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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE

Corso di Laurea in Ingegneria dell’Informazione

RESOURCE ALLOCATION IN HETEROGENEOUS 4GNETWORKS WITH FEMTOCELLS EVALUATED

THROUGH NETWORK SIMULATION

Laureando Relatore

Michele Polese Leonardo Badia

ANNO ACCADEMICO 2013/2014

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE

Corso di Laurea in Ingegneria dell’Informazione

ALLOCAZIONE DELLE RISORSE IN RETI 4GETEROGENEE CON FEMTOCELLE VALUTATA

TRAMITE SIMULAZIONE DI RETE

Laureando Relatore

Michele Polese Leonardo Badia

ANNO ACCADEMICO 2013/2014

Abstract

Le femtocelle sono una delle frontiere della ricerca nelle telecomunicazioni. In questa tesiviene studiato l’effetto dell’utilizzo di tali dispositivi all’interno di edifici sul throughput (pac-chetti ricevuti per unita di tempo) di una cella LTE.Con il simulatore ns-3 e stato studiato uno scenario di rete eterogenea in contesto urbano, den-samente popolato, prima con la sola macro base station, poi con la macro base station e le fem-tocelle, valutando le differenze di throughput. Inoltre sono state valutate le prestazioni della retein presenza di edifici isolati alle radiofrequenze, la cui copertura interna e garantita dalle femto-celle.I risultati mostrano come le prestazioni in presenza di femtocelle siano dipendenti dalla quantitadi risorse allocate rispettivamente alla macrocella e alle femtocelle stesse e di come il loro utiliz-zo possa migliorare di piu del doppio il throughput della rete, soprattutto in presenza di numerosiutenti all’interno di edifici.

i

A chi mi ha accompagnato in questo percorso

iii

Indice

Abstract i

1 Introduzione 11.1 Cenni motivazionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Metodo d’analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Struttura dell’elaborato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Lo stato dell’arte nelle reti con femtocelle 52.1 LTE - Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Core network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Allocazione di risorse in rete eterogenee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Fairness nell’allocazione di risorse tra livelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1 Analisi in contesto di spettro dedicato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Gestione dell’interferenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4.1 Cancellazione dell’interferenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2 Gestione dinamica dell’interferenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.3 Gestione dell’IFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 Il simulatore di rete ns-3 213.1 Astrazioni utilizzate in ns-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Il modulo LENA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.1 Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2.2 Modello per le femtocelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.3 EPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3 Il modulo Buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3.1 Itu P1411 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.2 Itu P1238 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.3 Building Propagation Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.4 Position Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4 Implementazione della simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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4 Risultati delle simulazioni 314.1 Parametri delle simulazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2 Andamento temporale del throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3 Confronto tra i tre scenari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.4 Confronto per diversi valori di mUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5 Conclusioni e sviluppi futuri 41

Bibliografia 43

vi

Capitolo 1

Introduzione

1.1 Cenni motivazionaliAll’inizio degli anni novanta le comunicazioni mobili erano uno strumento esotico, costoso,

per pochi. La tecnologia cellulare si era evoluta negli Stati Uniti, in Scandinavia e in Europadall’idea del 1947 di Douglas e Young, ma era ancora acerba e frammentaria [1].Oggi, vent’anni dopo, dispositivi per le comunicazioni mobili sono ubiqui, tanto che [2] segna-la come nel 2013 sia presente all’incirca un dispositivo mobile per essere umano (7 miliardi).Quindi ognuno di noi, in media, possiede un cellulare, tra questi all’incirca uno su quattro a li-vello globale (27%) e uno smartphone. La penetrazione dei dispositivi iOs, Android, WindowsPhone in Italia sale al 41%, negli Stati Uniti al 56% (dati [3] sul periodo Gennaio-Marzo 2013,figura 1.2 e 1.3). Il mercato tende a saturare verso uno smartphone a consumatore, soprattuttonel mondo occidentale [4]. Questi dispositivi non si limitano al tradizionale traffico voce ma ge-nerano in larga parte traffico dati: un dispositivo smart riceve e trasmette 529 MB al mese, controgli 11 di un dispositivo tradizionale. Gli smartphone infatti generano il 95% del traffico totale [2].

Figura 1.1: Traffico dati vs. traffico voce secondo l’Ericcson Mobility Report di agosto 2013 [4]

1

2 Allocazione delle risorse in reti 4G eterogenee con femtocelle valutata tramite simulazione di rete

Figura 1.2: Diffusione degli smartphone in alcuni paesi [3]

Figura 1.3: Diffusione degli smartphone in Italia, 2011-2013 [3]

Capitolo 1. Introduzione 3

Nel 2010 il traffico dati dei dispositivi mobili ha superato il traffico voce (figura 1.1) e au-menta di anno in anno, con terminali e applicazioni che richiedono maggiori bitrate, come quelleper la trasmissione di video che si prevede raggiungera il 2/3 del traffico dati mobile per il 2018[2]. Per farvi fronte e stata introdotta la tecnologia Long Term Evolution, che sara identificatacon l’acronimo LTE, che offre maggiori bitrate in downlink e uplink, latenza ridotta, maggiorecapacita [5].Inoltre la ricerca e focalizzata verso lo studio di soluzioni per migliorare la connettivita di utentiall’interno degli edifici. L’80% delle comunicazioni mobili con traffico dati avviene infatti in-door, come mostrano [6, 7, 8]. Nella seconda release del consorzio 3GPP riguardante LTE e statapertanto introdotta l’integrazione con le femtocelle e le reti eterogenee.

La rete eterogenea prevede l’utilizzo di Base Stations (BS) dette micro, pico o femto celleper via dell’area di dimensione inferiore su cui estendono il proprio segnale. Sono antenne dipotenza ridotta collocate sotto la copertura di una macro BS. Cio consente di:

• migliorare la copertura, nel caso di aree in cui il segnale della macro BS non sia sufficienteper un garantire un buon Signal to Interference Noise Ratio (SINR)

• effettuare l’off-loading della macro BS: la micro-/femto-cella alleggerisce il carico dellamacrocella servendo gli utenti che rientrano nel proprio raggio, e consente a quest’ultimadi allocare piu risorse ad altri utenti

• riutilizzare le frequenze, soprattutto con le femtocelle, grazie alla loro ridotta copertura,aumentando conseguentemente la capacita della rete [14]. Infatti una parte della bandautilizzata dalla macrocella viene destinata alle femtocelle. Queste, tuttavia, avendo unacopertura limitata, evitano l’interferenza le une con le altre e possono essere collocatesotto la copertura della macrocella, a breve distanza le une dalle altre. Secondo [7] si epassati dall’era della copertura, in cui l’obiettivo era di garantire il servizio telefonico inun territorio piu esteso possibile, a quella della capacita, in cui grazie alle reti eterogeneesi aumenta la possibilita di assicurare un servizio ad un numero maggiore di dispositivi,che generano un traffico crescente di anno in anno [9].

Le femtocelle sono le piu piccole nella famiglia delle base station utilizzate in reti eterogeneee per questo sono collocate all’interno di edifici. Hanno una potenza ridotta e sono progettateper servire gruppi di utenti che vanno da un nucleo familiare fino ad un ufficio o una piccolaindustria, ovvero da 4 a 32 utenti, con una potenza che varia tra 20 e 200 mW [10].Le reti eterogenee e le femtocelle esistono da prima dell’introduzione di LTE, ma fino al mobiledata tsunami [11] non hanno avuto una grande diffusione.E quindi interessante studiare quali sono le prestazioni della rete in presenza o in assenza difemtocelle. Inoltre sara rilevante analizzare qual e la differenza tra uno scenario reale, con edificinon isolati alle radiofrequenze e quindi con la necessita di allocare una parte della banda allamacrocella e una parte alle femtocelle per evitare interferenze, e uno scenario con edifici isolatialle radiofrequenze, che consente un pieno riutilizzo dello spettro, con la stessa banda allocataalla macrocella e alle femtocelle, in quanto non sussistono problemi di interferenza.


1.2 Metodo d’analisiLe prestazioni della rete (throughput) sono state studiate con il simulatore di rete network

simulator 3 (ns-3) [12], con l’aggiunta del modulo LTE-EPC Network simulAtor (LENA) per lasimulazione di reti mobili LTE, sviluppato dal Centro Tecnologico per le Telecomunicazioni diCatalogna (CTTC) [13].E stato analizzato uno scenario urbano, densamente popolato, con 12 edifici multipiano coperti dauna macrocella. Il numero di utenti all’interno degli edifici non cambia, mentre varia il numero diutenti all’esterno. Gli utenti all’interno degli edifici sono serviti dalle femtocelle, quando accese,o dalla macrocella, nel caso le femtocelle siano spente.Si e investigato l’andamento del throughput, inteso come pacchetti ricevuti per unita di tempo,nei seguenti scenari:

• Tutti gli utenti sono serviti dalla macrocella, le femtocelle sono spente

• Gli utenti all’interno degli edifici sono serviti dalla femtocella piu vicina, mentre quelliall’esterno sono serviti dalla macrocella

• Come sopra, con la differenza che gli edifici sono isolati alle radiofrequenze

I risultati delle simulazioni mostrano come le prestazioni della rete migliorino dal primo alsecondo scenario, e ancor di piu nel terzo.

1.3 Struttura dell’elaboratoI successivi capitoli sono organizzati come segue. Nel capitolo 2 verranno descritte a sommi

capi la rete LTE e in modo piu approfondito le modalita di allocazione delle risorse in reteeterogenee con femtocelle e le tecniche di gestione dell’interferenza. Nel capitolo 3 sarannointrodotti il simulatore ns3, il modulo LENA, il modulo Buildings. Inoltre verranno esposte lemodifiche apportate al simulatore e le metriche utilizzate nell’analisi dei dati. Nel capitolo 4verranno presentati i risultati delle simulazioni. Infine il capitolo 5 conterra le conclusioni sullavoro svolto con i possibili sviluppi futuri.

