Low CQI user focused adaptive scheduling mechanism for LTE networks
LTE sistemleri için düşük CQI değerli kullanıcı odaklı kaynak tahsisi
Yazar: MEHMET BERKİN GÜRBOY
Danışman: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Evrensel mobil telekomünikasyon sistemi = Universal mobile telecommunication system ; Mobil telekomünikasyon sektörü = Mobile telecommunication market

Özet:
Dünya 21. yüzyılda her nesnenin gittikçe birbirine bağlı olduğu bir ekosisteme
evrilmektedir. Eskiden sadece canlılar arasında olduğu kabul gören iletişim özelliği artık tüm elektronik ekipmanlarda sağlanabilmektedir. Bunun yanında insanlar ve sistemler dünyada şimdiye kadarki en çok hareketli olduğu zamanı yaşamaktadır.
Özellikle son yıllardaki sanayi, iletişim ve taşımacılık alanındaki gelişmelerle insanların önemli bir kısmı birçok coğrafyada adeta sınırlar yokmuşçasına seyahat edebilmektedir.
Tüm bu iletişim ve seyahat alanındaki gelişmeler son yıllarda mobil telekomünikasyon dünyasındaki gelişimlerin hızlanmasına yol açmış ve bilim dünyasının odağını bu yöne çevirmiştir. 1979 yılında ilk olarak Japonya'da ticari amaçla kullanılmaya başlayan birinci nesil mobil telekomünikasyon teknolojileri kısa sürede gelişmiş ve yaklaşık 30 yıl içinde 4. nesil (4G) sistemlerin kullanımına geçilmiştir. 5. Nesil sistemler için ise geliştirme çalışmaları ise son aşamada devam etmektedir. Bu tez çalışmasında ticari olarak kullanımdaki son nesil olan 4G sistemlerde kullanıcılara kaynak tahsisi konusu ele alınmış, kaynak tahsisi mekanizması detaylıca belirtilerek literatürde bulunan önemli algoritmalar tanıtılmıştır. Ayrıca düşük kanal kalitesine sahip kapsama alanı sınırlarında bulunmasına rağmen sürekli bağlantıya ihtiyaç duyan kullanıcıların yasadığı problemler düşünülerek bu problemlerin çözümü için mevcut algoritmaların modifiye edilmesi ile çalışan yeni bir kaynak tahsisi çözümü geliştirilerek bu uygulamanın sonuçları ele alınmıştır.
Tezin ilk bölümünde, dördüncü nesil mobil telekomünikasyon sistemlerinden Long
Term Evolution (Uzun Vadeli Gelişim - LTE) ele alınmıştır. LTE teknolojisi hakkında kısaca bilgi verilmesinden sonra ilk olarak LTE ağ altyapısı, dış sistemlerle olan iletişimin sağlandığı çekirdek ağ yapısı ve çekirdek ağ yapısı ile mobil terminaller arasındaki iletişimi sağlayan radyo erişim ağı çeşitli gösterimler ve kritik bileşenlerle izah edilmiştir. Sonrasında OFDMA ve SC-FDMA gibi erişim sistemlerini içeren LTE arayüzü ile sistem içerisinde katmanları detaylandırarak iletişim akısını gösteren LTE protokol dizaynı anlatılmıştır. Son olarak ise mevcut sistemde yapılan geliştirmelerle ortaya çıkan Long Term Evolution - Advanced teknolojisi röle kullanımı, taşıyıcı kümelenmesi (Carrier Aggregation), koordine edilmiş çok noktalı gönderim (CoMP) ve heterojen ağlar (HetNets) gibi önemli yenilikler detaylandırılarak anlatılmıştır. Böylece tezin ilk kısmında okuyucunun çalışmanın dayandığı dördüncü nesil telekomünikasyon sistemleri hakkında bilgi sahibi olması sağlanmıştır. Tezin ikinci bölümünde ise LTE sistemlerinde kaynak tahsisi konusu kapsamlı olarak ele alınmıştır. Öncelikle, kaynak tahsisi konusunun önemi kısaca anlatıldıktan sonra basit bir paket kaynak tahsisi modeli üzerinden yapı ve sistemin çalışma mekanizmasındaki süreçler anlatılmıştır. Akabinde literatürde hali hazırda bulunan belirli baslı kaynak tahsisi mekanizmaları, kullandıkları değerlendirme metrikleri ve formülasyonları belirtilerek tanıtılmıştır. Bölümün üçüncü kısmında ise bir kaynak tahsisi algoritmasını geliştirirken dikkat edilmesi gereken noktalar sistemin geneli üzerindeki etkileri ile değerlendirilerek detaylandırılmıştır. Son olarak ise herhangi bir kaynak tahsisi algoritmasının farklı yönlerden başarımını gösteren performans parametreleri formülasyonları ile tanıtılmıştır.
Tezin bir sonraki bölümü ise önerilen kaynak tahsisi algoritmasına ayrılmıştır.
Öncelikle ilgili kaynak tahsisi çözümünün dizayn amacı düşük kanal kalitesine sahip ve uzun aralıklarla kaynak ataması yapılan kullanıcıların yasadığı problemlerin detaylandırılması ile anlatılmış sonrasında önerilen kanal kalitesi esiği ve iletim zaman aralığı kontrollü algoritma dizaynı ve bu algoritmanın çalışma prensibi belirtilmiştir.
Tezin dördüncü kısmında ise ilk olarak gerçeklemenin sağlandığı simülasyon ortamı olan Vienna LTE-A System Level simülatorün özellikleri ve gelişimi anlatılmıştır, sonrasında ise önerilen çözüm yönteminin nasıl simülator ortamına aktarıldığı modifikasyonun yapıldığı sınıf ve fonksiyon dosyaları belirtilerek detaylandırılmıştır.
