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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Algoritmo de Alocação Dinâmica de Largura de Faixa para
Redes de Comunicação Móvel Celular
Eduardo Martinelli Galvão de Queiroz
Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
São Carlos, SP.
2008
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Algoritmo de Alocação Dinâmica de Largura de Faixa para
Redes de Comunicação Móvel Celular
Eduardo Martinelli Galvão de Queiroz
Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Área de Concentração: Telecomunicações
Orientador: Prof. Dr. Amílcar Careli César
São Carlos, SP.
2008
IV
V
Aos meus pais,
Paulo e Dinorah.
VI
VII
Epígrafe
“A ciência é uma aventura de toda a raça
humana para aprender a viver e talvez a amar o
Universo onde se encontra. Ser uma parte dele é
compreender, é conhecer-se a si próprio, é
começar a sentir que existe dentro do Homem
uma capacidade muito superior a que ele pensava
ter e uma quantidade infinita de possibilidades
humanas”.
Isidor Isaac Rabi
VIII
IX
Agradecimentos
A vida é a principal escola da vida, onde os principais professores são as pessoas com quem
convivemos. Agradeço a todos que fazem parte da minha vida e que fazem com que a jornada
seja o âmago do meu ser.
Agradeço a Deus, pela minha vida.
Aos meus pais, Paulo e Dinorah, pelo carinho, dedicação e atenção sem os quais não
conquistaria meus anseios.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Amílcar Careli César, pela amizade, confiança, atenção e
conhecimentos passados ao longo do trabalho e que o tornaram possível.
A toda minha família, meus avós, tios, tias, primas, por participarem tão positivamente de
minha vida: Eugênio, Carmelina, Ulisses Queiroz, Leonilde, Marina, Regina, Luiz André,
Patrícia, Fernanda, Gabriel, Maria Regina, Durval, Juca, Ulisses, Sandra, Natália, Juliana,
Adriano, Adilene e Adriele.
A todos os amigos do Laboratório de Telecomunicações do Departamento de Engenharia
Elétrica da USP de São Carlos pela amizade, confiança e conhecimentos que foram essenciais
para a realização deste trabalho: Helvécio, Luizir, Anderson Betiol, Eduardo Aloi, Belini,
Leandro, Denis, Danilo, Ricardo, Andrey, Anderson, Emiliano, Carmem, Clenilson,
Valdemir, Pedro.
A todos os meus amigos aos quais meu respeito e amizade são eternos, dentre eles Adelaide,
Alessandro, Antonio Carlos, Breno, Chico, Cláudia, Diego, Edílson, Gustavo, João Bruno,
Lucas, Luiz, Luiz Cláudio, Mattheus, Mônica, Ricardo, Sarita.
A todos os professores de minha vida.
A todos os funcionários e professores da SEL-EESC e a USP, pela estrutura que oferecem
para os estudos de pós-graduação.
X
XI
Resumo_____________________________________________________________________
QUEIROZ, E. M. G. Algoritmo de alocação dinâmica de largura de faixa para redes de
comunicação móvel. 2008. 108 f. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São
Carlos, Universidade de São Paulo, 2008
O crescente aumento da demanda de tráfego nas redes celulares vem aumentando a
necessidade de uma melhor utilização dos recursos do sistema, já que sua expansão é custosa.
Nas estações rádio base (ERB), a disponibilidade de largura de faixa de freqüências é limitada
e desta maneira, em uma rede de comunicação móvel celular, o controle de admissão de
chamadas exerce grande influência no desempenho do sistema, pois determina a utilização de
banda das ERBs e se uma determinada quantidade de recursos (banda) será alocado ou não
para uma determinada chamada. O desempenho da rede pode ser atrelado a determinados
parâmetros, como a probabilidade de bloqueio de novas chamadas, probabilidade de bloqueio
de chamadas handoff e a utilização de banda da rede.
Este trabalho propõe um controle de admissão de chamadas que, no atendimento de uma
chamada, faz o empréstimo de banda de chamadas em andamento na célula no caso de banda
insuficiente. O sistema adota um mecanismo heurístico que determina a banda disponível para
novas chamadas conforme os valores de certos parâmetros do sistema. O empréstimo de
banda é realizado em chamadas em andamento nas células até níveis mínimos estabelecidos
para cada tipo de chamada, que se diferenciam pelas necessidades de banda de cada uma. O
algoritmo foi aplicado às bandas e características de uma rede de terceira geração (3G), que
possui chamadas de voz, videoconferência, interação multimídia, e-mail, downloads e
transferência de arquivos e a uma rede GSM/GPRS (global system for mobile
communications/ general packet radio service), que possui chamadas de voz e de dados.
Os resultados mostram melhorias na probabilidade de bloqueio de novas chamadas,
probabilidade de bloqueio de handoff e na utilização de banda do sistema.
Palavras-chave: 1. Redes de comunicação móvel celular. 2. Algoritmos de alocação de
banda. 3. Controle de admissão de chamadas. 4. Redes de terceira geração (3G). 5. Redes
GSM/GPRS.
XII
XIII
Abstract_____________________________________________________________________
QUEIROZ, E. M. G. Dynamic bandwidth allocation algorithm for mobile communication
networks. 2008. 108 f. Master’s Dissertation – Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, 2008
The recent growth in traffic loads in cellular networks has seen the need for a better use of
system resources as its expansion is expensive. In the base transceiver station (BTS), the
bandwidth availability is limited. Thus, in cellular networks the call admission control greatly
influences the system performance because it determines the bandwidth use of the BTSs and
if an amount of resources will or will not be allocated to a call. The network performance can
be evaluated by parameters such as blocking probability of new calls, dropping probability of
handoff calls and bandwidth use.
This work proposes a call admission control that carries out the bandwidth borrowing
when a call arrives and there is not enough bandwidth. The system makes use of a heuristic
mechanism that determines the available bandwidth for the new calls according to some
parameter values of the system. The bandwidth borrowing is applied to the cell ongoing calls
until the minimum levels for each type are met. The algorithm was applied to the bandwidths
and characteristics of a third generation cellular network, which supports voice calls,
videoconference, multimedia interaction, e-mails, downloads and file transfers. It was also
applied to a GSM/GPRS (global system for mobile communications/ general packet radio
service), which supports voice and data calls.
The results show improvements in the blocking probability of new calls, dropping
probability of handoff calls and in the bandwidth use of the system.
Keywords: 1. Mobile cellular communication networks. 2. Bandwidth allocation algorithms.
3. Call admission control. 4. Third generation cellular networks (3G) 5. GSM/GPRS
Networks.
XIV
XV
Sumário
ÍNDICE DE FIGURAS XVII
ÍNDICE DE TABELAS XIX
LISTA DE SIGLAS XXI
LISTA DE SÍMBOLOS XXIII
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO
MÓVEL CELULAR 1
1.1.
I
NTRODUÇÃO
1
1.2.
R
EDES DE
T
ERCEIRA
G
ERAÇÃO
3G 3
1.3.
T
ECNOLOGIA
GSM 5
1.4.
T
RABALHOS
R
ELACIONADOS
7
1.5.
E
SCOPO DO
T
RABALHO
10
1.6.
O
RGANIZAÇÃO DO
T
RABALHO
10
CAPÍTULO 2
PROPOSTA DE ALOCAÇÃO DE BANDA
EM REDES DE COMUNICAÇÃO MÓVEL CELULAR 13
2.1.
O
P
ROBLEMA DE
A
LOCAÇÃO DE
R
ECURSOS
13
2.2.
M
ODELO DE
P
ROPAGAÇÃO
I
MPLEMENTADO
15
2.3.
E
SQUEMA
P
ROPOSTO PARA
R
EDE
3G 17
2.4.
E
SQUEMA
P
ROPOSTO PARA
R
EDE
GSM/GPRS 25
2.4.1.
V
OZ
25
2.4.2.
D
ADOS PARA
GPRS 26
2.4.3.
A
LGORITMO
P
ROPOSTO
-
R
EDE
GSM/GPRS 27
2.5.
P
ARÂMETROS DO
CAC 37
2.6.
S
IMULAÇÃO
39
XVI
CAPÍTULO 3
RESULTADOS PARA O SISTEMA 3G 43
CAPÍTULO 4
RESULTADOS GSM/GPRS 61
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES 77
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 81
XVII
Índice de Figuras
Figura 1.1. Rede de Comunicação Móvel..................................................................................5
Figura 1.2. Tecnologias e banda................................................................................................5
Figura 2.1. Direções possíveis de uma estação móvel.............................................................16
Figura 2.2. Esquema de divisão de níveis de conexão.............................................................18
Figura 2.3. Níveis de conexão das classes de tráfego..............................................................19
Figura 2.4. Fluxograma do sistema de empréstimo de banda.................................................20
Figura 2.5. Pseudocódigo do CAC proposto. ..........................................................................23
Figura 2.6. Fluxograma do CAC proposto (3G)......................................................................24
Figura 2.7. Quadro com 8 slots................................................................................................26
Figura 2.8. Modelo de Estados. ...............................................................................................28
Figura 2.9. Pseudocódigo do algoritmo do sistema GSM/GPRS. ...........................................33
Figura 2.10. Exemplo dos níveis mínimos para o empréstimo de banda.................................35
Figura 2.11. Fluxograma do CAC Proposto (GSM/GPRS).....................................................36
Figura 2.12. Células Hexagonais da Rede Celular..................................................................40
Figura 3.1. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas..................................................44
Figura 3.2. Probabilidade de Bloqueio de Handoff.................................................................45
Figura 3.3. Utilização de Banda..............................................................................................46
Figura 3.4. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 1).................................47
Figura 3.5. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 2).................................48
Figura 3.6. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 3).................................48
Figura 3.7. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 4).................................49
Figura 3.8. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 5).................................49
Figura 3.9. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 6).................................50
Figura 3.10. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Classe 1)..............................................52
Figura 3.12. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Classe 3)..............................................53
Figura 3.13. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Classe 4)..............................................54
Figura 3.14. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Classe 5)..............................................54
Figura 3.15. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Classe 6)..............................................55
Figura 3.16. Throughput médio para a classe 3......................................................................58
Figura 3.17. Throughput médio para a classe 4......................................................................58
Figura 3.18. Throughput médio para a classe 5......................................................................59
XVIII
Figura 3.19. Throughput médio para a classe 6...................................................................... 59
Figura 4.1. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas. ................................................ 63
Figura 4.2. Probabilidade de Bloqueio de Handoff. ............................................................... 63
Figura 4.3. Utilização de Banda.............................................................................................. 65
Figura 4.4. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Voz)........................................ 66
Figura 4.5. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS1)..................... 66
Figura 4.6. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS2)..................... 67
Figura 4.7. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS3)..................... 67
Figura 4.8. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS4)..................... 68
Figura 4.9. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Voz)....................................................... 70
Figura 4.10. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Chamadas CS1).................................. 70
Figura 4.11. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Chamadas CS2).................................. 71
Figura 4.12. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Chamadas CS3).................................. 71
Figura 4.13. Probabilidade de Bloqueio de Handoff (Chamadas CS4).................................. 72
Figura 4.14. Throughput médio (Chamadas CS1). ................................................................ 74
Figura 4.15. Throughput médio (Chamadas CS2). ................................................................. 75
Figura 4.16. Throughput médio (Chamadas CS3). ................................................................. 75
Figura 4.17. Throughput médio (Chamadas CS4). ................................................................. 76
XIX
Índice de Tabelas
Tabela 2.1. Classes de Chamadas............................................................................................18
Tabela 2.2. Limiares para as mudanças dos níveis de conexão. .............................................25
Tabela 2.3. Esquemas de Codificação GPRS...........................................................................26
Tabela 2.4. Níveis de Conexão e número de slots do sistema GSM/GPRS..............................27
Tabela 2.5. Esquemas de codificação e seus limiares..............................................................29
Tabela 2.6. Percentagem das chamadas geradas para a rede 3G...........................................41
Tabela 2.7. Percentagem das chamadas geradas para a rede GSM/GPRS.............................41
Tabela 3.1. Parâmetros Utilizados na Rede 3G.......................................................................43
Tabela 3.2. Comparação de Valores entre os Esquemas para novas chamadas.....................45
Tabela 3.3. Comparação de Valores entre os Esquemas para chamadas Handoff.................46
Tabela 3.4. Comparação de utilização de banda entre os esquemas. .....................................47
Tabela 3.5. Comparação de Valores da Classe 1 (Novas Chamadas). ...................................50
Tabela 3.6. Comparação de Valores da Classe 2 (Novas Chamadas). ...................................50
Tabela 3.7. Comparação de Valores da Classe 3 (Novas Chamadas). ...................................51
Tabela 3.8. Comparação de Valores da Classe 4 (Novas Chamadas). ...................................51
