Risultati

Il primo passo `e stato quello di testare le prestazioni dei due sistemi me- diante la misura della BER. In particolare in Tab.5.2 sono indicati i parametri adoperati per il calcolo della BER nei due sistemi. In Fig.3.5 e in Fig.3.6 so- no rappresentati i due grafici di BER rispettivamente del sistema UFMC e del sistema OFDM. Osserviamo che non abbiamo grosse differenze prestazionali fra UFMC e OFDM. Inoltre abbiamo anche testato lo schema del ricevitore UFMC utilizzando un modulatore OFDM classico. Il risultato mostra chiara- mente che possiamo rivelare i simboli OFDM mediante il ricevitore UFMC. Questo `e un vantaggio poich´e dimostra che i due sistemi sono intercambia- bili fra loro. Una caratteristica molto importante viene fuori paragonando gli spettri dei segnali UFMC e OFDM come mostrato in Fig.3.7. Questo grafi-

Sistema UFMC 42 Nfft 1024 numero simboli N = DB 120 LFIR 73 α 60 Resource Block (B) 10 Resource Elements (D) 12 Modulazione BPSK Canale AWGN

Tab. 3.1: Parametri per misura BER

Fig. 3.5: Curva della BER del sistema UFMC

co mostra chiaramente che le emissioni fuori banda dello spettro del segnale UFMC sono molto pi`u contenute, di svariati dB, rispetto allo spettro del se-

Sistema UFMC 43

Fig. 3.6: Curva della BER del sistema OFDM

Sistema UFMC 44

gnale OFDM. Inoltre le emissioni fuori banda sono contenute anche fra le singole sottobande, come mostra la Fig.3.8. Questo `e indice, rispetto all’O-

Fig. 3.8: Spettri delle singole sottobande UFMC

FDM, di una migliore maschera spettrale necessario, ad esempio, per i sistemi che trasmettono segnali su porzioni di spettro non contigue. Inoltre, il fatto che le emissioni fuori banda siamo molto piccole implica che qualora si venis- se a creare IBI fra le sottobande, l’effetto `e trascurabile rispetto a quello che si avrebbe in un sistema OFDM. Questa `e una caratteristica molto vantaggio- sa poich´e abbattendo fortemente l’IBI vi `e la possibilit`a di un alleggerimento del meccanismo di sincronizzazione utile per i dispositivi MTC. Inoltre que- sta `e anche il motivo per cui nell’UFMC possiamo fare a meno del prefisso ciclico, ottenendo cos`ı il vantaggio di poter trasmettere frame corti avendo fra l’altro un grado di libert`a, che `e la scelta della lunghezza dei filtri utilizzati. Difatti, modificando LFIR abbiamo la possibilit`a di variare a piacimento la

Capitolo 4

Resource Allocation nei Modem

BIC-OFDM e BIC-UFMC

Nella maggior parte degli standard di comunicazione wireless di ultima generazione, come lo standard LTE di cui si `e accennato nel secondo capitolo; la tecnica di accesso radio maggiormente utilizzata `e l’OFDM per i suoi vari vantaggi riassunti brevemente di seguito:

• Robustezza al fading di canale selettivo in frequenza

• Operazione semplice di equalizzazione consistente in una semplice di- visione

• Elevata compattezza spettrale del segnale trasmesso (in termini di oc- cupazione di spettro)

• Implementazione mediante digital signal processor del trasmettitore e ricevitore basato su algoritmi veloci di FFT.

Sebbene l’OFDM abbia questi numerosi vantaggi, l’evoluzione dei sistemi di comunicazione wireless orientati soprattutto nella trasmissione efficiente di un’elevata quantit`a di traffico dati al fine di supportare servizi efficienti in

Resource Allocation per Modem BIC-OFDM e BIC-UFMC 46

termini di QoS; ha portato sempre pi`u ad introdurre nuove tecniche per far fronte alle dure condizioni di propagazioni del canale wireless. A questo sco- po, diversi lavori di ricerca recenti (ad esempio [10] e [11]) hanno introdotto diverse soluzioni, tra i quali ricordiamo:

• La combinazione del sistema OFDM con la codifica ”bit interleaver” (sistema BIC-OFDM)

• Meccanismi di resource allocation (RA) • Meccanismi di ripetizione automatica ARQ.

