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Evaluaci贸n de Mecanismos de Asignaci贸n de Base en Redes WCDMA con Limitaci贸n de Capacidad en la Red de Transporte
El despliegue de los sistemas de tercera generaci贸n (3G) ha incrementado tanto el n煤mero de
suscriptores m贸viles como el de redes operativas alrededor del mundo. Esta creciente demanda de
servicios de tr谩fico de datos impone nuevos requerimientos en el ancho de banda en la red de transporte
que interconecta las estaciones base y los controladores radio en la red de acceso radio. A esta
infraestructura de transporte se le denominada backhaul. En la actualidad, los operadores de telefon铆a
m贸vil se encuentran en la b煤squeda de soluciones con buena relaci贸n coste-beneficio que posibiliten
maximizar la eficiencia del uso de recursos existentes en el backhaul, ya que su implantaci贸n, gesti贸n y
mantenimiento contribuyen de forma significativa al coste total de operaci贸n y mantenimiento de las redes
de acceso m贸viles.
En este trabajo se plantea una estrategia de asignaci贸n de base capaz de balancear el tr谩fico generado
en una red celular WCDMA, con el objetivo de prevenir situaciones de congesti贸n presentes en redes con
limitaci贸n de capacidad en el backhaul. En particular, la estrategia propuesta Backhaul-aware incorpora el
estado de la capacidad, tanto de la interfaz radio como de la red de transporte, en el proceso de
asignaci贸n de usuarios a estaciones base.
Se ha modelado un sistema que permite analizar el problema de asignaci贸n de base y simular las
distintas estrategias. De este modo se ha evaluado y comparado el rendimiento de la estrategia
Backhaul-aware en distintos entornos. Inicialmente se han considerado escenarios simplificados en los
que todos los usuarios solicitan un servicio con la misma tasa de transmisi贸n y la red tiene una capacidad
de transporte homog茅nea en todas las estaciones base. Una vez se ha constatado la mejora que aporta
la estrategia propuesta, se ha a帽adido complejidad al sistema simulando entornos multiservicios, con una
capacidad de transporte no homog茅nea en las estaciones base y con la posibilidad de priorizar una de
las tasas de transmisi贸n.
Los resultados de simulaci贸n obtenidos revelan que la estrategia de asignaci贸n de base propuesta
mejora de manera sustancial a las estrategias de asignaci贸n que se basan exclusivamente en criterios
radio, en t茅rminos del grado de satisfacci贸n de los usuarios y del porcentaje de soluciones de asignaci贸n
factibles
Evaluaci贸n de Mecanismos de Asignaci贸n de Base en Redes WCDMA con Limitaci贸n de Capacidad en la Red de Transporte
El despliegue de los sistemas de tercera generaci贸n (3G) ha incrementado tanto el n煤mero de
suscriptores m贸viles como el de redes operativas alrededor del mundo. Esta creciente demanda de
servicios de tr谩fico de datos impone nuevos requerimientos en el ancho de banda en la red de transporte
que interconecta las estaciones base y los controladores radio en la red de acceso radio. A esta
infraestructura de transporte se le denominada backhaul. En la actualidad, los operadores de telefon铆a
m贸vil se encuentran en la b煤squeda de soluciones con buena relaci贸n coste-beneficio que posibiliten
maximizar la eficiencia del uso de recursos existentes en el backhaul, ya que su implantaci贸n, gesti贸n y
mantenimiento contribuyen de forma significativa al coste total de operaci贸n y mantenimiento de las redes
de acceso m贸viles.
En este trabajo se plantea una estrategia de asignaci贸n de base capaz de balancear el tr谩fico generado
en una red celular WCDMA, con el objetivo de prevenir situaciones de congesti贸n presentes en redes con
limitaci贸n de capacidad en el backhaul. En particular, la estrategia propuesta Backhaul-aware incorpora el
estado de la capacidad, tanto de la interfaz radio como de la red de transporte, en el proceso de
asignaci贸n de usuarios a estaciones base.
Se ha modelado un sistema que permite analizar el problema de asignaci贸n de base y simular las
distintas estrategias. De este modo se ha evaluado y comparado el rendimiento de la estrategia
Backhaul-aware en distintos entornos. Inicialmente se han considerado escenarios simplificados en los
que todos los usuarios solicitan un servicio con la misma tasa de transmisi贸n y la red tiene una capacidad
de transporte homog茅nea en todas las estaciones base. Una vez se ha constatado la mejora que aporta
la estrategia propuesta, se ha a帽adido complejidad al sistema simulando entornos multiservicios, con una
capacidad de transporte no homog茅nea en las estaciones base y con la posibilidad de priorizar una de
las tasas de transmisi贸n.
