Proyecto Fin de CarreraProyecto Fin de Carrera

ESTUDIO DE LA CALIDAD DE SERVICIO ESTUDIO DE LA CALIDAD DE SERVICIO OFRECIDA A SERVICIOS DE DATOS EN OFRECIDA A SERVICIOS DE DATOS EN

REDES CELULARESREDES CELULARES

REALIZADO POR:

SALVADOR HIERREZUELO CRESPILLO

DIRIGIDO POR:

EDUARDO CASILARI PÉREZ

Dpto. Tecnología ElectrónicaDpto. Tecnología Electrónica

E.T.S.I. TelecomunicaciónE.T.S.I. Telecomunicación

Universidad de MálagaUniversidad de Málaga Julio de 2004Julio de 2004

ContenidosContenidos Objetivos

Introducción

Las tecnologías GPRS y EGPRS

La calidad de servicio en las redes celulares

Herramientas para la evaluación del rendimiento

La herramienta GTM

Pruebas de campo en redes celulares de datos

Conclusiones y líneas futuras

Demostración de la herramienta GTM

ObjetivosObjetivos

Estudio de los procedimientos actuales para la toma de medidas del rendimiento de la red celular de datos

Evaluación la experiencia del usuario final con servicios de datos en redes GPRS y EGPRS

Desarrollo de una herramienta software con capacidad multiterminal para evaluar la experiencia del usuario al compartir los recursos con otros usuarios en la misma celda.

IntroducciónIntroducción

•La telefonía celular es una de las áreas de las telecomunicaciones de crecimiento más rápido.

•Se estima que habrá 1000 millones de usuarios a finales de 2005.

•Motivos:

- Avances en la tecnología

- Oportunidades de negocio

- Bajada de precios

• Los usuarios demandan nuevos servicios, sobre todo de datos.

•Aparecen nuevas tecnologías como GPRS, EGPRS y UMTS.

La Tecnología GPRSLa Tecnología GPRS

•Es un servicio portador para GSM que mejora y simplifica el acceso inalámbrico a redes de datos como Internet.

•Permite una asignación de recursos radio dinámica.

•Posibilita la introducción de calidad de servicio en la red.

•Permite tiempos de accesos más cortos y mayores tasas de datos.

•La tarificación se basa en la cantidad de información transferida.

•Es importante como acercamiento a las redes 3G.

•No satisface todos los requisitos de calidad de servicio de ciertas aplicaciones.

La Arquitectura del Sistema GPRSLa Arquitectura del Sistema GPRS

EIR

SGSN

MSC/VLR

HLR

BTS BSC

BTS

BSC

BTS

GGSN

MS

MS

MS

BSSGb

Gb

SMS-GMSC

SMS-IWMSC Gd

GfGs

Gr

D

GGSNGc

Gn

Gp

Otras PLMNs GPRS

Gi PDN

SMS-GMSC: SMS-Gateway MSC Datos de usuario y señalización

SMS-IWMSC: SMS-Interworking MSC Señalización

Protocolos de GPRSProtocolos de GPRS•El servicio portador GPRS se basa en el concepto de contexto PDP (Policy Decision Point)

•El contexto PDP es esencialmente una conexión lógica entre la MS y el GGSN.

•Gracias al contexto PDP la MS se puede comunicar con redes externas.

•Cada contexto PDP está asociado con una dirección IP, una calidad de servicio y una dirección del GGSN.

CONTEXTO PDP

El Concepto de TBFEl Concepto de TBF•Un TBF (Temporary Block Flow) es una conexión temporal establecida entre la MS y la red para realizar transferencias unidireccionales de datos.

•Un TBF puede usar recursos radio en uno o más canales de datos.

•Los TBF son temporales; sólo se mantienen mientras dure la transferencia.

Codificación de CanalCodificación de Canal•Se usa para proteger los datos transmitidos frente a los errores.

•Según la calidad del canal se elige uno entre los cuatro esquemas de codificación o CS (Coding Schemes) definidos.

Coding Scheme Tasa del código

Tasa de datos [kbps]

CS-1 1 / 2 9,05

CS-2 ~2/3 13,4

CS-3 ~3/4 15,6

CS-4 1 21,4

EJEMPLO

•1 usuario con 8 TS y CS-4 171,2 kbps

•3 usuarios comparten 8 TS y CS-3 40 kbps por usuario

La Tecnología EGPRSLa Tecnología EGPRS•Es una mejora de GPRS que triplica las tasas de datos.

•Permite usar la modulación GMSK e introduce una nueva modulación: 8-PSK.

•Con 8-PSK se sacrifica sensibilidad para obtener una tasa binaria mayor.

