3.2.1
Breve introduzione sulla RA dei principali Vendors a RF
La scelta iniziale del MCS su un nuovo link a RF ( Radio Frequenza ) dipende dalle stime dei parametri di qualita’ effettuati su questo nuovo canale, oppure possono essere scelti sulla base di valori presenti in una tabella definita dallo standard. Un utente che non trasmette dati puo’ misurare l’interferenza sui link che potrebbero essere candidati ad ospitare una trasmissione futura e sulla base di questi puo’ determinare quale sia la distribuzione della risposta impulsiva di questi canali. Nota quest’informazione, sceglie uno dei possibili MCS e continua ad utilizzare la modulazione e il rate del codice attribuitogli dall’algoritmo finche’ le caratteristiche del canale rimangono invariate, ma appena il sistema si accorge di una degradazione o di un miglioramento delle prestazioni deve cominiciare la procedura di adattamento dinamico e all’utente deve essere riservato un nuovo MCS.
3.2.2
Resource Allocation in Ericsson Devices
La patente ERICSSON [4] rilasciata il 26 dicembre del 2000, permette di capire quale strategia di allo- cazione dinamica di risorse venga utillzzata dai prodotti a RF dell’azienda Svedese.
Durante una comunicazione dati tra un Access Point ed un utente, i parametri di qualita’ del canale sono stimati basandosi sulle statistiche del canale che sono espresse in termini di media e varianza e che sono misurate nell’arco di un periodo predefinito. Paragonando i risultati ottenuti su uno dei link a disposizione, facendo variare il MCS possibili dalla tecnologia, e’ quindi possibile scegliere quale sia quello che massimizza la qualita’ della comunicazione per l’utente. Il parametro da massimizzare e’ il Throughput (S) dell’utente. Se e’ necessario cambiare MCS il sistema permette il cambiamento e misura nuovamente il parametro S, se effettivamente l’utente sperimenta una miglior qualita’ della comunicazione, il nuovo MCS viene mantenuto.
Figure 3.1: Schema a blocchi Ericsson
Esempi di parametri che misurano la qualita’ di un link sono il rapporto segnale rumore, la misura della potenza del segnale ricevuto, la dispersione temporale oppure la BER: da queste misure istantanee vengono calcolate le statistiche di media e varianza su un intervallo temporale predefinito che in seguito saranno riportate ad un blocco chiamato SQL (Stimatore di qualita’ del link). In un qualsiasi sistema di comunicazione il compito di questo blocco e’ quello di mappare le statistiche reali misurate sul canale in valori di qualita’ di servizio legati ad un particolare schema di codifica e modulazione. In particolare la funzione di mapping sfrutta una tabella che e’ inizialmente costruita a partire dai valori di potenza e di modulazione permessi dallo standard e che poi possono essere aggiornati sulla base dei valori re- ali misurati durante la trasmissione. La parte importante della funzione e’ il fatto che sulla base delle statistiche misurate si ricava un parametro chiamato BLER ( Block Level Error Rate ), le cui stime sono utilizzate per misurare la qualita’ di canale sperimentata dall’utente in termini di Throughput S calcolato per tutti i MCS compatibili con la tecnologia 802.11 utilizzata. Sulla base delle statistiche del canale si va a scegliere il MCS piu’ adatto, in quanto il codice e la modulazione sono legate alla funzione di costo
S tramite una tabella.
La relazione che lega il Throughput Si, dove l’indice i e’ legato al particolare MCS scelto, e’ la
seguente:
Si= Ri(1 − BLERi)
Rie’ il rate alla quale avviene la comunicazione dell’utente e BLERidipende dai parametri misurati
sul canale.
L’algoritmo di decisione non termina con la scelta dello schema di modulazione e codifica adeguato ma necessita anche della scelta della potenza ottimale che deve essere usata dall’utente per trasmettere i suoi dati sfruttando la nuova combinazione. Basandosi sulle stime del rapporto segnale rumore medio (CI)mutilizzate per determinare il parametro di BLER e misurando la potenza P ad un particolare istante
e’ possibile definire il valore ottimo della potenza Popt:
Popt(i) = P + ( C I)opt− mean(( C I)) (C
I)opt e’ un valore ottimo di rapporto segnale rumore tabulato legato alla nuova combinazione di
codice e modulazione e(CI) e’ la collezione di misure di rapporto segnale rumore misurato in un inter- vallo determinato.
