La Radio Cognitiva (CR) emerge como una posible solución al problema del uso ineficiente de espectro ocasionado por una política de asignación fija de frecuencias. De entre los mecanismos facilitados por CR destaca el acceso dinámico al espectro donde se pretende hacer un uso oportunista de ciertas bandas licenciadas a otros servicios siempre y cuando éstas estén disponibles. Dicha operación requiere de una consciencia espectral para no provocar interferencias con los sistemas licenciados en dichas bandas. En este escenario, cobra especial relevancia el estudio de sistemas de comunicaciones móviles capaces de mejorar su rendimiento mediante el acceso cognitivo a bandas adicionales a las ya asignadas. En el contexto del proyecto CORAGE (COgnitive RAdio GEneration), este trabajo aborda la viabilidad y el rendimiento de un sistema basado en el estándar LTE (Long Term Evolution) capaz de operar de forma cognitiva en las bandas correspondientes al dividendo digital y al sistema TETRA (TErrestrial Trunked RAdio). Para ello, un estudio basado en simulación ha sido llevado a cabo con el objetivo de evaluar las prestaciones de dicho sistema cognitivo. Para dicha evaluación, se ha considerado un servicio de transmisión de video a distintos niveles de calidad, dado su alto requerimiento en cuanto a recursos, bajo la premisa de alta carga o congestión. Los resultados obtenidos sobre un despliegue real de LTE en la Comunidad de Murcia demuestran que el sistema cognitivo es capaz de sacar un mayor rendimiento al ancho de banda disponible. Este mayor rendimiento del sistema CORAGE se traduce no sólo en una mayor tasa transmitida, sino también en unas mejores prestaciones extremo a extremo del servicio de transmisión de vídeo.

1. Análisis de Viabilidad y
Rendimiento de un
Sistema LTE Cognitivo
Carlos Herranz Claveras
Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia
(iTEAM) – Grupo de Comunicaciones Móviles (MCG)
carhercl@iteam.upv.es

2. Índice
• Introducción
• Arquitectura
• Escenario de simulación
• Simulador
• Resultados
• Conclusiones

3. Introducción

4. Introducción
• El espectro radioeléctrico es un recurso natural
escaso e infrautilizado
– Razón: un anticuado e ineficiente plan de reparto fijo de
las bandas de frecuencia a sistemas licenciados.
– Ejemplo: La banda de TV.
• Radio Cognitiva, en inglés Cognitive Radio (CR)
– Solución al uso ineficiente del espectro.
– Toma consciencia del estado de la banda y hace uso
oportunista de ella.

5. Introducción
• Objetivo: aumentar la capacidad de sistemas IMT-Advanced
– Viabilidad de sistemas LTE-Advanced (LTE-A) operando en el dividendo
digital y haciendo uso oportunista del espectro disponible.
Uso cognitivo LTE Uso licenciado LTE Uso
cognitivo
LTE
B3 B2 B1 B4
– Explotar la denominada Agregación de Espectro (Carrier Aggregation)
de la tecnología LTE-A.
• Proyecto CORAGE (COgnitive RAdio GEneration) enmarcado
dentro del programa Avanza I+D.

6. Arquitectura

7. Arquitectura
Internet PSTN-MobNets Redes de Emergencias/Seguridad
Servicios
IMS- Control de Sesión
Pasarela Cognitive Radio Control
TETRA-IMS
OAM (LTE) LTE ePC
TETRA CN
DVB-T/DVB-H CORAGE (LTE) RAN
TETRA RAN
Terminales
Terminales LTE
TETRA Terminales
CORAGE
- LTE
- TETRA DMO
- Wi-fi DMO
- Piloto Cognitivo
• Requisitos exigidos por el sistema CORAGE
 Interoperabilidad entre los diferentes sistemas.
 Mecanismos de coordinación y asignación dinámica y flexible de
espectro.
 Proporcionar la información necesaria en términos de recursos radio
disponibles en una posición determinada.

8. Arquitectura
• Adaptar la frecuencia de trabajo y ancho de banda al uso del
espectro por parte de otros servicios y a las condiciones de
interferencia radio.
• Tomar conciencia del estado del espectro no licenciado
– Bases de datos geo-localizadas.
– Sensado de espectro.
– Piloto cognitivo.
user1 user2 user3
RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 ... RBn
TTI=1
TTI=2
TTI=3 Durante Tsens=2xTTI Tsens
TTI=4 los usuarios sensan
Ts
TTI=5
TTI=6
TTI=7 Durante Tsens=2xTTI
TTI=8 los usuarios sensan

9. Escenario de simulación

10. Escenario de simulación
• Despliegue en la Región de Murcia.
– 37 eNB (eNode B) con tecnología LTE
– 16 comparten emplazamiento con transmisores DVB-T y 21 con
emisores TETRA.
• Información real disponible
– Posición geográfica del emplazamiento
– Altura del terreno y de las antenas
– Direcciones acimutales de los sectores (o celdas)
– Inclinaciones (tilts) de las antenas
– Diagramas de radiación
– Potencias de transmisión
– Anchos de banda LTE disponibles (1.4, 3, 5, 10 y 15 MHz)
– Mapas de cobertura LTE y DVB-T, con el fin de identificar qué celdas no están
siendo interferidas por DVB-T.

