia de baz;Un releu mobil se monteaz pe vehicol i se conecteaz la staia de baz;




Relee dedicate versus staii mobile cu capabiliti d l ?de releu? Diferenele majore ntre cele dou cazuri sunt

urmtoarele: 1. Topologie: utilizarea staiilor utilizator cu capabiliti de

l t t di i releu genereaz o reea cu structur dinamic; Primele studii arat c creterea entitilor cu capabiliti de releu duce

la creterea capacitii reelei (diversitate de multi-utilizator), dar managementul i alocarea resurselor devin mai complexe;

2. Aspecte de securitate: utilizarea terminalelor ca i relee sau alte forme de cooperare ntre utilizatori ridic problemesau alte forme de cooperare ntre utilizatori ridic probleme suplimentare de securitate a comunicaiei; Problema principal este accesul mult mai uor la datele transmise de

lt t iialte staii;An universitar 2012 2013Semestrul I



3. Utilizarea bateriei: este evident c utilizarea unor staii utilizator ca i relee sau alte forme de cooperare ntre utilizatori va duce la descrcarea mult mai rapid a bateriei terminalelor mobile; Pe de alt parte este posibil i o reducere a puterii de emisie datorit Pe de alt parte este posibil i o reducere a puterii de emisie datorit

cooperrii;

Utilizarea terminalelor mobile ca i relee sau a altor forme de cooperare ntre utilizatori trebuie s in cont i de aspectele legate de business model;

Aspectele majore care trebuie evaluate sunt legate de efectul tehnologiilor bazate pe cooperare asupra CAPEX i OPEX; Trebuie asigurate beneficii financiare att pentru utilizator ct

i t id ii pentru provideri;An universitar 2012 2013Semestrul I


Scenarii de baz pentru utilizarea diversitii prin cooperarediversitii prin cooperare

Scenarii care pot beneficia de cooperarea dintre p pterminale: a) Acces broadband asigurat n cldiri, campusuri, a) Acces broadband asigurat n cldiri, campusuri,

organizaii; Dac se consider o organizaie ce opereaz ntr-o singur g p g

cldire aspectele de consum de baterie i securitate sunt mai puin importante i cooperarea ntre utilizatori este o soluie;

V fi t tifi t t i l l Va fi necesar o autentificare corespunztoare a terminalelor;

Cooperarea se poate baza pe tehnici de MIMO virtual, fiind posibil asigurarea accesului broadband, fr a fi necesar pos b as gu a ea accesu u b oadba d, a ecesa instalarea unei asemenea linii;



Scenarii de baz pentru utilizarea diversitii prin cooperarediversitii prin cooperare

b) Servicii de intervenie i situaii de dezastre; n situaii de urgen aspectele de legate de securitate pot fi

neglijate i cooperarea ntre terminale se poate utiliza pentru nlocuirea parial a infrastructurii distruse:pentru nlocuirea parial a infrastructurii distruse: Terminalele pot aciona ca i relee ce retransmit mesajele; Terminalele ce coopereaz implementeaz MIMO virtual pentru a

asigura pe lng access i capabiliti de broadband;An universitar 2012 2013Semestrul I



Cooperarea ntre terminale poate fi folositoare i p p pentru determinarea contextului n care are loc comunicaia; ;

Alte scenarii n care cooperarea ntre terminale poate fi benefic:poate fi benefic: a) Localizare si poziionare:

Uzual se poate realiza prin conectarea la mai multe staii de Uzual se poate realiza prin conectarea la mai multe staii de baz i utilizarea unor metode de triangulaie;

Cooperarea ntre terminale ofer o poziionare relativ mai p p precis; mai multe terminale sunt implicate n procesul de poziionare;P t tit i ti i li t t Poate constitui o motivaie suplimentar pentru cooperare;




b) Achiziia informaiilor ce descriu reeaua (mediul de i ii)comunicaii):

Legturile de cooperare stabilite ntre terminalele care cooperaz permit achiziionarea informaiilor de stare acooperaz permit achiziionarea informaiilor de stare a reelei condiii de propagare, interferen, calitate servicii; Aceste date se pot utiliza pentru proiectarea reelei (network

planning);

c) Detecia reelei pentru tehnici cognitive radio:E t t l t d l t i d bi ti l i i l Este strns legat de cazul anterior, dar obiectivul principal este detecia utilizrii spectrului ntr-o anumit zon; Detecia de spectru trebuie s fie precis i sunt necesari senzoriDetecia de spectru trebuie s fie precis i sunt necesari senzori

corespunztori; Utilizatorii care folosesc astfel de terminale pot primi compensaii adecvate;




