Planificación, Diseño y Dimensionado de Redes Móviles Introducción a la Planificación, Diseño, Dimensionado de redes de telecomunicación

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1 Planificación, Diseño y Dimensionado de Redes Móviles Introducción a la Planificación, Diseño, Dimensionado de redes de telecomunicación K.-D. Hackbarth Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Grupo de Ingeniería Telemática Versión Universidad de Cantabria 1

2 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 2

3 Evolución del mercado I El mercado de telecomunicación en algunos países todavía crece y en otros sse estanca De todas las formas requiere una re-estructuración en: La oferta de servicios, aplicaciones y contenidos correspondientes La implementación de las redes y la tendencia a una fuerte integración de servicios y aplicaciones La cadena de valores en la producción de los servicios y entonces en el modelo empresarial La competencia horizontal y vertical entre operadores y proveedores de servicios Competencia entre servicios por redes fijas y móviles 3 3

4 Evolución del mercado II La evolución del mercado influye fuertemente en la evaluación de las correspondientes redes de telecomunicación resumiéndose en tres motores (driver) i. Motores de servicios ii. Motores tecnológicos iii. Motores económicos 4 4

5 Evolución del mercado III 5 5

6 Evolución del mercado IV 6

7 Evolución del mercado VI 7

8 Evolución del mercado VII 8

9 Evolución del mercado VIII 9

10 Evolución del mercado IX Actualmente el ingreso por el sector de servicios de telecomunicación se estanca en España Fuente CMT

11 Evolución del mercado X Telefónica sique el operador dominante en España 11

12 Evolución del mercado XI El trafico por usuario tiene tendencia a la saturación 12

13 Evolución de las redes Diferentes formas de evolución hacia una plataforma unificada de servicios y aplicaciones (fuente Hackbarth Bundesnetzagentur, Bonn 2005) 13 13

14 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 14

15 Definiciones principales Servicio (de telecomunicación): Conjunto de funciones (e información) que una organización ofrece a un conjunto de usuarios, a fin de satisfacer una necesidad de telecomunicación específica. Red (de telecomunicación): Conjunto de nodos y enlaces que proporcionan conexiones entre dos o más puntos definidos para realizar un servicio de telecomunicación entre ellos. En los nodos y enlaces se instalan sistemas y medios correspondientes desarrollados y fabricados por fabricantes de equipos de telecomunicación. 15

16 Atributos que clasifican una red Nombre del atributo Valores típicos Funcional Conmutación, transmisión Estructural Acceso del usuario, local, regional, nacional Tecnológico Analógico, digital-eléctrico, óptico Movilidad del cliente Fijo, móvil limitado, móvil completo Operación y Posesión Propio, alquilado 16

17 Funciones principales I Tradicionales: Transmisión : Multiplexación Transmisión física Conmutación Nivel Capa OSI Lógico 2-3 Físico 1 17

18 Funciones principales II Ejemplo GSM Transporte de información vía n ranuras bi-direccionales simétricos de 16 kbit/s Multiplexación de 7 ranuras a TRX Señalización vía mensajes de control por una ranura separado Localización del usuario como función de inteligencia Gestión avanzado sobre todo del radio-canal Modernas: Gestión Inteligencia Señalización Transporte: Transporte lógico: Conmutación Transconexión Transporte físico: Transconexión Multiplexación Transporte físico 18

19 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 19

20 Modelos para la descripción de redes Son modelos descriptivos para clasificar e identificar una red o parte de ella y asignar atributos a sus elementos, permitiendo identificar su arquitectura, su situación geográfica o jerárquica y finalmente la entidad que le opera, mantiene y administra. Facilitan el diseño de la red, pero no son suficientes para el dimensionamiento de la misma. Modelo funcional Modelo estructural Modelo del ciclo de vida 20

21 Modelo funcional I Se identifican ocho funciones que se agrupan en tres planos: Plano de transporte de la información del usuario (IPL) Plano de Control (CPL) Plano de Gestión (MPL) Función Plano y capa OSI Enrutar - conmutar I 3 Transporte lógico Transconexión y multiplexación estocástica I 2 Distribución lógica Transconexión y multiplexación determinísticas I 1 Distribución física Transmisión I 1 Transporte físico Señalización C 3-1 Inteligencia C 7-4 Gestión de función M X-1 Gestión global M global 21

22 Modelo funcional II M a n a g e m e n t P la n e G lo b a l L a y e r e d C o n t r o l P la n e I n f o r m a t io n P la n e U p p e r L a y e r s N e t w o r k L a y e r L in k L a y e r P h y is c a l L a y e r Modelo Funcional para la descripción de Redes de Comunicación fuente ITU 22

