Avaliação de Desempenho da Tecnologia Femtocell
como Canal de Retorno para TV Digital
Allan B. Costa, Nelson M. Pereira Santos, Allan dos S. Braga, Gervásio P. dos Santos Cavalcante, Carlos N. da Silva, Victor de A. Machado, Carlos P. Alves da Silva, Carlos R. Lisboa Francês
Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Universidade Federal do Pará - UFPA Caixa Postal 8619 – 66.075-900 Belém – Pará – Brasil
allan@allancosta.com.br, nelson_mateus69@yahoo.com.br, allan.prog@gmail.com, gervasiopsc@uol.com.br, {cns, victoram, patrickalves, rfrances}@ufpa. br
Abstract—This work analyses the feasibility of use WiMAX and Femtocells networks to provide return channel on Digital TV. The same numbers of users was used to create two scenarios, the first using only WiMAX networks, and the second using femtocell. So, the scenario data are compared, and advantages by using femtocell can be quantified
Keywords–WiMAX; femtocel; OPNET; simulation
I. INTRODUÇÃO
A televisão aberta atinge hoje a grande maioria dos lares brasileiros [1] e, através da televisão digital aberta e gratuita, almeja-se levar a todas as classes da população o acesso à informação hoje não disponível para quem não possui um computador conectado à Internet.
Atualmente, com o desenvolvimento das tecnologias de comunicação de dados e o desenvolvimento da Internet, a sociedade evoluiu para uma sociedade baseada no acesso às informações. Com o advento da TV Digital, a interatividade se faz necessária não só no que se diz respeito à televisão, mas também na mobilidade que a mesma pode ter na sua inserção em tecnologias móveis como smartphones e tablets [2].
Além disto, é importante o estudo das tecnologias que podem servir como base para o canal de retorno para TV Digital, pois em determinadas localidades esta tecnologia pode ser fundamental para que os usuários possam ter o mínimo de qualidade de acesso, além de que o custo seja viável [3].
O entendimento de tecnologias sem fio de 4ª geração é importante devido ao planejamento de escalabilidade do serviço levando em conta a qualidade do serviço prestado e nos requisitos mínimos que a aplicação exige na rede [4].
Este trabalho tem como objetivo mensurar os impactos do tráfego de aplicações interativas para TV Digital nas redes sem fio de 4a geração. Inicialmente, identificando o padrão de tráfego de rede através da aferição e caracterização de tráfego de uma aplicação interativa de TV Digital do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD). A partir de então, uma simulação é feita sobre uma rede sem fio. Para este estudo, a rede WiMAX foi escolhida como estudo de caso. Após a etapa de simulação, será feito um estudo dos impactos do uso desta aplicação em uma WMAN (Wireless Metropolitan Área Network) com WiMAX e também utilizando femtocells. Evidentemente, tecnologias sem fio apresentam uma grande variação da qualidade do sinal. Deste modo, é necessário
utilizar uma solução para reduzir essa degradação no sinal. Dentre as possíveis soluções, o uso de femtocells surge como alternativa viável para estas melhorias.
Na segunda seção deste trabalho são abordados alguns conceitos de tecnologias usados neste trabalho. Na seção III alguns trabalhos relacionados a este são comentados. A IV seção apresenta os resultados obtidos através das simulações realizadas. A seção V apresenta as considerações finais aos resultados obtidos, comentando todas as possíveis causas do comportamento apresentado pela rede nestes testes.
II. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A. Femtocell
Femtocell é o termo utilizado para o uso de Estações Rádio-Base (ERB) celular de baixa potência para uma aplicação indoor, ou seja, um ponto de comunicação para redes celulares que serão utilizados dentro de uma residência ou empresa de pequeno porte [4].
Entende-se como um ponto de acesso que opera em frequências das tecnologias 3G, CDMA, GSM, WiMAX ou LTE (as duas últimas consideradas como 4G), com a finalidade de potencializar o sinal em uma área reduzida (pode variar de 10 a 40 m) [5].
A comunicação do ponto de acesso com a operadora de rede celular é feita através de uma conexão de banda larga residencial (DSL, cabo, etc.). Isso fatalmente contribui para as operadoras, visto que seu uso melhora a capacidade da rede e diminui o número de usuários utilizando as macro-células, fazendo com que o usuário final, que desfruta de uma melhor qualidade no sinal, melhores taxas para transferência de dados e possibilite o uso de novos serviços que possuem requisitos diferenciados [4].
