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4 Redes Mviles

4.1 INTRODUCCIN

Los servicios de transmisin de datos a travs de redes mviles constituyen uno de lossectores de las telecomunicaciones destinado a experimentar un auge ms notable en losprximos diez aos. La demanda potencial de servicios mviles de datos es tan grande queest obligando a los operadores a suministrar este tipo de comunicaciones.

Las razones principales por las que los usuarios estn comenzando a solicitar, cada vez ms,servicios de datos que utilicen el acceso radio, son, por un lado, la reduccin en el tamao yprecio de los ordenadores porttiles lo cual ha extendido su uso de tal manera que ya no seconciben las redes del futuro sino integrando estos equipos mviles junto con los ordenadoresfijos convencionales. La aparicin, adems, de una interfaz estndar entre el ordenador y elcanal radio, la tarjeta PCMCIA, ha sido determinante en el desarrollo de mdems compactos demuy reducido tamao que facilitan el intercambio de datos en entornos mviles. En segundolugar, la utilizacin, cada vez ms comn, de aplicaciones como el correo electrnico y, engeneral, de servicios de acceso a Internet, est llevando a los usuarios de porttiles a solicitarsu provisin a travs del enlace mvil.

4.2 CARACTERIZACIN DE CANALES RADIO MVILES

El estudio de la transmisin de datos en sistemas mviles requiere, como paso previofundamental, la caracterizacin del entorno de propagacin, es decir, el canal radio mvil.

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Las redes mviles presentan caractersticas de transmisin muy diferentes de las de las redestradicionales fijas. Estas caractersticas tienen su origen tanto en la propia naturaleza del mediofsico utilizado (el canal radio) como en los efectos debidos a la movilidad.

Fundamentalmente son dos las caractersticas diferenciales del canal radio mvil frente a la redfija: las altas tasas de error y el ancho de banda reducido.

Tasas altas de error

La informacin enviada a travs del canal radio resulta, inevitablemente, deteriorada. Algunasde las causas de este deterioro son:

Los obstculos reducen el nivel de la seal captada por el receptor. Esta atenuacin,inherente al canal radio, es conocida como desvanecimiento lento o ensombrecimiento(shadow fading o shadowing). La reduccin en el nivel de la seal por causa de estedesvanecimiento es transitoria si el obstculo en cuestin, el emisor o bien el receptor,estn en movimiento. La duracin de la prdida de seal puede durar unos pocosmilisegundos o, incluso, prolongarse varios segundos dependiendo de factores como lanaturaleza del obstculo o la velocidad del terminal.

La seal radio tambin puede verse sometida a reflexiones en obstculos presentes en elcamino pero no necesariamente en la lnea de visin del receptor. Este fenmeno,conocido como propagacin multicamino, puede ocasionar la llegada al receptor deseales con diferencias de fase tales, que su suma d lugar a una interferencia destructivacuyas consecuencias pueden llegar hasta la cancelacin mutua, es decir, la eliminacintotal de la potencia de seal en recepcin.

La propagacin multicamino da lugar a desvanecimientos rpidos o de Rayleigh.

Las interferencias procedentes de transmisiones concurrentes pueden degradar la relacinseal/interferente.

La limitacin de la potencia transmitida por los terminales mviles, debida tanto a lanecesidad de minimizar las interferencias como a consideraciones relacionadas con sualimentacin mediante bateras contribuye, tambin, a la presencia de altas tasas de erroren los enlaces radio.

El ruido ambiente es inevitable en un entorno abierto y frgil como el canal radio. Enncleos urbanos, este factor es especialmente influyente.

Experimentalmente, se ha constatado que las tasas de error en los canales radio mvilesvaran dentro del rango 10-6 a 10-1 dependiendo de las condiciones del enlace. Las redes fijasde fibra ptica presentan, en cambio, tasas inferiores a 10-12.

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Hay que tener en cuenta, adems, que el efecto combinado de los mecanismos generadoresde errores en la mayora de canales es tal, que stos se producen en forma de rfagas. Estosignifica que los canales sufren periodos errticos durante los cuales toda comunicacin atravs de ellos resulta inviable. Existe, por tanto, cierta dependencia estadstica en laocurrencia de los errores.