Tabela 3.9. Comparação de Valores da Classe 5 (Novas Chamadas). ...................................51
Tabela 3.10. Comparação de Valores da Classe 6 (Novas Chamadas)...................................51
Tabela 3.11. Comparação de Valores da Classe 1 (Chamadas Handoff). ..............................55
Tabela 3.12. Comparação de Valores da Classe 2 (Chamadas Handoff). ..............................55
Tabela 3.13. Comparação de Valores da Classe 3 (Chamadas Handoff). ..............................56
Tabela 3.14. Comparação de Valores da Classe 4 (Chamadas Handoff). ..............................56
Tabela 3.15. Comparação de Valores da Classe 5 (Chamadas Handoff). ..............................56
Tabela 3.16. Comparação de Valores da Classe 6 (Chamadas Handoff). ..............................56
Tabela 4.1. Parâmetros Utilizados na Rede GSM/GPRS.........................................................61
Tabela 4.2. Comparação valores entre os esquemas para novas chamadas...........................64
Tabela 4.3. Comparação de valores entre os esquemas para chamadas Handoff. .................64
Tabela 4.4. Comparação da utilização de banda entre os esquemas. .....................................65
Tabela 4.5. Comparação de probabilidade de bloqueio (Voz). ...............................................68
Tabela 4.6. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS1)..............................68
Tabela 4.7. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS2)..............................69
Tabela 4.8. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS3)..............................69
XX
Tabela 4.9. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS4)............................. 69
Tabela 4.10. Comparação de probabilidade de bloqueio (Handoff - Voz). ............................ 72
Tabela 4.11. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas handoff CS1)............. 72
Tabela 4.12. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas handoff CS2)............. 73
Tabela 4.13. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas handoff CS3)............. 73
Tabela 4.14. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas handoff` CS4). ........... 73
XXI
Lista de Siglas
AMR adaptive multi-rate
CAC call admission control (controle de admissão de chamadas)
C/I carrier-to-interference ratio
CS1 coding scheme 1
CS2 coding scheme 2
CS3 coding scheme 3
CS4 coding scheme 4
CBR constant bit rate
CDMA2000 code division multiple access 2000
dB decibel
EDGE enhanced data rates for GSM evolution
ERB estação rádio base
FDMA frequency division multiple access
HSDPA high-speed downlink packet access
FTP file transfer protocol
GPRS general packet radio service
GSM global system for mobile communications
IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000
ITU International Telecommunication Union
MTSO mobile telephone switching office
PBH probabilidade de bloqueio de handoff
PBNC probabilidade de bloqueio de novas chamadas
PSTN public switched telephone network
QoS quality of service
XXII
RSS received signal strength
SMS short message service
TDMA time division multiple access
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
VBR variable bit rate
W-CDMA wideband CDMA
XXIII
Lista de Símbolos
α total de
chamadas de classes diferentes
ℜ
j(t) total de recursos de uma atividade j
)(
,
tx
ji
total de recursos requisitados pela atividade j
d
i
distância da estação móvel à ERB
λ
taxa de chegada de chamadas nas células
E
min
níveis mínimos de empréstimo de banda de chamadas em andamento (3G)
E
Gmin
níveis mínimos de empréstimo de banda de chamadas em andamento (GPRS)
C
1
conjunto 1 de níveis mínimos de empréstimo de banda (3G) na simulação
C
2
conjunto 2 de níveis mínimos de empréstimo de banda (3G) na simulação
C
G1
conjunto 1 de níveis mínimos de empréstimo de banda (GPRS) na simulação
C
G2
conjunto 2 de níveis mínimos de empréstimo de banda (GPRS) na simulação
T
n
limiar da probabilidade de bloqueio de novas chamadas
T
h
limiar da probabilidade de bloqueio de chamadas handoff
T
v
limiar para o uso da variação da probabilidade de bloqueio de handoff
PB
n
expectativa de probabilidade de bloqueio de novas chamadas
PB
h
expectativa de probabilidade de bloqueio de chamadas handoff
∆
PB
h
variação da probabilidade de bloqueio de handoff
AD adaptabilidade
RP razão de perda
NC nível de conexão
L nível L de conexão
X
nb
total de novas chamadas bloqueadas
x(t) posição no eixo x da estação móvel
XXIV
y(t) posição no eixo y da estação móvel
a(i) posição no eixo x da ERB i
b(i) posição no eixo y da ERB i
N
n
total de novas chamadas
X
hb
total de chamadas handoff bloqueadas
N
h
total de chamadas handoff
N
min
banda mínima de conexão
N
med
nível médio de conexão
N
max
banda máximo de conexão
β
i
níveis de conexão para as chamadas da classe i
IB
i
tamanho dos intervalos de banda
Capítulo 1
Introdução ao Sistema de Comunicação
Móvel Celular
1.1. Introdução
O crescimento das redes de comunicação móvel celular teve grande avanço a partir do início
dos anos 90 e conta agora com quase 3 bilhões de usuários em todo o planeta, com projeções
que estimam em mais de 4 bilhões o número de assinantes de comunicação móvel no ano de
2010 [1]. No Brasil, o avanço também é grande. Em setembro de 2007, o país contava com
mais de 120 milhões de usuários de telefones celulares [2], enquanto que em 1999 este
número era de quase 8 milhões [3].
O perfil de uso da comunicação móvel celular vem apresentando mudanças durante os
últimos anos. Com o avanço da infra-estrutura de comunicação celular como a de terceira
geração (3G), os serviços de faixa larga apresentam rápido crescimento entre os usuários.
Estes serviços incluem diferentes tipos de tráfego, como voz, vídeo e dados [4]. Os usuários
destes serviços esperam uma qualidade de serviço (QoS) específica que depende de cada
aplicação e também do serviço contratado da operadora para uma determinada finalidade
como, por exemplo, videoconferência. Desta maneira, a rede de comunicação móvel celular
deve garantir a qualidade de serviço de cada usuário e, ao mesmo tempo, maximizar o número
de usuários que podem ser atendidos [5], utilizando de maneira ótima os recursos.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
2
As redes de terceira geração ainda estão em grande expansão em muitos países e em março
de 2008 havia 293 redes 3G totalizando mais de 180 milhões de usuários [6]. No Brasil há a
expectativa de maior oferecimento de serviços 3G em 2008, sendo que no país existe apenas
uma operadora oferecendo serviços de terceira geração em alguns municípios [7]. Desta
maneira, a utilização da tecnologia GSM/GPRS ainda predomina em grande parte do mundo e
assim este trabalho também aborda esta tecnologia.
A cobertura de uma rede celular é dividida em áreas, chamadas células, servidas cada uma
por estação rádio base (ERB). As estações convencionais são fixas e são conectadas com os
MTSO’s (mobile telephone switching office), que por sua vez são ligadas à PSTN (public
switched telephone network). No sistema de uma rede celular, o controle de admissão de
chamadas (CAC – call admission control) exerce papel fundamental no desempenho da rede
de comunicação móvel e o seu funcionamento leva em conta vários fatores de decisão, como
utilização de faixa de freqüências (banda) e QoS [8]. Este controle toma a decisão de aceitar
ou não uma chamada tendo como base o tipo de serviço requisitado e suas características
específicas de banda. Essas decisões precisam ser tomadas em tempo real e, desta maneira, o
algoritmo de admissão de chamadas deve ser implementado nos recursos de computação das
ERBs [8].
Em uma rede celular, a geração de uma chamada pode ocorrer em qualquer célula do
sistema. Esta chamada, por sua vez, pode ficar sob a responsabilidade desta única célula ou,
então, se houver movimentação do usuário, ficar sob a responsabilidade de uma célula
vizinha. O procedimento de mudança de célula de uma chamada é o handoff [4].
No estudo deste sistema, alguns parâmetros podem ser expressos de uma maneira
probabilística como a probabilidade de bloqueio de novas chamadas (PBNC) e a
probabilidade de bloqueio de handoff (PBH). A PBNC estabelece a probabilidade de uma
nova solicitação de conexão ser bloqueada em uma célula, enquanto a PBH estabelece a
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
3
probabilidade de uma chamada em curso ser finalizada quando deveria ocorrer a mudança
para outra célula. O bloqueio de uma chamada devido ao handoff é considerado mais
problemático para o usuário do que o bloqueio de uma nova chamada e, desta maneira, é
desejável que a rede dê maior prioridade às chamadas handoff [5].
Um outro parâmetro importante é a utilização de banda, ou seja, como uma rede de
comunicação móvel celular consegue gerenciar sua capacidade. Uma baixa utilização
significa que parte dos recursos da infra-estrutura está sendo subutilizado e poderia estar
beneficiando o desempenho global da rede.
O estudo do controle de admissão de chamadas foi realizado em vários trabalhos, como em
[5], [8]-[23] e o estudo de adaptação de link em redes GSM/GPRS é realizado em muitos
trabalhos, como em [25]-[32].
Neste projeto foram estudadas diversas formas de procedimentos que podem ser utilizadas
para controle de admissão de chamadas (CAC) e foi proposto um mecanismo que beneficia as
novas chamadas e também as chamadas handoff. Este mecanismo é analisado em uma rede de
terceira geração (3G) e também em uma rede GSM/GPRS tradicional, onde foram
consideradas as bandas típicas utilizadas pela tecnologia.
1.2. Redes de Terceira Geração 3G
As redes de comunicação móvel celular de terceira geração vêm ao encontro do anseio de
usuários de acessar serviços disponíveis que são usuais em um computador convencional por
meio do telefone celular. Operando em altas taxas de transmissão como, por exemplo, 6
Mbps, as redes de terceira geração têm o objetivo de oferecer transmissão de voz de alta
qualidade, mensagens SMS, videoconferência, transferência de dados e outros serviços, cujo
propósito é o oferecimento de altas taxas de transmissão.
A definição desta geração de telefone celular foi realizada em 1992 pela ITU (International
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
4
Telecommunication Union), que lançou o IMT-2000 (International Mobile
Telecommunications). A ITU iniciou o desenvolvimento de apenas uma tecnologia para que
as operadoras não tivessem que lidar com muitas especificações ao implementar a rede [24].
Muitas propostas foram feitas para o IMT-2000, mas elas se reduziram a duas: W-CDMA
(Wideband CDMA) e CDMA2000. A tecnologia W-CDMA foi proposta pela Ericsson e
permite integração com redes GSM, enquanto que a tecnologia CDMA2000, proposta pela
Qualcomm, não oferece tal disponibilidade. O primeiro W-CDMA foi adotado pela União
Européia, que o chamou de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Apesar
de muitas disputas, a partir de 1999 as duas empresas proponentes começaram a entrar em
acordo sobre um único padrão 3G.
Enquanto as redes 3G ainda enfrentavam dificuldades em relação a definições de padrões
técnicos e de operação, algumas operadoras de comunicação móvel celular começaram a
implantar sistemas de transferência de dados em faixa larga, criando a chamada rede 2.5G. O
sistema EDGE (enhanced data rates for GSM evolution) e o GPRS (general packet radio
service), que são serviços de dados com bandas maiores [21], são exemplos desta
implementação [24].
Pelo aumento do número de usuários apresentado recentemente [6], o futuro das redes de
comunicações móveis 3G tende a agregar a convergência de serviços nos aparelhos celulares.
Esta convergência depende exclusivamente da padronização das tecnologias e dos
investimentos das empresas de comunicação móvel para a efetivação da nova geração das
redes celulares, que agrega diversas funcionalidades, conforme ilustrado na Figura 1.1.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
5
Video-Conferência e Internet
Aplicações Multimídia
Voz e Áudio
Internet
Servidor de Aplicação
Figura 1.1. Rede de Comunicação Móvel.
A evolução das tecnologias quanto à banda oferecida para os usuários pode ser visualizada
na Figura 1.2, onde está incluída a tecnologia 3G HSDPA (high-speed downlink packet
access).
GSM GPRS EDGE
WCDMA
HSDPA
10
150 500 2000
10000
kbps
Figura 1.2. Tecnologias e banda.
1.3. Tecnologia GSM
A tecnologia GSM começou a ser amplamente utilizada no começo dos anos 90, quando o
oferecimento de serviços de telefonia móvel de segunda geração (2G) apresentou grande
crescimento em várias regiões do mundo [33]. O grupo responsável pela especificação do
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
6
GSM foi criado em 1989 e a introdução comercial do padrão ocorreu em 1992. A proposta do
grupo de criação era que a tecnologia oferecesse uma arquitetura aberta para que permitisse a
combinação de equipamentos de diferentes fabricantes, reduzindo assim os custos de
aquisição e manutenção dos sistemas.
Aproximadamente 80% dos celulares ativados no mundo utilizam a tecnologia GSM [6].
No Brasil este índice é de aproximadamente 70% de acordo com dados recentes de 2007 [34].
Com a crescente oferta de serviços e demanda de tráfego, as operadoras tendem a buscar um
padrão que ofereça serviços mais eficientes e que tenham uma maior banda para o suporte de
aplicações multimídia, que são cada vez mais freqüentes em aparelhos celulares modernos.
Uma das características que pode ser entendida como vantajosa é o fato de que o sistema
GSM permite ao usuário ter seu número de celular e dados guardados em um pequeno chip, o
que facilita a troca de aparelhos. E como o padrão GSM é o maior em utilização no mundo
[6], o sistema oferece vantagens de compatibilidade de uso em muitos lugares do planeta.
A tecnologia GSM apresenta algumas características de transmissão de voz e dados que
são analisados neste trabalho. O sistema utiliza o esquema AMR (adaptive multi-rate codec)
que fornece diferentes codificações, oferecendo diferentes bandas para o tráfego de voz. Para
a transmissão de dados, a tecnologia GPRS possui quatro esquemas de codificação (CS1,
CS2, CS3 e CS4) que são utilizados em cada time slot (canais de dados PDCH - packet data
channel) e que possui níveis de capacidade de correção de erros diferentes.
As operadoras globais investem agora na melhora de suas arquiteturas de rede para poder
suportar o crescente aumento de tráfego provocado pelo rápido crescimento do uso de
aplicações multimídia. Para atingir este objetivo baseiam-se na tecnologia 3G, que fornecem
acesso em banda larga.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
7
1.4. Trabalhos Relacionados
Na literatura há vários trabalhos que tratam do controle de admissão de chamadas e também
diversos tipos de abordagem [5], [12], [15]-[17], [19], [22], [25]-[32]. Os métodos envolvem
programação linear [13], [14], redes neurais [8] e métodos heurísticos [5], [15] - [17].