Sonuçlar ve analizler kısmında ise bu önerilen algoritma modifikasyon yöntemi farklı karakteristikteki iki algoritma yapısı olan Best CQI ve Round Robin algoritmaları üzerinde uygulanmış ve gerçeklemenin simülasyon sonuçları sunulmuştur. Akabinde ortaya çıkan sonuçlar performans analizleri ve ilgili algoritmaların modifiye edilmemiş hali karşılaştırmaları ile değerlendirilip tez konusunun amaca yönelik başarımı analiz edilmiştir.
Yapılan tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar ile farklı kullanıcı senaryolarında önerilen sistemin başarılı olacağı görülmüştür. Kullanılan yöntemde temel olarak sinyal gürültü oranı düşük olan yani başka bir deyişle düşük iletişim kanalı kalitesine sahip kullanıcıların zaman aralıklı ve kalite eksikli bir adaptif yapı ile maksimum ve ortalama veri hızından ödün verilerek, karşı-bedel olarak uç kullanıcı hızlarında ve kaynak tahsisi sıklığında iyileşme sağlanmıştır. Ortaya çıkan sistemin pratik dünyada çalışma alanlarından biri olarak düşük sinyal çıkış hızına sahip olan ve tarım, hayvancılık gibi geniş kapsamı alanına dağılan M2M (Makineden makineye) sistemleri gibi devamlı bir noktaya veri aktaran sistemler olarak düşünülebilir. Bu tür sistemlerde gönderilen verinin büyüklüğü genelde kilobyte mertebesinde olduğu için ortalama hızlardaki düşmenin servis kalitesi anlamında bir dezavantajı olmayacak fakat düşük kanal kalitesine rağmen devamlı bağlantının sağlanabiliyor olması kullanıcı memnuniyetini arttıracaktır. Ek olarak tüm bu konfigürasyonun zamanlama yazılımı üzerinde yapılabiliyor olması servis sağlayıcıların altyapı değişiklik maliyetlerini azaltacaktır. ˙İlgili konuda diğer bir kullanım alanı da yerleşimin olmadığı kırsal bölgeler olarak düşünülebilir. Bu bölgelerde mobil telekomünikasyon sistemlerinin de kullanımı az olacağından çıkış hızının abone sayısına bağlı olarak azalmasının etkisi fazla hissedilmeyecek ve geniş alanda düşük sinyal kalitesine sahip olan kullanıcıların da belirli bir veri hızında servislerden yararlanması sağlanacaktır.
Bu çalışma içeriğinde sunulan kaynak tahsisi çözümü birçok açıdan geliştirilmeye açıktır. Etkileri sonuçlar bölümünde belirtilen kanal kalitesi esiği ve algoritma uygulama aralıkları bağlı olan kullanıcıların gereksinimlerine göre adaptif yapıda değişen bir otomasyon yöntemi ile sistemin verimliliğinin artacağı düşünülmektedir.
Ek olarak gelen kullanıcı trafiğinin yorumlandığı bir yapı ile ilgili trafik cinsinin servis kesintisi esiğinin ve sinyal gürültü oranına karsı gelen bit hata oranı ile beraber formüle edileceği bir çözüm oluşturulabilir. Böylece kullanıcının yararlandığı canlı video izleme veya internet üzerinden oyun oynama gibi servislere öncelik tanınırken e-posta ve veri yükleme gibi servislerin sağlanması zamana yayılabilir.

Abstract:
In 21th century, world is evolved in to all-connected environment. Now, communication is not limited to people interaction. All devices varying from coffee machines to Da Vinci surgery robots are connected and communicating with others. In addition, people in the world more mobile than they have ever been before. Enhanced transportation facilities allows people travel around the world for business or private purposes. This evolution leads to the requirement of people being connected while they are mobile. Therefore, today telecommunication technologies are in massive development with progressive speed. Starting from 1979 with commercial use of first generation cellular mobile technologies in Japan, four generation of cellular technologies are presented until today for commercial use and developments are ongoing for the fifth generation.
In this thesis, commercially latest and fourth generation(4G) mobile communication system named Long Term Evolution (LTE) is introduced as the first section. The network architecture of LTE is presented with core network, radio access network structure with illustrations and critical components. Next, radio interface and protocol design of LTE are presented. In last part, Long Term Evolution Advanced (LTE-A) is demonstrated with major improvements. The aim of LTE introduction section is to provide background information about fourth generation mobile telecommunication technologies as basis knowledge to other sections of the thesis. In the second section, scheduling in LTE system is widely presented. First, brief information and main architecture are given over a simplified model of a packet scheduler. Subsequently, scheduling algorithm types in the literature are introduced with their calculation metrics. In the third part, essentials to design a scheduling algorithm are explained with their impact on performance. The latest part of the section describes the performance indicators with their formulation. Subsequent section presents the proposed scheduling algorithm. Firstly, the design objectives are explained in accordance with main requirements. Then architecture of the new design clarified with detailed information and process flow. In simulation section, detailed information about simulation environment named Vienna LTE-A System Level Simulator given initially. After, implementation of the desired algorithm in the simulation environment is circumstantiated. In results and analysis section, simulation results for the solution provided by thesis are presented with performance indicator analysis and comparisons with algorithms in the literature.
Results obtained from the simulations indicate that proposed method reaches thesis goal form various aspects. Using mechanism proposed, allocation interval of the user is increased in frequency and edge throughput that shows data rates for users with inferior channel status enhanced to better figures. Considering the outputs it can be derived that area of research in this study has various developable approaches. Some of these improvement areas are adaptive automation of proposed algorithm for varying network conditions and traffic type sensitive execution of the proposed algorithm.