11. Escenario de simulación
• Estudio del enlace descendente.
– Usuarios full-buffer. Uno de ellos recibe un vídeo
• Uso cognitivo
• Estudio de la transmisión de distintos vídeos
Bit-Rate
Tipo Resolución Codificación Contenedor FPS
(kbps)
1 320x240 H.264 MP4 12 65
2 640x480 H.264 MP4 12 200
3 800x600 H.264 MP4 12 750

12. Simulador

13. Simulador
• Capas de enlace y física son • NS2 simula las capas superiores.
simuladas por SPHERE (Simulation – Amplio uso en comunidad
Platform for HEterogeneous wiREless investigadora (networking y
systems). comunicaciones)
– Emulación a nivel de paquete – Trabaja a nivel de paquete
– Especificaciones interfaz radio – Soporta gran número de protocolos a
– Alta resolución temporal diferentes niveles de capa OSI.
– Incluye consideraciones IMT- – Simula redes cableadas e
Advanced inalámbricas.
Node 1 Node 2
Usuario
Final
Fuente de
Punto de
trafico
Acceso
APPLICACION APLICACION
NS-2
TRANSPORTE TRANSPORTE
IP IP
IP IP IP
SPHERE
ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE ENLACE
FISICA FISICA FISICA FISICA FISICA FISICA

14. Resultados

15. Resultados
• Tráfico
Ancho de Banda LTE
de 10 MHz Vídeo #2
600 25
Average Throughput video user (kbps)
Throughput medio / celda (Mbps)
500
20
400
15 LTE
300
LTE+DVB
200 10 LTE+TETRA
100 LTE+TETRA+DVB
5
0
LTE LTE+DVB LTE+TETRA LTE+TETRA+DVB
0
video 1 (360x240) video 2 (600x480) video 3 (800x600) 1,4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz

16. Resultados
• Experiencia de usuario
– Valores de PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) y MOS
(Mean Opinion Score) elevados.
– Retardo medio por frame (ancho de banda LTE = 10 MHz)
50
Retardo medio de frame de vídeo (s)
45
40
35
30
25
20 video 1 (360x240)
15
video 2 (600x480)
10
5 video 3 (800x600)
0

17. Resultados
• Tiempo de sensado
– Ancho de banda de LTE de 5 MHz
– Vídeo #2
250 3,5
Retardo medio de frame vídeo #2 (s)
Throughput medio usuario vídeo #2
3
200
2,5
150 2
(kbps)
100 1,5
1
50
0,5
0 0
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1
Tiempo de sensado (s) Tiempo de sensado (s)

18. Resultados
• Agresividad del sistema
– Comportamiento del sistema en la declaración de canales
libres.
– Ancho de banda de LTE de 5 MHz.
12 0,6
Retardo medio por frame vídeo #2 (s)
Throughput medio / celda (Mbps)
10 0,5
8 0,4
6 0,3
Agresividad Agresividad
4 0,2
2 0,1
0 0,0
Suave Media Fuerte Suave Media Fuerte

19. Conclusiones

20. Conclusiones
• La difusión de vídeo sobre LTE es viable pero está limitado al
ancho de banda del sistema.
• Mecanismos cognitivos permiten ir más allá de las
capacidades que el sistema LTE puede ofrecer.
– Notable incremento del tráfico tanto de celda como de usuario.
– Considerable disminución del retardo de vídeo, alcanzando vídeo en
tiempo real en determinadas configuraciones.
• Fundamental elección de los parámetros cognitivos
– Tiempo de sensado.
• No hacer uso indiscriminado de los recursos licenciados.
– Uso muy agresivo origina numerosas colisiones, degradando las
prestaciones del sistema

21. Gracias por su atención
¿Preguntas?

22. Simulador - Extra
• Co-simulación NS2-SPHERE
 Estructura paquete (PQT) de
TCP Common Estructura del
…... IP Header …... Paquete en ns-2
Header Header
……. …... intercambio NS2-SPHERE
SourceIP PktId
DestinationIP PktSize
TTL PktType • Mapeo de datos PQT NS2 a PQT de
…... ErrorFlag intercambio.
…...
1. Establecimiento conexión con SPHERE
(socket_TCP) para tx de PQT de intercambio
…... Estructura del
XXX PktId PktSize SourceIP DestIP TTL ErrorFlag
Paquete de intercambio • NS2 entra en estado de Bloqueo
2. SPHERE rx el PQT de intercambio lo procesa y lo
myUDP
5
myNull
entrega a SingleServer para que sea solicitado.
ns-2 3. Una vez procesado por SPHERE, tx mensaje
desbloqueo a NS2: Unblock-X (X=#capas a tx)
3 1
4 4. NS2 conexión con SingleServer y pedir el
paquete modificado
SingleClient
2
SingleServer • Una vez NS2 recupera el paquete
proveniente SPHERE: mapeo inverso
SPHERE
5. NS2 llama la función recv() de su target
(myNull) y le pasa el PQT, para continuar el
Comunicación Directa
Comunicación via sockets
proceso a capas superiores