WM-SIMA: Herramienta de simulación para el enlace descendente LTE-Advanced

WM-SIMA: He amien a de simulaci´ on pa a el enlace descenden e LTE-Ad anced Isabel M. Delgado-Luque, F ancisco J. Ma ´ ın-Vega, Albe o Ca e as, Ge a do G´ omez, M. Ca men Aguayo-To es y Jos´ e T. En ambasaguas E-mail {imdl, jm ega, acm, ggomez, aguayo, j em}@ic.uma.es Dp o. de Ingenie ´ ıa de Comunicaciones. Uni e sidad de M´ alaga. Campus de Tea inos s/n, 29071 M´ alaga, Espa˜ na. Resumen—In his pape , we p esen a no el and e icien link- le el simula ion amewo k o he donwlink (DL) o Long Te m E olu ion Ad anced (LTE-A) cellula ne wo ks. The ool, called Wi eless Mobile SIMula o Ad anced (WM-SIMA), is a ailable o be downloaded so ha esea che s can use i o e alua e he pe o mance o di e en ne wo k con igu a ions. In his wo k, he main cha ac e is ics o WM-SIMA a e p esen ed. As a case o use, he A e age Spec al E iciency (ASE) is ob ained o he DL o a wo- ie ne wo k, composed o Mac o Access Poin s (MAPs) and Pico APs (PAPs). Simula ion esul s con i ms ha he e exis an op imal Cell Range Expansion (CRE) bias in he cell associa ion ha maximizes he ASE. In e es ingly, i is con i med ha his op imal bias does no depend on he numbe o PAPs, while inc easing he numbe o PAPs leads o a highe ASE o he same bias. I. INTRODUCCI ´ ON Dispone de he amien as de simulaci´ on que pe mi an analiza las p es aciones de los sis emas de comunicaciones m´ o iles es muy impo an e dado que pe mi en ealiza p uebas ep oducibles con un bajo cos e asociado. Po una pa e, es impo an e aplica un modelo lo su icien- emen e exac o como pa a que se con emplen las p incipales ca ac e ´ ıs icas del sis ema, pe o ambi´ en debe se lo m´ as sim- pli icado posible a in de que el iempo de simulaci´ on no sea excesi amen e ele ado. Es o exige, po an o, un comp omiso en e complejidad del modelo a u iliza y e iciencia en cuan o a iempo de simulaci´ on. En la li e a u a, exis en dis in as he amien as de simulaci´ on pa a sis emas LTE-A que cumplen es e obje i o. Conc e a- men e, en [1] se p esen a un simulado LTE implemen ado en Ma lab. Es a he amien a consis e en ealidad en dos simu- lado es independien es: uno de enlace, que pe mi e ob ene ablas con esul ados de capa ´ ısica; y o o simulado de sis ema, que usa es os esul ados almacenados p e iamen e en ablas. De es e modo se consigue abs ae la capa ´ ısica en las simulaciones que in oluc an capas supe io es. O o ejemplo se encuen a en [2], donde se p esen a la he amien a SimuLTE. Es a he amien a o ece g an lexibi- lidad, ya que al es a basado en OMNeT++ se le pueden a˜ nadi dis in os m´ odulos. Como po ejemplo INET, el cual pe mi e simula aplicaciones en iempo eal que usan di e - sas ecnolog´ ıas de acceso adio. Tambi´ en cabe menciona las he amien as p esen adas en [3] y [4]. La p ime a de ellas, desa ollada en C++, con empla una g an can idad de uncionalidades ales como mo ilidad, hando e , di e en es plani icado es, e c. La segunda, basada en ns-3, ha sido dise˜ nada pa a pe mi i una simulaci´ on ex emo a ex emo asumiendo modelos de ´ a ico ealis as. Una ca ac e ´ ıs ica com´ un a los ci ados simulado es es que odos ellos aplican una es a egia de simulaci´ on de la capa ´ ısica basada en ablas. De es a o ma, se consigue educi los iempos de simulaci´ on, pe o da luga a una p´ e dida de p ecisi´ on que de i a del mecanismo de abs acci´ on. La he amien a de simulaci´ on Wi eless Mobile SIMula ion Ad anced (WM-SIMA) [5] ha sido dise˜ nada pa a simula con g an de alle la capa ´ ısica (PHY) y de acceso al medio (MAC) sin usa ablas que abs aigan la capa ´ ısica. WM-SIMA conside a el enlace descenden e (DL) de un sis ema mul i- celula Long Te m E olu ion Ad anced (LTE-A) en modo duplexaci´ on po di isi´ on en ecuencia (FDD) conside ando el acceso m´ ul iple po di isi´ on de ecuencias o ogonales (OFDMA) como ´ ecnica de acceso al medio [6]. Se a a de una e oluci´ on de la he amien a WM-SIM [7] en cuan o a que sopo a esquemas de ansmisi´ on con m´ ul iples an enas (Mul- iple Inpu Mul iple Ou pu s, MIMO) con con igu aciones de has a 8x8; con posibilidad de conside a a ias Componen s Ca ie s (CCs) si se ac i a la opci´ on de Ca ie Agg ega ion (CA), en e o as nue as uncionalidades. En es e a ´ ıculo se a a desc ibi la a qui ec u a asociada a la he amien a WM-SIMA en la Secci´ on II. A con inuaci´ on, en la Secci´ on III se p esen an a ios esul ados de simulaci´ on con el in de mos a un ejemplo de los es ad´ ıs icos que o ece la he amien a. Finalmen e, en la Secci´ on IV se esumen las p incipales conclusiones asociadas a es e abajo. II. ARQUITECTURA DEL SIMULADOR Podemos dis ingui dos ni eles en la a qui ec u a del si- mulado : ni el de sis ema yni el de enlace, los cuales se de allan a con inuaci´ on. A. Ni el de sis ema Es e ni el, implemen ado en Ma lab, p opo ciona la in- o maci´ on de despliegue de la ed m´ o il a simula . Pa a ello, u iliza una se ie de pa ´ ame os con igu ables como son n´ ume o de e minales m´ o iles (UEs), n´ ume o y ipo de pun os de acceso (APs), po encia de ansmisi´ on de APs, ´ a ea de celda, en e o os. Se dis inguen dos ipos de APs: mac o (MAPs) y pi- co (PAPs). De es a o ma, es posible conside a edes ho- mog´ eneas donde s´ olo se ienen MAPs; o edes he e og´ eneas compues as po ambos ipos de APs. En es e caso, cada ipo de AP end ´ a asociadas unas ca ac e ´ ıs icas en cuan o a po encia de ansmisi´ on y p´ e didas de p opagaci´ on. O o aspec o de la ed con igu able es el ipo de g id a aplica , que puede nCC nCC Ex ended MIMO channel nAn Tx ×N queuesIn o nCC nPRBs LM-1 nResou ces nCw nLaye s nAn Tx MIMO P ecoding QoS S a is ics RLC Coding - MappingCoding - Mapping T ansmi e LM-N An P -1 An P -N nAn Tx ×N ×nCC nAn Rx ×R epo In o MAC Schedule alloca ionIn o CSI nCC nCC nPRBs LdM-1 nResou ces nCw MIMO De ec ion RLC DeCoding - DeMapping Recei e LdM-R An P -R nAn Rx ×R ×nCC An P -1 EEŽŽĨWƐ ZEŽŽĨhƐ nAn Rx Fig. 1. WM-SIMA: A qui ec u a de ni el de enlace elegi se hexagonal o alea o io, pa a el cual las celdas se si ´ uan siguiendo una dis ibuci´ on espacial uni o me. Po o a pa e, es posible indica le al ni el de enlace que simule s´ olo un subconjun o de los APs y UEs que componen la ed educiendo, po an o, el cos e compu acional de simulaci´ on. El subconjun o simulado es a ´ a compues o po aquellos MAPs que se encuen en en la egi´ on cen al del ´ a ea o al de inida po la ed, as´ ı como los elemen os que enga asociados: UEs y PAPs. El e ec o del es o de elemen os no simulados en la ed se modela ´ a como in e e encia Gaussia- na. Una ez posicionados los UEs y APs, se ob iene la siguien e in o maci´ on: Asociaci´ on de UEs a APs, que se puede lle a a cabo en base a dos c i e ios: p´ e didas de p opagaci´ on m´ ıni- ma o mayo po encia media ecibida. Si se elige es e ´ ul imo cuando se iene un escena io he e og´ eneo, es posible aplica un inc emen o (sesgo) sob e la po encia de ansmisi´ on de las PAPs de mane a que se amplia su ´ a ea de cobe u a. Es a ´ ecnica, conocida como Cell Range Expansion (CRE) [8], consigue educi la ca ga asociada a las MAPs pues o que al aplica el sesgo se ue za a que UEs que es a ´ ıan asociados a una MAP se asocien a una PAP. Aho a bien, es os usua ios o zados o CRE UEs, suelen ene unos alo es de ni el de se˜ nal a in e e encia (SINR) muy deg adados debido a que la MAP a la que es a ´ ıan asociados de o ma na u al ac ´ ua aho a como in e e en e. Po encia media in e e en e que ecibe cada elemen o simulado desde el es o de elemen os (UEs y APs) no simulados