Contribuciones a la gestión de los recursos radio en redes móviles celulares de radio paquetes con soporte de calidad de servicio

Programa de doctorado ’Tecnolog´ıa de las Telecomunicaciones’ Departamento de Se˜nales y Comunicaciones UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA TESIS DOCTORAL Contribuciones a la gesti´on de los recursos radio en redes m´oviles celulares de radio paquetes con soporte de calidad de servicio Octubre 2011 Las Palmas de Gran Canaria Autor: Carlos M. Ram´ırez Casa˜nas Director: Josep Paradells Aspas Codirector: Rafael P´erez Jim´enez A Irene, Sof´ıa y Victoria A mis padres y a mi hermana A mi abuelo materno Manuel Agradecimientos Desde estas l´ıneas quiero agradecer, de forma muy sincera y especial por su gu´ıa y su dedicaci´on, a mi director de tesis Josep Paradells. Tambi´en quiero agradecer al codirector de la tesis Rafael P´erez por su total apoyo. Quiero destacar y agradecer a Sonia P. Mansilla por su tiempo y su colaboraci´on, esenciales para ver de lo particular lo general. Por ´ultimo, desde aqu´ı agradecer a todos los amigos y compa˜neros del Departamento de Ingenier´ıa Telem´atica de la Universidad Polit´ecnica de Catalu˜na, del Departamento de Ingenier´ıa Telem´atica y del Departamento de Se˜nales y Comunicaciones de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria que he conocido a lo largo de este tiempo y que han hecho que esto haya valido a´un m´as la pena. ´ Indice general 1. Introducci´on 15 1.1. Motivaci´on............................. 15 1.2. Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos . 16 1.2.1. Sistemas celulares de segunda y tercera generaci´on . . . 17 1.2.2. M´as all´a de la tercera generaci´on de redes m´oviles, 3.5G y4G............................ 21 1.2.3. Interfazradio ....................... 23 1.2.4. Introducci´on a la calidad de servicio en redes celulares 29 1.2.5. Mecanismos de soporte a la calidad de servicio en redes celulares.......................... 34 1.3. Objetivos de la presente tesis doctoral . . . . . . . . . . . . . 43 2. Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos 45 2.1. Introducci´on............................ 45 2.2. La asignaci´on de los recursos radio en las redes m´oviles celulares 46 2.2.1. Fundamentos de la asignaci´on de los recursos radio . . 52 2.2.2. Modelos de asignaci´on de canales . . . . . . . . . . . . 53 2.3. Trabajos anteriores acerca de los m´etodos de asignaci´on de canales............................... 56 2.4. Criterios de calidad de servicio y reglas de dimensionado . . . 59 2.4.1. Conceptos de ingenier´ıa de tr´afico . . . . . . . . . . . . 59 2.4.2. Modelos de colas y caracterizaci´on del sistema m´ovil celular........................... 60 2.5. Conclusiones............................ 65 3. Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE 67 3.1. Introducci´on............................ 67 3.2. Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas . . . . . . . . . 68 8´ INDICE GENERAL 3.2.1. An´alisis del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.2. Concepto de r´afagas: programaci´on y an´alisis . . . . . . 73 3.3. Esquema de asignaci´on repacking . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.3.1. Modelo repacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.3.2. Resultados......................... 86 3.4. Conclusiones............................ 88 4. Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE 91 4.1. Introducci´on............................ 91 4.2. Reserva de recursos radio en EDGE . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.2.1. Esquema de asignaci´on de recursos compartida con reserva para tr´afico de voz . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.2.2. Modelo anal´ıtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.3. Resoluci´on del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.4. Medidas de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.5. Esquema de asignaci´on de recursos compartida con reserva para tr´afico de datos . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.3. Conclusiones............................106 5. Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE 109 5.1. Introducci´on............................109 5.2. Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering . . 110 5.2.1. Modelo anal´ıtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.2. Resoluci´on del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.3. Medidas de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.3. Conclusiones............................126 6. Conclusiones y l´ıneas futuras 129 6.1. Conclusiones............................129 6.2. L´ıneas futuras de investigaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 ´ Indice de figuras 1.1. Capas y subcapas de la interfaz radio . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2. Elementos de QoS en el equipo terminal . . . . . . . . . . . . 39 2.1. Funciones del Controlador de Red Radio . . . . . . . . . . . . 49 2.2. Interacci´on para la gesti´on de recursos radio com´un . . . . . . 51 2.3. Asignaci´on de canales mediante repositorios . . . . . . . . . . 53 2.4. M´etodo de repacking ....................... 54 2.5. Asignaci´on de canales mediante un ´unico repositorio . . . . . . 55 2.6. Asignaci´on recursos de voz GSM y datos GPRS (Ni and H¨aggman) 57 2.7. Cadena de Markov binomial para dos clases de tr´afico . . . . . 62 2.8. Cadena de Markov para un proceso IRP . . . . . . . . . . . . 63 2.9. Cadena de Markov unidimensional para un proceso NIRP . . . 64 3.1. Situaci´on moment´anea de imposibilidad de capacidad multislot para tr´afico de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2. Ejemplo de asignaci´on de time-slots . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3. Diagrama de transici´on para el estado 5 con 8 time-slots . . . 72 3.4. Probabilidades de encontrar estados con una probabilidad de bloqueodel1%.......................... 73 3.5. Probabilidades de encontrar estados con probabilidad de bloqueodel2%............................ 74 3.6. Estado 2 con r´afagas de 6 y 1 time-slots libres consecutivos . . 75 3.7. Probabilidad de encontrar r´afagas con probabilidad de bloqueo del1%............................... 76 3.8. Probabilidad de encontrar r´afagas con probabilidad de bloqueo del2%............................... 77 3.9. Diferencia entre tasas de pico con probabilidad de bloqueo del 1%frenteal2% ......................... 78 16 Introducci´on Data rates for GSM Evolution)[3GPP GERAN (2004)] que formando parte de la tercera generaci´on de los sistemas m´oviles celulares y, en particular, dentro del est´andar UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)[UMTS ETSI (1997)] consigue tasas de pico por encima de 144 Kbits/s en un amplio escenario de cobertura y hasta tasas m´aximas de 384Kbits/s en ambientes m´oviles cercanos. En el caso del propio sistema UMTS se logran tasas de 2Mbits/s en escenarios interiores. Estos sistemas han significado un proceso de extensi´on y de desarrollo de los sistemas celulares existentes. La ventaja de este proceso de evoluci´on es la r´apida disponibilidad de los servicios que ya se utilizaban en los sistemas de segunda generaci´on, adem´as de proporcionar la oportunidad de preparar a los usuarios para los nuevos servicios de la tercera y cuarta generaci´on. 1.2. Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos Los servicios de comunicaciones personales que incluyen las redes m´oviles celulares de paquetes de datos, desde una perspectiva actual, se pueden abordar por su significado desde dos puntos de vista[Cheng et alt. (2008)] bien diferenciados. La primera visi´on es desde una perspectiva puramente tecnol´ogica diferenciando las caracter´ısticas m´as relevantes que distinguen una generaci´on de redes frente a otras as´ı como su desarrollo a lo largo de los ´ultimos a˜nos. La segunda perspectiva se utiliza bajo el paraguas que incluye varios servicios de acceso inal´ambrico y de movilidad personal con el objetivo ´ultimo de permitir a los usuarios comunicarse entre ellos libremente en cualquier lugar y a cualquier hora de acuerdo con sus necesidades (voz, datos, im´agenes y v´ıdeo). Atendiendo a la primera visi´on, la evoluci´on tecnol´ogica de las redes m´oviles, en concreto las redes celulares de paquetes de datos tienen su origen y desarrollo a partir de los a˜nos 90, por medio de la digitalizaci´on de la transmisi´on de las se˜nales vocales a trav´es de una red de transmisi´on digital que solo empleaba la conmutaci´on de circuitos (2G, Segunda Generaci´on de redes celulares). A partir de este tipo de redes m´oviles celulares se ha empezado a introducir la transmisi´on de servicios de datos b´asicos a bajas velocidades. La traslaci´on de las nuevas aplicaciones utilizadas por los usuarios desde las redes fijas de comunicaciones al entorno m´ovil, ha supuesto la necesidad del 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 17 transporte de datos con mayor intensidad que, con la incorporaci´on de un servicio propio para la transmisi´on de datos y utilizando la conmutaci´on de paquetes junto a una red troncal basada en el protocolo IP, hacen posible el transporte de datos de forma m´as eficiente. La evoluci´on desde la segunda generaci´on de redes m´oviles celulares hacia la tercera generaci´on (3G) ha ido de forma gradual a˜nadiendo nuevas funciones y posibilidades a las redes existentes. Esta evoluci´on comienza con la actualizaci´on de las redes de 2G a las denominadas redes 2.5G y a partir de ´estas a las actuales redes m´oviles. 1.2.1. Sistemas celulares de segunda y tercera generaci´on 1.2.1.1. Segunda generaci´on de sistemas m´oviles celulares La segunda generaci´on de redes m´oviles celulares (2G) se caracteriza fundamentalmente por la transmisi´on digital de la informaci´on por medio de la conmutaci´on de circuitos. De forma casi exclusiva est´a implementada para dar servicio de voz a´un pudiendo adem´as proporcionar servicio de transmisi´on de datos con tasas de hasta 9,6Kbps. Las redes de segunda generaci´on introducen nuevas bandas de frecuencia y multiplica el n´umero de usuarios que pod´ıa atenderse con respecto a sistemas de la primera generaci´on de redes m´oviles. Supuso la estandarizaci´on de forma global entre pa´ıses que garantizaba la compatibilidad entre los distintos operadores y regiones a trav´es de la itinerancia o roaming siempre que utilizaran la misma tecnolog´ıa est´andar. La incorporaci´on de las redes 2G, como por ejemplo GSM (Global System for Mobile Communications), signific´o hacer rentable los sistemas de comunicaciones m´oviles para los operadores, adem´as de utilizar protocolos de codificaci´on m´as sofisticados e incluir t´ecnicas de autenticaci´on para los mensajes, tanto de se˜nalizaci´on como de transmisi´on de la informaci´on de los usuarios, lo cual implicaba comunicaciones seguras frente a la primera generaci´on de redes m´oviles (1G). Las redes m´oviles celulares de segunda generaci´on, en funci´on de d´onde han sido implementadas y estandarizadas [Vriendt et alt. (2002)], se denominaron como: GSM (Global System for Mobile Communications) en Europa (conocida en Estados Unidos como PCS, Personal Communication Services), basada en la tecnolog´ıa de acceso TDMA (Time Division Multiple Ac- 18 Introducci´on cess) operando en 900 y 1800 MHz en Europa y en 1900 MHz en Am´erica. TDMA IS-54 tambi´en denominada DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) ´o ANSI-13 que posteriormente y con un desarrollo m´as amplio se denomin´o IS-136 ´o Digital PCS similar a GSM, se implant´o en Norteam´erica; por la propia denominaci´on utiliza la tecnolog´ıa de acceso TDMA y como principal caracter´ıstica se adapta al sistema AMPS conservando el mismo ancho de banda de los canales AMPS. Trabaja en frecuencias de 800 y 1900MHz. E-TDMA (Extended-TDMA) representa una extensi´on del TDMA IS136, usando como caracter´ıstica destacada con respecto al IS-54 que los time slots se asignan de forma din´amica de acuerdo con los requerimientos de servicio que se presenten en cada momento. CDMA IS-95 (tambi´en denominado cdmaOne ´o Narrowband-CDMA (N-CDMA)) lanzado comercialmente en Hong Kong y que opera en distintos pa´ıses de Sudam´erica, ´ Africa y Asia, incluye un sistema de 1,9GHz que opera en Estados Unidos. Caracterizado principalmente por utilizaci´on de celdas de radio peque˜no y la utilizaci´on de espectro ensanchado para proporcionar alta seguridad y calidad en la transmisi´on de la se˜nal. PDC (Personal Digital Communications), este sistema desarrollado en Jap´on utiliza una tecnolog´ıa de acceso TDMA que emplea pocos time slots para las comunicaciones de voz y tambi´en utilizado para la transmisi´on de datos con tasas de 9,6Kbps. La arquitectura de la red es muy similar a la de GSM. Opera con frecuencias de 900 y 1500MHz. 1.2.1.2. Generaci´on 2.5G, transici´on de la 2G a la 3G La ITU (International Telecommunication Union) defini´o un conjunto de requisitos para el desarrollo de las redes m´oviles hacia los sistemas de tercera generaci´on. El principal de estos requisitos fue el soporte para los servicios de datos con tasas por encima de los 144Kbps en entornos abiertos y de 2Mbps en entornos cerrados, as´ı mismo otros requisitos fueron el soporte eficiente del tr´afico asim´etrico y la transmisi´on por medio de la conmutaci´on de paquetes y la alta eficiencia del espectro. Atendiendo a estos requisitos, a partir de 1998 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 19 aparece y se desarrolla la generaci´on de sistemas m´oviles 2.5G ´o tambi´en denominada 2G+ de camino hacia la 3G. Estos sistemas se caracterizan por ofrecer capacidades adicionales a los sistemas de segunda generaci´on, tal es la utilizaci´on de la conmutaci´on de paquetes para el transporte de datos, adem´as de otras caracter´ısticas adicionales como la de optimizar el uso eficiente de los recursos radio. Asimismo la incorporaci´on de estos sistemas ha facilitado la utilizaci´on de Internet m´ovil. Estas redes m´oviles celulares han representado y representan la forma m´as adecuada de transitar entre la segunda y tercera generaci´on de redes m´oviles celulares. La incorporaci´on de los sistemas 2.5G en las operadoras europeas y de Estados Unidos comenzaron inicialmente a partir del a˜no 2001, en Jap´on el paso de la segunda generaci´on a la tercera fue directa. Estos sistemas 2.5G prestan servicios de voz y de datos as´ı como servicios de mensajer´ıa y tarificaci´on en funci´on del volumen de datos transmitidos. Como sistemas de la 2.5G se incluyen: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)[HSCSD ETSI (1997)] aparece como una mejora de los servicios de datos de la red GSM. Permite tasas de hasta 57,6Kbps pero al estar basada en la conmutaci´on de circuitos, de forma inherente, es ineficiente para el tr´afico a r´afagas. Este hecho unido a la pronta incorporaci´on de otras arquitecturas de red que utilizan la conmutaci´on de paquetes de datos, ha provocado que la mayor parte de los operadores hayan desistido de la implantaci´on de esta tecnolog´ıa en la pr´actica. GPRS (General Packet Radio Service) incorpora a la red GSM la conmutaci´on de paquetes para la transmisi´on de datos de forma eficiente. Manteniendo la estructura de trama, la modulaci´on de la interfaz radio y las bandas de frecuencia; se caracteriza por permitir el env´ıo y recepci´on de datos en cualquier momento, la mejora del uso de los recursos radio y la facturaci´on basada en el volumen de datos transmitidos. CDMA2000 que representa la evoluci´on de cdmaOne, se trata de una tecnolog´ıa de acceso CDMA multiportadora. La designaci´on 1xRTT (1 time Radio Transmission Technology) se utiliza para identificar la versi´on de la tecnolog´ıa CDMA2000 que opera con un par de canales de 1,25 MHz y casi duplica la capacidad de voz sobre las redes IS-95. Aunque capaz de soportar altas velocidades de datos, la mayor´ıa de desarrollos est´an limitados a una velocidad de pico de 144 kbits/s. 20 Introducci´on 1.2.1.3. Tercera generaci´on de sistemas m´oviles celulares La Uni´on Internacional de las Telecomunicaciones (ITU) defini´o por medio de la recomendaci´on ITU-R-M687-2 los sistemas de la tercera generaci´on de redes m´oviles (3G) o tambi´en denominados sistemas IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). Dicha recomendaci´on incluye aspectos que deben cubrir estos sistemas 3G como son: calidad de servicio, QoS, equiparable a la de las redes fijas, compatibilidad y adecuaci´on con los anteriores est´andares de generaciones anteriores, una arquitectura flexible, acceso a Internet por medio de los dispositivos m´oviles, una gesti´on eficiente de la red que incluya la reducci´on de costes, as´ı como una mejor oferta de servicios con respecto a las redes implantadas anteriormente. Adem´as de estas caracter´ısticas, se insiste en el hecho de que el acceso ha de ser posible en cualquier momento y lugar desde cualquier dispositivo. Los sistemas de tercera generaci´on IMT-2000 se pueden agrupar en cuatro categor´ıas en funci´on del tipo de tecnolog´ıa de acceso: TDMA. Dentro de esta tecnolog´ıa se incluye el sistema EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) que representa la evoluci´on y desarrollo de GSM e IS-136, tambi´en denominado como UWC-136 (Universal Wireless Communications - 136). Este sistema complementa, en lugares con densidad de abonados[H¨alonen et alt. (2002), Ramirez et alt. (2007)] peque˜na a UMTS utilizando la red de acceso radio GMS/EDGE Radio Access Network (GERAN). WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Dentro de esta tecnolog´ıa de acceso se incluye el sistema UMTS (CDMA2000, 3xRTT, en Estados Unidos) que proporciona mejoras considerables de QoS y de gesti´on eficiente de los recursos. TD-CDMA (Time Division - Code Division Multiple Access). Implica a aquellos sistemas que contienen el componente TDD (Time Division Duplex) de UMTS y el TD-SCDMA (Chinese Time DivisionSynchronous Code Division Multiple Access). FD-TDMA (Frequency Division - Time Division Multiple Access). Utilizado para el desarrollo de la telefon´ıa digital sin cables DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 21 El 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project)1se organiza en grupos espec´ıficos TSGs (Technical Specification Groups) que definen: el n´ucleo de la red, los aspectos relacionados con los servicios y los sistemas, la red de acceso radio (RAN, Radio Access Network) y los aspectos relacionados con los terminales m´oviles. 