O uso das femtocells ainda se depara com problemas de aumento de interferência co-canal com a macro-celula, pois as mesmas devem possuir uma capacidade de co-existência com a macro-celula [6].
B. WiMAX
Uma alternativa ao acesso às redes metropolitanas sem utilizar uma infraestrutura cabeada é o padrão IEEE 802.16, conhecido com WiMAX. Desenvolvido e certificado pelo IEEE, este padrão tem como finalidade garantir um acesso a
redes com altas taxas de transferência, podendo enviar uma grande quantidade de dados e mais estabilidade que as desfrutadas pelas redes atuais.
Sua estrutura é composta basicamente de duas partes: A Estação Rádio-Base (ERB), que é responsável de fornecer o acesso e gerenciamento das estações clientes, e as próprias estações clientes, que são os equipamentos que permitem o acesso às redes WiMAX aos assinantes.
Nos dias atuais o WiMAX pode ser dividido em duas normas padrões: o IEEE 802.16-2004 (IEEE 802.16 d), oferecendo um suporte fixo para comunicações sem fio, e o padrão IEEE 802.16-2005 (IEEE 802.16 e), que é resultado de uma melhoria do padrão antigo, incluindo suporte para o acesso móvel e suporte para a tecnologia de antenas MIMO (Multiple Input - Multiple Output).
C. Canal de Retorno em TV Digital
Define-se canal de retorno como o uso de qualquer tecnologia de rede de telecomunicações que estabeleça a comunicação entre o usuário e a provedora de interatividade no sentido inverso, ou seja, promovendo um meio de interatividade em tempo real ao usuário em direção à origem da interatividade [7].
No Brasil, o maior desafio para a implementação do canal de interatividade é encontrar uma solução de custo viável, eficiente e flexível à diversidade do cenário geográfico brasileiro. Nos últimos anos diversos autores trabalham em alternativas que atendam a essas necessidades, por exemplo, o uso de uma rede Ad-Hoc [7], ou o uso do WiMAX [8], e a partir deste, este trabalho sugere uma solução com o uso de uma rede baseada em femtocells, onde seu baixo custo de implantação e eficiência dos equipamentos são um grande atrativo para o uso em função do canal de retorno brasileiro. D. OPNET
O desenvolvimento dos resultados para análise necessita de uma ferramenta que simule o desempenho da rede com eficiência. O OPNET é largamente utilizado como instrumento para modelagem de redes de telecomunicações. Seu ambiente de trabalho permite criar uma rede a partir de uma biblioteca de modelos e definir parâmetros não só do ambiente, como também de cada objeto que a compõe, e os impactos de suas variações [9]. Através deste software, foi possível analisar o desempenho de uma rede baseada em WiMAX e femtocells.
III. TRABALHOS CORRELATOS
Segundo [10], acesso aberto é uma das opções de acesso para redes femtocell, onde as estações móveis (MS) estão autorizadas a fazer hand-off para as estações de base de femtocell (FBSS) na sua vizinhança. Neste artigo várias métricas de desempenho e trade-offs, que são relacionados à implantação de redes femtocell de acesso aberto, são apresentados através de simulações de computador em softwares, dentre os quais destacamos o OPNET. Com ele é analisado o impacto de um método de seleção baseado na capacidade da célula, ao invés de uma seleção de célula que se baseia a qualidade da ligação, na capacidade da macro-célula.
São estudadas então, as funções de distribuição cumulativa (CDF) da capacidade de femto-células, macro-células e usuários em femto-células de acesso livre.
Estudos realizados por [6] mostram que femtocells têm sido apontados pela indústria como uma boa solução não só para superar o problema de cobertura indoor, mas também para lidar com o crescimento do tráfego dentro macro-células. No entanto, a implantação de uma nova camada de femtocell pode ter um impacto indesejado sobre o desempenho da camada de macro-células existente. A alocação de recursos de espectro e necessidade de evitar interferências eletromagnéticas são alguns dos desafios encontrados pelas operadoras que desejam implantar esta tecnologia. Uma cobertura e análise da interferência baseada em um cenário realista contendo macro e femto-células utilizando OFDMA (Ortogonal Frequency Division Multiple Access) são fornecidas, bem como algumas orientações sobre como a atribuição do espectro e os problemas de interferência podem ser abordados nestas redes. É dada especial atenção ao uso de técnicas de auto-configuração e auto-otimização para evitar a interferência.