Exist multe posibiliti pentru exploatarea principiului diversitii prin cooperare;diversitii prin cooperare; Majoritatea tehnicilor propuse se bazeaz pe scenariul: surs

releu destinaie; se asigur diversitate prin utilizarea releului;releu destinaie; se asigur diversitate prin utilizarea releului;

Cooperarea se poate implementa prin mai multe metode:prin mai multe metode: Codare distribuit; MIMO distribuit; MIMO distribuit;

Echipamentele implicate n cooperare pot fi fixe, nomadice p psau mobile cu excepia BS;

Este un scenariu cu potenial d i l t



mare de implementare;


mbuntirea diversitii: Releele trebuie s fie distanate pentru a asigura link-

uri cu corelaie redus;




Extinderea acoperirii: Un terminal utilizator sau un grup de terminale sunt Un terminal utilizator sau un grup de terminale sunt

situate dincolo de raz de acoperire realistic; Utilizarea releelor poate rezolva aceast problem; Utilizarea releelor poate rezolva aceast problem;




mbuntirea fairnes-ului: Utilizatori afectai de shadowing pot avea o calitate Utilizatori afectai de shadowing pot avea o calitate

a transmisiei asemntoare cu cea a altor utilizatori;




Cluster cooperation: Clustere sau subreele formate de relee interconetate; Clustere sau subreele formate de relee interconetate;

Se poate asigura o diversitate mult mrit;



Aspecte legate de cell planningg g Implementarea unei reele celulare necesit un proces de

planificare detailat i precis;p p ; Include evaluarea celor mai bune locaii pentru nodurile de

acces i alocarea optimal a resurselor radio (frecvene, canale, sectoare, coduri, etc.);

Trebuie considerate restricii geografice i tehnice; Trebuie considerat i configuraia reelei core;

Impactul tehnicilor de diversitate cooperativ asupra algoritmilor de proiectare a reelelor celulare trebuie evaluate n detaliu este n proces de studiu/evaluare; Este posibil reducerea numrului de BS-uri;

Releele pot asigura n acelai timp extinderea acoperirii i t th h t l icretrea throughput-ului;



Indicatori de baz pentru sisteme cooperativecoope at e

Elaborarea unui set de indicatori care descriu coerent performanele transmisiilor wireless cooperative esteperformanele transmisiilor wireless cooperative este necesar din urmtoarele motive:

P t l f l t i i i tt di Pentru a evalua performanele transmisiei att din punctul de vedere al reelei ct i a utilizatorului;P id i b i il d d ili Pentru a evidenia mbuntirile aduse de utilizarea cooperrii;

P f l d f i t b i fi l l l i Performanele de referin trebuie s fie cele ale reelei necooperative; Setul de indicatori globali trebuie s includ indicatori similari cu cei careSetul de indicatori globali trebuie s includ indicatori similari cu cei care

descriu sistemele fr cooperare i indicatori relativi care pot indica mbuntirile aduse de cooperare;

Parametrii n discuie nu sunt stabilii n detaliu n literatura de specialitate;Parametrii n discuie nu sunt stabilii n detaliu n literatura de specialitate;




Indicatorii se pot obine pe baza unor valori msurate l l t litisau calculate analitic;

Indicatorii au ponderi diferite n evaluarea f l i l l i fi i i MAC f i dperformanelor nivelului fizic i MAC n funcie de

criteriile de evaluare cum ar fi: performane medii utilizatori acoperire sau performane servicii;utilizatori, acoperire sau performane servicii;

Valorile indicatorilor de performan depind n special de parametrii nivelului fizic i MAC dar i dede parametrii nivelului fizic i MAC, dar i de parametrii ai nivelelor superioare i ai scenariului numr utilizatori model de canal tip de servicii;numr utilizatori, model de canal, tip de servicii;




Categorii de parametrii care afecteaz performanele nivelului fizic i MAC:nivelului fizic i MAC: Parametrii ce aparin blocurilor de baz ale nivelului

fizic:fizic: Schema de acces; Categoriile de modulaii adaptive codate (schema ACM); Categoriile de modulaii adaptive codate (schema ACM); Metodele de achiziie i distribuie CSI; Algoritmul de sincronizare; Algoritmul de sincronizare; Funcionaliti ale nodului releu; Algoritmi de cooperare;Algoritmi de cooperare; Algoritmi de selecie a partenerilor; Algoritmi de RRM (Radio Resource Management);g ( g )




