HETEROJEN AĞLARDA HÜCRE SEÇİM ALGORİTMALARININ UYGULANMASI Esra Aycan, Berna Özbe Eletri Eletroni Mühendisliği Bölümü, İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü {esraaycan, bernaozbe} @iyte.ed.tr ÖZET B bildiride maro, pio ve femto gibi farlı büyülütei hücreleri bünyesinde blndran çeşitli ablosz ağ senaryoları üzerinde çalışılmıştır. B tür arışı ablosz ağlar için tabanlı, zalı tabanlı ve hücre aralığı genişletme yöntemleri (Cell Range Expansion - CRE) olara üç farlı hücre seçimi metod yglanmış ve birbirleriyle arşılaştırılmıştır. Simülasyon sonçları, hem Matlab programıyla hem de Wireless Insite (WI) isimli eletromanyeti modellemede llanılan ve anal modellemeyi ışın izleme metodyla yapan bir ablosz sistemler simülatörü ile elde edilmiştir. WI ile anal atsayıları elde edilditen sonra Matlab programında işlenere bahsedilen üç farlı hücre seçimi yöntemleriyle llanıcılar hücrelere atanmıştır. Matlab programında ise llanılan anal modeli LTE-A standardında blnan ve yayalar için snlan modeldir. Elde edilen sonçların arşılaştırılmaları değerleri ve hücrelerdei yü oranları göz önünde ttlara arşılaştırılmış ve yormlanmıştır. Sayısal değerler göz önünde ttldğnda hücre aralığı genişletme metodyla hem sistem hız performansında hem de llanıcıların hücrelere dağılım oranlarında daha etin sonçlar vermetedir. Bnn nedeni ise heterojen ağların farlı iletim güç seviyelerindei hücreleri bünyesinde blndrmatır. Sadece değerlerine göre llanıcılar hücrelere atandığında yüse güçlü hücrelerde yığılma fazla olmatadır. Hücrelerden alınan b değerleri belli oranda saptırılara büyü güçlü hücrelerden daha düşü güçlü hücrelere llanıcı atarımı sağlanabilmetedir. Böylece heterojen ağlarda yü dağılımı daha adil bir şeilde gerçelenebilmetedir 1. Anahtar Kelimeler: hücre seçimi, maro hücre, pio hücre, femto hücre GİRİŞ Günümüz ilerleyen tenolojisiyle birlite, ablosz ağlarda daha yüse hızlarda veri alış verişi ve esintisiz servis alitesi gibi gidere artan talepleri arşılayabilme ve b doğrltdai reabetleri sürdürebilme odalı çalışmalar yoğnlaştırılmıştır. Kısıtlı bant genişliği ve artan sinyal yoğnlğndan dolayı günümüzde llanılan ablosz ağ yapısında değişililer yapılmaya başlanmıştır. Gelece nesil ablosz ağlarda farlı iletim güçleriyle farlı hücre alanlarına sahip birden ço hücrenin bir araya gelmesiyle ablosz ağlar heterojen bir yapıya dönüşmetedir. Üçüncü Nesil Ortalı Projesi (3GPP) [1], heterojen ağ llanımı desteği özelliğine sahip Gelişmiş Uzn Süreli Evrim (LTE-A) [2] tenolojisi üzerinde çalışmaları başlatmıştır. 1 B çalışma Tür Teleom tarafından 777-1 anlaşması apsamında destelenmiştir.