Em artigo publicado por [11], femtocells são estações de baixa potência operacional que operam em espectro licenciado, que são instaladas tipicamente dentro de residências, pequenos escritórios, ou em edifícios comerciais por usuários finais, para fornecer exclusiva ou preferencial acesso a um grupo designado de usuários, conforme configurado pelo assinante femtocell e/ou o provedor de acesso.
Femtocells ganharam muita atenção recentemente devido a suas vantagens em termos de economia de custos na infraestrutura e melhoria da experiência em ambientes indoor. Vários consórcios de padronização, como o 3GPP, WiMAX Fórum e IEEE 802.16, começaram a desenvolver um soluções para permitir e otimizar a operação de femtocells dentro destas tecnologias. No entanto, existem alguns desafios técnicos a serem superados para o sucesso de tecnologias que pretendem utilizar femtocell, antes que eles possam ser implantados em grande escala.
Em resumo, o uso de femtocells é apontado como uma solução para o tráfego crescente que a implantação de TV Digital deve gerar. As simulações realizadas conseguem medir a escalabilidade das redes WiMAX, para que se possa avaliar a viabilidade da implantação das mesmas como canal de retorno para TV Digital.
IV. METODOLOGIA
Para a realização do trabalho proposto, são necessários alguns dados relativos à aplicação utilizada, a configuração de redes WiMAX e, posteriormente, a realização da simulação propriamente dita.
Este trabalho começa com a estimação de uso de canal de retorno por parte de uma aplicação educacional para TV Digital. A aplicação utilizada é denominada TVD-Educ 2.0 [12]. Para a estimação de uso de canal de retorno, foi feito um teste real onde dois usuários permaneceram por 10 minutos trocando mensagens através do chat disponibilizado pela
aplicação.
A Fig.1 mostra a tela da aplicação sendo executada no OpenGinga (emulador da plataforma Ginga) durante uma conversa. O aplicativo mostra o histórico das mensagens trocadas entre os participantes do chat, durante uma programação televisiva, que pode inclusive ser uma aula.
Figura 1. Aplicativo TVD-Educ 2.0 durante uma conversa no chat. Todo o tráfego durante a conversa foi gravado através de um sniffer de rede. Os dados estatísticos para a inserção no simulador OPNET foram obtidos utilizando o software Wireshark, o qual possui a facilidade de criar filtros para os pacotes capturados auxiliando na análise do tráfego de rede. Estes dados foram utilizados para a configuração da aplicação no cenário de simulação. Esta aplicação, comparada com outros tipos de tráfego, não exige muito da rede, pois seu tráfego consiste apenas em texto limpo que é digitado pelos usuários.
. Após esta etapa foi adotada a ferramenta de tratamento estatístico EasyFit 5.5 versão trial, onde obtivemos a caracterização do intervalo de tempo entre os pacotes e do tamanho dos pacotes. As distribuições que mais se aproximaram para que fossem inseridas no simulador são listadas na Tabela I.
TABELAI. UTILIZAÇÃO DE REDE PELO TVD-EDUC 2.0
Parâmetro Valor
Pacotes Transmitidos 575
HTTP Especification HTTP 1.1
Page Interarrival Time (seconds) Weibull (0.30419, 0.1139) Page Properties (para tamanho de pacotes) Lognormal (4.2996,
0.25489)
Type of Service Best Effort (0)
O segundo passo foi levantar a configuração dos dispositivos reais que são utilizados em redes WiMAX, visando tornar a simulação tão realística quanto possível, através da aplicação destas configurações no simulador utilizado. A Tabela II mostra as principais configurações utilizadas na simulação. Esta mesma configuração tem sido utilizada para a realização de diversos trabalhos, como os mostrados em [13], [14] e [15].
Um único servidor foi configurado de forma a responder às requisições de todos os usuários, simulando uma infraestrutura
de serviços. A Fig. 2 mostra a infraestrutura utilizada para os testes da aplicação. Existe inicialmente uma infraestrutura de transmissão, responsável por transmitir por radiofreqüência, a programação televisiva e as aplicações interativas. A aplicação é executada na infraestrutura de recepção, que pode ser considerada como a residência do usuário. A infraestrutura de canal de retorno é realizada pela tecnologia WiMAX com um arranjo de femtocells, simulada aqui pelo OPNET. A infraestrutura de serviço é responsável por responder às requisições do usuário, representado principalmente pelo servidor de aplicações e pelo servidor de bancos de dados.