•Debido a la menor sensibilidad, las tasas de datos más altas se pueden alcanzar con cobertura limitada.

•Nuevos esquemas de modulación y codificación

MCS Tasa del Código

Modulación Tasa de Datos por TS (kbps)

MCS-9 1.00 8-PSK 59.2

MCS-8 0.92 8-PSK 54.4

MCS-7 0.76 8-PSK 44.8

MCS-6 0.49 8-PSK 29.6

MCS-5 0.37 8-PSK 22.4

MCS-4 1.00 GMSK 17.6

MCS-3 0.80 GMSK 14.8

MCS-2 0.66 GMSK 11.2

MCS-1 0.53 GMSK 8.8

La Calidad de Servicio en las La Calidad de Servicio en las Redes CelularesRedes Celulares

•Motivada por la diversidad de requerimientos de los servicios de datos y las limitaciones del interfaz radio.

•Los paquetes de un servicio dado se tratan en relación a las características fundamentales de ese servicio.

•La evolución de la gestión de la calidad de servicio implica cambios en la arquitectura de la red.

•La mayoría de las redes actuales implementan el primer estándar que se distribuyó, Release 97, que especifica unos pocos atributos de calidad de servicio: precedencia, retardo, fiabilidad y throughput.

•Los requerimientos de QoS de la aplicación se proyectan en determinados perfiles de QoS GRPS, que se negocian en el procedimiento de activación del contexto PDP.

Herramientas para la Evaluación del Herramientas para la Evaluación del Rendimiento (1/2)Rendimiento (1/2)

XM Services

•Herramienta concebida inicialmente para facilitar las pruebas de campo.

•Permite lanzar automáticamente una serie de servicios desde el ordenador de forma similar a como lo haría un usuario convencional y medir los estadísticos más importantes.

•Ha evolucionado a una herramienta de monitorización de la red.

Network Monitor•Aplicación que se ejecuta en el terminal móvil que permite modificar algunos parámetros de su funcionamiento.

•Permite mostrar información relacionada con el funcionamiento del terminal en tiempo real.

•Especialmente interesante resulta la capacidad que ofrece para realizar cell barring y bloqueo de celda.

Herramientas para la Evaluación del Herramientas para la Evaluación del Rendimiento (2/2)Rendimiento (2/2)

Generador de Tráfico Multiterminal (GTM)

•Permite generar una carga determinada, mezcla de Ping, FTP y HTTP y emular el comportamiento de múltiples usuarios.

CELDA

Estación base •Permite realizar pruebas de campo situando la celda en unas determinadas condiciones de carga mediante la gestión de múltiples terminales.

•Definición de perfiles de usuario

•Independiente de la tecnología usada.

•Capaz de informar de la experiencia del usuario final.

•Puede usar cualquier forma de conexión a Internet

•Los resultados más importantes de cada servicio

Diseño de GTMDiseño de GTM

•Modularidad y máxima separación entre la interfaz gráfica y la parte de control de la aplicación

•Fácil sustitución de la interfaz gráfica

•Es posible incluir una interfaz gráfica remota

•Fácilmente extensible para implementar otros servicios

guiINTERFAZ GRÁFICA

PARTE DE CONTROL

router servicesservers

statisticsqueuesession

logusers agents

CoreController

Gestión de Múltiples Terminales (1/2)Gestión de Múltiples Terminales (1/2)La gestión de múltiples terminales es complicada porque:

•Hay que generar paquetes IP con dirección IP fuente de la conexión.

Especificar la dirección IP fuente a emplear al abrir cada socket.

•Los equipos enrutan siguiendo una tabla de enrutamiento estática.

Utilizar mecanismos de enrutamiento avanzado o introducir software en el terminal.

3 opciones para salvar la tabla de enrutamiento estática:

•Funciones de enrutamiento del kernel de Linux (iproute2)

•Programación de clientes en el terminal y comunicación serie

•Captura y reinyección de paquetes

Gestión de Múltiples Terminales (2/2)Gestión de Múltiples Terminales (2/2)La solución de GTM

•CREAR MÚLTIPLES TABLAS

DE ENRUTAMIENTO

IP FUENTE= IP 1 TABLA 1IP FUENTE= IP 2 TABLA 2IP FUENTE= IP 3 TABLA 3IP FUENTE= IP 4 TABLA 4OTRAS REGLAS CLÁSICAS

•CREAR REGLAS EN LA TABLA DE ENRUTAMIENTO PRINCIPAL QUE APUNTEN A CADA UNA DE LAS OTRAS TABLAS

•AÑADIR A CADA TABLA LAS REGLAS ADECUADAS

(Se diferencia entre interfaces PPP e interfaces ETHERNET)

SALIDA POR DEFECTO:

INTERFAZ DE LADIRECCIÓN IP 1

TABLA 1EJEMPLO:

•RECOGER TODAS LAS DIRECCIONES

IP DISPONIBLES EN EL SISTEMA

DIRECCIÓN IP 2

DIRECCIÓN IP 3

DIRECCIÓN IP 4

DIRECCIÓN IP 1

Pruebas de Campo (1/7)Pruebas de Campo (1/7)1- Caracterización de un KPI de throughput por TS (1/3)

•No resulta sencillo conocer la experiencia del usuario a partir de los contadores de la NMS.

