Análisis de movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos

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Published on December 13, 2016

Author: AcademiaDeIngenieriaMx

Source: slideshare.net

1. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,1 ANÁLISIS DEL MOVIMIENTO DE USUARIOS EN REDES CELULARES Y OPTIMIZACIÓN DE RECURSOS Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Subespecialidad: Telecomunicaciones Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares Ramón Martín Rodríguez Dagnino Doctor en Ingeniería Eléctrica: Telecomunicaciones Fecha de ingreso (17, 03, 2016) Monterrey, Nuevo León

2. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,2 Contenido Resumen ejecutivo 3-4 1. Objetivos, Alcances, Introducción 5 2. Contenido del trabajo 6 3. Conclusiones 16 4. Referencias 17

3. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,3 RESUMEN EJECUTIVO La optimización de recursos en redes celulares inalámbricas es de suma importancia para tener un apropiado dimensionamiento de dichas redes. En un ambiente celular se debe de tener una adecuada localización de las terminales móviles en las diferentes áreas de localización (LAs) para un manejo aceptable de las llamadas con los niveles de calidad requeridos. Existen muchos estudios que se enfocan a optimizar la potencia de la señal y asegurarse que se cubran, con los niveles normados de potencia, las áreas asignadas para el servicio. Nuestro enfoque en este trabajo es hacia otros aspectos de las redes celulares que tiene que ver con el movimiento de usuarios, arquitecturas de red, protocolos y estrategias para hacer un uso óptimo de recursos. Por ejemplo, el movimiento de los usuarios ocurre generalmente en un plano o en tres dimensiones, pero con algunas restricciones, por ejemplo, usuarios en un centro comercial con edificios de varios niveles o los usuarios que van dentro de los automóviles en una ciudad. En la actualidad no existen modelos estocásticos definitivos que capturen dicho movimiento, pero si hay una variedad grande de modelos que aproximan razonablemente el comportamiento real. Hay varios elementos aleatorios que hacen difícil la construcción de modelos matemáticos, uno de ellos es que la duración de las llamadas es aleatoria, el tiempo que permanecen en una célula, los usuarios de la red celular, también es aleatoria. Asimismo, el número de usuarios en una célula es aleatorio. Como una consecuencia se tiene que dichos modelos son necesariamente probabilísticos. Otro aspecto de optimización que se debe de abordar es el de la minimización del tráfico generado para mantener conectados y localizados a los diferentes usuarios, este tipo de tráfico es de servicio de la red de telecomunicaciones, y se cataloga como tráfico de señalización y voceo. Se han propuesto varias arquitecturas, protocolos de red, y estrategias para tratar con estos problemas. Se han estudiado básicamente tres estrategias para la localización de usuarios, y la administración de esta información dentro de una red celular: La primera se basa en estimar la distancia que ha viajado el usuario, la segunda pide confirmación de localización una vez que ha transcurrido un tiempo periódico, y la tercera se basa en la detección del movimiento, es decir, el usuario envía información de localización una vez que ha cruzado la frontera de una célula. Para cada uno de estos esquemas se han especificado funciones de costo que se deben de optimizar, e incluso para esquemas híbridos que consideran un par de dichas estrategias. Una de las estrategias más atractivas, debido a su facilidad en el manejo de la información y que no genera gran cantidad de información de señalización es la que se basa en el movimiento de usuarios. Para esta estrategia es necesario tener modelos matemáticos que nos ayuden a predecir y contar el número de cruces de células inalámbricas (handovers) que ocurren durante la duración aleatoria de una llamada, o en los intervalos en que no hay llamadas. Una buena parte de mis contribuciones han sido en estos modelos utilizando la teoría matemática de renovación y procesos de Markov. Voy a describir algunos de estos modelos en este trabajo.

4. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,4 ABSTRACT Resources optimization in wireless cellular networks is very important for dimensioning. In addition, it is relevant to have an appropriate scheme for location of users in a given service area or location area (LA). These issues help to maintain a certain quality of service for a service level agreement. Most of the studies in cellular networks are focused to the signal power optimization to ensure the signal covering area. Our goal in this work is to deal with users’ movement modeling, and the minimization of paging and signaling traffic. For instance, the movements occur in a plane (2D) or sometimes in 3D with some restrictions, e.g., users in a shopping mall or inside buildings. Nowadays, there are no definitive stochastic models to capture this behavior, however, there are many proposed models to approximate the motion in different scenarios. There are several stochastic elements making this modeling construction as a difficult task. One of them is the random duration of a session or call, another one is the residence time in a wireless cell, the number of users in the cellular network, etc. Moreover, the number of users in a wireless cell is also random. As a consequence of these facts, the models need to be stochastic. There are several proposals for architectures, network protocols, and strategies to deal with these issues. There are basically three strategies for users’ location, and the management of this information in a cellular network. The first one is to estimate the distance travelled by a particular user, the second one is based on periodic time stamps, and the third one detects the movement of users through cell crossing detection. To each of these schemes there are cost functions proposals to do optimization of signaling and paging traffic. There are also hybrid schemes to deal with these problems as well. The dynamic movement strategy is one of the most efficient and less complex to be implemented. In this strategy we need to have mathematical models to predict and count the number of cell crossings (handovers) occurring during a random session or call, or between to calls. Most of my contributions in this topic have been in building more realistic mathematical models. These models are based on the stochastic renewal theory and Markov processes. The foundations of these models are described in this work. Palabras clave: Redes celulares, optimización de recursos, conteo de handovers, modelos matemáticos, aleatoriedad

5. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,5 OBJETIVO Describir mis contribuciones más relevantes en la creación de modelos de movilidad de usuarios celulares e ilustrar uno de sus usos en la reducción en el costo de señalización para el acceso a las bases de datos de los teléfonos celulares. ALCANCES Este trabajo se enfoca a la elaboración de los modelos matemáticos y no necesariamente se detallan todas sus consecuencias en aplicaciones a la industria de las redes celulares, pero cabe mencionar que estos fundamentos han sido la base para algunos algoritmos utilizados en la práctica. INTRODUCCIÓN El desarrollo de las redes celulares ha sido impresionante en los últimos 30-40 años, y su evolución se clasifica en generaciones tecnológicas, desde los primeros sistemas analógicos (1G) hasta los modernos 4G y 5G. A partir de la segunda generación aparecen los sistemas basados en tecnología de transmisión digital, y en la actualidad se han hecho muy sofisticados con el fin de hacer un uso más eficiente del espectro radioeléctrico y proporcionar un ancho de banda más amplio, apropiado para los nuevos servicios de video, imágenes, y datos de alta velocidad. Se ha tomado ventaja de la evolución paralela en la electrónica que ha permitido niveles de integración muy altos, que impacta en el bajo consumo de potencia y el reducido tamaño físico de los dispositivos, además de agregar muchas más funciones. Desde el punto de vista de transmisión se han incorporado una gran variedad de esquemas de modulación, los cuales han evolucionado en gran medida y la inteligencia que se le ha proporcionado a la red es significativa. Sin embargo, un aspecto que se ha mantenido con pocas variaciones a través de los años es la arquitectura básica del sistema celular, que consta de una distribución de celdas o células que cubren una ciudad, así como las bases de datos utilizadas para localizar y validar a los usuarios. Una de estas bases de datos sufre pocos cambios ya que tiene la información de los usuarios que han contratado el servicio, y se llama HLR (Home Location Register). Aquí es donde reside la información de validación de servicio nacional para los clientes. Las otras bases de datos son más dinámicas y se conocen como VLR (Visitor Location Register) y su función es almacenar información temporal correspondiente a los usuarios que residen en cierta área o región. El sistema de señalización celular contempla peticiones a dichas bases de datos. Dado que dichos intercambios de información se dan en el establecimiento, durante, y en la conclusión de la llamada, resulta importante optimizar los costos de dicha señalización. Nuestros modelos matemáticos están orientados a esta optimización, y dado que se enfocan en la arquitectura genérica, estos modelos son válidos incluso para las generaciones más recientes.

6. Análisis del movimiento de usuarios en redes celulares y optimización de recursos. Especialidad: Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, Subespecialidad Telecomunicaciones, Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Modelos Matemáticos en Redes Celulares ,6 DESARROLLO DEL TEMA 1) Algunos métodos para contar el número de cruces de células Durante cada cruce de celda o célula en un ambiente celular se debe de transferir el control de la llamada de la célula de origen a la célula de destino. La red celular tiene que asignar nuevos recursos a la llamada entrante en la célula destino y liberar los recursos de la célula de origen para permitir el manejo de nuevas conversaciones. Para que este proceso sea transparente al usuario y no se interrumpa la llamada se descansa en los protocolos de señalización. En una ciudad, donde se tiene un conjunto de células es conveniente contar con las estadísticas de cruces de células de los diferentes usuarios con el fin de hacer una mejor planeación de recursos en esa área. Desde el punto de vista de modelos probabilísticos este problema ha sido retador para los investigadores, dado que consiste en encontrar la distribución de probabilidad del proceso de conteo de cruces de células, es decir, se debe de contar el número de cruces dado que el tiempo de residencia en una célula es aleatorio, y se puede representar por la variable aleatoria

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