Carlos Renato Storck
CAC-RD: Controle de Admiss˜
ao de
Chamadas para Redes UMTS
Disserta¸c˜ao de Mestrado apresentada ao Pro-grama de P´os-Gradua¸c˜ao em Inform´atica da Pontif´ıcia Universidade Cat´olica de Mi-nas Gerais, como requisito parcial para a obten¸c˜ao do grau de Mestre em Inform´atica.
Belo Horizonte
FICHA CATALOGRÁFICA
Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Storck, Carlos Renato
S884c CAC-RD: controle de admissão de chamadas para redes UMTS. / Carlos Renato Storck – Belo Horizonte, 2007.
xiii; 70f.: il.
Orientadora: Profª. Drª. Fátima de Lima Procópio Duarte Figueiredo Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Informática, Belo Horizonte. Bibliografia.
1. Sistemas de telecomunicação. 2. Sistemas de comunicação sem fios – Inovações tecnológicas. 3. Redes UMTS. I. Figueiredo, Fátima de Lima Procópio Duarte. II. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Informática. III. Título.
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
aResumo
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
aAbstract
The third wireless network generation, called 3G, aims to provide fast Internet access with quality of service guarantees to some of the applications. UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) is a kind of 3G network specified by the group 3GPP (Third Generation Partnership Project) with use of some mobile services multimedia. It is necessary the use of an admission and congestion control mechanism to prioritize some critical classes of applications. The traffic must be classified to be possible to provide quality of service (QoS).
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
ii
Agradecimentos
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
iii
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pelas conquistas realizadas.
À minha querida orientadora, Profa. Fátima de Lima Procópio Duarte Figueiredo, pelo seu incansável incentivo, compreensão, confiança e orientação.
Aos Profs. Raquel Aparecida de Freitas Mini e Antonio Alfredo Ferreira Loureiro, pela participação na banca, comentários e contribuições.
À Universidade FUMEC, pelo apoio financiamento e institucional recebidos.
Aos meus pais José Carlos e Nilda, pelo amor, apoio e confiança em minhas decisões.
Aos meus irmãos Fábio e Gustavo, pela amizade e incentivo.
À Aline Duarte, pelo amor e paciência durante as horas em que estive ausente.
À Anna Tostes, por sua indispensável contribuição e ajuda para concretização deste trabalho.
Aos colegas e professores do mestrado, que estiveram presentes durante o curso.
iv
Conteúdo
Lista de Figuras vi
Lista de Tabelas viii
Lista de Abreviaturas ix 1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . 1 1.2 Descrição do Problema . . . . 3 1.3 Trabalho Proposto . . . 4 1.4 Organização do Texto . . . 5 2 Redes UMTS 6 2.1 Introdução . . . 6 2.2 Sistemas Móveis 3G . . . 8
v
3 Qualidade de Serviço em Redes Móveis 19
3.1 Introdução . . . 19
3.2 Parâmetros de Tráfego para Provisionamento de QoS . . . 20
3.3 Mecanismos de Garantia de QoS . . . . 21
3.4 Soluções de QoS para Redes IP . . . 23
3.5 Arquitetura de QoS para Redes UMTS . . . 24
3.6 Trabalhos Relacionados . . . 27
3.6.1 Solução proposta por Lindemann, Lohmann e Thummler . . . . 27
3.6.2 Solução proposta por Josephine Antoniou . . . . 28
3.6.3 Solução proposta por Duarte-Figueiredo . . . 31
3.6.4 Outras Soluções encontradas na Literatura . . . 32
3.6.5 Resumo dos principais trabalhos relacionados . . . 35
4 Controle de Admissão CAC-RD 36
4.1 Introdução . . . 36
4.2 O Algoritmo de Controle de Admissão Proposto . . . 37
5 Simulações e Resultados 47
5.1 Introdução . . . 47
5.2 Parâmetros e Alterações no Simulador E-UMTS . . . 47
5.3 Resultados de Simulação . . . 50
5.3.1 Avaliação do Desempenho da Rede. . . 51
5.3.2 Avaliação de Taxas de Bloqueios de Handovers e Novas Chamadas . . 56 5.4 Validação Estatística . . . 60
5.4 Conclusões . . . 62
6 Conclusões 63
vi
Lista de Figuras
2.1 Sistemas Celulares divididos por Geração. . . 7
2.2 Arquitetura UMTS. . . 13
2.3 Camadas e protocolos UTRAN . . . 14
2.4 Camadas UMTS . . . 16
3.1 Arquitetura de QoS para UMTS . . . 24
4.1 Módulos do CAC-RD . . . 38
4.2 Diagrama de atividades do CAC-RD . . . 41
5.1 Modelagem do cenário urbano no ns-2 . . . 49
5.2 Atraso no cenário urbano com 800 usuários . . . 51
5.3 Atraso no cenário urbano com 900 usuários . . . 51
5.4 Atraso no cenário urbano com 1000 usuários . . . . 51
5.5 Atraso no cenário urbano com 1100 usuários . . . . 51
5.6 Variação do atraso no cenário urbano com 800 usuários . . . . 53
5.7 Variação do atraso no cenário urbano com 900 usuários . . . . 53
5.8 Variação do atraso no cenário urbano com 1000 usuários . . . . 53
5.9 Variação do atraso no cenário urbano com 1100 usuários . . . . 53
5.10 Vazão no cenário urbano com 800 usuários . . . 55
5.11 Vazão no cenário urbano com 900 usuários . . . 55
5.12 Vazão no cenário urbano com 1000 usuários . . . 55
5.13 Vazão no cenário urbano com 1100 usuários . . . 55
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
viii
Lista de Tabelas
2.1 Ambientes IMT-2000. . . 9
5.1 Parâmetros utilizados para o cenário urbano com CAC-RD . . . 48
5.2 Média, desvio padrão e variância para chamadas aceitas e bloqueadas. . . 60
5.3 Intervalo de 98% de confiança para novas chamadas . . . 61
ix
Lista de Abreviaturas
16-AQM: 16-Quadrature Amplitude Modulation
1G: First Generation
2G: Second Generation
3G: Third Generation
3GPP: Third Generation Partnership Project
3GPP2: Third Generation Partnership Project - 2
4G: Fourth Generation
ADRR: Adaptive Deficit Round Robin
ALCAP: Access Link Control Application Part Protocol
AMC: Adaptive Modulation and Coding
AMPS: Advanced Mobile Phone System
APM: Adaptive Performance Management
ATM: Asynchronous Transfer Mode
BCC: Business City Centre
BER: Bit Error Rate
BF: Beam-Forming
BHCA: Busy Hour Call Attempts
BMC: Broadcast/Multicast Control
BTS: Base Transceiver Station
CAC: Call Admission Control
CAC-J: Call Admission Control - Josephine Antoniou
CAC-RD: Call Admission Control - Diagnosis and Reserve
x
CBQ: Class Based Queuing
CDMA: Code Division Multiple Access
CFQ: Class-Based Fair Queuing
CN: Core Network
CS: Circuit Switched
D-AMPS: Digital AMPS
DCS-1800: Digital Cellular System 1800 MHz
DECT: Digital European Cordless Telecommunication
DiffServ: Differentiated Services
EDGE: Enhanced Data for Global Evolution
ERB: Estação Rádio Base
ETSI: European Telecommunications Standards Institute
E-UMTS: Enhanced Universal Mobile Telecommunication System
FDD: Frequency Division Duplex
FPS: Fast Packet Scheduling
GC: Guard Channel
GGSN: Gateway GPRS Support Node
GMSC: Gateway MSC
GoIP: Game over IP
GPRS: General Packet Radio Service
GPS: Generalized Processor Sharing
GSM: Global System for Mobile Communications
HARQ: Hybrid Automatic Request
HFP: Handover Failure Probability
HLR: Home Location Register
HQ: Handover Queuing
HSCSD: High Speed Circuit Switched Data
HSDPA: High Speed Downlink Packet Access
HSTC: Hybrid Space - Time Coding
IETF: Internet Engineering Task Force
xi
IMT-2000: International Mobile Telecomunications 2000
IntServ: Integrated Services
IP: Internet Protocol
IS-95: Interim Standard 95
ITU: International Telecommunication Union
Iu: CN-UTRAN interface
Iub: RNC-ERB interface
Iu-CS: Iu-Circuit-Switched data
Iu-PS: Iu-Packet-Switched data
Iur: RNC-RNC Interface
LDP: Label Distribution Protocol
MAC: Medium Access Control
MIMO: Multiple Input Multiple Output
MPLS: Multiprotocol Label Switching
MSC: Mobile Switching Center
