Análisis de Tasa Efectiva de Servicio y Retardo en SMS

Transcripción

1 Aálisis de asa Efectiva de Servicio y Retardo e SMS Alex Alvarado S., Luis Viett P. y Walter Grote H. Departameto de Electróica Uiversidad écica Federico Sata María Av. España 1680, Casilla Postal: 110-V, Valparaíso, Chile wgh@elo.utfsm.cl Resume.- El Short Message Service (SMS) es u servicio que permite a suscriptores GSM eviar u mesaje de texto simple, de hasta 160 caracteres. El bajo costo, la coveiecia que implica el evío silecioso e iequívoco de datos y la relativa rapidez del relevo de los SMS, se ha traducido e ua amplia aceptació de este servicio. Coviee etoces evaluar el redimieto e térmios de la tasa efectiva de servicio (throughput) y el retardo para los SMS a ivel de la capa MAC. Dado que existe poca iformació referete al tema, este documeto se preseta como ua referecia para estudios posteriores. Abstract.- he Short Message Service (SMS) eables GSM subscribers to sed each other a simple text message, costraied to a maximum of 160 characters. he low service cost, the coveiece of beig able to deliver siletly accurate data at a reasoable speed has brought SMS to worldwide acceptace levels. his motivates the coveiece of throughput ad delay evaluatio at the MAC level. his documet is preseted for future work referece due to the fact that little has bee published i this cotext. Keywords.- SMS, GSM, Sigalig Chaels, SDCCH, hroughput, Retardo 1.- Itroducció La tecología GSM (Global System for Mobile), es u estádar para comuicacioes móviles ampliamete aceptado a ivel mudial. Es la orma pa-europea de telefoía celular digital creada por la ESI (Europea elecommuicatios Stadards Istitute), y está siedo usada por más de 400 milloes de usuarios e el todo el mudo [Sam02]. El estádar GSM es u sistema de comuicacioes de telefoía móvil basado e la comutació de circuitos. Proto se vio la coveiecia de ofrecer u servicio adicioal de itercambio de breves mesajes de datos etre los usuarios. De esta foma ace el cocepto y la tecología asociada al Short Message System (SMS) [Bri99]. El SMS es u servicio que permite el evío de mesajes cortos de texto etre termiales móviles co u largo máximo de 160 caracteres. Este servicio, es del tipo store ad forward, lo cual permite que si el equipo del destiatario se ecuetra apagado, o fuera del área de cobertura, el mesaje sea almaceado e la red hasta que pueda ser retirado por el destiatario. Si bie existe umerosas publicacioes referetes al fucioamieto del sistema SMS [Peer00] [Bri99] [Car03], los autores o cooce documetos que aborde el tema de establecer la tasa efectiva de servicio (throughput) y retardo e detalle. Éste aálisis es importate tato a ivel de usuario como de proveedor de servicios, pues la máxima tasa de trasferecia ofrecida y el retardo medio e la recepció de u SMS iteresa tato a quie evía el mesaje como a quie diseña, admiistra y provee el servicio. El resto de este documeto está orgaizado de la siguiete forma. E la secció 2 se preseta ua descripció del sistema, así como detalles sobre la trama GSM y la codificació utilizada e los caales de cotrol. E la secció 3 realiza el aálisis de la tasa efectivas de sevicio (throughput), mietras que e la secció 4 se aaliza el retardo e SMS. Fialmete e la secció 5 se preseta las coclusioes del presete trabajo. 2.- Descripció del Sistema. El SMS es u servicio que permite el evío de mesajes cortos de texto etre termiales móviles co u largo máximo de 160 caracteres. Existe dos tipos de SMS dispoibles: mesajes de difusió (cell broadcast), usados para eviar iformació de cotrol uidireccioales a los termiales móviles que tega habilitado el servicio detro de ua celda, y mesajes puto a puto (poit-to-poit). Los SMS poit-to-poit so eviados desde u móvil a otro, [Peer00]. Este documeto se cetra e el aálisis de los SMS poit-to-poit por ser los de mayor iterés para los usuarios. A los proveedores de servicio tambié les iteresa coocer las tasas de servicio y retardos que está asociados a la iterfaz de aire de este servicio. Detro de las características importates de este sistema se destaca que o es ecesario poseer ua