I meccanismi di resource allocation (RA) fanno parte di un concetto pi`u am- pio indicato come LRA (Link Resource Adaptation). In particolare, il con- cetto LRA consiste di un meccanismo al trasmettitore che, sulla base della conoscenza aggiornata o meno dello stato del canale (infomazioni indicate come CSI, Channel State Information), seleziona accuratamente i parametri disponibili al trasmettitore quali potenza (o energia) di trasmissione dei sim- boli su tutte le sottoportanti utilizzate, bit per simbolo di costellazione (ordine di modulazione)e tasso di codifica al fine di utilizzare al meglio il canale in termini di velocit`a di trasmissione. Per i loro evidenti vantaggi in termini di efficienza spettrale, i meccanismi di resource allocation saranno molto utiliz- zati nelle prossime reti wireless mobili, nella quale si prevede che verranno utilizzati anche con tecniche di trasmissione innovative come il Cognitive Ra- dio (CR) nella quale un utente pu`o connettersi ad un qualsiasi provider dei servizi non direttamente, ma bens`ı con l’aiuto di altri dispositivi appartenen- ti ad altri utenti mobili per mezzo della porzione di banda allocata appunto a questi utenti, detti utenti primari. In questo modo si aumenta l’efficieza dei servizi offerti dalla rete mobile in termini di aumento di copertura radio. In questo capitolo definiamo le tecniche di RA orientate alla scelta dei coef- ficienti di potenza, ordine di modulazione e tasso di codifica su un sistema

Resource Allocation per Modem BIC-OFDM e BIC-UFMC 47

SISO BIC-OFDM orientato alla trasmissione di pacchetti internet con infor- mazioni CSI assunte esatte. In particolare al fine di scegliere i valori ottimi dei parametri di trasmissione,il meccanismo RA si basa sulla valutazione di un’opportuna metrica. Esistono varie metriche utilizzate in numerosi lavori di ricerca, noi utilizziamo come metrica il GoodPut (GP) (vedere [10] [11]) definito come il rapporto fra il numero di bit di informazioni consegnati cor- rettamente al livello di rete del terminale ricevente e il tempo necessario per la trasmissione. Pertanto prima ancora di trasmettere pacchetti informativi, il trasmettitore attraverso l’algoritmo Link Performance Evaluation (LPE), sulla base dei CSI effettua un’opportuna valutazione sulle possibili prestazioni del collegamento utili per la formulazione del GoodPut. Dopodich´e i meccanismi di resource allocation si baseranno sul valutare i valori ottimi dei parametri di trasmissione quelli che massimizzano tale metrica. Nel corso del capitolo si vedranno delle approssimazioni per la valutazione delle prestazioni del col- legamento: ESM. Per l’implementazione del concetto di ESM sul sistema BIC-OFDM vedremo un altro importante concetto, quello del kESM. Dopo- dich´e analizzeremo gli algoritmi di allocazione ottima di potenza e del modo di trasmissione. Dopo aver analizzato questi meccanismi nel sistema BIC- OFDM, cercheremo di adattare questi meccanismi al sistema UFMC essendo la pi`u importante candidata per le future reti wireless. Per prima cosa si de- scrive lo schema del sistema BIC-UFMC orientato alla comunicazione a pac- chetto con l’inserimento degli algoritmi LRA. In particolare, una prima fase consiste nel misurare le prestazioni del collegamento attraverso la valutazio- ne dell’Expected GoodPut per due tipologie di canale radio mobile: AWGN ed EVA. Si metteranno a confronto i risultati trovati sul sistema BIC-UFMC con i rispettivi risultati del sistema BIC-OFDM. La seconda fase si basa inve- ce sulla valutazione delle prestazioni del sistema BIC-UFMC in presenza di Carrier Frequency Offset (CFO). In quest’ultima fase cercheremo inoltre di considerare nelle informazioni CSI, necessarie per la valutazione del vettore