Figura 2. Infraestrutura de testes.
O terceiro passo foi configurar o simulador com os dados levantados. A Tabela II descreve os parâmetros utilizados para configurar as estações-base de femtocells.
TABELAII. CONFIGURAÇÕES DOS RÁDIOS WIMAX
Parâmetro Valor
Frequência 5 GHz
Largura de Banda 5 MHz
Modelo de Propagação HATA
Modelo da Antena Ominidirecional
Ganho da Antena 2 dB
Potência de Transmissão 0.125 watts
Potência Total 23 dbm
Altura 1 metro
Duração do Frame 20 ms
Tamanho do Pacote 1024 bytes
Duração da Simulação 15 min
A Tabela III mostra as configurações utilizadas para a configuração das estações-cliente de femtocell. Para simular uma região metropolitana coberta pelo sinal de TV Digital, vários clientes e bases femtocell foram utilizados. Esta configuração permite que o comportamento obtido pela simulação seja similar ao que seria obtido em um teste real utilizando os equipamentos e o software.
A Fig. 3 mostra a configuração para uma única femtocell. Cada femtocell é conectada a um modem ADSL com 2 Mbps de download e 256 Kbps de upload. Na Fig. 4 é visto o cenário simulado com 30 células femtocell WiMAX sendo acessadas por 120 clientes, 4 para cada célula.
Dois cenários foram montados, um contendo apenas 01 estação-base WiMAX, servindo todos os 120 usuários, e outro cenário contendo 30 femtocells, cada uma servindo um número de 4 usuários.
TABELAIII. CONFIGURAÇÕES DOS USUÁRIOS
Parâmetro Valor
Modelo de Propagação Indoor
Modelo da Antena Ominidirecional
Ganho da Transmissão 2 dB
Potência de Transmissão 0.63 watts
Potência Total 20 dbm
Duração do Frame 20 ms
Tamanho do Pacote 1024 bytes
Duração da Simulação 15 min
Figura 3. Configuração de cada célula femtocell.
Figura 4. Cenário montado no OPNET contendo 30 células femtocells com 04 usuários cada.
Após a realização de toda a análise dos dados de entrada e configuração do simulador, a simulação foi executada, utilizando um tempo de simulação de 15 minutos, e a análise dos resultados será comentada na seção de resultados deste artigo, logo a seguir.
V. RESULTADOS
Com o levantamento das configurações iniciais realizadas no OPNET, a simulação então foi realizada. Dois cenários, anteriormente comentados, foram simulados utilizando os mesmos dados mostrados na seção de metodologia. Ambos os cenários tiveram um tempo de simulação de 15 minutos, suficientes para que o ambiente apresentasse um comportamento estável. O simulador foi configurado para extrair as principais métricas de qualidade de conexão para posterior análise.
No primeiro cenário, a simulação apresentou dados de qualidade muito ruins, mostrando que mesmo com um pequeno tráfego em cada usuário, o alto número de usuários dentro de uma mesma antena é bastante prejudicial à qualidade do tráfego oferecido para o usuário. A Tabela IV mostra os resultados gerais obtidos pela simulação.
TABELAIV. ESTATÍSTICAS DA REDE WIMAX
Estatística Médio Máximo Mínimo
Atraso (seg) 2,9 6,1 0,08
Vazão (bits/seg) 8,4 x 103
12,1 x 103
0
Ao analisar os dados obtidos, é possível perceber que os dados de atraso são muito altos quando comparados a uma rede em condições normais. Uma aplicação normal terá dificuldades em entregar uma experiência de uso compatível com as necessidades da aplicação. Além disto, a aplicação terá que tratar este alto tempo de atraso de alguma forma, para que o usuário não tenha uma sensação de travamento dentro da aplicação.
Dado que uma rede WiMAX sobrecarregada não atenderia de forma satisfatória os requisitos básicos da aplicação analisada, um arranjo utilizando o conceito de femtocell foi criado. Na Tabela V as estatísticas de qualidade da rede para femtocell são mostradas.