1.2.2. M´as all´a de la tercera generaci´on de redes m´oviles, 3.5G y 4G Actualmente las redes m´oviles correspondientes a la tercera generaci´on est´an en plena transici´on hacia redes cuyos principales objetivos se centran en tecnolog´ıas capaces de incrementar sus tasas de datos y la capacidad de transferencia de datos tanto para el enlace descendente como para el ascendente. En concreto el 3GPP introduce el est´andar High Speed Packet Access (HSPA)[3GPP HSPA (2007)] con dichos objetivos. La evoluci´on de este est´andar, denominado HSPA+, mejora el rendimiento de la red radio en t´erminos de eficiencia del espectro, tasas de pico y el retardo, as´ı mismo explota el potencial del modo de acceso WCDMA. Las modificaciones en este sentido se concretan en la utilizaci´on de antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output), un orden superior de modulaci´on para el enlace de subida (16QAM) y el de bajada (64QAM), mejoras de los protocolos de nivel 2 y la conectividad continua para la transferencia de los paquetes de datos. De esta forma se logra conseguir tasas desde 14 hasta 42 Mbits/s en el enlace de bajada y desde 5,8 hasta 11 Mbits/s en el enlace de subida. Con objeto de asegurar la evoluci´on de este tipo de redes con una tecnolog´ıa de acceso radio optimizada aparece el t´ermino Long Term Evolution, LTE,[3GPP LTE (2008), Bestak (2008)] y SAE (Service Architecture Evolution) para el n´ucleo de la red o red troncal, cuyo objetivo es nuevamente aumentar la capacidad y la tasa de transmisi´on de datos, la eficiencia del espectro, el bajo retardo, la interacci´on con los sistemas UTRAN/GERAN existentes y tambi´en aspectos relacionados con la reducci´on de los costes de instalaci´on y operaci´on de la red. LTE utiliza nuevos esquemas de acceso sobre la interfaz aire como es el esquema OFDMA (Orthogonal Frequency 1Organismo mundial para coordinar los esfuerzos entre los institutos de estandarizaci´on (ETSI en Europa, ARIB y TTC en Jap´on, TIA en Estados Unidos, CWTS en China y TTA en Corea ). Para el desarrollo de los est´andares del cdma2000 se constituy´o el 3GPP2 formado por los institutos ARIB, TTA y CWTS 22 Introducci´on Division Multiple Access) en el enlace de bajada y el SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) en el enlace de subida. Adem´as los esquemas MIMO forman una parte esencial de LTE. La cuarta generaci´on de redes m´oviles, 4G, est´a basada totalmente en la familia de protocolos TCP/IP y define la convergencia entre las redes fijas y las inal´ambricas con tasas de transmis´ı´on de datos por encima de los 100Mbits/s. Estas redes han de mantener una QoS extremo a extremo y una alta seguridad para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el m´ınimo coste posible. El Wireless World Research Forum (WWRF) define la cuarta generaci´on de redes como una red que opere con la tecnolog´ıa de Internet combin´andola con otros usos y tecnolog´ıas tales como Wireless Local Area Network, WLAN, y Mobile WiMAX, est´andar IEEE802.16e, que ha sido incluido bajo el paraguas de la IMT-2000 para ofrecer beneficios significativos a la comunidad m´ovil y as´ı contribuir a la entrega global de servicios de Internet a bajo coste. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una tecnolog´ıa dentro de las conocidas como tecnolog´ıas de ´ultima milla, tambi´en conocidas como de bucle local. Una de sus caracter´ısticas primordiales es dar servicio de banda ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra ´optica por la baja densidad de poblaci´on presenta unos costes por usuario muy elevados (zonas aisladas y rurales). Por un lado, el est´andar IEEE 802.20, MBWA (Mobile Broadband Wireless Acces), est´andar dise˜nado para redes inal´ambricas de banda ancha basado en servicios IP m´ovil y que pretende ser una especificaci´on de la cuarta generaci´on de redes m´oviles, ha de especificar la capa f´ısica y la capa MAC de la interfaz aire basada en la conmutaci´on de paquetes y optimizada para el transporte IP. Por otro lado, las redes inal´ambricas Mesh, tambi´en denominadas redes acopladas o redes malladas, son aquellas redes en las que se mezclan las dos topolog´ıas de las redes inal´ambricas: la topolog´ıa ad-hoc y la topolog´ıa de infraestructura. Estas redes utilizan la topolog´ıa de infraestructura b´asicamente para agregar dispositivos que, a pesar de estar fuera del rango de cobertura de los puntos de acceso, est´an dentro del rango de cobertura de alguna tarjeta de red que directamente o indirectamente est´a dentro del rango de cobertura de un punto de acceso. Permiten que las interfaces de red se comuniquen entre s´ı, independientemente del punto de acceso. La convergencia de estas tecnolog´ıas y la posibilidad de comunicaci´on eficiente entre ellas, en un entorno m´ovil IP, representa el objetivo principal de la cuarta generaci´on de las redes de comunicaciones. 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 23 1.2.3. Interfaz radio La definici´on de una interfaz radio en un entorno de redes m´oviles es un proceso iterativo [Prasad et alt. V1 (2009)], tanto por consideraciones t´ecnicas puras como por su regulaci´on u otras decisiones y restricciones de otra ´ındole. El dise˜no de la interfaz radio es un problema multidimensional que depende, en cada caso, de distintos factores como son: el escenario f´ısico y el canal radio, los requisitos de las aplicaciones, las capacidades de los terminales, la carga real de tr´afico y el perfil de los abonados. Es por esto que se hace necesario el estudio de las condiciones f´ısicas definidas por la informaci´on del estado del canal para la mejor explotaci´on de los recursos radio, as´ı como el modo de operaci´on ´optimo de los terminales de usuario, el tama˜no del ´area de cobertura, la capacidad que puede proporcionarse a los usuarios conectados a la red, los requisitos de las aplicaciones en t´erminos de la demanda en tiempo real y las tasas de bits, es decir, requerimientos espec´ıficos de calidad de servicio. La interfaz radio se modela por medio de una pila de protocolos que consta de varias capas y subcapas (Figura 1.1): 1. Capa F´ısica (PHY, Physical layer): dedicada al procesado de las se˜nales de radiofrecuencia, la modulaci´on/demodulaci´on, el multiplexado/demultiplexado, la sincronizaci´on temporal y frecuencial, la macrodiversidad y el traspaso, as´ı como el control de potencia. 2. Subcapa de Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Access Control): centrada en el canal de acceso, la resoluci´on de la contenci´on de acceso al medio, el multiplexado de los canales l´ogicos, el mapeado de los canales l´ogicos y los canales de transporte, la gesti´on de los flujos de datos de usuario. 3. Subcapa de Control de Enlace (RLC, Radio Link Control): se centra en aspectos como la segmentaci´on y el ensamblado de los paquetes de datos, la correcci´on de errores y el control de flujo. 4. Subcapa de Gesti´on de Recursos Radio (RRM, Radio Resource Management): analiza el control de los servicios ofrecidos por la capa de acceso al medio, gestiona los recursos radio de forma eficiente, establece, mantiene y libera el canal radio, as´ı como el control de la QoS en el que se incluyen los algoritmos de asignaci´on de recursos (planificaci´on o scheduling). 24 Introducci´on CM CM RRM MM RRM MM RRM RRM RLCRLC RLC RLC MAC MAC Canales lógicos Canales de Capa FísicaCapa Física Canales de transporte Plano de usuario Plano de usuario Plano de Control Plano de Control Figura 1.1: Capas y subcapas de la interfaz radio 5. Subcapa de Gesti´on de Movilidad (MM, Mobility Management): da soporte a la movilidad del usuario que no est´an relacionados con las funciones del canal radio, tambi´en realiza funciones de verificaci´on de identidad de terminal/usuario as´ı como procesos de autenticaci´on. 6. Subcapa de Gesti´on de Conexi´on (CM, Connection Management): establece, controla y finaliza la conexi´on, gestiona el encaminamiento de la llamada/sesi´on, tambi´en se ocupa de los procedimientos de adaptaci´on de la llamada a las caracter´ısticas de las redes a las que accede. Con la introducci´on de la fase 2G+ de GSM (2.5G), en concreto, con la 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 25 incorporaci´on de GPRS, se define e implementa una nueva arquitectura de los sistemas m´oviles celulares y las funciones b´asicas de la interfaz radio para el transporte de los paquetes de datos. As´ı, en [Brasche and Walke (1997)] y tambi´en en [Cai and Goodman (1997), Hoff et alt. (1998), Bettstetter (1999)] se realiza una descripci´on detallada de la nueva arquitectura, los servicios portadores y suplementarios, la calidad de servicio y sus par´ametros, la gesti´on de la movilidad, la gesti´on de la sesi´on y el encaminamiento. En la nueva arquitectura del sistema se incorporan los nodos SGSN (Serving GPRS node) y GGSN (Gateway GPRS node) como elementos clave que hacen posible la conmutaci´on de paquetes de datos e incorporan funciones primordiales como: la entrega de paquetes de datos desde y hacia las estaciones m´oviles en su ´area de servicio; el encaminamiento de los paquetes, la gesti´on de la movilidad, la gesti´on del enlace l´ogico y las funciones de autenticaci´on; el registro de la localizaci´on de los usuarios y de los perfiles de los usuarios; el encaminamiento de los paquetes en la interfaz entre el backbone de la red y la red externa de paquetes de datos. Es de destacar que estos elementos contin´uan siendo nodos primordiales de las redes actuales. En particular, en [Bettstetter (1999)] y relacionado con la interfaz radio, se describen los canales l´ogicos en GPRS, as´ı como el mapeado de los canales l´ogicos en los canales f´ısicos, la gesti´on de los recursos radio y los esquemas de codificaci´on del canal. Tambi´en en este trabajo se proporciona una visi´on de la arquitectura de protocolos, tanto del plano de se˜nalizaci´on como del plano de transmisi´on. Incluye la interfaz del backbone, la interfaz SGSN-GGSN, el SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol, realiza las funciones de multiplexaci´on de varias conexiones de la capa de red en una conexi´on de la capa LLC subyacente y la compresi´on/descompresi´on de los datos de usuario e informaci´on redundante de las cabeceras), la capa DLC (Data Link Layer) que incluye la subcapas RLC y MAC, la capa f´ısica y la interfaz BSS-SGSN (Base Station SystemSGSN). Un ´ultimo punto a destacar es la inter-operabilidad (interworking) con redes IP tambi´en evaluado y definido en [Park (2002)] que proporciona una visi´on de la coexistencia entre distintas tecnolog´ıas que proporcionan los 32 Introducci´on utilizar un tr´afico altamente sensible al retardo para aplicaciones del tipo voz sobre IP ´o v´ıdeo sobre IP. En cambio la clase streaming se utiliza fundamentalmente para el transporte en tiempo real y tambi´en sensibles al retardo, sin embargo, en las aplicaciones de audio y v´ıdeo utilizadas en esta clase, se puede compensar la variaci´on del retardo por medio de mecanismos de buffering (memorias locales) en la parte del usuario. Las clases interactiva y background se especifican generalmente para aplicaciones como la navegaci´on en web y, en general, la transmisi´on de datos como el correo electr´onico o la transferencia de archivos. La principal diferencia entre la clase interactiva y la clase background, ambas menos sensibles al retardo, es que la primera de ellas necesita una respuesta del usuario mientras que en la segunda este hecho no es necesario y adem´as se realiza como una tarea en el que el tiempo no es un factor cr´ıtico como es, por ejemplo, la recepci´on de correo electr´onico o la transferencia en el enlace de bajada de uno o varios archivos. En estas dos ´ultimas clases se mejora la relaci´on de tasa de errores debido principalmente a la utilizaci´on de los esquemas de retransmisi´on de datos. Cada par´ametro de QoS en el contexto PDP ha de solicitarlo la estaci´on m´ovil bien por medio de valores ya definidos o bien con valores que le asigna la propia red. Este proceso es el denominado de negociaci´on de los atributos de QoS del contexto PDP. En el supuesto que el terminal de usuario requiera valores subscritos desde la red de los par´ametros clase de tr´afico o tasa de bits garantizada, solamente se permiten por parte de la red los valores acordados para la clase interactiva y la clase background. En el caso de que la estaci´on m´ovil solicite cualquier otro valor de par´ametro en la activaci´on del contexto PDP, los valores se asignan desde la red, en concreto del HLR (Home Location Register), en este elemento de la arquitectura de la red se pueden configurar los par´ametros de QoS para cada abonado. En el caso en que la estaci´on m´ovil solicite valores num´ericos para los atributos de QoS, el propio perfil almacenado en el HLR proporciona para cada abonado los l´ımites con los que cuenta en combinaci´on con el punto de acceso (APN). El perfil de QoS utilizado para ciertos abonados es el mismo para cada uno de ellos, su tratamiento es, por tanto, en funci´on del perfil de usuario establecido para ese conjunto de usuarios. 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 33 Par´ametro de QoS Descripci´on Clase de Tr´afico Se especifica el tipo de aplicaci´on para la que se optimiza el servicio portador de acceso radio (RAB, Radio Access Bearer). Se refiere a las clases: Conversacional, Streaming, Interactiva y Background. Orden de entrega Especifica si el portador proporcionar´a ´o no el servicio en secuencia de las unidades de datos, SDU. Tama˜no m´aximo de SDU Define el tama˜no m´aximo permitido de las unidades de datos (SDU), en octetos. Informaci´on del formato SDU Define los posibles tama˜nos de las unidades de datos en bits). Entrega de SDUs err´oneas Indica si las unidades de datos con errores pueden ser entregadas ´o no. BER residual Especifica la tasa de errores de bits en cada flujo para la entrega de las unidades de datos. Tasa de errores SDU Define la relaci´on entre las unidades de datos perdidas o detectadas como err´oneas frente a las transmitidas. Retardo de transferencia Se define como el tiempo desde que una petici´on de transferncia de una SDU aun punto de acceso al servicio hasta que se realiza la entrega al otro punto de acceso al servicio, en milisegundos. Indica el retardo m´aximo para el percentil 95 de la distribuci´on de retardo en todos las unidades de datos entregadas durante el tiempo de vida del servicio portador. Tasa m´axima de bits Define la tasa m´axima de los bits entregados a un punto de acceso al servicio durante un per´ıodo de tiempo dividido por la duraci´on de dicho per´ıodo de tiempo (en Kbps). Tasa garantizada de bits Indica el n´umero garantizado de bits entregados a un punto de acceso al servicio dentro de un per´ıodo de tiempo dividido por dicho per´ıodo de tiempo (en Kbps). Prioridad de manejo de tr´afico Especifica la importancia relativa para gestionar las unidades de datos pertenecientes al RAB comparado con las unidades de datos de otros portadores. Prioridad de asignaci´on/retenci´on Especifica la importancia relativa comparada con otros RABs para la asignaci´on y retenci´on del portador de acceso radio. El atributo de prioridad de asignaci´on/retenci´on es un par´ametro del abonado que se negocia desde el equipo terminal. Cuadro 1.2: Par´ametros de QoS definidos para GERAN y UTRAN en 3GPP Release’99 34 Introducci´on 1.2.5. Mecanismos de soporte a la calidad de servicio en redes celulares Los mecanismos de soporte a la calidad de servicio, tanto en GERAN como en UTRAN, se dividen en dos planos distintos: el plano de control y el plano de usuario. Durante el procedimiento de establecimiento del servicio, las funciones del plano de control tienen en cuenta las funciones propias del control de admisi´on y del establecimiento de la conexi´on junto con los mecanismos de reserva de QoS que implica la gesti´on de los recursos y el control de carga y handover. Los mecanismos del plano de usuario tienen en cuenta la provisi´on de la QoS una vez establecida las condiciones de conexi´on, esto supone el acondicionamiento del tr´afico, la adaptaci´on del enlace, la planificaci´on de los paquetes de datos y el control de potencia para la reducci´on de los niveles de interferencia. Los mecanismos de QoS en el plano de control los enumeramos en los siguientes items: Control de admisi´on Mapeado del servicio portador radio Gesti´on de los recursos Control de carga y traspaso (handover) Los mecanismos de QoS en el plano de usuario los dividimos en los siguientes aspectos: Adaptaci´on del enlace Acondicionamiento del tr´afico Planificaci´on (Scheduling) de paquetes Control de potencia 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 35 1.2.5.1. Control de admisi´on La funci´on del control de admisi´on es la de aceptar o denegar el acceso a la red a nuevos usuarios. De esta forma este mecanismo trata de evitar situaciones de congesti´on bas´andose en medidas de interferencia y disponibilidad de los recursos. El control de admisi´on se realiza en el acceso inicial del terminal de usuario cuando establece la conexi´on, tambi´en en el traspaso (handover) y en la reconfiguraci´on del portador del servicio de acceso a la red o de la creaci´on y modificaci´on del contexto de flujo de paquetes (PFC, Packet Flow Context) en el subsistema de la estaci´on base (BSS). Cada uno de estos eventos puede dar lugar a distintas respuestas dependiendo de la prioridad del usuario y de la situaci´on de carga de la red. En el trabajo de [Tsao (2000)b] as´ı como en el de [Kochem et alt. (2003)] se proponen sistemas de control de admisi´on para GPRS que se apoyan en otros mecanismos de soporte a la QoS para este tipo de redes como es: la gesti´on de los recursos radio y la planificaci´on de paquetes. En particular en [Tsao (2000)b] se realiza por medio de simulaciones la evaluaci´on del mecanismo de control de admisi´on en una primera fase de establecimiento de la conexi´on, consiguiendo satisfacer los requisitos de QoS especificados en el contrato de servicio. Por otro lado, en [Kochem et alt. (2003)] se propone un algoritmo para GPRS que proporciona las garant´ıas de QoS en la fase de establecimiento de la conexi´on. Dicho algoritmo se basa en informaci´on local dentro de la celda en la que se encuentra el terminal m´ovil y tambi´en de informaci´on remota procedente de las celdas adyacentes para poder determinar si se puede o no aceptar la conexi´on entrante. Con la introducci´on de una estrategia apropiada de QoS com´un para GPRS/EDGE y UMTS, en [M¨ullner et alt. (2004)] se realiza un estudio de los mecanismos de QoS que pueden proporcionar beneficios significativos a los usuarios en distintas condiciones de carga de la red. As´ı se realiza mediante simulaciones el mecanismo de control de admisi´on regulando el acceso al servicio de la red, admitiendo en funci´on de las clases y los atributos de QoS las conexiones de los terminales de usuario. El control de admisi´on hace uso particularmente del atributo ”prioridad de asignaci´on/retenci´on”, de forma que si una conexi´on es admitida por parte de la red, los usuarios con alta prioridad pueden mantener su conexi´on frente a otros usuarios con menor prioridad en caso de que exista sobrecarga en la red. 36 Introducci´on 1.2.5.2. Mapeado del servicio portador radio Los requisitos de QoS que ha de satisfacer la red, han de lograrse a trav´es de los portadores radio. Este mecanismo se consigue seleccionando las condiciones adecuadas de transmisi´on sobre los canales l´ogicos elegidos, adem´as de, entre otros factores, los modos de transmisi´on (con reconocimiento o sin reconocimiento), las modulaciones, los esquemas de codificaci´on y el tipo de correcci´on de errores. Las retransmisiones de las unidades de datos permite la mejora del atributo de QoS fiabilidad. Este par´ametro en la transmisi´on de los paquetes de datos es fundamental para un transporte eficiente en muchas de las aplicaciones de datos (por ejemplo: e-mail, transferencia de archivos). El atributo clase de tr´afico permite seleccionar las condiciones del tr´afico adem´as de otros atributos. Tanto los servicios basados en las clases interactiva y background requieren el uso de RLC en modo con reconocimiento de la transmisi´on con el objetivo de proporcionar un transporte de la informaci´on fiable a expensas de introducir un retardo y throughput variable. Para los servicios basados en la clase streaming se pueden soportar en modo con reconocimiento o sin reconocimiento de las unidades de datos. El hecho de solicitar una alta fiabilidad en la transmisi´on de la informaci´on por medio de retransmisiones supone el incremento del retardo o la variaci´on del retardo. Frente a esta soluci´on es posible limitar el n´umero de retransmisiones haciendo uso de un esquema de codificaci´on m´as robusto, lo cual tiene un efecto directo sobre el throughput logrado. En el caso de utilizar el modo de transmisi´on sin reconocimiento, dependiendo de las condiciones del enlace se puede adaptar el enlace hacia un esquema de codificaci´on que aumente el rendimiento del throughput. Para las aplicaciones basadas en la clase conversacional normalmente se realizan en modo de transmisi´on sin reconocimiento. En la interfaz radio haciendo uso de la conmutaci´on de paquetes de datos se satisfacen los requisitos haciendo uso del PDCP (Packet Data Convergence Protocol) que realiza la adaptaci´on de las cabeceras IP/UDP/RTP. 1.2.5.3. Gesti´on de los recursos Un mecanismo clave en la interfaz radio de cualquier red de comunicaci´on es la gesti´on de los recursos radio. Dada la importancia para la presente tesis de este mecanismo se tratar´a en el cap´ıtulo siguiente de forma detallada. 