que componen la ed celula . Ganancia del camino en e cada UE y AP simulado. Ni el de SINR medio pa a cada UE simulado. Po encia media de ansmisi´ on de cada AP simulado. Toda es a in o maci´ on se almacena en un iche o .ma que se ´ a u ilizado pos e io men e po la pa e de ni el de enlace pa a ealiza la simulaci´ on. B. Ni el de enlace Es e ni el, basado en C++, lle a a cabo el p ocesado de las capas PHY y MAC pa a la con igu aci´ on de ed es ablecida. La Fig. 1 mues a la a qui ec u a del simulado asociada a es e ni el. Se obse a c´ omo la he amien a se compone de cinco g andes bloques: ansmiso (T asmi e ), ecep o (Recei e ), canal adio MIMO (Ex ended MIMO Channel), plani icado c oss-laye (MAC Schedule ) y medidas (QoS S a is ics). 1. T ansmi e : Es el enca gado de gene a los paque- es RLC (Radio Link Con ol), encola los y segmen a los en bloques de anspo e (TBs) en base a la in o maci´ on que ecibe del plani icado (alloca ionIn o). Pa a ello se dispone de 3modelos de uen es: Full bu e , en la que los UEs siemp e ienen in o maci´ on pa a ansmi i ; S eaming, seg´ un una dis ibuci´ on de Pa e o; o T azas, que se ca gan de un iche o .ma . Sob e los TBs gene ados, se aplica un esquema de modulaci´ on y codi icaci´ on adap a i o pa a ob ene din´ amicamen e los s´ ımbolos complejos que se mapea ´ an sob e los ecu sos ´ ısicos disponibles. El n´ ume o o al de ecu sos (nResou ces) depende ´ a del ancho de banda conside ado (nPRBs, n´ ume o de Physical Resou ce Blocks), del n´ ume o de CC (nCC) y de la con igu aci´ on de an enas, que de e mina el n´ ume o de codewo ds1(Cw) disponibles (nCw). A con i- nuaci´ on, ealiza un p ocesado MIMO que implica: un mapeo de Cw a laye s, ealizado po el bloque Laye Mapping (LM) asociado a cada AP; y una p ecodi icaci´ on MIMO, si p ocede. Po ´ ul imo, se ealiza un p ocesado de an enas (An P o) pa a la gene aci´ on de los s´ ımbolos OFDM que se ansmi en sob e el canal adio. 2. Recei e : Realiza el p oceso in e so al lle ado a cabo en el ansmiso con el obje i o de ecupe a los TBs en iados. En e ec o, a pa i de los s´ ımbolos OFDM ecibidos ecupe a la in o maci´ on ansmi ida haciendo uso an o de la se˜ nalizaci´ on (alloca ionIn o) como de la es imaci´ on de 1En es e abajo el ´ e mino codewo d hace e e encia a un TB codi icado y modulado de o ma independien e. canal que ealiza el p opio bloque. Es a es imaci´ on puede se : ideal, coincidiendo con el epo e ecibido del canal (CSI); o es imada, a pa i de los pilo os en la sub ama LTE-A. 3. Ex ended MIMO channel: Modela el e ec o que iene el canal de comunicaciones m´ o iles inal´ amb ico. Pa a ello, gene a an os canales independien es como caminos haya en- e cada UE y AP simulados dependiendo de la con igu aci´ on de an enas elegida. En cada uno de ellos se modelan los siguien es e ec os: 1. Des anecimien o selec i o en ecuencia, median e un modelo de l´ ınea de e a do mul i ayec o en el que la ganancia y e a do asociado a cada ayec o son con igu ables. Las mues as del canal pueden segui una dis ibuci´ on Rayleigh o Rice. En caso de que se enga una con igu aci´ on MIMO, se u iliza el modelo de K onecke [9] pa a de e mina la co elaci´ on espacial en e an enas. 2. In e e encia, que se a˜ nade sob e la se˜ nal ecibida en cada ecep o desde el subconjun o de ansmiso es simulados. 3. Ruido Gaussino blanco (AWGN), que pa a cada ecep- o a˜ nade uido Gaussiano en cada una de sus an enas. Hay que eco da que la po encia de uido aqu´ ı a˜ nadida iene en cuen a la in e e encia del es o de elemen os no simulados que componen la ed. Po ´ ul imo, cabe des aca que exis e la posibilidad de que es e bloque uncione en el dominio del iempo, de mane a que se simula el canal con g an exac i ud, o de la ecuencia, con lo que los s´ ımbolos OFDM se en a ec ados di ec amen e po la espues a en ecuencia del canal simulado. En caso de simula el canal en ecuencia se educe el iempo de simulaci´ on a cos a de asumi que la ansmisi´ on es ´ a lib e de in e e encia en e s´ ımbolos (ISI) y en e po ado as (ICI). 