Capitolo 2

Lo stato dell’arte nelle reti con femtocelle

L’idea di sfruttare delle antenne di copertura ridotta sotto l’ombrello della macrocella peraumentare la capacita della rete risale ai primi anni Novanta. Tuttavia la mancanza di una rete dibackhaul diffusa, basata su IP, e di integrazione e miniaturizzazione dell’elettronica hanno ritar-dato l’implementazione di questa idea di quasi vent’anni. Recentemente l’aumento del trafficodati e dell’utilizzo degli smartphone ha reso necessario lo studio di soluzioni per aumentare la ca-pacita della rete di almeno un ordine di grandezza. Si diffondono quindi le moderne femtocelle,caratterizzate dall’essere auto-configuranti e progettate con elettronica miniaturizzata [14]. Cioconsente il loro posizionamento all’interno di abitazioni e l’installazione da parte degli utenti,senza l’intervento di un operatore specializzato. La terza generazione di standard cellulare, ba-sata su CDMA e rete a commutazione di circuito, non consentiva ancora una buona integrazionedelle femtocelle nel resto della rete, in particolar modo era problematica la gestione dell’inter-ferenza tra macro e femtocelle. La diffusione di queste BS casalinghe avviene a seguito delladefinizione dello standard LTE; sfruttano al meglio infatti la modulazione Orthogonal Frequen-cy Division Multiplexing (OFDM) e la rete interamente basata su Internet Protocol (IP) [14].LTE supporta le femtocelle dalla Release 9 del 3GPP (dicembre 2009), definendole Home No-deB per distinguerle dalle base station piu grandi. Inoltre successive release hanno introdottomigliorie per la gestione di reti eterogenee (Rel-11, settembre 2012) e small cell (Rel-12, previ-sta per il 2014).Nonostante le femtocelle siano gia offerte ai consumatori dalle principali compagnie telefonicheci sono numerosi aspetti che sono ancora oggetto di ricerca. Tra questi le modalita con cui condi-videre lo spettro tra macro e femtocelle [15], la gestione dell’interferenza [16], delle prestazioniin caso di backhaul limitato [17], della mobilita [18] e lo scheduling a bassa complessita [19].Nella restante parte del capitolo saranno introdotte le principali innovazioni di LTE che hannoconsentito lo sviluppo delle femtocelle. Verranno poi presentati alcuni studi sull’allocazione dirisorse in rete multi-livello e sulla gestione dell’interferenza.

5


2.1 LTE - Long Term Evolution

La tecnologia Long Term Evolution (LTE) e frutto del lavoro di standardizzazione portatoavanti dal consorzio 3GPP dal 2004 alla prima release del 2008. Questa contiene gli standarddelle principali innovazioni della quarta generazione di reti cellulari e la definizione della reteinterna (core network) che sostiene LTE, ovvero System Architecture Evolution (SAE).Tra le novita dello standard LTE ci sono una modulazione multi-carrier in downlink e una modu-lazione simile, ma single-carrier, in uplink, l’uso di Multi Input Multi Output (MIMO, ovvero tra-smissione e ricezione con piu antenne), mentre SAE si distingue per essere una rete interamentea commutazione di pacchetto [5]. Queste innovazioni sono fondamentali per l’integrazione dellefemtocelle nella rete.

2.1.1 Downlink

L’esigenza di data rate maggiori ha portato verso lo sviluppo di un’interfaccia radio con ve-locita di picco in downlink nell’ordine delle centinaia di Mbit/s. Viene usata una modulazioneOFDM, in cui i simboli sono trasmessi su centinaia di subcarrier. Invece di trasmettere un sin-golo segnale su una banda molto larga, andando incontro a vari problemi, tra cui l’aumento dellacomplessita dell’apparecchiatura radio e risposta in frequenza non costante, vengono trasmessipiu segnali in banda stretta, ortogonali l’uno all’altro [20].La modulazione OFDM si distingue dalle precedenti trasmissioni multi-carrier (come quella usa-ta ad esempio nell’HSPA) per uno schema di ripartizione dello spettro caratterizzato da un’am-piezza di banda inferiore per ciascun segnale, pari a 1/Tu, con Tu la durata del simbolo usatoper la modulazione di ciascun segnale in banda stretta. L’impulso utilizzato per ogni subcarrier(sottocanale) e un rettangolo di durata Tu.In particolare nell’LTE il tempo di trasmissione e diviso in frame di 1 ms ciascuno (TransmissionTime Interval, TTI), a loro volta divisi in 2 slot da 0.5 ms. L’assegnazione delle risorse da partedello scheduler e fatta un frame alla volta. In ciascuno slot vengono poi trasmessi 6 o 7 simboli,a seconda si usi o meno un codice a prefisso ciclico per compensare effetti negativi di un canaledispersivo nel tempo.Il tempo utile per ciascun simbolo e di 66.7 µs, pertanto la larghezza di banda per ciascun subcar-rier e di 15 kHz. Si definisce questa ampiezza di banda un Resource Element (RE). Un ResourceBlock (RB) indica invece l’insieme di 12 subcarriers, ciascuna con ampiezza di banda di 15 kHz,che vengono allocate in un preciso time slot, e sono quindi blocchi di 180 kHz. Pertanto la gra-nularita con cui vengono assegnate le risorse e pari ad almeno un RB [5].Ciascun simbolo e trasmesso con una modulazione QPSK, 16-QAM O 64-QAM. Le ultime sonomodulazioni di ordine elevato che consentono di trasmettere piu bit per ciascun simbolo. Lascelta viene effettuata in base alle condizioni del canale.La modulazione OFDM e fondamentale per la gestione delle risorse e dell’interferenza in unarete eterogenea, come vedremo in seguito.

Capitolo 2. Lo stato dell’arte nelle reti con femtocelle 7

2.1.2 UplinkUna modulazione multi-carrier porta a elevate variazioni nella potenza istantanea trasmessa,

quindi un’efficienza ridotta per l’amplificatore di potenza del trasmettitore (maggior consumi,maggiori costi) o una potenza media inferiore. Questa condizione e critica per un apparecchiomobile, progettato in modo da consumare meno batteria possibile [20]. Per questo si e sceltodi utilizzare uno schema di trasmissione Single Carrier - Frequency Division Multiple Access(SC-FDMA), che sfrutta una sola portante ma consente comunque un accesso multiplo al mezzoattraverso l’allocazione di diverse parti dello spettro a ciascun utente.In sostanza, invece di utilizzare subcarrier differenti per ogni simbolo, piu simboli vengono tra-smessi sequenzialmente su gruppi di subcarriers che si possono quindi vedere come una singolaportante con banda piu ampia. Cio consente di ridurre il Peak-to-Average-power-ratio (PAPR) eottenere prestazioni migliori dal punto di vista energetico nei terminali utente, senza comunquerinunciare ai vantaggi di un elevato data rate [20].

2.1.3 Core networkLa rete interna di LTE costituisce un’importante evoluzione rispetto alle precedenti. La de-

scrizione di SAE e inclusa nella stessa release del consorzio 3GPP riguardante la quarta genera-zione di reti cellulari. Si tratta infatti di una rete interamente a commutazione di pacchetto e nonpiu di circuito. Cio consente una migliore gestione dell’incremento del traffico dati nella rete,che nel 2010 ha superato quello voce e ora lo supera di 4 volte tanto [4, 5]. Inoltre i dispositiviLTE utilizzano lo stesso IP di ogni altro apparecchio connesso a internet.Nell’LTE anche i vecchi servizi basati sulla commutazione di circuito saranno forniti con unacommutazione di pacchetto, si veda ad esempio l’utilizzo del Voice-over IP (VoIP) per le telefo-nate.Le ottimizzazioni portate dalla SAE sono [5]:

• supporto per il throughput piu alto richiesto dagli utenti finali

• riduzione della latenza

• semplificazione del sistema rispetto alle precedenti implementazioni di reti di supportoprogettate da 3GPP

• riduzione dei tempi di connessione dell’utente alla rete

• compatibilita con precedenti reti di accesso (HSPA) e reti non-3GPP

Gli elementi di base dell’architettura SAE (figura 2.1) sono:

• User Equipment (UE) e il dispositivo che l’utente finale utilizza per le comunicazioni.

• E-UTRAN Node B (eNodeB o eNB) e l’antenna base che gestisce la connessione dell’uten-te e costituisce un collegamento di livello 2 tra l’Evolved Packet Core (EPC) e l’UE. Questo


nodo della rete e stato oggetto di una evoluzione che consente di mantenere un’architetturapiu semplice possibile. Al contrario di quanto accadeva nell’HSPA e release preceden-ti del consorzio 3GPP, gli eNodeB contengono tutte le funzionalita radio e si connettonodirettamente all’EPC [5].

• Evolved Packet Core (EPC) e una rete composta da vari nodi, che controllano la mobilita,l’autenticazione degli utenti (Mobility Management Entity, MME), la comunicazione conreti a pacchetto esterne, l’assegnazione degli indirizzi IP (Packet Data Network Gateway,P-GW), la gestione del profilo e della tariffazione degli utenti (Home Subscription Server,HSS)

Figura 2.1: L’architettura di SAE [5]

Sono presenti inoltre interfacce dedicate tra i vari nodi. L’interfaccia X2 connette un eNodeBai nodi vicini, creando una rete mesh ed e utilizzata per la gestione della mobilita e dell’handover


tra una cella e l’altra. L’interfaccia S1 connette gli eNodeB all’EPC e come l’X2 e autoconfi-gurante. All’interno dell’EPC invece e presente l’interfaccia S5/S8. In ciascuna interfaccia epresente piu di un protocollo per la gestione di differenti aspetti [5].Il fatto che ogni UE connesso alla rete disponga di un indirizzo IP e fondamentale in un contestocon femtocelle, in quanto consente una maggiore omogeneita tra UE connessi alla macrocella ealla femtocella, il cui backhaul e basato su IP [14].