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 37 1.2.5.4. Control de carga y traspaso (handover) Los traspasos o handover se pueden producir b´asicamente por tres causas: la primera de ellas por el propio movimiento del terminal m´ovil desde una ´area geogr´afica a otra y, por tanto, su comunicaci´on ha de mantenerse en el cambio de una celda a otra adyacente; la segunda de las razones es por condiciones deficientes de la comunicaci´on en la celda actual; y la tercera de las razones es porque se produce congesti´on en la celda actual. El mecanismo de control de carga supervisa el tr´afico en las celdas que conforman la red para evitar, en la medida de lo posible, situaciones de congesti´on o sobrecarga. El control de carga act´ua de forma que si la red detecta situaciones de sobrecarga realiza traspasos de las comunicaciones a celdas adyacentes y, por tanto, ha de seleccionar qu´e conexiones son las que ha de trasladar. En funci´on de los perfiles de QoS acordados previamente, se tomar´an decisiones por parte de la red para realizar los traspasos, as´ı los usuarios con perfiles de baja prioridad ser´an los primeros en ser trasladados. 1.2.5.5. Adaptaci´on del enlace Los enlaces en las comunicaciones m´oviles se ven afectados por las condiciones del enlace radio, esto quiere decir que los valores de par´ametros como el retado, el caudal o la tasa de errores est´an variando continuamente. El mecanismo de QoS que trata de satisfacer los requisitos de QoS ante las variaciones de estos par´ametros se denomina la adaptaci´on del enlace. Estas variaciones se compensan eligiendo los esquemas de codificaci´on y modulaci´on m´as adecuados a las circunstancias. En malas condiciones del enlace radio la elecci´on es de los esquemas de codificaci´on m´as robustos que aumentan la redundancia y, por tanto, se puede mejorar la correcci´on de errores que por otro lado reduce el caudal resultante. Distintos algoritmos [Queseth et alt. (1999), Gozalvez et alt. (2004)] se usan para la adaptaci´on del enlace con el objetivo de seleccionar los esquemas de codificaci´on m´as adecuados en funci´on de las condiciones del enlace radio. Esta selecci´on del esquema de codificaci´on se basa en las estimaciones de calidad del canal. En un mecanismo t´ıpico de adaptaci´on del enlace, el receptor mide la relaci´on C/I (portadora/interferencia)[Gozalvez et alt. (2000)] o la tasa de bits err´oneos y realiza una estimaci´on de la calidad del canal promediando las medidas obtenidas en un intervalo de tiempo determinado. La retransmisi´on de datos es eficiente en EGPRS fundamentalmente por 38 Introducci´on la utilizaci´on de la redundancia incremental combinada con la adaptaci´on del enlace. Tanto en [Featherstone et alt. (2001), Molkdar et alt. (2001)] como en [Furuskar2 et alt. (1999)] se introduce la redundancia incremental como mejora del rendimiento de la capa f´ısica a trav´es del modo con reconocimiento de la subcapa RLC. La redundancia incremental consiste en el ajuste de la tasa de datos a las condiciones reales del canal por medio de informaci´on redundante en la transmisi´on. Los esquemas de modulaci´on y codificaci´on pueden cambiarse en las retransmisiones subsiguientes. Trabajos como los de [Leung et alt. (2001)] realizan un estudio de c´omo combinar la adaptaci´on del enlace y el control de potencia para lograr una tasa de errores menor y reducir la variaci´on de errores aumentando la calidad del transporte, en concreto, de m´usica codificada MPEG-4. Tambi´en en [Kodikara et alt. (2004)a] se realiza un an´alisis de la adaptaci´on del enlace para la clase streaming sobre canales EGPRS. Al mismo tiempo en [Kodikara et alt. (2004)b] investigan el desarrollo de t´ecnicas para la mejora del rendimiento de las comunicaciones de v´ıdeo en tiempo real proponiendo y haciendo un an´alisis de un nuevo algoritmo que mejora el enlace radio. 1.2.5.6. Acondicionamiento del tr´afico El hecho de transmitir paquetes por la interfaz radio implica que cada paquete de datos experimente efectos distintos, el mecanismo de acondicionamiento de tr´afico vela por la conformidad entre la QoS negociada entre la red y el usuario y, seg´un el servicio acordado, el tr´afico experimentado por los datos. Esto implica la necesidad del control del tr´afico a trav´es de cuatro funciones b´asicas: control de polic´ıa (policing), marcado (marker), conformado (shaper) y eliminaci´on de paquetes (dropper). El primero de los mecanismos, policing comprueba que los paquetes de datos correspondan al perfil de QoS y se reenv´ıa, se marca, se conforma o se elimina en funci´on, todo ello, del perfil del flujo de datos al que pertenezcan los paquetes. El marcador es el responsable de etiquetar los paquetes de acuerdo al trato que debe tener cada uno de ellos. La estaci´on m´ovil se puede observar en la figura 1.2 como un conjunto formado por un equipo terminal, TE, y un terminal m´ovil, TM. El TE es un host Internet que intercambia mensajes de la capa de aplicaci´on junto con mensajes de se˜nalizaci´on que transportan requerimientos de calidad de servicio con otros nodos. El mapeador/traductor juega dos papeles: el primero es la traducci´on de los par´ametros de calidad de servicio de las redes externas y 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 39 los atributos de calidad de servicio de la red que determinan las caracter´ısticas de los contextos GPRS; y el segundo papel es el de clasificar los paquetes en la interfaz de ingreso y la selecci´on del contexto PDP correcto para transportar cada paquete. Otro elemento es el monitor cuya funci´on es la de medir la cantidad de tr´afico y sus caracter´ısticas. La salida de este elemento se utiliza por la funci´on policial para determinar sus acciones asegurando que el tr´afico en la interfaz de ingreso no exceda del perfil de la calidad de servicio negociada. Esta funci´on ha de ser configurable de forma que pueda tomar distintas acciones seg´un los tipos de paquetes. TE MT Aplicación / Entidad de señalización externa TFT enlace ascen - señalización externa Mapeador / Traductor Entidad de señalización GPRS Atributos QoS ascen - dente Monitor Mapeador / Traductor Clasificador Marcador Policer / Shaper Entidad portadora GPRS Figura 1.2: Elementos de QoS en el equipo terminal De forma alternativa, un protocolo de se˜nalizaci´on como es el caso de RSVP (Resource Reservation Protocol)[Ram´ırez et alt. (2000)] se puede utilizar para intercambiar par´ametros de calidad de servicio para una sesi´on determinada. Independientemente del m´etodo de se˜nalizaci´on, el TE se espera que determine la calidad de servicio y los TFTs para el tr´afico en el enlace descendente. El proceso de traducci´on de los requerimientos de calidad de servicio externos se˜nalados por la entidad de aplicaci´on o una entidad de se˜nalizaci´on especializada, como es el caso de RSVP, en atributos de calidad de servicio 40 Introducci´on en GPRS se realiza por el TE. Por otro lado, los nodos de GPRS realizan operaciones espec´ıficas para proporcionar el servicio de acuerdo con los atributos de calidad de servicio se˜nalados por parte del TE. Estos atributos los gestiona el TE tanto para el enlace ascendente como para el descendente. Dado que el equipo terminal realiza la clasificaci´on de todos los paquetes para el tr´afico en el enlace ascendente, no es necesario una TFT en el enlace ascendente. La TFT en el enlace descendente se determina por medio del TE y se le indica al GGSN. El intercambio de se˜nalizaci´on entre TE y GGSN es parte de la activaci´on del contexto PDP o renegociaci´on. El TE determina cu´ando activar o renegociar un contexto PDP. 1.2.5.7. Planificaci´on (Scheduling) de paquetes La planificaci´on de los paquetes es uno de los mecanismos b´asicos en la provisi´on de la calidad de servicio. Desde el punto de vista de la comunicaci´on en la interfaz radio, la gesti´on eficiente de elegir c´omo y en qu´e orden se han de reenviar los radio bloques o paquetes que llegan a un nodo de la red, se convierte en un factor clave para evitar los cuellos de botella que se puedan generar, adem´as de satisfacer los requisitos acordados del servicio proporcionando justicia entre los flujos de datos. Para ello los algoritmos de planificaci´on (scheduling) han de tener en cuenta los perfiles de QoS con el objetivo de dar prioridad entre los servicios y los usuarios con distintos perfiles de abonados, teniendo en cuenta entre otros par´ametros, el atributo de prioridad de asignaci´on/retenci´on. As´ı, un servicio de clase conversacional tendr´a la m´axima prioridad en la pol´ıtica de planificaci´on. Los servicios de la clase streaming necesitan ciertas garant´ıas de calidad de servicio en cuanto al throughput, asegurando cierto ancho de banda para los canales que soportan este tipo de servicio. En cambio para las clases interactiva y background aprovechar´an ciertos espacios temporales de silencio para reenviar los datos disponibles. Distintos algoritmos de scheduling para GPRS, EGPRS y redes inal´ambricas, en general, han sido analizados [Ramirez et alt. (2002)b] en la literatura cient´ıfica. Desde la planificaci´on de paquetes FIFO (First In First Out) ´o FCFS (First Come First Served) pasando por el algoritmo LBFS (Least Bits left First Served)[Cavalcanti et alt. (2002)] donde los paquetes m´as largos pueden tolerar mayores retardos y los paquetes peque˜nos podr´ıan transmitirse primero; el algoritmo LTFS (Least Time left First Served) en el que se intenta estimar el tiempo que resta antes de que ´este expire, siguiendo el 1.2 Evoluci´on de las redes m´oviles celulares de paquetes de datos 41 criterio de QoS para cada paquete y transmitiendo el paquete con el margen m´as corto para satisfacer los requisitos de QoS, de tal forma que aquellos paquetes que se estiman que no puedan consiguir la QoS demandada se les asigna una prioridad menor [Johanson et alt. (1998)]. Otros algoritmos como el RR (Round Robin) [Calin et alt. (1999), Tang et alt. (2004)] ´o el SPS (Static Priority Scheduling), el EDF (Earliest Deadline First) y el MED (Modified Earliest Deadline) han sido evaluados en [Sau et alt. (1998), Pang et alt. (1999)] obteniendo comparativas entre los ditintos esquemas de planificaci´on. En [Tsao (2000)a] los autores argumentan c´omo desafortunadamente los algoritmos GPS (Generalized Processor Sharing) y EDD (Earliest Due Date) no pueden aplicarse directamente en las redes inal´ambricas debido a los errores producidos por la localizaci´on de los terminales en entornos m´oviles, as´ı que exploran pol´ıticas de planificaci´on como extensi´on de las anteriores como son el Delay-EDD y el Jitter-EDD, demostrando que se pueden conseguir garant´ıas en los par´ametros de QoS a corto y largo plazo. Otros algoritmos de planificaci´on que gestionan los radio bloques en el sistema EGPRS, aparte de las pol´ıticas FIFO y RR, se eval´uan en el esquema HRF (High Rate First) donde el planificador elige el flujo con la tasa de transmisi´on estimada m´as alta en funci´on de la informaci´on de calidad del canal que proporciona el terminal m´ovil; por otro lado el algoritmo SRPT (Shortest Remaining Processing Time) en el que el planificador sirve el flujo con el tiempo de servicio restante m´as corto [Balachandran et alt. (2001)]. Tambi´en en [Cai et alt. (2000), Chang et alt. (2001)] se realizan simulaciones sobre el algoritmo WRR (Weighted Round Robin) haciendo uso de la capacidad multislot de los usuarios con requisitos de servicio prioritarios, concluyendo que no es un algoritmo efectivo para soportar servicios diferenciados. Esquemas como el algoritmo WFQ (Weighted Fair Queueing)[Lee et alt. (2002)], ampliamente utilizado en redes fijas, ha sido propuesto para su utilizaci´on en combinaci´on con mecanismos de intercambio de canales entre flujos de tr´afico para satisfacer los requisitos de QoS en redes m´oviles. [Stuckmann et alt. (2003)] proponen y analizan dos algoritmos en dos niveles distintos de planificaci´on basados en el Round Robin, el primero el DPARR (Displaced Pending Acknowledge Round Robin) y el segundo el LQDWRR (Link Quality-based Deficit Weighted Round Robin). Se basan en la utilizaci´on de la informaci´on de reconocimiento de los radio bloques en la capa RLC para la planificaci´on de los TBF (Temporary Block Flow) y el uso de la informaci´on de la calidad del enlace para la planificaci´on adaptativa de los TBF. Otro trabajo [Yang et alt. (2001)] propone el algo- 48 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos G=    G11 G12 ... G1M G21 G22 ... G2M ... ... ... ... GB1GB2... GBM     Esta matriz representa las condiciones instant´aneas de propagaci´on del sistema puesto que sus valores pueden variar en el tiempo. La tarea de los esquemas de asignaci´on de los recursos es encontrar las asignaciones de los enlaces para los cuales la calidad de servicio sea la m´as adecuada en las posibles comunicaciones. Las tendencias de la evoluci´on de la arquitectura definida por 3GPP [The Third Generation Partnership Project, 3GPP en http://www.3gpp.org] se encaminan hacia una topolog´ıa abierta distribuida. Este hecho es de m´axima importancia para la gesti´on de los recursos radio en las redes de comunicaciones inal´ambricas [Mihovska et alt. (2009)]. Las funciones del control de la red radio (RNC, Radio Network Controller) se divide en entidades funcionales que se clasifican en distintos bloques en funci´on del ´ambito y el plano en el que se ubiquen, sea el plano de control o sea el plano de usuario (Figura 2.1). Atendiendo a este esquema, distintas propuestas han sido planteadas por el 3GPP que descompone las funciones de control de la red radio y las traduce en dos nuevos tipos de entidades de red como son: los servidores de control radio y los servidores del plano de control. En definitiva, las arquitecturas abiertas adoptadas para los nuevos sistemas de comunicaciones se dise˜nan para el uso de mecanismos distribuidos en la gesti´on de la red de acceso radio. La heterogeneidad de los escenarios actuales para el soporte de las interacciones entre los distintos sistemas, implica la mejora de los mecanismos de la gesti´on de los recursos radio entre otros aspectos de la red. El incremento de la demanda por parte de los abonados de una red m´ovil inal´ambrica fiable para el transporte de voz y datos ha motivado a los proveedores de servicio actualizar sus redes para facilitar una mayor capacidad de gesti´on de los recursos con mejores prestaciones. El objetivo de los proveedores de servicio es la integraci´on de un amplio abanico de servicios en una infraestructura de red com´un. La heterogeneidad de los escenarios actuales produce que las soluciones para soportar interacciones de los sistemas sean complejos y m´ultiples, esto puede significar retardos en la ejecuci´on y degradaci´on de la calidad de servicio percibida por los usuarios, reducci´on del caudal o el incremento de la carga del tr´afico en la red. Es por esto que 2.2 La asignaci´on de los recursos radio en las redes m´oviles celulares 49 RRM multicelda Paging Distribución broadcast Control de celda Control móvil Ámbito multicelda Ámbito celda Ámbito usuario Plano de control Procesado canales comunes Procesado canales dedicados Plano de usuario Figura 2.1: Funciones del Controlador de Red Radio los mecanismos de la gesti´on de los recursos radio deben ser estudiados desde una perspectiva m´as amplia. La interacci´on entre distintas tecnolog´ıas de acceso es esencial para los operadores, de forma tal que puedan asegurar la continuidad del servicio, mejoras en las capacidades de las redes y mayores beneficios para los operadores. La mayor´ıa de los objetivos de la gesti´on de los recursos radio se centran en conseguir una alta capacidad y un mayor throughput para una calidad de servicio determinada. Entre las tareas de la gesti´on de los recursos se dividen cuatro ´areas de estudio distintos como son: la asignaci´on de los canales, el control de admisi´on, el control de potencia y el traspaso. El control de admisi´on es posible cuando una nueva llamada intenta ser aceptada en una celda dada solo cuando la capacidad de dicha celda est´a disponible para manejar dicha llamada, en caso contrario la llamada se bloquear´a. El mismo caso se produce con las llamadas procedentes de un traspaso de una celda a otra. El control de potencia es un punto cr´ıtico para asegurar que la potencia del terminal m´ovil no caiga por debajo de un cierto umbral y asegurar principalmente el consumo de bater´ıa por parte del terminal m´ovil. Todos los sistemas m´oviles celulares incorporan el env´ıo de mensajes de control en el enlace de subida 50 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos para gestionar su potencia. En escenarios heterog´eneos con distintas tecnolog´ıas radio, es necesario optimizar la gesti´on de los recursos radio, RRM, as´ı se distinguen varios mecanismos: la interworking RRM , la RRM de cooperaci´on, la RRM com´un, la joint RRM, la RRM concurrente y la RRM por capas. Por un lado, la gesti´on