Em [5] é proposto um controle de admissão de chamadas que trata seis diferentes tipos de
tráfego com prioridades diferentes e divide a banda utilizada por cada tipo de chamada em N
níveis. O algoritmo realiza o empréstimo de banda de chamadas em andamento das células
para atingir níveis mínimos de banda aceitáveis para novas chamadas e chamadas handoff. O
algoritmo repõe a banda emprestada de cada chamada assim que o tráfego de chamadas em
cada célula permitir.
Em [12] é proposto um esquema baseado na característica apresentada pelo tráfego web
(WWW). Como este tipo de tráfego apresenta períodos em que não há transferência de dados,
algumas conexões são agrupadas e compartilham a mesma banda utilizando uma política
round robin.
Seguindo a mesma proposta de divisão de banda, [15] estabelece um algoritmo para o
controle de admissão de chamadas que tenta primeiramente alocar a banda desejada para cada
chamada, que por sua vez é discretizada em N níveis, tendo um nível máximo M e nível
mínimo m. Quando não há banda suficiente na célula, o esquema realiza o empréstimo
temporário de banda de algumas chamadas em andamento na célula. O esquema garante que a
banda emprestada será condizente com o tipo de tráfego de cada chamada.
Em [16] a discretização de banda em N níveis também é realizada, assim como o
empréstimo de banda de chamadas em andamento para a alocação de novas chamadas e
chamadas handoff. A distribuição de banda entre as chamadas em andamento é realizada
baseada no esquema Max-Min, mas não utiliza nenhum esquema de adaptação do tamanho da
banda reservada às chamadas handoff.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
8
Em [17] um controle de admissão de chamadas estabelece prioridades para chamadas em
andamento e para novas chamadas. Não é realizado o estudo específico de chamadas handoff,
que segundo os autores podem ser representadas por chamadas de alta prioridade. A banda
necessária para cada chamada, que é dividida em N níveis, é especificada em nível mínimo
(B
min
) e nível máximo (B
máx
). A diferença (B
máx
- B
min
) é o decréscimo máximo de banda que
um certo tipo de chamada pode suportar. O trabalho também realiza o empréstimo de banda
de chamadas em andamento para alocar novas chamadas.
Em [19] um esquema de empréstimo de banda é realizado para a alocação de chamadas
quando a banda disponível na célula não é suficiente para atender o nível de banda máximo de
uma chamada. O algoritmo possui um critério pelo qual as novas chamadas originadas em
uma célula são bloqueadas se o número de chamadas correntes for maior ou igual a um
determinado valor.
Em [22] é implementado um algoritmo que busca automaticamente o número ideal de
canais que são alocados para as chamadas handoff em cada ERB. Esta busca é realizada com
o monitoramento da probabilidade de bloqueio de chamadas handoff e com a introdução de
um valor limiar (threshold) para este parâmetro.
Em [25] é proposto um esquema de adaptação de link em uma rede GPRS que modifica os
esquemas de codificação utilizados nas conexões GPRS (CS1, CS2, CS3 ou CS4) conforme a
BLER (block error rate) estimada do sinal.
Em [26] é proposto um controle de admissão de chamadas que aloca canais guarda de voz
às conexões GPRS que tem como objetivo o aumento da utilização de canais.
Em [27] é realizado um estudo de desempenho em termos de throughput e delay para
diferentes tipos de tráfego em relação aos quatro esquemas de codificação GPRS em uma rede
GSM convencional.
Em [28] é analisado um algoritmo que realiza a alocação de time slots para conexões GPRS
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
9
de maneira fixa e sob demanda. Estas duas abordagens são analisadas para tráfego web
(WWW) e e-mail.
Em [29] é realizado um estudo sobre dois algoritmos de adaptação de link GPRS, ou seja,
sobre a mudança do esquema de codificação. O primeiro é baseado na mudança da relação de
C/I (carrier-to-interference ratio) e o segundo é baseado na estimativa de BLER.
Em [30] um estudo sobre os limiares de alteração de codificação de voz (AMR) é realizado.
O trabalho faz uma análise sobre a mudança adaptativa dos limiares de modificação da
codificação de voz utilizada pela conexão.
Em [31] é feito um estudo sobre o desempenho do esquema AMR em redes GSM e
WCDMA (wideband CDMA) e mostra o aumento da eficiência de recursos no caso de uma
rede GSM. O trabalho também apresenta a evolução do sistema AMR para melhoria na
qualidade de voz.
Em [32] é realizado um trabalho sobre alternativas para lidar com congestionamento nas
redes GSM e GSM/GPRS. O estudo aborda técnicas de custos de chamadas que variam
conforme o tráfego da rede e que podem custar mais ou menos conforme a situação atual do
sistema, como um aumento de preços durante um congestionamento na rede e preços muito
baixos durante um período em que a rede encontra-se subutilizada.
Os trabalhos relacionados estudam a alocação de banda em redes de comunicação móvel
celular em relação à capacidade total de recursos (banda) da rede e para isso adotam técnicas
diferentes com o objetivo de um melhor desempenho do sistema. Em alguns trabalhos
relacionados à tecnologia GSM/GPRS, são realizados estudos que abordam a adaptação de
link do sistema de esquemas de codificação CS1, CS2, CS3 e CS4 e também do sistema
AMR.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
10
1.5. Escopo do Trabalho
Este trabalho propõe um controle de admissão de chamadas (CAC) que inclui o empréstimo
de banda de chamadas correntes nas células. O sistema implementado tem como foco a
alocação de recursos em termos de banda disponível no sistema, no qual cada ERB tem uma
capacidade de transmissão de dados de 30 Mbps, no caso de uma rede 3G, independentemente
da técnica de acesso utilizada, como WCDMA, HSDPA ou CDMA2000, assim como
realizado em [5], [9], [12], [13], [15] - [17], [19], [21]. O trabalho também utiliza o CAC
proposto em uma rede GSM/GPRS, na qual para cada ERB é considerada uma capacidade de
transmissão de dados de 2 Mbps, onde as características de codificação de sinais no esquema
AMR e GPRS são modeladas como bandas diferentes e então consideradas para a análise.
O algoritmo proposto realiza o empréstimo de banda de chamadas em andamento para
atender às solicitações de novas chamadas e chamadas handoff. O algoritmo executa o
empréstimo de banda de chamadas em andamento até um nível mínimo previamente
especificado para cada classe de chamada e adapta esses níveis conforme a situação da rede.
O esquema também agrega o monitoramento de probabilidade de bloqueio de novas
chamadas e de chamadas handoff para o ajuste da banda a ser disponibilizada para as novas
chamadas. Como o sistema reserva 20% da banda de cada célula para as chamadas handoff,
assim como realizado em [13], para cada empréstimo de banda realizado é verificada a
possibilidade de agregar parte da banda reservada às chamadas handoff para as novas
chamadas pelo acompanhamento das expectativas de probabilidades de bloqueio em relação a
limiares previamente estabelecidos.
1.6. Organização do Trabalho
O trabalho apresentado divide-se em cinco capítulos. No Capítulo 2 é apresentado o
problema de alocação de recursos em uma rede celular e o esquema proposto pelo projeto,
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
11
além dos parâmetros do sistema e da simulação implementada para os sistemas 3G e
GSM/GPRS. No Capítulo 3 são apresentados os resultados do esquema proposto para o
sistema 3G e no Capítulo 4 são apresentados os resultados do esquema proposto para o
sistema GSM/GPRS. Finalmente, no Capítulo 5, são apresentadas as conclusões do trabalho.
1. Introdução ao Sistema de Comunicação Móvel Celular
12
Capítulo 2
Proposta de Alocação de Banda
em Redes de Comunicação Móvel Celular
2.1. O Problema de Alocação de Recursos
O aumento da demanda por serviços multimídia em comunicações móveis vem crescendo
rapidamente nas últimas duas décadas. Desta maneira, a banda do sistema é um recurso que
precisa ser otimizado para atender diferentes tipos de conexão com bandas diferentes como,
por exemplo, serviços de multimídia que requerem até 6 Mbps em uma rede 3G. Um dos
desafios da rede de comunicação móvel celular é oferecer os serviços requisitados pelos
usuários e ao mesmo tempo lidar com a escassez de banda do sistema [19].
Neste sentido, a principal questão reside em como alocar recursos que melhoram o
desempenho geral de rede, como a probabilidade de bloqueio de novas chamadas e de
chamadas handoff. A alocação de recursos nas redes celulares pode ser entendida por meio de
atividades (chamadas) que requerem recursos do sistema [20], que decide se cada solicitação
será atendida ou não. Neste caso, seja m o total de recursos disponíveis na rede celular para
serem alocados em n atividades. A atividade j corresponde à requisição de uma célula por um
recurso. ℜ j(t) é o total de recursos que a atividade j requer no tempo t no sistema e que varia
dinamicamente com o tempo. O total de recursos requisitados pela atividade j na célula i no
tempo t é x
i,j
(t). A demanda total de uma atividade j pode ser representada pela seguinte
expressão
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
14
∑
=
=
m
i
ji
tx
1
,
)(
ℜ j(t), onde 1 ≤ j ≤ n (2.1.1)
Estabelecendo N
i
o total de recursos de uma célula i e considerando o total de requisições
para um recurso na célula i menor do que o total de recursos do sistema, N, então
∑∑
==
n
j
ji
m
i
tx
1
,
1
)(
≤ N, na qual N
∑
=
m
i
i
N
1
p
, 1 ≤ i ≤ m (2.1.2)
Da mesma forma, o total de recursos utilizados na célula i será
r
i
(t) =
∑
=
n
j
ji
tx
1
,
)(
, 1 ≤ i ≤ m (2.1.3)
O objetivo de um controle de admissão de chamadas é a maximização do uso dos recursos
do sistema, o que se caracteriza por uma baixa probabilidade de bloqueio de novas chamadas
e de chamadas handoff. Estes dois parâmetros são calculados por
PB
n
=
n
nb
N
X
(2.1.4)
PB
h
=
h
hb
N
X
(2.1.5)
nas quais PB
n
é a expectativa de probabilidade de bloqueio de novas chamadas, PB
h
é a
expectativa de probabilidade de bloqueio de chamadas handoff, X
nb
é o total de novas
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
15
chamadas bloqueadas, N
n
é o total de novas chamadas, X
hb
é o total de chamadas handoff
bloqueadas e N
h
é o total de chamadas handoff.
As abordagens para o problema de alocação de banda dividem-se em soluções baseadas em
programação linear, como em [13] e [18], e soluções baseadas em métodos heurísticos, como
em [15] - [17]. A abordagem que compreende a programação linear tem a vantagem de
procurar por uma solução ótima e que beneficie vários parâmetros, porém seu tempo de
computação é muitas vezes proibitivo para algumas arquiteturas de rede em que é empregado.
Os métodos heurísticos não garantem a determinação de uma solução ótima de um problema,
mas são capazes de retornar uma solução de qualidade em tempo adequado para as
necessidades da aplicação [21].
Neste trabalho é proposto um método heurístico para o controle de admissão de chamadas
em redes celulares.
2.2. Modelo de Propagação Implementado
No programa de simulação do sistema GSM/GPRS e do sistema 3G foi adotado um
modelo de propagação como em [5]. O esquema considera três parâmetros: posição inicial
dentro da célula, a direção e sua velocidade. Uma nova chamada gerada tem sua respectiva
estação móvel em uma posição determinada de maneira aleatória e uniforme, ou seja, em
qualquer posição dentro da célula. Há seis direções possíveis para a estação móvel, que são
escolhidas uniformemente, conforme mostra a Figura 2.1. No instante t em que o nível de
sinal da célula vizinha é maior do que a da atual ocorre o handoff. Nesta nova célula, uma
nova direção entre seis possíveis poderá ser determinada para o móvel. A velocidade
considerada é constante e 50 km/h e o raio da célula é 500 m. Para o nível de sinal da estação
móvel, é considerado o RSS (dBm) (received signal strength) utilizando o modelo log-normal
em uma determinada posição x(t), y(t) conforme [5]
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
16
RSS |
dBm
= -10γ log(d
i
) para d
i
> 1 (2.2.1)
na qual γ é o coeficiente de atenuação de percurso (geralmente
γ
=2 para ambientes como
rodovias e
γ
=4 para microcélulas em uma cidade) e d
i
é a distância entre a estação móvel e a
ERB da célula i, definido por
d
i
=
22
))()(())()(( ibtyiatx −+− (2.2.2)
na qual (a(i),b(i)) é a posição da ERB.
Utilizando a coordenada da estação móvel é possível determinar o instante t da ocorrência
do handoff pela verificação do nível de sinal RSS. Quando este procedimento de mudança é
iniciado, uma requisição de banda é enviada para a nova célula para que a chamada seja
alocada.
1
2
3
4
5
Célula
Célula
Célula
Célula
Célula
Célula
Figura 2.1. Direções possíveis de uma estação móvel.
No caso do sistema GSM/GPRS simulado, uma nova chamada pode ser bloqueada devido
a valor de C/I abaixo do limiar mínimo ou devido à indisponibilidade de banda na ERB. Uma
chamada handoff também pode ser bloqueada devido a um valor de C/I abaixo de um limiar
mínimo ou pela indisponibilidade de banda na célula de destino.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
17
No caso do sistema 3G simulado, uma nova chamada pode ser bloqueada devido à
indisponibilidade de banda na ERB de origem e uma chamada handoff pode ser bloqueada
devido à indisponibilidade de banda na célula de destino da chamada. Para este tipo de rede, o
sinal recebido pelas estações móveis é considerado para a mudança de célula e não para o
bloqueio de chamadas.