MSS: Mobile Satellite Service
NMT: Nordic Mobile Telephone
NRTQ: Non Real Time Packet Queue
NTT: Nippon Telephone & Telegraph
ns-2: Network Simulator 2
OTCL: Object Tool Command Language
OVSF: Orthogonal Variable Spreading Factor
PCS: Personal Communications Service
PCS-1900: Personal Communication System 1900 MHz
PDA: Personal Digital Assistant
PDN: Packet Data Networks
PDP: Packet Data Control
PDU: Packet Data Unit
PQ: Priority Queuing
PS: Packet Switched
xii
QoS: Quality of Service
QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying
R5: Release 5
R6: Release 6
R7: Release 7
R99: Release 99
RAB: Radio Access Bearers
RAN: Radio Access Network
RED: Random Early Detection
RLC: Radio Link Control
RLC: Radio Link Control
RNC: Radio Network Controller
RNS: Radio Network Subsystems
RRC: Radio Resource Control
RRM: Radio Resource Management
RSVP: Resource Reservation Protocol
RTQ: Real Time Packet Queue
RTT: Radio Transmission Technologies
SF: Spreading Factor
SFQ: Stochastic Fair Queuing
SGSN: Serving GPRS Support Node
SHO: Soft handover
SIR: Signal-to-Interference Ratio
SLS: Service Levels
SMS: Short Message Service
TACS: Total Access Communication System
TCP/IP: Transmission Control Protocol / Internet Protocol
TD-CDMA: Time Division CDMA
TDD: Time Division Duplex
TD-SCDMA: Time Division CDMA
xiii
TOS: Type of Service
TS: Techinal Specification
UDP: User Datagram Protocol
UE: User Equipment
UMTS: Universal Mobile Telecommunication System
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
Uu: Radio Interface
UWC-136: Universal Wireless Communication
VLR: Visitor Location Register
VoIP: Voice over IP
WAP: Wireless Application Protocol
WARC: World Administrative Radio Conference
WATM: Wireless ATM
W-CDMA: Wideband CDMA
WFQ: Weighted Fair Queuing
Wifi: Wireless Fidelity
WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access
WRED: Weighted Random Early Detection
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação
As demandas por aplicações móveis, principalmente da Internet, têm gerado grandes avanços tecnológicos e uma evolução rápida das redes móveis de telefonia celular em direção aos sistemas de terceira e quarta geração. O acesso à informação independentemente de posição geográfica do usuário de um sistema e do tempo tornou-se o principal atrativo da computação móvel. Além disso, a evolução destes sistemas tem promovido o aumento de capacidade e de eficiência espectral da rede e a utilização de novos aplicativos com garantias de qualidade de serviço. A evolução de dispositivos móveis como notebooks, celulares e PDAs (Personal Digital Assistant) possuem papel fundamental no desenvolvimento destes sistemas. Com o surgimento de novas aplicações, como as aplicações gráficas interativas na Internet, é necessário cada vez mais um aumento na largura de banda das redes sem fio. Porém, aumentar somente a largura de banda é desapropriado para garantir qualidade de serviço às aplicações, pois podem existir congestionamentos na rede. Com isso, torna-se necessária a utilização de mecanismos para controle de admissão de chamadas - CAC (Call Admission Control), e para controle de congestionamentos, para que determinadas aplicações críticas sejam priorizadas em relação às outras, sendo necessário classificar tráfego e prover qualidade de serviço.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
2
uma melhoria da rede UMTS, principalmente na capacidade de transmissão, e pertence a uma geração intermediária descrita por alguns autores como 3,5G. A terceira geração de celulares pretende possibilitar roaming internacional, transmissão de dados de todos os tipos de aplicações móveis, altas taxas de transmissão, alta eficiência e suporte tanto à comutação por circuito quanto por pacotes. Sabe-se que as redes 3G deverão promover a utilização de uma grande variedade de serviços multimídia móveis. Os principais serviços destas redes são transmissão de voz de alta qualidade, serviço de mensagens, multimídia e acesso à Internet [Samukic, 1998].
Os sistemas 3G e 3,5G devem permitir taxas de dados entre 2 a 10 Mbps respectivamente, consideradas mais altas que as taxas de 14,4 kbps dos sistemas 2G, como o GSM (Global System for Mobile Communications), e dos sistemas 2,5G, como o GPRS (General Packet Radio Service), que permitem taxas teóricas de até 171 kbps [Duarte-Figueiredo, 2004]. A mudança dos atuais sistemas 2G, como GSM, que utilizam comutação por circuito, para sistemas 2,5G e 3G, que utilizam comutação por pacotes, tem implicações importantes. Sistemas utilizando comutação por pacotes possibilitam ao usuário conexão permanente, removendo problemas de conexões canceladas e a inconveniência e atraso em ter que rediscar repetidamente para realizar uma transação de dados usando WAP (Wireless Application Protocol), por exemplo. Além disso, os dados podem ser tarifados com base no volume trafegado e não mais com base no tempo de conexão, como é feito em redes que utilizam comutação por circuito [Samukic, 1998].
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
3
1.2 Descrição do Problema
Uma rede UMTS é composta por uma rede sem fio de tecnologia celular e por uma rede com fio IP (Internet Protocol). QoS é um fator crítico para o sucesso das redes de terceira geração, e por isso o suporte às aplicações multimídia em redes móveis UMTS exige garantias de QoS na rede de acesso sem fio. Existem alguns modelos de QoS para redes móveis propostos na literatura, utilizando soluções existentes de QoS para redes com fio. Porém, características de enlace e mobilidade são as principais diferenças para provisionamento de QoS entre redes com e sem fio. Para o problema da mobilidade dos usuários nas redes sem fio, torna-se necessária a implantação de reserva de recursos entre as células com o objetivo de se garantir roteamento correto e handover suave. Além do problema da mobilidade, as redes sem fio apresentam escassez de recursos e capacidades de transmissão inferiores às das redes com fio. Por exemplo, uma rede Ethernet tem taxas de transmissão que variam de 10 Mbps a 10 Gbps, enquanto uma rede UMTS tem taxa de 2 Mbps.
A principal proposta de arquitetura de QoS para redes UMTS é especificada pelo grupo 3GPP [3GPP, 2006e]. Esta proposta inclui camadas de serviços para garantia de QoS fim-a-fim em uma rede UMTS, que serão apresentadas no Capítulo 3. Uma das funcionalidades exigidas é um mecanismo de controle de admissão que mantenha informações sobre todos os recursos disponíveis de uma entidade de rede e sobre todos os recursos alocados. Para cada serviço, é determinado se existe possibilidade de provisão de recursos pela entidade e, se existir, os recursos são reservados.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
4
recursos, controle de admissão ou controle de fluxo, no enlace sem fio. E há ainda propostas, na literatura, que associam soluções para redes IP com soluções para o enlace sem fio. Para redes sem fio, podem ser citadas as propostas de [Lindemann et al., 2003, Antoniou, 2004, Duarte-Figueiredo, 2004]. Este trabalho se baseia nas três propostas de QoS para redes sem fio citadas, propondo algumas adaptações em cada uma.
1.3 Trabalho Proposto
Este trabalho apresenta um modelo de controle de admissão de chamadas, baseado nos conceitos de QoS para redes de terceira geração definido pelo grupo 3GPP [3GPP, 2006e]. O objetivo do CAC é diminuir o número de bloqueios de handovers e novas chamadas das aplicações mais prioritárias, mantendo níveis aceitáveis de desempenho da rede.