de recursos en cuanto a su funcionamiento entre distintas tecnolog´ıas (interworking) se basa en distinto niveles de acoplamiento. Por otro lado, la gesti´on de recursos radio combinada representa un enfoque de cooperaci´on donde los recursos se manejan de forma centralizada. Una gesti´on de recursos com´un es una soluci´on propuesta por los grupos de GERAN y UTRAN del 3GPP para hacer cooperar a las redes GSM/GPRS/EDGE y UMTS. La RRM combinada es un enfoque de cooperaci´on entre las distintas tecnolog´ıas donde los recursos se gestionan de forma centralizada para toda RAT (tecnolog´ıa de acceso radio) por medio de una ´unica unidad funcional. En este modelo se distinguen distintas unidades: la IMU, Interface Monitoring Unit, que controla los recursos utilizados y aquellos que est´an disponibles en todas las interfaces del sistema; la RMU, Resource Management Unit, que obtiene los datos enviados por la IMU de tal forma que hace un seguimiento de la carga de tr´afico en los elementos para encontrar el escenario correcto ante la situaci´on de congesti´on, para ello utilizar´a la herramienta apropiada para ejercer la toma de decisiones. Se trata pues de un sistema constituido por distintas unidades que controlan el tr´afico adem´as de prever y reorganizar los atajos para reaccionar ante situaciones de congesti´on en sectores con sobrecarga. La monitorizaci´on en tiempo real por medio de los indicadores de rendimiento claves (KPI, Key Performance Indicators) es uno de los mecanismos principales en la gesti´on de los recursos. Una vez se selecciona una t´ecnica para afrontar un evento de posible congesti´on, bien se obtiene la informaci´on a trav´es de una base de datos almacenada con casos similares a los que se presenten, o bien se realiza por un enfoque basado en un refinamiento que optimice la t´ecnica de gesti´on de los recursos (RMT, Resource Management Technique) para conseguir los objetivos del operador de la red. La gesti´on de los recursos radio com´un (CRRM, Common Radio Resource Management)[Skehill et alt. (2007)] es un mecanismo de distribuci´on del tr´afico entre estos sistemas, ofreciendo la posibilidad de incrementar la capacidad de la red y la calidad de servicio percibida por el usuario con la consiguiente reducci´on de costes. Para un determinado operador de red el conjunto de recursos radio se reparte en repositorios de recursos. Un servidor 2.2 La asignaci´on de los recursos radio en las redes m´oviles celulares 51 Decisión de admisión Balanceo de carga Recursos del sistema Decisión Medidas Nuevos parámetros Red X, RRM intrínseca Red Y, RRM intrínseca Indicadores de calidad RRM X Control de admisión Control de handover Planificador paquetes Control de carga Control de congestión Control de potencia Figura 2.2: Interacci´on para la gesti´on de recursos radio com´un CRRM viene a representar un nodo l´ogico dentro de la arquitectura GERAN y UTRAN que toma continuamente informaci´on medible desde cada uno de las plataformas (RRM intr´ınseca a cada tecnolog´ıa) y toma decisiones para optimizar la gesti´on de la red heterog´enea (Figura 2.2). La Joint RRM, JRRM, permite soportar el trabajo entre distintas tecnolog´ıas de acceso, principalmente gestionadas por un controlador central, gestionando las subredes acopladas y, sobre todo, proporcionando una mayor capacidad al sistema. Este enfoque de la gesti´on da lugar a la planificaci´on conjunta de los recursos y tambi´en al control de admisi´on conjunto con objeto de conseguir la mayor eficiencia posible y satisfacer los requisitos de calidad 52 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos de servicio establecidos. La arquitectura de la JRRM es bastante similar a la de la RRM com´un, no solo se restringe a las redes m´oviles celulares sino que adem´as permite el acceso radio sobre otras redes inal´ambricas como las WLANs. De ah´ı que permita el acceso de un terminal a varias RATs manteniendo de forma simult´anea varios enlaces sobre las RATs. Por otro lado, la RRM concurrente es otro mecanismo para la gesti´on eficiente de recursos radio entre distintas redes de acceso radio, RANs. Al contrario que la JRRM es una entidad local la que asigna los recursos dentro de cada red de acceso y estas entidades locales han de cooperar de forma distribuida para conseguir un uso eficiente de los recursos. La gesti´on de los recursos por capas (Layered RRM) se basa en la incorporaci´on de una capa correspondiente al nivel de enlace que es com´un a todas las capas que subsisten en cada una de las tecnolog´ıas de acceso (RAT), de tal manera que la capa com´un tendr´a funciones de puente (bridge) entre las distintas tecnolog´ıas de acceso. 2.2.1. Fundamentos de la asignaci´on de los recursos radio Desde un punto de vista de la asignaci´on de los canales, para cada una de las celdas existe, por un lado, una divisi´on entre la asignaci´on est´atica de las frecuencias desde la estaci´on base y, por otro lado, la asignaci´on variable o din´amica de las distintas portadoras que puede gestionar la estaci´on base para establecer las comunicaciones con las estaciones m´oviles activas en esa celda. Otra visi´on - es la que nos concierne1trata de asignar los recursos disponibles para cada una de las portadoras de frecuencia entre la estaci´on base y los terminales m´oviles en el transporte de la informaci´on. En primer lugar hemos de destacar que en una red m´ovil en la que se emplea tanto la conmutaci´on de circuitos - para cursar el tr´afico de voz - como la conmutaci´on de paquetes - para cursar el tr´afico de datos, se utilizan distintos algoritmos de asignaci´on de los canales. Por tanto, se han de distinguir dos procesos distintos cuales son: 1, la interacci´on entre los canales haciendo uso de la conmutaci´on de circuitos y los canales que hacen uso de la conmutaci´on de paquetes, y 2, la interacci´on o la coexistencia de los usuarios 1Para la red m´ovil objeto de esta tesis nos referimos a la red EDGE y los recursos vienen representados por los timeslots. 2.2 La asignaci´on de los recursos radio en las redes m´oviles celulares 53 SDCCHPDCCH TRx1 TRx2 TRx3 PDCH TCH TCH PDCH PDCH Recurso repositorio Recurso repositorio PDCH repositorio de voz repositorio de datos Recurso ocupado por canal de datos TCH Recurso ocupado por canal de voz Figura 2.3: Asignaci´on de canales mediante repositorios haciendo uso de los mismos recursos para el transporte de datos en la red. Es posible que se compartan todos los recursos disponibles entre el tr´afico de datos (conmutaci´on de paquetes) y el tr´afico de voz (conmutaci´on de circuitos), y tambi´en es factible dividir estos recursos en repositorios separados. Tanto en un caso como en otro, el algoritmo de asignaci´on de los canales selecciona los recursos que se utilizar´an en cada conexi´on adem´as de permitir que un determinado canal sea el que pueda emplear uno o varios recursos (time −slots) con ciertos par´ametros de frecuencia. 2.2.2. Modelos de asignaci´on de canales El primer modelo de asignaci´on de los canales que se presenta es el que hace uso de repositorios separados de recursos. En este caso se mostrar´an dos repositorios o pools (Figura 2.3). Este m´etodo de asignaci´on se basa en dividir los recursos en dos repositorios donde ir´an alojados los dos tipos de canales, sin contar con los canales de se˜nalizaci´on (PDCCH2y SDCCH3), tal como se muestran en la Figura 2.3. 2PCCCH - Packet Common Control Channel, canal formado por distintos canales l´ogicos de control: el PRACH (Packet Random Access Channel), PPCH (Packet Paging Channel), PAGCH (Packet Access Grant Channel) and PNCH (Packet Notification Channel). 3Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH) canal que se utiliza para proporcionar una conexi´on fiable para la se˜nalizaci´on y los mensajes cortos. 54 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos Esto significa que se dispone de un modelo de reserva de recursos dedicados en funci´on del tipo de canal al que vaya destinado. Las conexiones de voz se asignan a los canales que pertenecen al repositorio de conmutaci´on de circuitos y las conexiones de datos se asignar´an a los canales dentro del repositorio de conmutaci´on de paquetes. Los beneficios de tener dos repositorios separados se puede resumir en que la interacci´on entre los tipos de canales no existe pero, en cambio, en funci´on de la demanda del tr´afico de un tipo, voz, o de otro, datos, la ocupaci´on de los recursos podr´ıa verse desaprovechada. Para ello es necesario ajustar los servicios de voz, conmutaci´on de circuitos, que precisan de una asignaci´on fija de los time −slots, con tr´afico formado por un flujo continuo en el tiempo, frente a los servicios de datos, conmutaci´on de paquetes, que requieren una asignaci´on din´amica de los recursos y de corta duraci´on, siendo en general un tr´afico denominado “a r´afagas”. El algoritmo de asignaci´on de los canales ha de optimizarse para las dos clases de tr´afico dentro de cada uno de los repositorios de forma tal que produzaca la m´ınima interacci´on entre los dos repositorios. SDCCHPDCCH TRx1 TRx2 TRx3 PDCH TCH TCH PDCH PDCH SDCCHPDCCH TRx1 TRx2 TRx3 TCH TCH PDCH PDCHPDCH PDCHTCH Canales de datos Canales de voz Figura 2.4: M´etodo de repacking Uno de los principales inconvenientes de este modelo es la necesidad de realizar el m´etodo de repacking continuamente para poder optimizar la uti- 2.2 La asignaci´on de los recursos radio en las redes m´oviles celulares 55 SDCCHPDCCH TRx1 TRx2 TRx3 PDCH TCH TCH PDCH PDCH PDCH Recurso libre Recurso ocupado por TCH Recurso ocupado por TCH TCH PDCH PDCH PDCH TCH PDCH TCH PDCH libre ocupado por canal de datos TCH ocupado por canal de voz Figura 2.5: Asignaci´on de canales mediante un ´unico repositorio lizaci´on de los canales a un extremo del repositorio. Esto quiere decir que los recursos estar´an disponibles de forma consecutiva para los usuarios. Este m´etodo de repacking se puede observar en la Figura 2.4. La implementaci´on del esquema repacking hace uso del mecanismo intracell−handover (traspaso dentro de la misma c´elula) para la asignaci´on a un time-slot contiguo, de tal forma que los recursos que se utilizan por los usuarios ocupen posiciones contiguas, una vez los time-slots van quedando inactivos, bien por el traspaso a otra celda de la llamada o bien por la finalizaci´on de la llamada o de la transmisi´on de los datos. Este m´etodo, en general, puede incluir la asignaci´on contigua entre distintas portadoras de frecuencia dentro de la misma celda. El gran inconveniente de este m´etodo es que si se producen un gran n´umero de traspasos dentro de la misma celda durante una llamada se pueden producir efectos negativos en cuanto a la calidad del servicio. En particular para per´ıodos de expulsi´on de una llamada por encima de los 450ms de duraci´on puede ocurrir que, cada vez que una llamada se reubica a otra posici´on (nuevo time-slot reci´en liberado y contiguo a otro ocupado) se producen deficiencias en el servicio ofrecido al usuario. Otro modelo para compartir los recursos consiste en formar un ´unico repositorio de canales en los que tanto el tr´afico de voz como el de datos hacen uso de los recursos disponibles en la celda. Las conexiones han de competir por la utilizaci´on de los recursos de la celda (Figura 2.5). Este m´etodo para la asignaci´on de los recursos posee un mayor n´umero de lugares posibles en los que ubicar los canales y proporciona una mayor libertad para la selecci´on del canal. No obstante en este m´etodo es mucho 56 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos m´as compleja la optimizaci´on de la asignaci´on de los canales tanto para la conmutaci´on de circuitos como para la conmutaci´on de paquetes. En general, los recursos disponibles obedecen a un repositorio fragmentado en el que los canales no ocupan posiciones consecutivas y, por tanto, con los terminales m´oviles que disponen de la capacidad multislot, en particular, su potencialidad para la transmisi´on de datos se ve afectada negativamente (menor throughput o mayor retraso en la transmisi´on). Tal como se ha comentado con anterioridad, el otro proceso que se ha de tener en cuenta en la gesti´on eficiente de los recursos es la interacci´on o la coexistencia de los usuarios haciendo uso de los mismos recursos para el transporte de datos. Para ello lo m´as adecuado es seleccionar recursos consecutivos que sean menos utilizados. Si existe un n´umero Xde terminales que hacen uso de ese slot de tiempo, un nuevo terminal que quiera hacer uso de ese recurso obtendr´a la 1/X+1 parte de la capacidad de ese time-slot. Si las conexiones de datos tienen distintas prioridades es posible la asignaci´on a los terminales m´oviles en funci´on de esas preferencias previamente establecidas. Adem´as es posible la reserva de ciertos recursos para poder garantizar cierto caudal en la transmisi´on de datos. Este ´ultimo esquema es el de reserva de recursos con el objetivo de maximizar el throughput. 2.3. Trabajos anteriores acerca de los m´etodos de asignaci´on de canales En esta secci´on presentamos trabajos realizados anteriormente para la asignaci´on de recursos en las redes de paquetes de datos, en particular, para redes m´oviles celulares TDMA. El primero de ellos en exponer el concepto de multi −slot packet data channel para usar la capacidad m´axima posible en la transferencia de datos y el concepto de master −slave para acomodar en los time-slots canales de control/se˜nalizaci´on (paging, acceso aleatorio y de reserva) es el trabajo de [Turina et alt. (1996)], as´ı como canales ´unicamente dedicados para la transferencia de datos. M´as tarde, en [Chen et alt. (1996)] se presentan dos algoritmos de asignaci´on de canales, estos son: (a) el de divisi´on de los repositorios para los canales de voz y los canales de datos; (b) el algoritmo de uso compartido por ambos tipos de tr´afico, de forma que se reduzca el bloqueo y la probabilidad de finalizaci´on forzada de las llamadas, bas´andose en que durante los per´ıodos de congesti´on las llamadas de voz 2.3 Trabajos anteriores acerca de los m´etodos de asignaci´on de canales 57 hagan uso de parte de los time-slots dedicados al tr´afico de datos. A partir de estos trabajos se presentan algoritmos de asignaci´on de los recursos radio, fundamentalmente para GPRS y EDGE. En el trabajo de [Kennedy et alt. (1999)] se eval´ua un algoritmo de asignaci´on de los recursos radio h´ıbrido en el que las transferencias de datos utilizan los per´ıodos inactivos de llamadas de voz GSM adem´as de utilizar un n´umero de canales dedicados para datos. De tal manera que si se aumenta el n´umero de canales dedicados para datos, la probabilidad de bloqueo aumenta y el n´umero medio de canales disponibles para datos no se ve incrementado significativamente, adem´as de implicar un efecto similar en el throughput del sistema. Por el contrario, con el aumento de canales dedicados a datos, la desviaci´on est´andar del n´umero de canales disponible para datos disminuye, lo cual implica una mejora en la calidad de servicio, en concreto para el retardo de paquetes. 1 2 3 mvm… mvrecursos compartidos, voz y datos mddedicados a datos Figura 2.6: Asignaci´on recursos de voz GSM y datos GPRS (Ni and H¨aggman) [Ni et alt. (1999)] parten de que el dise˜no de GPRS para la transmisi´on de datos toma los recursos radio del pool de canales que no se utilicen para el tr´afico de voz, con lo cual el n´umero de canales asignados para el tr´afico de datos es una variable aleatoria dependiente del tr´afico de voz. En este trabajo se eval´ua, por medio de un m´etodo de aproximaci´on, el rendimiento de GPRS usando un ´unico time-slot para datos puesto que deducen que con el servicio multi-slot la probabilidad de bloqueo aumenta y el retardo se hace mayor. Los canales de datos PDCHs se liberan tan pronto como se pueda en el caso de que la demanda de recursos por parte de los servicios de conmutaci´on de circuitos aumenten. De las dos posibilidades de liberaci´on de dichos PDCHs - 1. liberaci´on inmediata del canal, implica la interrupci´on de la transmisi´on de datos y 2. retardar la liberaci´on del canal, con lo cual se puede esperar a que se transmitan los datos para que despu´es se asigne el canal a la llamada de voz - en este caso se asume el primer caso de liberaci´on inmediata. As´ı se utilizan canales dedicados para datos y el resto compartidos para voz y para 64 Modelado de los recursos radio en redes celulares de paquetes de datos Figura 2.9: Cadena de Markov unidimensional para un proceso NIRP modelo de colas. Este an´alisis del modelo conduce a la deducci´on de que un factor clave es la asignaci´on individual de las distribuciones del tiempo de servicio que vienen determinadas por las condiciones de propagaci´on radio. Para caracterizar el tr´afico del sistema se requieren aplicaciones para tomar distintas medias de rendimiento. Los par´ametros medidos a partir de estas aplicaciones [Irnich et alt. (2002), Hoymann et alt. (2002)] permiten evaluar el sistema. Las medidas como: el caudal de paquetes IP por usuario medidos durante per´ıodos de transmisi´on, los tiempos de respuesta de la aplicaci´on (diferencia entre el tiempo cuando un usuario solicita una p´agina web o un correo electr´onico y el tiempo cuando se recibe completamente la informaci´on solicitada), el retardo del datagrama IP (retardo extremo-extremo), la tasa de bloqueo de una sesi´on o la utilizaci´on de los canales de paquetes de datos (PDCH) que implica conocer el n´umero de radio bloques utilizados tanto para datos como para control, son factores relevantes de rendimiento del sistema[Stuckmann et alt. (2002)]. Las reglas de ingenier´ıa de tr´afico con respecto al dimensionado de los canales, concretamente de datos, necesarios para cada una de las celdas son estudiadas desde dos puntos de vista. El primero de ellos trata de estimar el n´umero de canales en funci´on de la demanda de los usuarios, es decir, una asignaci´on din´amica del n´umero de canales necesarios. La segunda perspectiva para resolver esta cuesti´on es por medio de la reserva de un n´umero fijo de canales de datos (PDCHs) para el potencial transporte de la informaci´on que soliciten los usuarios. Tanto una visi´on como la otra han sido estudiadas en [Stuckmann et alt. (2001)] y proponen cuatro reglas sencillas que logran satisfacer los requisitos necesarios para el soporte del tr´afico de datos. Estas reglas son: 1, definir la calidad de servicio deseada, por medio del throughput del enlace descendente por ejemplo; 2, estimar el n´umero de usuarios por celda; 3, definir el tr´afico ofrecido (IP) por usuario y calcular el tr´afico ofrecido por celda; y 4, establecer el n´umero de canales en funci´on de los par´ametros obtenidos anteriormente y con una probabilidad de bloqueo determinada. De esta forma se puede observar que desde el punto de vista de los operadores 2.5 Conclusiones 65 es clave que las reglas concluyan en recetas relativamente sencillas a las que recurrir para el dimensionado de sus redes. 