Los resultados de simulaci贸n obtenidos revelan que la estrategia de asignaci贸n de base propuesta
mejora de manera sustancial a las estrategias de asignaci贸n que se basan exclusivamente en criterios
radio, en t茅rminos del grado de satisfacci贸n de los usuarios y del porcentaje de soluciones de asignaci贸n
factibles
Contribution to resource management in cellular access networks with limited backhaul capacity
La interfaz radio de los sistemas de comunicaciones m贸viles es normalmente considerada como
la 煤nica limitaci贸n de capacidad en la red de acceso radio. Sin embargo, a medida que se van
desplegando nuevas y m谩s eficientes interfaces radio, y de que el tr谩fico de datos y multimedia va
en aumento, existe la creciente preocupaci贸n de que la infraestructura de transporte (backhaul) de
la red celular pueda convertirse en el cuello de botella en algunos escenarios. En este contexto, la
tesis se centra en el desarrollo de t茅cnicas de gesti贸n de recursos que consideran de manera
conjunta la gesti贸n de recursos en la interfaz radio y el backhaul. Esto conduce a un nuevo
paradigma donde los recursos del backhaul se consideran no s贸lo en la etapa de dimensionamiento,
sino que adem谩s son incluidos en la problem谩tica de gesti贸n de recursos.
Sobre esta base, el primer objetivo de la tesis consiste en evaluar los requerimientos de
capacidad en las redes de acceso radio que usan IP como tecnolog铆a de transporte, de acuerdo a las
recientes tendencias de la arquitectura de red. En particular, se analiza el impacto que tiene una
soluci贸n de transporte basada en IP sobre la capacidad de transporte necesaria para satisfacer los
requisitos de calidad de servicio en la red de acceso. La evaluaci贸n se realiza en el contexto de la
red de acceso radio de UMTS, donde se proporciona una caracterizaci贸n detallada de la interfaz
Iub. El an谩lisis de requerimientos de capacidad se lleva a cabo para dos diferentes escenarios:
canales dedicados y canales de alta velocidad. Posteriormente, con el objetivo de aprovechar
totalmente los recursos disponibles en el acceso radio y el backhaul, esta tesis propone un marco de
gesti贸n conjunta de recursos donde la idea principal consiste en incorporar las m茅tricas de la red de
transporte dentro del problema de gesti贸n de recursos. A fin de evaluar los beneficios del marco de
gesti贸n de recursos propuesto, esta tesis se centra en la evaluaci贸n del problema de asignaci贸n de
base, como estrategia para distribuir el tr谩fico entre las estaciones base en funci贸n de los niveles de
carga tanto en la interfaz radio como en el backhaul. Este problema se analiza inicialmente
considerando una red de acceso radio gen茅rica, mediante la definici贸n de un modelo anal铆tico
basado en cadenas de Markov. Dicho modelo permite calcular la ganancia de capacidad que puede
alcanzar la estrategia de asignaci贸n de base propuesta. Posteriormente, el an谩lisis de la estrategia
propuesta se extiende considerando tecnolog铆as espec铆ficas de acceso radio. En particular, en el
contexto de redes WCDMA se desarrolla un algoritmo de asignaci贸n de base basado en simulatedannealing
cuyo objetivo es maximizar una funci贸n de utilidad que refleja el grado de satisfacci贸n
de las asignaciones respecto los recursos radio y transporte. Finalmente, esta tesis aborda el dise帽o
y evaluaci贸n de un algoritmo de asignaci贸n de base para los futuros sistemas de banda ancha
basados en OFDMA. En este caso, el problema de asignaci贸n de base se modela como un problema
de optimizaci贸n mediante el uso de un marco de funciones de utilidad y funciones de coste de
recursos. El problema planteado, que considera que existen restricciones de recursos tanto en la
interfaz radio como en el backhaul, es mapeado a un problema de optimizaci贸n conocido como
Multiple-Choice Multidimensional Knapsack Problem (MMKP). Posteriormente, se desarrolla un
algoritmo de asignaci贸n de base heur铆stico, el cual es evaluado y comparado con esquemas de
asignaci贸n basados exclusivamente en criterios radio. El algoritmo concebido se basa en el uso de
los multiplicadores de Lagrange y est谩 dise帽ado para aprovechar de manera simult谩nea el balanceo
de carga en la intefaz radio y el backhaul.Postprint (published version