Capítulo 6. De ATM, hacia un red de acceso basada en IP.

Transcripción

1 Capítulo 6. De ATM, hacia un red de acceso basada en IP. 1. Necesidad de cambios en la red de acceso radio (RAN) 1.1. Perspectivas de la interfaz radio. Ante la presente evolución de las redes de comunicaciones móviles, una de las inquietudes las operadoras de telefonía consiste en la necesidad de acomodar la infraestructura de transmisión de tal forma que esta sea más escalable y robusta. Las opciones presentes en la red de transmisión, así como las técnicas de agregación de tráfico y de acceso al medio físico presentan nuevos modelos en la red de acceso radio para afrontar la tendencia en la interfaz radio hacia ofrecer servicios de banda ancha. En el capítulo 3 se muestra la evolución planteada en las especificaciones de Release 5 y6, las cuales están implementadas comercialmente, así se definen las técnicas HSDPA y HSUPA, mediante las cuales permiten alcanzar tasas de transmisión teóricas de 14.4Mbit/s en el enlace descendente y 5.7Mbit/s. La evolución de las especificaciones de 3GPP han definido las mejoras introducidas en la red de acceso radio, así en Release 7 se incorporan las mejoras sobre HSPA, HSPA+, que permite alcanzar tasas teóricas de 42Mbit/s, y Release 8, donde la especificación de LTE, supone un fuerte impacto en cuanto a las tasas de transmisión de 100 Mbps gracias a técnicas como OFDM, además de introducirse un modelo de red de transmisión todo-ip, traspasando las funciones de control hacia las estaciones base Transporte IP en UTRAN. En la primera versión de 3GPP se define ATM como tecnología de transporte, aunque tras completarse la primera especificación 3GPP no se mantuvo inmune ante el incremento de la popularidad de la tecnología IP, de tal manera que en las especificaciones de Release 5 se define IP como alternativa de transporte. De esta manera las tramas FP pueden ser enviadas mediante los protocolos UDP/IP sobre los interfaces Iur e Iub (Figura 6.1), estableciéndose una Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 97

2 E-DCH FP TFCI2 FP USCH FP TDD DSCH FP HS-DSCH FP PCH FP FACH FP RACH FP DCH FP Capítulo 6. De ATM, hacia un red de acceso basada en IP. nueva vía de transporte para las tramas FP, añadiéndose a la alternativa ATM, más desplegada sobre la red de acceso. En el capítulo se muestran las posibilidades que aporta una red acceso basada en IP y ATM en términos de calidad de servicios y gastos de operación La definición de los protocolos que pueden ser usados para el envío de paquetes IP, no está sujeto a alguna especificación, de tal manera que no existe limitación por parte de un operador para usar los interfaces en la capa de enlace y física, de tal manera que la red puede ser configurada en estas capas de la forma que entienda más adecuada 3GPP. De esta forma en la sección 3 se analizan diferentes posibilidades en la capa de enlace, así como en la sección 4 se encuentran alternativas en la capa física. Aunque una red de acceso basada en IP requiere pequeños cambios en las especificaciones, la adopción de la tecnología IP es un paso importante tanto para los operadores como para los suministradores, debido al cambio introducido en la el proceso de gestión de la red y la forma en la que los elementos de red se implementarán. º Radio Network Control Plane Transport Network Control Plane User Plane Radio Network Layer Node B Application Part (NBAP) ALCAP Q Transport Layer SSCF-UNI SSCOP SCTP Q SSCF-UNI SSCOP UDP AAL5 IP AAL 5 AAL2 IP ATM Data Link Layer ATM ATM Data Link Layer Physical Layer Figura 6.1. Estructura de protocolos de la interfaz Iub. 2. Transporte basado en IP frente a ATM. UMTS define unos límites respecto a los retardos muy estrictos para el transporte de varios tipos de tráfico de usuario en tiempo real, con distinta calidad de servicio sobre UTRAN. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 98

3 Esta necesidad se estable a raíz de las avanzadas funciones de control radio, comentadas en al segundo y tercer capítulo. La estructura de transmisión debe definir una tecnología de transporte que cumpla los requisitos de calidad de servicio de una forma que sea rentable para el operador en términos de eficiencia y máxima utilización del ancho de banda, actualmente en muchas ocasiones limitado por las líneas E1 operando a 2Mbps. De esta manera mediante la definición de IP como alternativa de transporte en la Release 5, permite nuevas posibilidades para el cumplimiento de los requisitos impuestos en la red de acceso. A continuación se muestra una comparación analítica y numérica de los resultados obtenidos tanto con ATM como con IP en términos de utilización de un enlace y retrasos [20]. Para el estudio del tráfico de voz se modela UTRAN como una unidad ensambladora donde las tramas FP de voz son transportadas en celdas ATM o paquetes IP, y una cola de transmisión donde las celdas o paquetes son puestos en cola con prioridad para la transmisión. Por otro lado para el tráfico de datos, UTRAN se modela como una cola de transmisión, proponiéndose para ello un modelo de cola M/D/1 para IP y un modelo de llegada masiva para el tráfico AAL2/ATM (Figura 6.2). Figura 6.2 Esquema del sistema Comparativa ante tráfico de voz. Para el análisis del tráfico de voz se considera generado con codec AMR a 12.2Kbps. Los canales de transporte portadores de tráfico se le asigna un intervalo de transmisión de 20ms. El tráfico de voz sobre las tramas FP se considera como una sucesión de periodos de actividad/inactividad (ON/OFF), en cuyos periodos de actividad las tramas FP están formadas por 31 bytes de carga útil y 5 de cabecera. Para el análisis del de la gestión de tráfico de la FP hacia la capa de transporte se considera un sistema que actúa como un multiplexor, dividido en una unidad ensambladora con un Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 99