4. MAC Schedule : Se enca ga de lle a a cabo la plani- icaci´ on en cada in e alo de ansmisi´ on (TTI) pa a epa i los ecu sos iempo- ecuencia en e los UEs en unci´ on del algo i mo seleccionado. Pa a ello iene en cuen a la in o ma- ci´ on que ecibe po usua io basada en el es ado de las colas (queuesIn o) y en el es ado de los p ocesos HARQ y el canal adio ( epo In o). Independien emen e del algo i mo, se ha op ado po da p io idad a las e ansmisiones pendien es en e a la ansmi- si´ on de nue a in o maci´ on. En e ec o, en cada TTI se in en an asigna ecu sos p ime o a las e ansmisiones asociadas a cada UE. Pa a ello, se aplica un c i e io de b´ usqueda c´ ıclico -200 -100 0 100 200 300 400 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 MAP PAP 4 PAP 2 PAP 3 PAP 1 Eje y [m] Eje x [m] MAP PAP UE Fig. 2. Dis ibuci´ on de UEs y PAPs en Escena io 3 sob e los usua ios con e ansmisiones pendien es pa a de- e mina el siguien e UE a a a . Una ez seleccionado, el plani icado de e mina los ecu sos conc e os sob e los que se ha ´ a la e ansmisi´ on. T as plani ica las e asmisiones, los ecu sos es an es se asignan a la ansmisi´ on de nue a in o maci´ on. En es e caso, el plani icado de e mina an o el usua io a a a como los ecu sos conc e os a asigna le. Cabe des aca que la asignaci´ on de ecu sos se hace aplicando el Tipo 2de los posibles c i e ios de Resou ce Alloca ion de inidos po el 3GPP pa a el DL [10]. As´ ı, en cada codewo d, los PRBs se asignan en bloques de PRBs consecu i os cuyo ama˜ no se ´ a m´ ul iplo del ama˜ no m´ ınimo de asignaci´ on asociado al ancho de banda de simulaci´ on [10]. Los algo i mos de plani icaci´ on implemen ados son: Round Robin, P opo ional Fai , Channel Dependen Ea lies Dead- line Due (CDD-EDD), CDD-EDD wi h pos ponen e m y Oppo unis ic Ha d P io i y [11]. 5. QoS S a is ics: Gene a es ad´ ıs icos asociados a la si- mulaci´ on ales como asa de e o de bi (Bi E o Ra e, BER), de bloque (BLock E o Ra e, BLER), h oughpu , in o maci´ on elacionada con las colas de usua io, e c. Pa a ello iene en cuen a la in o maci´ on que ecibe del ecep o y del es ado de las colas de los UEs (queuesIn o). Los es ad´ ıs icos ob enidos se almacenan en un iche o .ma al inaliza la simulaci´ on, de mane a que es posible hace un p ocesado o line de los mismos. III. ESCENARIOS DE SIMULACI ´ ON Y RESULTADOS En es e apa ado se mues an, a modo de ejemplo, algu- nos de los posibles esul ados que se pueden ob ene con WM-SIMA pa a un escena io conc e o. Se ha conside ado un escena io he e og´ eneo sob e el que se es udia ´ a c´ omo se en a ec ados cie os pa ´ ame os del sis ema en unci´ on del alo de sesgo cuando se aplica la ´ ecnica CRE. En e ec o, se asume una ed celula he e og´ enea con g id hexagonal de 53 celdas, cada una de ellas de adio 335m y con una MAP si uada en el cen o de cada celda. Del o al de celdas que componen la ed, s´ olo se simula una de ellas: la si uada en la zona cen al de la ed celula , pa a la cual se asume un o al de 50 UEs cuyas posiciones se han dis ibuido alea o iamen e den o de la celda hexagonal. Las posiciones de los usua ios, una ez ob enidas, se han man enido pa a odas las simulaciones en los escena ios conside ados. Conc e amen e, se han analizado 3 escena ios de inidos en unci´ on del n´ ume o de PAPs si uados en la celda de in e ´ es: Escena io 1, con un ´ unico PAP (iden i icado como TABLA I PAR ´ AMETROS CONFIGURACI ´ ON Pa ´ ame o Valo F ecuencia po ado a 2GHz Ancho de banda 50 PRBs Con . an