casilla para almacear los mesajes. De hecho, los SMS llega automáticamete al termial y se almacea e éste. Debido a que la trasmisió de los SMS se realiza usado los caales de cotrol de GSM es posible cursar ua llamada y recibir u mesaje e forma simultáea SMS e la trama GSM. E la Figura 1 se muestra u esquema de la jerarquía de la trama GSM. E esta se puede apreciar tato los caales de cotrol (señalizació) como los caales de tráfico de voz ó datos los cuales so multiplexados e el tiempo, [Aga04], [Rap02], [Ad01]. Como se puede apreciar e la Figura 1, ua trama (frame) correspode a la uidad básica de la jerarquía y está compuesta de 8 rauras temporales (time slots) deomiados S 0,..., S 7. Estas tramas so agrupadas e ua multitrama (multiframe) de 26 tramas para el caso de tráfico y e 51 tramas para el caso de señalizació. A su vez, las multitramas so agrupadas e ua supertrama (superframe) de 51 ó 26 multitramas para el caso de Seacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.1/5

2 tráfico y de señalizació respectivamete. Por último, las supertramas se agrupa e ua hipertrama (hyperframe) de 2048 supertramas, [Rap02]. 6.12[s] tato e el elace de subida como e el de bajada, [Car03], [Aga04]. La estructura de la multitrama de cotrol para el caal de bajada se preseta e la Figura ,5[ms] SDCCH 1 SDCCH 2 SDCCH 3 SDCCH 4 SDCCH 5 SDCCH [ms] 235.4[ms] Voz ó Datos 4.615[ms] S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S Señalizació Figura 1: Jerarquía de la trama GSM [Rap02]. E la Fig. Figura 2 se destaca S 0, utilizada para señales de cotrol, mietras que S 1, S 2, S 3, S 4, S 5, S 6 y S 7 se utiliza para tráfico de voz/datos. El aálisis de este documeto se cetra a ivel de ua multitrama de cotrol (51 tramas de 8 S cada uo) [ms] S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 Figura 2: Divisió del frame para cotrol y voz. Si bie GSM provee el trasporte de datos sobre u caal de tráfico, para la trasmisió de u SMS poit-to-poit se utiliza caales de cotrol, lo cual permite el tráfico de voz y de mesajes e forma simultáea. Depediedo de si existe o o ua llamada e curso, el SMS se evía por caales de cotrol diferetes. E caso de teer ua llamada e curso, se utiliza el caal SACCH (Slow Associated Cotrol Chael). E caso de que se trate de u mesaje que es eviado a u termial que o está cursado ua llamada, se usa el caal SDCCH (Stad-aloe Dedicated Cotrol Chael). Para el aálisis presetado e el presete documeto se asume que o existe ua llamada e curso e el termial que evía o recibe u SMS, lo cual, a juicio de los autores, represeta ua situació más realista. Además se aaliza el desempeño para ua sola portadora e el sector de la celda, portadora que comparte señalizació y caales de voz. ambié se asume la presecia de u sólo usuario que iteta eviar u SMS, es decir, o existe cotieda etre múltiples usuarios por la toma del caal SDCCH. Fialmete, tampoco se asume que las trasmisioes pueda ser iterferidas y, e cosecuecia, está libres de error de caal. Estas simplificacioes tiee por objeto poder establecer la cota máxima de la tasa efectiva de servicio y el míimo retardo esperado. A lo aterior se agrega que tampoco se aaliza los retardos itroducidos por el servidor de mesajes, que tampoco es parte de este estudio. La multitrama puede teer distitas cofiguracioes, que so elegidas por el proveedor de servicios. Se asume ua cofiguració SDCCH/8 la que cueta co 8 caales SDCCH SDCCH 7 SDCCH 8 SACCH 1 SACCH 2 SACCH 3 SACCH 4 Iddle Elace de bajada e cofiguracio SDCCH/8 Figura 3: Estructura de multiframe cofigurada co SDCCH/8. Los 32 S que so utilizados para SDCCH se agrupa e 8 sub-caales SDCCH de 4 S cada uo. Si pérdida de geeralidad y para simplificar el aálisis, este se cetrará e el caal de bajada e dode los 8 caales SDCCH se ecuetra cotiguos y al comiezo de la multitrama como se detalla e la Figura Codificació de los caales de cotrol. E u sub-caal SDCCH, al igual que para cualquier otro subcaal de cotrol e GSM, se puede itroducir hasta 184 bits de iformació. Esta iformació es codificada usado u shorteed biary cyclic fire code (SBCFC), que agrega 40 bits de paridad a los 184 bits de iformació. Adicioalmete se agrega 4 bits de cola obteiédose u total de 228 bits. Estos bits so codificados covolucioalmete obteiédose 456 bits, que so etrelazados para cotrarrestar los efectos de los desvaecimietos, [Rap02], [Aga04]. Para el aálisis realizado se trabajará co el SMS medido e catidad de sub-caales SDCCH utilizados, de acuerdo a la catidad de caracteres que cotega del SMS. 3.