2.5. Conclusiones En este cap´ıtulo hemos presentado dos secciones en las que, por un lado, se muestran los conceptos, funciones y mecanismos de la asignaci´on de los recursos de las redes m´oviles celulares y, por otro lado, el modelado y criterios de QoS en los mecanismos de asignaci´on de los recursos para estas redes. De forma concreta, se han descrito los tipos de gesti´on de recursos radio en las redes actuales con escenarios heterog´eneos y las distintas tecnolog´ıas asociadas. En cuanto a los modelos de asignaci´on de los recursos se puede concluir que, en funci´on del tipo de tr´afico, voz o datos, los esquemas de asignaci´on de los canales pueden basarse en la compartici´on de los recursos por medio de repositorios comunes de recursos o, de forma alternativa, distinguir el tipo de repositorio para cada clase de tr´afico. As´ı, se han presentado distintos esquemas para EGPRS/EDGE de la literatura cient´ıfica. Por ´ultimo se introducen aspectos sobre el modelado de los esquemas de asignaci´on de los recursos radio por medio de los modelos de colas. Estos modelos permiten evaluar y estimar valores de los par´ametros de QoS de los sistemas, as´ı como reglas de dimensionado que permiten la gesti´on eficiente de la red. Cap´ıtulo 3 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE 3.1. Introducci´on Este cap´ıtulo presenta una metodolog´ıa que se sirve de la capacidad multislot de los terminales m´oviles para optimizar la asignaci´on de los canales por parte de la red. En concreto, esta capacidad multislot viene condicionada a que la transmisi´on del tr´afico de datos para un mismo usuario en un misma llamada ha de tener el canal correspondiente canal ubicado en un conjunto de recursos (time-slots) contiguos en el tiempo. A modo de ejemplo, si se dispusiese de tres canales en una celda con las tres portadoras correspondientes, en una situaci´on tal como se muestra en la Figura 3.1 y se solicitase por parte de una aplicaci´on (usuario o terminal) una capacidad que implicase el uso de varios recursos (time-slots) para la transmisi´on de sus datos, podr´ıa ocurrir que no ser´ıa posible asignar en ninguna de las tres frecuencias nuevos canales con capacidad multislot (2 ´o m´as time-slots) puesto que no hay posibilidad de ubicar dicha llamada en time-slots consecutivos libres para alguna de las frecuencias del repositorio. Este ejemplo tambi´en es v´alido si ´unicamente esta situaci´on se centrara en una determinada portadora. Por ejemplo la portadora TRx2, tal como se muestra en la Figura 3.1), dispone de cuatro time-slots libres pero no consecutivos. La capacidad de un usuario para transmitir los datos al cu´adruple de la velocidad de transmisi´on con un solo time-slot, no es posible por la fragmentaci´on de los time-slots en ocupados y no ocupados de forma disjunta en el tiempo. Este hecho implica que en el momento descrito, 68 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE no se podr´ıan asignar, por ejemplo, dos time-slots a dos terminales para cada uno de ellos. Esto significar´ıa que el usuario no dispondr´ıa del doble de velocidad de transmisi´on para transmitir sus datos, as´ı como la combinaci´on de un usuario haciendo uso de tres time-slots, velocidad triple con respecto a otro usuario en el que se le asigne el cuarto time-slot libre. SDCCHPDCCH TRx1 TRx2 TRx3 PDCH us8 TCH TCH PDCH us11 PDCH Recurso libreRecurso ocupado por TCH Recurso ocupado por TCH TCH PDCH us3 PDCH us1 PDCH us9 TCH PDCH us7 TCH PDCH ocupado por canal de datos TCH ocupado por canal de voz us#: Usuario número Figura 3.1: Situaci´on moment´anea de imposibilidad de capacidad multislot para tr´afico de datos Aqu´ı se presenta y analiza una estrategia inicial para asignar de una manera eficiente, no solo evitar el problema comentado anteriormente sino incrementar considerablemente la probabilidad de ofrecer unas tasas de pico mayores con respecto a usar una asignaci´on aleatoria de los recursos. Al m´etodo de asignaci´on lo hemos denominado compartido por r´afagas. En este m´etodo se propone una estrategia de asignaci´on de los recursos y un an´alisis de los estados y las probabilidades de permanecer en cada uno de los estados por los que pasa el sistema. De esta forma con los valores obtenidos se puede estimar los recursos disponibles que, por parte de la red, se requieren para distribuirlos de forma m´as eficiente entre los usuarios a los que proporciona el servicio. 3.2. Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas El m´etodo de asignaci´on de los canales que en esta secci´on se presenta, corresponde a un esquema en el que se requiere que el n´umero de recursos disponibles y dedicados a la transmisi´on de datos sea el m´aximo posible. Es 3.2 Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas 69 por esto que cuando se asignen los canales para voz o para el tr´afico de datos, estos recursos se localicen por medio de una pol´ıtica que permita optimizar la capacidad de los usuarios de datos. En primer lugar destacamos que la asignaci´on de los canales ser´a concretamente para un n´umero de recursos igual a ocho time-slots, con lo cual hemos de resolver tres cuestiones cuales son: 1. C´omo identificar los recursos. 2. C´omo se asigna el recurso. 3. Qu´e ocurre cuando se libere un recurso. Contestando a la primera cuesti´on y dado que hay ocho time-slots en una trama [3GPP GERAN (2011)], cada uno de los recursos se indica por medio de los n´umeros de identificaci´on ”ID numbers”, desde el n´umero ID 0 hasta el n´umero ID 7. Cada time-slot se denominar´a como ocupado cuando una llamada de voz o de datos lo est´e usando, en cambio habr´a ”huecos” en los time-slots no utilizados que podr´an ser ocupados posteriormente por nuevas entradas en el sistema. Podemos considerar que para indicar la ocupaci´on o disponibilidad de los time-slots, utilizaremos la notaci´on en binario y con longitud de los recursos n, en base 2, tenemos pues que una posici´on toma el valor 1 si el time-slot con ese n´umero de identificador est´a ocupado y 0 en caso contrario. Adem´as, definiremos el Estado rpara r= 0, . . . , 2n−1, por el mismo n´umero en base 10. Por ejemplo, si n= 8, el estado 5 es [00000101]. Por tanto, nos referimos al Estado rindistintamente por ro por [rn−1, . . . , r1, r0], siendo ri={0,1},esto es: Estado r:= 7 X numID=0 2numID ·b(numID), donde: b(numID) = 1 cuando el time-slot con ese n´umero de identificador est´e ocupado y 0 en caso contrario. En la Figura 3.2 podemos observar el estado 5, ocupados los time-slots con numID 0 y 2), y el estado 7, ocupados los time-slots con numID 0, 1 y 2. 70 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE Slots ID 7 6 5 4 3 2 1 0 Slots ID 7 6 5 4 3 2 1 0 Figura 3.2: Ejemplo de asignaci´on de time-slots En cuanto a la segunda cuesti´on, c´omo se asignan uno o varios recursos, emplearemos el m´etodo conocido como First Fit [Ivanovich et alt. (2002)]. Este m´etodo consiste en la asignaci´on de una nueva llamada al time-slot libre con el n´umero de identificador m´as peque˜no. En la Figura 3.2, inicialmente disponemos de dos time-slots ocupados, ID 0 e ID 2, de tal forma que la nueva asignaci´on ocupar´a el time-slot con el menor ID que corresponder´a en este caso al time-slot n´umero ID 1, tal como aparece en la Figura 3.2, corresponde al estado 7 en el que los tres time-slots con menor n´umero de identificador est´an ocupados. No obstante, independientemente del lugar que ocupe la llamada en los posibles time-slots, cuando uno de ellos se libere, se producir´a un hueco o slot libre sin ning´un tipo de reordenaci´on de los time-slots ocupados. Este m´etodo evita fundamentalmente la excesiva fragmentaci´on de los time-slots consecutivos. A priori, se puede estimar que la probabilidad de encontrar time-slots libres consecutivos es alta y de esta manera un operador puede disponer potencialmente de lugares en los que asignar los canales de las estaciones m´oviles por medio de la capacidad multislot para el tr´afico de datos procedente de un usuario. 3.2.1. An´alisis del modelo En el modelo propuesto de asignaci´on de recursos, time-slots,atendiendo a el trabajos de [Ivanovich et alt. (2002)], para el tr´afico de voz usando conmutaci´on de circuitos se parte de dos presunciones: la primera de ellas es que los tiempos de llegadas son independientes entre s´ı y se describen por medio de una distribuci´on exponencial negativa con media 1/λ, es decir, implica 3.2 Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas 71 un proceso de llegadas de Poisson. Siendo λel n´umero medio de llamadas que entran al sistema por unidad de tiempo. La segunda presunci´on es que el tiempo de duraci´on de la llamada es aleatoria y se describe por medio de una distribuci´on exponencial cuya media es 1/µ, siendo µla tasa media de servicio de llamadas por unidad de tiempo [Itkonen et alt. (2002)]. El mecanismo de asignaci´on de los recursos First Fit puede modelarse por medio de un diagrama de estados. Cada situaci´on en el modelo puede representarse usando una cadena de Markov. El modelo visto como una cadena estoc´astica discreta puede construirse atendiendo al desarrollo futuro de la cadena y solo depende del estado actual y no de c´omo se ha llegado al estado actual. Por tanto, este modelo corresponde a un modelo markoviano que puede resolverse por medio de un sistema de ecuaciones correspondiente a la transici´on de los estados posibles por los que pasa el sistema. En el caso de utilizar ocho time-slots disponemos de 256 estados y sus posibles transiciones. Para obtener las probabilidades de permanecer en cada uno de los estados se ha de resolver el sistema de ecuaciones de transici´on correspondiente. De forma anal´ıtica a partir de las ecuaciones de transici´on se puede generalizar la resoluci´on del sistema con un n´umero de time-slots ndisponibles, no necesariamente n= 8 time-slots. Para el estado r= 0, . . . , 2n−1,la ecuaci´on de transici´on de dicho estado rse expresa por medio de (3.1): [b(ir< n)λ+irµ]P(r) = =b(ir< n)µ n−1 X j=kr j:rj=0 P(2j+r) + b(kr>0)λ kr−1 X j=0 P(r−2j) (3.1) donde: ires el n´umero de time-slots ocupados del estado r(es decir, ir= Pn−1 j=0 rj) kres el menor n´umero ID que est´a libre, igualmente el n´umero de timeslots consecutivos ocupados al principio de la trama, (kr= 0 siempre que r0= 0) b(Expresion) es 1 si la Expresion es verdadera ´o 0 en caso contrario. 72 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE Para continuar con el mismo ejemplo anterior, si consideramos n= 8 la ecuaci´on de transici´on para el estado 5 ´o ([00000101]) se reduce a la expresi´on (3.2): [λ+ 2µ]·P(5) = µ·[P(7) + P(13) + P(21) + P(37) + +P(69) + P(133)] + λ·P(4) (3.2) La primera parte de la ecuaci´on determina que el Estado 5 bien puede transitar a dos estados distintos si una de sus llamadas se libera o bien se convierte en un nuevo estado si llega una nueva llamada. La segunda parte de la ecuaci´on de transici´on denota que el Estado 5 procede de cualquier llamada que se libera de los estados 7, 13, 21, 37, 69 y 133 ´o de cualquier llamada que se produzca procedente del estado 4. Estas transiciones se muestran en la Figura 3.3.  00000101 00000111 00001101 00010101 00100101 00000001 10000101 01000101 00000100         Figura 3.3: Diagrama de transici´on para el estado 5 con 8 time-slots Con el objetivo de resolver el sistema de ecuaciones de transici´on o, de la misma forma, encontrar la probabilidad de cada uno de los estados, se ha de fijar la Probabilidad de Bloqueo y el tr´afico que se ofrece a los recursos. En el caso usual de una probabilidad de bloqueo del 1 % y tr´afico ofrecido de 3,13 Erlangs, se obtiene para cada estado rsu correspondiente probabilidad P(r). En las Figuras 3.4 y 3.5 se puede observar, tras la resoluci´on del sistema de ecuaciones, los valores de las probabilidades para cada uno de los estados. 3.2 Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas 73 Si centramos la atenci´on en el ´ultimo estado (255) podemos observar que el valor de bloqueo del sistema, es decir, de todos los time-slots ocupados corresponde justamente a los valores de 0,01 para el caso del 1 % y de 0,02 para el caso del 2 % respectivamente. 0 50 100 150 200 250 300 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 State (i) State probability (Pi) EDGE: Pi with Bloking Probability Figura 3.4: Probabilidades de encontrar estados con una probabilidad de bloqueo del 1 % 3.2.2. Concepto de r´afagas: programaci´on y an´alisis El prop´osito de introducir un nuevo concepto en el modelo que se estudia, a partir del conocimiento de las probabilidades de permanecer en cada uno de los estados del sistema y calculadas a partir de la resoluci´on del sistema de ecuaciones, se est´a en disposici´on de describir dos maneras de determinar la probabilidad de encontrar un n´umero dado de time-slots libres consecutivos. Esto significa la potencialidad de encontrar la disponibilidad de conseguir conocer el n´umero estimado de time-slots para el transporte del tr´afico de datos. A este n´umero de time-slots libres consecutivos lo denominamos r´afaga (burst), es decir, la r´afaga consiste en un grupo de recursos contiguos libres 80 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE Q(n, m) = ∪2t−1 i=0 {(1 + 2i)2m} ∪ {2t+C(t, m)}∪ ∪t i=1 ∪2t−i−1 j=0 {(1 + 2j)2i+m+ 2i−1+C(i−1, m)}, (3.3) para n>m+ 1 y t=n−m−1.Esta expresi´on es recursiva, por tanto puede ser escrita incluyendo solo los elementos previos Q(i, m) sabiendo que Q(i, m) y C(i, m) son complementarios. As´ı, se puede reemplazar cada C(i, m) que aparece en (3.3) por: C(i, m) = ∪2i−1 k=0 {k} \ Q(i, m). Los valores de contorno de Q(n, m) para (3.3) son: Q(n, m) =    ∅si n < m {0}si n=m {1,2m}si n=m+ 1. La ecuaci´on (3.3) enumera todos los elementos de Q(n, m) buscando la primera r´afaga de longitud mcomenzando por la parte derecha de la secuencia, el s´ımil con n´umeros binarios ser´ıan los menos significativos de una secuencia binaria, de tal forma que se asegura que las uniones en (3.3) son disjuntas. As´ı, ∪2t−1 i=0 {(1 + 2i)2m}incorpora todos los ´ındices que poseen la primera r´afaga de mtime-slots libres consecutivos a partir del time-slot ID 0 hasta el ID m−1. Esta expresi´on contempla que pueda haber eventualmente m´as r´afagas de longitud mque aparezcan pr´oximas por la parte m´as significativa de la secuencia (zona derecha de la secuencia). De forma similar, la segunda uni´on 2t+C(t, m) incorpora todos los´ındicen que tienen la primera r´afaga de longitud mdesde el time-slot con ID n−m hasta el ID n−1. En consecuencia no hay m´as r´afagas de longitud mque aparezcan m´as tarde en la secuencia y es as´ı porque se necesita el conjunto C(t, m),de ´ındices sin r´afagas de longitud men el resto de la secuencia. La uni´on doble establece todos los ´ındices donde la primera r´afaga de longitud m(comenzado desde la parte derecha de la secuencia) aparecen en la mitad de la secuencia. Es decir, existe una r´afaga de longitud mcon los 3.2 Modelo de asignaci´on compartida por r´afagas 81 time-slots ocupados a la derecha de la secuencia despu´es de haber encontrado la r´afaga y antes de encontrar la r´afaga. El ´ındice ide la doble uni´on recorre todas las posibilidades de un time-slot ocupado en el time-slot ID i−1, m time-slots desde el ID ihasta el ID i+m−1 y un time-slot ocupado en el time-slot con ID i+m. Luego no existen r´afagas de longitud mantes de la posici´on iy es por lo que aparece C(i−1, m) en la doble uni´on. Adem´as no hay restricciones por las que puedan aparecer despu´es del time-slot ocupado en el time-slot con ID i+my tambi´en teniendo en cuenta todas las posibles subsecuencias despu´es del time-sot ocupado. La representaci´on gr´afica de la expresi´on (3.3) para un caso concreto se muestra en la Figura 3.11, en las que se representan todos los estados con n= 8 conteniendo r´afagas de longitud m= 2 en el time slot cuyo ID es 4 y 5 (representados en un sombreado gris claro frente al gris oscuro que representan los time-slots ocupados). Todos los estados de la Figura 3.11 se enumeran por medio de la expresi´on (3.3) en la doble uni´on para i= 4 excepto para cuatro de ellos: los estados 73 y 201 que contienen una r´afaga previa con longitud m= 2 contemplada en la doble uni´on cuando i= 1,y de forma similar, los estados 76 y 204 que se cuentan antes dentro de la primera uni´on. En (3.3) para computar Q(n, m) se puede simplificar en muchos casos, algunas veces sin necesidad de utilizar el m´etodo recursivo. Por ejemplo, para cualquier 2m≥n>m+ 1,en tal caso, existe solo una r´afaga de mtimeslots libres consecutivos y no hay r´afagas con longitudes mayores, as´ı no es necesario contar los elementos previos Q(i, m) una vez tengamos localizadas las r´afagas de longitud m. Esto implica que la expresi´on cerrada (3.4) a la que llegamos para Q(n, m) es: Q(n, m) = 2t−1 [ i=0 {(1 + 2i)2m} ∪ 2t−1 [ i=0 {2t+i}∪ t [ i=1 2i−1−1 [ k=0 2t−i−1 [ j=0 {(1 + 2j)2i+m+ 2i−1+k}(3.4) para 2m≥n > m + 1, t =n−m−1. cuyo cardinal es: |Q(n, m)|= 2t+1 +t·2t−1. Un ejemplo que muestra estas recurrencias para el caso donde n= 8, 82 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE State 72 State 73 State 74 State 75 State 76 State 77 State 78 State 79 State 200 State 201 State 202 State 203 State 204 State 205 State 206 State 207 Figura 3.11: Representaci´on de los estados con r´afagas de m=2 (gris claro) en posiciones central-izquierda si m= 8: Q(8,8) = {0},cuyo cardinal es |Q(8,8)|= 1; m= 7 :Q(8,7) = {1,128}cuyo cardinal es |Q(8,7)|= 2; m= 6 :Q(8,6) = {2,3,64,129,192}cuyo cardinal es |Q(8,6)|= 5; m= 5 :Q(8,5) = {4,5,6,7,32,65,96,130,131,160,193,224}cuyo cardinal es |Q(8,5)|= 12; m= 4 : Q(8,4) = {8,9,10,11,12,13,14,15,16,33, 48,66,67,80,97,112,132,133,134,135, 144,161,176,194,195,208,225,240}. 3.3 Esquema de asignaci´on repacking 83 cuyo cardinal es |Q(8,4)|= 28. En el caso de m= 3 cuyo cardinal es |Q(8,3)|= 61, los valores son: Q(8,3) = {8,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, 34,35,40,49,56,68,69,70,71,72,81,88,98,99,104, 113,120,136,137,138,139,140,141,142,143,145,152, 162,163,168,177,184,196,197,198,199,200,209,216, 226,227,232,241,248,}. En el caso de m= 2 cuyo cardinal es |Q(8,2)|= 120, los valores son: Q(8,2) = {4,9,12,18,19,20,25,28,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41, 42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59, 60,61,62,63,68,72,73,74,75,76,77,78,79,82,83,84,89,92, 100,101,102,103,105,108,114,115,116,121,124,132,137,140, 144,145,146,147,148,149,150,151,152,153,154,155,156,157, 158,159,164,165,166,167,169,172,178,179,180,185,188,196, 200,201,202,203,204,205,206,207,210,211,212,217,220,228, 229,230,231,233,236,242,243,244,249,252}. El objetivo de estas expresiones no es m´as que, finalmente, obtener la suma global de todas las probabilidades de los estados que encontramos con Q(n, m),as´ı conseguiremos la probabilidad de encontrar una r´afaga de longitud men una secuencia de longitud n. En concreto, un ejemplo en el que los valores obtenidos de las probabilidades de encontrar una determinada r´afaga de longitud m, se muestran gr´aficamente en la secci´on anterior en la Figura 3.7 y la Figura 3.8. 