2.2 Allocazione di risorse in rete eterogenee

Le reti eterogenee prevedono la copertura da parte di piu base station di alcuni punti. Si pensiad esempio ad una rete a due livelli, con una macrocella e le femtocelle all’interno delle abita-zioni. Ciascun UE in prossimita di una femtocella vedra il segnale di entrambe le base station.Questo potrebbe essere causa di interferenze, perdita del segnale, handover non desiderati. Vaquindi studiato il modo di limitare il problema, e una prima soluzione e allocare in modo intelli-gente lo spettro. Ci sono piu modi di assegnare le risorse a disposizione con delle femtocelle chesfruttano lo standard OFDMA [21, 22].

(a) risorse condivise tra macro e femtocella (co-channel)

(b) risorse dedicate rispettivamente a femto e macrocella

(c) approccio ibrido

Figura 2.2: Differenti approcci nell’allocazione delle risorse disponibili [23]


Risorse dedicate

Con questo approccio lo spettro viene diviso in due parti, ortogonali l’una all’altra, una allo-cata alle femtocelle e una alla macrocelle. In tal modo non c’e alcuna interferenza tra i due livellidi base station. La suddivisione puo essere statica o dinamica, in questo caso gli RB destinatialle femtocelle possono aumentare o diminuire a seconda della quantita di utenti connessi alleantenne di uno o dell’altro livello.Questa opzione e inefficiente dal punto di vista del riutilizzo dello spettro, in particolar modo sesi adotta un approccio statico invece che un approccio dinamico. Tuttavia e la piu semplice daimplementare e non causa interferenze tra macro e femtocelle.

Risorse condivise

L’approccio del co-channel assignment prevede l’utilizzo degli stessi resource block nei duelivelli di trasmettitori. Questo rende piu complicata la gestione dell’interferenza, perche macroe femtocelle non operano su canali ortogonali, ma consente un riutilizzo delle frequenze piu ef-ficiente. La condivisione degli RB puo essere coordinata da un’autorita centrale che li assegna aseconda delle richieste della rete. Tuttavia questa soluzione, per quanto sia ideale, e difficile daimplementare per la mancanza di organizzazione nella disposizione delle femtocelle. Inizialmen-te infatti non e possibile sapere quante femtocelle siano presenti e dove siano collocate. Inoltrecercare di coordinare il tutto puo dare origine a problemi di latenza per via delle connessioni dibackhaul limitate.Pertanto l’approccio piu utilizzato e quello decentralizzato o distribuito, dove ogni cella gestisce ipropri resource block nel modo che ritiene ottimale per migliorare le proprie prestazioni. Questopuo essere fatto in modalita non cooperativa, aumentando tuttavia la probabilita di interferenzatra femtocelle e femtocelle o tra femtocelle e macrocelle, oppure ogni Femto Access Point (FAP,punto di accesso che gestisce la femtocella) riconosce i propri vicini e coordina con questi lagestione delle risorse. In questo modo almeno localmente il throughput e ottimizzato.

Soluzione ibrida

E possibile poi combinare le precedenti soluzioni, con una parte dello spettro dedicata allamacrocella e un’altra parte in comune con le femtocelle. In [25] si propone questo approccio conl’aggiunta di un’escape carrier, una parte di banda che viene dedicata agli utenti della macrocellavicini alle femtocelle, che risentono dell’interferenza causata dalla femtocella oltre una certasoglia. In questo modo si sfruttano i vantaggi del co-channel assignment, ovvero il riutilizzodelle frequenze (aumento della capacita), ma si gestisce l’interferenza in modo migliore.


2.3 Fairness nell’allocazione di risorse tra livelliIn [23] viene fatta un’analisi della capacita della rete con l’obiettivo di ottimizzare l’alloca-

zione delle risorse tra i due livelli della rete eterogenea. In particolar modo detti B lo spettrototale disponibile, BM la banda totale allocata alle macrocelle e BF quella per le femtocelle, siaBM = ρB e BF = (1 − ρ)B. L’obiettivo dell’analisi di [23] e quello di trovare il valore diρ ∈ [0, 1] ottimale per le prestazioni della rete.Prima di approfondire il lavoro di [23] si osservi come questo non tenga conto di possibili sbi-lanciamenti nel carico delle due reti, ovvero assume che gli UE abbiano sempre pacchetti datrasmettere. In [24] viene studiata la quantita di spettro che puo essere condivisa da due cellenel caso di siano asimmetrie nel carico, e si conclude che questa dipende dal numero di utentipresenti.Lo studio di [23] mostra come senza alcuna considerazione legata alla Quality of Service (QoS)o alla fairness (indice dell’equita nella distribuzione delle risorse di cui godono gli utenti) il va-lore ottimale di ρ e 0, ovvero l’intera banda disponibile dovrebbe essere allocata alle femtocelleper via del riutilizzo che fanno delle frequenze. Per non svantaggiare eccessivamente gli utenticonnessi alla macrocella vengono introdotti un indice di QoS e un parametro che tiene contodell’eterogeneita della rete per una divisione piu equa dello spettro.Viene proposto un adattamento dell’indice di Jain a una rete di T livelli, definito tiered fairnessindex (TFI):

fTFI(C) =

(∑Ti=1

∑Ni

j=1

∑Ui,j

k=1 Ui,jCi,j,k)2

Utot∑T

i=1

∑Ni

j=1

∑Ui,j

k=1 U2i,jC

2i,j,k

(2.1)

con

• Ni numero di reti nel livello i-esimo (N1 = 1 per il livello delle macrocelle, N2 pari alnumero di femtocelle)

• Ui,j numero di utenti nella j-esima rete dell’i-esimo livello

• Utot numero totale di utenti

• Ci,j,k capacita del k-esimo utente nella j-esima rete dell’i-esimo livello

Si osserva che fTFI ∈ [1/Utot; 1] con 1/Utot corrispondente allo scenario piu sbilanciato, 1 aquello con la migliore ridistribuzione delle risorse.

Viene poi inserito un fattore per tenere conto della QoS. Infatti le prestazioni degli utenticonnessi alle femtocelle godono di un throughput maggiore degli altri in quanto hanno un colle-gamento migliore alla cella e maggiori risorse dedicate. Sia βi il parametro di QoS che descriveil rapporto tra la capacita del livello delle macrocelle e quello dell’i-esimo livello:

βi =1/N1

∑N1

j=1

∑U1,j

k=1 C1,j,k

1/Ni

∑Ni

j=1

∑Ui,j

k=1Ci,j,k(2.2)


con β1 = 1.

Una versione modificata di (2.1) che tiene conto di (2.2) e le seguente

fQTFI(C) =

(∑Ti=1

∑Ni

j=1

∑Ui,j

k=1 βiUi,jCi,j,k)2

Utot∑T

i=1

∑Ni

j=1

∑Ui,j

k=1 β2i U

2i,jC

2i,j,k

(2.3)

Lo studio prosegue considerando una rete a due livelli, uno di macrocelle e uno di femtocelle.L’obiettivo e dividere lo spettro disponibile in modo da massimizzare la capacita del sistema,mantenendo un certo livello di equita nella distribuzione delle risorse tra gli utenti. Sia ρ =BM/B, (1− ρ) = BF/B, allora si cerca di massimizzare

CTot(ρ) =T∑i=1

Ni∑j=1

Ui,j∑k=1

Ci,j,k(ρ) (2.4)

Gli autori di [23] proseguono presentando un’analisi della rete con un processo di Poissonomogeneo per arrivare ad una formulazione analitica delle capacita di ciascun livello e distin-guono i risultati per un contesto di spettro dedicato ed una soluzione ibrida.Effettuano poi un’analisi numerica attraverso una simulazione che tiene conto del parametro difairness introdotto in (2.2) e in (2.3) e concludono che dal punto di vista dell’operatore, che cercadi massimizzare le prestazioni dell’intera rete, un approccio ibrido e preferibile agli altri due e ilvalore di ρ puo essere scelto a seconda di cosa si vuole ottimizzare. In particolar modo nell’ap-proccio ibrido ρ = 0.2 massimizza la sum capacity (massima somma delle capacita di tutti gliutenti [27]) delle macrocelle, ρ = 0.5 la capacita del 5 percentile della capacita delle macrocellee infine ρ = 0.8 la fairness del sistema. La prestazione del primo approccio (canale dedicato)per quel che riguarda la sum capacity e massimizzata per ρ ∈ [0.5, 0.6] a seconda dell’intensitadell’interferenza.Si osserva infine che un approccio con risorse condivise e preferibile dal punto di vista delle pre-stazioni delle femtocelle, ma a causa dell’interferenza generata gli utenti connessi alla macrocellarisultano eccessivamente penalizzati.

2.3.1 Analisi in contesto di spettro dedicatoLa capacita del livello di femtocelle puo essere espressa come

CFem(ρ) =B(1− ρ)

UFE[ N2∑j=1

UF∑k=1

log2(1 + Γj,k)

](2.5)


con Γj,k il valore del SINR dell’UE del k-esimo UE della j-esima femtocella.

La capacita del livello di macrocelle invece e

CMac(ρ) =Bρ

UME[ N1∑j=1

UM∑k=1

log2(1 + Γj,k)

](2.6)

Pertanto il valore ottimo di ρ e quello che massimizza la combinazione lineare delle prece-denti

ρopt = arg max0≤ρ≤1

(CMac(ρ) + CFem(ρ)) (2.7)

Si osserva che solitamente N2 N1 percio confrontando (2.5) e (2.6) si ha che il valoreottimo e ρ = 0. Questa e la conferma analitica di quanto detto in precedenza: le femtocelleconsentono un riutilizzo maggiore dello spettro e pertanto la rete e ottimizzata allocando l’interabanda disponibile alle femtocelle.

2.4 Gestione dell’interferenzaUno dei maggiori problemi nelle reti eterogenee e la gestione dell’interferenza. Infatti la dif-

fusione delle femtocelle non e programmata, come accade per le macrocelle, la cui disposizionee accuratamente studiata, ma casuale.