Parametrii de baz ce aparin nivelului MAC: Lungimea pachetului de la nivelul MAC; Lungimea pachetului de la nivelul MAC; Numrul i tipul schemelor (H)-ARQ definite i elementele

care sunt implicate n aceste operaii; Parametrii nivelelor superioare care afecteaz nivele

inferioare: Tipul serviciului cerut de utilizator afecteaz pachetele de la

nivelul MAC i cerinele/parametrii nivelului fizic; Elementele de scenariu care afecteaz performanele

nivelului fizic i MAC: Modelul de canal; Numrul de surse i de relee distribuia lor spaial i viteza;

M d l d fi Modele de trafic;An universitar 2012 2013Semestrul I



Indicatori de performan ai schemei de cooperare: Utilizarea schemelor cooperative urmrete dou eluri U a ea sc e e o coope a e u e e dou e u

principale: a) creterea throughput-ului n celul;) g p b) extinderea razei de acoperire a celulei i n zonele fr

semnal; Cele dou eluri sunt contradictorii i de aceea evaluarea performanelor

schemelor de cooperare trebuie s considere ambele aspecte;

Performanele trebuie evaluate din punctul de vedere al Performanele trebuie evaluate din punctul de vedere al utilizatorului (throughput) sau al reelei (thoughput mediu utilizatori sau throughput agregat);g p g g ); Evaluarea trebuie s ia n considerare (i) alocarea resurselor,

dimensiunea bufferele asociate fluxurilor, algoritmii de coop. i de alocare a utilizatorilor, precum i distribuia utilizatorilor;




Indicatori legai de algoritmul de cooperare:g g p Algoritmul de cooperare utilizat afecteaz semnificativ

att performenele legturii cooperative ct i a p g p ntregii celule.

Procentul de utilizatori ce utilizeaz cooperareProcentul de utilizatori ce utilizeaz cooperare Definit ca procentul de utilizatori care sunt deservii de relee

cel puin A% din timpul de cooperare; Depinde de distribuia spaial a nodurilor utilizator i releu; Este influenat de algoritmii de selecie a partenerilor ce

coopereaz; Pentru cazul particular al releelor fixe indicatorul menionat

este afectat de poziia i funcionalitile releelor;este afectat de poziia i funcionalitile releelor;An universitar 2012 2013Semestrul I



Timpul mediu de existen a unei legturi cooperative Datorit mobilitii utilizatorilor i/sau a releelor cooperarea nu este

i d l d i i l l dicontinu, durata etapelor de cooperare i intevalul dintre aceste etape fiind variabil;

Este influenat n mod semnificativ de scenariul considerat: densitate terminale i relele, vitez, etc.;

Permite calcularea parameterului A% al indicatorului anterior i afecteaz performanele (indicatorul) de throughput;afecteaz performanele (indicatorul) de throughput;

Puterea consumat de releu Indic puterea adiional cerut de operaiile de cooperare; Indic puterea adiional cerut de operaiile de cooperare; Depinde de procesrile cerute de cooperare i de timpul de

cooperare mediu;

Complexitatea implementrii Depinde att de complexitatea operaiilor RF ct i a procesrilor de

semnal cerute de cooperare;An universitar 2012 2013Semestrul I



Indicatori de uz general: Rata de eroare pe bit (BER) Rata de eroare pe bit (BER)

Se poate defini un factor de mbuntire a BER-ului fa de transmisia direct (corespunztoare transmisie necooperative); mbuntirea de BER se poate folosi pentru definirea unui indicator

cooperation gain; Parametrul BER nu este suficient, fiind nevoie i de definirea unuiParametrul BER nu este suficient, fiind nevoie i de definirea unui

parametru BLER asociat; Comparaia dintre BER necooperativ i cooperativ se poate realiza n

dou moduri:dou moduri: a) prin impunerea aceluiai debit nominal pe legtura direct i pe cea

cooperativ; b) prin impunerea aceluiai debit de vrf;b) prin impunerea aceluiai debit de vrf;

Probabilitatea de eroare pe cadru (bloc) (BLER / FER) Trebuie considerat i efectul introdus de operaiile de H-ARQ; Trebuie considerat i efectul introdus de operaiile de H ARQ;




Se poate defini un parametru de mbuntire a BLER-ului fa de transmisia necooperativ;