O modelo proposto neste trabalho se baseia principalmente nas três referências da literatura: [Lindemann et al., 2003, Antoniou, 2004, Duarte-Figueiredo, 2004], citadas anteriormente. O objetivo foi desenvolver um mecanismo de controle de admissão de chamadas para redes UMTS associado a técnicas de diagnóstico da rede com reserva de recursos. O modelo proposto foi denominado CAC-RD (CAC - Reserva e Diagnóstico). Ele trata handovers, com reserva de recursos, evitando assim a queda da comunicação quando um usuário se desloca entre células. Para aplicações de tempo real, as reservas são baseadas em thresholds usados em [Duarte-Figueireido, 2004]. A cada nova chamada do CAC-RD, um módulo de diagnóstico da rede é acionado, o qual verifica os níveis de utilização da rede.
Simulações do CAC-RD foram executadas em uma rede E-UMTS [Antoniou et al., 2004] do Network Simulator ns-2 [NS2, 2004]. O simulador suporta modelos de tráfego e mobilidade de usuários, possuindo diferentes ambientes e conjuntos de parâmetros, como modelo de propagação, medidas de desempenho, entre outros. A capacidade e qualidade de serviço foram avaliadas através do comportamento do sistema no módulo de diagnóstico desenvolvido, considerando mobilidade do usuário, interferência e natureza do tráfego, com comportamento dinâmico de tráfego e mistura de voz com dados, usando múltiplas taxas.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
5
1.4 Organização do Texto
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
6
Capítulo 2
Redes UMTS
2.1
Introdução
Os sistemas de comunicações móveis possuem grande importância no mundo moderno, pois permitem mobilidade juntamente com o acesso à informação, em tempo real, independentemente do local onde o usuário se encontre. A evolução dos sistemas de comunicações móveis é dividida em gerações. Na primeira geração, conhecida também como 1G, foram desenvolvidos os sistemas analógicos, tais como AMPS (Advanced Mobile Phone System), TACS (Total Access Communication System), NTT (Nippon Telephone & Telegraph) e NMT (Nordic Mobile Telephone) [Tanenbaum, 2004]. Na 2ª geração, foram desenvolvidos os sistemas digitais, tais como D-AMPS (Digital AMPS), GSM (Global System for Mobile Communications), IS-95 (Interim Standard 95), DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 MHz), PCS-1900 (Personal Communication System 1900 MHz) e CDMA (Code Division Multiple Access).
CDMA-CAPÍTULO 2. REDES UMTS
7
2000-1x e EDGE (Enhanced Data for Global Evolution). O UWC-136 (Universal Wireless Communication) é outro padrão utilizado em redes 2,5G de pequena escala, sendo considerado um genérico do EDGE. Além disso, a tecnologia 2,5G utiliza comutação por pacotes.
A terceira geração é composta por sistemas digitais, que permitem acesso à Internet em alta velocidade e melhor qualidade para suas aplicações. O projeto de redes de terceira geração da ITU (International Telecommunication Union) é denominado IMT-2000 (International Mobile Telecomunications 2000). Padrões como W-CDMA (Wideband CDMA), CDMA-2000, TD-CDMA (Time Division TD-CDMA) e TD-STD-CDMA (Time Division Synchronous TD-CDMA) foram definidos pelo IMT-2000 com o intuito de oferecer uma rede com cobertura total [Honkasalo et al., 2002]. O DECT (Digital European Cordless Telecommunication) é um padrão utilizado em redes 3G de pequena escala, como por exemplo, telefones sem fio.
O padrão europeu de redes 3G é o UMTS que é padronizado pelo grupo 3GPP e o padrão americano é o CDMA-2000, que é padronizado pelo 3GPP2 (3G Partnership Project - 2) [Lindemann et al., 2003]. Vale ressaltar que estas diferenças de denominações se devem a interesses políticos diferentes, pois os Estados Unidos desejavam um sistema compatível com um sistema já amplamente desenvolvido por eles, o IS-95, enquanto a Europa desejava um sistema compatível com o GSM. Uma característica da rede UMTS é a utilização da tecnologia W-CDMA na sua interface de rádio.
A rede E-UMTS é uma melhoria na tecnologia empregada na rede UMTS, com proposta de transmissão de até 10 Mbps, e pertencem a uma geração intermediária, chamada 3,5G. A Figura 2.1 ilustra os sistemas celulares por geração.
1G
AMPS
TACS
NMT
NTT
2G
D-AMPS
GSM
IS-95
DCS-1800
PCS-1900
CDMA
TDMA
2,5G
GPRS
CDMA-2000-1x
EDGE
UWC-136
HSCSD
3G
UMTS
W-CDMA
CDMA-2000
TD-CDMA
TD-SCDMA
DECT
3,5G
E-UMTS
4G
Toda IP
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
8
As gerações 3G e 4G, esta última baseada no protocolo IP, devem promover uma grande quantidade de serviços multimídia móveis sem fio de alta qualidade, eficientes e de fácil utilização. Os principais serviços destas redes são transmissões de voz de alta qualidade, serviço de mensagens, aplicações multimídia e acesso à Internet [Samukic, 1998]. Além disso, os sistemas de terceira e quarta geração devem fornecer acesso global, roaming internacional, transmissão de dados de todos os tipos de aplicações móveis, altas taxas na transmissão de dados e serviços baseados em comutação por circuitos e por pacotes.
Este Capítulo apresenta os sistemas móveis de terceira geração na seção 2.2, com seus serviços, faixas de freqüência e aplicações. Na seção 2.3 são descritos o padrão UMTS, UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) e rede de núcleo da arquitetura UMTS. A seção 2.4 descreve os principais conceitos e avanços das redes Enhanced-UMTS.
2.2
Sistemas Móveis 3G
O desenvolvimento de sistemas celulares de terceira geração se deu juntamente com o início do sucesso do acesso à Internet através de equipamentos portáteis, com objetivo de alcançar altas taxas na transferência de dados, cobertura total e roaming internacional. Foram criadas duas linhas de pesquisa, sendo que a primeira almejava um padrão mundial único, e a segunda propunha a evolução das redes já existentes, porém atendendo aos requisitos de uma rede de terceira geração. No entanto, a segunda proposta se destacou e foi escolhida, por permitir economia de escala além de proteger os investimentos feitos nas redes já existentes.
A ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ficou responsável pela padronização da tecnologia UMTS. Foi criado o grupo 3GPP, responsável pelas especificações técnicas mundialmente. Para atender às especificações dos sistemas 3G, a ITU elaborou um conjunto de requisitos para as tecnologias de transmissão via rádio, as conhecidas RTTs (Radio Transmission Technologies) [Ojanpera and Prasad, 1998a], dando o nome ao projeto de IMT-2000.
2.2.1
Serviços nas Redes 3G
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
9
para os serviços oferecidos é a integração das redes com e sem fio [Jose and Velez, 2003]. Os serviços oferecidos pela rede UMTS devem ser atendidos através de componentes terrestres oferecendo cobertura em áreas com grande densidade populacional e componentes satélites com cobertura em áreas com baixa densidade populacional ou de difícil acesso. Essas áreas são especificadas em três tipos de ambientes de operação para o IMT-2000, com taxas máximas de velocidade do terminal e taxa máxima de transmissão alcançada. A Tabela 2.1 apresenta esses ambientes de operação.
Ambiente Máxima velocidade do
terminal Taxa de pico Rural outdoor 250 km/h 144 kbps preferencialmente 384 kbps Urbano / suburbano outdoor 150 km/h 384 kbps preferencialmente 512 kbps Indoor / outdoor de curto
alcance
10 km/h 2 Mbps
Tabela 2.1: Ambientes IMT-2000 (traduzido de [ITU, 2006]).