2.3. Esquema Proposto para Rede 3G
O esquema proposto neste trabalho considera a divisão da banda necessária para cada tipo
de chamada em diferentes níveis possíveis de aceitação de conexão. Os níveis de conexão são
as possíveis bandas que podem ser atribuídos ao tráfego. O esquema considera a existência de
seis diferentes classes de chamadas, como sugerido em [5], [15] - [17], cada uma contendo
uma banda máxima e uma banda mínima. Dentre os seis tipos de tráfego considerados, quatro
deles são do tipo VBR (variable bit rate) e dois são CBR (constant bit rate), justamente as
classes que não permitem variação em suas taxas de conexão. As classes de chamadas
utilizadas estão representadas na Tabela 2.1.
As chamadas que pertencem às classes que permitem níveis diferentes de taxas de conexão
são consideradas conforme sua tolerância à perda de banda. A tolerância à perda de banda é o
quanto uma chamada em andamento pode ter sua banda diminuída. Desta maneira, quanto
maior a tolerância, menor é a prioridade de um determinado tráfego porque mais banda pode
ser emprestada. Cada classe de chamada possui uma banda mínima, N
min
e uma banda
máxima N
max
. A diferença entre estes dois níveis é dividida por outro parâmetro,
β
i
, que
determina os níveis possíveis de conexão para a classe i e o tamanho dos intervalos de banda
(IB
i
) de cada classe, conforme
IB
i
=
i
β
N - N
minmax
(2.3.1)
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
18
Tabela 2.1. Classes de Chamadas.
Classes
Prioridade
Banda Mínima -
Banda máxima
Média de
Duração (s)
Tipo
β
1 30 - 30 kbps 180 Voz CBR 1
2 256 – 256 kbps 300 Videoconferência CBR 1
3 1 – 6 Mbps 600 Interação Multimídia VBR 6
4 10 – 20 kbps 30 E-mail VBR 5
5 64 – 512 kbps 180 Download, FTP VBR 4
6 1 – 10 Mbps 120 Transferência de Arquivos VBR 3
Desta maneira, cada tipo de tráfego VBR permite um nível mínimo aceitável e também uma
tolerância diferente de perda de banda, determinando assim as prioridades de cada chamada,
devido aos diferentes valores de
β
que são determinados para cada classe, conforme pode ser
visualizado pela Figura 2.2.
Figura 2.2. Esquema de divisão de níveis de conexão.
O parâmetro
β
i
determina a “granularidade” da classe i e, portanto, determina a prioridade
do tipo de tráfego. Assim, o tráfego da classe 3 de uma rede 3G, por possuir uma
“granularidade” maior do que o de classe 6, tem uma maior prioridade. Desta maneira, terá
Nível Máximo (N
max
)
Nível Mínimo (N
min
)
Banda Total
β
= 6
Nível 1
Nível 2
Nível 3
Nível 4
Nível 5
Nível 6
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
19
um número maior de níveis nos quais sua conexão poderá ser estabelecida, conforme pode ser
visualizado pela Figura 2.3.
Figura 2.3. Níveis de conexão das classes de tráfego.
O controle de admissão de chamadas proposto foi configurado para uma rede de terceira
geração (3G) e opera da seguinte maneira. Ele admite níveis de conexão aceitáveis para cada
classe de chamada e reserva para as chamadas do tipo handoff uma banda de 20% da
capacidade total (6 Mbps) de cada ERB, que é 30 Mbps. O uso da banda reservada será feito
quando a banda disponível da célula não for suficiente para acomodar chamadas handoff. Para
cada nova solicitação de conexão gerada, o CAC verifica a possibilidade de alocação do nível
máximo de banda requisitado (N
max
) pela chamada. No caso de não haver banda suficiente no
sistema, é realizada uma verificação em ordem decrescente nos níveis de conexão permitidos
para a chamada, até o nível mínimo (N
min
). Se a banda disponível não for suficiente para a
alocação de pelo menos o nível mínimo (N
min
), é realizado um empréstimo de banda de
chamadas que estão em andamento na célula. O algoritmo armazena as chamadas e inicia o
procedimento de empréstimo de banda das chamadas em ordem crescente de prioridade (ou
seja, da menor prioridade para a maior) e em ordem decrescente de tempo de permanência na
célula.
Nível 1
Nível 2
Nível 3
Nível 4
Nível
5
Nível 6
N
min
Nível 1
Nível 2
Nível 3
Nível 4
Nível 5
N
min
Nível 1
Nível 2
Nível 3
Nível 4
N
min
Nível 1
Nível 2
Nível 3
N
min
β
= 6
β
= 5
β
= 4
Classe 3
Classe 4
Classe 5
Classe 6
β
= 3
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
20
A diminuição dos níveis de conexão das chamadas em andamento ocorre da seguinte
maneira. Considerando
α
como a quantidade de chamadas em andamento na célula, o
algoritmo percorre-as rotativamente e diminui o nível de conexão em uma unidade cada
chamada em andamento de maneira rotativa. Os níveis de banda das
α
chamadas são
modificados, de maneira gradativa, até um nível mínimo de empréstimo de banda (E
min
)
especificado para cada classe de chamada. Este processo ocorre até que a banda emprestada
seja suficiente para a alocação da chamada ou que todos os níveis das chamadas estejam nos
níveis mínimos possíveis, especificados pelos conjuntos C
1
e C
2
e, neste caso, o empréstimo
de banda é encerrado. O conjunto de níveis mínimos de empréstimo de banda estabelecido
para as classes de chamadas é escolhido conforme dois parâmetros, PB
n
e PB
h
, que indicam a
expectativa de probabilidade de bloqueio de novas chamadas e de chamadas handoff,
respectivamente, para cada célula. Caso PB
n
esteja acima de um certo limiar, T
n
, e PB
h
abaixo
de T
h
, os níveis mínimos serão C
2
.
Caso um dos parâmetros não satisfaça os limiares, os níveis
mínimos serão C
1
, maiores do que os níveis C
2
. O fluxograma da Figura 2.4 ilustra o
procedimento.
Figura 2.4. Fluxograma do sistema de empréstimo de banda.
Classe 6
E
min
= 4
Classe 5
E
min
= 3
Classe 4
E
min
= 2
Classe 3
E
min
= 1
Banda emprestada é suficiente ou
conjunto
α
percorrido?
α
chamadas de classes diferentes
Diminui em uma unidade
o nível de conexão
Banda emprestada é suficiente ou
conjunto
α
percorrido?
Banda emprestada é suficiente ou
conjunto
α
percorrido?
Início
Não
Não
Não
Fim
Sim
Sim
Sim
Diminui em uma unidade
o nível de conexão
Diminui em uma unidade
o nível de conexão
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
21
Adicionalmente a este mecanismo, outro tipo de verificação é realizado na ocorrência de
empréstimo de banda. Neste caso, outro parâmetro (∆PB
h
) armazena a variação da expectativa
de probabilidade de bloqueio de handoff e indica se a probabilidade aumentou ou diminui em
relação a última computação. O módulo de ∆PB
h
tem como limite o limiar T
v
, que evita que o
algoritmo agregue toda a banda reservada à handoff para novas chamadas. Quando há
empréstimo de banda, o algoritmo verifica as variáveis de probabilidade PB
n
e PB
h
. Caso
estas duas variáveis satisfaçam seus respectivos limiares, T
n
e T
h
, e ∆PB
h
diminuiu (∆PB
h
< 0)
e seu módulo é menor que T
v
, a banda considerada para a alocação de uma nova chamada
contará com o aumento da mesma magnitude da banda reservada para as chamadas handoff.
Com este tipo de abordagem, o controle de admissão de chamadas apenas utiliza a banda
reservada às chamadas handoff para as novas chamadas se os valores dos dois parâmetros
(PB
n
e PB
h
) utilizados não são violados. Caso esse esquema não consiga atingir o nível
mínimo de banda (N
min
), então a chamada é bloqueada.
Para cada chamada handoff o controle de admissão verifica a possibilidade de alocar o nível
máximo de banda para as classes de tráfego. Se não for possível devido à banda insuficiente
disponível para a chamada na nova célula, o procedimento de empréstimo de banda de
chamadas em andamento é iniciado seguindo o procedimento explicitado pela Figura 2.4. O
conjunto de níveis mínimos de empréstimo de banda é estabelecido conforme o valor de PB
h
.
Caso seu valor esteja acima de T
h
, o conjunto utilizado será C
2
, caso contrário será C
1.
A
chamada será alocada apenas se a banda disponível for suficiente para acomodar pelo menos
o nível médio de conexão (N
med
). Esta abordagem tenta minimizar a queda abrupta de taxa de
conexão na ocorrência de handoff. O pseudocódigo do CAC proposto está na Figura 2.5 e seu
fluxograma na Figura 2.6.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
22
se conexão é nova chamada
Se banda_disponível
≥
nível_máximo
Aloque o nível máximo para a chamada da classe i;
Senão
percorra os níveis N
i
da chamada da classe i em ordem decrescente;
Se banda_disponível
≥
N
i
Aloque o nível N
i
para a chamada.
Senão
Se (PB
h
< T
h
) e (PB
n
> T
n
)
E
min
(Classe 3) = C
2
(Classe 3)
E
min
(Classe 4) = C
2
(Classe 4)
E
min
(Classe 5) = C
2
(Classe 5)
E
min
(Classe 6) = C
2
(Classe 6)
Se (
∆
PB
h
< 0 e
|
∆
PB
h
| < T
v
)
Banda_disponível = banda_disponível + |
∆
PB
h
|
.
banda_reservada
Fim Se
Senão
E
min
(Classe 3) = C
1
(Classe 3)
E
min
(Classe 4) = C
1
(Classe 4)
E
min
(Classe 5) = C
1
(Classe 5)
E
min
(Classe 6) = C
1
(Classe 6)
Banda_disponível = banda_disponível
Fim Se
Enquanto Banda Disponível < Nível Mínimo (N
min
) e todas as classes de
chamadas não estão no nível mínimo correspondente
(E
min
)
faça
Para j = 1 até Número de Chamadas Disponíveis (
α
) faça
Nível_Chamada[j] = Nível_Chamada[j] – 1;
Fim para
Fim Enquanto
Banda Disponível Temporária = Banda Disponível + Banda Emprestada
Se Banda Disponível Temporária
≥
N
min
Aloque o nível mínimo (N
min
) para a chamada
Fim Se
Fim Se
Fim se
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
23
senão handoff
se (banda_disponível + banda_reservada)
≥
nível_máximo
Aloque o nível máximo para a chamada da classe i;
senão
percorra os níveis N
i
da chamada da classe i em ordem decrescente;
se (banda_disponível + banda_reservada)
≥
N
i
Aloque o nível N
i
para a chamada.
Senão
Se (PB
h
> T
h
)
E
min
(Classe 3) = C
2
(Classe 3)
E
min
(Classe 4) = C
2
(Classe 4)
E
min
(Classe 5) = C
2
(Classe 5)
E
min
(Classe 6) = C
2
(Classe 6)
Senão
E
min
(Classe 3) = C
1
(Classe 3)
E
min
(Classe 4) = C
1
(Classe 4)
E
min
(Classe 5) = C
1
(Classe 5)
E
min
(Classe 6) = C
1
(Classe 6)
Fim Se
Enquanto Banda Disponível < Nível Médio (N
med
) e todas as classes de
chamadas não estão no nível mínimo correspondente (
E
min
) faça
Para j = 1 até Número de Chamadas Disponíveis (
α
) faça
Nível_Chamada[j] = Nível_Chamada[j] – 1;
Fim para
Fim Enquanto
Banda Disponível Temporária = Banda Disponível + Banda Emprestada
Se (Banda Disponível Temporária + banda_reservada)
≥
N
med
Aloque o nível médio (N
med
) para a chamada
Fim Se
Fim Se
Fim Se
Fim Se
Figura 2.5. Pseudocódigo do CAC proposto.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
24
Figura 2.6. Fluxograma do CAC proposto (3G).
Chamada
Banda suficiente
para N
max
?
Tipo de
chamada?
CAC
proposto
Banda suficiente
para algum N
i
?
CAC
proposto
(PB
h
<
T
h
) e
(PB
n
> T
n
) ?
Banda
disponível+banda
reservada
≥
N
med
?
Decréscimo de
chamadas na célula
Chamada Bloqueada
Chamada Alocada em
N
min
Banda disponível
Temporária
≥
N
min
?
Chamada Alocada em
N
med
Sim Sim
Handoff Nova
Chamada Alocada em
N
max
Sim
Não
Sim
Não
Chamada Alocada em
N
i
Sim
Não
B. disponível Temporária =
B. disponível + |
∆
∆∆
∆
PB
h
|
.
banda reservada
Níveis Empréstimos
= Conjunto C
2
(|
∆
∆∆
∆
PB
h
|<=T
v
)
e
∆
PB
h
< 0?
Níveis Empréstimos =
Conjunto C
1
Não
Níveis Empréstimos
= Conjunto C
2
(PB
h
>
T
h
) ?
Níveis Empréstimos =
Conjunto C
1
Decréscimo de
chamadas na célula
Sim
Não
Sim
Não Não
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
25
Quando uma chamada deixa uma célula, a banda ocupada será adicionada à banda
disponível da célula se a banda reservada para as chamadas handoff estiver completa. Caso
contrário, a banda será adicionada à banda reservada. Com isso, a banda ocupada é utilizada
para o aumento do nível de conexão de chamadas que foram utilizadas para o empréstimo de
banda.
2.4. Esquema Proposto para Rede GSM/GPRS
O algoritmo de alocação de banda proposto também foi simulado para uma rede
GSM/GPRS, considerando características de banda da rede quanto à voz (sistema AMR) e
dados (número de slots). A descrição da simulação do sistema está nas próximas seções.