Resource Allocation per Modem BIC-OFDM e BIC-UFMC 48

di potenza ottima, l’ammontare di IBI generata dalle sottobande del sistema in modo tale da allocare la potenza in maniera ottima rispetto anche a questo vincolo. Quest’ultima trattazione risulta essere innovativa anche per i mecca- nismi di resource allocation sul sistema BIC-OFDM in quanto in quest’ultimo si considera sempre che le sottoportanti si mantengono ortogonali. In questo capitolo si dar`a una formulazione teorica dell’implementazione dei meccani- smi di resource allocation, mentre i risultati sperimentali saranno sviluppati nel capitolo successivo.

4.1

Link Resource Adaptation

Il concetto di LPE si basa, come abbiamo gi`a detto, nell’adattare il vetto- re delle potenze sulle sottoportanti attive del sistema BIC-OFDM, numero di bit per simbolo (o ordine di modulazione) e tasso di codifica in modo tale da avere la massima efficienza spettrale. In particolare la scelta di questi para- metri disponibili al trasmettitore viene effettuata considerando un’opportuno criterio di ottimizzazione, in funzione sia di determinati vincoli (ad esempio la massima potenza disponibile al trasmettitore, i possibili valori a disposizio- ne del tasso di codifica e ordine di modulazione) sia dell’esatezza dei valori che rispecchiano lo stato del canale. Quindi risulta necessario, avere a di- sposizione una funzione (detta ”funzione obbiettivo”) che tenga conto di tutte queste variabili. Una funzione di questo tipo `e il GoodPut. Il GoodPut risulta essere un’efficace funzione obbiettivo per i problemi di resource allocation in quanto consente sia di descrivere le condizioni del collegamento mediante la valutazione della PER (Packet Error Rate) del sistema e contemporaneamente consente di predere in considerazione il tipo di modulazione adottata, il tasso di codifica e anche il meccanismo ARQ. Pi`u precisamente il GoodPut viene definito come il rapporto fra il numero dei bit di informazione correttamente consegnati al livello di rete del terminale ricevente e il tempo necessario per

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la consegna di questi bit (vedere [10] [11]). In particolare si noti che, prima di poter trasmettere qualsiasi pacchetto informativo, i meccanismi di resource allocation valutano il GoodPut in modo tale da selezionare i parametri di tra- smissione dalla sua massimizzazione. Il primo passo per la valutazione della funzione obbiettivo consiste nel valutare la PER del collegamento sulla base delle informazioni CSI. Si noti che, poich´e in generale la PER di un siste- ma codificato `e in funzione del SNR del collegamento, consideriamo tutti gli SNR su ciascuna sottoportante come informazioni necessarie per risalire alla PER del collegamento. Una volta valutata la PER, il sistema ha a disposi- zione il GoodPut che dipende dai tre parametri che si vogliono valutare. A questo punto entrano in gioco i problemi di ottimizzazione che consentono di ricavare vettore dei coefficienti di potenza, tasso di codifica e ordine di modu- lazione che verranno utilizzati per la trasmissione del pacchetto. Tuttavia la valutazione della PER `e semplice per i sistemi single-carrier ma non lo `e per i sistemi multicarrier a causa delle variazioni degli SNR fra le sottoportanti dovute alla trasmissione su canale affetto da fading selettivo. Pertanto in n qualsiasi sistema multicarrier la valutazione della PER non pu`o essere fatta in forma chiusa ma sono necessarie delle approssimazioni. Uno dei metodi pi`u importanti per definire questa approssimazione `e l’Effective SNR Mapping (ESM).