- asa de Servicio Efectiva e SMS. Iteresa coocer la tasa efectiva de servicio (throughput) e el evío de u SMS. El throughput está dado por la ecuació (1) B if S = (1) if dode if correspode al tiempo míimo ecesario para eviar los B if bits de Iformació. Dado que e u subcaal SDCCH es posible ecapsular 184 bits de iformació, y solamete se puede dispoer de sólo u caal SDCCH para el evío de u SMS, se tiee u límite e caracteres para el uso de u caal SDCCH. Si el SMS tiee etre 1 y 26 caracteres (codificados a 7 [bits/caracter]) es posible eviar el SMS completamete e u subcaal SDCCH. Si la catidad de caracteres aumeta, tambié aumeta la catidad de Seacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.2/5

3 caales SDCCH que se va a teer que utilizar para su trasmisió, dismiuyedo evidetemete el throughput debido al aumeto e if,. Esto es debido a que para el caso de utilizar más de u subcaal SDCCH, se deberá esperar la siguiete multitrama para seguir trasmitiedo la iformació. El throughput máximo para distitos úmeros de subcaales SDCCH utilizados se puede obteer mediate la expresió (2). Para cada caso, S correspode al throughput máximo que se puede alcazar al eviar u SMS que ecesita subcaales SDCCH asumiedo que se ecapsula la máxima iformació posible, es decir, 184 bits de iformació. [ bit] [ [ ] [ [ ] ( 1)235.5 ms + (3 + 1/ 8) 4. ms S 184 = (2) 615 E la ecuació aterior, es la catidad de subcaales SDCCH ecesarios para eviar el SMS. El umerador de la ecuació (2) correspode a la catidad máxima de bits eviados por SMS mietras que el deomiador se divide e dos partes. El primer térmio correspode al tiempo de espera etre el subcaal SDCCH y el siguiete y el segudo térmio correspode al tiempo de evío de los datos e el último caal SDCCH utilizado. Co lo aterior se calcula los distitos valores de throughput máximo de acuerdo a la ecuació (2) Los resultados se preseta e la abla 1. Largo SMS [Caracteres] Número de Subcaales SDCCH utilizados () hroughput Máximo [kbps] 0<L <L <L <L <L <L <L abla 1: Subcaales SDCCH utilizados y throughput máximo para distitos largos (L) del SMS. 4.- Retardo e SMS. Para calcular el retardo se supodrá que u cliete desea eviar ua secuecia de mesajes cortos a diferetes usuarios de la red, los cuales puede presetar distitos largos. La tasa de arribos es variable y se ajusta a distitos valores para poder apreciar su efecto e el retardo que experimeta los mesajes. E esta secció se desea determiar el retardo medio al eviar u SMS, cuado forma parte de ua secuecia de estos mesajes. Para esto, se defie D como la variable aleatoria que represeta el tiempo de espera al eviar u SMS que utiliza subcaales SDCCH. El tiempo de espera se puede separar e la suma de u térmio determiista que represeta el tiempo ecesario para trasmitir el SMS x y dos variables aleatorias, W y. La ecuació (3) muestra estos aportes al retardo total: D = + + W (3) x es la variable aleatoria que represeta el tiempo dode etre el arribo del SMS al sistema y el fi del actual subcaal SDCCH, y de espera e la cola. W es la variable aleatoria que represeta el tiempo (j-1)-ésimo Sub-Caal de SMS#1 de SMS#2 SC j-ésimo Sub Caal de SMS#3 Figura 3: s de SMS al Subcaal SDCCH. Para calcular el retardo medio, se debe calcular [ D ] D E = E D Para el cálculo de E [ ] : [ D ] = E[ + x + W ] = E[ ] + E[ ] + E[ W ] x (4) que correspode al tiempo medio etre el arribo del SMS y el fi del actual subcaal SDCCH, se asume arribos de Poisso. Por las propiedades de esta distribució, se tiee que la distribució de los istates de llegada detro de u subcaal SDCCH es uiforme. Como cosecuecia de esto, es evidete que el tiempo medio de espera es SC 2, dode SC, correspode a la duració de u subcaal SDCCH. [ ] E = = 4 2 = 9.23 SC [ ms] [ ms] (5) Para determiar el valor de [ ] x E x = sólo basta coocer la catidad de subcaales SDCCH que se va a utilizar e el evío del SMS. E forma geérica se puede escribir como: 1 x = [ ms] (6) 8 Co (5) y (6), la ecuació (4) se puede escribir como: 1 D = W (7) 8 [ ms] E[ ] Seacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.3/5