Figura 2.3: Differenza nella disposizione delle celle in diverse reti [8]

Con l’assegnazione di canali ortogonali il problema dell’interferenza non sussiste, ma l’ef-ficienza nel riutilizzo delle frequenze e inferiore a quella che si ha con risorse condivise o una


soluzione ibrida. Pertanto e importante capire come gestire l’interferenza.In [26] viene studiato uno scenario con il riutilizzo completo delle frequenze tra macrocellae femtocella e l’autore sottolinea come gli edifici possano isolare le femtocelle rendendo l’in-terferenza con tollerabile in alcuni casi. Viene evidenziata tuttavia una grande differenza trale prestazioni della rete nel caso peggiore (forte interferenza macro-femto) e nel caso migliore(buon isolamento da parte dell’edificio): pertanto l’isolamento introdotto dagli edifici in sempli-ce muratura, vetro o legno non e sufficiente a garantire buone prestazioni.Un ulteriore problema e causato dalle differenti modalita con cui possono operare le femtocelle[14]. Nei FAP si distingue infatti tra [21]:

• Open Access l’accesso alla femtocella e consentito a qualsiasi UE

• Closed Subscriber Group (CSG) l’accesso alla femtocella e consentito solo ad alcunidispositivi, stabiliti dal proprietario del FAP

• Hybrid Access come il CSG ma con la possibilita di collegamento per un certo numero diUE non autorizzati

In [28] si mostra come la prima modalita sia preferibile dal punto di vista dell’operatore per mi-gliorare la capacita della rete, ma non per il proprietario della femtocella. Questo infatti paga ildispositivo ma potrebbe non riuscire ad avere una buona connettivita a causa di UE non autoriz-zati collegati al suo apparecchio, e tende a preferire il CSG.Le femtocelle che operano con accesso ristretto causano tuttavia notevoli problemi di interferen-za [29]. Gli UE non autorizzati che si trovano in prossimita del FAP vedono quest’ultimo comeil punto d’accesso alla rete con il miglior segnale, ma non si possono collegare, e cio causa unaforte interferenza tra l’uplink dell’UE connesso alla macrocella e quello della femtocella e tra ildownlink della femtocella e quello dell’UE connesso alla macrocella.In ogni modo l’interferenza tra macro e femtocelle e molto variabile, pertanto sono necessari deimetodi adattabili e dinamici per la gestione dell’interferenza [29].

2.4.1 Cancellazione dell’interferenzaL’interferenza inter-livello (femto-macro cella) non e di tipo gaussiano. Se il segnale interfe-

rente ricevuto dalla femtocella e sufficientemente forte allora puo essere decodificato insieme alsegnale desiderato. Questo consente una cancellazione del segnale interferente.L’articolo [29] propone l’utilizzo del metodo Han Kobayashi (HK, dal nome di chi lo proposenel 1981 [30]). Ognuna delle due trasmissioni e divisa in una componente privata, decodificabilesolamente dal ricevitore a cui e inviata, ed una pubblica, che e decodificabile e quindi cancella-bile da entrambi i dispositivi riceventi.Tuttavia questo approccio richiede ingenti risorse computazionali nelle femtocelle, e solo recen-temente si e raggiunto un livello tale nell’elettronica usata per costruirle da garantire risorse perl’Interference Cancellation (IC). Inoltre l’interfaccia che collega le femtocelle al resto della retenon raggiunge le prestazioni dell’X2 che collega una macro base station a quelle vicine, essendobasata sulla connessione via cavo del proprietario della femtocella.


In [31] viene proposto un metodo per l’IC per i segnali in uplink in un sistema caratterizzato dacapacita di backhaul limitata. Ciascuna femtocella decodifica parte del messaggio che riceve,sfruttando anche informazioni derivanti da decodifiche precedenti, e inoltra la parte restante perl’elaborazione da parte di un processore centrale che serve l’intera rete. Questo approccio dimi-nuisce il carico computazionale sulle femtocelle e puo essere usata anche con backhaul limitato.Gli autori mostrano che utilizzando la tecnica da loro proposta la capacita di backhaul scala conil logaritmo del SINR.

2.4.2 Gestione dinamica dell’interferenzaUn secondo metodo per ridurre l’interferenza viene presentato in [32]. Si studia in particola-

re il caso di una rete con un elevato numero di femtocelle in un contesto densamente popolato,ovvero con la presenza di numerosi macro-UE che potrebbero risentire dell’interferenza da partedelle femtocelle in CSG. Nell’articolo si parla di gestione dinamica, ovvero si vanno a cambiaredei parametri delle femtocelle a seconda di alcune misurazioni, come l’attivita degli UE, la di-stanza o il livello di interferenza. Vengono proposti tre algoritmi.Il primo sfrutta l’attivita degli utenti per impostare una potenza trasmissiva adeguata nelle fem-tocelle. Ogni FAP conosce la quantita di celle vicine c e il livello di rumore di fondo. L’arrivonell’area coperta dal FAP in questione di un UE agganciato alla macrocella o ad un’altra femto-cella (si ricorda che si sta operando con l’ipotesi di CSG) causa un aumento d del rumore. Unafunzione u(d) misura il numero di utenti nell’area di copertura della femtocella in base all’au-mento del rumore. In particolare u(d[dB]) = d/10 [32].Di fronte all’aumento del rumore, la femtocella riduce la propria potenza di un fattore α. Questodeve necessariamente dipendere da c, d e il numero di macrocelle. Se d e basso, ovvero il rumoree basso quindi ci sono pochi utenti interferenti, allora α dovrebbe essere piccolo (una piccolariduzione della potenza della femtocella). Se invece e rilevato un elevato livello di interferenza,α deve aumentare.In [32] viene proposta la seguente formula

α =1

2(1+f(c,d))(2.8)

con f(c, d) = (c+ u(d))/2 funzione del numero femtocelle vicine c e di utenti u(d).Il secondo e terzo algoritmo invece sfruttano la cooperazione tra i livelli di rete. A causa dellacapacita di backhaul limitata si cerca di scambiare il minor numero di informazioni di controllopossibili. Entrambi gli algoritmi operano quindi localmente, grazie ad un interference mana-ger che gestisce un gruppo di FAP vicini l’uno all’altro. Questo server svolge sia la funzione dicoordinatore dell’interferenza che di gateway tra il gruppo di femtocelle e il core network.L’interference manager ha una migliore consapevolezza dell’ambiente radio in cui operano lefemtocelle rispetto al singolo dispositivo. Pertanto riesce a coordinare un aggiustamento inizialedella potenza delle femtocelle, in base alla distanza l’una dalle altre, o in base alla misurazionedel livello di interferenza, in modo tale che non ci sia interferenza iniziale tra le femtocelle. Inuna seconda fase poi gestisce l’arrivo nell’area coperta dalle femtocelle di uno o piu macro-UE


in un modo simile a quello del primo algoritmo.Tuttavia nel caso precedente una femtocella in uso non puo misurare il livello di rumore circo-stante. Il secondo e terzo algoritmo ovviano a questa difficolta facendo sı che le femtocelle nonin uso misurino il livello di interferenza attorno alle celle in funzione e comunichino loro attra-verso l’interferente manager gli aggiustamenti di potenza necessari.Il difetto di questa implementazione e la presenza del controllore centrale, a cui deve esserenotificata la presenza di una nuova femtocella, limitando quindi la possibilita di distribuzioneautonoma degli apparecchi, senza la supervisione dell’operatore telefonico.Gli autori poi presentano una serie di simulazioni in cui si evidenzia come l’utilizzo del terzoalgoritmo, anche con backhaul limitati, consenta di ridurre le interruzioni di servizio (outage)per gli utenti.

2.4.3 Gestione dell’IFICon Inter-Femtocell Interference (IFI) si intende l’interferenza che una femtocella genera

con le proprie vicine. Questo non e un problema in ambienti scarsamente popolati, dove la den-sita di femtocelle e esigua, ma costituisce un freno alle prestazioni delle reti eterogenee in casodi elevata densita di dispositivi.

Figura 2.4: Scenario di interferenza tra femtocelle, da [8]

Le femtocelle devono utilizzare l’intera banda messa a loro disposizione per consentire un’ef-ficienza spettrale massima. L’indice del riutilizzo della frequenza e il Frequency Reuse Factor


(FRF); per avere buone prestazioni l’FRF del sistema deve tendere a 1 [8]. Per conciliare le esi-genze dell’efficienza spettrale ed evitare l’IFI, che si presenta soprattutto ai bordi dell’area coper-ta da ciascuna femtocella, gli autori di [8] introducono l’utilizzo del Fractional Frequency Reuse(FFR), una tecnica di Inter-cell Interference Coordination (ICIC) utilizzata nelle reti multi-cellae proposta per LTE da [33]. Il sistema prevede l’utilizzo di un gateway per le femtocelle chegestisce informazioni di operativita e manutenzione, come il posizionamento delle celle. Conte-stualmente misura l’IFI e, raccogliendo le celle in gruppi in base all’interferenza che generanoverso altri FAP, riesce a determinare il minimo numero di canali ortogonali necessari per rag-giungere determinate prestazioni ai bordi dell’area coperta dalla femtocella.Questo sistema riesce a garantire un FRF prossimo a 1, un’elevata efficienza spettrale e delleprestazioni accettabili nell’area critica del bordo della cella.Le femtocelle sono raggruppate creando un grafo di interferenza G = (V,E), dove V = 1, 2,. . . , K e l’insieme dei nodi e ciascuno rappresenta una femtocella, E e un insieme (K ×K) dirami pesati dal Ratio of Orthogonal Area (ROA) con le femtocelle vicine. L’ROA tra una cella je una cella k interferente e il rapporto tra l’area soggetta ad interferenza di j (Orthogonal Area,OA) e quella coperta dell’intera cella j. L’OA e la porzione dell’intera area di j in cui il Signalto Interference Ratio (SIR) e inferiore ad una certa soglia λth.Ipotizzando una distribuzione uniforme degli utenti, data Ωj,k la probabilita che ci sia un UEnell’area soggetta ad interferenza della cella j da parte della femtocella k, si ha Ωj,k = ROAj,k.Sia

