Approccio Cross-Layer per l assegnazione di risorse in sistemi wireless. Seminario a cura dell ing. Diego Piazza

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1 Approccio Cross-Layer per l assegnazione di risorse in sistemi wireless Seminario a cura dell ing. Diego Piazza

2 Sommario Introduzione all approccio Cross-Layer Livello fisico e MAC in sistemi wireless Fading e shadowing in canali wireless Multiuser Diversity Proportional Fair Scheduling Cenni su Opportunistic Beamforming

3 Livelli ISO/OSI Standard per la comunicazione in sistemi aperti Ogni livello comunica con gli adiacenti attraverso Point of Service INDIPENDENZA DI PROGETTAZIONE TRA I LIVELLI

4 Cross-Layer Non più progetto indipendente di ciascun livello Interazione tra i livelli Definizione: To fully optimize wireless broadband networks, both the challenges from the physical medium and the QoS-demands from the applications have to be taken into account. Rate, power and coding at the physical layer can be adapted to meet the requirements of the applications given the current channel and network conditions. Knowledge has to be shared between (all) layers to obtain the highest possible adaptivity.

5 Cross-Layer (2) Esempio: applicazione video wireless Possiamo adattare il video data rate alle condizioni del canale Possiamo adattare modulazione e codifica di canale alle esigenze del video Possiamo assegnare le risorse radio a seconda dello stato del buffer dell applicazione POSSIAMO OTTIMIZZARE CONGIUNTAMENTE?

6 Livello fisico e MAC sistemi Wireless Esempio: downlink sistema cellulare

7 Livello fisico sistemi Wireless Fenomeni principali che caratterizzano il livello fisico dei sistemi wireless sono: fading e shadowing lo shadowing consiste in una variazione lenta della potenza del segnale ricevuto dal radiomobile in ragione di una variazione del mezzo trasmissivo (es. ostacoli ecc..) il fading consiste in una variazione veloce della potenza del segnale ricevuto dal radiomobile ed è causato dal cosidetto multipath

8 Rayleigh Fading Le componenti indipendenti di multipath si sommano al ricevitore ciascuna con propria fase e ampiezza

9 Rayleigh Fading (2) Le componenti di multipath si sommano in fase e controfase causando fluttuazioni e deep fade Contromisure tradizionali: fading margin in fase di progettazione del link budget interleaving & block coding per combattere i burst di errori diversità (spaziale e/o temporale) Obiettivo: presentare ai livelli OSI sovrastanti un canale (segnale, BER..) il più possibile costante

10 Livello MAC L accesso al canale in sistemi wireless è regolato da protocolli consolidati Alcuni esempi: TDMA dove l accesso al canale (time slot) è garantito all interno della trama di livello MAC per ogni utente (es. GSM) CSMA dove l accesso al canale condiviso è basato sul meccanismo del carrier sense. E il meccanismo usato soprattutto in reti distribuite dove non esiste un controllo centrale ed anche in alcuni standard wireless (es. WiFi)

11 Cross-layer livello fisico/mac informazioni di livello fisico (es. SNR) sono scambiate a livello MAC dal protocollo di accesso al canale, il cosiddetto scheduler Allocazione adattativa delle risorse (radio)

12 Scheduling Tradizionalmente il livello MAC consegna ai livelli superiori un service time/rate il più possibile costante Secondo una logica Cross-Layer lo scheduling può prendere in considerazione il feedback degli utenti riguardo la qualità del canale per decidere quale radiomobile può accedere al canale Il canale viene assegnato all utente che ha un canale migliore

13 Multiuser Diversity Quali tipi di diversità esistono: spazio (es. uso di più antenne in ricezione) tempo (es. trasmissione di informazione ridondante e interleaving) Nella diversità di spazio più semplice si sceglie l antenna il cui segnale è migliore Se Po è la probabilità di outage sul link, la diversità spaziale (2 antenne) da una probabilità di outage Po 2 << Po

14 Multiuser Diversity (2) La multiuser diversity agisce nello spazio degli utenti

15 Multiuser Diversity (3) Nuova forma di diversità che usa lo spazio degli utenti per migliorare il throughput totale della rete

16 Fairness e Latenza Per fairness si intende distribuzione equa delle risorse a tutti gli utenti della rete

17 Fairness e Latenza (2) Gli utenti di una rete cellulare hanno, in generale, statistiche di canale diverse. In particolare la potenza di segnale ricevuto varia in media da utente a utente. Assegnare il canale sempre all utente migliore può escludere alcuni utenti o portare a livelli di latenza non tollerabili dalle applicazioni (livelli ISO/OSI superiori) Nasce il Porportional Fair Scheduling

18 Proportional Fair Scheduling Ad ogni slot t, dati 1) I throughput medi (su slot) 2) I rate richiesti dagli utenti la BS trasmette all utente k* con il rapporto più grande. T k ( t +1) Si aggiorna = 1 1 t c 1 t 1 t c c R T k T k T1 ( t),.., TN ( t) ( t ),.., R ( ) 1 N t R ( t) + ( t) k ( t) t c R T k k ( t) ( t) k = k* k k*

19 Statistiche di canale e PF scheduling Rate e ampezza delle fluttuazioni del canale sono indispensabili per avere multiuser diversity Accesso radio fisso, sistemi con LOS (line of sight) canale molto lentamente variabile e fluttuazioni minime (Es. Statistica di RICE) Sistemi con schiere di antenne livellano il canale

20 Statistiche di canale e PF scheduling (3)

21 Beamforming Può essere usato per limitare l interferenza cocanale o per realizzare sofisticati algoritmi di spatial-multiplexing Il beamforming è un filtro spaziale con N-1 gradi di libertà, dove N è il numero di antenne

22 Beamforming I segnali alle N antenne sono combinati con opportuni pesi in modo lineare Null steering: zeri sulle N-1 direzioni interferenti Statistici: filtri di Wiener, Max SINR

23 Opportunistic Beamforming In un sistema con K antenne trasmittenti si generano sfasamenti casuali che al ricevitore risultano in fluttuazioni di segnale. α(t) X h k 1 ( t) 1 α( t) e jφ( t) X h k 2 ( t) utente k

24 Opportunistic Beamforming (2) PRIMA DOPO