Throughput mediu utilizator Se definete ca i numrul mediu de bii de informaie

recepionai corect ntr-o secund; Se obine prin multiplicarea debitului nominal cu (1-BER) sau cu

(1-FER), n funcie de stratul unde este evaluat acest parametru;( ), p ; Throughput-ul asigurat pentru utilizator depinde de doi factori:

Throughput-ul asigurat de fiecare legtur n parte; Algoritmul de cooperare utilizat;

Prin divizarea cu banda de frecven utilizat se poate obine eficiena spectral poate fi mai relevant deoarece include ieficiena spectral poate fi mai relevant deoarece include i resursele de frecven;

Se poate defini un factor de mbuntire fa de transmisia di tdirect;




Throughput-ul mediu pe celul Se evaluaz pe baza throughput-ului mediu al utilizatorului; se p g p ;

poate realiza o mediere simpl sau una ponderat n funcie de procentul de band folosit de utilizatori;

P t id i b il d f dif it l t l tili t i t Pentru a se evidenia benzile de frecven diferite alocate la utilizatori se poate folosi parametrul de eficien spectral se va utiliza o mediere simpl;

Depinde de algoritmul de cooperare i de selecia partenerilor; Depinde de algorithmul de scheduling i RRM;

Se poate defini i un indicator combinat: Fairness-Throughput;

A i Acoperirea Definit ca i zona geografic n care se poate asigura o anumit

calitate a transmisiei;calitate a transmisiei; Pragul de calitate este impus de cerinele sistemului; Acoperirea se refer att la zonele de margine ct i la cele cu shadowing; Se poate defini un factor de mbuntire a acoperirii;




Capacitatea celulei Este o msur a informaiei totale maxime transmise n celul;

Depinde de schema de acces banda de frec en tehnica de Depinde de schema de acces, banda de frecven, tehnica de cooperare utilizat;

Eficiena spectral a celuleiEficiena spectral a celulei Se poate defini ca rata de informaie total a celulei raportat la banda

total a sistemului; Se poate defini o eficien spectral efectiv pentru o comparaie mai

bun cu transmisia necooperativ; Acest parametru se definete pe baza throughput-ului total al celulei se obine prin

multiplicarea throughput-ului mediu pe utilizator cu numrul de utilizatori din celul;

Probabilitatea de Outage Definete probabilitatea cu care calitatea transmisiei n zona de Definete probabilitatea cu care calitatea transmisiei n zona de acoperire scade sub o anumit limit; Reprezint capacitatea celulei pentru un serviciu asigurat minimal; Depinde de algoritmul de cooperare i de selecie a partenerilor;




ntrzierea Reprezint ntrzierea suplimentar introdus de cooperare; Se poate defini o ntrziere medie respectiv una maxim;

Se poate defini i un parametru de variaie a ntrzierii, adic jitter;

Indicator combinat throughput-acoperire Indicatorii de acoperire trebuie corelai cu cei de throughput,

n special n cazul sistemelor cooperative unde mai muli utilizatori au conexiune cu BS chiar dac se asigur unutilizatori au conexiune cu BS, chiar dac se asigur un throughput minim;

Evaluarea acestui indicator trebuie s in cont de urmtoarele aspecte: Dac numrul de relee i resursele alocate sunt constante;

Modul de selecie a partenerilor; Modul de selecie a partenerilor;



Integrarea cooperrii n sistemul WiMAX

Integrarea tehnicilor de cooperare n sistemele celulare existente are dou scopuri principale:existente are dou scopuri principale: Creterea throughput-ului staiilor mobile; Creterea capacitii sistemului prin extinderea razei de Creterea capacitii sistemului prin extinderea razei de

acoperire; Integrarea tehnicilor de cooperare trebuie realizat Integrarea tehnicilor de cooperare trebuie realizat

utiliznd specificaiile existente i prin reutilizarea componentelor i elementelor sistemelor considerate;p ;

Se urmrete integrarea cooperrii prin realizarea unor modificri minime;

Coperarea este deja propus n sistemul WiMAX prin specificarea transmisiilor multihop bazate pe relee d di t i t ii d b difi t (MMR)dedicate i staii de baz modificate - (MMR);An universitar 2012 2013Semestrul I



Integrarea tehnicilor de cooperare mai complexe n sistemul WiMAX trebuie s se fac pe baza soluiilorsistemul WiMAX trebuie s se fac pe baza soluiilor propuse n standardul 802.16j sau 802.16m;