σk =∑

`=1...k, 6=k

Ωk,` (2.9)

la somma delle ROA per una cella k. Si riordinano i nodi V per σk decrescente ottenendo l’in-sieme di nodi V ′ con il corrispondente insieme di rami E ′.Sia G = g1, . . . , gM un insieme di gruppi, dove gi, i = 1, . . . ,M , raccoglie i nodi cheinterferiscono l’un l’altro. Vengono popolati a partire da g1 con V ′(1), ovvero il nodo conσ1 = arg maxσ1, . . . , σk. Si considerano poi i rami uscenti da V ′(1) e si aggiungono a g1i nodi collegati da rami di peso positivo:

g1 ← g1 ∪ V ′(`) se E ′1,` > 0 (2.10)

Una volta terminati i rami di V ′(1) si prosegue con quelli di V ′(k), ∀ V ′(k) ∈ g1, in modoanalogo, fino a completare il primo gruppo. Il secondo gruppo, g2, viene riempito a partire dalV ′(k) restante con il piu grande σk. Si prosegue a popolare e creare nuovi gruppi fino ad averterminato i nodi.Per stabilire il numero di canali ortogonali da assegnare a ciascun gruppo, si consideri il numerototale di rami nel gruppo gm:

∆m =

Kgm∑k=1

Kgm∑l=1

dΩgm(k),gm(l)e = 2×

(Kgm

2

)(2.11)


con gm(k) nodo appartenente a gm, Kgm numero di nodi in gm.Siccome il peso dei rami va da 0 (non c’e IFI) a 1 (massima interferenza), data

Πm =

Kgm∑k=1

Kgm∑l=1

Ωgm(k),gm(l) (2.12)

rappresentante il peso totale dei rami di gm si ha che

• Πm → ∆m l’interferenza e forte, e auspicabile che il numero di canali ortogonali allocatisia elevato per garantire un’efficienza spettrale almeno superiore alla soglia richiesta

• Πm → 0 l’interferenza e debole, tollerabile, pertanto ciascuno dei nodi in gm puo usaretutti i canali disponibili (FRF universale)

Si osserva che un nodo potrebbe appartenere a piu di un gruppo: in tal caso gli viene assegnatoil numero di canali del gruppo i cui nodi hanno il numero minimo di canali tra i due. Nell’im-magine tratta da [8] si propone un esempio dell’algoritmo proposto con N = 10 canali e K = 5femtocelle.

Figura 2.5: Un esempio dello schema di allocazione delle risorse con FFR, da [8]

Gli autori osservano attraverso simulazioni che la soglia del SIR a bordo cella che garantiscele migliori prestazioni e λth = 10 dB. Nei grafici in figura 2.6 si osserva che un FRF pari a 1garantisce un’elevata efficienza spettrale, ma prestazioni a bordo cella non ottimali. Al contrario,un FRF pari a 1/3 garantisce buone prestazioni a bordo cella ma una bassa efficienza spettrale.Infine, la tecnica dell’FFR proposta garantisce entrambe le condizioni.


(a) Efficienza spettrale ai bordi della cella

(b) Efficienza spettrale di diversi schemi di FFR

Figura 2.6: Grafici delle simulazioni condotte in [8]

Capitolo 3

Il simulatore di rete ns-3

Il simulatore di rete network simulator 3 (ns-3) e un simulatore a eventi discreti open source,la cui prima release risale a luglio 2008 [34, 35]. Ns-3 e una libreria scritta in C++ e Python,segue quindi il paradigma Object-Oriented Programming (OOP, programmazione orientata aglioggetti).L’utilizzo di un simulatore e necessario quando la complessita della rete rende difficoltosa la de-scrizione degli eventi attraverso un modello matematico. L’obiettivo di questa tesi e di simularele prestazioni della rete multilivello con macro e femtocelle in presenza di un elevato numero diutenti, superiore a quello utilizzato nei modelli e nelle simulazioni degli articoli scientifici sultema delle femtocelle.Ns-3 e stato integrato con il modulo LTE-EPC Network simulAtor (LENA) [13] per la riproduzio-ne della rete LTE e con il modulo Buildings che descrive la presenza di edifici. LENA contieneclassi che modellano i protocolli radio di LTE e la rete EPC, mentre Buildings gestisce alcuniaspetti collaterali fondamentali alla simulazione come la posizione e la mobilita degli utenti, lapresenza di edifici e le conseguenze che questi portano nell’ambiente radio.Nelle simulazioni sono state utilizzate le versioni 3.19 del simulatore ns-3 e 8 di LENA, inseritanella rispettiva release di ns-3 datata 20 dicembre 2013 [13].

3.1 Astrazioni utilizzate in ns-3

Ns-3 utilizza alcune astrazioni per descrivere la rete che si vuole simulare.Un qualsiasi dispositivo (es: computer, smartphone) connesso alla rete e detto nodo. La classeC++ che rappresenta questa astrazione e Node.Al dispositivo astratto poi possono essere aggiunte delle funzionalita, come programmi, perife-riche di rete, protocolli di comunicazione.I software sono rappresentati dalle applicazioni, descritte dalla classe Application. In par-ticolar modo questa rappresenta programmi utilizzati dall’utente piu che il sistema operativosottostante, la cui astrazione in ns-3 non e presente. Application puo essere estesa secon-do il paradigma OOP per creare altri software interessanti per le simulazioni, come ad esempioun’applicazione client/server che genera pacchetti di rete.

21


Ciascun Node puo essere connesso ad una rete. Il mezzo con cui questa connessione vieneeffettuata nelle astrazioni di ns-3 e detto canale, la rispettiva classe e Channel. Di nuovoquesta puo essere specializzata in modo da creare determinati canali di comunicazione. Ci so-no ad esempio la classe astratta SpectrumChannel e la sua implementazione MultiModeSpectrumChannel che sono utilizzate in LENA per modellare il canale di LTE.L’ultima astrazione e quella dei dispositivi di rete, ovvero delle interfacce che consentono la con-nessione tra nodo e canale. In ns-3 la classe NetDevice rappresenta sia l’hardware che i drivernecessari a questa funzionalita. Un dispositivo di rete e installato su un nodo ed e possibile averepiu dispositivi di rete sullo stesso nodo che comunicano con piu canali differenti.Infine sono presenti delle classi Helper che consentono di creare l’architettura di rete senzadover configurare un nodo alla volta, impostando ciascuna delle sue interfacce di rete e le loroconnessioni al canale corretto, o assegnare ad esempio un indirizzo IP a ciascun dispositivo.

3.2 Il modulo LENALENA e stato progettato per simulare una rete LTE e il supporto dell’EPC. In [36] vengono

descritti modello ed implementazione dei layer PHY e MAC e dello scheduler, mentre [37] com-pleta LENA con la possibilita di simulare una connettivita IP per ciascun UE connesso alla rete,descrivendo il modello simulativo dell’EPC e dei protocolli radio restanti di LTE.LENA e stato sviluppato per poter testare alcuni aspetti di LTE come la gestione delle risor-se radio, l’ICIC e le reti eterogenee in generale, le Self Organized Networks, (SON reti auto-organizzanti). Infatti consente di configurare celle diverse in modo da utilizzare parti distintedello spettro, anche sovrapposte, e riesce a simulare l’interferenza generata da queste sovrappo-sizioni. La granularita con cui vengono assegnate le risorse e quella di un RB, tuttavia l’attualeimplementazione consente di allocare solo determinati valori di banda (6, 15, 25, 50, 75, 100) inaccordo con gli standard [40].Inoltre il simulatore riesce a scalare fino a centinaia di UE e decine di eNB, non essendo un linklevel simulator, ovvero non implementa tutte le operazioni necessarie alla descrizione del livellofisico. Questo permette un notevole risparmio di risorse computazionali che possono essere de-stinate alla scalabilita del sistema.

3.2.1 SchedulerIl modulo LENA implementa numerosi scheduler per la gestione delle risorse. Nessuno di

questi corrisponde ad una soluzione proprietaria di un costruttore di femtocelle, in quanto il si-mulatore e svincolato da prodotti commerciali. Sono invece conformi alle specifiche del layerMAC di LTE proposte da FemtoForum. Tali specifiche costituiscono un tentativo di standardiz-zare gli scheduler di femto e macrocelle per consentire una migliore gestione dell’allocazione dirisorse e contestualmente dell’interferenza in reti eterogenee [36, 38].Lo scheduler scelto per questa tesi e il Blind Average Throughput scheduler, proposto in [39]

Capitolo 3. Il simulatore di rete ns-3 23

Figura 3.1: Schema di una topologia di rete supportata da LENA [36]

e implementato in ns-3 nelle classi TdBetFfMacScheduler e FdBetFfMacSchedulera seconda si tratti della versione nel dominio del tempo o delle frequenze. Nella simulazionenon si vuole tanto raggiungere un throughput massimo ma consentire a ciascun UE di ricevere lostesso traffico, in modo da riuscire a studiare le prestazioni complessive e non solo ad esempioquelle degli utenti con il miglior SINR.Grazie a questo scheduler e possibile raggiungere una throughput fairness adeguata, infatti tienetraccia del throughput precedente di ciascun dispositivo connesso e lo utilizza come metrica perdistribuire successivamente le risorse. In particolare sia mBET

i,k la metrica dell’i-esimo utente sulk-esimo RB, ovvero l’indice che misura la priorita che l’i-esimo utente ha sul k-esimo RB, ri(t)il data-rate dell’i-esimo utente al tempo t e Ri(t) la media del throughput fino al tempo t. Allorasi ha:

mBETi,k = 1/Ri(t− 1) (3.1)

conRi(t) = βRi(t− 1) + (1− β)ri(t) (3.2)

con 0 ≤ β ≤ 1 [39].Nella simulazione si utilizza lo scheduler che opera nel dominio del tempo. In ogni TTI l’UE cheha la metrica piu alta riceve un maggior numero di risorse, che gli vengono concesse fintanto cheil suo throughput resta basso e quindi mBET

i,k resta alto. Quindi ad utenti con un canale peggiorevengono allocate risorse per un tempo piu lungo e cio ha un effetto positivo alla fairness delthroughput.Lo scheduler che opera nel dominio della frequenza, invece, ogni TTI seleziona l’UE con la


metrica mBETi,1 migliore (ovvero quello che ha avuto il throughput peggiore), gli assegna il pri-

mo RB e calcola il throughput atteso, confrontandolo con il throughput precedente degli altriUE. Continua ad assegnare RB a quell’UE finche il throughput atteso non supera il minore degliRj(t) ∀j 6= i. Prosegue poi allo stesso modo con l’UE successivo in ordine di mBET

i,k fino aquando tutti gli RB disponibili non sono stati allocati.

