Optimisation de la gestion des ressources voie retourblog.couble.ovh/assets/ycouble_pres_store_sav.pdf · Agenda La voie Retour DVB-RCS2: Acc es d edi e Bilan de liaison voie retour

Optimisation de la gestion des ressources voieretour

Yoann Couble1,2,3,4, Emmanuel Chaput2, Thibault Deleu3,Cedric Baudoin3, Jean-Baptiste Dupe4, Caroline Bes4 and

Andre-Luc Beylot2

1TeSA 2IRIT, 3TAS, 4CNES

June 12, 2017

Optim. Interf. RL 2017/06/12 Couble Y. TAS, CNES, IRIT, TeSA 1/26

Agenda

La voie RetourDVB-RCS2: Acces dedieBilan de liaison voie retour

Gestion des Interferences4 couleurs2 couleurs

Papier ICCLitteratureModeleResultatsAutres contributions

Conclusion


Context of Satellite Uplink scheduling

Gateway

Geosta�onnary

Mul�-Beam Satellite

(Transparent)

User terminal

(RCST)

RHCPbeams

LHCPbeams

Q/V

bands

Ka/Kubands

Internet

Figure: System Architecture

I Satellite transparent geostationnaireI Antennes multi-faiseaux et Gateway centralisee


La voie Retour


Protocoles de la voie retour (Acces)

Time

Frequency

Ded

icat

ed A

cces

sA

vail

able

Spe

ctru

m

Frame Duration

carrier

...

Random Access Channel

MF-TDMAFrame

Figure: Example of MF-TDMA Frame

DVB-RCS2:

I Canaux a acces aleatoire: CRDSAet autres.

I Canaux a acces dedie:I Demand Assigned Multiple

Access (DAMA)I Multiple Frequency Time Division

Multiple Access (MF-TDMA)


Principes du DAMA

Gateway

DAMA Req. (VDBC, RDBC, CRA) via RA/DA

DAMA Req. (VDBC, RDBC, CRA) via RA/DA

UT1

UT2

GEO Sat

UT

1

UT

2

UT

3

UT

4

UT

5U

T6

UT

7

cumulated req.

DAMA Manager

Scheduler

freq

timeTB

TP

2Gateway

TBTP2 (broadcast)

1

1

2

3

4

Gateway

Transmission on dedicated slotsUT1

UT2

5freq

time

freq

time

Transmission on dedicated slots5Internet

Figure: Schematic DAMA process


Hypotheses

Frequen

cy

TimePow

er

16QAM - 5/6

8PSK - 5/6

8PSK - 3/4QPSK - 5/6QPSK - 1/3

Figure: An example of MF-TDMA Frame,with various MODCOD in different slots.

Hypotheses:

I Porteuses a Rs egal

I Une seule taille de BTU (1616symboles)

I MODCOD selection just-in-time

Autres caracteristiques du systemeconsidere:

I 2 polarisations (RHCP, LHCP)

I NC porteuses de 21MHz (BATS)


Bilan de liaison voie retour - Attenuation angulaire

-600 -300 0 +300Distance from beam k center (km)

Gain

att

en

uati

on

for

beam

k (

dB

)

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-480

-360

-240

-120

0

+120

+240

+360

+480

+600

Dis

tance

fro

m b

eam

k c

ente

r (k

m)

+600

Figure: Attenuation en fonction de la distance au centre du beam


Bilan de liaison voie retour - Remarques

beamdire

ctivity

α1,a

α3,a

α2,a

Beam a Rx:P1Ga(α1,a) + P2Ga(α2,a) + P3Ga(α3,a)

BEAM a BEAM cBEAM b

RCST 1

RCST 3RCST 2tra

nsmitte

d signal

Figure: Principe des interferences voie retour


Bilan de liaison voie retour - FL vs. RL

reciev

ed s

igna

ls

BEAM a BEAM c

BEAM bRCST 1 RCST 3

RCST 2

RCST 1 Rx:

α1,b

α1,cα1,a

beam directivity

PaGa(α1,a) + PbGb(α1,b) + PcGc(α1,c)

Figure: Principe des interferences voie aller


Gestion des Interferences


4 coloration - principes

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

Figure: Exemple de coloration a 4 couleurs


Coloration - Feeder Link

user linksfeeder linkRHCP

LHCP

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

Figure: Bande Necessaire Feeder Link

I Pour un taux de reutilisation de frequence de 1/4, il fautNbeams × Bande × 2× 1/4 de bande disponible sur le feederlink

I Grande importance de l’efficacite en bande passante!


Augmenter le debit d’un beam?

I Augmenter la bande de chaque couleur, enrestant en 4 couleurs⇒ Bande limitee

I Autre alternative: Ameliorer la directivite desantennes, et reduire la taille des beams

I Augmenter le taux de reutilisation defrequences

I Interferences preponderantes!I Densifie l’utilisation des frequencesI Inevitable a long terme


Coloration a 2 couleurs

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

RHCP

LHCP

freq

timeRHCP

TBTP2

LHCP

TBTP2

freq

time

freq

timeRHCP

TBTP2

LHCP

TBTP2

freq

time

Figure: Schema de coloration a deux couleurs sur maille hexagonale

I Interferences tres fortes sur les beams voisins


Solutions classiques

I Decentralise + ACM → Aucune correlation apriori entre un slot et le suivant.

I Decentralise + Estimation d’interference→ Trop de pertes et de MODCODsous-optimaux

Explication: Interference trop variable d’un interferent a l’autre.Solution: Coordination individuelle d’interference


Exemple - Scenario

freq

time

freq

time

freq

time

1

2

3

4

5

6 78

9 10

1112

13

Figure: Scenario simpliste - Les couleurs correspondent aux utilisateursordonnances sur la meme ressource


Exemple - Scenario

freq

time

freq

time

freq

time

1

2

3

4

5

6 78

9 10

1112

13

Low interferenceVery high

interferenceHighinterference

BAD INTERFERING SET !!



Exemple - Scenario

freq

time

freq

time

freq

time

1

2

3

4

5

6 78

9 10

1112

13

Low interferenceHighinterference

Better



Exemple - Scenario

freq

time

freq

time

freq

time

1

2

3

4

5

6 78

9 10

1112

13

Low interference

GOOD INTERFERING SET !!



Papier ICC


Objectifs et Focus de modelisation

Objectifs:

I Determiner la Capacite maximale d’un scenario

I Sur des Scenario de grande taille (Cumul d’interference)

Focus de modelisation:

I Permettre une non-allocation

I Jouer sur les MODCODS


Architecture - Centralized scheduling

Physical Gateways

CentralizedScheduler

freq

time

freq

time

TBTP2 - Beam A

freq

time

TBTP2 - Beam B

TBTP2 - Beam C

Joint Scheduling

freq

time

freq

time

freq

time

freq

timefreq

time

freq

time

freq

time

freq

time

freq

time

Beam A

Beam B

Beam C

Figure: Centralized scheduling, with TBTP2 propagation


Modele: Probleme complet

Sum-rate Maximization Objective

1 user per Resource Block

Users are limited to 1 carrier for each timeslot

Discretized SNIR Constraint

Decision variable for user ik of beam k MCS m, for RB (t,c)

Figure: Modele: Probleme complet


Resultats

Charge de la trame: Ncarrier/Nusers

Cap

acit

é m

ax d

u sy

stèm

e (N

orm

alis

é)

100%

108%

145%

160%

0.5 1.0 2.0

2 couleurs: Optimal

4 couleurs non coordonné2 couleurs non coordonné

~63%~61%

~48%

← Figure: Resultats moyens, 2couleurs coordonne vs. 4 couleursnon coordonne. Resultats pour18 beams, 8 porteuses, 4/8/16utilisateurs par beam.