4 Para evaluar esta expresió se simuló el sistema cosiderado sólo u usuario, mesajes co arribos Poisso los cuales puede ser eviados e el primer subcaal SDCCH. Además se cosideraro distitos largos para los mesajes. La tasa de arribos al sistema se icremetó desde λ=0 hasta λ= λmax. Se cosideró ua fila de largo ifiito. Dicha fila se lleó depediedo de la existecia de mesajes ecolados y del subcaal SDCCH e el cual el mesaje arribó al sistema. Dado que sólo se puede trasmitir e el primer subcaal SDCCH sólo e éste se vacía la cola, e todos los otros casos la cola se icremeta. Para deteer la simulació se utilizó u criterio de parada el cual cosistió e verificar el largo de la cola al fial de cada icremeto de la tasa de arribo. Si dicha cola excedía de maera cosiderable la catidad de SMS que se puede ateder e las próximos multitramas, etoces se detiee los icremetos y se procede a aalizar el próximo largo del mesaje. El resultado de la simulació es ua curva de retardo promedio e fució del throughput para distito úmero de subcaales SDCCH utilizados. Este gráfico se preseta e la Figura 3. Retardo Medio [ms] =1 =2 =4 =5 =6 =7 =3 Como la iformació coteida e u SMS es 184 [bits/sms], es simple calcular la catidad de SMS e promedio que igresa al sistema por uidad de tiempo. Para relizar este cálculo se debe elegir u puto sobre cada curva que posea ua throughput lo más alto posible y que o geerara u retardo muy elevado. Por la forma de las curvas, se decidió que los putos óptimos era los que se ecotraba e los putos de iflexió de las curvas los cuales se destaca e la Figura 3. Co estos datos se calcularo los valores que se preseta e la abla 2. E la primera columa se aprecia el úmero de subcaales SDCCCH utilizados por el SMS y e parétesis, el úmero de caracteres que puede coteer u SMS de esas características. Número de Subcaales SDCCH utilizados () Retardo promedio [ms] asa promedio de s [SMS/mi] 1, (1 < L 26) , (26 < L 52) , (52 < L 78) , (78 < L 105) , (105 < L 131) , (131 < L 157) , (157< L 160) abla 2: Retardo medio y tasa promedio de arribos para los putos óptimos De la tabla aterior se puede apreciar que a medida que el largo del SMS a eviar aumeta, tambié lo hace el retardo promedio. Si embargo, hay ua vetaja comparativa de eviar u mesaje más largo que subdividir u mesaje largo e varios mesajes más cortos. ambié se aprecia de la tabla 2, que al aumetar el largo del SMS, dismiuye la tasa promedio de arribos por uidad de tiempo soportada por el sistema. Adicioalmete al aálisis presetado, se estudió el comportamieto estadístico de la logitud de los SMS ecuestado a usuarios de distitas compañías. Los resultados de esta ecuesta que abarca a 115 SMS se resume e la abla [kbps] hroughput Figura 3: hroughput vs Retardo e SMS Las curvas de la Figura 4 represeta el retardo e la capa MAC de la iterfaz de radiofrecuecia solamete, es decir, o se cosidera lo retardos que se produce e los servidores. Los largos de los SMS para los cuales se realizó la simulació fuero L =26,52,78,105,131,157 caracteres para =1,2,3,4,5,6,7. Como resultado se geeraro 7 curvas que represeta la relació existete etre el retardo medio e la trasmisió de los SMS y el throughput obteido. E la Figura 4 se aprecia que los valores máximos de throughput a los que tiede las curvas correspode a los datos presetados e la abla 1. ambié se aprecia que, como era de esperarse, a medida que el throughput tiede al máximo, el retardo tiede a ifiito. Para u determiado puto sobre algua de las curvas es posible obteer el throughput e [kbps] dada cierta tasa de arribo. Largo SMS [Caracteres] Frecuecia Relativa % del total 0<L <L <L <L <L <L <L abla 3: Estadísticas para el largo de SMS. De la tabla aterior se puede apreciar que e geeral, existe u 15% de SMS de u largo meor a 26 caracteres, y que el 50% de los SMS geerados tiee u largo iferior a 78 caracteres. Esto implica que aproximadamete el 50% de los mesajes SMS eviados experimeta u retardo meor a 1 segudo e su trasmisió e la iterfaz de radiofrecuecia. Este tiempo es mucho meor que el tiempo real que se experimeta etre el evío y recepció de u mesaje, lo cual sigifica que los retardos mayores que se experimeta e el evío de los mesajes SMS so atribuibles a los servidores y o a la iterfaz de radiofrecuecia. Seacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.4/5