2.2.2
Faixas de Freqüência
Redes UMTS possuem dois modos de operação. O primeiro, utiliza duplexação por divisão de freqüência, chamado de FDD (Frequency Division Duplex). Nele, a tecnologia W-CDMA utilizada na interface de rádio faz espalhamento espectral com duas bandas iguais, uma para o uplink e outra para downlink. O equipamento do usuário transmite através do uplink e a ERB (Estação Rádio Base) transmite através do downlink [3GPP, 2006d]. O segundo modo utiliza duplexação por divisão no tempo e é reconhecido como TDD (Time Division Duplex), o qual não utiliza portadoras distintas, e sim uso de slots de tempo distintos na mesma portadora.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
10
dados. As bandas 1900 MHz a 1920 MHz e 2010 MHz a 2025 MHz foram definidas para operação do TDD, sem necessidade de separação do uplink e downlink por portadoras de freqüências, já que utiliza slots de tempo e a comutação de sinais é feita de forma muito rápida, sendo o sinal de uplink enviado em um slot de tempo e o de downlink em outro. As freqüências de 1980 MHz a 2010 MHz foram reservadas para uso de sinais uplink de serviços MSS (Mobile Satellite Service) e 2170 MHz a 2200 MHz para uso de sinais de downlink de serviços MSS.
2.2.3
Aplicações
Com as redes 3G, novas aplicações deverão surgir. Contudo, o ETSI padroniza quatro delas, que são serviços de voz, SMS (Short Message Service), fax e chamada de emergência. Alguns protocolos serão usados com mais freqüência nessas redes, tais como IP, WAP, VoIP (Voice over IP) e WATM (Wireless ATM). Para as aplicações das redes de terceira geração, são necessários ainda alguns requisitos [Ojanpera and Prasad, 1998b], tais como altas taxas de dados conforme cada ambiente de operação, comutação por pacote para integração com a Internet, garantia de qualidade de voz e integração com os sistemas celulares já existentes garantindo o legado de cada operadora.
2.3
Padrão UMTS
O desenvolvimento das redes UMTS baseou-se inicialmente em padrões definidos por órgãos de padronizações, com o intuito de se alcançar uma rede de núcleo baseada na tecnologia GPRS e uma rede de acesso à rádio com suporte para diferentes padrões. Com o surgimento do grupo IMT-2000, o principal objetivo passou a ser roaming internacional, com capacidade suficiente para tráfego de aplicações multimídia.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
11
novas especificações na tecnologia HSDPA, tais como MIMO (Multiple Input Multiple Output) para HSDPA, conectividade contínua, Game sobre IP - GoIP (Game over IP) e otimizações para serviços de tempo real.
Existem alguns padrões importantes especificados pelo grupo 3GPP para redes UMTS, denominados TS (Techinal Specification). Entre eles, a TS 23.110 [3GPP, 2004b] especifica serviços e funções. A TS 25.301 [3GPP, 2007a] especifica protocolos da interface de rádio. A TS 25.321 [3GPP, 2006b] especifica protocolos de controle de acesso ao meio. A TS 25.322 [3GPP, 2006f] especifica o protocolo RLC (Radio Link Control). A TS 25.323 [3GPP, 2006c] especifica o protocolo da convergência de dados do pacote. A TS 25.324 [3GPP, 2006a] especifica BMC (Broadcast/Multicast Control). A TS 25.331 [3GPP, 2006g] especifica controle de recurso de rádio. A descrição da UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) e suas interfaces são especificadas pelas TS 21.101 [3GPP, 2007b], TS 25.401 [3GPP, 2007h], TS 25.410 [3GPP, 2006h], TS 25.411 [3GPP, 2006i], TS 25.413 [3GPP, 2007c], TS 25.420 [3GPP, 2007f], TS 25.423 [3GPP, 2007g], TS 25.430 [3GPP, 2007d] e TS 25.433 [3GPP, 2007e].
2.3.1
Arquitetura UMTS
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
12
entre si através da interface Iub. O equipamento do usuário é conectado a ERB através da interface Uu, que utiliza W-CDMA como tecnologia de interface de rádio de banda larga com taxas de transmissão maiores que os atuais sistemas 2G e 2,5G, projetada para suportar aplicações multimídia que necessitam grande largura de banda.
O RNC controla várias ERBs e é um comutador ATM responsável pela multiplexação/demultiplexação de dados de comutação de circuitos e de pacotes, gerenciando recursos de rádio de forma autônoma. Dentre suas funções está o controle de congestionamento, SHO (Soft handover), monitoramento e desempenho do subsistema da rede de rádio.
O RNS (Radio Network Subsystems) é responsável pelo roteamento das informações do usuário e controle, sendo um ponto de acesso de todos os serviços oferecidos para a rede de núcleo. É composto pelo conjunto formado por RNCs e ERBs. Para comunicação entre um RNS a um outro, pertencente à UTRAN, é empregado à interface Iur. Para conexão da UTRAN ao CN utiliza-se a interface Iu composta pelas interfaces Iu-CS e Iu-PS.
O SGSN (Serving GPRS Support Node) ou Nó Servidor de Suporte ao GPRS, é uma interface entre a rede de núcleo e a UTRAN, sendo responsável por localizar unidades móveis e desempenhar funções de segurança e controle de acesso, gerenciamento de mobilidade e estabelecimento de sessão, cobrança, estabelecimento de QoS, handovers, paging e verificação de registro de usuários [Duarte-Figueiredo, 2004]. O SGSN é considerado também como um roteador de ingresso.
O GGSN (Gateway GPRS Support Node) ou Nó Roteador de Suporte ao GPRS é um nó de interface entre a rede de núcleo e redes de pacote externas PDNs (Packet Data Networks), tais como Internet e PSTN (Public Switched Telephone Network), sendo conectado ao SGSN através do protocolo IP. Dentre suas funções, estão gerenciamento de conexão – localização e autenticação, e contabilidade de pacotes transmitidos. Além disso, realiza tarefas de roteamento de endereços das unidades móveis, definindo o SGSN do nó móvel destino e determinando endereços IP dinâmicos para transmissão de dados das unidades móveis à rede externa IP. O GGSN é considerado também como um roteador de egresso.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
13
elementos da rede foram incorporados e outros usados na comutação por pacotes do GPRS foram mantidos com alterações, como SGSN e GGSN [Soininen, 2000].
Iu é uma interface aérea aberta que conecta a UTRAN à rede de núcleo. É responsável por handover entre RNSs, acesso à portadora de rádio, gerência de sobrecarga e informações de dados com erro de transmissão, entre outras atividades. Iur é uma interface aérea que conecta RNSs, com funções como suporte a handover, registros de localização de unidades móveis entre RNCs e medições da ERB entre RNCs. Iub é uma interface que conecta o RNC às ERBs, responsável por funções tais como estabelecimento do enlace de rádio para unidade móvel, gerência de falhas, medições das ERBs e gerência dos canais de controle.
Figura 2.2: Arquitetura UMTS (adaptado de [3GPP, 2004a]).
Iu-PS
Iu-CS
Iur
W-CDMAUE
UE
Uu
RNC RNCIu
Iub
RNS RNS UTRAN CN MSC/ VLR GMSC SGSN GGSN ERBs Banco de Dados Comutação a Circuito Comutação a Pacotes HLR PSTN Internet ERBs2.3.2
UTRAN
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
14
decisões de handover, que requerem uma sinalização com a unidade móvel, e cada RNS gerencia os recursos das ERBs respectivas. As interfaces Iub e Iur possibilitam o handover entre as unidades móveis na UTRAN. A rede terrestre de acesso à rádio realiza ainda processamento de tráfego e gerenciamento de recursos de rádio.
Na UTRAN, é utilizado W-CDMA ou TD-CDMA como técnica de múltiplo acesso, com um dos seguintes modos de acesso via rádio: FDD ou TDD, descritos na seção 2.2.2. O sinal do W-CDMA possui uma taxa de 3,84 Mcps (chips/s) com modulação de portadoras a 5 MHz e alocação de quadros de 10 ms e 15 janelas de tempo por quadro para cada usuário, suportando assim taxas de transmissão variáveis. Contudo, as taxas de transmissão podem sofrer variação de acordo com o fator espalhamento – SF (Spreading Factor): de 4 a 256 para o enlace de subida e de 4 a 512 para o enlace descida. Detalhes do sistema W-CDMA podem ser encontrados em [Honkasalo et al., 2002].