2.4.1. Voz
Especificamente para voz, o sistema GSM possui um mecanismo chamado AMR (adaptive
multi-rate (AMR) voice coder) que determina, segundo a qualidade do canal, a banda a ser
utilizada. Ao todo, são oito bandas: 12,2; 10,2; 7,95; 7,4; 6,7; 5,9; 5,15 e 4.75 kbps.
Na prática, conforme as especificações GSM [33], o sistema determina 4 larguras de faixa
para serem utilizadas. Desta maneira, uma banda é utilizada segundo o nível C/I (carrier-to-
interference ratio). No programa é utilizado o seguinte grupo: 4,75; 5,9; 7,4 e 12,2 kbps,
conforme [33]. O grupo de limiares de C/I escolhido está na Tabela 2.2 [33].
Tabela 2.2. Limiares para as mudanças dos níveis de conexão.
Mudança (kbps) Limiar (dB)
12,2 – 7,4 13
7,4 – 5,9 9
5,9 – 4,75 6
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
26
2.4.2. Dados para GPRS
O sistema GSM/GPRS (general packet radio service) adota a divisão dos frames
FDMA/TDMA em slots (Figura 2.7). Conforme a situação da rede pode-se alocar de um a
oito slots para cada usuário [28]. Cada slot pode ser entendido como um canal lógico que
transporta voz ou dados (no caso do GRPS). Os canais lógicos para dados são mapeados em
canais físicos dedicados para dados, chamados PDCH (packet data channel).
Figura 2.7. Quadro com 8 slots.
No sistema GPRS há a possibilidade de se utilizar quatro esquemas de codificação (CS1,
CS2, CS3 e CS4), detalhados na Tabela 2.3.
Tabela 2.3. Esquemas de Codificação GPRS.
Esquema de
Codificação
Banda (kbps)
Sem RLC/MAC (kbps)
CS1 9,05 8
CS2 13,4 12
CS3 15,6 14,4
CS4 21,4 20
Desta maneira, a utilização de cada slot para uma conexão GPRS poderá ter quatro
esquemas de codificação e, em relação às bandas possíveis, cada conexão poderá ter 8 níveis.
Como exemplo, podemos imaginar uma conexão GPRS com o esquema de codificação CS4.
Seus níveis poderão ser: 20 kbps (1 slot), 40 kbps (2 slost) , 60 kbps (3 slots), 80 kbps (4
3
6
7
1
2
4
5
8
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
27
slots), 100 kbps (5 slots), 120 kbps (6 slots), 140 kbps (7 slots), 160 kbps (8 slots). A mesma
esquematização pode ser atribuída para os esquemas de codificação CS1, CS2 e CS3. O
esquema de divisão de níveis de conexão no sistema GSM/GPRS pode ser visualizado pela
Tabela 2.4.
Tabela 2.4. Níveis de Conexão e número de slots do sistema GSM/GPRS.
Codificação
Nível
(n° slots) k
CS1
(kbps)
CS2
(kbps)
CS3
(kbps)
CS4
(kbps)
Nível 8 64 96 115,2 160
Nível 7 56 84 100,8 140
Nível 6 48 72 86,4 120
Nível 5 40 60 72 100
Nível 4 32 48 57,6 80
Nível 3 24 36 43,2 60
Nível 2 16 24 28,8 40
Nível 1 8 12 14,4 20
2.4.3. Algoritmo Proposto - Rede GSM/GPRS
O programa de simulação para a rede GSM/GPRS adota os mecanismos de adaptação dos
níveis mínimos de empréstimo de banda utilizados para a rede de terceira geração (3G) e
considera as características da rede GSM/GPRS.
A variação do nível C/I é gerada utilizando um modelo de movimento de estados de Markov
[35], que simula os estados possíveis que variáveis de um processo estocástico podem
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
28
assumir. O modelo está na Figura 2.8.
Figura 2.8. Modelo de Estados.
Uma estação móvel pode ter um aumento ou uma diminuição da relação C/I com
probabilidade (1-p) e uma mudança da tendência de aumento ou diminuição com
probabilidade p. O modelo segue a distribuição de C/I da Figura 17 de [35]. O valor p
utilizado na simulação é p = 0,1 + random[0,1]
×
0.2 + abs(26-(C/I))
×
0.005, na qual C/I é
valor atual desta relação no intervalo (0-52dB) e random[0,1] é um valor aleatório entre 0 e 1.
Este valor, p, é gerado para cada nova chamada ou handoff e comparado com um valor
aleatório no intervalo 0 a 1 para determinar a tendência de aumento ou diminuição de C/I. O
aumento ou diminuição ocorre em uma unidade (1dB).
Na geração de uma nova chamada, um determinado valor de C/I é gerado (variando de 0 dB
a 52 dB) assim como sua tendência de aumento ou diminuição. No caso de uma chamada de
voz, o algoritmo verifica em que nível de banda poderá alocar a chamada, conforme os
limiares estabelecidos na Tabela 2.2. Depois, verifica a disponibilidade de banda da ERB e,
no caso de insuficiência, os níveis inferiores são verificados.
No caso de uma chamada de dados (GPRS), o algoritmo também verifica o nível de sinal da
chamada e determina o esquema de codificação possível conforme os limiares da Tabela 2.5
[32], para uma velocidade de 50 km/h.
p
p
(1-p) (1-p)
Aumento de
C/I
Diminuição
de C/I
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
29
Tabela 2.5. Esquemas de codificação e seus limiares.
Esquema de Codificação Limiar (dB)
CS1 9
CS2 13
CS3 15
CS4 23
Determinado o esquema de codificação, o programa verifica a possibilidade de alocar de 1 a
8 slots para a chamada. Caso a banda na ERB não seja suficiente para alocar a chamada no
esquema de codificação escolhido, um esquema de codificação de menor banda será
escolhido. Caso a banda seja insuficiente para alocar a menor banda possível do esquema de
codificação CS1 (8 kbps) então o procedimento de empréstimo de banda é iniciado. Em
termos de restrição física, a chamada é bloqueada se apresentar um nível de C/I menor do que
9 dB.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
30
Alocar chamada i
Se conexão é nova ligação
Se conexão é Voz
Verificar nível de C/I S(i)
nível de conexão de voz j (Exemplo = 12,2 kbps)
Se nível de C/I S(i) < 2dB
Chamada Bloqueada
Senão
Se nível de conexão j > Banda Disponível ERB
Verificar níveis com menor banda (Exemplo: 7,4; 5,9 e 4,75 kbps)
Se banda suficiente == TRUE
Alocação = TRUE;
Senão
Bloqueio da chamada
Fim Se
Senão
Alocação = TRUE;
Fim se
Fim Se
Senão (GPRS)
Verificar nível de C/I S(i)
Esquema de Codificação j (Exemplo = CS4)
Se nível de C/I S(i) < 9 dB
Chamada Bloqueada
Senão
Para Esquema de Codificação Escolhido (no caso, CS4) até CS1 faça
Para níveis de conexão k de 8 a 1 faça (no caso de CS4:
160,140,120,100,80,60,40 e 20 kbps – varia conforme o número de slots
(1 a 8))
Se Nível Conexão k
≤
Banda Disponível
Alocar Chamada i em Nível Conexão k
Alocação = TRUE;
Fim Se
Fim Para
Fim Para
Fim se
Fim Se
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
31
Se Alocação != TRUE
Se (PB
h
< T
h
) e (PB
n
> T
n
)
Se (
∆
PB
h
< 0 e
|
∆
PB
h
| < T
v
)
Banda_disponível = banda_disponível + |
∆
PB
h
| .banda_reservada
Fim se
E
Gmin
(CS1) = C
G2
(Classe 3);
E
Gmin
(CS2) = C
G2
(Classe 4);
E
Gmin
(CS3) = C
G2
(Classe 5);
E
Gmin
(CS4) = C
G2
(Classe 6);
Senão
E
Gmin
(CS1) = C
G1
(Classe 3);
E
Gmin
(CS2) = C
G1
(Classe 4);
E
Gmin
(CS3) = C
G1
(Classe 5);
E
Gmin
(CS4) = C
G1
(Classe 6);
Banda_disponível = banda_disponível
Fim Se
Enquanto Banda Emprestada < Nível Mínimo (N
min
) e todas as classes de
chamadas não estão no nível mínimo correspondente (E
Gmin
) faça
Para j = 1 até Número de Chamadas Disponíveis faça
Nível_Chamada[j] = Nível_Chamada[j] – 1;
Fim para
Fim Enquanto
Banda Disponível Temporária = Banda Disponível + Banda Emprestada
Se Banda Disponível Temporária
≥
N
min
Aloque o nível mínimo (N
min
) para a ligação
Senão
Chamada Bloqueada
Fim Se
Fim Se
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
32
Senão (é chamada Handoff)
Se conexão é Voz
Verificar nível de C/I S(i)
nível de conexão j (Exemplo = 12,2 kbps)
Se nível de C/I S(i) < 2dB
Chamada Bloqueada
Senão
Se nível de conexão j > Banda Disponível ERB
Verificar níveis com menor banda (Exemplo: 7,4; 5,9 e 4,75 kbps)
Se banda suficiente == TRUE
Alocação = TRUE;
Senão
Bloqueio da chamada
Fim Se
Senão
Alocação = TRUE;
Fim se
Fim Se
Senão (GPRS)
Verificar nível de C/I S(i)
Esquema de Codificação j (Exemplo = CS4)
Se nível de C/I S(i) < 9 dB
Chamada Bloqueada
Senão
Para Esquema de Codificação Escolhido (no caso, CS4) até CS1 faça
Para níveis de conexão k de 8 a 1 faça (no caso de CS4: 160,140,120,100
80,60,40 e 20 kbps – varia conforme o número de slots (1 a 8))
Se Nível Conexão k
≤
Banda Disponível
Alocar Chamada i em Nível Conexão k
Alocação = TRUE;
Fim Se
Fim Para
Fim Para
Fim Se
Fim Se
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
33
Se Alocação != TRUE
Se (PB
h
> T
h
)
E
Gmin
(CS1) = C
G2
(Classe 3);
E
Gmin
(CS2) = C
G2
(Classe 4);
E
Gmin
(CS3) = C
G2
(Classe 5);
E
Gmin
(CS4) = C
G2
(Classe 6);
Senão
E
Gmin
(CS1) = C
G1
(Classe 3);
E
Gmin
(CS2) = C
G1
(Classe 4);
E
Gmin
(CS3) = C
G1
(Classe 5);
E
Gmin
(CS4) = C
G1
(Classe 6);
Fim Se
Enquanto Banda Emprestada < Nível Médio (N
med
) e todas as classes de
chamadas não estão no nível mínimo correspondente (E
Gmin
) faça
Para j = 1 até Número de Chamadas Disponíveis faça
Nível_Chamada[j] = Nível_Chamada[j] – 1;
Fim para
Fim Enquanto
Banda Disponível Temporária = Banda Disponível + Banda Emprestada
Se (Banda Disponível Temporária + banda_reservada)
≥
N
med
Aloque o nível médio (N
med
) para a ligação
Senão
Chamada Bloqueada
Fim Se
Fim Se
Fim Se
Figura 2.9. Pseudocódigo do algoritmo do sistema GSM/GPRS.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
34
No caso de PB
n
estar acima de um certo limiar (T
n
) e PB
h
abaixo de outro (T
h
), o algoritmo
também determina alguns níveis mínimos de conexão para as chamadas que emprestam parte
de suas bandas para a alocação de novas chamadas ou chamadas handoff na célula, da mesma
maneira que é realizado para o modelo de redes de terceira geração (3G) na Seção 2.3. Desta
maneira, caso PB
h
< T
h
e PB
n
> T
n
, o empréstimo de cada tipo de tráfego, caracterizado pelo
esquema de codificação que a chamada apresenta no momento, terá seu nível de conexão
alterado até um nível mínimo E
Gmin
(Codificação) estabelecido pelo conjunto de níveis C
G2
.
Caso contrário (PB
h
> T
h
e/ou PB
n
< T
n
), o conjunto de níveis mínimos determinados é C
G1
.
Este mecanismo também é aplicado caso a chamada seja uma conexão de voz. O
pseudocódigo do algoritmo está na Figura 2.9.
Quando há empréstimo de banda, o algoritmo verifica as duas variáveis de probabilidade:
PB
n
e PB
h
. Caso estas duas variáveis satisfaçam seus respectivos limiares (T
n
e T
h
), a variação
da probabilidade de bloqueio de handoff (
∆
PB
h
) for negativa, ou seja, se a probabilidade
diminuiu em relação à última computação, e seu módulo estiver abaixo de um limiar (T
v
), a
banda considerada para a alocação de uma nova chamada contará com o aumento da mesma
magnitude da banda reservada para as chamadas handoff. Este mecanismo também é adotado
para as redes de terceira geração (3G) na Seção 2.3. A adoção do limiar T
v
evita que o sistema
agregue toda a banda reservada ao handoff para as novas ligações. A esquematização está na
Figura 2.10.
No caso das chamadas handoff, os valores dos níveis mínimos de conexão são escolhidos
conforme o valor da expectativa de probabilidade de bloqueio de handoff (PB
h
). Caso PB
h
esteja com um valor maior que T
h
, os valores mínimos escolhidos (C
G2
) são diferentes
daqueles que seriam (C
G1
) caso PB
h
tenha um valor menor.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
35
Figura 2.10. Exemplo dos níveis mínimos para o empréstimo de banda.
