Estratégias distribuídas para a coexistência de redes de banda larga sem fio em bandas não-licensiadas

The increasing demand for Internet data traffic in wireless broadband access networks requires both the development of efficient, novel wireless broadband access technologies and the allocation of new spectrum bands for that purpose. The introduction of a great number of small cells in cellular networks allied to the complimentary adoption of Wireless Local Area Network (WLAN) technologies in unlicensed spectrum is one of the most promising concepts to attend this demand. One alternative is the aggregation of Industrial, Science and Medical (ISM) unlicensed spectrum to licensed bands, using wireless networks defined by Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) and Third Generation Partnership Project (3GPP). While IEEE 802.11 (Wi-Fi) networks are aggregated to Long Term Evolution (LTE) small cells via LTE / WLAN Aggregation (LWA), in proposals like Unlicensed LTE (LTE-U) and LWA the LTE air interface itself is used for transmission on the unlicensed band. Wi-Fi technology is widespread and operates in the same 5 GHz ISM spectrum bands as the LTE proposals, which may bring performance decrease due to the coexistence of both technologies in the same spectrum bands. Besides, there is the need to improve Wi-Fi operation to support scenarios with a large number of neighbor Overlapping Basic Subscriber Set (OBSS) networks, with a large number of Wi-Fi nodes (i.e. dense deployments). It is long known that the overall Wi-Fi performance falls sharply with the increase of Wi-Fi nodes sharing the channel, therefore there is the need for introducing mechanisms to increase its spectral efficiency. This work is dedicated to the study of coexistence between different wireless broadband access systems operating in the same unlicensed spectrum bands, and how to solve the coexistence problems via distributed coordination mechanisms. The problem of coexistence between different networks (i.e. LTE and Wi-Fi) and the problem of coexistence between different networks of the same technology (i.e. multiple Wi-Fi OBSSs) is analyzed both qualitatively and quantitatively via system-level simulations, and the main issues to be faced are identified from these results. From that, distributed coordination mechanisms are proposed and evaluated via system-level simulations, both for the inter-technology coexistence problem and intra-technology coexistence problem. Results indicate that the proposed solutions provide significant gains when compare to the situation without distributed coordination.

A crescente demanda por tráfego de dados em redes de acesso de banda larga sem fio à Internet requer tanto o desenvolvimento de novas tecnologias de acesso mais eficientes quanto que novas faixas de frequência do espectro eletromagnético sejam alocadas para este fim. A introdução de um grande número de small cells em redes celulares aliado à adoção de forma complementar de tecnologias de Wireless Local Area Networks (WLAN) em faixas de espectro não-licensiadas tem se verificado como um dos conceitos mais promissores. Uma das alternativas dentro deste conceito é a introdução de small cells Long Term Evolution (LTE) operando em espectro não-licensiado Industrial, Science and Medical (ISM) de 5Gigahertz (GHz), numa abordagem conhecida como Unlicensed LTE (LTE-U). No entanto, a tecnologia de acesso de banda larga sem fio IEEE 802.11 (Wi-Fi) já se encontra bastante difundida e operando nessa faixa de espectro, o que pode acarretar problemas de desempenho derivados da coexistência de ambas as tecnologias na mesma faixa de espectro. Além disso, existe a necessidade de melhorar a operação do Wi-Fi para que possa suportar cenários com um grande número de redes vizinhas, cada uma com um grande número de nós (conhecido como "‘implantação densa"’). É sabido que o desempenho global das redes Wi-Fi cai de forma acentuada com o aumento de número de dós compartilhando o canal, e portanto mecanismos para aumentar sua eficiência espectral se fazem necessários. Este trabalho é dedicado ao problema da coexistência entre diferentes sistemas de acesso à banda larga sem fio operando nas mesmas faixas de espectro não-licensiado, e como resolver esses problemas por meio de algoritmos de coordenação distribuídos. O problema da coexistência entre redes diferentes (i.e. LTE e Wi-Fi) e o problema de coexistência entre diferentes redes da mesma tecnologia (i.e. múltiplas Overlapping Basic Subscriber Sets (OBSSs) Wi-Fi) é analisado qualitativamente e quantitativamente via simulação sistêmica, e suas principais questões a serem enfrentadas são identificadas. Com base nisso, soluções distribuídas de coordenação são propostas e avaliadas via simulação sistêmica tanto para o problema de coexistência inter-tecnologias como para o problema de coexistência intra-tecnologia. Os resultados das avaliações indicam que as soluções concebidas provêm ganhos significativos ante uma situação de coexistência sem coordenação distribuída.