Na UTRAN, existem camadas horizontais e verticais com planos de controle, para um link ou conexão, e planos de usuário para transmissão de dados de usuários, com protocolos específicos ilustrados na Figura 2.3. As portadoras de sinalização são utilizadas para transmissão de sinais e controle das camadas mais altas. As portadoras de dados são protocolos usados no transporte de quadros de dados, iniciadas pelo TN–CP (Transport Network–Control
Figura 2.3: Camadas e protocolos UTRAN.
Protocolo de Aplicação ALCAP(s) Dados Streams portadoras de sinalização portadoras de sinalização portadoras de dados
Plano de Controle Plano de Usuário
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
15
Plane). Protocolos de aplicação são utilizados para sinalização UTRAN, como por exemplo, a configuração de portadoras da camada de rede. ALCAP (Access Link Control Application Part Protocol) localizado na TN–CP, reagem à demandas das camadas de rede, para configuração, manutenção e liberação de portadoras de dados. O protocolo TN–CP separa os dados da portadora do plano de controle. Os canais lógicos são mapeados nos canais de transporte, o RNC lida com canais de transporte utilizados para transportar diferentes fluxos de informação e os canais físicos compõem a existência física da interface Uu. Diferentes tipos de banda podem ser alocados para diferentes finalidades.
A pilha de protocolos dos elementos da rede de rádio é composta pelas seguintes camadas, ilustradas pela Figura 2.4:
• RRC (Radio Resource Control): camada de controle de recurso de rádio, responsável por procedimento de paging, sinalização do plano de controle entre unidade móvel e UTRAN, estabelecimento, manutenção e liberação de conexão RRC entre unidades móveis e ERB. Realiza ainda funções como ativar/desativar conexão e handover referente à mobilidade da conexão RCC e mapeamento para canais lógicos.
• RLC (Radio Link Control): a camada de controle de enlace de rádio é equivalente à camada de transporte da arquitetura TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Realiza segmentação e remontagem de PDUs (Packet Data Unit) das camadas superiores e entrega em seqüência.
• MAC (Medium Access Control): camada de controle de acesso ao meio, que responsabiliza pelo mapeamento dos canais lógicos para canais de transporte, monitorando tráfego e volume.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
16
UE
RRC RLC MAC FísicaERB
RRC RLC MAC FísicaFigura 2.4: Camadas UMTS.
IFQ IFQ
Existe uma fila IFQ (Interface Queue) entre as camadas RRC e RLC, que realiza controle de fluxo e adaptação de taxa, a qual armazena pacotes recebidos das camadas superiores, uma vez que a camada RLC necessita de controle de fluxo. Ao contrário, os pacotes recebidos das camadas inferiores não precisam ser armazenados na fila, já que a camada RRC é preparada para suportar tráfego irrestritamente.
2.3.3
Rede de Núcleo
A rede de núcleo é uma rede fixa composta pelos domínios de comutação a circuito – CS (Circuit Switched) e comutação a pacotes – PS (Packet Switched), conforme ilustra a Figura 2.2. A principal função da rede de núcleo é realizar a conexão da UTRAN com as redes externas, tais como a Internet e a rede pública de telefonia PSTN. Entres suas atividades estão handover, contabilização e roaming de usuários.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
17
Para transmissões de pacotes na rede de núcleo, o RNC transmite dados das unidades móveis para o SGSN pela interface Iu-PS, o qual armazena endereços dos usuários e informações de localização. O SGSN especifica o GGSN destino, o qual enviará dados para redes externas, através de roteamento das unidades móveis.
O domínio CS realiza a comunicação entre unidades móveis e a rede PSTN, e é composto por MSC (Mobile Switching Center), que são switchs que estabelecem conexões com outros MSCs e com RNCs, através da interface Iu-CS.
A rede de núcleo possui ainda elementos herdados de gerações anteriores, como HLR e VLR (Visitor Location Register). O HLR é um banco de dados que contém informações dos usuários registrados em uma área de serviço, tais como inscrição, localização, identificação, perfil e último VLR registrado. O VLR é um banco de dados local, usado temporiamente para armazenar dados das unidades móveis que estão fora de sua área de serviço, permitindo assim o roaming.
2.4
Redes Enhanced-UMTS
Consideradas como redes 3,5G, as redes E-UMTS são baseadas nas Releases 6 e 7 das TS’s do grupo 3GPP. Uma rede UMTS “melhorada” é uma rede com os seguintes aperfeiçoamentos:
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
18
• Camada de enlace, com técnicas novas de comunicação sem fio como HSTC (Hybrid Space - Time Coding) juntamente com esquemas de antenas adaptáveis – BF (Beam-Forming), a fim de aumentar taxa de transmissão e capacidade. Taxas mais altas do que 2 Mbps sobre a largura de banda 5 MHz deverão ser alcançadas aumentando a eficiência espectral através da combinação de esquemas adequados de codificação/modulação. A associação com MIMO é um tema a ser estudado nessa rede.
• Desenvolvimento de novas técnicas de QoS: a camada de rede deve conter mecanismos apropriados de QoS para que a RAN (Radio Access Network) e parte do núcleo da rede E-UMTS seja utilizado de forma eficiente e seja possível fornecer serviços heterogêneos com alta qualidade para usuários finais. A Release 5 descreve que a RAN e núcleo da rede devem conter mecanismos de gerência de recursos para QoS agregado, baseados em DiffServ. Já na interface de rádio, é preciso conter mecanismos QoS por fluxo efetivo. Porém, se novos mecanismos forem implementados corretamente, como na arquitetura DiffMobil [Duarte-Figueiredo, 2004], DiffServ poderá ser apenas uma referência.
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
19
Capítulo 3
Qualidade de Serviço em Redes
Móveis
3.1
Introdução
O termo QoS (Quality of Service) é conceituado como o grau de satisfação do usuário com um tipo de serviço oferecido em uma rede ou sistema [3GPP, 2006e]. Em redes de computadores, QoS refere-se ao desempenho da rede de forma a garantir que os serviços possam ser atendidos satisfatoriamente. Para provisionamento de QoS, torna-se necessária a diferenciação ou a classificação de tráfego e tipos de serviços. Em redes móveis, a diferença de largura de banda entre o núcleo e a interface aérea da rede é outro fator que exige que mecanismos de QoS sejam implementados [Koodli and Puuskari, 2001, Xiao et al., 2004].
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
20
pacote para envio à rede. Por fim, a classificação por quadros se dá em redes móveis com a marcação dos quadros de acordo com sua característica de tráfego.
Em redes móveis, o provisionamento de QoS deve levar em consideração a mobilidade dos usuários, ao contrário das redes fixas. Sendo assim, no processo de SHO, quando um usuário móvel se desloca de uma célula e passa a ser atendido por outra, o provisionamento de QoS deve ser considerado. A conexão será roteada para a nova célula e os parâmetros de QoS negociados também deverão ser enviados para esta, que verificará se existem recursos disponíveis para manter essa conexão, sem que haja interrupção do serviço. Caso não existam recursos, a conexão poderá ser cancelada ou haverá renegociação de parâmetros de QoS. Além disso, em redes móveis, existem outros fatores que influenciam QoS. Dentre eles, encontra-se o fato de que a capacidade dessa rede é geralmente inferior a das redes com fio, com escassez de recursos. Os canais das redes sem fio são considerados também não confiáveis e estão sujeitos a erros de ruído e interferências. Soluções de QoS para redes móveis, devem considerar todos estes aspectos.
3.2
Parâmetros de Tráfego para Provisionamento de
QoS
Para se garantir QoS, alguns parâmetros são necessários, sendo negociados entre a camada de aplicação e as camadas inferiores da rede. Em um mecanismo de QoS, é importante que se procure respeitar as características de tráfego das diferentes aplicações. Por exemplo, aplicações multimídia exigem que requisitos de QoS, como atraso, variação no atraso (jitter) e taxa de perdas sejam mantidos em níveis baixos e que sejam garantidos, enquanto outras aplicações nem tanto. A seguir, os parâmetros mais importantes serão explicados com base em [Maniatis et al., 2002, Duarte-Figueiredo, 2004].
