Titulo Estágio
Melhoria do Desempenho do Handover em Redes Não Terrestres
Áreas de especialidade
Comunicações, Serviços e Infraestruturas
Comunicações, Serviços e Infraestruturas
Local do Estágio
Grupo de Redes, Comunicações e Segurança (NCS – DEI – UC)
Enquadramento
A integração de Redes Não Terrestres (NTNs) nos futuros sistemas de comunicação sem fios, incluindo o 5G Avançado e o 6G, é fundamental para fornecer conectividade ubíqua e fiável, especialmente em áreas remotas e desfavorecidas. As constelações de satélites de Órbita Baixa Terrestre (LEO) são um componente chave das NTNs, oferecendo o potencial para uma cobertura global e contínua. Contudo, o dinamismo inerente dos satélites LEO, caracterizado pela sua alta velocidade, introduz desafios significativos para a gestão da mobilidade, particularmente no que diz respeito aos procedimentos de handover (HO).
Os mecanismos de handover tradicionais, concebidos principalmente para redes terrestres (TNs), são frequentemente pouco adequados para os handovers frequentes e inevitáveis em cenários NTN. Mesmo os utilizadores estacionários experienciam handovers devido ao movimento dos satélites de Órbita Não Geoestacionária (NGSO). Isto pode levar a um aumento da sobrecarga de sinalização, falhas de handover e uma degradação na Qualidade de Serviço (QoS) e na experiência do utilizador, especialmente para aplicações sensíveis à latência. As características únicas das NTNs, como as grandes áreas de cobertura dos satélites (footprints) e as diferenças potencialmente pequenas na intensidade do sinal entre feixes, complicam ainda mais as decisões de handover.
Esta investigação explorará soluções para enfrentar os desafios de handover em NTNs. O foco será no desenvolvimento e avaliação de estratégias avançadas de handover que possam melhorar a continuidade do serviço, reduzir as taxas e falhas de handover e otimizar a utilização dos recursos da rede. As áreas potenciais de investigação incluem: (1) Mecanismos de Handover Condicional (CHO) para NTNs e (2) Estratégias de Handover Preditivas e Proativas.
As soluções propostas serão validadas através de simulações utilizando ferramentas como o ns-3 e/ou MATLAB, permitindo uma análise de desempenho abrangente sob vários cenários NTN e condições de tráfego.
Objetivo
Realizar uma revisão abrangente do estado da arte na gestão de handover em Redes Não Terrestres (NTN) e, subsequentemente, projetar, desenvolver, implementar e validar (pelo menos) duas estratégias de handover para NTNs.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
Fase 1: Estudo do Estado da Arte:
- Revisão aprofundada das arquiteturas NTN, normas (3GPP Rel-17, Rel-18 e seguintes).
- Estudo detalhado dos procedimentos de handover em redes terrestres e não terrestres, incluindo o handover condicional (CHO).
- Análise dos desafios no handover em NTN: handovers frequentes, sobrecarga de sinalização, impacto da mobilidade dos satélites (LEO, GEO, NGSO).
- Exploração de soluções existentes e tendências de investigação, incluindo métodos preditivos, aplicações de IA/AA (Inteligência Artificial/Aprendizagem Automática) e abordagens baseadas em grafos para otimização do handover.
Fase 2: Revisão de Ferramentas e Metodologias de Simulação:
- Familiarização com ferramentas de simulação de rede como o ns-3 e MATLAB para modelação de cenários NTN.
- Estudo de modelos de canal para NTN (por exemplo, 3GPP TR 38.811, TR 38.821).
- Compreensão das métricas de desempenho para avaliação do handover (taxa de falha de handover, taxa de ping-pong, sobrecarga de sinalização, latência, desempenho).
Fase 3: Formulação do Problema e Desenho da Solução Inicial:
- Definir desafios específicos de handover em NTNs a serem abordados.
- Desenvolver um conceito preliminar para uma solução de handover inovadora (por exemplo, um mecanismo CHO melhorado, um algoritmo preditivo).
