Proyecto Fin de Carrera

1. REALIZADO POR: SALVADOR HIERREZUELO CRESPILLO DIRIGIDO POR: EDUARDO CASILARI PÉREZ Proyecto Fin de Carrera ESTUDIO DE LA CALIDAD DE SERVICIO OFRECIDA A SERVICIOS DE DATOS EN REDES CELULARES Dpto. Tecnología Electrónica E.T.S.I. Telecomunicación Universidad de Málaga Julio de 2004

2. 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

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. La Arquitectura del Sistema GPRS Otras PLMNs GPRS SMS-GMSC SMS-IWMSC Gd BSS GGSN Gp Gb MS BSC BTS SGSN Gn Gb BSC Gf Gr GGSN Gi Gs Gc PDN MS BTS MS BTS D HLR EIR MSC/VLR SMS-GMSC: SMS-Gateway MSC Datos de usuario y señalización SMS-IWMSC: SMS-Interworking MSC Señalización

7. 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

8. 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. • EJEMPLO • 1 usuario con 8 TS y CS-4  171,2 kbps • 3 usuarios comparten 8 TS y CS-3  40 kbps por usuario 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.

9. 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

10. 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.

11. 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 (1/2)

12. Permite realizar pruebas de campo situando la celda en unas determinadas condiciones de carga mediante la gestión de múltiples terminales. Estación base CELDA • Definición de perfiles de usuario • Puede usar cualquier forma de conexión a Internet • Los resultados más importantes de cada servicio Herramientas para la Evaluación del 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. • Independiente de la tecnología usada. • Capaz de informar de la experiencia del usuario final.

13. Diseño de GTM gui INTERFAZ GRÁFICA CoreController PARTE DE CONTROL 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

14. Especificar la dirección IP fuente a emplear al abrir cada socket. 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 (1/2) La gestión de múltiples terminales es complicada porque: • Hay que generar paquetes IP con dirección IP fuente de la conexión. • Los equipos enrutan siguiendo una tabla de enrutamiento estática.

15. DIRECCIÓN IP 1 DIRECCIÓN IP 2 DIRECCIÓN IP 3 DIRECCIÓN IP 4 • RECOGER TODAS LAS DIRECCIONES • IP DISPONIBLES EN EL SISTEMA • CREAR MÚLTIPLES TABLAS • DE ENRUTAMIENTO 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 EJEMPLO: TABLA 1 SALIDA POR DEFECTO: INTERFAZ DE LA DIRECCIÓN IP 1 • 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) Gestión de Múltiples Terminales (2/2) La solución de GTM

16. 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 ESTIMACIÓN DEL THROUGHPUT A PARTIR DEL CALCULADO CON LOS CONTADORES DE LA NMS CÁLCULO DEL KPI A PARTIR DE LA NMS 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

17. Pruebas de Campo (2/7) 1- Caracterización de un KPI de throughput por TS (2/3) • Resultados obtenidos (kbps): • 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.

18. 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): • 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.

19. Pruebas de Campo (4/7) 2- Rendimiento de una red (E)GPRS (1/2) PRUEBAS ESTÁTICAS FTP (enlace descendente) • 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) 100 90 80 70 Maximo 60 Media Tasa de bits (Kbps) 50 Minimo 40 Desviacion Std. 30 20 10 0 EDGE GPRS EDGE GPRS EDGE GPRS RxLev -85dBm RxLev -99dBm RxLev -65dBm • 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).

20. Pruebas de Campo (5/7) 2- Rendimiento de una red (E)GPRS (2/2) PRUEBAS DINÁMICAS • 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.

21. Decreciente K / nº_usuarios 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. 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 • No se realizó cell barring Ventana del receptor 64 Kbytes

22. 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 • 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

23. 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”.

24. 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.