Heterojen ablosz ağların daha hızlı veri atarımı, daha fazla llanıcıya hizmet snabilme gibi birço avantajının yanı sıra bazı önemli problemler doğrmatadır. Örneğin hareetli bir llanıcının bir hücre içerisinde yer değiştiriren bir terminal çeim alanından başa bir terminal çeim alanına girmesi söz ons olabilir. B drmda terminaller arası geçişlerde iletişimde esintiler meydana gelebilir (handoff problem). Sinyal gücü, mesafe, sinyal gürültü oranı (SNR), bit hata hızı (BER), trafi yoğnlğ, alite indiatörü gibi bazı parametreler terminaller arası geçişlerin gerçeleşmesinde belirleyici rol oynar. Ne adar ço b geçişler gerçeleşirse iletişimde esinti olma olasılığı da aynı oranda artar. B yüzden terminaller arası geçişlerin azaltılması, servis alitesini artırma için önemlidir. Uygn bir hücre seçimiyle birlite b oranın azaltılması mümündür. Hücre seçimiyle maro hücre için gereli servis alitesi yüseltilir ve böylece sistem yüünün ve terminaller arası geçişlerdei iletişim esilmelerinin dengelenmesi sağlanabilir. B bildiride maro hücre, pio hücre ve femto hücre terminallerini içeren heterojen ablosz ağ mimarisi için hücre içerisinde blnan llanıcıların sinyal arışım ve gürültü oranı () ve llanıcıların blndları yerden baz istasyonlarına olan zalıları ele alınmasıyla tabanlı, zalı tabanlı ve hücre aralığı genişletme hücre seçimi yöntemleri gerçeleştirilmiş ve arşılaştırılmıştır. Bradai amaç farlı şeillerde hücre seçimi yapıldığında iletişimdei alitenin ne adar iyileştiğini gözlemleme ve aynı zamanda da hücreler arasındai trafi yüünün b algoritmalar ile değişiminin sistem performansındai önemini vrglamatır. HÜCRE SEÇİM ALGORİTMALARI Hücre seçimi, ablosz ağ llanıcılarının hangi hücreden en iyi hizmeti aldığını belirleyen ve aynı zamanda hücreler üzerindei yüü dengeleyen bir arar verme işlemidir. Günümüzde llanılan hücre seçim algoritmaları genellile llanıcıların en yüse sinyali aldığı hücreye bağlanmasıyla gerçeleştirilmetedir. Anca heterojen ağlarda farlı iletim güçlerine sahip hücreler oldğndan dolayı b yöntem yüse güçlü hücrelerin yüünü üçü güçlü hücrelere göre daha da artıracatır. B yüzden heterojen ağlarda yü dağılımını da adil bir şeilde yapma önemlidir [3]. Literatürde en ço üzerinde çalışılan yü dengeleme metotlarından bir tanesi hücre alanı genişletme (cell range expansion - CRE) [4, 5] yöntemidir. CRE yönteminde llanıcıların hücrelerden aldığı değerinin hücre iletim güçlerine göre belli bir oranda çarpılıp değerini yanlı olara değiştirmetir. B yöntem ile maro hücre llanıcılarının etraftai daha düşü güçlü olan pio ya da femto hücrelerine aydırılması sağlanır. Anca maro hücreden diğer hücrelere geçen llanıcılarda maro hücrelerin yüse iletim güçlerinden dolayı yüse oranda sinyal girişimi meydana gelebilir. değerinin çarpıldığı atsayı oranları diatli bir şeilde seçilip llanıcılar ygn olara hücrelere atanırsa b sinyal girişimi azaltılabilir. Bir diğer yü dengeleme teniği ise çeşitli optimizasyon tabanlı dağıtı llanıcı atama
metotlarıdır [6]. Hem ayna hem de llanıcı yü dağılımı birbirlerine bağımlı olara ele alan hücre seçim algoritmaları b tür metotlara girer [7]. SİSTEM MODELİ B çalışmada maro, pio ve femto hücreleri içeren 3 atmanlı heterojen ablosz ağ mimarisi üzerine çalışılmıştır. B tür ağlarda lasi hücrelerde llanılan tabanlı hücre seçim yöntemleri, heterojen ağlarda dengesiz yü dağılımına neden olr. Heterojen ağlarda, daha dengeli yü dağılımını başarabilme için farlı hücre seçim riterlerinin geliştirilmesi geremetedir. B nedenle aşağıda matematisel olara verilen hücre seçim yöntemleri verilmiş ve simülasyonlar ile performans arşılaştırılmaları yapılmıştır. Kllanıcı nın,. hücreden alabildiği ortalama veri hızı aşağıdai eşitlile hesaplanabilir: R log 1 (1), 2, Brada. llanıcının. hücreden aldığı ortalama değeridir ve aşağıdai (2) nmaralı eşitli llanılara hesaplanabilir: P g U,,, i i, N B I 1; i, brada I P g t (2) Brada U, sistemdei toplam hücre sayısını ifade etmetedir. P. hücrenin iletim gücü, N sistemdei toplam beyaz Gass dağılımlı (AWGN) güç terimi, g. llanıcı ve. hücre arasındai anal tepisini ve I ise diğer hücrelerden gelen arışım toplamıdır. B çalışmada llanılan hücre seçim algoritmalarının matematisel ifadeleri aşağıdai gibidir: 1) Tabanlı Hücre Seçim Algoritması: B yöntemdei hücre seçim riteri llanıcıların hücrelerden aldıları en yüse değerine bağlıdır ve (3) nmaralı denlemdei gibi ifade edilebilir. i arg max, (3) Yarıdai denlemde görülen i riterine göre seçilen hücrenin indesini ve ise. hücrenin. llanıcı tarafından alınan değerini belirtmetedir. Her bir. llanıcının değerinin hesaplaması ise (2) nmaralı denlemde verilmiştir.
