RESUMEN
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.
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:
- Protocolo de acceso múltiple: permite a los usuarios acceder al
sistema y poder notificar sus necesidades de transmisión.
- 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, ...).
- 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.
- 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
establecido.
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.
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.
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.
ABSTRACT
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.
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:
- Multiple Access Protocol: It specifies a set of rules to allow
users access the system and indicate their transmission requirements.
- 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.
- 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.
- 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.
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.
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.
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.
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.