3.3. Esquema de asignaci´on repacking 3.3.1. Modelo repacking Recordemos que el m´etodo de repacking optimiza la utilizaci´on de los canales a un extremo del repositorio, lo que significa que los recursos estar´an 84 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE disponibles para los usuarios de forma consecutiva. Este m´etodo hace uso del intracell handover (traspaso dentro de la misma c´elula) consistente en la re-asignaci´on al time-slot libre con el menor n´umero de identificador, todo ello para aquellas llamadas que ocupen posiciones no contiguas. Este m´etodo, en general, puede incluir la asignaci´on contigua entre distintas portadoras de frecuencia dentro de la misma celda. El gran inconveniente de este m´etodo es que si se produce un gran n´umero de traspasos dentro de la misma celda durante una llamada se pueden producir efectos negativos en cuanto a la calidad del servicio. En particular para per´ıodos de expulsi´on de una llamada por encima de los 450ms de duraci´on puede ocurrir que cada vez que un usuario en una llamada se reubica a otra posici´on se producen deficiencias en el servicio ofrecido al usuario. Esto modelo determina que solo pueda existir con nrecursos n+1 posibles estados. Para el caso de n= 8 los estados ser´an: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8, correspondiendo con los time-slots ocupados en cada momento. Gr´aficamente este modelo se muestra en la Figura 3.12. De forma an´aloga a como hemos descrito para el modelo secuencial, podemos formular las siguientes expresiones que definen el mecanismo de asignaci´on repacking: λP0−µP1= 0 −λP0+ (λ+µ)P1−2µP2= 0 −λP1+ (λ+ 2µ)P2−3µP3= 0 −λP2+ (λ+ 3µ)P3−4µP4= 0 −λP3+ (λ+ 4µ)P4−5µP5= 0 −λP4+ (λ+ 5µ)P5−6µP6= 0 −λP5+ (λ+ 6µ)P3−7µP7= 0 −λP6+ (λ+ 7µ)P7−8µP8= 0 −λP7+ 8µP8= 0 Podemos generalizar que con un n´umero de time-slots ny para cada estado rse puede concluir que expresi´on que permite calcular las probabilidades de permanecer en cualquiera de los posibles estados por los que pasa el sistema es (3.5): 3.3 Esquema de asignaci´on repacking 85 7 6 5 4 3 2 1 0 State 1 State 2 State 3 State 4 State 5 State 6 State 7 State 8 State 0 Figura 3.12: Representaci´on de los estados en el m´etodo repacking λPrϕ(r+ 1) + rµPrϕ(r−1) = λPr−1ϕ(r)+(r+ 1)µPr+1ϕ(r) (3.5) donde sea Ψ = 1..n el conjunto de posibles estados y por medio de la funci´on ϕ(r) se indica si el estado res posible o no, es decir, ϕ(r) toma dos valores posibles, el valor 1 cuando el estado es factible y el valor 0 en caso contrario. En concreto, los posibles estados en cada una de las ecuaciones son el anterior y posterior, excepto en el caso de la ecuaci´on referente al primer estado, 0, que no tiene anterior, y el ´ultimo estado nque no tiene posterior. 86 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE A partir de estas ecuaciones y satisfaciendo la ecuaci´on donde la suma de todas las probabilidades es la unidad, calcularemos las probabilidades de estar en cada uno de los n+ 1 estados. La situaci´on final (Figura 3.12) implica que de forma transitoria, cuando se produzca un hueco en el conjunto de time-slots a asignar, es necesario comprobar que todos los time-slots asignados sean contiguos. En concreto, en la mayor´ıa de los casos esto no es as´ı, por tanto, es necesario realizar el traspaso dentro de la misma celda, intracell handover. Esto significa que en la misma celda ha de haber un nuevo lugar para la asignaci´on. Esta situaci´on se muestra en la Figura 3.13. 7 6 5 4 3 2 1 0 Estado transitorio 7 6 5 4 3 2 1 0 Estado final Figura 3.13: Proceso de intra-cell handover 3.3.2. Resultados Se puede observar en la Figura 3.14 que para n= 8 la funci´on de probabilidad es fija y mucho m´as probable encontrar seis time-slots consecutivos libres con una Probabilidad de Bloqueo del 1 % que en el caso en el que el bloqueo sea del 2 % (Figura 3.15) donde es m´as probable encontrar cuatro time-slots libres que en el caso de bloqueo del 1 %. No obstante, en ambos casos es visible que la probabilidad de encontrar r´afagas de 5 time-slots es la mayor posible. Con este m´etodo, podemos suponer que el mecanismo de sincronizaci´on puede tener problemas en la relaci´on portadora/interferencia (C/I) con las celdas vecinas, en asignaci´on de frecuencias pr´oximas. Sin embargo, las estaciones base no se sincronizan con el mismo reloj y, por tanto, este hecho permite que los traspasos dentro de la misma celda (intracell handover) no afecten a celdas pr´oximas o vecinas. En otro orden de cosas, una cuesti´on es el hecho de que se necesitan un n´umero importante de traspasos (Figura (3.13)) dentro de la celda para 3.3 Esquema de asignaci´on repacking 87 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Number of slots Probability value REPAKING METHOD: Finding n free slots to E−GPRS Figura 3.14: Distribuci´on de probabilidad con una probabilidad de bloqueo del 1 % usando el m´etodo repacking 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Number of slots Probability value REPAKING METHOD: Finding n free slots to E−GPRS Figura 3.15: Distribuci´on de probabilidad con una probabilidad de bloqueo del 2 % usando el m´etodo repacking 88 Asignaci´on compartida de recursos en la red m´ovil EDGE obtener un mapa de asignaci´on compacto como es el m´etodo repacking. Esto supone lograr los estados mostrados en la Figura 3.12 y si disponemos de una media de kllamadas por unidad de tiempo y hemos calculado la tasa de repacking o el n´umero de traspasos en la celda, podemos calcular el n´umero de intracell handovers por llamada. Por ejemplo, si tenemos k llamadas por unidad de tiempo, la tasa de intracell handovers se calcula con las probabilidades obtenidas anteriormente y las tasas de terminaciones de llamadas. As´ı es posible tener una idea de cuanto se carga el sistema con el mecanismo repacking partiendo del n´umero medio de llamadas por unidad de tiempo. 3.4. Conclusiones Se puede concluir que, por un lado, la localizaci´on para el tr´afico de voz de los time-slots de forma consecutiva en el tiempo (m´etodo First Fit) implica un mecanismo que facilita la ubicaci´on posterior del tr´afico de datos en posiciones tambi´en contiguas en el tiempo. Por otro lado, el modelado de este mecanismo permite conocer las probabilidades de tener estados con time-slots libres consecutivos, es decir, r´afagas de recursos que, distribuidos por el operador de red en funci´on de la demanda de los usuarios, significa mejorar la eficiencia y el rendimiento medido en t´erminos de QoS. De forma obvia, con los resultados obtenidos y, de forma general, se concluye que las probabilidades de encontrar r´afagas cortas de 1, 2 y 3 time-slots libres consecutivos, suponen el mayor porcentaje de tiempo del sistema. Este hecho significa la posibilidad de gestionar los recursos directamente atendiendo a las aplicaciones que requieran durante m´as tiempo un ancho de banda menor y en t´erminos de planificaci´on (scheduling), la posibilidad de optar por mecanismos que favorezcan durante m´as tiempo los paquetes/radio bloques m´as cortos con objeto de reducir el retardo del sistema. Es de resaltar que fijada la probabilidad de bloqueo del sistema, si ´esta es del 1 % se obtienen r´afagas para la transmisi´on de datos mayores que en el caso de fijar el bloqueo del sistema al 2 %. Implica que con menor probabilidad de bloqueo mayores recursos disponibles y mayor posibilidad de emplear la m´axima capacidad multislot posible del terminal de usuario para conseguir un throughput de pico mayor. Asimismo se ha presentado c´omo empleando un m´etodo recursivo podemos contar y enumerar todas las secuencias de ntime-slots con al menos un 3.4 Conclusiones 89 r´afaga (time-slots libres consecutivos) de valor m. Por ´ultimo se presentan en el m´etodo de repacking los resultados de probabilidades que arrojan probabilidades mayores de tener 4 y 5 time-slots libres consecutivos y, por tanto, mayor probabilidad de aprovechar la capacidad multislot, si bien hay que tener en cuenta que este m´etodo produce inconvenientes cuando el n´umero de traspasos dentro de la misma celda (intracell handover) aumenta. 96 Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE N´umero estado Vector 2n−2m[ n−m z}|{ 2· · · 2 m z }| { 0· · · 00] 2n−2m+ 1 [2 ···20 · · · 01] 2n−2m+ 2 [2 ···20 · · · 02] . . .. . . 2n−2m+1 + 3m[2 ···22 · · · 21] 2n−2m+ 3m−1 [2 ···22 · · · 22] Conviene resaltar que esta clasificaci´on de los estados en dos bloques no es totalmente estricta pues, en algunos casos, hay estados de un bloque que se pueden convertir en estados del otro bloque. El caso en que una llamada se libera o llega una nueva llamada, por ejemplo, si una llamada de voz se libera en el estado [2, . . . , 2,0, . . . , 0] desde el segundo bloque - se asume que ´esta es la llamada que ocupa la posici´on gr´aficamente m´as hacia la izquierda (en notaci´on binaria ser´ıa la posici´on m´as significativa) - el estado se convertir´ıa en [0,2. . . , 2,0, . . . , 0],que representa el estado 2n−1−2my uno de los estados del primer bloque. Este tipo de cambio de base se representa en las ecuaciones de transici´on por medio de un t´ermino auxiliar K, que solo se necesitar´ıa en el caso de contorno. 4.2.3. Resoluci´on del modelo El sistema de ecuaciones que resuelve el modelo expuesto, supone la distinci´on entre el tr´afico de voz y de datos, lo cual implica un desarrollo mayor de las ecuaciones presentadas en el modelo b´asico sin reserva de time-slots. Para ello es necesario definir las notaciones generales en las que un estado r, tendr´a ir,v yir,d que representan el n´umero total de time-slots ocupados con el tr´afico de voz y el tr´afico de datos respectivamente. De forma an´aloga, sea kr,v ykr,d el n´umero de time-slots consecutivos ocupados de la trama en sentido izquierda-derecha para tr´afico de voz y tr´afico de datos respectivamente. Para todos los estados ren los que no todos los recursos reservados para voz est´an ocupados, el subsistema de ecuaciones de transici´on corresponde a la siguiente expresi´on: [λv+b(ir,d < m)·λd+ir,v ·µv+ir,d ·µd]P(r) = 4.2 Reserva de recursos radio en EDGE 97 =b(ir,v < n −m−1) ·µv· n−m−1 X j=kr,v j:rn−1−j=0 P(2n−1−j+r)+ +b(ir,v =n−m−1) ·µv·P(2m(2n−m−1) + K)+ +b(ir,d < m)·µd· m−1 X j=kr,d j:rj=0 P(2j+r)+ +b(kr,v >0) ·λv· kr,v −1 X j=0 P(r−2n−1−j)+ +b(kr,d >0) ·λd· kr,d−1 X j=0 P(r−2j), donde K= m−1 X j=0 rj·3j. En resumen, en el caso espec´ıfico en el que no exista ning´un time-slot reservado (n=m), las ecuaciones de transici´on son muy similares a las expresadas en el cap´ıtulo anterior. No son exactamente iguales puesto que hay que distinguir entre los distintos tipos de tr´afico en este segundo modelo y considerar 3nestados distintos y no 2n, como en el modelo b´asico. A modo de ejemplo las ecuaciones para el caso de n= 4 y m= 2,se puede determinar que el estado 9 se representa como [2001] ∼[V00D] y su ecuaci´on de transici´on es: [λv+λd+µv+µd]P(9) = µv·P(13) + µd·P(11) + λv·P(1) + λd·P(8), La primera parte de la ecuaci´on determina que el estado 9 puede transitar a cuatro estados distintos: dos son posibles si una llamada de cualquier tipo se libera y los otros dos estados corresponden a una llamada de cualquier tipo que pueda llegar. La segunda parte de la ecuaci´on de transici´on denota que el estado 9 puede adquirirse siempre que una llamada de voz sea liberada procedente del estado 13, as´ı como una llamada de datos se libere procedente 98 Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE del estado 11, tambi´en si llega una llamada estando bien en el estado 1 o bien datos estando en el estado 8 (Fig. 4.2). Figura 4.2: Diagrama de transici´on para el estado 9 Llegados a este punto se definen las ecuaciones de los estados en los cuales todos los time-slots est´an ocupados. Es necesario una notaci´on adicional para este bloque de ecuaciones: primero, en el caso que se realice un traspaso en la misma celda (intracell −handover) cada vez que un recurso reservado se libere (si hubiera time-slots compartidos que est´an ocupados con tr´afico de voz), se necesita conocer el n´umero de identificador m´as peque˜no de un time-slot ocupado por una llamada de voz puesto que la llamada en ese recurso se asignar´a al time-slot reservado que se haya liberado. Para un estado cualquiera r, sea lr,el n´umero de identificador correspondiente a ese estado. En segundo lugar, sea λv,p la tasa de p´erdidas de las llamadas de voz para los time-slots reservados, dada una Probabilidad de Bloqueo para los time-slots reservados, BPR, ser´a: λv,p =λv·BPR). En consecuencia, teniendo en cuenta la notaci´on expuesta, para los estados ren los que todos los time-slots est´en ocupados, la relaci´on de ecuaciones de transici´on correspondiente ser´a: [b(ir,d +ir,v < n −1)(λv+λd) + ir,v ·µv+ir,d ·µd]P(r) = =b(ir,v +ir,d < n −1)    m−1 X j=kr,d j:rj=0 (µdP(3j+r) + µvP(2 ·3j+r))+ 4.2 Reserva de recursos radio en EDGE 99 +b(kr,d < lr)· lr−1 X j=kr,d j:rj=0 (n−m)·µv·P(2 ·3j+r)   + +b(kr,d >0) ·λd· kr,d−1 X j=0 j:rj=1 P(r−3j)+ +b(kr,v > n −m)·λv,p · kr,v X j=n−m−1 j:rn−j=2 P(r−2·3n−j)+ +b(ir,v =n−m−1) ·λv· n−1 X j=m P(K−2j), where K= m−1 X j=0 rj·2j+ n−1 X j=m 2j. Para ilustrar estas ecuaciones, podemos poner como ejemplo con n= 4 y m= 2,el estado 20 se representa como [2222] ∼[V V V V ] y su ecuaci´on de transici´on es: 4·µv·P(20) = λv·(P(18) + P(14)) La ecuaci´on correspondiente al estado 20 aparece bien por una llegada de una llamada de voz procedente del estado 14 ([2220]) ´o bien del estado 18 ([2202]). La primera parte de la ecuaci´on determina que el estado 20 pueda convertirse en cuatro estados si una de las llamadas de voz se libera, no necesariamente en distintos estados puesto que en este caso se realizar´ıa el traspaso dentro de la misma celda (intracell −handover). Es de resaltar que [2022] no es un estado posible puesto que hay un time-slot reservado libre y se realizar´ıa el traspaso dentro de la misma celda. El estado posible correspondiente para esta situaci´on ser´ıa el [2220],esto se debe a que la llamada de voz con el n´umero menor de identificador se traslada para ocupar el recurso que ocupaba la llamada liberada en los time-slots reservados. As´ı, si las llamadas ocupan n´umeros de identificador 0, 2 ´o 3 y estos se liberan, el estado 20 transitar´a al estado 14 con un factor de probabilidad de 3µvy 100 Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE cuando la llamada ocupe el time-slot cuyo n´umero de identificador es el 1 el estado 20 se puede convertir en el estado 18 (Fig. 4.3). Figura 4.3: Diagrama de transici´on para el estado 20 4.2.4. Medidas de rendimiento Con objeto de obtener medidas del throughput en distintos escenarios con el modelo expuesto, en primer lugar es necesario calcular las probabilidades de encontrar r´afagas con reservas de time-slots para el tr´afico de datos. El primer escenario corresponde con disponer de todos los recursos para compartir tanto para voz como para datos (n= 8), es decir, sin reserva de recursos que utilizando la notaci´on previa: n−m= 0. Los siguientes escenarios corresponden con la reserva de 1, 2, 3 ´o 4 time-slots reservados para el tr´afico de voz respectivamente. Para cada uno de los casos se determina la longitud media de r´afagas con una probabilidad de bloqueo del 1 % y del 5 %. En cada uno de los casos es posible calcular el m´aximo throughput cuando un terminal m´ovil dispone de un n´umero de time-slots para asignar a sus canales de datos. En las figuras Fig. 4.4 y Fig. 4.5 se ilustran algunos resultados en los que se trata de encontrar las r´afagas de una longitud dada con n= 8 time-slots. La Figura 4.4 muestra los cinco escenarios se˜nalados anteriormente en una ´unica gr´afica con una probabilidad de bloqueo del 1 %, as´ı como en la Figura 4.5 la probabilidad de bloqueo es del 5 %. Si se definen todas las r´afagas con una longitud menor o igual a 3 las r´afagas cortas y todas las r´afagas de longitud mayor o igual a 4 como largas, la diferencia m´as significativa entre los primeros escenarios en la Figura 4.4 y la Figura 4.5 es que la probabilidad de encontrar r´afagas largas es mayor con una probabilidad de bloqueo menor, del 1 %, frente a una probabilidad 4.2 Reserva de recursos radio en EDGE 101 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Length of the burst Probaility of finding the burst EDGE: Probabilities of finding bursts with reserved time slots for voice (n-m = 0..4), fixing the blocking probability to 1% n-m=0 n-m=1 n-m=2 n-m=3 m-n=4 Figura 4.4: Escenarios con n-m desde 0 hasta 4 time-slots reservados y probabilidad de bloqueo del 1 % de bloqueo mayor, del 5 %. En consecuencia, las tasas de pico mayores se obtienen con una menor probabilidad de bloqueo, es decir, cuando la capacidad del sistema para tr´afico de voz y tr´afico de datos es alta, tambi´en existe una alta probabilidad de transmitir datos con una tasa de pico mayor. En las figuras 4.4 y 4.5 tambi´en se puede observar que las tasas de pico para las r´afagas largas son mayores con una probabilidad de bloqueo menor que para el caso de probabilidad de bloqueo del 5 %. Esto implica un considerable incremento de la transmisi´on de datos del usuario y es de destacar que con menor probabilidad de bloqueo incrementan las tasa de datos de los usuarios. Si se examinan los escenarios con reserva de recursos para el tr´afico de voz en la figura 4.4 (n−m > 0), en todos los casos existe una caracter´ıstica com´un: la r´afaga mayor se concentra en la r´afaga de longitud 1 y la pr´oxima r´afaga m´as larga corresponde al valor de r´afaga mayor posible, es decir, de 102 Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Length of the burst Probaility of finding the burst EDGE: Probabilities of finding bursts with reserved time slots (n-m = 0..4), fixing the blocking probability to 5% n-m = 0 n-m = 1 n-m = 2 n-m = 3 n-m = 4 Figura 4.5: Escenarios con n-m desde 0 hasta 4 time-slots reservados y probabilidad de bloqueo del 5 % valor m. No obstante, las probabilidades de encontrar time-slots consecutivos libres para los casos intermedios (2 ≤x≤m−1)) son similares y menores que aquellos cuyas longitudes de r´afagas oscilan entre 1 y m. Por otro lado, incidiendo en los casos con time-slots reservados para voz seg´un la Figura 4.4, se puede apreciar que si el n´umero de recursos reservados para el tr´afico de voz se incrementa, la probabilidad de encontrar r´afagas con una longitud igual a 1 tambi´en se incrementa. Esto sucede fundamentalmente porque el n´umero de time-slots compartidos para datos y voz disminuye, as´ı se reduce el n´umero de posibles time-slots libres consecutivos. De hecho, estas probabilidades se concentran en la r´afaga de longitud 1, con la excepci´on del caso de n−m= 3 time-slots reservados, en los que la probabilidad m´as alta corresponde a la r´afaga de longitud 5. En la Figura 4.5 tambi´en se muestran los cuatro escenarios con la reserva 4.2 Reserva de recursos radio en EDGE 103 de recursos pero con la probabilidad de bloqueo del 5 %. Se puede observar que las probabilidades de encontrar r´afagas con longitud de 1 son mayores que el caso anterior donde la probabilidad de bloqueo era del 1 %, independientemente del n´umero de time-slots reservados. Por el contrario, las probabilidades de encontrar r´afagas con longitud la mayor posible, m, son ligeramente menores que en el caso de probabilidad de bloqueo del 1 %. En cuanto a los casos intermedios en los que las longitudes de las r´afagas cuyo rango es n−m= 2..m −1, las probabilidades de encontrar time-slots libres consecutivos de una longitud dada son similares tanto para probabilidad de bloqueo del 1 % como del 5 %. 