Non e’ detto che il nuovo valore di Potenza da utilizzare possa essere utilizzato dal trasmettitore senza eccedere il suo valore massimo di Potenza consentito, di conseguenza e’ necessaria un’operazione di troncamento:
Popt(i) = min[Pmax, max(Pmin, Popt(i))]
Se la potenza ottima da utilizzare e’ maggiore della potenza massima che il trasmettitore puo’ fornire, allora l’algoritmo permette al trasmettitore di mandare dati con la potenza massima, qualora invece la potenza ottima sia inferiore alla potenza minima allora l’algoritmo setta la potenza da utilizzare al livello minimo.
Un piccolo esempio e’ fornito nel caso della scelta tra due MCS: in un generico istante t la potenza del trasmettitore Pt = 20 dBm e il range di potenze permesso dal trasmettitore varia tra [5, 33] dBm.
Il rapporto segnale rumore misurato e’ pari a 8dB. Per la prima combinazione di modulazione e codice il parametro (C/I)opte’ pari a 12 dB, per la seconda invece e’ 27 dB. Affinche’ possano essere usate
entrambe le combinazioni, in intervalli temporali diversi, e’ necessario che il trasmettitore aumenti la sua potenza rispettivamente di 4 dB e 19 dB. Per la prima combinazione non abbiamo problemi in quanto Popt(1) e’ pari a 24 dBm, mentre la seconda combinazione necessita di una potenza pari a 39
dBm superiore al massimo consentito. Di conseguenza ci si dovra’ accontentare di prestazioni sotto- ottimizzate con una potenza del trasmettitore pari a Pmax.
Figure 3.2: Power Allocattion Ericsson
3.2.3
Resource Allocation in Broadcom Devices
3.2.4
Introduzione
La patente ERICSSON [6] permette di capire quale strategia di allocazione dinamica di risorse venga utillzzata dai prodotti a RF dell’azienda Americana. La comunicazione tra 2 utenti e’ caratterizzata da 2 fattori: distanza relativa e livello di interferenze. La distanza tra trasmettitore e ricevitore e’ un fattore molto importante nelle comunicazioni: il Pathloss e’ una grandezza al denominatore e ha un compor- tamento quadratico, di conseguenza se vogliamo una comunicazione affidabile tra utenti o tra utenti e Access Point siamo costretti ad utilizzare un rate di codifica molto basso e uno schema MCS decisa- mente orientato all’affidabilita’. Inoltre, le comunicazioni wireless possono soffire dell’interferenza di altri dispositivi presenti nella banda comune alla trasmissione come forni a microonde, telefoni cordless e devices Bluetooth. Anche a causa di questi motivi la velocita’ trasmissiva tende ad essere bassa per mantenere alto il livello di Throughput che puo’ essere misurato in termini di Packet Error Rate (PER). Non e’ comunque detto che una qualsiasi trasmissione a basso data rate abbia un alto throughput. Infatti per questo tipo di Resource Allocation, il livello medio di PER per utente non deve scendere sotto il 5% e in base a questa soglia il rate della trasmissione viene alzato oppure abbassato. Possiamo mis- urare il Throughput sfruttando il parametro RSSI che misura l’intensita’ del segnale ricevuto all’antenna ricevente.
3.2.5
Descrizione tecnica dell’algoritmo
L’algoritmo permette un adattamento dinamico dopo aver calcolato un parametro di ottimizzazione che si basa sulle stime della Packet Success Rate ( PSR ) misurate per il rate attuale e per gli altri possibili. Queste stime possono essere ottenute avvalendosi delle informazioni ricavate dai precedenti frame di acknowledgement ( ACK ). Quando un dispositivo riceve frames esso puo’ generare frame di feedback che vengono trasmessi verso la STA che ha trasmesso i dati. Questo tipo di frame puo’ trasportare infor- mazioni relative all’avvenuta ricezione del frame e il numero di subframes correttamente ricevuti rispetto al totale. Quest’ informazione e’ utile al device trasmittente per capire quali subframes ritrasmettere al solito rate delle trasmissioni precedenti. Qualora i problemi sul canale persistessero e costringessero il trasmettitore a ritrasmettere il subframe fino a raggiungere il numero massimo di ritrasmissioni al- lora e’ necessario che il trasmettitore abbassi il proprio rate trasmissivo ed invii i subframes rimanenti al Fallback rate che e’ piu’ basso del Current rate utilizzato fino a quel momento sul canale. Utiliz- zando il fallback rate aumenta la probabilita’ di ricevere correttamente i frames a destinazione essendo un particolare MCS caratterizzato da una maggior affidabilita’ rispetto al current.