2) Uzalı Tabanlı Hücre Seçim Algoritması: B yöntemdei hücre seçim riteri, llanıcı ve hücre arasındai en ısa zalıtır ve (4) nmaralı denlemde verilmiştir. i arg min d (4) Uzalı Brada d. llanıcı ile. hücre arasındai mesafeyi, i Uzalı hücrenin indesini simgelemetedir. ise mesafeye göre seçilen 3) Hücre Alanı Genişletme Metod (CRE): B yöntemdei hücre seçim riteri, llanıcı ve hücre arasındai belli bir atsayı ile saptırılmış değeridir ve (5) nmaralı denlemde verilmiştir. Brada i arg max, (5). hücrenin. llanıcı tarafından alınan ve belli bir atsayı ile saptırılan değerini belirtmetedir. indesini simgelemetedir. i ise saptırılan riterine göre seçilen hücrenin Her bir. llanıcı için saptırılmış değeri (6) nmaralı denlemde verilmetedir., P h t N I t 2 ; 1,..., U (6) Brada. hücre için değerinin belli oranda değiştirme (saptırma) atsayısıdır. B yöntem ile llanıcılar, daha yüse iletim güçlerindei hücrelerden daha düşü iletim güçlü hücrelere aydırılmatadır. B sayede daha fazla ablosz ağ llanıcısı düşü güçlü hücrelerden yararlanmata ve ağdai yü dengesi sağlanmış olmatadır. B çalışmada llanılan senaryo için anal bilgileri hem Matlab ile hem de Wireless Insite (WI) simlatörü ile elde edilmiş ve her ii simülasyon ortamı için de hücre seçim algoritmaları arşılaştırılmıştır. Gerçeleştirilen senaryo 2 maro hücreden olşmatadır. Her maro hücre içerisinde 2 pio hücre ve 1 femto hücre olma üzere 3 farlı hücre blnmatadır. Kllanılan sistem parametreleri ise Tablo 1 de verilmiştir.
Tablo 1. Sistem Parametreleri Parametre Değer Maro hücre iletim gücü 46 dbm Pio hücre iletim gücü 35 dbm Femto hücre iletim gücü 2 dbm Bant genişliği 2 MHz Taşıyıcı freansı 2.1 GHz Gürültü gücü -134 dbm/hz Lognormal Gölgeleme 1 db Maro hücre yarıçapı 75m Yol aybı (Maro ve Pio için) Lp 128.1 37.6 log 1( R) db; R: m Yol aybı (Femto için) Lp 14.7 36.7 log 1( R) db; R: m WI ile elde edilen simülasyon çıtısında, her yolda için sinyalin faz, zaman ve güç bilgisi gibi anal bilgileri blnmatadır. B şeilde bütün alıcılar için veriler elde edilebilmiştir. Elde edilen b anal değerleri llanılara. hücre ile. llanıcı arasındai anal tepisi her bir baz istasyon-alıcı için dar bantlı model varsayımı ile aşağıdai gibi modellenebilir [8]. M 1 j l, m l l M m 1 g t P e t (7) Bradai P m, ve m m sırasıyla, l. yoldai alıcının gücü, faz açısını ve zamanda gecimesini gösterir. B veriler Wireless Insite programından elde edilir. M, toplam yol sayısı ve ise delta tepi fonsiyondr. l WI simülasyonnda hücrelerin onm ve dağılımı Şeil 1 de görülmetedir. Şeil 1. WI simlatöründe Hücre ve Kllanıcıların onmları ve dağılımı