4.2.5. Esquema de asignaci´on de recursos compartida con reserva para tr´afico de datos Hist´oricamente el operador de red ha requerido de canales para el tr´afico de voz puesto que la prioridad era mantener las comunicaciones de voz frente al transporte de datos. Sin embargo, cada vez m´as se hace necesario garantizar el transporte de datos y, por tanto, disponer de recursos radio donde localizar los canales de datos. De forma an´aloga al esquema presentado anteriormente para la reserva de recursos para el tr´afico de voz, el esquema de asignaci´on de recursos compartidos junto con la reserva de recursos para el tr´afico de datos consiste, b´asicamente, en dividir los recursos en los time-slots compartidos para ambos tipos de tr´afico, voz y datos, y los time-slots reservados para el tr´afico de datos (Figura 4.6). ID time-slots 7 6 5 4 3 2 1 0 Time-slots reservados Time-slots compartidos voz datos Figura 4.6: Asignaci´on de time-slots con reserva para tr´afico de datos De acuerdo a esta demanda de canales de datos para el transporte de la informaci´on por parte de los terminales m´oviles, el objetivo de esta secci´on es la de comparar ciertos escenarios y analizar la garant´ıa de QoS para el tr´afico 104 Asignaci´on con reserva de recursos para el sistema EDGE de datos. En concreto en las Figuras 4.7 y 4.8 se muestra la distribuci´on de los time-slots con uno y dos recursos reservados para los paquetes de datos y el resto de recursos compartidos para el tr´afico de voz y el tr´afico de datos. Haciendo uso de pocos recursos reservados para el tr´afico de datos, 1 y 2 time-slots en este caso, se pueden obtener grandes capacidades para los usuarios. Esto implica que disminuyendo el tr´afico de voz cursado, se puede incrementar las tasas de pico de los usuarios/aplicaciones de datos. A partir del modelo original de la asignaci´on de canales sin reserva de recursos, podemos contrastarla con la reserva de 1 y 2 time-slots para el tr´afico de datos. Para el supuesto en el que se reserve un solo time-slot para el tr´afico de datos, en la Tabla 4.1 se puede aprociar los valores calculados una vez se fija la probabilidad de bloqueo al 1 %. En la tabla 4.2 los valores mostrados corresponden a una probabilidad de bloqueo del 2 %. En ambos casos el hecho destacable es que, para la mayor´ıa de los valores de longitud de r´afagas, la probabilidad de encontrar un n´umero nde time-slots libres consecutivos es mayor cuando se hace la reserva del time-slot que sin reserva de recursos para el tr´afico de datos. Esto implica que se obtienen mayores tasas de pico para los usuarios y m´as oportunidades de asignaci´on de los recursos disponiendo de mayores r´afagas. El operador de red tendr´a mayores posibilidades de negociar los par´ametros de QoS con el usuario y ´este aprovechar la capacidad multislot de los terminales m´oviles. En las Tablas 4.3 y 4.4 se muestra la comparativa entre los valores de las probabilidades de encontrar r´afagas de longitud nsin reserva de recursos frente a utilizar la reserva de 2 time-slots para el tr´afico de datos. En el primer caso (Tabla 4.3) se fija la probabilidad de bloqueo al 1 % y en el segundo caso (Tabla 4.4) la probabilidad de bloqueo es del 2 %. Los resultados si bien son similares a los anteriormente expuestos con un solo ID time-slots 7 6 5 4 3 2 1 0 1 time-slot reservado Time-slots compartidos voz datos Figura 4.7: 8 time slots con 1 time-slot reservado y 7 time-slots compartidos 4.2 Reserva de recursos radio en EDGE 105 ID time-slots 7 6 5 4 3 2 1 0 2 time-slots reservados Time-slots compartidos voz datos Figura 4.8: 8 time slots con 2 time-slots reservados y 6 time-slots compartidos Longitud n de la ráfaga P(ráfaga n) con 8 time slots P(ráfaga n ) 7 + 1 time-slot reservado Incremento (%) 7+1 versus 8 time slots 1 0.0611 0,06282 + 0.17 2 0.1303 0,14056 + 1.02 3 0.1853 0,19772 + 1.24 4 0.2006 0,21951 + 1.89 5 0.1728 0,17885 + 0.60 60.1242 0,11727 - 0.69 7 0.0716 0,00083 - 7.07 8 0.0439 0,08243 + 3.85 Cuadro 4.1: Comparativa de probabilidades de encontrar r´afagas sin reserva y con reserva de 1 time-slot con Probabilidad de Bloqueo del 1 % time-slot reservado para datos - en cuanto a encontrar mayor probabilidad de r´afagas comprendidas entre 2, 3, 4 y 5 time-slots libres consecutivos - no obstante el tanto por ciento de incremento de r´afagas de estas longitudes se incrementa en m´as del 4 % en unos casos cuando se reservan 2 time-slots frente a reservar solo un time-slot. En particular, en el caso de encontrar r´afagas de longitud 8 se incrementa hasta m´as de un 6 % en el caso de fijar la probabilidad de bloqueo al 1 % si comparamos las Tablas 4.1 y 4.3 112 Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE tr´afico de voz, respectivamente. Esto significa que cuando todos los timeslots reservados est´an ocupados y todos los time-slots compartidos toman los valores de 0 ´o 1, contamos doblemente 2mestados. Todo ello teniendo en cuenta que el buffer no contiene elementos de datos en cola. Para el caso en el que todos los time-slots compartidos est´en ocupados bien con voz o con datos (2m), sabiendo que si est´an ocupando estos recursos con tr´afico de voz obligatoriamente todos los time-slots reservados tambi´en han de estar ocupados (2n−m), se ha de a˜nadir el producto de la capacidad del buffer por esta combinaci´on de estados en los que los time-slots compartidos est´en totalmente ocupados. Enumeramos los estados con n´umeros decimales, con un ejemplo muy sencillo se puede ilustrar los distintos estados para este esquema. El n´umero de time-slots es n= 4 y m= 2 time-slots compartidos para voz y datos. Si q= 1, los estados se presentan en funci´on de los siguientes rangos. Primero, denotamos los estados en los que no est´an ocupados totalmente los time-slots reservados y los representamos como n´umeros en base 2 (los primeros 2n−2m estados, 12 para este ejemplo). Primero consideramos que una posici´on toma un valor 1 si el time-slot con el n´umero de identificador correspondiente est´a ocupado, bien sea de tr´afico de voz o bien sea tr´afico de datos, y 0 en caso contrario. El valor 2 en los time-slots reservados representa la ocupaci´on por el tr´afico de voz. El valor separado por una coma indica cuantas posiciones hay ocupadas en el buffer, tal como se muestra a continuaci´on: N´umero estado Vector 0 [ n−m z}|{ 00 m z}|{ 00 , q z}|{ 0 ] 1 [0001,0] 2 [0010,0] 3 [0011,0] 4 [0200,0] 5 [0201,0] 6 [0210,0] 7 [0211,0] 8 [2000,0] 9 [2001,0] 10 [2010,0] 11 [2011,0] 5.2 Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering 113 Ahora, denotamos los estados en los siempre est´an ocupados totalmente los time-slots reservados y los representamos como n´umeros en base 3, esto es, el rango de valores desde el estado 2n−2mhasta el estado 3m+2n−2m−1, (del estado 12 hasta el 20 para este ejemplo). N´umero estado Vector 12 [ n−m z}|{ 22 m z}|{ 00 , q z}|{ 0 ] 13 [2201,0] 14 [2202,0] 15 [2210,0] 16 [2211,0] 17 [2212,0] 18 [2220,0] 19 [2221,0] 20 [2222,0] A continuaci´on enumeramos los estados que incluyen datos en el buffer, es decir, las posiciones de qocupadas que para este caso es q= 1. Esto significa los estados que comprendidos entre el estado 3m+ 2n−2mhasta el estado 3m+ 2n−2m+q·(2n−m+ 2m−1) −1,es decir, del estado 21 hasta el 27 para este ejemplo. En este rango se pueden distinguir dos bloques: el primero correspondiente a aquellos estados en los que todos los time-slots compartidos est´an ocupados por datos y al menos uno de los time-slots reservados est´a libre; el segundo bloque de estados corresponde a aquellos en los que todos los time-slots compartidos pueden estar ocupados tanto por voz como por datos. N´umero estado Vector 21 [ n−m z}|{ 00 m z}|{ 11 , q z}|{ 1 ] 22 [0211,1] 23 [2011,1] 24 [2211,1] 25 [2212,1] 26 [2221,1] 27 [2222,1] 114 Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE 5.2.2. Resoluci´on del modelo El sistema de ecuaciones correspondiente al esquema expuesto de tr´afico de voz y datos con reserva y buffering, implica la inclusi´on de todos los estados en los que interviene la cola de datos, por tanto una ampliaci´on de las ecuaciones presentadas en el modelo con reserva de recursos. Un recorrido del modelo desde lo particular hacia lo general nos lleva a observar por medio de ejemplos las ecuaciones que definen el sistema. A modo de ilustraci´on se puede observar en la Figura 5.2 el grado de complejidad que se puede formar ´unicamente con los valores de tama˜no de trama n= 3 timeslots, de los cuales m= 1 es el time-slot compartido y q= 1 el tama˜no del buffer. En la Figura 5.2 se pueden destacar los casos en los que, en primer lugar, la ocupaci´on de los time-slots reservados para el tr´afico de voz se ocupan de forma secuencial y, por tanto, para los estados [000,0],[00D, 0] ∼ [001,0],[00D, 1] ∼[001,1] cuando se produzca una llamada entrante de voz la transici´on s´olo podr´a ser a los estados [V00,0] ∼[200,0],[V0D, 0] ∼ [201,0],[V0D, 1] ∼[201,1] respectivamente. En segundo lugar, la transici´on desde el estado [V V V, 0] ∼[222,0] en el caso en el que cualquier llamada de voz termine, s´olo podr´a transitar al estado [V V 0,0] ∼[220,0]; esto se debe a que si el recurso que se libera es el primero o el segundo time-slot reservado, implicar´a de forma autom´atica un traspaso dentro de la misma celda (intracell −handover) de la llamada que est´e ocupando, en este caso, el time-slot compartido y pasar´a a ocupar el time-slot reservado, primero o segundo seg´un el caso. En tercer lugar y de forma similar al caso anterior, la liberaci´on de cualquier llamada de voz ocupando un time-slot reservado estando en el estado [V V V, 1] ∼[222,1] implicar´a que los datos que est´an ocupando la posici´on de la cola pasar´an siempre a ocupar, en este caso, el time-slot compartido y no otro puesto que nuevamente el time-slot liberado por la terminaci´on de la llamada implicar´a un intracell −handover siempre que sea el caso de cualquier time-slot reservado el que se libere, por tanto, la llamada que ocupaba el time-slot compartido pasar´a a ocupar la posici´on de reserva, es decir, transitar´a al estado [V V D, 0] ∼[221,0]. Siguiendo con el ejemplo en el que n= 4 time-slots de los cuales m= 2 time-slots son los compartidos y q= 1 es el tama˜no del buffer, la representaci´on de alguno de los estados del sistema y las ecuaciones de transici´on correspondientes las podemos observar a continuaci´on. Por ejemplo, para el estado 20, [V V V V, 0] ∼[2222,0], es decir donde tanto los time-slots compar- 5.2 Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering 115 VVV,0 0V0,0 V0D,0 VV0,0 00D,0 0VD,0 V00,0 000,0 VVD,0                                                 VVV,1 VVD,1        0VD,1 V0D,1     00D,1                       Figura 5.2: Diagrama de transici´on de estados para n=3 time-slots, m=1 time-slot compartido, q=1 elemento en cola) tidos como los reservados contienen tr´afico de voz y no hay elementos en la cola de espera, podemos observar en la Figura 5.3 las transiciones desde los es- 116 Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE tados previos y hacia los posteriores estados en los que puede estar el sistema. Es de destacar que, de forma similar a lo comentado anteriormente, la transici´on del estado 20, [V V V V, 0] ∼[2222,0] al estado 18, [V V V 0,0] ∼[2220,0], estar´a en funci´on de: bien la terminaci´on de una llamada en los time-slots reservados, por tanto, se producir´a una operaci´on intracell−handover, o bien el ´ultimo (n´umero de identificador menor) time-slot de los recursos compartidos libere este recurso porque acaba la llamada de voz. En el caso en que la liberaci´on del recurso con la llamada de voz est´e ocupando el time-slot m´as significativo de los recursos compartidos, la transici´on desde el estado 20 ser´ıa al estado 14, [V V 0V, 0] ∼[2202,0], tal como se muestra en la Figura 5.3. VVVV,0 VVVV,1 VVV0,0VV0V,0            Figura 5.3: Diagrama de transici´on para el estado 20 (n=4,m=2, q=1) La ecuaci´on que define este diagrama de transici´on es: [4µv+λd]·P(20) = λv·[(P(18) + P(14)], En el caso donde las transiciones parten y llegan al estado 24, [V V DD, 1] ∼ [2211,1], se puede observar en la Figura 5.4 como puede transitar a estados en los que el buffer sigue en la misma situaci´on para el caso en el que las llamadas de voz puedan terminar, o bien la situaci´on en la que se libera uno de los dos time-slots con tr´afico de datos y nuevos datos entran procedentes de la cola a ocupar el time-slot desocupado, es decir se pasar´ıa al estado 16, [V V DD, 0] ∼[2211,0]. La ecuaci´on que define esta situaci´on es: 5.2 Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering 117 [2µv+ 2µd]·P(24) = λd·(P(16) + λv·[(P(22) + P(23)], VVDD,1 0VDD,1 VVDD,0 V0DD,1             Figura 5.4: Diagrama de transici´on para el estado 24 (n=4,m=2, q=1) Las notaciones generales en las que un estado r, tendr´a ir,v yir,d que representan el n´umero total de time-slots ocupados con el tr´afico de voz y el tr´afico de datos respectivamente. De forma an´aloga, sea kr,v ykr,d el n´umero de time-slots consecutivos ocupados de la trama en sentido izquierda-derecha para tr´afico de voz y tr´afico de datos respectivamente. Atendiendo a lo expuesto y de forma gen´erica, se puede modelar este sistema con las ecuaciones de transici´on que se resumen en varios casos. En primer lugar, para todos los estados ren los que no todos los recursos reservados para voz est´an ocupados (los primeros 2n−2mestados), el subsistema de ecuaciones de transici´on corresponde a la siguiente expresi´on: [λv+b(ir,d < m)·λd+ir,v ·µv+ir,d ·µd]P(r) = =b(ir,v < n −m−1) ·µv· n−m−1 X j=kr,v j:rn−1−j=0 P(2n−1−j+r)+ +b(ir,v =n−m−1) ·µv·P(2m(2n−m−1) + K1)+ +b(ir,d =m)·µd·m·P(1 + 3m+ 2n−2m+K3)+ +b(ir,d < m −1) ·[µd· m−1 X j=kr,dj:rj=0 P(2j+r)]+ 118 Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE +b(kr,v >0) ·λv· kr,v −1 X j=0 P(r−2n−1−j)+ +b(kr,d >0) ·λd· kr,d−1 X j=0 P(r−2j), donde: K1= m−1 X j=0 rj·3j; K3= n−1 X j=m j:rj6=0 2n−j. Los t´erminos K1yK3representan cambios de base de los estados en funci´on de la transici´on que se haya producido. En concreto, K1indica aquellos estados en los que existe un time-slot reservado que est´a libre y pasa a estados donde todos los time-slots reservados est´an ocupados. En el caso del t´ermino K3, ´este indica el cambio de base de aquellos estados donde todos los time-slots compartidos est´an ocupados por datos y la cola est´a vac´ıa y pasa a estados en los que todos los time-slots compartidos se ocupan por datos y en la cola de datos hay posiciones ocupadas. La siguiente expresi´on representa las ecuaciones que comprenden desde el estado 2n−2mhasta el estado 3n+ 2n−2m−1 : [b(ir,d +ir,v < n −1) ·λv+b(ir,d < m −1) ·λd+ir,v ·µv+ir,d ·µd]P(r) = =b(ir,d +ir,v < n −1) ·[µd· n−kr,v −1 X j=kr,d j:rj=0 P(r+ 3m−j)+ + n−kr,v −1 X j=kr,d j:rj=0 P(r+ 2 ·3m−j)·½µvsi :j≥Lr+ (n−m)µvsi :j < Lr+¾ +b(kr,d >0) ·λd· kr,d−1 X j=kr,d j:rj=0 P(r−3m−j)+ 5.2 Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering 119 +b[(kr,v > n −m−1)&(Lr≤m−1)] ·λv· m−1 X j=n−kr,v j:rj=0 P(r−2·3m−j)+ +b(Lr=m−1) ·λv· n−1 X j=m P(K2−2n+m−j)+ +b(ir,d +ir,v =n−1) ·[µd·ir,d ·P(K4) + µv· m−1 X j=0j:rj=0 P(K4+ 2m−j)], donde: K2= 1 + m−1 X j=0 rj·2m+ n−1 X j=m 2n+m−j; K4= m−1 X j=0 [(rj−1) ·2m−j+ 3m+ 2n−2m+ 2n−m]. Tambi´en los t´erminos K2yK4representan cambios de base en los estados dependiendo de la transici´on de estos. El t´ermino K2indica un cambio de base de un estado en el que, por un lado, todos los time-slots reservados est´an ocupados y, por otro lado, ning´un time-slot de los compartidos contiene tr´afico de voz y pasa a un estado en el que hay un time-slot reservado libre. En el caso del t´ermino K4indica el cambio de base de aquellos estados donde todos los time-slots compartidos est´an, por un lado, ocupados por voz o datos y, por otro lado, la cola est´a vac´ıa y pasa a estados en los que todos los timeslots compartidos se ocupan por voz o datos y en la cola de datos hay una posici´on ocupada. El t´ermino Lrrepresenta el n´umero menor de identificador del time-slot que contiene una llamada de voz de los time-slots denominados compartidos. Este valor de Lrpermite conocer cu´al ha de ser la llamada que se ha de traspasar (intracell−handover) en caso de que cualquier time-slot reservado se haya liberado. El conjunto de ecuaciones que comprende el rango de estados que va desde el estado 3n+ 2n−2mhasta el estado 3n+ 2n−2m+q·(2n−m+ 2m−1),se concreta en la siguiente expresi´on: [b(B < q)·λd+b(ir,v < n −m−1) ·λv+ir,v ·µv+ir,d ·µd]P(r) = 120 Asignaci´on de recursos con reserva y buffering para EDGE =b(B > 1) ·λd·P(r−(2n−m+ 2m−1))+ +b(B= 1) ·λd     P(2m+Pn−1 i=m ri6=0 2n+m−i)si :ir,v < n −m−1 P(1 + 2n−2m+Pm−1 i=0 ri·3m−i)si :ir,v ≥n−m−1      + +b[(kr,v >0)&(Lr> m −1)] ·λv· n−1 X j=n−kr,v j:rj=0 P(r+ 2n−j)+ +b(B < q)·[ir,d ·µd·P(r+ (2n−m+ 2m−1))+ b(ir,v ≥n−m−1) ·(n−m+ 1) ·µv· m−1 X j=0 j:rj=0 P(r+ 2m−j+ 2n−m+ 2m−1)]+ +b(ir,v < n −m−1) ·µv· n−1 X j=m−1 j:rj=0 P(r+ 2n−1)]. Los t´erminos qyBrepresentan valores de la cola de datos, en concreto, q indica el tama˜no de la cola, buffer, y el t´ermino Brepresenta el n´umero de posiciones ocupadas en el buffer. En caso de que todos los time-slots compartidos est´en ocupados por datos, puede ocurrir que se libere alguno de estos time-slots y se ocupe por datos procedentes del buffer. En la situaci´on en la que todos los recursos reservados est´en ocupados y en los time-slots compartidos al menos hay una llamada de voz ocupando uno de estos recursos, estos estados pueden provenir de estados en los cuales el time-slot compartido por la llamada de voz estaba disponible anteriormente y exist´ıan time-slots ocupados con n´umeros de identificador de time-slots menores. 5.2.3. Medidas de rendimiento Con objeto de evaluar el modelo expuesto y analizar el grado de servicio del mismo, es necesario resolver el conjunto de ecuaciones que definen el sistema. Una vez resuelto el sistema se determinan los par´ametros que pueden repercutir en la eficiencia del sistema. Teniendo en cuenta que el elemento incorporado es el buffer, en consecuencia la probabilidad de p´erdida, la probabilidad de bloqueo y la probabilidad de demora son los factores clave que deben evaluarse. 