I Resolu avec Gurobi

I Plus il y a d’utilisateurs, plusla capacite max est grande

I Temps de resolution tresimportants


Autres contributions et resultats

I Simplifications:I Decomposition par porteuseI Importance des voisins

I Resultats: Meilleurs temps de calculs, perted’optimalite minime (max 4% pour des chargesimportantes).


Conclusion


I Outil generique:I Calcul de capacite maximale d’un schema de

coloration (pour un scenario donne)I Adaptable a d’autres maillagesI Adaptable a la voie allerI Base de comparaison pour des algorithmes plus

rapides


Questions ?


Bibliographie

I Yoann Couble et al. “Interference-aware Frame Optimization for the Return Link of a Multi-Beam Satellite(regular paper)”. In: IEEE International Conference on Communications (IEEE ICC). 2017

I K. Kiatmanaroj. “Allocation de frequence dans les systemes de communication par satellites de typeSDMA”. . These. 2012

I Arie Koster. Frequency Assignment - Models and Algorithms. 1999I Ui Yi Ng, Argyrios Kyrgiazos, and Barry Evans. “Interference coordination for the return link of a

multibeam satellite system”. In: Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th SignalProcessing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC), 2014 7th. IEEE. 2014

I V. Boussemart, M. Berioli, and F. Rossetto. “User scheduling for large multi-beam satellite MIMOsystems”. In: 2011 Conference Record of the Forty Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems andComputers (ASILOMAR). 2011

I Valeria D’Amico and Jochen Giese. ARTIST4G: Innovative scheduling and cross-layer design techniques forinterference avoidance. Tech. rep. 2012

I Raymond Kwan and Cyril Leung. “A Survey of Scheduling and Interference Mitigation in LTE”. . In: JECE2010 (2010). url: http://dx.doi.org/10.1155/2010/273486

I S. Dimitrov et al. “Radio resource management techniques for high throughput satellite communicationsystems”. In: 2015 European Conference on Networks and Communications (EuCNC). 2015

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I ETSI. “EN301 545-2 v1.2.1: Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2)”. In:2012

I ETSI. “TR101 545-4 v1.1.1: Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2); Part 4Guidelines for Implementation and Use of EN301 545-2”. In: 2014

I Inc. Gurobi Optimization. Gurobi Optimizer Reference Manual. 2016. url: http://www.gurobi.comI S. Cioni, R. De Gaudenzi, and R. Rinaldo. “Adaptive coding and modulation for the forward link of

broadband satellite networks”. In: IEEE GLOBECOM. vol. 6. 2003I BATS Project. D4.5.1 - Overall Strategy and Algorithms for Interference Management. 2015I Michael Schneider, Christian Hartwanger, and Helmut Wolf. “Antennas for multiple spot beam satellites”.

In: CEAS Space Journal 2.1 (2011)


http://dx.doi.org/10.1155/2010/273486

http://www.gurobi.com

Bilan de liaison voie retour - Attenuation angulaire

-600 -300 0 +300Distance from beam k center (km)

Gain

att

en

uati

on

for

beam

k (

dB

)

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-480

-360

-240

-120

0

+120

+240

+360

+480

+600

Dis

tance

fro

m b

eam

k c

ente

r (k

m)

+600

Figure: Attenuation en fonction de la distance au centre du beam


Bilan de liaison voie retour: SNIR

Reception Gain of the k-th beam for user ik

User ik transmissionpower

Noise power(same for each c)

Indicator of user jk'assigned to RB (t,c)

Figure: Formule du bilan de liaison (simplifie)I Gk(ik) comprend tout type d’attenuation (angulaire, FSL,

atmo. ...) ainsi que tous les autres parametres constants dubilan de liaison

I N integre aussi l’interference Cross-Polarisation etInter-Canaux (consideres comme du AWGN)


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