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
21
as perdas de pacotes afetam diretamente a taxa de vazão, pois quando aumenta o número de perdas, os pacotes que chegam ao seu destino diminuem.
Atraso, ou delay, é o tempo gasto para que um pacote seja enviado do transmissor até o receptor, sendo medido pelo intervalo de tempo em que o pacote percorre a rede até o seu destino. O termo atraso fim-a-fim refere-se ao conjunto resultante de atrasos sofridos durante uma comunicação, sendo composto por atrasos de processamento, enfileiramento, transmissão e propagação. Esse parâmetro pode ser influenciado por fatores como meio de comunicação ou congestionamentos na rede.
Variação do atraso, ou jitter, é a diferença de atraso entre pacotes enviados e recebidos na rede. Para evitar uma diferença alta na variação, geralmente são empregados mecanismos que tentam anular a variação de atraso como maximização de atraso de todos os pacotes ou buffers de recepção. Para calcular a variação do atraso, é utilizada a diferença entre o tempo de partidas e o tempo de chegadas dos pacotes.
Perda de pacotes é um parâmetro de tráfego da rede, sendo a diferença de pacotes enviados e pacotes perdidos. É medido em um intervalo de tempo. A perda de pacotes acontece por vários motivos, como por exemplo, descarte na fila, falta de espaço em buffers, colisão, taxa de erros de bits - BER (Bit Error Rate) ou baixa relação sinal-ruído. A tolerância à perda de pacotes está relacionada à confiabilidade da transmissão.
É importante ressaltar que grande parte das aplicações é totalmente dependente de alguns parâmetros de QoS, mas podem ser flexíveis a outros, como aplicações de voz que são sensíveis ao atraso, aceitando perdas, enquanto aplicações de correio eletrônico não podem ter perdas de pacotes, sendo tolerantes ao atraso.
3.3
Mecanismos de Garantia de QoS
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
22
O controle de admissão é um mecanismo responsável pela inicialização de uma conexão sobre a rede sem fio, alocação e liberação de canais de tráfego e suporte a handover. Entre suas funções, o CAC é responsável por analisar os parâmetros de QoS requeridos por novas chamadas e manter os parâmetros de QoS de chamadas já estabelecidas, alocando recursos de acordo com as classes de serviço prioritárias. O principal objetivo é diminuir o número de bloqueios de novas chamadas e handovers [Lindemann et al., 2003].
O mecanismo de negociação de parâmetros, como o próprio nome diz, é responsável pela solicitação de parâmetros de QoS das aplicações de usuários, o qual verifica se os parâmetros solicitados de uma conexão poderão ser atendidos em um determinado tempo ou não. Utiliza-se de protocolo de sinalização pelas aplicações para informar ou requerer à rede seu nível de QoS desejado. RSVP (Resource Reservation Protocol) [Braden et al., 1994] e LDP (Label Distribution Protocol) [Anderson et al., 2001] são dois modelos de protocolos de sinalização.
Controle de prioridade é outro mecanismo de QoS para prover diferenciação de pacotes, controlando o tempo de processamento de pacotes. Como exemplo, pode ser citado IP Precedence [Nichols et al., 1998], o qual utiliza o campo TOS (Type of Service) de cabeçalhos de pacotes IP. Existe ainda o algoritmo PQ (Priority Queuing) [Nichols et al., 1998], que prioriza pacotes na saída dos roteadores.
Escalonamento é um mecanismo implementado em roteadores que deve garantir que fluxos diferentes possam obter os recursos a eles alocados. Alguns dos algoritmos existentes são o WRR (Weighted Round Robin) [Sayenko et al., 2004], GPS (Generalized Processor Sharing) [Borst et al., 2001], CBQ (Class Based Queuing) [Don and Chang, 2004], WFQ (Weighted Fair Queuing) [Ali et al., 2005] e ADRR (Adaptive Deficit Round Robin) [Peng et al., 2005]. Um novo algoritmo de escalonamento baseado no modelo de satisfação do usuário para serviços comutados a pacotes nas redes UMTS é proposto em [Enderle and Langrange, 2003].
O gerenciamento ativo de filas é um mecanismo implementado também em roteadores, sendo responsável por descarte de pacotes, quando ocorre congestionamento na rede, o que garante liberação de recursos para classes mais prioritárias. Alguns autores consideram o gerenciamento ativo de filas pertencendo ao mecanismo de escalonamento. Como exemplos de algoritmos de controle de filas, podem ser citados SFQ (Stochastic Fair Queuing), CFQ (Class-Based Fair Queuing) e WFQ [Smit and Ferreira, 2004].
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
23
fluxos de pacotes durante o congestionamento, o qual verifica a utilização da rede. Geralmente, controlador de fluxo [Duarte-Figueiredo, 2004] provê marcações em pacotes e utiliza do mecanismo de escalonamento. Dentre os algoritmos implementados para redes IP, podem ser citados o RED (Random Early Detection) e WRED (Weighted Random Early Detection). Uma implementação melhorada do algoritmo WRED pode ser encontrada em [Peng et al., 2005].
3.4
Soluções de QoS para Redes IP
Uma vez que a rede E-UMTS é baseada no protocolo IP, torna-se necessário que mecanismos para provisionamento de QoS com suporte de aplicações multimídia nessas redes sejam baseados nas soluções de QoS para redes IP. Entre as principais soluções desenvolvidas pelo órgão IETF (Internet Engineering Task Force) para provisionamento de QoS em redes IP podem ser citadas MPLS (Multiprotocol Label Switching) [Chaskar and Koodli, 2001], IntServ (Integrated Services) [Braden et al., 1994, Ozer and Papavassiliou, 2003] e DiffServ (Differentiated Services) [Nichols et al., 1998, Blake et al., 1998, Baig et al., 2001].
Basicamente, a arquitetura MPLS faz roteamento de pacotes baseando em rótulos (labels), ao contrário das redes tradicionais que utiliza encaminhamento hop-by-hop, o que aumenta a eficiência no encaminhamento de pacotes nas redes IP. Ao determinar uma rota pelo método tradicional, os pacotes são rotulados antecipadamente entre os nós da rede, reduzindo o processamento de roteadores durante a comunicação [Rosen et al., 2001].
A arquitetura IntServ [Braden et al., 1994, Ozer and Papavassiliou, 2003], também conhecida como arquitetura de Serviços Integrados, fornece garantias de QoS para fluxos individuais de tráfego, através do uso de sinalização e reserva de recursos. É composta por RSVP (responsável por realizar reservas de recursos), controle de fluxo utilizando escalonamento, controle de admissão e policiamento da rede. Porém, devido à quantidade de informação de estado pelo crescimento de fluxos, apresenta problemas de escabilidade e complexidade, pois os roteadores possuem limitação de memória.
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
24
tratamento é feito no interior do domínio DiffServ. [Peng et al., 2005] implementa um modelo da arquitetura DiffServ para UMTS com mecanismos de gerenciamento de buffers e escalonamento, implementados com WRED e ADRR respectivamente, para avaliar o desempenho do processador IXP2004 tanto em nível de hardware quanto de software.