5.2 Esquema de asignaci´on de recursos con reserva y buffering 121 As´ı, determinamos la probabilidad de p´erdida del sistema - probabilidad de que bien un bloque de datos o bien una llamada llegue al sistema y se pierda - cuando se fija el tr´afico ofrecido de datos y se var´ıa el tr´afico ofrecido de voz para una trama de n= 8 time-slots y con un n´umero recursos reservados entre 1 y 2 time-slots. En primer lugar, se eval´uan las probabilidades de p´erdida y de bloqueo del sistema con un cuando el tr´afico de voz es superior al tr´afico ofrecido de voz (TOv>> TOd). En este caso se puede observar en la Figura 5.5 que, haciendo variar la capacidad del buffer, se obtienen valores alrededor del 2 %, independientemente de la variaci´on del tr´afico de voz ofrecido para un tama˜no del buffer de q= 4, hasta aproximadamente el 40 % de probabilidad de p´erdida para un tama˜no del buffer de q= 1 para los valores m´as altos del tr´afico ofrecido de voz. Esto significa que se produce una p´erdida importante de las llamadas entrantes al sistema si el tama˜no del buffer es menor a una capacidad de q≤2 elementos. 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Tráfico Ofrecido de voz (Erlangs) Probabilidad de Pérdida (PP) EDGE: Tráfico de voz mayor que Tráfico de datos (4 Erlangs); n=8, m=1 time-slot de reserva 5 10 15 20 25 30 35 40 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Tráfico Ofrecido de voz (Erlangs) Probabilidad de Bloqueo (PB) EDGE: Tráfico de voz mayor que Tráfico de datos (4 Erlangs); n=8, m=1 time-slot de reserva q=1 q=2 q=3 q=4 Figura 5.5: Probabilidad de P´erdida y Probabilidad de Bloqueo para un sistema en el que el tr´afico de voz es mayor que el tr´afico de datos, n=8, m=1 Cap´ıtulo 6 Conclusiones y l´ıneas futuras 6.1. Conclusiones El objetivo general de esta tesis es la de proponer mecanismos para el desarrollo del sistema m´ovil celular EDGE. En particular, aportar contribuciones para la mejora de la eficiencia en cuanto a la asignaci´on de los recursos radio en esta red m´ovil para el tr´afico de voz y de radio paquetes. Una de las propuestas generales es la de aportar nuevos modelos de forma anal´ıtica que permitan estudiar el rendimiento de la asignaci´on de los recursos a los canales de los usuarios mejorando las tasas de pico. En concreto se desarrolla un modelo basado en cadenas de Markov para el estudio de la asignaci´on de recursos en un entorno FDMA/TDMA. En un entorno de referencia como es el sistema EDGE, la gesti´on de los recursos radio por parte de la red se centrar´a en la ordenaci´on de estos recursos y la localizaci´on de cada uno de ellos para utilizar distintos criterios que permitan maximizar el uso de estos recursos ofreciendo la calidad de servicio (QoS) requerida por los usuarios. Se presenta un primer modelo con distribuciones estad´ısticas tanto para voz como para datos correspondientes a llegadas markovianas y que se caracterizan por el uso ordenado de la asignaci´on del tr´afico de voz. Este primer esquema se presenta con la intenci´on de maximizar el n´umero de time-slots consecutivos libres (r´afagas) para la posterior asignaci´on del tr´afico de datos a los usuarios que desean transmitir mensajes, im´agenes y v´ıdeo. Empleando un m´etodo recursivo se ha enumerado y contabilizado todas las posibles secuencias de r´afagas para un valor dado de time-slots libres consecutivos. 130 Conclusiones y l´ıneas futuras Los resultados obtenidos con este primer modelo concluyen en que el mayor porcentaje de tiempo del sistema corresponde a estados con r´afagas cortas, en consecuencia en un posible esquema de planificaci´on (scheduling) se atender´a de forma prioritaria a los mensajes m´as cortos con objeto de reducir el retardo global del sistema. Por el contrario con el m´etodo repacking se han obtenido resultados que revelan que las probabilidades de obtener r´afagas m´as largas son m´as altas y, por tanto, con un mayor beneficio para las aplicaciones que requieran una tasas de pico mayores. Por un lado, en un segundo modelo se presenta la reserva de recursos radio para el tr´afico de voz. En este esquema en el que la reserva de los time-slots est´a destinada al tr´afico de voz y el resto de recursos se comparte por voz y datos, por medio de expresiones anal´ıticas se concluye que las probabilidades de encontrar r´afagas largas aumenta a medida que la probabilidad de bloqueo del sistema disminuye. Si se examinan los escenarios con reserva de recursos para el tr´afico de voz existe una caracter´ıstica com´un a todos ellos y es que la r´afaga mayor se concentra en la r´afaga de longitud 1 y la pr´oxima r´afaga m´as larga corresponde al valor de r´afaga mayor posible, teniendo en cuenta los time-slots reservados para el tr´afico de voz. Adem´as se garantiza que las llamadas de voz sigan disponiendo de recursos incluso cuando el tr´afico de datos aumente y tambi´en en el caso de traspasos procedentes de otras celdas. Por otro lado, en el esquema de asignaci´on de recursos utilizando la reserva de time-slots para el tr´afico de datos, se puede concluir que se incrementan las tasas de pico del tr´afico de datos de los usuarios disminuyendo el n´umero de recursos reservados, independientemente de la probabilidad de bloqueo se incrementa la probabilidad de encontrar r´afagas para longitudes intermedias, se garantiza que las aplicaciones de datos sigan disponiendo de recursos incluso cuando el tr´afico de voz sea alto y tambi´en en el caso de los traspasos. En un tercer modelo el an´alisis de la utilizaci´on de memoria temporal para el tr´afico de datos permite disminuir las p´erdidas del sistema y aumentar la eficiencia del mismo. No obstante es necesario plantear que el tr´afico de datos puede disponer de sistemas con buffering que, en concreto, correspondan a modelos de espera y p´erdida con colas limitadas para minimizar la p´erdida de paquetes y disminuir el bloqueo del sistema. En resumen, se obtiene que cuando el tr´afico ofrecido de voz es significativamente superior al tr´afico ofrecido de datos las p´erdidas en el sistema disminuyen, si bien se demuestra que los valores para los cuales se pueden obtener p´erdidas razonables es cuando los valores del tr´afico de voz es aproximadamente similar al tr´afico de datos. En ning´un caso las p´erdidas son aceptables cuando el tr´afico ofrecido de voz 6.2 L´ıneas futuras de investigaci´on 131 es significativamente inferior al tr´afico ofrecido de datos. El bloqueo del sistema tambi´en es inferior en el caso en el que los tr´aficos de voz y de datos son aproximadamente similares entre s´ı, si bien aumentando sustancialmente el n´umero de time-slots reservados para el tr´afico de voz y aumentando el tama˜no del buffer cuando el tr´afico ofrecido de voz es considerablemente inferior al tr´afico ofrecido de datos, se ratifica que la probabilidad de bloqueo del sistema disminuye. Es de destacar que este trabajo sintetiza de forma gen´erica, los modelos propuestos por medio de expresiones anal´ıticas cerradas que permiten obtener las probabilidades de encontrar un grupo de recursos radio consecutivos en el tiempo. De esta forma se simplifican los mecanismos de resoluci´on empleados y planteados actualmente en la literatura cient´ıfica. Este hecho permite que puedan ser asignados los recursos a uno o varios usuarios para satisfacer los requisitos de los servicios del tr´afico de voz y de datos que gestionan los operadores. As´ı, independientemente del n´umero de time-slots que utilice la trama la validez de los modelos es general y, por tanto, de aplicaci´on en otras tecnolog´ıas actuales y futuras. En resumen las contribuciones de esta tesis se basan en l´ıneas de ingenier´ıa de tr´afico que permiten desarrollar por medio de expresiones cerradas gen´ericas la distribuci´on de los recursos radio de una red de comunicaciones en un entorno TDMA. Es necesario para ello que la asignaci´on de los recursos sea contiguas para minimizar el retardo y maximizar el throughput. 6.2. L´ıneas futuras de investigaci´on A partir de este trabajo se abre un conjunto de posibilidades sobre las que puede resultar de inter´es profundizar y que a continuaci´on se enumeran: Estudiar par´ametros como el retardo y la variaci´on del retardo dentro del entorno EDGE haciendo uso de los esquemas de asignaci´on de los recursos utilizados en este trabajo. Estudiar y analizar diversas pol´ıticas de planificaci´on (scheduling), a partir de los esquemas presentados en este trabajo, con objeto de estimar en qu´e medida puede afectar la gesti´on de la asignaci´on de los recursos a las distintas aplicaciones en cuanto a los retardos de cada uno de los servicios que se pretenden ofrecer. Incrementando las tasas de transmisi´on de forma selectiva para las aplicaciones de datos sin que 132 Conclusiones y l´ıneas futuras ello signifique la degradaci´on del resto de las aplicaciones de datos y el servicio de voz. Analizar el orden de asignaci´on de los recursos en el que se ha de distribuir el tr´afico, tanto de datos como de voz. En concreto estudiar mecanismos que, en el momento de asignar los recursos a los usuarios, se estimen las posibilidades de ocupar aquellos recursos siempre con el m´ınimo o siempre con el m´aximo n´umero de identificador de timeslot disponible independientemente del tipo de tr´afico. De esta forma la asignaci´on de recursos no siempre es contraria al sentido de asignaci´on para los datos, por un lado, y, por otro lado, la asignaci´on de las llamadas de voz. Estudiar y analizar los tiempos de permanencia en cada uno de los estados, usando los esquemas de asignaci´on de los recursos compartida para voz y datos junto con el mecanismo de reserva y el de buffering, con objeto de conocer cu´anto tiempo se puede mantener las tasas de datos o bien disminuir las tasas para permitir a otros usuarios compartir los recursos. Analizar y estudiar haciendo uso de los esquemas estudiados, los modelos de distribuci´on de llegadas combinadas con las llegadas del tr´afico de voz Markoviano, el tr´afico de datos que se pueda ajustar al actual tr´afico IP como son los procesos MMAP o procesos NIRP (m´ultiples fuentes ON/OFF). Estudiar y evaluar nuevos entornos de trabajo, como por ejemplo los sistemas de transmisi´on mediante luz visible, usando l´amparas como transceptores (tecnolog´ıa conocida como V isible Light Communications), seg´un propone el est´andar que actualmente desarrolla el IEEE como ampliaci´on de la familia Bluetooth (IEEE 802.15.7). En este caso se tratar´ıa de estudiar la asignaci´on de los recursos en una red de sensores. En concreto, se verificar´ıan t´ecnicas de asignaci´on de canal cuando el coordinador no tiene recursos (time-slots) que asignar a un nuevo usuario, teniendo en cuenta las limitaciones que el medio f´ısico supone en este caso, diferenci´andola del canal radio. As´ı se pueden mapear los par´ametros de QoS y como asignar en funci´on del dispositivo inal´ambrico m´ultiple de time-slots para reducir los retardos de transmisi´on/recepeci´on. 6.2 L´ıneas futuras de investigaci´on 133 En las aplicaciones en las comunicaciones espaciales igualmente se trata de un esquema FDMA/TDMA con un repositorio de portadoras y timeslots en el que se requiere mejorar los par´ametros de QoS para altas frecuencias. Se trata tambi´en de estudiar la asignaci´on de los recursos pero incorporando en vez de una asignaci´on aleatoria de los recursos que sea ordenada y en funci´on de la capacidad requerida por los usuarios. Mapear para LTE (UMTS Long Term Evolution) la asignaci´on ordenada de time-slots. En el est´andar LTE los recursos tiempo-frecuencia se subdividen de acuerdo a una estructura de trama de 10ms, que a su vez se subdivide en diez subtramas de 1ms, cada una de las cuales se divide en dos time-slots de 0,5ms. Cada time-slot comprende siete o seis s´ımbolos OFDM, seg´un el caso, realizar el mapeado de grupos de elementos de recursos usando esquemas como los presentados en este trabajo. Bibliograf´ıa [3GPP GERAN (2011)] 3GPP, “Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network. Multiplexing and multiple access on the radio path (Release 10),” 3GPP TS 45.002 v.10.1.0 (May 2011) [3GPP GERAN (2004)] 3GPP, “Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network. Overall description - stage 2(Release 5),” 3GPP TS 43.051 (2003-2004) [3GPP HSPA (2007)] ´´3GPP TS 25.999 High Speed Packet Access (HSPA) evolution (Release 7)” 3GPP 2007 [3GPP LTE (2008)] 3GPP, “3GPP TS 32.521 Long Term Evolution (Release 8),” 3GPP (2008) [3GPP Release’99] 3GPP, ´´Quality of Service (QoS), concept and architerure.(Release 1999),” 3GPP TS 23.107 (1999) [ETSI GPRS (2000)] ETSI ´´Technical Specification GSM 03.64, Overall description of the GPRS radio interface – stage 2,” ETSI V8.4.0, April 2000. [ETSI GPRS (1997)] ETSI, GSM 03.64, “Overall Description of the GPRS Radio Interface”, version 5.1 .O, 1997I 1. [HSCSD ETSI (1997)] ETSI, GSM 03.34, ”High Speed Circuit Switched Data (HSCSD)”, version 5.0.1, 1997-04. [UMTS ETSI (2000)] ETSI, UMTS 21.01, ”Requirements for the UMTS Terrestrial Radio Access System (UTRA)”, version 3.0.1, 1997-10. Recommendation ITU-R M. 1225, ”Guidelines for Evaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000”. [UMTS ETSI (1997)] ETSI, ”Selection procedures for the choice of radio transmission technologies of the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS),” ETSI UMTS 04-02 UTRA, June 1997. [Ajib et alt. (1999)] W. Ajib and P. Godlewski, “Acknowledgment operations in the RLC layer of GPRS,´´ In IEEE International Mobile Multimedia Communications, 1999. (MoMuC ’99), pp. 311-317, Nov. 1999. [Ameigeiras et alt. (2000)] P.J. Ameigeiras Guti´errez, J. Wigard, P.N. Andersen, H.C. Damgaard and P. Mogensen, “Performance of link adaptation in GPRS networks,´´ In Vehicular Technology Conference, 2000. IEEE VTS-Fall VTC 2000. 52nd, vol. 2, pp. 492-499, Sept. 2000. 136 BIBLIOGRAF´ IA [Al Agha et alt. (2000)] K. Al Agha and K. Boussetta, ´´Dynamic slot allocation for multicasting in GPRS systems,´´ In IEEE 51st Vehicular Technology Conference. 2000 VTC, vol. 3, pp. 2355-2359, Spring 2000. [Bada et alt. (2002)] J. Bada, and F. Casadevall, ´´Performance of service disciplines in GPRS systems with heterogeneous traffic,´´ Electronics Letters, vol. 38, pp. 247-248, Feb. 2002 [Balachandran et alt. (2001)] K. Balachandran, K. Chang, W. Luo and S. Nanda, ´´System level interference mitigation schemes in EGPRS: Mode-0 and scheduling,´´ IEEE Vehicular Technology Conference, VTC2001, vol. pp. 2489-2493, 2001 [Ball et alt. (2004)] C.F. Ball, K. Ivanov, L. Bugi and P. St¨ockl, ´´Analysis and optimization of the (E)GPRS RLC protocol by simulations and measurements,´´ In the 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC 2004, vol. 1, pp. 115-119, Sept. 2004. [Barreto et alt. (2007)] A.N. Barreto, L.G.U. Garc´ıa and E. Souza, ´´GERAN Evolution for increased speech capacity,´´ In Vehicular Technology Conference, 2007, VTC2007Spring. IEEE 65th, pp. 22-25, April 2007. [Bestak (2008)] R. Bestak, “Evolution of Mobile Networks´´ IEEE The 15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing, IWSSIP 2008, pp.29 – 32, 2008 [Bettstetter (1999)] C. Bettstetter, ”Global Wireless Internet Access with GPRS,” ,In Proc. EUNICE Open European Summer School Barcelona, Spain, pp. 151-162, Sept 1999. [Bilgic et alt. (1999)] M. Bilgic, K. Essigmann, T. Holmstrom, M. Lord and M. Renschler, ´´Quality of Service in General Packet Radio Service,´´ IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications, pp. 226-231, Nov. 1999. [Brasche and Walke (1997)] G. Brashe and B. Walke, “Concepts, services, and protocols of the new GSM phase 2+ General Packet Radio Service,” IEEE Communications Magazine, vol. 35, pp. 94-104, Aug. 1997. [Cai and Goodman (1997)] J. Cai and D. Goodman, ”General Packet Radio Service in GSM,” IEEE Communications Magazine, vol. 35, pp. 122-131, Oct. 1997. [Cai et alt. (2000)] J. Cai, L.F. Chang, K. Chawla and X.Qiu, ´´Providing differentiated services in EGPRS through packet scheduling,´´ IEEE Global Telecommunications Conference 2000, GLOBECOM’00 vol. 3, pp. 1515-1521, Nov.-Dec. 2000 [Calin et alt. (1999)] D. Calin, S. Malik and D. Zeghlache, ´´Traffic scheduling and fairness for GPRS air interface,´´ IEEE Vehicular Technology Conference, VTC1999, vol. pp. 834-838 , 1999 [Cavalcanti et alt. (2002)] F.R.P. Cavalcanti, W.M. Sousa Jr., Y.C.B. Silva and T.F. Maciel, ´´Combined performance of packet scheduling and smart antennas for data transmission in EGPRS,´´ IEEE 55th Vehicular Technology Conference, 2002. VTC Spring 2002. , vol. 2, pp. 797 - 801, May 2002 BIBLIOGRAF´ IA 137 [Chang et alt. (2001)] L.F. Chang, X. Qiu, K. Chawla and J. Cai, ´´Providing differentiated services in EGPRS through radio resource management,´´ IEEE International Conference on Communications, ICC 2001, vol. 7, pp. 2296-2301, June 2001 [Chen et alt. (1996)] L. Chen, S. Yoshida, and H. Murata, “A dynamic channel asignment algorithm for voice and data integrated TDMA Mobile Radio,” Proceedings of 1997 International Conference on Information, Communications and Signal Processing, ICICS 1997, vol. 1, pp. 215-219 , 1997. [Cheng et alt. (2008)] H. Cheng, X. Wang, M. Huang, S. Yang, “A Review of Personal Communications Services”, The 9th International Conference for Young Computer Scientists, pp. 616-621 IEEE Computer Society, 2008 [Demetrescu (1997)] C. Demetrescu, “LLC-MAC Analysis of General Packet Radio Service in GSM,´´ In Bell Labs Technical Journal, Lucent Technologies, pp. 37-50, JulySept. 1999. [Featherstone et alt. (2001)] W. Featherstone and D. Molkdar, ´´Performance analysis of varying the link adaptation BLER switching point in EGPRS,´´ ,In 12th IEEE International Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, vol. 2, pp. F-116 - F120. Setp-Oct. 2001 [Ferng et alt. (2005)] H. Ferng and Y. Tsai, “Using priority, buffering, threshold control, and reservation techniques to improve channel-allocation schemes for the GPRS system,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 54, no. 1, pp. 286-306, January 2005. [Furuskar2 et alt. (1999)] A. Furusk¨ar, D. Bladsj¨o, S. Eriksson, S. M. Frodigh, S. J¨averbring and H. Olofsson, ´´System performance of the EDGE concept for enhanced data rates in GSM and TDMA/136´´ Wireless Communications and Networking Conference, 1999. WCNC. 1999 IEEE vol.2 pp. 752-756, 1999 [Furusk¨ar et alt. (1999)] A. Furusk¨ar, M. Frodigh, H. Olofsson and J. Skold, ´´EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution “, in IEEE Personal Communications, pp. 56-66, June 1999. [Gozalvez et alt. (2004)] J. Gozalvez, M. Lopez-Benitez and O. Lazaro, ´´Guaranteeing Quality of Service in mobile radio networks by means of link adaptation algorithms,´´ Symposium on Wireless Communications Systems, vol. 7, pp. 5230-5234, Sept. 2004 [Gozalvez et alt. (2000)] J. Gozalvez and J. Dunlop, ´´GPRS link adaptation switching thresholds and intervals,´´ Electronics Letters vol. 36, pp. 1311-1312. July 2000 [H¨alonen et alt. (2002)] T. H¨alonen, J. Romero and J. Melero, ”GSM, GPRS and EDGE Performance - Evolution towards 3G/UMTS”, John Wiley and Sons, Chichester, 2002. Citado en pag.6 [Hlavacs et alt. (2002)] H. Hlavacs, G. Haring, A. Kamra and M. Bansal, ”Modeling Resource Management for Multi-Class Traffic in Mobile Cellular Networks,” Proceedings of the 35th Hawaii International Conference on System Sciences, Page(s): 1539 - 1548, 2002.