•Se definen KPI mediante operaciones sobre los contadores de la NMS.

•Surge la necesidad de verificar que un KPI es en realidad un buen indicador.

•Se medirá el throughput por TS y se relacionará con el throughput a nivel de aplicación para comprobar que es un buen indicador.

CELL BARRINGCELL BLOCKING

LANZAMIENTODE SERVICIOS

MEDIDAS A NIVELDE APLICACIÓN

CÁLCULO DELKPI A PARTIR DE

LA NMS

ESTIMACIÓN DELTHROUGHPUT A

PARTIR DELCALCULADO CONLOS CONTADORES

DE LA NMS

COMPARACIÓN ENTRE MEDIDAS Y

ESTIMACIONES

PROPOSICIÓN DE NUEVAS FÓRMULAS PARA EL

CÁLCULO DEL KPI O LAESTIMACIÓN DEL THROUGHPUT

Pruebas de Campo (2/7)Pruebas de Campo (2/7)1- Caracterización de un KPI de throughput por TS (2/3)

•Resultados obtenidos (kbps):

Prueba Thr. Aplic. DL Thr. Aplic. UL Thr. Est. DL Thr. Est. UL Thr. RLC DL Thr. RLC UL

1 x FTP DL 30.49 - 30.97 - 34.17 -

1 x FTP UL - 20.34 - 20.40 - 21.82

2 x FTP DL

1 x FTP UL

30.53 (medio) 20.03 30.63 16.22 33.75 17.16

1 x FTP DL

15 PINGS

30.25 - 31.00 - 34.20 -

3 x FTP UL - 19.55 (medio) - 20.94 - 22.42

•Conclusiones:

-Buenos resultados de la estimación.

-La elevada proporción de señalización, debida a los ACK, desvirtúa el KPI en UL (3ª prueba).

-Es necesario modificar la fórmula del KPI para el UL. Se proponen dos opciones:

-Eliminar la señalización de la fórmula Poco realista, se obtiene la capacidad del canal. Sólo considera retransmisiones.

-Datos RLC por duración de TBF en UL.

Pruebas de Campo (3/7)Pruebas de Campo (3/7)1- Caracterización de un KPI de throughput por TS (3/3)•Resultados obtenidos para el UL contabilizando datos por duración de TBF (kbps):

Prueba Thr. Aplic. UL Thr. Est. UL Thr. RLC UL

1 x FTP UL 20.34 19.55 20.86

2 x FTP DL

1 x FTP UL

20.03 20.01 21.37

3 x FTP UL 19.55 (medio) 20.54 21.97

• Es posible obtener desde la red indicadores que reflejen la experiencia de usuario para FTP.

•Gran variabilidad de los indicadores según se midan.

•Cada servicio tiene sus propios indicadores de rendimiento: throughput, retardo, jitter...

•No es posible obtener información desde la red de la experiencia del usuario para todos los servicios.

•Necesidad de herramientas que evalúen la experiencia del usuario final.

Pruebas de Campo (4/7)Pruebas de Campo (4/7)2- Rendimiento de una red (E)GPRS (1/2)

FTP (enlace descendente)

0

1020

30

40

5060

70

8090

100

EDGE GPRS EDGE GPRS EDGE GPRS

Ta

sa d

e b

its

(K

bp

s)

Maximo

Media

Minimo

Desviacion Std.

RxLev -65dBm RxLev -85dBm RxLev -99dBm

•EDGE ofrece tasas de datos visiblemente superiores

•GPRS se ve menos afectado por los cambios de nivel de señal

•EGPRS se adapta mejor al canal

•Efectos inesperados por obviar la interferencia en el análisis (entorno rural)

PRUEBASESTÁTICAS

•EDGE presenta mayores retardos para tamaño de paquete pequeño y mediano, no así para paquetes de tamaño grande donde la capacidad del interfaz radio supone una clara ventaja.

•El retardo para EDGE es mayor debido a que se hizo un despliegue parcial de EDGE (se usan canales de señalización de GPRS).