- Delinear a arquitetura da solução proposta e a sua interação com as entidades da rede.
Fase 4: Definição de Requisitos de Serviço e Recursos de Rede para Cenários de Simulação:
- Definir cenários de implementação de NTN (por exemplo, parâmetros da constelação LEO, altitudes dos satélites, cobertura de feixe).
- Caracterizar modelos de mobilidade do utilizador e padrões de tráfego para as simulações.
Fase 5: Preparar Documento de Defesa Intercalar:
- Compilar resultados da revisão do estado da arte.
- Apresentar o problema de investigação definido, o conceito da solução proposta e o plano de simulação inicial.
Plano de Trabalhos - Semestre 2
Fase 6: Implementar um Mecanismo de Handover de Referência para Comparação:
- Implementar um mecanismo de handover padrão e amplamente reconhecido (por exemplo, CHO base conforme 3GPP, ou um esquema de handover NTN mais simples) para servir como referência para comparação de desempenho.
Fase 7: Desenho Detalhado e Implementação da(s) Solução(ões) de Handover Proposta(s):
- Finalizar os detalhes algorítmicos da estratégia de handover.
- Implementar a solução proposta no simulador escolhido (ns-3 e/ou MATLAB). Isto inclui o desenvolvimento de módulos para mobilidade de satélites, modelação de canal, lógica de handover e medição de desempenho.
Fase 8: Simulação, Validação e Análise de Desempenho:
- Realizar campanhas de simulação sob vários cenários definidos.
- Recolher e analisar dados sobre indicadores chave de desempenho (KPIs).
- Comparar o desempenho da(s) solução(ões) proposta(s) com o mecanismo de referência.
- Iterar sobre o desenho e a implementação, se necessário, com base nos resultados iniciais.
Fase 9: Refinar a Solução e Explorar Melhorias:
- Com base na análise, refinar a solução proposta para melhorias adicionais de desempenho.
- Explorar potencialmente um segundo mecanismo de encaminhamento/handover mais avançado ou uma melhoria da solução principal.
Fase 10: Preparar o Documento da Dissertação:
- Documentar todo o processo de investigação, incluindo a definição do problema, revisão da literatura, solução(ões) proposta(s), detalhes de implementação, configuração da simulação, resultados, análise e conclusões.
- Discutir as contribuições da investigação, as suas limitações e potenciais caminhos para trabalhos futuros.
Condições
O trabalho será realizado no grupo NCS (Departamento de Engenharia Informática, Universidade de Coimbra, Portugal).
Observações
Recursos Adicionais:
- F. Firyaguna, C. -K. Lin, H. Alshaer and P. Harris, "Graph-Based Handover for Future Aeronautical 6G Integrated Terrestrial and Non-Terrestrial Networks," 2024 AIAA DATC/IEEE 43rd Digital Avionics Systems Conference (DASC), San Diego, CA, USA, 2024, pp. 1-8, doi: 10.1109/DASC62030.2024.10749672.
- M. I. Saglam, "Conditional Handover for Non-Terrestrial Networks," 2023 10th International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications (WINCOM), Istanbul, Turkiye, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/WINCOM59760.2023.10322919.
- F. Wang, D. Jiang, Z. Wang, J. Chen and T. Q. S. Quek, "Seamless Handover in LEO Based Non-Terrestrial Networks: Service Continuity and Optimization," in IEEE Transactions on Communications, vol. 71, no. 2, pp. 1008-1023, Feb. 2023, doi: 10.1109/TCOMM.2022.3229014.
- J. Wu, S. Su, X. Wang, J. Zhang and Y. Gao, "Accelerating Handover in Mobile Satellite Network," IEEE INFOCOM 2024 - IEEE Conference on Computer Communications, Vancouver, BC, Canada, 2024, pp. 531-540, doi: 10.1109/INFOCOM52122.2024.10621115.
- https://www.nsnam.org/
- https://www.mathworks.com/products/satellite-communications.html
Orientador
David Abreu
dabreu@dei.uc.pt 📩