En concreto, el comportamiento de los canales radio est limitado por las frecuentes rfagas deerror causadas por los desvanecimientos, atenuaciones e interferencias. Durante los periodosde rfaga, el terminal (o la estacin base) recibe slo una seal muy dbil de manera que todoslos intentos de transmisin de datos resultan fallidos con muy alta probabilidad. En este estudiose analizar el efecto de las elevadas tasas de error sobre el comportamiento del protocolo detransporte TCP.

Ancho de Banda reducido

El espectro de radiofrecuencia es un recurso extremadamente valioso y, como tal, esgestionado celosamente por las administraciones. Esto supone que el ancho de bandadisponible para la comunicacin entre el mvil y la estacin base es, siempre, limitado.

Por lo tanto, un aspecto primordial en el diseo de los sistemas mviles debe ser el usoeficiente del ancho de banda disponible. As analizaremos las ventajas e inconvenientes deincorporar mtodos de reduccin del tamao de los paquetes de informacin que viajan por losenlaces mviles que permitan utilizar de forma ms eficiente el ancho de banda disponible.Concretamente se ver la compresin de cabeceras.

4.3 EFECTOS DE LA MOVILIDAD

La movilidad de los terminales tiene claras consecuencias en las comunicaciones establecidasa travs de stas. Algunas de ellas se detallan a continuacin:

Cuando el usuario del terminal mvil cambia de celda, se lleva a cabo el proceso detraspaso, el cual transfiere el control de la comunicacin desde la estacin base inicial auna nueva estacin base con cobertura en la nueva celda.

Durante el intervalo de tiempo que dura este proceso, los paquetes destinados al mvil yaquellos transmitidos por ste no pueden ser enrutados. Esto provoca pausas o latenciasen la comunicacin.

En algunas ocasiones, el usuario mvil puede entrar en zonas de sombra, es decir, zonasen las que ninguna estacin base puede darle cobertura. En estos casos, se producendesconexiones temporales que suponen la prdida de paquetes. Cuando el terminal mvilsale de la celda inicial y entra en la zona de sombra y sigue apuntando a la anterior

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estacin base como intermediaria en la comunicacin. Slo cuando recibe la seal deindicacin de presencia procedente de la nueva estacin base, puede el terminal actualizarla tabla; sin embargo, hasta ese momento, el terminal contina enviando paquetes que,inevitablemente, no llegan a su destino. Por otro lado, tambin los paquetes destinados alterminal mvil se pierden ya que la estacin base no detecta que el mvil ha abandonadosu celda hasta que la nueva estacin base se lo notifica explcitamente, lo cual no ocurrehasta que el mvil se conecta a ella.

En este estudio no se tiene en cuenta el efecto de la naturaleza de la movilidad, ya que endefinitiva se traducir a errores en la comunicacin y a desconexiones temporales de la misma.

4.4 EFECTO DE LOS ERRORES Y LAS DESCONEXIONES

En los entornos mviles las prdidas de paquetes son muy frecuentes debido no a congestinsino, bsicamente, a las altas tasas de error que caracterizan al canal radio y a las desconexionestemporales asociadas a procesos de traspaso. Por lo tanto, los algoritmos de control de lacongestin que TCP activa al detectar los errores propios del enlace mvil, pueden ocasionar uncomportamiento muy poco eficiente del protocolo en estos entornos, cuyos efectos deben serevaluados.

En la bibliografa existen varios estudios dedicados al anlisis de aspectos relacionados con elcomportamiento de TCP en los entornos mviles [YaB94, MyS93, BSK95, ABS95, BBK97, BKV96,BPS97, BSA95, CTG97, DCY93, DuR94]. En ellos se pone de manifiesto el bajo rendimiento delprotocolo en diferentes entornos inalmbricos y se proponen estrategias para mejorarlo. Acontinuacin se resumen algunos protocolos que se han propuesto para mejorar elcomportamiento del protocolo TCP en enlaces inalmbricos.