Com este tipo de mecanismo, o empréstimo de banda penaliza mais ou menos as chamadas
em andamento na célula conforme a situação da rede. No caso do algoritmo, adotam-se
diferentes tipos de prioridades para os diferentes esquemas de codificação (CS1, CS2, CS3 e
CS4). O tráfego de voz apresenta a maior prioridade e não tem sua banda reduzida para o
empréstimo de banda. No caso da rede GSM/GPRS as prioridades são determinadas conforme
o nível mínimo atribuído (E
Gmin
(Codificação)) para cada uma e também pela ordem de
procura das chamadas em andamento na célula, que se caracteriza primeiramente pelas
chamadas com o esquema de codificação CS4 e sucessivamente até a CS1. O nível mínimo
atribuído para o esquema de codificação CS4 (E
Gmin
(CS4)) permite, no caso de empréstimo
de banda de uma chamada com este esquema de codificação, uma diminuição maior nos
níveis de conexão do que o nível atribuído para o esquema de codificação CS1. Desta
maneira, a prioridade do esquema de codificação CS1 é maior do que a do esquema de
codificação CS4. O fluxograma do algoritmo está na Figura 2.11.
E
Gmin
(CS4) = 3
Se (PB
h
< T
h
) e (PB
n
> T
n
)
Portanto, empréstimo até o nível 4
Exemplo: Empréstimo de banda de
tráfego CS4 para novas chamadas
Banda Total
Nível 8
Nível 7
Nível 6
Nível 5
Nível 4
Nível 3
Nível 2
Nível 1
E
Gmin
(CS4) = 4
Se (PB
h
≥
T
h
) e/ou (PB
n
≤
T
n
)
Portanto, empréstimo até o nível 5
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
36
Figura 2.11. Fluxograma do CAC Proposto (GSM/GPRS).
Chamada
Banda suficiente para
N
max
(8 slots no caso
GPRS e
12,2 kbps –
caso de Voz)
?
Tipo de
chamada?
CAC
proposto
Banda suficiente para
algum N
i
(1 a 7 slots -
GPRS ou 7,4; 5,9 ou
4,75 kbps
-
Voz
)
?
CAC
proposto
(PB
h
<
T
h
) e
(PB
n
> T
n
) ?
Banda
disponível+banda
reservada
≥
N
med
?
Decréscimo de
chamadas na célula
Chamada Bloqueada
Chamada Alocada em
N
min
Banda
disponível
Temporária
≥
N
min
?
Chamada Alocada em
N
med
Não
Handoff Nova
Não
Chamada Alocada
em N
i
Níveis Empréstimos
= Conjunto C
G2
Níveis Empréstimos =
Conjunto C
G1
(|
∆
∆∆
∆
PB
h
|<=T
v
)
e
∆
PB
h
< 0?
(PB
h
> T
h
) ?
Níveis Empréstimos
= Conjunto C
G2
Níveis Empréstimos =
Conjunto C
G1
Decréscimo de
chamadas na célula
Nível Sinal de
C/I
<
Mínimo ?
(2 dB para Voz e 9 dB
para GPRS)
Escolha da codificação
(GPRS) ou do nível de
conexão (voz)
Chamada Bloqueada
Chamada Alocada
em N
max
Sim
Não
Sim
Sim
Não
Não
Não
Não
Sim Sim
Não
Sim
Sim
Sim
B. disponível Temporária =
B. disponível + |
∆
∆∆
∆
PB
h
|
.
banda reservada
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
37
2.5. Parâmetros do CAC
O CAC é baseado em parâmetros para a divisão da banda de cada classe de conexão. Cada
classe contém um nível máximo (N
max
) e um nível mínimo (N
min
) de banda e, assim, a
tolerância de perda (TP) possível pode ser expressa como [15]
=
TP
N
max
- N
min
(2.5.1)
O sistema de empréstimo de banda pode ser entendido como um sistema justo de adaptação
dos níveis de conexão conforme o tráfego de cada célula. Um outro parâmetro, chamado
adaptabilidade (AD), pode ser definido por [15]
max
N
TP
AD = (2.5.2)
De acordo com (2.5.2), quanto maior sua tolerância de perda em relação a um mesmo nível
máximo de conexão (N
max
), o que significa uma maior adaptabilidade da conexão e
conseqüentemente um menor N
min
, menor será a probabilidade de bloqueio, já que o intervalo
possível para se estabelecer a conexão é maior.
Supondo que em uma célula do sistema uma conexão C da classe i esteja operando em um
nível L de conexão e tendo um parâmetro de divisão de banda
β
i
, como definido na Seção 2.3,
o seu nível de conexão (NC) será [15]
NC = N
max
i
TP
L
β
− (2.5.3)
Para a mesma conexão
C a sua razão de perda (RP) pode ser calculada por
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
38
max
N
TP
L
RP
i
β
=
(2.5.4)
Pela manipulação direta de (2.5.4) tem-se
AD
L
N
NN
L
RP
ii
ββ
=
−
=
max
minmax
(2.5.5)
Desta maneira, para uma determinada célula o fator
L /
i
β
é constante e uma conexão da
classe
i
será estabelecida em um nível de conexão proporcional à sua adaptabilidade.
Considerando outra chamada
C’
na mesma célula e se
RP(C) e RP(C’)
são as
correspondentes razões de perda de tráfego da classe
i
e da classe
j
, para
β
i
=
β
j
)(
)'(
)(
)'(
)(
)'(
CAD
CAD
CAD
L
CAD
L
CRP
CRP
i
j
==
β
β
(2.5.6)
A Equação (2.5.6) mostra que a relação entre as razões de perda das conexões é invariante
em relação ao nível
L.
Mostra ainda que a adequação de uma conexão a um nível
L
apresenta
relação direta apenas com sua adaptabilidade e que sua razão de perda será tanto maior quanto
maior for
AD
.
O CAC proposto opera utilizando estes conceitos de adaptabilidade das classes de chamadas
para implementar as prioridades. O conceito destes parâmetros aplica-se mais diretamente à
rede 3G, já que esta possui diferentes bandas para serviços diferentes. Na rede GSM/GPRS, as
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
39
conexões de dados modificam-se somente em relação ao esquema de codificação utilizado
(CS1, CS2, CS3 ou CS4). Os parâmetros estão relacionados diretamente com o conceito de
divisão de banda em cada tipo de tráfego e com a dinâmica de alocação de banda do sistema
e, desta maneira, não se relacionam com os aspectos físicos da rede.
2.6. Simulação
A simulação discreta de eventos foi implementada em linguagem ANSI C e a rede de
comunicação móvel celular é formada por 100 células hexagonais, conforme exemplifica a
Figura 2.12. Neste trabalho adota-se que cada ERB conta com uma banda de 30 Mbps para a
rede 3G e de 2 Mbps para a rede GSM/GPRS. A geração de novas chamadas ocorre seguindo
uma distribuição de
Poisson
, tendo como média
λ
, que é o número de chamadas por segundo.
Cada chamada gerada tem uma probabilidade
P
h
de sofrer
handoffs
, que é comparada com
valor aleatório gerado uniformemente no intervalo 0 a 1. A classe da chamada
i
é escolhida
através de variável aleatória uniforme de 0 a 1, que é comparada com o percentual de tráfego
da Tabela 2.6, no caso da rede 3G, e da Tabela 2.7, no caso da rede GSM/GPRS. O tempo de
permanência em cada célula é proporcional à sua velocidade, que é definida como constante e
cujo valor é 50 km/h.
A seqüência da simulação é a seguinte.
1. Geração de todos os eventos futuros das chamadas da simulação com distribuição de
Poisson e média
λ
:
Especificação da classe de tráfego de cada chamada;
Especificação do caminho a ser percorrido pela estação móvel caso a chamada seja
alocada.
2. Análise das chamadas geradas na ordem que foram geradas
Averiguação do tipo de cada chamada;
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
40
Chamada do Controle de Admissão de Chamadas (CAC
).
3. Contabilização dos parâmetros analisados
Probabilidade de bloqueio de novas chamadas;
Probabilidade de bloqueio de chamadas handoff;
Utilização de banda;
Throughput.
Os seis tipos de chamadas (Tabela 2.1) da rede de terceira geração (3G) são escolhidos
segundo a percentagem determinada pela Tabela 2.6. Os tipos de chamadas da rede
GSM/GPRS são exibidos na Tabela 2.7. As percentagens nas tabelas consideram uma
possível distribuição de tráfego baseada nos trabalhos relacionados [15] e [16].
Figura 2.12. Células Hexagonais da Rede Celular.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
41
Tabela 2.6. Percentagem das chamadas geradas para a rede 3G.
Classes
Prioridade
Banda Mínima -
Banda máxima
Duração Média
(s)
Tipo
Percentual
1
30 - 30 kbps
180 Voz CBR
40
2
256 – 256 kbps
300 Videoconferência CBR
15
3
1 – 6 Mbps
600 Interação Multimídia VBR
10
4
10 – 20 kbps
30 E-mail VBR
20
5
64 – 512 kbps
180 Download, FTP VBR
10
6
1 – 10 Mbps
120
Transferência de
Arquivos
VBR
5
Tabela 2.7. Percentagem das chamadas geradas para a rede GSM/GPRS.
Tráfego
Prioridade
Banda Mínima -
Banda máxima (kbps)
Duração
Média (s)
Tipo
Percentual
1(AMR) 4,75 - 12 180 Voz CBR
60
2 (CS1) 8 – 64
3 (CS2) 12 – 96
4 (CS3)
14,4 – 115,2
5 (CS4)
20 - 160
300
Dados
VBR
40
A divisão das classes de chamadas segundo as Tabelas 2.6 e 2.7 tornam a geração das
chamadas mais realista, já que o uso de uma rede celular é caracterizado principalmente por
chamadas de voz. Este tipo de divisão foi encontrado em apenas um trabalho [5], mas os
percentuais de cada classe de chamada não foram apresentados.
2. Proposta de Alocação de Banda em Redes Celulares
42
Os eventos de cada chamada gerada são armazenados e tratados posteriormente pela
simulação em ordem de chegada. Como exemplo, uma chamada
j
da classe
i
gerada no tempo
t
com uma duração
∆t
e que sofrerá
H
handoffs
conforme sua movimentação (velocidade
V
),
terá a seguinte descrição de eventos:
Supondo ∆t =300s
;
V=50 km/h (13,88 m/s) e distância a percorrer =300
×
13,88 =4164 m
Evento 1: Alocar N
máx
de j na célula 1 ou em algum nível L maior que N
mín
;
Escolher direção de movimento e calcular distância percorrida na célula
Verificar nível de sinal RSS;
Atualizar distância total e verificar se é menor do que 4164 metros;
Evento 2: Alocar N
máx
de j na célula 2 ou em algum nível L maior que N
med
;
Escolher direção de movimento e calcular distância percorrida na célula;
Verificar nível de sinal RSS;
Atualizar distância total e verificar se é menor do que 4164 metros;
Evento 3: Desocupar banda ocupada por j na célula 1;
Evento 4: Alocar N
máx
de j na célula 3 ou em algum nível L maior que N
med
;
Escolher direção de movimento e calcular distância percorrida na célula;
Verificar nível de sinal RSS;
Atualizar distância total e verificar se é menor do que 4164 metros;
Evento 5: Desocupar banda ocupada por j na célula 2;
Evento 6: Alocar N
máx
de j na célula 4 ou em algum nível L maior que N
med
;
Escolher direção de movimento e calcular distância percorrida na célula;
Verificar nível de sinal RSS;
Atualizar distância total e verificar se é menor do que 4164 metros;
Evento 7: Desocupar banda ocupada por j na célula 3;
Evento 8: Desocupar banda ocupada por j na célula 4, distância igual a 4164 metros.
Capítulo 3
Resultados para o Sistema 3G
Neste capítulo são apresentados os resultados da simulação do algoritmo de alocação de
banda para as redes de terceira geração (3G). Na simulação foram considerados os seguintes
parâmetros mostrados na Tabela 3.1. Cada ponto dos gráficos corresponde à média aritmética
de três simulações realizadas.
Tabela 3.1. Parâmetros Utilizados na Rede 3G.
Chamadas por Segundo (
λ
)
0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0.
Limiar T
h
0,05
Limiar T
n
0,05
λ
Limiar T
v
0,85
Probabilidade de Handoff (P
h
) 0,75 (75%)
Tempo Simulação (Sistema) 1 hora (3600 segundos)
Banda ERB 30 Mbps
Foram simuladas quatro configurações diferentes. A primeira (A) refere-se ao esquema de
alocação de banda sem o sistema de empréstimo de banda, ou seja, uma ligação de qualquer
classe será aceita apenas se a banda disponível satisfizer algum nível de conexão. Outra
simulação (B) refere-se ao esquema com empréstimo de banda, mas que não apresenta a
funcionalidade de adaptação dos níveis mínimos de conexão para empréstimo de banda
conforme parâmetros da rede (parte azul do fluxograma da Figura 2.6), que é base de [5],
[15]– [17]. Adicionalmente, foi simulado o sistema de empréstimo de banda com outros
níveis mínimos de adaptação de empréstimo para cada classe de chamada e também com o
3. Resultados para o Sistema 3G
44
sistema de agregação da parte da banda reservada à
handoff
à banda considerada para
alocação. Um conjunto de níveis
C
2
de 4, 3, 2 e 1 (CN(1)), ou seja, o algoritmo pode
emprestar banda das chamadas da classe 3 até o nível 5 (um nível acima do nível mínimo); da
classe 4 até o nível 4; da classe 5 até o nível 3 e da classe 6 até o nível 2. Outro cenário
simulado (CN(2)) é com conjunto de níveis mínimos de empréstimo de banda
C
2
de 3, 2, 2 e 1
(classes 3, 4, 5 e 6). O valor do conjunto de níveis mínimos
C
1
utilizado é 5 para a classe 3; 4
para a classe 4; 3 para a classe 5 e 2 para a classe 6.