Matlab ile yapılan simülasyonda ise hücrelerin ve llanıcıların onm ise Şeil 2 de verilmiştir. Kanal atsayıları ve apasite hesaplamaları LTE-A standardında blnan Extended Pedestrian A modelinin (EPA) parametreleri llanılara elde edilmiştir. Şeil 2. Hücreler ve Kllanıcların Yerleşimi (Kırmızı notalar maro hücreleri, yeşil notalar pio hücreleri, mor notalar femto hücreleri, ve mavi notalar ise ablosz ağ llanıcılarını temsil etmetedir). BAŞARIM SONUÇLARI Öncei bölümlerde anlatılan senaryo için üç farlı hücre seçim algoritması yglanmış ve hem Matlab hem de WI ortamlarında yapılan simülasyonlarda b üç algoritma birbirleriyle arşılaştırılmıştır. Hücre aralığı genişletme metodnda llanılan saptırma atsayıları sırasıyla, maro, pio ve femto hücreler için 1, 4, 11.9 olara alınmıştır [9]. WI ortamı için yapılan hücre seçim algoritmalarının arşılaştırılması Şeil 3 te verilmetedir. Şeilde görülen mavi eğri zalı tabanlı hücre seçim eğrisidir. Siyah eğri tabanlı ve pembe eğri ise hücre aralığı genişletme algoritmasıyla elde edilen eğridir. tabanlı hücre seçim algoritması zalı tabanlı hücre seçim algoritmasına göre ortalamada toplam sistem hız performansında %75 oranında daha iyi sonç vermetedir. Bnn yanı sıra değerleri hücrelerin güçlerine göre belli oranda saptırıldığında, yani üçü hücrelerin alanları genişletildiğinde (CRE metod), normal tabanlı hücre seçim algoritmasına göre ortalamada toplam sistem hız performansında %25 oranında daha iyi bir performans elde edilmetedir.
CDF CDF 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1.3.6.9.12.15.18.21.24.27.3 Tabanli Hücre Araligi Genisletme Uzali Tabanli.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Sistemdei Toplam Kapasite (b/s/hz) Şeil 3. Hücre seçim algoritmalarının Kümülatif Dağılım Fonsiyonna (CDF) göre arşılaştırılması (WI sonçlarına göre). Matlab ile elde edilen sonçlarda hücre seçim algoritmalarının arşılaştırılmaları ise Şeil 4 te verilmiştir. Yine Şeil 3 e benzer olara mavi eğri zalı tabanlı hücre seçimini, siyah eğri tabanlı ve pembe eğri ise hücre aralığı genişletme algoritmasıyla elde edilen eğriyi temsil eder. tabanlı hücre seçim algoritması zalı tabanlı hücre seçim algoritmasına göre ortalamada toplam sistem hız performansı % 55 oranıyla daha iyi sonç vermetedir. Hücre aralığı genişletme metodnda ise (CRE metod) normal tabanlı hücre seçim algoritmasına göre ortalamada toplam sistem hız performansı %25 oranıyla daha iyi bir performans elde edilmetedir. 1.9.8.8.7.6.7.5.6.4.5.3.4.3.2.1.2.1.2.4.6.8.1.12.14.16.18.2 Tabanli Hücre Araligi Genisletme Distance Tabanli 1 2 3 4 5 6 Sitemdei Toplam Kapasite (b/s/hz) Şeil 4. Hücre seçim algoritmalarının Kümülatif Dağılım Fonsiyonna (CDF) göre arşılaştırılması (Matlab sonçlarına göre).