Protocolos de Nivel de Enlace: Aparecen varias propuestas en la bibliografa de protocolospara dar fiabilidad al nivel de enlace. stos utilizan bsicamente dos tcnicas: la correccin deerrores utilizando tcnicas tipo Forward Error Correction (FEC); y la retransmisin comorespuesta a mensajes tipo Automatic Request Repeat (ARQ). Entre estas soluciones seencuentra CDMA, TDMA y AIRMAIL. Estos protocolos intentan esconder las prdidas a TCP,no obstante, estas soluciones no aseguran que se resuelvan los errores satisfactoriamente.Por lo tanto, pueden interaccionar los mecanismos propios de TCP con los de recuperacin anivel de enlace (tales como temporizadores de retransmisin y reconocimientos duplicados),producindose retransmisiones a nivel de transporte de paquetes que pueden haber sidoretransmitidos previamente por los mecanismos de nivel de enlace. Soluciones a estasinteracciones se proponen en mecanismos que se comentarn ms adelante.

Protocolos con conexin partida: Son aquellos que dividen en dos partes la conexin TCPestablecida, independizando la parte fija de la parte mvil. En estas soluciones se rompe lasemntica extremo a extremo de TCP. En la parte mvil se define un protocolo especfico. En

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[YaB94] se proponen dos protocolos, en uno se usa TCP y en el otro se usa un protocolo derepeticin selectiva sobre UDP. El estudio del impacto de traspasos en ambas solucionesconcluye en que no se obtiene mejora en el segundo de los casos. Otro estudio [BPS97]presenta una optimizacin de retransmisin selectiva en TCP con el que s que se obtienenmejoras significativas en entornos errneos. En [BaB95, BaB97] se presenta el protocoloIndirect-TCP. ste utiliza el protocolo TCP estndar en ambas conexiones (la de la parte fija yla de la parte mvil). Los inconvenientes de esta solucin son los inherentes al propioprotocolo TCP en entornos mviles, ya que la interaccin de los mecanismos contra lacongestin interfieren de la misma forma. Finalmente, M-TCP, presentado en [BrS97] divide laconexin fija y mvil sin perder la semntica extremo a extremo de TCP. Esta propuesta esadecuada para solucionar los problemas de las desconexiones temporales debido a lamovilidad, ms que al efecto de los errores.

Protocolo snoop [BSK95]: sta es una solucin hbrida entre las dos anteriores. Estdiseado para mejorar el comportamiento del protocolo en los casos de transferencia dedatos de fijo a mvil (para el caso inverso deben aadirse mecanismos de reconocimientonegativo). Este protocolo introduce un mdulo en la estacin base, de forma que monitorizala conexin TCP en ambas direcciones y guarda en cache los segmentos que han sidoenviados y que no han sido reconocidos todava. Si el agente detecta reconocimientosduplicados, ste los elimina y retransmite el paquete. De esta forma, la fuente TCP nodetecta la prdida del segmento. Algunos inconvenientes de este protocolo son la memorianecesaria para el almacenaje de los paquetes y la complicacin de la gestin de traspasos.No obstante, los ms importantes son, por una parte el hecho de que los reconocimientosdeben seguir el mismo camino que los datos (seria el caso de varios enlaces mviles en latopologa de la red o en topologas asimtricas).

Protocolos de Notificacin explcita: Estas soluciones se basan en diferenciar las prdidasdebidas a congestin o a errores. Una vez diferenciadas, se notifica al emisor que lasprdidas son debidas a una causa o a la otra, y se acta en consecuencia. En [BKV97] sepresenta el esquema Explicit Bad State Notification (EBSN), que se basa en la notificacinde estados de error en caso de que no se reciban reconocimientos durante un ciertotiempo. Con este mtodo se evitan, bsicamente, los inconvenientes del algoritmo debackoff exponencial tras periodos de desconexin o altas tasas de error. En [BPS97,BaK98] se presenta una implementacin del Explicit Loss Notification (ELN). En amboscasos el gran inconveniente es el no poder asegurar que un error realmente ha sido debidoa errores del canal y no a congestin.