23 Modelo funcional III En la descripción funcional para una comunicaciones mediante redes se aplican modelos de capas con protocolos correspondientes en cada capa. Descripción de una arquitectura simplificada (Fuente: Stalling Comunicaciones y redes de computadores ) Aplicación Protocolo de aplicación Aplicación Transporte Protocolo de transporte Transporte Acceso a la red Protocolo de acceso a la red Red de comunicaciones Acceso a la red 23

24 Modelo funcional IV TCP/IP Aplicación Transporte (origen-destino) Internet Acceso a la red Física OSI Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Comparación de las dos arquitecturas de protocolos de capas más importantes 24

25 Modelo funcional V Aplicación de los modelos funcionales a los diferentes tipos de Interfaces Interfaz del usuario con la red (IUR), que describe los protocolos en los planos y capas del modelo funcional de la parte de acceso a la red. Interfaz de nodos de la red (INR), que describe los protocolos en los planos y capas del modelo funcional entre dos nodos conectados en una misma red de comunicación. Interfaz de red a red (IRR), que describe los protocolos en los planos y capas del modelo funcional entre dos nodos conectados entre diferentes redes de comunicación. ET Red de comunicación Red de comunicación ET IUR INR INR IRR INR INR IUR Conexión entre dos equipos terminales, conectados en distintas redes de comunicación 25

26 Modelo estructural (topológico) I Parte de acceso del usuario a una red de comunicación red fija el bucle de abonado red móvil la estructura celular Red de comunicación Red de acceso Conexión nodo acceso al nodo edge en la red fija Conexión BTS al BSC en la red GSM Conexión nodo BS al RNC en la red UMTS Red dorsal Red de conexión entre nodos edge y transito Red de conexión entre BSC/RNC y nodo de servicio Red de conexión entre los nodos de servicio (MSC) 26

27 Modelo estructural (topológico) II Jerarquía de una RPT/RDSI Jerarquía de una red móvil 2G Modelo General Trans. SW Reg. SW Local SW Conc. BN AN BSC MSC BN PAN SAN AN CN AN SAN subscriber access network AN aggregation network MDF Terminal SAN BTS BN backhaul network Célula Jerarquías en las diferentes redes de comunicación 27

28 Modelo de operación y posesión Identifica la entidad que financia, opera, mantiene y administra la red o parte de ella: Redes públicas fijo / móvil Redes privadas fijo / móvil Redes corporativas fijo / móvil Redes privadas/corporativas virtuales fijo / móvil Público Privado Corporativo Virtual Tipo de red Ejemplos en redes móviles GSM/GPRS; EDGE; UMTS/HSPA WLAN, Wi-Fi TETRA Propietario del operador 28

29 Aspectos económicos sobre los equipos I Los equipos más importantes en futuras redes son: Centros de control y de acceso al servicio Enrutadores nivel 3 Conmutadores nivel 2 Equipo físico tanto por transmisión vía radio o vía cable Los coste se expresan generalmente como una función cóncava con variables de tasa de paquete, banda ancha y valores de parámetros QoS 29

30 Aspectos económicos sobre los equipos II cr α λ = cr R + crbbw λ λ BW IC BWIC IC nrunit = max BWpR IC α BW + clc + cr f nrunit Ejemplo de una función de coste para un enrutador Schematic view of the components of a high speed router (source Cisco-2004) 30

31 Modelo de evolución temporal de una red de telecomunicación penetración tiempo Sustitución saturación empuje del mercado masa crítica empuje de la tecnología 31

32 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 32

33 Triángulo del desarrollo de redes de telecomunicaciones Son tres aspectos que influyen fuertemente en el desarrollo de las redes de telecomunicación: Desarrollo de los Servicio (cualitativo y cuantitativo) Desarrollo de la tecnología de información y comunicación TIC Desarrollo de las tarifas y costes Anteriormente el factor clave estuve el TIC y los costes y tarifas actualmente el factor clave es el desarrollo de los servicios, sobre todo los de banda ancha bajo el lema triple play 33

34 Evolución de los servicios I Current services divide into three main categories Legacy Mobile Online Service PSTS Fax G.3 Data Services Services over GSM/GPRS Services and application over EDGE UMTS HSPA Internet Online services Broadband and Multimedia Services Tendency Decrease and migrates to GSM and VoIP Decrease and migrate to ON- Line Internet applications Increase but partially migrates to ON-Line Internet applications Saturates and might migrate to UMTS In development tendency increasing data and mobile Internet traffic Increase but under a strong diversification Certain increase but tendency open 34