Figure 3.3: Moduli logici broadcom
La figura 3 mostra il sistema di comunicazione utilizzato come esempio: esso contiene un modulo di formazione del pacchetto, un modulo di management per interfacciare livello mac e livello fisico, un modulo per l’inizializzazione del link e un ultimo modulo che sceglie il rate con cui inviare i frames informativi. Non e’ detto che siano 4 moduli separati fisicamente ma tutte le componenti del sistema permettono ad alto livello di portare a termine un’opportuna allocazione di risorse. Il modulo di Packet Formation permette di scegliere se aggregare o meno piu’ frames e informa il modulo di interfacciamento tra Mac e Phy su come trasmettere i frames . Inoltre contiene un sottomodulo interno che permette di distinguere le varie istruzioni tra i frame dati, di management e di controllo. Il modulo di Management si occupa di trasmettere i pacchetti sul canale e di generare in seguito un report sui risultati della trasmis- sione sfruttando i frame di ritorno dal ricevitore oppure sfuttando un meccanismo di time-out entro il quale devono arrivare gli ACK di ritorno. Il report viene inviato al primo blocco che ritrasmette i dati oppure modifica i parametri di trasmissione in modo tale da trasmettere i frames successivi per far rag- giungere all’utente un Throughput piu’ elevato. Il modulo di Inizializzazione entro in gioco quando una richiesta di modifica del rate proveniene dal primo modulo: viene quindi utilizzata una routine di inizial- izzazione che permette al terzo blocco di inserire un rate diverso dal current rate all’interno del packet formation module. Il quarto e ultimo blocco e’ composto da un sottomodulo che misura la qualita’ del link, da una tabella contenente i possibili rate e da un database. Il modulo che misura la qualita’ del link permette di aggiornare le informazioni contenute nel database e i possibli rate sui vari link, collegati alle varie statistiche del database, se vengono aggiornati, sono forniti al Packet Formation Module.
3.2.6
Procedura per la scelta del Rate
Per la procedura di allocazione dinamica si deve tenere conto che ogni frame possa essere trasmesso sia una volta sola oppure ritrasmesso piu’ volte fino a che sia giunta al trasmettitore la conferma di corretta ricezione attraverso un feedback frame ACK. Se viene superato il numero massimo di ritrasmissioni e non e’ ancora giunto al trasmettitore l’atteso frame ACK allora si deve abbassare il rate in modo tale da ottiene il frame ACK entro il limite massimo di ritrasmissioni. Ad ogni corretta ricezione si deve aggiornare il parametro PSR ( Packet Success Rate) e si calcola il valore 1−P ER che descrive il numero di frame ricevuti correttamente rispetto ai frame totali inviati misurati al current rate oppure al fallback rate. Vengono quindi calcolate le stime dei parametri P SRcre P SRf busando delle finestre mobili in
intervalli temporali predeterminati che misurano la storia dei pacchetti inviati. Il nuovo parametro PSR viene aggiornato pesando opportunamente i dati passati e i dati piu’ recenti.
• P SRne P SRn−1rappresentano la nuova stima e la stima al passo precedente che possono essere
riferita sia al current rate che al fallback rate, l’indice n e’ un numero che si azzera quando e’ necessario modificare il rate
• β e’ un fattore che va a pesare gradualmente le stime ai passi precedenti: 1 − β vale 2−α.
• α puo’ assumere due valori α0se l’indice n e’ inferiore ad un certo valore, viceversa α1
• P SRte’ pari al rapporto tra frame successivamente inviati rispetto ai totali, moltiplicati per un
fattore di normalizzazione pari a 2N F
E’ possibile, inoltre, calcolare la PSR anche per rates diversi rispetto al fallback. Essi si possono stimare usando un’interpolazione lineare che unisce i valori diP SRf be P SRcur.
L’algoritmo permette di calcolare il Throughput nominale al current rate N Tcre N Tdncalcolato ad
un rate inferiore. Entrambi sono risultato del prodotto tra PSR e transmission rate R. Se il paramtro N Tdn
e’ superiore a N Tcr allora l’algoritmo termina modificando opportunamente il rate e aggiornando le
stime PSR. Lo stesso ragionamento si puo’ fare quando le condizioni di canale diventano particolarmente favorevoli per l’utente e quindi e’ possibile utilizzare MCS piu’ efficienti. In questo caso il throughput nominale migliorato e’ denominato N Tup.
Per ultimo e’ possibile tenere conto di un time stamp che descrive le stime della PSR precedenti a quella corrente, possiamo determinare sulla base di risultati empirici dati dallo standard oppure basandoci su misurazioni effettuate sul sitema di comunicazione di riferimento, un valore temporale dopo il quale le stime passate non aggiungono informazioni utili alle nuove stime della PSR.
Figure 3.4: Schema a blocchi Broadcom