3.2.2 Modello per le femtocelleLe femtocelle in LENA sono modellate come un nodo, quindi sono istanze della classe Node

cosı come UE e macrocelle. Possono essere caratterizzate con il sistema di attributi di ns-3 per iparametri relativi a tipo di antenna, banda, frequenza portante, cosı come le macrocelle, inoltree prevista la possibilita di simulare le modalita con cui gli UE possono accedere alla femtocella,ovvero di definire se la cella opera in CSG o open-access.Si riscontra la mancanza di un modello per il backhaul limitato, in quanto non viene fatta distin-zione nel modo con cui le femto e macrocelle sono connesse alla rete.

3.2.3 EPCIl modello per le simulazioni dell’EPC si focalizza sulla trasmissione di pacchetti IP da parte

dei layer piu alti dello stack e consente quindi la simulazione di una rete con la presenza di ge-neriche applicazioni che danno origine a traffico TCP o UDP [37].LENA modella accuratamente il data plane, ma non il control plane in quanto non e d’interesseper le simulazioni di trasmissione end-to-end. Una semplificazione introdotta riguarda i nodiche fungono da gateway con la rete esterna, il PGW e il Service Gateway (SGW) che vengonosimulati da un solo nodo.Come si vede nella figura 3.2 ci sono due livelli in cui viene utilizzato il protocollo IP. Il primo,quello d’interesse per la simulazione, riguarda la connettivita end-to-end e non considera la pre-senza dell’eNB. Questa connessione va dall’UE al gateway verso la rete esterna (il nodo PGW)e successivamente verso il remote host. Gli sviluppatori del simulatore hanno scelto di assegnareun IP pubblico agli UE, secondo quanto previsto dallo standard LTE-EPC, che viene arbitraria-mente scelto nella classe 7.0.0.0/8. Il PGW invece ottiene l’indirizzo 7.0.0.1 che viene utilizzatodagli UE come gateway verso internet. Il secondo livello invece riguarda la connessione internaall’EPC tra cella (eNB) e PGW.LENA rispetta lo standard previsto dal 3GPP e utilizza il protocollo GTP-U tra PGW ed eNB.Il nodo PGW riceve da internet (ovvero da remote host) un pacchetto IP. Nel gateway e instal-lata un’interfaccia che avvia la procedura di tunneling inoltrando il pacchetto ad una specificaapplicazione installata sul nodo. Questa effettua varie operazioni tra cui la selezione dell’eNBa cui e collegato l’UE (che e identificato dall’indirizzo IP), l’aggiunta dell’header GPT-U e in-fine invia con protocollo UDP il pacchetto all’interfaccia S1 che collega PGW all’eNB corretta.In questo nodo vengono rimossi gli header aggiuntivi e il pacchetto viene preparato dallo stackprotocollare di LTE per la trasmissione all’UE, completando cosı il percorso end-to-end.


Figura 3.2: Stack protocollare del data plane di LTE-EPC [37]

3.3 Il modulo BuildingsIl modulo LENA e il simulatore ns-3 possono riprodurre la presenza di edifici attraverso il

modulo Buildings. Questo e stato sviluppato appositamente per l’utilizzo con reti LTE, ma puoessere affiancato anche a classi che descrivono altre tecnologie radio.Il nucleo di questo modulo e la classe Building, che astrae una costruzione in tutte le suecaratteristiche: stanze lungo gli assi x e y, piani lungo l’asse z, il tipo di edificio - residenziale,ufficio, negozio - e il materiale della muratura esterna - legno, calcestruzzo con o senza finestre,pietra.In base alla posizione dei nodi (all’interno o all’esterno di edifici) viene calcolato il pathloss(perdita di segnale lungo il percorso tra trasmittente e ricevente) tra UE (che puo essere dentro ofuori da un edificio) e macro base station (all’aperto) o femtocelle (queste possono essere sia in-terne che esterne rispetto ad una costruzione). Il modulo mette a disposizione diversi modelli dipropagazione e nelle simulazioni effettuate in questa tesi si usa la classe HybridBuildingsPropagationLossModel che implementa differenti tipi di pathloss, a seconda della recipro-ca posizione dei due nodi. In particolar modo i casi di interesse nelle simulazioni sono:

• Entrambi i dispositivi sono all’esterno, uno e sopra il livello dei tetti (e pertanto e la macro-cella), e distano meno di 1km l’uno dall’altro. Viene usato l’ItuR1411LosPropagationLoss-Model [44].

• Uno dei due nodi e all’esterno, piu alto del livello dei tetti delle abitazioni (la macrocella),l’altro e all’interno (ed e l’UE) e distano meno di 1 km l’uno dall’altro. Viene usato l’I-


tuR1411LosPropagationLossModel, considerando le correzioni apportate da BuildingPro-pagationLossModel per tener conto di muratura interna, esterna e shadowing (variazionedel segnale dovuta a riflessioni e rifrazioni, causate ad esempio dalla presenza di edifici oostacoli nel percorso tra i due nodi [43]).

• I due nodi sono all’interno dello stesso edificio (femtocella ed UE). Il simulatore usaItuR1238PropagationLossModel [45] con le correzioni apportate da BuildingPropagation-LossModel.

3.3.1 Itu P1411

ItuR1411LosPropagationLossModel e una classe che implementa quanto descrittonel documento [44] dell’International Communication Union (ITU). Il modello calcola un limitesuperiore e inferiore (in [dB]) al pathloss secondo le seguenti formule:

Linf = Lbp +

20 log d

Rbpse d ≤ Rbp

40 log dRbp

se d > Rbp

(3.3)

Lsup = Lbp + 20 +

25 log d

Rbpse d ≤ Rbp

40 log dRbp

se d > Rbp

(3.4)

con d la distanza tra trasmittente e ricevente e Rbp la distanza discriminante tra i due casi.Quest’ultima e espressa come

Rbp ≈4hbhmλ

(3.5)

con:

λ : lunghezza d’ondahb : altezza della base station dal terrenohm : altezza dell’UE dal terreno

Infine Lbp e la perdita di segnale per d = Rbp calcolata come:

Lbp =

∣∣∣∣20 log

(λ2

8πhbhm

)∣∣∣∣ (3.6)

Il simulatore utilizza come valore effettivo per la stima del pathloss tra i due nodi la media traLinf e Lsup.


3.3.2 Itu P1238ItuR1238PropagationLossModel e una classe che implementa il modello proposto

in [45], documento redatto da ITU. Descrive la propagazione in un ambiente indoor e distinguetra scenario residenziale, con uffici o commerciale. L’espressione analitica e:

Ltotal = 20 log f +N log d+ Lf (n)− 28[dB] (3.7)

con

N =

28 abitativo30 ufficio22 commerciale

: coefficiente di perdita di segnale in [dB]

Lf =

4n abitativo15 + 4(n− 1) ufficio6 + 3(n− 1) commerciale

n : numero di piani tra base station ed UE, n ≥ 1

f : frequenza [MHz]d : distanza [m], con d > 1

3.3.3 Building Propagation Loss ModelIl modello di propagazione BuildingPropagationLossModel inserito nel modulo Buildings

contiene un insieme aggiuntivo di pathloss che possono essere considerati nel calcolo della per-dita di segnale con presenza di edifici.La componente External Wall Loss (EWL) descrive il guadagno negativo in dB nel caso il segnaledebba attraversare il muro esterno di un edificio. I valori sono tratti da [46]:

• legno ∼ 4 dB

• calcestruzzo con finestre (non metallizzate) ∼ 7 dB

• calcestruzzo senza finestre ∼ 15 dB

• pietra ∼ 12 dB

La classe BuildingPropagationLossModel e stata modificata aggiungendo un quintovalore per descrivere approssimativamente murature completamente isolanti per le radiofrequen-ze:


• isolato ∼ praticamente infinito (non corrisponde a una situazione realistica ma e interes-sante dal punto di vista simulativo)

La componente Internal Wall Loss (IWL) invece modella il pathloss all’interno degli edifici edipende dalla distanza tra i dispositivi in termini di stanze.La componente Height Gain (HG) considera il guadagno dovuto all’altezza dell’antenna nellecomunicazioni macrocella-UE. Viene stimato in 2 dB per piano, richiamando [47].Infine viene modellato anche lo shadowing dovuto ad edifici o altri ostacoli. Si utilizza unadistribuzione log-normale con una deviazione standard variabile a seconda delle caratteristichedel collegamento. Il simulatore prevede tre possibili scenari per la deviazione standard e generaun valore σ ogni volta che viene attivato un collegamento tra un UE e una cella, a seconda dellaposizione reciproca:

• σO Shadowing all’esterno degli edifici nel caso in cui entrambi i dispositivi siano all’ester-no

• σI Shadowing all’interno degli edifici se entrambi i dispositivi sono dentro gli edifici

• σIO =√σ2O + σ2

W Se un dispositivo e interno e l’altro esterno vanno applicati σW , sha-dowing dovuto a penetrazione nei muri esterni, e σO. Si considera la deviazione standarddi una variabile Z = X + Y con X ∼ N(0, σ2

O) e Y ∼ N(0, σ2W ). Essendo la somma di

normali una normale, Z ∼ N(0, σ2O +σ2

W ) e quindi la deviazione standard in quest’ultimoscenario e proprio σIO.