enas SISO Po . Tx MAP 46 dBm Po . Tx PAP 30 dBm MAP pa hloss 128,1 + 37,6log10 (d)dB PAP pa hloss 140,7 + 36,7log10 (d)dB Modelo de uen e Full bu e Algo i mo Scheduling Round Robin Velocidad UE 4km/h 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 10 20 30 40 50 Escena io 1 Escena io 2 Escena io 3 Nº UEs po ipo AP PAPs MAP Sesgo [dB] Fig. 3. Compa a i a nUEs po ipo de AP en unci´ on del node PAPs PAP 1); Escena io 2: con dos PAPs (iden i icados como PAP 1y PAP 2); y Escena io 3: con cua o PAPs (iden i icados como PAP 1a PAP 4). La Fig. 2 mues a la celda de in e ´ es pa a el Escena io 3. Hay que menciona que las posiciones de los PAPs comunes (1y2) se man ienen de un escena io a o o. En la Tabla I se p esen an los p incipales pa ´ ame os de simulaci´ on conside ados. Pa a el escena io de inido se han analizado dos m´ e icas en unci´ on del alo del sesgo empleado: la ca ga en cada ipo de AP, es o es, el n´ ume o de UEs asociado a la MAP y el asociado al o al de PAPs seg´ un el escena io; y la e iciencia espec al po ´ a ea (A ea Spec al Densi y, ASE) [12]. Los esul ados ob enidos se mues an en las Figs. 3 y 4, espec i amen e. Analizando la Fig. 3 se obse a c´ omo un aumen o del alo del sesgo p o oca el e ec o espe ado: aumen a el n´ ume o de UEs asociados a las PAPs (cu as azules) con lo que se desconges iona a la MAP, que iende a da se icio a un meno n´ ume o de usua ios (cu as ojas). El e ec o es mayo a medida que aumen a el n´ ume o de PAPs conside ados. Aho a bien, el hecho de desca ga cada ez m´ as la MAP no signi ica que se mejo e siemp e el endimien o del sis ema en ´ e minos de ASE. Tal y como mues a la Fig. 4, un aumen o en el n´ ume o de PAPs hace que mejo e el ASE del sis ema: el alo ob enido aumen a del Escena io 1al 3. Sin emba go, pa a un n´ ume o de PAPs dado (un escena io conc e o) un aumen o del sesgo no p oduce siemp e un aumen o de la m´ e ica de in e ´ es, sino que exis e un alo de sesgo que la maximiza. Es o se debe a que po encima de ese alo , la deg adaci´ on en la SINR que su en los CRE UEs es al que no se e compensada po el hecho de dispone de m´ as ecu sos pa a ansmi i con espec o a la MAC. Po ´ ul imo, es in e esan e des aca que el alo ´ op imo de sesgo, que se co esponde con 5dBs en es e es udio, es in a ian e al n´ ume o de PAPs conside ado [8]. IV. CONCLUSIONES En es e abajo se ha p esen ado la he amien a WM-SIMA, la cual pe mi e simula el DL de un sis ema de comunicacio- nes m´ o iles LTE-A. Pa a ello, se implemen an las p incipales uncionalidades asociadas a la capa PHY y MAC de es e ipo de sis emas. A lo la go del a ´ ıculo, ha quedado e lejado an o la con igu abilidad como la a iedad de esul ados que pe mi e ob ene WM-SIMA. A modo de ejemplo, se ha u ilizado la Sesgo [dB] 0 5 10 15 20 10-7 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Escena io 1 Escena io 2 Escena io 3 2 ASE [bi s/s/Hz/m ] Fig. 4. Compa a i a ASE en unci´ on del node PAPs he amien a pa a analiza la in luencia del alo del sesgo asociado a la ´ ecnica CRE sob e las p es aciones medias de una ed LTE-A he e og´ enea conside ando a ias densidades de PAPs. Los esul ados ob enidos mues an que un aumen o del sesgo p oduce siemp e una desca ga de la MAP mien as que exis e un alo ´ op imo del mismo en ´ e minos de ASE. Dicho alo ´ op imo no depende de la densidad de PAPs conside ada. Aho a bien, un inc emen o del n´ ume o de PAPs s´ ı implica un inc emen o en el endimien o medio de la ed en ´ e minos de bi s/s/Hz/m2. AGRADECIMIENTOS Es e abajo ha sido pa cialmen e inanciado po el Mi- nis e io de Econom´ ıa y Compe i i idad bajo el ma co de los p oyec os TEC2013-44442-P y TEC2016-80090-C2-1-R, as´ ı como la Uni e sidad de M´ alaga. 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