35 ON Line Application type % of application Evolución de los servicios II Search engine 76 0 Target search of a determine offer 57 0 Searching without special target 38 0 Source Media Perspektiven Frankfurt 2007 Home-banking/ mobile banking 34 + Data download 23 + Forum, Newsgroup, Chats Online auctions 16 0 Listening or download of audio-data files 14 0 Looking or download of video data files 14 0 Online-Shopping 13 0 Internet radio 11 0 Tendency for mobile application ++ strong + weak 0 neutral Internet Computer gaming 11 + Online-gaming 10 + Book or CD ordering 6 0 contact-partner portals Ticket service 3 +

36 Evolución de los servicios III Tendency in the service development : Strong increase for broadband and multimedia services *) Extension of the service offer in direction to new applications and content services Service Integration into an unified platform and a strong loss in legacy services over PSTN/ISDN Offer of Service basket to reduce churn rate **) Tendency to a fixed mobile integration *) A multimedia service is a communication service with at least two components e.g. video conference **) Churn rate is expressed by the relative number of customer which change in a given time interval the operator or service provider 36

37 Evolución de los servicios IV España sigue en la evolución hacia la banda ancha y la integración ligeramente abajo del nivel del la CE Telefónica todavía no ha conseguido una parte significativa en triple play La integración con voz y Internet es el servicio domínate de los operadores alternativas 37

38 Evolución de los servicios V => Broadband Penetration development (source OECD 2010) 38

39 Evolución de los servicios 39

40 Evolución de los servicios VII => 40

41 Descripción de Servicio I En general un servicio de telecomunicación se define por una serie de atributos funcionales (estáticos y dinámicos) y sus valores correspondientes : Los futuros y actuales servicios cubren un amplio rango de valores en estos atributos que debe integrarse en un números de redes limitadas y en la parte dorsal en una única (NGN) Nombre del atributo Modo de transporte Ancho de banda invocar Simetría configuración Tipo de información Parámetros de rendimiento (tranparencia) Valores circuito, paquete, trama, célula Fijo, variable [s, S, E(s(t)] Por demanda, reservado, permanente Unid. Bidir simtr. Bidr-asimtr. Punto-punto, punto-multipunto, distribución Voz, sonido, texto, imagen, video, data Retardo [E, V], perdida 41

42 Tráfico Trafico producido por el uso de servicios se expresa con un valor relativo que describe el uso de un conjunto de dispositivos al que se dirigen peticiones de comunicación Su unidad es Erlang que indica el uso de un dispositivo durante un periodo de tiempo de una hora Existen tres tipos de trafico: Trafico de una fuente (source traffic) Trafico de múltiples fuentes (multi source traffic) y Trafico de múltiples servicios y múltiples fuentes (multi service multi source traffic) Cada tipo de trafico se describe en las diferentes capas del modelo del protocolo al menos en tres niveles: hnivel de petición de una conexión (llamada) hnivel de señal en una conexión activa (ráfaga) hnivel de enlace (paquete, trama, célula) 42

43 Nivel de petición de una conexión El tráfico a causado por una fuente se caracteriza por dos variables aleatorias: Tasa de llamada α con fdp discreta Duración media t s con fdp continua a = α * t s Considerando M fuentes independientes con las mismas características y cumpliendo M >>N: A = λ * t s con λ M * α Cuando el número de fuentes, M, es más reducido resulta: A = E(λ) * t s con E(λ) =[M-E(n)] * α 43

44 Aplicación a las redes móviles Estado del terminal móvil Apagado Encendido sin llamada en curso Encendido con llamada en curso Ningún trafico Trafico Trafico de señalización causado por el movimiento del terminal y por la actualización de la posición. Trafico de señalización causado por el movimiento del terminal y por la gestión del canal Trafico de información causado por el servicio 44

45 Nivel de señal en una conexión activa I Se describe en forma más general por un proceso estocástico s(t) con E(s(t)) y V(s(t)) para cualquier t [0,T s ], T s (duración del nivel de la llamada) resultando (sin considerar las correlaciones entre diferentes puntos temporales): smin = min s(t) /t [0,Ts], valor mínimo Smax = max s(t) /t [0,Ts], valor máximo E(s) = [ 0 Ts E(s(t) dt ]/ Ts, valor medio B(s) = Smax/ E(s) Burstiness V(s) = [ 0 Ts E(s(t) dt ]/ Ts Varianza I(s) = V(s)/E(s) indice de dispersión Modelos: Fuente markoviana/semi-markoviana ON-OFF Cadenas de Markov modulado MMP (MMPP, MMDP) Cadenas semimarkovianas moduladas 45