3.3.4 Position Allocator

Il modulo Buildings dispone di una classe helper che consente di allocare all’interno degliedifici dei nodi, siano questi home-eNB o UE. Questa classe dialoga con il gestore della mobilita,che tiene traccia della posizione nei tre assi di ciascun nodo ed eventualmente della velocita concui si spostano. La classe BuildingsMobilityClass, derivata da MobilityModel dins-3, gestisce i seguenti dati:

• nodo all’esterno

• nodo all’interno, contestualmente in quale edificio e in quale stanza si trova con indici x, yper le stanze e z per il piano

L’helper BuildingsPositionAllocator usa tale classe per posizionare le femtocelle inmodo casuale all’interno degli edifici (metodo RandomBuildingPositionAllocator) epoi scegliere se disporre gli UE negli stessi appartamenti con SameRoomPositionAllocatoro nello stesso edificio, grazie alla modifica introdotta aggiungendo il metodoSameBuildingPositionAllocator.


3.4 Implementazione della simulazione

Obiettivo della simulazioneCon questa simulazione si vuole studiare come varia il throughput della rete eterogenea se

viene utilizzata o meno una ripartizione degli utenti con le femtocelle. Sono stati individuati trescenari e per ciascuno sono state effettuate dieci simulazioni. Poi, tenendo fisso il numero diutenti serviti dalle femtocelle e aumentando quello degli UE collegati alla macrocella, vengonoripetute le dieci simulazioni. I tre scenari sono:

1. Exclusive allocation rete ad un livello con sole macrocelle, tutti gli utenti sono connessialla eNB.

2. Shared rete eterogenea a due livelli con macrocelle e femtocelle, gli utenti all’esterno sonoconnessi alla eNB mentre quelli all’interno alle home-eNB (ovvero i FAP) e lo spettro ediviso tra i due livelli.

3. Reuse come 2. ma con edifici caratterizzati dall’avere muri isolanti alle radiofrequenze elo spettro riutilizzato interamente da ogni cella.

Simulazione della reteLe simulazioni sono state effettuate su una macchina virtuale con GNU/Linux Ubuntu 12.04

a 64 bit come sistema operativo, installata su un computer con un processore i7 e 6 GB di RAMallocati alla macchina virtuale.Per simulare la rete e stata scritta una classe in C++ che riceve come parametri da linea dicomando:

• -epc = boolean stabilisce se debba essere simulato anche EPC. In questa tesi viene sem-pre impostato a true in quanto interessano le prestazioni end-to-end e non solo quelledell’interfaccia radio.

• -nBlocks = integer e il numero di edifici considerati nella simulazione.

• -homeEnbsEnabled = boolean determina se le femtocelle sono accese o spente.

• -isIsolated = boolean dice se gli edifici sono isolati o meno alle radiofrequenze.

Prima della simulazione vengono creati nBlocks edifici, disposti sotto l’area di copertura del-la macrocella, e collocati eNB, home-eNB e UE. Quelli connessi alla macrocella saranno postiall’esterno degli edifici in modo casuale, sempre nell’area coperta dal segnale della macro basestation, mentre gli altri vengono distribuiti casualmente all’interno della abitazioni e connessialla femtocella piu vicina nel caso shared e reuse e alla macrocella in exclusive allocation.Viene poi creata la rete EPC e un nodo che funge da RemoteHost. Su ogni nodo e installato lostack protocollare IP e vengono assegnati gli indirizzi. Nel RemoteHost e installata un’applica-zione UdpClient che genera un traffico UDP saturante verso il PGW e gli UE (ovvero vengono


inviati sempre pacchetti dati). Negli UE e installata l’applicazione PacketSink che riceve econsuma traffico diretto verso un indirizzo IP (quello del terminale mobile) e una particolareporta. Per evitare artefatti nella simulazione dovuti a buffer overflow l’applicazione installatanel nodo remoto e quelle nei dispositivi mobili non si avviano immediatamente all’inizio dellasimulazione ma dopo un tempo casuale τ nell’intervallo τ ∈ [0, 0.01]s.Durante la simulazione non vengono generati file di log ma solamente le tracce (traces) del pro-tocollo Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Questo protocollo gestisce il trasferimentodi traffico dati utente e di controllo. Ha anche altre funzioni che tuttavia non sono implementatein LENA [37, 41].Grazie all’assenza di file di log e alla presenza delle sole traces si puo utilizzare la versione otti-mizzata del codice che consente un notevole risparmio di tempo per completare le simulazioni,molto complesse in termini computazionali per l’elevato numero di dispositivi mobili e trasmet-titori presenti.

Analisi dei datiSono stati analizzati i risultati elaborando il contenuto del file DlPdcpStat.txt che contiene le

statistiche relative al protocollo PDCP in downlink.Per il parsing si e utilizzato uno script in Perl che campiona il throughput η ogni ∆t = 0.25s.Questo viene calcolato in bit/s come:

η =8 ·RxBytesDelay

(3.8)

con

• RxBytes pari alla somma dei byte ricevuti in ∆t dagli UE, inviati dal nodo RemoteHost chesimula la rete esterna

• Delay pari alla somma dei delay in ∆t

Il file di parsing cicla tra t0 e t0+∆t sommando i byte ricevuti e i tempi di latenza. Una volta cheil contatore supera t0 + ∆t aggiorna il file di output con t0 ed η e azzera le somme per ripartirecon un nuovo ciclo con t′0 = t0 + ∆t.Di seguito con un altro script Perl vengono filtrati ulteriormente i risultati e calcolate media edeviazione standard per ciascuna simulazione, infine vengono mediate le dieci simulazioni.

Capitolo 4

Risultati delle simulazioni

Parametro Valore

UE all’interno degli edifici 240UE all’esterno degli edifici 30, 40UE per femtocella 4Edifici 12Appartamenti per piano 6Piani per edificio 3Centro banda downlink 2120 MHzCentro banda uplink 1930 MHzSpaziatura tra le sottoportanti (RE) 15 kHzNumero di RE per RB 12Banda di un RB 180 kHzBanda totale disponibile 100 RBMacro base station 1Potenza trasmissiva eNodeB 47 dBmPotenza trasmissiva home-eNB 23 dBmFigura di rumore di un eNB 5 dBFigura di rumore di un UE 9 dBShadowing log-normale con σI = 1.5, σO = 1Pathloss si veda 3.3

Tabella 4.1: Principali parametri delle simulazioni

4.1 Parametri delle simulazioniNella tabella 4.1 sono riportati i principali parametri della simulazione. Ognuno dei tre scena-

ri e stato simulato con mUE = 30 e mUE=40, dato mUE numero dei dispositivi mobili all’esterno

31


degli edifici.Il primo valore corrisponde ad una situazione in cui il 14.3% delle comunicazioni avviene al-l’esterno e il restante all’interno degli edifici, mentre il secondo valore e ancora piu sbilanciato.Infatti l’88.9% degli UE sono all’interno di edifici. In [8] si afferma che circa l’80% delle comu-nicazioni avviene indoor. L’intento e proprio quello di osservare come varia il throughput nei trescenari e se questo riesce a migliorare negli scenari shared e reuse in presenza di un numero cosıelevato di utenti connessi alle femtocelle, pur in assenza di tecniche di riduzione dell’IFI. Infattitanti utenti interni (e relative femtocelle) creano una notevole interferenza intercella, nonostantei FAP siano isolati dai muri interni degli edifici e con copertura limitata.Gli utenti sono disposti nel quartiere residenziale in figura 4.1. Questo e collocato in un’areacoperta dal segnale della macrocella ed e composto da 12 edifici di 3 piani di area pari a 360m2, di varia forma e destinazione d’uso (abitazione o ufficio). Per calcolare il numero di utentiall’interno delle abitazioni si e fatto riferimento a [48]. Si e stimato un massimo di 925 abitantinel quartiere e si e ipotizzato che un 30% utilizzi un dispositivo mobile che genera traffico datidurante la simulazione.Le due colonne centrali di edifici sono separate dalle altre da pertinenze (es: giardini) e una stra-da per uno spazio di circa 30 m. Gli utenti sono disposti casualmente all’inizio della simulazionee non cambiano la propria posizione durante lo svolgimento della stessa.

Figura 4.1: Disposizione degli edifici durante la simulazione

L’allocazione delle risorse a macrocella e femtocelle e fatta in modo statico e varia da scena-rio a scenario, come descritto nella figura 4.2. Nello scenario exclusive allocation (non presente

Capitolo 4. Risultati delle simulazioni 33

in figura) tutte le risorse sono a disposizione dell’unica cella presente, la macrocella. Nel secondoscenario (shared) invece c’e un’allocazione dedicata per le le femtocelle e la macrocella, che sidividono lo spettro a meta (50 RB a ciascun livello di rete). In reuse invece si sfrutta l’isolamentodegli edifici per utilizzare la condivisione di risorse data dal co-channel assignment.

(a) scenario shared

(b) scenario reuse

Figura 4.2: Modalita di allocazione delle risorse nelle simulazioni

4.2 Andamento temporale del throughput

I primi due grafici proposti descrivono l’andamento temporale del throughput totale della reteeterogenea durante una realizzazione delle simulazioni. In ascissa e presente il tempo t in s, inordinata il throughput in Mb/s.Nel grafico in figura 4.3 ci sono le curve dei tre scenari proposti con il numero di utenti collegatialla macrocella pari a 40, mentre in figura 4.4 il numero di utenti esterni e pari a 30.Nell’andamento temporale si osserva un breve transitorio iniziale di circa 0.75 s, che e statoescluso dal calcolo della media temporale. Di seguito l’andamento del throughput si stabilizzaattorno ad un valore medio che sara graficato nelle prossime sezioni.Il throughput dello scenario shared e caratterizzato da un andamento frastagliato. Questo sipuo spiegare con la presenza di un’elevata interferenza intercella che genera profonde differenzenella qualita del segnale dei diversi utenti. Al tempo t lo scheduler alloca le risorse agli utenti chenell’intervallo precedente hanno avuto il throughput peggiore, ovvero a quelli che probabilmentehanno avuto un cattivo collegamento alla cella. Questo resta di scarsa qualita anche nel TTId’interesse essendo gli utenti fermi. Pertanto nel momento in cui la banda viene allocata adutenti con link non ottimale si verificano i picchi negativi nel throughput.Nello scenario reuse questa interferenza all’interno degli edifici resta, ma le femtocelle possono


allocare l’intera banda (100 RB) quindi le prestazioni migliorano in media e i picchi diventanomeno ampi.