5 5.- Coclusioes E este documeto se presetó ua descripció del fucioamieto del evío de u SMS e ua red GSM, tecología que posee la virtud de ser soportada por casi todos los termiales de esta red. E el aálisis se calcularo los valores máximos de throughput istatáeo para SMS de distita logitud e forma teórica, y se cotrastaro co resultados obteidos por medio de simulació. Se ecotró que los valores del throughput máximo teórico coicidía co los etregados por la simulació, lo cual cofirmó ésta. Además se presetó ua característica throughput - retardo para el evío de u SMS e dode fue posible apreciar que a medida que el largo del SMS aumeta, tambié lo hace el retardo (e casi u orde de magitud), y el throughput percibido por el usuario dismiuye. Se demostró la relevacia que tiee e el retardo medio el uso de mesajes de meos de 26 caracteres, logrado dismiucioes máximas e el retardo promedio cercaas a u 400%. Por lo aterior, es evidete que al mometo de aumetar la carga la red eviado SMS e forma persistete y a ua tasa del orde de los cietos de SMS por miuto, la elecció del largo del SMS es u parámetro muy importate a teer e cueta. Para cotrastar el aálisis co datos reales, se recolectaro datos e forma aleatoria y se geeró ua tabla e dode fue posible apreciar que sólo u porcetaje meor al 15% de los SMS eviados so de u largo meor a 26 caracteres. 6.- Agradecimietos Esta publicació fue posible, e parte a la geerosa colaboració de Humberto Cartagea, quie e todo mometo aletó el trabajo e este tópico y os proporcioó de valiosos datos, y tambié por el fiaciamieto parcial por parte del proyecto UFSM [Peer00] Guillaume Peersma ad Srba Cvetkovic, he Global System for Mobile Commuicatios Short Message Service, IEEE Persoal Commuicatios, Jue 2000, págias [Rap02] heodore Rappaport, Wireless Commuicatio, Priciples ad Practice, Secod Editio. Pretice Hall [Rom90] Raphael Rom, Moshe Sidi, Multiple Access Protocols: Performace ad Aalysis, Spriger-Verlag New York Ic.,1990 Reseñas biográficas Alex Alvarado S.: Estudiate de quito año de Igeiería Civil Electróica co Meció e elecomuicacioes y Sistemas Computacioales y estudiate de Magister e Electróica e la Uiversidad écica Federico Sata María, e Valparaíso, Chile. Áreas de desarrollo: Comuicacioes de Datos y Protocolos de Acceso Múltiple. Luis Viett P.: Estudiate de quito año de Igeiería Civil Electróica co Meció e elecomuicacioes y Sistemas Computacioales y estudiate de Magister e Electróica e la Uiversidad écica Federico Sata María, e Valparaíso, Chile. Áreas de desarrollo: Comuicacioes de Datos y Protocolos de Acceso Múltiple. Walter Grote H.: Igeiero Civil Electróico, Uiversidad écica Federico Sata María, Ph.D. Polytechic Uiversity. Académico Departameto de Electróica, Uiversidad écica Federico Sata María. Áreas de desarrollo académico: elefoía, Comuicacioes de Datos, Redes de Alta Velocidad, Redes de Computadoras y Comuicacioes Ialámbricas. Referecias [Aga04] Nilesh Agarwal, Leea Chadra-Wadia, Varsha Apte, Capacity Aalysis of the GSM Short Message Service'', Idia Istitute of echology Bombay Powai, Mumbai , Idia, Oct [Ad01] Adreadis A., Beelli G., Giambee G., Marzucchi B., Aalysis of WAP over SMS-GSM, Dep. of If. Egieerig, Uiversity of Siea, Italy, Sep. 2001, /14665 [Bri99] Brigol, Brouet, Charrière ad Mercier, Effects of raffic Characteristics o the Geeral Packet Radio Service (GPRS) Performace, IEEE Vehicular echology Coferece 1999, págia 844. [Car03] Humberto Cartajea, Plaificació y Dimesioamieto de ua Red GSM, Memoria de itulació, UFSM Seacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.5/5