Transcript Proyecto Fin de Carrera ESTUDIO DE LA CALIDAD DE SERVICIO OFRECIDA A SERVICIOS DE DATOS EN REDES CELULARES REALIZADO POR: DIRIGIDO POR: SALVADOR HIERREZUELO CRESPILLO EDUARDO CASILARI.

Proyecto Fin de Carrera
ESTUDIO DE LA CALIDAD DE SERVICIO
OFRECIDA A SERVICIOS DE DATOS EN
REDES CELULARES
REALIZADO POR:
DIRIGIDO POR:
SALVADOR HIERREZUELO CRESPILLO
EDUARDO CASILARI PÉREZ
Dpto. Tecnología Electrónica
E.T.S.I. Telecomunicación
Universidad de Málaga
Julio de 2004
Contenidos
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
Objetivos
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.
Introducción
•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 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 GPRS
Otras
PLMNs
GPRS
SMS-GMSC
SMS-IWMSC
Gd
BSS
MS
BSC
BTS
GGSN
Gp
Gb
SGSN
Gn
Gb
BSC
Gf
Gr
Gs
MS
Gc
GGSN
BTS
MS
BTS
D
HLR
EIR
MSC/VLR
SMS-GMSC: SMS-Gateway MSC
Datos de usuario y señalización
SMS-IWMSC: SMS-Interworking MSC
Señalización
Gi
PDN
Protocolos 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 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 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 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
Redes 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
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
Rendimiento (2/2)
Generador de Tráfico Multiterminal (GTM)
Estación base •Permite realizar pruebas de campo
CELDA
•Permite generar una
carga determinada,
mezcla de Ping, FTP
y HTTP y emular el
comportamiento de
múltiples usuarios.
•Definición de
perfiles de
usuario
•Independiente de la
tecnología usada.
•Puede usar
cualquier forma
de conexión a
Internet
•Capaz de informar
de la experiencia del
usuario final.
•Los resultados
más importantes
de cada servicio
situando la celda en unas determinadas
condiciones de carga mediante la gestión
de múltiples terminales.
Diseño de GTM
INTERFAZ
GRÁFICA
gui
PARTE DE
CONTROL
CoreController
users
agents
log
session
queue
statistics
servers
router
services
•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
Gestión de Múltiples Terminales (1/2)
La gestión de múltiples terminales es complicada porque:
Especificar la dirección IP
fuente a emplear al abrir
cada socket.
•Hay que generar paquetes IP
con dirección IP fuente de la
conexión.
•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)
La solución de GTM
DIRECCIÓN IP 1
DIRECCIÓN IP 2
DIRECCIÓN IP 3
DIRECCIÓN IP 4
•RECOGER TODAS LAS DIRECCIONES
•CREAR MÚLTIPLES TABLAS
IP DISPONIBLES EN EL SISTEMA
DE ENRUTAMIENTO
EJEMPLO:
TABLA 1
IP FUENTE= IP 1  TABLA 1
IP FUENTE= IP 2  TABLA 2
IP FUENTE= IP 3  TABLA 3
IP FUENTE= IP 4  TABLA 4
OTRAS REGLAS CLÁSICAS
•CREAR REGLAS EN LA TABLA DE
ENRUTAMIENTO PRINCIPAL QUE
APUNTEN A CADA UNA DE LAS OTRAS
TABLAS
SALIDA POR
DEFECTO:
INTERFAZ DE LA
DIRECCIÓN IP 1
•AÑADIR A CADA TABLA LAS
REGLAS ADECUADAS
(Se diferencia entre interfaces
PPP e interfaces ETHERNET)
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 BARRING
CELL BLOCKING
PROPOSICIÓN DE NUEVAS
FÓRMULAS PARA EL
CÁLCULO DEL KPI O LA
ESTIMACIÓN DEL THROUGHPUT
LANZAMIENTO
DE SERVICIOS
COMPARACIÓN ENTRE
MEDIDAS Y
ESTIMACIONES
MEDIDAS A NIVEL
DE APLICACIÓN
CÁLCULO DEL
KPI A PARTIR DE
LA NMS
ESTIMACIÓN DEL
THROUGHPUT A
PARTIR DEL
CALCULADO CON
LOS CONTADORES
DE LA NMS
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)
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)
2- Rendimiento de una red (E)GPRS (1/2)
Tasa de bits (Kbps)
FTP (enlace descendente)
PRUEBAS
ESTÁTICAS
•EDGE ofrece tasas de datos
visiblemente superiores
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Maximo
Media
Minimo
Desviacion Std.