TABELAV. ESTATÍSTICAS DA REDE WIMAX COM FEMTOCELL
Estatística Médio Máximo Mínimo
Atraso (seg) 0,124 0,129 0,07
Vazão (bits/seg) 31,37 x 103
37,1 x 103
0 Analisando os dados obtidos, é possível perceber que houve uma redução considerável no atraso, o que melhora bastante a qualidade de uso da aplicação, visto que o usuário recebe respostas mais rápidas da mesma. A vazão obtida pela aplicação, de maneira geral, também é substancialmente maior que a obtida no arranjo com apenas uma antena. Isto se deve, provavelmente, ao comportamento do TCP (Transport Control Protocol), que obtém vazão muito maior quando o canal não apresenta altas taxas de perda.
Outra estatística que mostra o quanto o canal ficou sobrecarregado pelo número de usuários é o número de pacotes descartados dentro da rede WiMAX. Enquanto a rede WiMAX com arranjo femtocell descartou em média apenas 0,0033 pacotes por segundo, a rede utilizando apenas WiMAX descartou em média 4 pacotes por segundo. Este último número pode ser considerado como muito alto, mesmo para tecnologias sem fio, e pode ser resultante de colisões que acontecem durante a transmissão dos dados.
VI. CONCLUSÕES
As redes sem fio metropolitanas de 4a geração surgiram com a promessa de resolver os problemas que até então as redes sem fio enfrentavam ao tentar prover conectividade em redes de ampla área de cobertura, e realmente os resultados apresentados por estas têm feito com que sejam muito aguardadas pela população.
Porém, o tráfego de TV Digital é um pouco diferente daquele encontrado em aplicações para Internet, tanto em quantidade de conexões, quanto em quantidade de tráfego. Isto é percebido pelo estudo feito com a aplicação interativa utilizada neste trabalho. As principais diferenças que são esperadas neste tipo de tráfego são: primeiro, o número de usuários utilizando o sistema, dado que o número de televisores é bem maior que qualquer outro tipo de dispositivo utilizado no acesso à Internet; segundo, pela característica de rajada que o mesmo pode apresentar, dado que toda uma região recebe a mesma programação televisiva, e pode decidir interagir no mesmo momento, dado que os incentivos serão recebidos ao mesmo tempo e; terceiro, pela característica de que o número de pacotes e o tamanho das mensagens trocadas podem ser muito pequenos.
Estas características fazem com que as redes sem fio tenham um comportamento não muito satisfatório quando utilizadas em TV Digital, pois as redes sem fio, mesmo as de 4a geração, embora pensadas para servir uma área consideravelmente grande, podem receber ao mesmo tempo um número reduzido de conexões. Com isto, estas redes são recomendadas para utilização quando há a necessidade de altas taxas de transmissão, mas para um número reduzido de usuários.
No caso das aplicações interativas para TV Digital, o que acontece é que serão necessários uma baixa taxa de transferência, mas um número elevado de clientes conectados, dada a abrangência e a densidade de usuários em uma área metropolitana.
Desta forma, a utilização de femtocell desponta como uma forte alternativa para reduzir os efeitos do número elevado de conexões de dados em redes metropolitanas sem fio, pois o comportamento apresentado pelo WiMAX também pode ser esperado em outras redes móveis.
Inclusive, com a utilização de femtocell, a qualidade de serviço percebida pelo usuário é maior que na rede puramente WiMAX, pois o usuário possui uma banda garantida, e isto influencia de forma decisiva na qualidade percebida pelo usuário, afetando positivamente também na usabilidade do aplicativo, pois este oferece respostas mais rápidas, além de evitar outage durante o uso.
Deste modo, com a análise realizada por este trabalho, chega-se a conclusão que o uso de projetos femtocell melhora muito a qualidade de conexões no momento onde existe uma quantidade elevada de usuários conectados.
O principal motivo disto, é que a manutenção da conexão com usuários nas redes de 4a geração envolve uma troca
constante de sinalização entre clientes e a antena, sobrecarregando a conexão de dados, e prejudicando assim a taxa de transferência com os usuários. Além disto, esta manutenção da conexão é realizada com todos os usuários, estejam eles realizando alguma transferência ou não.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao apoio fornecido pelo LCT e LPRAD no uso de equipamentos e softwares do mesmo, aos ensinamentos dos professores Gervásio Cavalcante e Renato Francês na cooperação para geração e captura dos dados da aplicação interativa. Agradecer também ao apoio da CAPES/CNPq, pelo apoio aos alunos bolsistas que participaram na realização deste trabalho, assim como as outras entidades CTIC, RNP PPGEE/UFPA e INCTCSF que financiam os laboratórios de pesquisa de nossa instituição.
REFERÊNCIAS
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