Contribución al estudio de técnicas de acceso aleatorio y al análisis de la calidad de servicio en sistemas de transmisión por paquetes para comunicaciones móviles basadas en CDMA

Abstract

La presente tesis doctoral se enmarca dentro del sector de las comunicaciones móviles, y en particular de los denominados sistemas de tercera generación, que se plantean como objetivo el poder ofrecer una gran diversidad de servicios multimedia bajo unas ciertas garantías de calidad de servicio que difieren sustancialmente de las habitualmente consideradas para los servicios de voz. Bajo esta perspectiva, los sistemas de transmisión por paquetes basados en la técnica de acceso múltiple por división en código CDMA son capaces de llevar a cabo este cometido gracias a la flexibilidad que aportan y a la eficiencia en el uso de los recursos radio.<br/>El planteamiento del trabajo ha consistido en identificar un conjunto de funcionalidades en el nivel de acceso al medio MAC para gestionar la calidad de servicio a ofrecer. Éstas son las siguientes: <br/>- Protocolo de acceso múltiple: permite a los usuarios acceder al sistema y poder notificar sus necesidades de transmisión.<br/>- Algoritmo de gestión de recursos: encargado de ordenar las diferentes transmisiones a la vez que de determinar sus parámetros de transmisión (ganancia de procesado, niveles de potencia, ...).<br/>- Estrategia de asignación dinámica de canales (DCA): permite discernir cuales de los recursos son más apropiados para cada uno de los usuarios en términos de interferencia recibida y generada hacia el resto, y presenta interés en un esquema de acceso híbrido por división en tiempo y en código.<br/>- Control de admisión: en base a la evaluación conjunta de las anteriores funcionalidades, se determina el límite máximo de usuarios de cada clase de servicio para mantener las garantías de todos ellos. A partir de aquí, el control de admisión es el responsable de garantizar que el número de usuarios en cada caso no supere el máximo<br/>establecido.<br/>Las diferentes funcionalidades a nivel MAC se sustentan en estrategias de retransmisión apropiadas a nivel de enlace lógico LLC para garantizar la integridad de la transmisión de la información. <br/>A lo largo del trabajo se han ido cubriendo los diferentes aspectos citados para los modos de duplexado por división en frecuencia FDD y en tiempo TDD. En particular, con respecto a los protocolos de acceso múltiple se ha estudiado el protocolo ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) y se ha planteado su integración dentro de una estructura de tramas similar a la considerada en las propuestas UTRA FDD y UTRA TDD para UMTS, a la vez que se han desarrollado mecanismos eficientes de regulación de acceso y de la velocidad de transmisión capaces de ofrecer, por sí solos, buenas prestaciones en términos de eficiencia y de retardo para aquellos servicios con bajos requerimientos de calidad. Al considerarse servicios con requerimientos más estrictos en términos de retardo se ha planteado la combinación del protocolo propuesto con una estrategia de sondeo, que permite acotar el tiempo de acceso, y un algoritmo de gestión de recursos para arbitrar eficientemente las transmisiones. Como resultado de la evaluación conjunta de estos procesos, se ha obtenido la región de admisión para diferentes condiciones de tráfico que determina el control de admisión a efectuar. En relación al esquema DCA para los mecanismos basados en TDD, se han planteado diversas posibilidades de distribución de las diferentes ranuras temporales para minimizar las interferencias móvil a móvil y base a base. <br/>Por último, se han considerado también las estrategias de retransmisión, a partir de la evaluación del esquema ARQ híbrido del tipo II, que ha sido estudiado analíticamente mediante el desarrollo de un modelo de Markov y comparado frente a otras estrategias como el esquema ARQ híbrido del tipo I.

The framework for this study are the third generation mobile communication systems, whose main objective consists in offering a diversity of multimedia services under certain Quality of Service (QoS) guarantees. These requirements differ from those usually considered for the speech services in second generation networks. Under this framework, packet transmission systems based on the code division multiple access CDMA strategy present a high flexibility and efficiency in the management of the scarce radio resources to deal with the specified services.<br/>A set of functions has been identified in the Medium Access Control layer (MAC) when the CDMA radio resources need to be managed to guarantee a certain QoS. These are the following: <br/>- Multiple Access Protocol: It specifies a set of rules to allow users access the system and indicate their transmission requirements.<br/>- Radio Resource Management algorithm: It is responsible for ordering the different transmissions while at the same time establishing their transmission parameters (spreading factor, transmitted power, .) depending on the specific QoS for each user. <br/>- Dynamic Channel Allocation (DCA) strategy: it decides which are the most suitable resources for each user depending on the measured interference as well as the interference generated to other users. Such a strategy is required in hybrid TDMA/CDMA schemes.<br/>- Admission Control: It is responsible for deciding whether a new user can be accepted in the system depending on its required QoS and the requirements of the previously accepted users. After evaluating the overall behaviour of the multiple access protocol, the radio resource management algorithm and the DCA strategy, a limit is found for the maximum number of users that can be accepted for each service class. Then, the admission control mechanism guarantees that the number of users remains always below this limit.<br/>The different MAC layer functions make use also of suitable retransmission strategies at the Logical Link Control (LLC) layer to guarantee the integrity of the information that is being transmitted.<br/>All the previous topics have been covered along this work when taking into account both the Frequency Division and Time Division duplex modes (FDD and TDD). In particular, the ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) protocol has been studied as a proposal for multiple access protocol and it has been integrated in a frame structure similar to the considered in the proposals UTRA FDD and UTRA TDD for UMTS. Efficient access regulation mechanisms and algorithms for adaptively varying the transmission bit rate have been developed in the context of the ISMA-CDMA. They are able to guarantee by their own a good delay and throughput levels for those services with low stringent QoS requirements. However, in order to deal also with services requiring a very low delay, the ISMA-DS/CDMA protocol has been combined with a polling strategy that allows establishing a bound in the access delay and with a radio resource management that prioritises transmissions in a smart way. As a result of the evaluation of these procedures, the admission region has been obtained for different traffic situations, thus establishing the limits for the admission control mechanism. Regarding the DCA scheme for TDD based mechanisms, different possibilities.<br/>have been considered for distributing the different time slots aiming to minimise the mobile to mobile and base to base interference characteristic of TDD/CDMA environments.<br/>Finally, retransmission schemes have also been considered with a particular focus on the evaluation of the type II hybrid ARQ strategy, that has been compared to other schemes like the type I hybrid ARQ. An analytical Markov model has also been developed for the type II hybrid ARQ strategy.