EDGE
GPRS
RxLev -65dBm
EDGE
GPRS
RxLev -85dBm
EDGE
GPRS
RxLev -99dBm
•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)
•Se han realizado medidas de retardo (ping) y de rendimiento de HTTP:
•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).
Pruebas de Campo (5/7)
2- Rendimiento de una red (E)GPRS (2/2)
Tasa de bits en el enlace descendente (1MB)
PRUEBAS
DINÁMICAS
100
Tasa de bits (kbps)
90
•Se aprecia el cambio de celda por los
descensos de la tasa binaria y su
comportamiento posterior.
80
Cambio de celda
70
60
50
•El móvil pasa de funcionar en modo
EDGE a modo GPRS y viceversa.
40
30
20
•La tasa binaria que ofrece EDGE es
muy superior a la que ofrece GPRS.
10
0
21:04:19
21:05:02
21:05:46
21:06:29
Tiempo
21:07:12
21:07:55
Tasa de bits Instantaneo
Tasa de bits media
Tasa de bits en el enlace ascendente (512 KB)
80
Throughput (kbps)
70
Silencio debido a
mala señal
60
•La tasa binaria de GPRS se mantiene
aproximadamente constante.
Cambio de celda
50
40
30
20
10
0
10:58:48
10:59:31
11:00:14
11:00:58
Tiempo
•La tasa binaria EDGE es más sensible
a errores que la de GPRS, el algoritmo
de adaptación del enlace interviene
constantemente.
11:01:41
11:02:24
Tasa de bits instantanea
Tasa de bits media
Pruebas de Campo (6/7)
3- Rendimiento de una red GPRS con múltiples usuarios (1/2)
•Herramienta usada: GTM
•Descargas de ficheros de 300 KB
Decreciente K / nº_usuarios
100
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
Núm ero de usuarios
Throughput (bps)
Porcentaje de éxito
Ventana del receptor 64 Kbytes
Throughput (bps)
80
45000
100
40000
90
35000
80
70
30000
60
25000
50
20000
40
15000
10000
30
20
5000
10
0
0
1
2
3
4
5
Número de usuarios
Throughput (bps)
Porcentaje de éxito
Ventana del receptor 32 Kbytes
REDUCIR VENTANA DEL
RECEPTOR TCP
EFECTO INESPERADO: El throughput
aumenta con el número de usuarios y el
porcentaje de éxito en la transferencia decrece
notablemente.
MOTIVO: Debido a la multiplexación de
usuarios el throughput decrece demasiado.
Las retransmisiones TCP tardan demasiado
tiempo en llegar.
%
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
%
Throughput (bps)
•No se realizó cell barring
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
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
•Se aprecia un mayor rendimiento
aumentando el número de conexiones
TPC para la descarga de objetos.
100
98
96
94
92
%
Throughput (bps)
•No se realizó cell barring
•No decrece el rendimiento igual que
en el caso de FTP:
90
88
86
84
1
2
3
- Existencia de periodos de poca
transferencia de datos debido a los
establecimientos de las conexiones
TCP.
Núm ero de usuarios
Throughput (bps) (3 conex)
Throughput (bps) (6 conex)
Porcentaje de éxito (3 conex)
Porcentaje de éxito (6 conex)
- Objetos descargados de tamaño
pequeño por lo que el slow start tiene
relevancia.
Ventana del receptor 32 Kbytes
CONCEPTO DE MULTIPLEXACIÓN ESTADÍSTICA
Conclusiones
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 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.