3.5
Arquitetura de QoS para Redes UMTS
A arquitetura de QoS para redes UMTS foi especificada pelo grupo 3GPP [3GPP, 2006e]. Nessa arquitetura, as características e funcionalidades entre entidades pares são definidas por um serviço de suporte, chamado bearer service, a fim de prover QoS para serviços fim-a-fim. A arquitetura é dividida em camadas, que representam uma abstração dos serviços de suporte para gerenciamento de QoS para cada segmento da rede, como mostrado na Figura 3.1. Os serviços são integrados e dependentes de serviços entre as camadas inferiores para prover QoS fim-a-fim. Equipamento terminal UE RAN CN CN Gateway UMTS Serviço fim-a-fim Serviço de Suporte local
UMTS Bearer Service Serviço de suporte externo Serviço de suporte UMTS
Serviço de suporte de acesso a rádio Serviço de suporte à CN Serviço de suporte Backbone Serviço de suporte de acesso a RAN Serviço de suporte a rádio Serviço de suporte rádio físico Serviço de suporte físico Rede Externa
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
25
Como ilustrado na Figura 3.1, a camada de serviço fim-a-fim é composta pelo serviço de suporte local, que interliga o equipamento terminal ao equipamento móvel, pelo suporte UMTS fornecido pelas operadoras dentro da rede UMTS e pelo serviço de suporte externo. Por sua vez, o serviço de suporte UMTS é composto pelo suporte de acesso à rádio e suporte de acesso ao núcleo da rede e fornece o transporte confiável de dados de usuário e sinalização. O serviço de suporte a rádio depende dos serviços de suporte de rádio físico entre o equipamento móvel e a rede de acesso UTRAN e possui como funcionalidade proteção a erros. O serviço de acesso à RAN oferece serviços entre RNC e SGSN e depende do serviço de suporte de nível físico. O serviço de suporte a rede de núcleo provê transporte na rede de núcleo entre SGSN e GGSN e é dependente da rede backbone da rede UMTS, suportando serviços diferentes e vários níveis de QoS. O serviço de suporte backbone não é especificado pelo 3GPP e pode ser utilizado um padrão a nível 1 e 2 da rede existente.
Além disso, os serviços de suporte incluem alguns aspectos, tais como sinalização de controle, transporte no plano de usuário e funcionalidades de gerência de QoS. Na gerência de QoS, existem gerenciamento de QoS no plano de controle, gerenciando o serviço ao nível de suporte como ativação/desativação do serviço e reserva de recursos, e também gerenciamento de QoS no plano de usuário, gerenciando classificação, descarte e escalonamento em nível de pacotes. Para o plano de controle é feito o suporte de estabelecimento e alteração de serviço de suporte UMTS através de sinalização ou negociação com serviço de suporte externo, estabelecendo serviços internos com níveis desejados. Esse plano possui, como funcionalidades de QoS da camada serviço de suporte UMTS, uma gerência de serviço, uma entidade de tradução, um controle de admissão e um controle de inscrição.
A gerência de serviço é responsável pelo estabelecimento, alteração e manutenção do serviço contratado. No terminal móvel, é solicitada a tradução de atributos de QoS que possam ser reconhecidos pelo suporte local, requisitando o serviço. No GGSN, o gerenciador solicita tradução de atributos QoS para serviços de suporte ao núcleo da rede e suporte externo, requisitando os serviços após consulta ao controle de admissão/capacidade realizada pela UTRAN para verificação de recursos, que requisita serviços de suporte das camadas mais inferiores. A entidade de tradução é responsável por converter atributos UMTS em QoS para vários protocolos das redes externas e vice-versa.
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
26
Através desse controle, é determinado para cada serviço requisitado de suporte UMTS, se os recursos solicitados podem ser providos pela entidade, reservando esses recursos caso seja possível. Possui ainda a funcionalidade de verificar a capacidade das entidades de rede para fornecer o serviço requisitado, analisando se o serviço é implementado e se não existem bloqueios administrativos, além de poder trabalhar com retenção de serviço. A entidade de controle de inscrição é responsável por verificar os direitos administrativos do usuário do serviço de suporte UMTS, a fim de utilizar o serviço requisitado com atributos específicos de QoS.
Para o plano de usuário é mantido o tráfego de sinalização e de dados conforme definido por atributos de QoS. Esse plano possui como funcionalidades de gerência de QoS da camada serviço de suporte UMTS um classificador de pacotes, um mapeador, um condicionador de tráfego e um gerenciador de recursos. A entidade classificadora, como o próprio nome diz, é responsável por classificar os pacotes do serviço de suporte local ou suporte externo para o suporte UMTS. No mapeador, cada pacote receberá uma marcação de acordo com o classificador. No condicionador de tráfego, a entidade verificará a QoS negociada e o tráfego da rede, marcando ou descartando os pacotes que não estejam de acordo com as possibilidades de atendimento de QoS ao tráfego do momento. Os recursos disponíveis são distribuídos entre todos os serviços de acordo com a QoS negociada pelo gerenciador de recursos.
Para controle e estabelecimento de QoS dentro da rede UMTS, é utilizado o estabelecimento de contexto PDP (Packet Data Control). O processo consiste em enviar uma mensagem de pedido de ativação de contexto PDP do equipamento móvel ao SGSN, que possui a QoS requisitada e outros parâmetros. A QoS será aceita na interface aérea e núcleo da rede caso existam recursos disponíveis. Caso contrário, a QoS poderá ser renegociada.
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
27
aplicações da classe interactive, podem ser citados navegação web e acesso remoto, caracterizadas por uma requisição de dados tipo cliente/servidor, sendo o tráfego caracterizado por rajadas. Como atributos de QoS, o atraso e perdas de dados devem ser baixos e existem nessa classe três níveis de precedência, de acordo com o serviço. Como exemplos de aplicações da classe background, podem ser citados envio de e-mail e transferência de arquivos, caracterizados por serviços de tempo não-real e não sensíveis ao atraso, porém não permitem perdas de pacotes.
3.6
Trabalhos Relacionados
Nesta seção, serão apresentados alguns trabalhos da literatura relacionados à qualidade de serviço em redes móveis, utilizando algoritmos de controle de admissão, sendo os principais [Lindemann et al., 2003, Antoniou, 2004, Duarte-Figueiredo, 2004].
3.6.1
Solução proposta por Lindemann, Lohmann e
Thummler
Para melhorar a qualidade de serviço, [Lindemann et al., 2003] propõe uma estrutura integrada com gerenciamento de desempenho adaptável, composta por mecanismos de controle de admissão, monitoramento on-line de desempenho da rede, escalonador de pacotes e um módulo denominado APM (Adaptive Performance Management), o qual é responsável por atualizar e gerenciar diversos parâmetros da rede. A decisão de aceitação ou bloqueio de um pedido de chamada feito no mecanismo de controle de admissão é baseada no perfil de QoS definido pelo usuário e no estado atual da rede, possuindo critérios diferentes para cada classe de serviço e reserva para pedidos de handovers.
Na solução de [Lindemann et al., 2003], são calculadas frações para reserva da largura de
banda para handovers para apenas aplicações de tráfego de tempo real. Considerando bh como
largura de banda atualizada pelo módulo APM, HFP a probabilidade de falha de handover e CBP a probabilidade de bloqueio de novas chamadas, é dado o seguinte cálculo que será utilizado também como base para o CAC-RD proposto por este trabalho:
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
29
exemplo, se uma nova chamada foi requisitada com 12 kbps (conversational), será atribuído a ela um SF igual a 128. De acordo com esse SF, um dos códigos binários disponíveis será alocado para a chamada, sendo aceita por essa etapa do controle de admissão. Se não existir código disponível, é atribuído o valor zero, bloqueando a chamada. Quando não existe canal disponível para uma nova chamada de tempo real, o CAC consulta o mecanismo de escalonamento de pacotes a fim de tentar liberar canais de transações de aplicações de tempo não real ativas no momento, as quais poderiam aguardar na fila.
O simulador E-UMTS foi desenvolvido por Josephine Antoniou com contribuição de pesquisadores do projeto SEACORN [SEACORN, 2004] e é descrito em [Antoniou, 2004]. Antoniou simula, no ns-2, todos os componentes de uma rede E-UMTS e o tráfego fim-a-fim entre unidades móveis e nós externos à rede. Antoniou descreve alguns cenários e experimentos realizados no projeto SEACORN. O propósito do projeto foi descobrir a melhor cobertura e capacidade para ambientes de escritório, de centros de negócios e urbano, com um número mínimo aceitável de bloqueios. Alguns dos parâmetros e resultados de [Antoniou, 2004] serão utilizados neste trabalho, como referência.