A Figura 3.1 exibe a probabilidade de bloqueio de novas chamadas. Percebe-se que a
adoção do sistema de empréstimo de banda melhora a probabilidade de bloqueio do sistema, e
o uso do sistema adaptativo de níveis mínimos de empréstimo de banda melhoram a
performance do sistema. A Tabela 3.2 mostra, para efeito de análise, os valores da
probabilidade de bloqueio para três valores de
λ
(0,1, 0,5 e 1,0) e compara o algoritmo
proposto neste trabalho (CN) com o algoritmo B.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.1. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas.
3. Resultados para o Sistema 3G
45
A Figura 3.2 exibe a probabilidade de bloqueio de
handoff
. É possível perceber que com o
sistema proposto há uma melhora de desempenho em relação ao algoritmo B. Este fato deve-
se ao sistema adaptativo também empregado no caso de chamadas
handoff
, que considera
outro conjunto de níveis mínimos de empréstimo de banda caso a expectativa de
probabilidade de bloqueio de
handoff
(
PB
h
) seja maior que
T
h
. A Tabela 3.3 exibe alguns
valores da probabilidade de bloqueio para os diferentes algoritmos e há melhoria de até 23%.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.2. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff.
Tabela 3.2. Comparação de Valores entre os Esquemas para novas chamadas.
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,05102 0,01215 -76,1 0,00817 -83,9
0,5 0,35001 0,18619 - 46,8 0,14974 -57,2
1,0 0,50396 0,32005 -36,5 0,30127 -40,2
3. Resultados para o Sistema 3G
46
Tabela 3.3. Comparação de Valores entre os Esquemas para chamadas
Handoff
.
Na Figura 3.3 e na Tabela 3.4 são exibidos a utilização de banda e alguns valores de
utilização para diferentes cenários. Há uma melhoria na utilização de banda em relação ao
algoritmo B devido ao melhor aproveitamento da banda proporcionado pelo sistema
adaptativo dos níveis mínimos de empréstimo de banda.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Utilização de Banda
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.3. Utilização de Banda.
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,0186 0,01646 -11,5 0,01555 -16,3
0,5 0,04045 0,03319 -17,9 0,03345 -17,3
1,0 0,04334 0,03346 -22,7 0,03304 -23,7
3. Resultados para o Sistema 3G
47
Tabela 3.4. Comparação de utilização de banda entre os esquemas.
As classes de chamadas foram analisadas separadamente e os gráficos das Figuras 3.4 – 3.9
mostram a probabilidade de bloqueio de novas chamadas de cada classe de chamada. As
Tabelas 3.5 - 3.10 mostram alguns valores de probabilidade de bloqueio para as classes.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.4. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 1).
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,63306 0,65149 +2,9 0,65776 +3,9
0,5 0,82294 0,83879 +1,9 0,84654 +2,8
1,0 0,8427 0,85323 +1,2 0,85643 +1,6
3. Resultados para o Sistema 3G
48
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.5. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 2).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.6. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 3).
3. Resultados para o Sistema 3G
49
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.7. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 4).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.8. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 5).
3. Resultados para o Sistema 3G
50
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.9. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Classe 6).
Tabela 3.5. Comparação de Valores da Classe 1 (Novas Chamadas).
Tabela 3.6. Comparação de Valores da Classe 2 (Novas Chamadas).
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,04808 0,01072 -77,7 0,00719 -85
0,5 0,30626 0,13683 -55,3 0,11032 -63,9
1,0 0,44608 0,23667 -46,9 0,22126 - 50,3
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,05627 0,01467 -73,9 0,01082 - 80,7
0,5 0,39013 0,23102 - 40,7 0,18486 - 52,6
1,0 0,55952 0,3925 -29,8 0,3708 -33,7
3. Resultados para o Sistema 3G
51
Tabela 3.7. Comparação de Valores da Classe 3 (Novas Chamadas).
Tabela 3.8. Comparação de Valores da Classe 4 (Novas Chamadas).
Tabela 3.9. Comparação de Valores da Classe 5 (Novas Chamadas).
Tabela 3.10. Comparação de Valores da Classe 6 (Novas Chamadas).
As figuras exibem um aumento do desempenho do sistema quando utilizado o algoritmo
proposto. A probabilidade de bloqueio da classe 4 apresenta uma melhoria mais significativa,
pois se caracteriza pela menor necessidade de banda.
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,06971 0,01795 - 74,2 0,012 - 82,7
0,5 0,52039 0,38467 - 26 0,31166 - 40,1
1,0 0,73445 0,67002 - 8,7 0,64242 -12, 5
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,04431 0,00877 - 80,2 0,0056 - 87,3
0,5 0,29887 0,12204 - 59,1 0,10021 - 66,4
1,0 0,43021 0,20808 - 51,6 0,19176 - 55,4
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,04329 0,01065 - 75.3 0,00668 - 84,5
0,5 0,30988 0,14409 - 53 0,11379 - 63,2
1,0 0,45512 0,24646 - 45,8 0,22703 - 50,1
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,0639 0,02166 - 66,1 0,01409 - 77,9
0,5 0,52801 0,39013 - 26,1 0,30799 - 41,6
1,0 0,73585 0,67559 - 8,1 0,64444 - 12,4
3. Resultados para o Sistema 3G
52
As classes 3 e 6, apesar de possuírem menores percentuais de geração de chamadas,
apresentam a maior probabilidade de bloqueio dentre as outras, como pode ser visualizado
pelas Figuras 3.6 e 3.9. Este fato é resultado da maior necessidade de banda desses dois tipos
de tráfego. Pelos gráficos destas duas classes também é possível perceber que apresentam a
menor diminuição das probabilidades de bloqueio dentre as outras classes com a adoção do
algoritmo proposto (CN), o que é atribuído à maior necessidade de banda dessas duas classes.
Este fato acarreta uma maior necessidade de acúmulo de banda no sistema de empréstimo do
algoritmo para suprir o nível mínimo no caso de uma nova chamada e suprir o nível médio no
caso de uma chamada
handoff
.
As probabilidades de bloqueio de
handoff
de cada classe de chamada são exibidas nas
Figuras 3.10 - 3.15.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.10. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 1).
3. Resultados para o Sistema 3G
53
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.11. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 2).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.12. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 3).
3. Resultados para o Sistema 3G
54
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.13. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 4).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.14. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 5).
3. Resultados para o Sistema 3G
55
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.15. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Classe 6).
Tabela 3.11. Comparação de Valores da Classe 1 (Chamadas
Handoff
).
Tabela 3.12. Comparação de Valores da Classe 2 (Chamadas
Handoff
).
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,00207 0,000851 - 58,8 0.000596 - 71,2
0,5 0,00963 0,00492 - 48,9 0,0048 - 50,1
1,0 0,01442 0,00894 - 38 0,00939 -34,8
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,00977 0,0056 - 42,6 0,0043 - 55,9
0,5 0,04836 0,02891 - 40,2 0,02428 - 49,7
1,0 0,07024 0,04842 - 31 0,04338 - 38,2
3. Resultados para o Sistema 3G
56
Tabela 3.13. Comparação de Valores da Classe 3 (Chamadas
Handoff
).
Tabela 3.14. Comparação de Valores da Classe 4 (Chamadas
Handoff
).
Tabela 3.15. Comparação de Valores da Classe 5 (Chamadas
Handoff
).
Tabela 3.16. Comparação de Valores da Classe 6 (Chamadas
Handoff
).
A classe 4 (Figura 3.13) apresenta uma maior variação de valores, pois dentre os tráfegos do
tipo VBR é que necessita de menor necessidade de banda (10 – 20 kbps), sendo mais
suscetível às variações da banda disponível que pode alocar a banda média (
N
med
) necessária
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,06945 0,06263 - 9,8 0,05707 - 17,8
0,5 0,2106 0,21412 + 1,6 0,20669 - 1,8
1,0 0,24141 0,24404 + 1 0,2285 - 5,3
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,000464 0,000373 - 19,6 0,000054 - 88,3
0,5 0,0056 0,00258 - 53,9 0,00329 - 41,2
1,0 0,00877 0,00484 - 44,8 0,00622 - 29
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,00521 0,0026 - 50 0,00216 - 58,5
0,5 0,02106 0,01374 - 34,7 0,01217 - 42,2
1,0 0,02996 0,02154 - 28,1 0,02114 - 29,4
λ
Algoritmo B Algoritmo CN(1) Dif.(%) Algoritmo CN(2) Dif.(%)
0,1 0,105 0,12197 + 16 0,12553 +19,3
0,5 0,25484 0,2522 -1 0,24677 - 3,1
1,0 0,27771 0,29365 + 5,7 0,26897 - 2,8
3. Resultados para o Sistema 3G
57
para o
handoff.
Entre as probabilidades de bloqueio das seis classes de chamadas expostas, é
possível perceber que as classes 3 e 6 apresentam uma piora de desempenho em relação ao
esquema sem empréstimo de banda (esquema A) em ambiente de maior tráfego. Esse
fenômeno ocorre porque as classes 3 e 6 são as que demandam mais banda e, desta maneira,
ficam mais suscetíveis à sua escassez. O esquema apresenta um maior aproveitamento de
banda e como a alocação de uma chamada de uma classe de maior demanda (classes 3 ou 6)
realiza o empréstimo de banda, a banda disponível na ERB será probabilisticamente menor
(Figura 3.3). Desta maneira, como a chamada
handoff
requer uma banda de nível médio
(
N
med
), sua alocação experimenta uma situação de escassez de banda especifica para as classes
3 e 6.
As Figuras 3.16 – 3.19 mostram o
throughput
médio para as classes 3, 4, 5 e 6,
respectivamente. Há uma diminuição do
throughput
médio para as classes 3 e 6 quando
utilizados os esquemas de adaptação (CN). Este fato ocorre porque o esquema apresenta uma
melhor utilização de banda e, desta maneira, a banda disponível na ERB será estatisticamente
menor e distribuída de maneira mais homogênea pelas chamadas do sistema, gerando uma
diminuição no
throughput
médio para as classes de maior banda (classes 3 e 6). Estas classes
são mais suscetíveis à diminuição da banda disponível e que probabilisticamente requerem
mais o uso do sistema de empréstimo de banda.
3. Resultados para o Sistema 3G
58
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (λ)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.16.
Throughput
médio para a classe 3.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,011
0,012
0,013
0,014
0,015
0,016
0,017
0,018
0,019
0,020
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.17.
Throughput
médio para a classe 4.
3. Resultados para o Sistema 3G
59
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,40
0,42
0,44
0,46
0,48
0,50
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.18.
Throughput
médio para a classe 5.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
A - Sem Empréstimo de Banda
B - Sem Esquema de Adaptação
CN(1) - Com Esquema de Adaptação (4,3,2,1)
CN(2) - Com Esquema de Adaptação (3,2,2,1)
Figura 3.19.
Throughput
médio para a classe 6.
Capítulo 4
Resultados GSM/GPRS
Este capítulo exibe os resultados da simulação do algoritmo de alocação de banda para uma
rede GSM/GPRS. São considerados na simulação os aspectos de banda utilizados pelo padrão
GSM, que são baseados nas diferentes bandas utilizadas pelo tráfego de voz (AMR) e pelo
GPRS, que utiliza diferentes esquemas de codificação para o tráfego de dados. Na simulação
foram considerados os parâmetros mostrados na Tabela 4.1. Cada ponto dos gráficos
corresponde à média aritmética de três simulações realizadas.
Tabela 4.1. Parâmetros Utilizados na Rede GSM/GPRS.
Chamadas por Segundo (
λ
)
0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0.
Limiar T
h
0,05
Limiar T
n
0,05
λ
Limiar T
v
0,85
Probabilidade de Handoff (P
h
) 0,75 (75%)
Tempo Simulação (Sistema) 1 hora (3600 segundos)
Banda ERB 2 Mbps
Foram simuladas três configurações diferentes. Uma (D) refere-se ao esquema com
empréstimo de banda, mas que não apresenta a funcionalidade de adaptação dos níveis
mínimos de conexão para empréstimo de banda conforme parâmetros da rede (parte azul do
fluxograma da Figura 2.11), que é base de [5], [15] - [17].
Por último, foi simulado o sistema de empréstimo de banda com adaptação dos níveis
mínimos de empréstimo de banda para cada classe de chamada e também com o sistema de
4. Resultados GSM/GPRS
62
agregação da parte da banda reservada à
handoff
à banda considerada para alocação. Um
conjunto de níveis
C
G2
6, 5, 4 e 3 (E (1)), ou seja, o algoritmo pode emprestar banda das
chamadas com o esquema de codificação CS1 até o nível 7; das chamadas com o esquema de
codificação CS2 até o nível 6; das chamadas com o esquema de codificação CS3 até o nível 5
e das chamadas com o esquema de codificação CS4 até o nível 4. Outro cenário simulado (E
(2)) é com conjunto de níveis mínimos de empréstimo de banda
C
G2
de 5, 4, 3 e 2 para os
esquemas de codificação CS1, CS2, CS3 e CS4, respectivamente. O valor do conjunto de
níveis mínimos
C
G1
é 7 para o esquema de codificação CS1; 6 para o esquema de codificação
CS2; 5 para o esquema de codificação CS3 e 4 para o esquema de codificação CS4. Os níveis
de conexão para cada tipo de esquema de codificação dizem respeito à quantidade de
slots
.
Desta maneira, o nível mínimo 7 indica que o algoritmo poderá emprestar banda de uma
chamada com o esquema de codificação CS1 referente a um
slot
de sua atual conexão, ou
seja, um nível acima (nível 8), o que corresponde a 8 kbps desta chamada.