Hücreler Arası Yü Dağılışı Hücrelerin yü dağılımları ise Şeil 5 te gözlemlenebilir. tabanlı hücre seçimi algoritmasıyla daha büyü iletim gücüne sahip olan maro hücreler üzerinde yü yığılması olmatadır. Oysai heterojen ablosz ağ llanımının amacı, yüü daha düşü güçlü hücrelere dağıtara daha verimli sonçlar elde etmetir. Uzalı tabanlı hücre seçim algoritmasında ise drm tam tersidir. Kllanıcılar endilerine en yaın hücreleri seçtiği için yü dağılımı daha adil olmştr, anca Şeil 3 ve 4 tei sistem performanslarına baıldığında b algoritmanın en ötü hız performansını verdiği görülmetedir. Hücre aralığı genişletme metodnda llanıcılar bütün hücrelere daha adil dağılıren sistem performansını da yarı çemetedir. Bradan da anlaşılabileceği gibi hücreler için ygn atsayılar seçilere hücre aralığını artırma heterojen ağlar için daha ygndr. Tabanlı Uzalı Tabanlı Hücre Aralığı Genişletme Şeil 5. Hücre seçim algoritmalarına göre llanıcıların hücrelere dağılım grafiği. SONUÇLAR B bildiride farlı büyülütei hücreleri içeren heterojen ağlar için farlı hücre seçim algoritmaları yglanmış ve performans sonçları incelenmiştir. Kablosz ağ llanıcıları ve zalı seçim riterlerine göre hücrelere atandıtan sonra hücreler üzerindei yü dağılımları ve toplam sistem hız performansları birbirleriyle arşılaştırılmıştır. Hücre aralığı genişletme metodnn (CRE) hem yü dağılımı açısından hem de sistem hız performansını iyileştirme açısından daha iyi sonçlar verdiği gözlemlenmiştir. B yöntemdei riti nota, saptırma atsayılarının ygn bir şeilde seçilmesidir. Bnn nedeni ise maro hücrelerden daha üçü çaplı hücrelere llanıcı aydırılıren aynı zamanda sinyal girişiminin performansı olmsz yönde etilemesidir. Kaydırılan llanıcıların maro hücrelerden gelen sinyalden en az etilenenlerin seçilmesi, sinyal girişimini azaltmatadır. Yapılan çalışmalarda hücre genişletme atsayıları genellile
deneysel olara blnmatadır. Anca deneysel olara yapılan çalışmalar hem zaman hem de sistem yüünü artırması açısından yorc ve zor bir iştir. Gelece çalışmalarda hücre genişletme yöntemini hem ayna dağılımı hem de llanıcı dağılımını bir arada ele alara daha dinami ve verimli algoritmalar üzerine yoğnlaşılacatır. Bnn yanı sıra sistemdei hücreler arası sinyal girişim olaylarını en az düzeylere indirme için sinyal girişim yo etme metotları üzerinde drlacatır. REFERANSLAR [1] 3 rd Generation Partnership Project, 3gpp ts 25.34 (release 8), ser eqipment procedres in idle mode and procedres for cell reselection in connected mode, Technical Specification, 29. [2] 3 rd Generation Partnership Project: 3gpp tr 36.913 (release 1), Technical Specification, 211. [3] Amzallag, D., Bar-Yehda, R., Raz, D., Scalosb, G.: Cell selection in 4G celllar networs, IEEE INFOCOM, pp. 7-78, April 28. [4] D. Pérez, X. Ch, I. Güvenç: On the Expanded Region of Picocells in Heterogeneos Networs. J. Sel. Topics Signal Processing 6(3): 281-294, 212. [5] K. Oino, T. Naayama, C. Yamazai, H. Sato, Y. Ksano, Pico cell range expansion with interference mitigation toward lte-advanced heterogeneos networs, 211. [6] Koizmi, T. and Higchi, K.: A simple decentralized cell association method for heterogeneos networs, ISWCS, pp. 256-26, Agst 212. [7] Ye, Q., Rong, B., Chen, Y., Caramanis, C., Andrews, J. G.: Towards an Optimal User Association in Heterogeneos Celllar Networs, IEEE GLOBECOM, December 212. [8] G. Foschini et al., "Capacity growth of mlti-element arrays in indoor and otdoor wireless channels", IEEE WCNC, 2. [9] Ye, Q., Rong, B., Chen, Y., Caramanis, C., and Andrews, J. G.: Towards an Optimal User Association in Heterogeneos Celllar Networs, IEEE GLOBECOM, December 212.