No simulador, as aplicações podem ser ou não de tempo real, sendo definidos quatro tipos de serviços que utilizam UDP (User Datagram Protocol) como protocolo de transporte: voz, multimídia, serviços de banda estreita (narrowband) e serviços de banda larga (wideband). No simulador E-UMTS empregado, o controle de admissão de chamadas é implementado no RRM (Radio Resource Management) que gerencia recursos na interface sem fio. O RRM inclui também mecanismos de controle de potência, escalonamento de pacotes, controle de carga e handover. O mecanismo de controle de admissão do simulador E-UMTS é responsável pela admissão e liberação de portadoras de acesso à rádio ou RABs (Radio Access Bearers) e está localizado no RNC, o qual deve possuir todas as informações da rede. Os recursos de rádio não são reservados para toda duração da conexão, mas apenas para transmissão de dados reais.
O modelo de mobilidade na rede E-UMTS é dependente do ambiente dos usuários móveis. No simulador, foram usados três tipos diferentes de modelo de mobilidade, de acordo com o tamanho das células de cada cenário: Random Waypoint para o ambiente de escritório (ambiente pico-celular), grade de Manhattan para o ambiente centro de negócios (ambiente micro-celular), e Gauss-Markov para o ambiente urbano (ambiente macro-celular).
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
30
uma rede homogênea e evitando a concentração de usuários em uma determinada área, termo conhecido também como hotspots. Após a distribuição dos usuários, o modelo de tráfego é gerado, definindo quais usuários ficam ativos. A posição de cada usuário é atualizada seguindo o modelo de mobilidade, o que pode gerar handovers. É feita uma estimativa da interferência do sinal para cada célula específica, e é determinado o SIR (Signal-to-Interference Ratio). O tipo de serviço é verificado no sistema, utilizando admissão de controle e escalonador de pacotes. Por fim, é executado o mecanismo de controle de potência do sinal e interferência e também controle de carga. O controle de carga evita que a rede seja sobrecarregada, pois em determinadas circunstâncias de congestionamento de canais e carga de tráfego, há uma diminuição da taxa de transmissão requerida, como se fosse uma negociação de QoS sem a existência do mecanismo de negociação.
No projeto SEARCORN, foram simulados três tipos diferentes de cenários no E-UMTS (escritório, centro de negócios e urbano), cada qual com parâmetros específicos de topologia, modelos de mobilidade, de propagação, de tráfego e número de usuários. Para o cenário de escritório, a topologia foi formada por 6 picos células. Para o cenário de centro de negócios ou BCC (Business City Centre), a topologia foi formada por 25 micros células, com as ERBs separadas por edifícios e ruas. Para o cenário urbano, a topologia foi formada por 7 e 19 macros células. No modelo de tráfego, [Antoniou, 2004] utilizou taxas de 12 kbps para serviços de voz, taxas de 144 kbps para serviços de multimídia, taxas de 384 kbps para serviços de banda estreita e taxas de 768 kbps para serviços de banda larga, com taxas fixas para cada aplicação.
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
31
último, seria preciso determinar a melhor capacidade (número de usuários) para cada célula. Foi testado novamente o ambiente urbano com tráfego misto com 7 células e distância de 800 metros, variando o número de usuários. De acordo com os resultados, a melhor capacidade indicada por Antoniou é de 500 a 1000 usuários para o ambiente urbano com 7 células.
Dentro do projeto SEACORN, alguns dos principais resultados podem ser destacados. Dentre eles, foi encontrada a distância ideal entre as ERBs e o número ideal de usuários simultâneos, para cada tipo de cenário. A distância de 20 metros entre as ERBs com 800 usuários simultâneos reduziu consideravelmente o número de bloqueios de novas chamadas. Sendo assim, considerado o cenário ideal para escritórios. A distância de 230 metros entre as ERBs com 1000 a 1250 usuários simultâneos reduziu consideravelmente o número de bloqueios de novas chamadas. Sendo assim, considerado o cenário ideal para centro de negócios. A distância de 800 metros entre as ERBs com 500 a 1000 usuários simultâneos reduziu consideravelmente o número de bloqueios de novas chamadas. Sendo assim, considerado o cenário ideal para o ambiente urbano.
3.6.3
Solução proposta por Duarte-Figueiredo
Como solução de QoS fim-a-fim para redes GPRS, [Duarte-Figueiredo, 2004] propõe uma arquitetura chamada DiffMobil, aplicada nas camadas de rádio e no núcleo IP da rede. Para provisionamento de QoS nas camadas de rádio, a arquitetura DiffMobil utiliza mecanismos de negociação de QoS, diagnóstico de rede, controle de admissão, reserva de recursos e controle de fluxo. Para provisionamento de QoS no núcleo IP, a arquitetura DiffMobil utiliza DiffServ.
O papel do mecanismo de controle de admissão proposto pela arquitetura DiffMobil é controlar recursos de rede e tráfego na interface aérea. O controle de admissão interage com o mecanismo de negociação de QoS através de respostas ao perfil de QoS solicitado, sendo responsável pela admissão de novas chamadas e handovers. É implementado utilizando guarda de canais: 2% dos canais são reservados para handovers e 1% para novas chamadas da classe conversational. Além disso, é complementado pela técnica de diagnóstico da rede, a fim de evitar que a super utilização de recursos prejudique o desempenho das aplicações na rede. O algoritmo do mecanismo de controle de admissão proposto pode ser resumido como segue:
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
32
2. Se a utilização da rede for inferior a 50% da capacidade total, atende a todas as requisições.
3. Se a utilização da rede estiver entre 50% a 56% da capacidade total, bloqueia chamadas da classe background.
4. Se a utilização da rede estiver entre 56% a 62% da capacidade total, bloqueia chamadas das classes background e interactive.
5. Se a utilização da rede estiver entre 62% a 68% da capacidade total, bloqueia chamadas das classes background, interactive e streaming.
6. Se a utilização da rede estiver acima de 68% bloqueia novas chamadas
Na arquitetura DiffMobil, cada tipo de tráfego é diferenciado no controle de admissão. Tráfego de handover possui 2% dos canais reservados, tendo prioridade sobre novas chamadas das demais classes de tráfego. Em seguida, tráfego conversational possui 1% dos canais reservados, tendo prioridade sobre as demais classes de tráfego. As classes streaming, interactive e background são priorizadas nessa ordem de acordo com a utilização da rede.
3.6.4
Outras Soluções encontradas na Literatura
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
33
Um estudo da capacidade e desempenho do controle de admissão em redes UMTS é feito em [Solana et al., 2003]. O controle de admissão proposto objetiva controlar o número de usuários ativos através da interferência de células e variação da capacidade no sistema. São abordados esquemas estáticos e dinâmicos de priorização e compartilhamento, associado à reserva de recursos, o qual procura proteger pedidos de handovers de novas chamadas. Na avaliação de desempenho é considerada a movimentação dos usuários. É utilizado como técnica no CAC, a probabilidade de bloqueio de nova chamada e a probabilidade de perda de handover por falta de recursos, sendo preferível o bloqueio de uma nova chamada do que a perda de uma chamada aceita. A perda de handover pode ser minimizada através de reserva variável de recursos para handover baseada na movimentação do usuário. O controle de admissão mantém troca de informações distribuída entre as células. Cada ERB faz uma decisão da admissão trocando a informação do estado com as células adjacentes periodicamente. A estimativa de handover é definida por informações de energia e medidas de qualidade do nó móvel e da célula atual e suas adjacentes. É importante observar, que predições erradas aumentam a probabilidade de bloqueio de uma nova chamada. Entretanto, os pedidos de handover são tratados igualmente, independentemente de reserva. Toda reserva é compartilhada para atender a handovers e volta a ser diminuída após o handover, se for possível.
[Zreikat and Al-Begain, 2003] abordam controle de admissão como um importante mecanismo para garantir QoS, apresentando um algoritmo de CAC baseado em handover, a fim de se obter uma utilização eficiente da capacidade da rede. O CAC apresentado possui proteção de conexões existentes por causa de novas conexões, distribuindo a carga da rede eficientemente para células com menor carga. O controle de admissão proposto verifica o número de conexões ativas antes de aceitar uma nova chamada e calcula a distância entre a ERB atual e ERBs vizinhas, equilibrando o tráfego na rede. É ressaltado que os valores de cobertura e capacidade devem ser dinâmicos, apesar de dependerem dos níveis de interferência e do número de conexões ativas, trabalho referenciado também em [Antoniou, 2004].