Cteva din extensiile care trebuie aduse sistemului Cteva din extensiile care trebuie aduse sistemului WiMAX-MMR pentru inserarea unor tehnici de cooperare mai complexe sunt urmtoarele:p Posibilitatea utilizrii staiilor mobile ca i releu; Posibilitatea procesrii ntr-un nod a semnalelorPosibilitatea procesrii ntr un nod a semnalelor

recepionate pe mai multe ci n sistemul actual o staie mobil poate recepiona doar un semnal, de la BS sau RN; Topologia actual include dou tipuri de legturi: legturi de

releu i legturi de acces are trebui introdus separat i legtura direct;legtura direct;




Sistemul WiMAX-MMR consider dou tipuri de relee din p.d.v. al alocrii resurselor: relee transparente (nu realizeaz scheduling

scheduling centralizat de ctre BS) i relee netransparente scheduling centralizat de ctre BS) i relee netransparente (realizeaz scheduling scheduling distribuit realizat de ctre BS i RN); Realizarea unor metode de cooperare mai complexe necesit algoritmi

de RRM i scheduling corespunztoare; La nivelul fizic este nevoie de definirea unui cadru de transport La nivelul fizic este nevoie de definirea unui cadru de transport

corespunztor care poate include structurile de semnalizare necesare pentru algoritmi de cooperare mai compleci dect transmisii multihop a se vedea structura cadrului 802.16j; Structuri MAP corespunztoare trebuie definite pentru transmiterea

informaiilor de semnalizare/control;informaiilor de semnalizare/control; O problem important este legat de sincronizarea terminalelor

cu mai multe noduri cooperative nu este posibil n sistemele WiMAX actuale (802.16e i 802.16j);




Modificri cerute la nivelul stratului MAC: Utilizarea unor algoritmi de cooperare mai compleci Utilizarea unor algoritmi de cooperare mai compleci

necesit algoritmi de selecie corespunztori ai partenerilor;partenerilor; Semnalele de management/control curente se pot utiliza, dar este

necesar i definirea altor semnale; Procedurile de ranging caracteristice sistemului WiMAX trebuie

modificate pentru ca un terminal s se poat conecta la mai multe noduri;

Alocarea resurselor radio (timp-frecven) devine mai Alocarea resurselor radio (timp-frecven) devine mai complicat resursele trebuie alocate mpreun (combinat) pentru legturile directe i de releu;( ) p g ; Algoritmii de asignare a releelor trebuie de asemenea s fie

corelate cu procedurile de alocare a resurselor;



Integrarea cooperrii n sistemele existentee ste te

La nivelul MAC sunt necesare canale logice i protocoale noi pentru implementarea transmisiei i a semnalizrilor n situaia cooperrii;

Schemele de transmisie ARQ/H-ARQ permit modificri semnificative fiind posibil realizarea retransmisiei n mai multesemnificative, fiind posibil realizarea retransmisiei n mai multe moduri; Trebuie ns considerat creterea complexitii acestor algoritmi p g

ARQ/H-ARQ i resursele adiionale cerute de semnalizrile ACK/NACK;

Algoritmii de control ai puterii trebuie s fie adaptai tehnicilor de i l t l ii d ti h t l t li t lcooperare i la topologii de tip mesh un control centralizat al

puterii pare soluia ideal; Problema controlului de putere apare n special n uplink sistemul actual Problema controlului de putere apare n special n uplink sistemul actual

consider sincronizarea/ajutarea puterii doar ntre dou terminale;

Modul de lucru sleep al terminalelor trebuie adaptat la transmisiile cooperative;




Modificri cerute la nivelul straturilor superioare:Trebuie fcute modificri la nivelul mecanismelor de Trebuie fcute modificri la nivelul mecanismelor de securitate, cooperarea fcnd posibil accesul la datele altor utilizatori n special dac se accept relee nededicate;p p ;

Aspectele legate de QoS n sistemul WiMAX-MMR sunt strns legate de topologia liniar dintre BS i terminalul mobil. Utilizarea tehnicilor de cooperare are efect asupra ratei de transfer i a ntrzierilor asigurarea parametrilor QoSdepinde de algoritmii de alocare a releului i de scheduling:depinde de algoritmii de alocare a releului i de scheduling:

Un alt aspect important este legat de intracell-handover, adic trecerea terminalului de la un releu la altul;adic trecerea terminalului de la un releu la altul; Un astfel de mecanism trebuie s se bazeze pe funcionalitile de

ranging combinate cu mecanisme de control ale puterii i de alocare l la releelor;



reţele wireless cooperative

Documents