Figura 4.3: Andamento temporale del throughput per una simulazione con mUE=40

Figura 4.4: Andamento temporale del throughput per una simulazione con mUE=30


4.3 Confronto tra i tre scenari

La seconda coppia di grafici proposti mostra in ascissa le dieci iterazioni delle simulazionie in ordinata il valore medio nel tempo del throughput di ciascuna simulazione. In figura 4.5i risultati per il numero di utenti esterni pari a 40, nel secondo grafico in figura 4.6 gli utentidisposti fuori dagli edifici sono invece 30. Vengono riportati anche il valore medio delle diecisimulazioni e la deviazione standard per ciascuna realizzazione. Le barre d’errore riportano piue meno la deviazione standard rispetto al valore medio nel tempo. La deviazione standard e statacalcolata come la radice della varianza di una variabile aleatoria che descrive i valori medi assuntidal throughput in intervalli di 1.5 s. Si e osservato che filtrando i risultati per intervalli superioria 1.5 s il valore della deviazione standard sarebbe stato inferiore all’1% e non apprezzabile neigrafici di figura 4.5 e 4.6.La prima osservazione e che cosı come nei grafici temporali della sezione precedente il through-put migliora passando dallo scenario exclusive allocation allo scenario shared e ancora di piuconsiderando il terzo scenario (reuse) in ciascuna delle dieci realizzazioni e in media.Quest’ultimo risultato era atteso: in reuse entrambi i livelli della rete hanno a disposizione l’inte-ra banda senza soffrire di interferenza interlivello per la tipologia di edificio in cui le femtocellesono inserite. Al contrario, in shared per evitare l’interferenza macro-femtocella si utilizza un’as-segnazione di risorse dedicate e in exclusive allocation e presente un solo livello di rete, quindimanca il riutilizzo delle frequenze portato dalle femtocelle con conseguente aumento della capa-cita.Tuttavia nella simulazione non vengono utilizzate tecniche per ridurre l’intercell interference(IFI), pertanto l’elevata interferenza tra femtocelle vicine avrebbe potuto ridurre notevolmente leprestazioni in reuse. L’utilizzo di uno scheduler che non ha come obiettivo il throughput mas-simo ma la fairness, ovvero che consente l’interazione di ogni utente, garantisce che le risorsenon siano allocate solamente agli UE con link migliore. Quindi il valore del throughput non efalsato dalle ottime prestazioni di un singolo utente che magari si trova vicino all’antenna e lacui interferenza con altre celle e minima, ma e dato dalla prestazione complessiva della rete.Si osserva pertanto che nonostante l’elevata densita di UE interni e di femtocelle presenti ilthroughput migliora con la rete eterogenea e come questa risulti una soluzione vincente rispettoalla rete con la sola macrocella. Inoltre il miglioramento dato dall’isolamento degli edifici puoindirizzare lo sviluppo di tecnologie con la funzionalita di isolante per l’applicazione all’internodi edifici in cui si utilizzino femtocelle, e, allo stesso tempo, mostra come con le dovute tecnichedi cancellazione dell’interferenza interlivello, oppure nei casi in cui il segnale della macrocellasia debole, l’utilizzo del co-channel assignment sia preferibile rispetto alle altre modalita di al-locazione della banda.Il confronto tra exclusive allocation e shared non coinvolge edifici perfettamente isolati all’am-biente radio esterno e pertanto si presenta come piu realistico. La banda totale a disposizione noncambia e resta sempre pari a 100 RB, sia nel caso in cui vengano allocati tutti alla macrocellacome in exclusive allocation, sia nell’eventualita di una divisione dello spettro tra femtocelle emacrocella come in shared. In particolar modo per l’assegnazione delle risorse in questo secon-do scenario si e scelto il valore di ρ che massimizza la capacita totale della macrocella secondo[23].


Le femtocelle presenti sono circa 60, ovvero circa 5 per edificio. Le simulazioni evidenzianocome in shared il riutilizzo delle frequenze che i FAP effettuano porti notevoli benefici alla retee come l’interferenza intercella sia limitata, cosı come in reuse, ovvero non tale da rovinare leprestazioni a valori inferiori allo scenario exclusive allocation, senza femtocelle. Pertanto si puoevidenziare come anche il semplice utilizzo di femtocelle con allocazione dedicata migliori leprestazioni della rete, nonostante l’assenza di tecniche per evitare l’IFI.Infine si puo osservare che l’andamento frastagliato del throughput di shared dei grafici tempora-li di figura 4.3 e 4.4 ha come conseguenza una deviazione standard di questo scenario maggiorerispetto a quella degli altri due.

Figura 4.5: Throughput di dieci simulazioni e media per ciascuno dei tre scenari con mUE=40.Le barre d’errore rappresentano± la deviazione standard rispetto a ogni valore medio, calcolatafiltrando il segnale a 1.5 s


Figura 4.6: Throughput di dieci simulazioni e media per ciascuno dei tre scenari con mUE=30.Le barre d’errore rappresentano± la deviazione standard rispetto a ogni valore medio, calcolatafiltrando il segnale a 1.5 s

4.4 Confronto per diversi valori di mUEIl terzo ed ultimo gruppo di grafici mostra il confronto tra le simulazioni per i due differenti

valori di utenti collegati alla macrocella, scenario per scenario. Il numero di utenti interni agliedifici invece non varia. In ascissa si trovano le dieci realizzazioni delle simulazioni mentre inordinata sono presenti i valori del throughput e la media dei dieci valori. Le barre d’errore rap-presentano piu e meno la deviazione standard rispetto a ciascun valore medio. Questa e statacalcolata filtrando il throughput nel tempo a intervalli di 1.5 s a seguito delle considerazioni ri-portate nella sezione precedente. Tuttavia nel grafico in figura 4.8 si rende necessario distanziarein ascissa le simulazioni per i due diversi valori di utenti esterni, altrimenti i valori in ordinatarisulterebbero sovrapposti rendendo di difficile lettura il grafico.Nella figura 4.7 si osserva un peggioramento delle prestazioni della rete con sola macrocella aldiminuire del numero di utenti esterni. Questo puo essere spiegato ricordando che nel primoscenario (exclusive allocation) sono presenti molti utenti (nell’ordine di 250 - 300) e sono tutticonnessi alla macrocella. Si tratta di una rete fortemente congestionata e diminuendo gli uten-


ti serviti dalla macrocella, ovvero quelli con il collegamento migliore, diminuisce la media delthroughput come conseguenza del funzionamento dello scheduler.Invece negli altri due scenari in figura 4.8 e 4.9, rispettivamente shared e reuse, le prestazionimigliorano al diminuire del numero di utenti agganciati alla femtocella. Anche questo risultatoe atteso: la macrocella non e piu in saturazione in quanto serve meno di 50 utenti. Se diminuisceil numero di UE agganciati alla macrocella aumenta il numero di RB disponibile a ciascuno, sianello scenario shared ma ancor di piu nell’ultimo, reuse. Infatti la banda disponibile agli utentiesterni raddoppia in questo terzo scenario.

Figura 4.7: Throughput di dieci simulazioni e media per lo scenario exclusive allocation alvariare di mUE. Le barre d’errore rappresentano± la deviazione standard rispetto a ogni valoremedio, calcolata filtrando il segnale a 1.5 s.


Figura 4.8: Throughput di dieci simulazioni e media per lo scenario shared al variare di mUE.Le barre d’errore rappresentano± la deviazione standard rispetto a ogni valore medio, calcolatafiltrando il segnale a 1.5 s.

Figura 4.9: Throughput di dieci simulazioni e media per lo scenario reuse al variare di mUE. Lebarre d’errore rappresentano ± la deviazione standard rispetto a ogni valore medio, calcolatafiltrando il segnale a 1.5 s.

Capitolo 5

Conclusioni e sviluppi futuri

In questa tesi sono stati presentati i vantaggi dell’utilizzo di una rete eterogenea con femto-celle nel contesto delle reti LTE. Sono state esposte varie modalita di allocazione dello spettro aidue livelli della rete (allocazione dedicata, risorse condivise e una soluzione ibrida) e tecniche digestione dell’interferenza. Si e evidenziato come le femtocelle contribuiscano al riutilizzo dellefrequenze e all’off-loading della macrocella in modo tale da migliorare le prestazioni della retenel complesso.

Queste affermazioni sono state supportate da una campagna simulativa che ha confrontato trediversi scenari, senza femtocelle e con l’intera banda allocata alla macrocella (exclusive alloca-tion), con le femtocelle e la divisione dello spettro tra i due livelli della rete (shared) e infine conle femtocelle all’interno di edifici isolati alle radiofrequenze e il riutilizzo completo della bandain ogni cella (reuse). Si e osservato che il throughput della rete migliora da exclusive allocationa shared e ancor di piu in reuse, suggerendo come l’obiettivo da perseguire nello sviluppo diqueste tecnologie sia una robusta gestione dell’interferenza per consentire il riutilizzo completodello spettro nei due livelli della rete.

Sviluppi futuri

In questo elaborato le risorse sono state allocate in modo statico ai due livelli della rete. Saracertamente interessante studiare come varino le prestazioni in presenza di possibili sbilanciamen-ti della rete e di variazioni nel numero di utenti che vengono serviti da femtocelle e macrocelle.Pertanto si potra implementare un algoritmo di gestione dinamica dello spettro che consente divariare la quantita di banda destinata all’uno e all’altro livello, in un contesto di allocazione de-dicata delle risorse.In secondo luogo si puo considerare un approccio ibrido con una parte di spettro condivisa tralivelli e un’altra dedicata esclusivamente alla macrocella e alla femtocelle.Infine si potrebbero implementare in LENA tecniche di riduzione dell’interferenza tra femtocel-le come quella descritta in [8] e di gestione dinamica dell’interferenza con le macrocelle [32] in

41


modo tale da valutare le prestazioni di un riutilizzo completo della banda nei due livelli della reteeterogenea in edifici reali, ovvero non isolati alle radiofrequenze.

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