•Se han realizado medidas de retardo (ping) y de rendimiento de HTTP:

Pruebas de Campo (5/7)Pruebas de Campo (5/7)2- Rendimiento de una red (E)GPRS (2/2)

•Se aprecia el cambio de celda por los descensos de la tasa binaria y su comportamiento posterior.

•El móvil pasa de funcionar en modo EDGE a modo GPRS y viceversa.

•La tasa binaria que ofrece EDGE es muy superior a la que ofrece GPRS.

•La tasa binaria EDGE es más sensible a errores que la de GPRS, el algoritmo de adaptación del enlace interviene constantemente.

•La tasa binaria de GPRS se mantiene aproximadamente constante.

PRUEBASDINÁMICAS

Tasa de bits en el enlace ascendente (512 KB)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10:58:48 10:59:31 11:00:14 11:00:58 11:01:41 11:02:24

Tiempo

Th

rou

gh

pu

t (k

bp

s)

Tasa de bits instantanea

Tasa de bits media

Cambio de celda

Silencio debido a mala señal

Tasa de bits en el enlace descendente (1MB)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

21:04:19 21:05:02 21:05:46 21:06:29 21:07:12 21:07:55

Tiempo

Ta

sa

de

bit

s (

kb

ps

)

Tasa de bits InstantaneoTasa de bits media

Cambio de celda

Pruebas de Campo (6/7)Pruebas de Campo (6/7)3- Rendimiento de una red GPRS con múltiples usuarios (1/2)

05000

1000015000200002500030000350004000045000

1 2 3 4 5 6

Número de usuarios

Th

rou

gh

pu

t (b

ps)

0

20

40

60

80

100

%

Throughput (bps) Porcentaje de éxito

Ventana del receptor 64 Kbytes

•Herramienta usada: GTM

•Descargas de ficheros de 300 KB

•No se realizó cell barring

EFECTO INESPERADO: El throughput aumenta con el número de usuarios y el porcentaje de éxito en la transferencia decrece notablemente.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

1 2 3 4 5

Número de usuarios

Th

rou

gh

pu

t (b

ps)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%

Throughput (bps) Porcentaje de éxito

Ventana del receptor 32 Kbytes

MOTIVO: Debido a la multiplexación de usuarios el throughput decrece demasiado. Las retransmisiones TCP tardan demasiado tiempo en llegar.

REDUCIR VENTANA DEL RECEPTOR TCP

Decreciente K / nº_usuarios

Pruebas de Campo (7/7)Pruebas de Campo (7/7)3- Rendimiento de una red GPRS con múltiples usuarios (2/2)

•Herramienta usada: GTM

•Descargas de páginas de 58 Kbytes

•No se realizó cell barring

02000400060008000

1000012000140001600018000

1 2 3

Número de usuarios

Th

rou

gh

pu

t (b

ps)

84

86

88

90

92

94

96

98

100

%

Throughput (bps) (3 conex) Throughput (bps) (6 conex)

Porcentaje de éxito (3 conex) Porcentaje de éxito (6 conex)

•Se aprecia un mayor rendimiento aumentando el número de conexiones TPC para la descarga de objetos.

•No decrece el rendimiento igual que en el caso de FTP:

- Existencia de periodos de poca transferencia de datos debido a los establecimientos de las conexiones TCP.

- Objetos descargados de tamaño pequeño por lo que el slow start tiene relevancia.

Ventana del receptor 32 Kbytes

CONCEPTO DE MULTIPLEXACIÓN ESTADÍSTICA

ConclusionesConclusiones

La evaluación del rendimiento de los servicios de datos se presenta como uno de los grandes retos en el despliegue y mantenimiento de las redes.

La utilización de herramientas es un factor clave de eficiencia, sobre todo con la inclusión de nuevos servicios con requerimientos de calidad más exigentes.

Se ha desarrollado una herramienta software que emula el comportamiento de usuarios en una celda gracias a la gestión simultánea de múltiples terminales. También permite la recolección de medidas a nivel de aplicación.

Se ha realizado un estudio acerca de cómo llevar a cabo la toma de medidas en las redes celulares y su posterior análisis.

Artículo enviado a TELECOM I+D 2004: “Generador de tráfico multiterminal para evaluación del rendimiento de servicios de datos en redes celulares”.

Líneas futurasLíneas futuras

El lanzamiento de nuevos servicios con la implementación de nuevos estándares de calidad de servicio llevará a una actualización de las herramientas de medida.

Inclusión de nuevos servicios en la herramienta GTM: streaming, MMS, PoC...

Validación de los modelos de usuario empleados en GTM e inclusión de otros nuevos.