46 Nivel de señal en una conexión activa II El nivel de ráfaga se compone del señal que una fuente de servicio de telecomunicación produce durante su conexión activa puede ser fijo o variable. En redes de paquetes se encapsula en correspondiente PDU Modelos para el señal variable son: - Señal ON-OFF - Señal discreto con un señal de K estados discretos - Señal variable continuo variable Servicio Datos FTP Datos Dialogo Voz normal Voz comprimido Vídeo Vídeo comprimido Tipo de Señal fijo ON-OFF fijo ON-OFF Variable continuo Discreto de cuatro estados 46

47 Modelo de trafico WAP I Nivel de conexión al servicio α cx tasa de petición de servicio por usuario (móvil) t cx duración de la conexión al servicio Nivel pagina α pag tasa de petición paginas durante la conexión al servicio por usuario t pag duración de la transferencia de una pagina Nivel de transporte red α paqu tasa de petición paquetes durante por cada pagina t paqu duración de la transferencia de una paquete Nivel de enlace (asumiendo que se realiza vía una conexión virtual ATM α cell tasa de petición de células por cada paquete duración de la transferencia de una célula t cell 47

48 Modelo de trafico WAP II α cx α pag α paqu α cell t s = 1 µ µ cx µ pag µ paqu µ cell Conexiones Páginas Paquetes Cells Aproximación por una cadena de Markov modulado 48

49 Modelo de trafico WAP III Petición de página Retardo del paquete de petición Retardo del procesamiento de la página Retardo de transferencia de un paquete Retardo total de transferencia de la página Tiempo de vista de página Petición de página Diagrama temporal para el tiempo entre dos peticiones de paginas 49

50 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 50

51 Redes y servicios de telecomunicación más importantes => Desde el punto de vista de la tecnología hservicios y Redes móviles de tercera/cuarta generación h Servicios e infraestructura de NGN/NGI h Integración móvil fijo (LTE) => Desde el punto de OAM y propiedad de la red h Redes corporativas h Redes virtuales h Problema de la última milla (last mile) 51

52 Redes actuales de Telecomunicación II Una red móvil es una red (fija) con servicios prestados a usuarios móviles mediante una infraestructura de acceso vía radio con estructura celular y handover Actualmente hay tres generaciones de arquitectura de redes móviles con diferente tecnología y servicios Generación Tecnología Servicios Situación actual 1º analógica voz Ya re-emplezado 2º Digital TDMA (en Europa GSM GPRS/EGHE) 3º Digital WCDMA (en Europa UMTS) Voz, datos varios Saturación/reemplazamiento empuje por el mercado UMTS/HSPA/HSPA+ Varios, MBA Masa critica Hacia 4G LTE, LTE advanced. (OFDMA/SFDMA) Varios Empuje de tecnología

53 Redes actuales de Telecomunicación III Source: Transition to 4G Rysavy Research 2007

54 Source: Transition to 4G Rysavy Research m Redes actuales de Telecomunicación IV

55 Source: Transition to 4G Rysavy Research Redes actuales de Telecomunicación V

56 Redes actuales de Telecomunicación VI Source: Transition to 4G Rysavy Research vy.com Source: Transition to 4G Rysavy Research

57 Redes de acceso del usuario a la red Absorbe más de las dos terceras partes de los costes totales de la implementación y operación de una red de telecomunicación. Hay diferentes tipos con alta variedad de interfaces usuario red (IUR): xdsl, (usado por el operador tradicional ) HFC (CATV), (usado por los operadores que posean una infraestructura CATV) Radio (wireless), Móvil GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA, LTE WLAN-Hotspot WIMAX 57

58 Wireless y acceso móvil al Internet I Hay diferentes formas de acceso al Internet desde terminales con movilidad Se debe distinguir entre movilidad para conectarse (nomadic) y movilidad durante la conexión El primero se cubre con tecnología WIMAX el segundo con tecnologías de redes móviles Generación 2G 2,5G 2,75 3G 3, ,75 3,9 Abreviación GSM GSM/ GPRS GSM/ EDGE/eE UMTS UMTS/ HSPDA UMTS/ HSPA UMTS/ HSPA+ LTE 58

59 Wireless y acceso móvil al Internet II Comparación de diferentes estándares en el mundo de acceso radio con distancia limitada fuente IEEE * and WiMAX, Intel