A Figura 4.1 exibe a probabilidade de bloqueio de novas chamadas. Percebe-se uma
probabilidade de bloqueio menor com o uso do esquema E, que adota a adaptação dos níveis
mínimos de empréstimo de banda. Com o aumento da banda emprestada das chamadas em
andamento, a probabilidade de bloqueio tem uma queda em relação ao esquema sem
adaptação. A Tabela 4.2 exibe alguns valores de probabilidade de bloqueio para três valores
de
λ
: 0,4; 0,7 e 1,0.
A probabilidade de bloqueio de
handoff
exibe o mesmo comportamento, como pode ser
visualizado pela Figura 4.2 e pela Tabela 4.3. A necessidade de se alocar pelo menos o nível
médio de conexão (
N
med
) para o
handoff
reduz a diminuição da probabilidade de bloqueio para
um alto tráfego, pois o aumento do tráfego aumenta a escassez de banda do sistema o que leva
a uma maior dificuldade para alocar o nível médio de conexão para as chamadas
handoff
.
4. Resultados GSM/GPRS
63
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.1. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.2. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff.
4. Resultados GSM/GPRS
64
Tabela 4.2. Comparação valores entre os esquemas para novas chamadas.
Tabela 4.3. Comparação de valores entre os esquemas para chamadas
Handoff
.
A Figura 4.3 mostra a utilização de banda do sistema. É possível perceber que não há uma
diferenciação clara no desempenho deste parâmetro em um ambiente de grande tráfego, como
pode ser visualizado pela Tabela 4.4. Este fato é relacionado às diferenças de divisão de banda
em níveis de conexão do sistema GSM/GPRS em relação ao sistema 3G.
O trabalho também estuda as probabilidades de bloqueio de novas chamadas que se iniciam
com um tipo especifico de esquema de codificação (CS1, CS2, CS3 ou CS4) atribuído às
chamadas e também das chamadas de voz, mostradas nas Figuras de 4.4 a 4.8. Nas Tabelas de
4.5 a 4.9 são exibidos alguns valores da probabilidade de bloqueio de novas chamadas para
diferentes tipos de tráfego.
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,06749 0,0213 - 68,4 0,00663 - 90,1
0,7 0,26188 0,18177 - 30,5 0,11933 - 54,4
1,0 0,40655 0,33071 - 18,6 0,25529 -37,2
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,01538 0,0122 - 20,6 0,00873 - 43,2
0,7 0,04734 0,04219 - 10,8 0,03591 - 24,1
1,0 0,06393 0,06485 + 1,4 0,06146 - 3,8
4. Resultados GSM/GPRS
65
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.3. Utilização de Banda
.
Tabela 4.4. Comparação da utilização de banda entre os esquemas.
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,90358 0,91671 + 1,4 0,92096 + 1,9
0,7 0,92426 0,92885 + 0,4 0,93824 + 1,5
1,0 0,92282 0,94143 + 2 0,94697 + 2,6
4. Resultados GSM/GPRS
66
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.4. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Voz).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.5. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS1).
4. Resultados GSM/GPRS
67
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.6. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS2).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.7. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS3).
4. Resultados GSM/GPRS
68
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.8. Probabilidade de Bloqueio de Novas Chamadas (Chamadas CS4).
Tabela 4.5. Comparação de probabilidade de bloqueio (Voz).
Tabela 4.6. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS1).
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,05597 0,01831 - 67 0,00605 - 89,1
0,7 0,23052 0,16236 - 29,5 0,1089 - 52,7
1,0 0,36856 0,30283 - 17,8 0,23539 - 36,1
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,0578 0,01952 - 66,2 0,00631 - 89
0,7 0,23949 0,17239 - 28 0,11397 - 52,4
1,0 0,38373 0,31591 - 17,6 0,24603 - 35,8
4. Resultados GSM/GPRS
69
Tabela 4.7. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS2).
Tabela 4.8. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS3).
Tabela 4.9. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas CS4).
Pelos gráficos das probabilidades de bloqueio das chamadas que se iniciam com um tipo
específico de esquema de codificação é possível perceber uma clara diferenciação entre os
esquemas. Com a adoção dos esquemas E(1) e E(2), o algoritmo realiza o empréstimo de
banda até os níveis mínimos especificados. Desta maneira, uma diminuição destes níveis
acarreta menores probabilidades de bloqueio, já que a banda acumulada é estatisticamente
maior, atendendo maior número de chamadas.
Os resultados das probabilidades de bloqueio de
handoff
para cada tipo de esquema de
codificação das chamadas são exibidos nas Figuras de 4.9 a 4.13 e alguns de seus valores são
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,06446 0,02294 - 64,4 0,0044 - 93,1
0,7 0,24692 0,17769 - 28 0,11854 - 51,9
1,0 0,39224 0,32816 - 16,3 0,25858 - 34,1
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,07065 0,02399 - 66 0,00789 - 88,8
0,7 0,27322 0,19634 - 28,1 0,13004 - 52,4
1,0 0,42474 0,35732 - 15,8 0,28064 - 33,9
λ
Algoritmo D Algoritmo E(1) Dif.(%) Algoritmo E(2) Dif.(%)
0,4 0,10882 0,03123 -71,3 0,00858 - 92,1
0,7 0,37528 0,24975 - 33,4 0,15574 - 84
1,0 0,54052 0,42623 - 21,1 0,32311 - 40,2
4. Resultados GSM/GPRS
70
apresentados nas Tabelas de 4.10 a 4.14.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.9. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Voz).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.10. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Chamadas CS1).
4. Resultados GSM/GPRS
71
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.11. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Chamadas CS2).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.12. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Chamadas CS3).
4. Resultados GSM/GPRS
72
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Probabilidade de Bloqueio
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.13. Probabilidade de Bloqueio de
Handoff
(Chamadas CS4).
Tabela 4.10. Comparação de probabilidade de bloqueio (
Handoff
- Voz).
Tabela 4.11. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas
handoff
CS1).
λ
Algoritmo B Algoritmo C (1) Dif.(%) Algoritmo C (2) Dif.(%)
0,4 0,00766 0,00605 - 21 0,00412 - 46,2
0,7 0,03179 0,02505 - 21,2 0,02038 - 35,8
1,0 0,04682 0,04445 - 5 0,04106 - 12,3
λ
Algoritmo B Algoritmo C (1) Dif.(%) Algoritmo C (2) Dif.(%)
0,4 0,02286 0,01593 - 30,3 0,01347 - 41
0,7 0,06442 0,05854 - 9,1 0,05199 - 19,2
1,0 0,08389 0,08871 + 5,7 0,08545 + 1,8
4. Resultados GSM/GPRS
73
Tabela 4.12. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas
handoff
CS2).
Tabela 4.13. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas
handoff
CS3).
Tabela 4.14. Comparação de probabilidade de bloqueio (Chamadas
handoff`
CS4).
É possível perceber, também para o caso de
handoff
, que todos os tipos de chamadas
apresentaram comportamento semelhante. Conforme também ocorre com a Figura 4.2, com
um tráfego maior ocorre uma aproximação das curvas. Este fato é decorrente da necessidade
de alocação do nível médio das chamadas
handoff
(
N
med
) e de que em um ambiente de alto
tráfego gera escassez de banda para a alocação das chamadas.
Não há uma diferenciação significativa entre o comportamento das probabilidades de
bloqueio das diferentes esquemas de codificação (CS1, CS2, CS3 e CS4). Como suas
conexões contam igualmente com oito níveis, variando de 1 a oito
slots
, o funcionamento do
λ
Algoritmo B Algoritmo C (1) Dif.(%) Algoritmo C (2) Dif.(%)
0,4 0,02666 0,02037 - 23,5 0,01324 - 50,3
0,7 0,07525 0,06995 - 7 0,0592 - 30,8
1,0 0,09316 0,09827 + 5,4 0,09657 + 3.6
λ
Algoritmo B Algoritmo C (1) Dif.(%) Algoritmo C (2) Dif.(%)
0,4 0,02605 0,01965 - 24,5 0,0135 - 48,1
0,7 0,07221 0,0689 - 4,5 0,05719 - 20,8
1,0 0,09315 0,09799 + 5,1 0,09316 0
λ
Algoritmo B Algoritmo C (1) Dif.(%) Algoritmo C (2) Dif.(%)
0,4 0,02505 0,01991 - 20,5 0,01446 - 42,2
0,7 0,07143 0,06783 - 5 0,05789 - 18,9
1,0 0,09281 0,0976 +5,1 0,0936 + 0,8
4. Resultados GSM/GPRS
74
algoritmo produz resultados semelhantes devido ao processo de escolha do nível de conexão
possível para uma determinada situação da rede.
As Figuras 4.14 - 4.17 mostram o
throughput
médio para os esquemas de codificação
possíveis (CS1, CS2, CS3 ou CS4) de cada chamada. Há uma pequena diminuição do
throughput
para tráfegos maiores em relação ao esquema sem adaptação (D) para os
esquemas de codificação CS2, CS3 e CS4, pois como apresentam uma demanda de banda
maior, sua alocação vai depender de maior banda disponível na célula, o que implica em
necessidade de alocação em níveis menores de banda.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.14.
Throughput
médio (Chamadas CS1).
4. Resultados GSM/GPRS
75
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.15.
Throughput
médio (Chamadas CS2).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (λ)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.16.
Throughput
médio (Chamadas CS3).
4. Resultados GSM/GPRS
76
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
Throughput (Mbps)
Chamadas por Segundo (
λ
)
D - Sem Esquema de Adaptação
E(1) - Com Esquema de Adaptação (6,5,4,3)
E(2) - Com Esquema de Adaptação (5,4,3,2)
Figura 4.17.
Throughput
médio (Chamadas CS4).
Capítulo 5
Conclusões
As redes de comunicação móvel celular vêm ganhando grande importância no modo de vida
da população mundial. O oferecimento de um serviço de comunicação móvel com uma boa
qualidade torna mister o investimento em tecnologia e infra-estrutura por parte das diversas
operadoras.
O bom aproveitamento da infra-estrutura instalada aliado ao oferecimento de uma boa
prestação de serviços tem importância fundamental para o sistema. Como centro de decisão
de qualquer controle de um sistema de comunicação móvel celular, o controle de admissão de
chamadas (CAC) atua para melhorar o desempenho global da rede.
Este trabalho está centrado justamente nestes fatores para as abordagens propostas, que
exibem melhorias na probabilidade de bloqueio de novas chamadas com a adição de um
mecanismo que utiliza uma maneira mais eficiente a banda reservada para as chamadas
handoff
e que realiza o empréstimo de banda de chamadas em andamento na célula até níveis
de banda mínimos estabelecidos. O algoritmo proposto foi simulado para uma rede de
comunicação móvel celular de terceira geração (3G) (esquema CN) e também para uma rede
GSM/GPRS (esquema E). A simulação levou em conta as bandas típicas utilizadas nestes
sistemas e, no caso da rede GSM, foram consideradas as restrições físicas de C/I para a
escolha do esquema de codificação adequado para uma determinada chamada.
Para a rede de terceira geração (3G), os resultados mostram uma melhoria significativa num
determinado cenário de até 83% para a probabilidade de bloqueio de novas chamadas e de até
23% na probabilidade de bloqueio de chamadas
handoff
num cenário específico (Tabelas 3.2
5. Conclusões
78
e 3.3). Para a probabilidade de bloqueio de classes de novas chamadas, percebe-se uma
melhora significativa em seus valores, sendo que as classes 3 e 6 apresentam as maiores
probabilidades de bloqueio, o que é conseqüência de suas altas demandas por banda (Tabelas
3.7 e 3.10). A classe 4 exibe a menor probabilidade de bloqueio e apresenta a melhoria mais
significativa, por apresentar uma baixa demanda de banda e ser do tipo VBR, o que facilita
sua conexão.
Quanto à probabilidade de bloqueio de classes de chamadas
handoff
, ocorrem melhorias
entre o esquema proposto (CN) em relação ao esquema B. Para as classes 3 e 6 há um
aumento na probabilidade de bloqueio pelos motivos explicados no Capítulo 3.
No caso da rede GSM/GPRS, há melhorias significativas de até 90% para a probabilidade
de bloqueio de novas chamadas e de até 43% para a probabilidade de bloqueio de chamadas
handoff
. Para as probabilidades de bloqueio dos esquemas de codificação CS1, CS2, CS3 e
CS4 há uma melhoria de desempenho do esquema E em relação ao esquema sem adaptação
(D). O mesmo ocorre para as probabilidades de bloqueio dos esquemas de codificação para
chamadas
handoff
.
A simulação das redes de terceira geração mostrou-se interessante no contexto atual, pois
essa tecnologia ainda está em ascensão na maior parte do mundo e, no Brasil, suas respectivas
freqüências de operação foram recentemente licitadas pela
Anatel
(Agência Nacional de
Telecomunicações).
A simulação do algoritmo de controle de admissão de chamadas em uma rede GSM/GPRS
teve como objetivo a sua avaliação no que tange as suas bandas típicas para voz e dados.
Como a tecnologia GSM detém a maioria do mercado mundial, o estudo de seu desempenho
em nível de rede torna-se igualmente interessante.
Como trabalho futuro sugere-se o estudo da integração das redes de comunicação móvel
celular com as redes de satélites, com o objetivo de estudar algoritmos para a alocação de
5. Conclusões
79
banda em chamadas para esta rede híbrida. O mesmo estudo pode ser estendido para a
integração de redes de comunicação móvel celular com redes ópticas.
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Artigos Resultantes do Trabalho:
Eduardo M. G. de Queiroz, Helvécio M. A. Neto e Amílcar C. César, “Algoritmo de Alocação
Dinâmica de Largura de Faixa para Redes Sem Fio”, XXV Simpósio Brasileiro de
Telecomunicações - SBrT'07, pp. 1-6 (CD-ROM), Recife, PE, 3 a 6 de setembro de 2007.
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