Contribución a la planificación sistémica de redes móviles 4G

El objetivo de esta Tesis consiste en el diseño, implementación y prueba de algoritmos, tanto convencionales –utilizados actualmente en la industria– como otros novedosos basados en Computación Evolutiva, que constituyan una contribución novedosa a la planificación sistémica de redes móviles LTE. En particular, se centra en el dimensionamiento estratégico de la red de acceso de LTE, debido a que constituye aproximadamente el 60% de la inversión total, e incluso una parte más elevada de los gastos OPEX (operating expense). La Tesis establece una novedosa propuesta para el problema de asignación o asociación de usuarios a eNBs (evolved NBs) en LTE. La contribución es este aspecto es doble: por un lado, se plantea un nuevo método para asociar N_U usuarios a N_B eNBs en redes LTE. Consiste éste en modelar la asociación usuario-eNB como un problema de optimización combinatoria en el que la función a minimizar es una métrica novedosa conocida como “Tiempo de descarga total del sistema” –Download Time of the complete System (DTS). La minimización de DTS se traduce en una asignación de usuarios a celdas más eficiente que la que se consigue con métodos convencionales como el basado en maximizar CQI (Channel Quality Indicator) o en balanceo de carga (Load Balancing –LB–). Permite la asignación de usuarios desde celdas que, de otra forma, estarían sobrecargadas a otras con menos carga. Esto tiene un doble beneficio, tanto para el operador como para los usuarios. Por una parte, ayudar al operador de red a utilizar sus recursos de una manera más equilibrada y rentable. Por otra parte, la estrategia propuesta reduce el tiempo de descarga para la mayoría de los usuarios, e introduce cierta equidad en el reparto de recursos. La minimización de DTS es un problema de gran complejidad computacional. Ésta es justamente la razón que ha motivado la segunda contribución de esta Tesis: abordar el problema de la minimización de DTS mediante un algoritmo evolutivo (EA). El aspecto más interesante del EA propuesto es la forma en la que se realiza la codificación de las soluciones (asignaciones usuario-celda) candidatas. El cromosoma es un vector de dimensión N_U en el que cada elemento representa un usuario. El elemento en la posición j contiene cierta información sobre el usuario u_j. Esa información es un número entero que representa a qué eNB de los N_U disponibles se ha asignado dicho usuario. Los operadores de mutación, cruce y selección se han diseñado para que puedan trabajar con esta codificación. El operador de cruce, en particular, es un torneo de todos contra todos. El otro aspecto novedoso de la implementación del algoritmo evolutivo propuesto se encuentra en la población inicial. Como se tiene información de una solución sub-óptima del problema (la proporcionada por el método convencional basado en CQI –que asigna un usuario al eNB para el cual tiene mejor CQI–), se incluye ésta en la población inicial, y el resto de los individuos se genera, básicamente, aplicando los operadores de mutación y cruce sobre esa solución. En cualquier caso, la solución encontrada (asociación de cada usuario a un eNB) es mejor (menor DTS) que la asignación realizada con métodos convencionales. El segundo conjunto de contribuciones de la Tesis consiste en el diseño de una herramienta de planificación estratégica LTE, centrada en el proceso de dimensionado de red en un entorno multiusuario y multiservicio, y en la que se ha integrado en módulo EA de asociación usuario-eNB. Mediante esta integración, dicha herramienta, permite realizar comparativas entre el enfoque propuesto de asignación en base al EA y otros métodos convencionales, integrados en la herramienta, como los basados en CQI y en LB. En concreto, la herramienta tiene (1) una parametrización sencilla y eficaz de los múltiples parámetros de entrada y de la ubicación inicial de los eNB, que (2) permite simular un entorno multi-servicio y multi-usuario, empleando (3) diferentes algoritmos de asociación usuario-eNB –como el propuesto en la Tesis– y (4) varios algoritmos de scheduling, de forma que (5) se garantiza el cumplimiento del requisito de Velocidad de Descarga Mínima de cada servicio. Para cumplir los requisitos (1)–(5), la herramienta calcula la velocidad media de los servicios ofertados, teniendo en cuenta los tiempos de descarga de cada uno de los usuarios. Si con el número de eNB, calculados previamente, se cumple el requisito de velocidad demandada por los distintos servicios simulados, entonces se dará́ por válido dicho valor. En caso de incumplimiento, se añaden eNBs de forma iterativa hasta cumplir el requisito anterior. Ninguna de las herramientas disponibles en el mercado, tanto comerciales como basadas en software libre, es capaz de cumplir estos requisitos. Para cuantificar en qué medida la herramienta desarrollada, en general, y nuestra propuesta de asignación usuario-celda, en particular, son útiles en el dimensionamiento de LTE, se han llevado a cabo un conjunto amplio y variado de simulaciones, en diferentes escenarios realistas, tanto urbano como urbano denso, y se han comparado con dos métodos de asignación usuario-celda convencionales basados en CQI y en LB. Estos experimentos muestran que el método propuesto supera claramente a los convencionales, especialmente en áreas urbanas y urbana densa (entornos donde la asignación es más crítica en términos de capacidad) con macro-celdas de LTE, e incluso, en escenarios que modelan redes heterogéneas y ultra densas. La herramienta y los algoritmos que se proponen en esta tesis pueden ayudar a los operadores a mejorar sus diseños previos al despliegue y a cuantificar la mejora potencial que se conseguiría en la red al añadir un nuevo nodo. Los resultados de la investigación realizada en la Tesis se han publicando en varias revistas y congresos internacionales