60 Wireless y acceso móvil al Internet III Universal and seamless access for any IP based devices independent on the access network type, source [Mage-2006] 60

61 Wireless y acceso móvil al Internet IV User Web ISDN Residential Web MODEM Residential Voice MODEM Residential Video MODEM Residential Web MODEM SOHO Video ISDN SOHO Access Service Web MODEM PYME Integración de clientes sobre diferentes redes de acceso bajo el lema de integración fijo móvil 61

62 Índice 1. Evaluación de los mercados de Telecomunicación 2. Definiciones y clasificación de servicios y redes de telecomunicación 3. Modelos para la descripción redes de telecomunicación 4. Progreso de las redes de telecomunicación 5. Redes y Servicios de Telecomunicación más importantes 6. Aspectos de Planificación 62

63 Aspectos generales del diseño dimensionamiento y planificación de servicios y redes I Planificación significa una estimación para el diseño y dimensionado sobre las diferentes fases del ciclo de vida de la red La planificación moderna de las redes de telecomunicación se dividen en tres etapas: Planificación estratégica (5-20 años) Planificación táctica (1-2 años) Planificación operativa (días, semanas meses) El diseño y el dimensionado son tareas subordinadas a la planificación La planificación de una red debe considerar los tres planos, usuario, control y gestión. 63

64 Aspectos generales del diseño dimensionamiento y planificación de servicios y redes II Definiciones Diseño lógico significa de desarrollar o seleccionar un conjunto de servicios y arquitecturas para satisfacer una necesidad de comunicación Diseño físico significa de seleccionar un conjunto de lugares donde se instalan los equipos que corresponden a la arquitectura seleccionada. Dimensionado significa calcular la cantidad de sistemas y medios necesario para satisfacer el trafico previsto por los diferentes servicios 64

65 Planificación estratégica La planificación al nivel global de servicios y redes considera tanto aspectos técnicos como socio- económicos con el objeto de calcular los costes y tarifas. Se enfoca a conseguir una estimación de la demanda en su máximo de penetración (etapa de saturación en el ciclo de vida de una red) Responde a la pregunta que se debe hacer considerando una perspectiva temporal hasta la saturación de la red. ejemplos: Integración de las capas lógicas en una capa ATM Conmutación ATM o conmutación Ethernet las consecuencia de DWDM para la capa física influencia de un nuevo servicio al esquema de tarificiación outsorcing o propia dedicación 65

66 Planificación táctica Planificación al nivel especifico para mejorar un o un conjunto de servicios, se enfoca a una estimación de la demanda en los próximos 1 2 años y cubre dinámicamente el desarrollo de la red desde la etapa de su empuje de la tecnología hasta su saturación en el ciclo de vida de una red) responde a la pregunta que y donde se debe hacer ejemplos: ampliación de equipos para cubrir embotellamientos en la red diseñar nuevas tablas de encaminamiento y enrutamiento 66

67 Planificación operativa Medidas para operar la red bajo unas umbrales de QoS y GoS generalmente sin realizar expansiones en nuevos equipos responde a la pregunta como aprovechar óptimamente los recursos de la red ejemplos: Reencaminar trafico en caso de una sobrecarga local imprevista Re-enrutar circuitos/grupos en caso de una avería Poner nuevos circuitos/grupos en alta aprovechando las capacidades existentes óptimamente 67

68 Aspectos generales del diseño dimensionamiento y planificación de servicios y redes III Hoy en día la planificación forma parte integral de la gestión de servicios y redes Se realiza para los tres planos Plano para el transporte (y tratamiento) de información del usuario Plano para el transporte y el tratamiento de información de control Plano para el transporte y el tratamiento de información de gestión 68

69 Aspectos generales del diseño dimensionamiento y planificación de servicios y redes IV La planificación se aplica a cada capa en cada plataforma. las dos capas más importantes son: 1) la capa lógica de una red 2) la capa física de una red ambos forman una plataforma de transporte que integra el transporte de información de los tres planos 69

70 Reference Autor Titulo Editorial Dood The Essential Guide to Telecommunications Prentice Hall, 1998 Flood Telecommunications Switching, Traffic and Networks Prentice Hall, 1995 Jung/Warnkecke Handbook for Telecommunication Springer 1999 Kurose/Ross Redes de Conmutadores Pearson Addison Wesly 2004 Hardy, Malléus, Méreur Network, Internet-Telephony, Multimedia Convergences and Complementarities Springger, de boeck 2002 J. Schiller Mobile Communications Addison Wesley, 2º ed F. Ohrtman WIMAX Handbook McGraw-Hill,

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