4 temporizador para que la formación de lo paquetes no exceda un cierto tiempo límite (TCO), y por otro lado un buffer de transmisión, modelado como una cola de transmisión que se asume infinita. La probabilidad de que un envío esté asociado a un instante arbitrario dentro de un intervalo de transmisión cambia cada llegada siguiendo una distribución uniforme. Bajo la suposición de que existe una suficiente cantidad de tráfico ofrecido (N canales de voz), el proceso de llegada de tramas al sistema puede ser modelada bajo un proceso de Poisson con una tasa presente de R = N/20. El tiempo entre llegadas de dos tramas consecutivas sería (1/R)ms, en media. Así para este modelado se considera una política conservadora en el volumen de tráfico Análisis de la multiplexión IP. En primer lugar se considera una unidad ensambladora basada en IP, donde la idea es multiplexar varias tramas FP portadoras de tráfico de voz en un paquete IP. Cada trama FP de voz incluye una cabecera adicional de 3 bytes, uno de los cuales está destinado a identificar el usuario, por tanto es único para éstos (UID, User Identifier). De esta manera las tramas FP multiplexadas son alojadas sobre un paquete IP. Hasta n FP pueden estar presentes en un paquete IP, que sería así el máximo tamaño, además para la transmisión se debe considerar la cabecera introducida por la cabecera TCP/IP (28 bytes para Ipv4 o 48 para Ipv6). Los paquetes IP quedarían conformados en el momento que se hallen n tramas FP o bien expire el temporizador Unidad ensambladora. Considerando una escala discreta basada en una cierta unidad de tiempo, llamándolas TU. Siendo λ la tasa media de llegadas en unidades de tramas por TU. En la unidad ensambladora, donde las llegadas siguen una distribución de Poisson de media λ, la probabilidad de que k tramas FP lleguen en un TU a la unidad ensambladora es Pk=(lk/k!)eKl. Este modelo, permite describir un proceso que describe el número de tramas FP en la unidad ensambladora, donde a la salida se obtiene la utilización efectiva del ancho de banda, definido como el cociente entre el tamaño de la carga útil, sin incluir cabeceras, y el tamaño Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 100

5 total de los paquetes IP. Si se considera Ipv4, el tamaño medio de la utilización del ancho de banda, teniendo en cuenta los paquetes IP completamente y parcialmente rellenos, sería: Cola de transmisión. La tasa de llegadas de paquetes IP a la cola de transmisión se corresponde con la tasa media de paquetes generados en la unidad ensambladora, siendo ésta λtrans por cada TU. Para el análisis de la cola de transmisión se cambia la escala de tiempo, asumiendo que el tiempo de servicio es constante e igual al tiempo necesario por un paquete IP de tamaño corresponde al que tendría en caso de contener el máximo de tramas FP de voz (STU, Service Time Unit). Normalizado por STU, la tasa media de llegada de paquetes en un STU sería igual a la carga del servidor ρ, siendo nρ la tasa media de llegadas de tramas FP si el tamaño de cada paquete IP es máximo. Este caso de trata de sobre estimación, y se asume que el sistema es estable, ρ<1. Considerando el estudio realizado en [20], el tiempo medio en cola en la unidad de transmisión se obtiene mediante el uso de la fórmula de Little, siendo ρ la tasa media de llegadas y q el número medio de paquetes IP, dq= q/ρ. El retraso medio de cada trama FP en el multiplexor incluye los retrasos tanto en la unidad ensambladora como en la cola de transmisión. Donde M es el tiempo que tardarían n tramas en llegar. Dado que la llagada de tramas se define como un proceso de Poisson con tasa R, M es distribuido mediante distribución de Erlang. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 101

6 Análisis de la multiplexión ATM/AAL2. En este caso la unidad ensambladora está basada en la tecnología ATM, de tal manera que las tramas FP se ensamblarán en celdas ATM, aunque el análisis del modelo de la cola de transmisión es el mismo que para el caso anterior. Tras el proceso de formación de las celdas ATM (mostrado en el capítulo 4), De manera que una celda ATM tendrá cabida a lo sumo en dos tramas FP. El tiempo de generación de las celdas sería el tiempo entre la llegada de la próxima trama FP que sigue una distribución de Poisson. La salida de las celdas ATM de la unidad ensambladora y la entrada hacia la cola de transmisión se debe modelar según el análisis anterior bajo un proceso de Poisson con una tasa media Ratm=(42 x Nr)/47. En este caso en modelo de cola M/D/1 es una buena aproximación para el multiplexor ATM dado que la duración del servicio sería igual el tiempo de servicio de una celda ATM de tamaño fijo. La capacidad de los enlaces de salida para ATM, suelen ser E1 con capacidad de 2Mbps. Normalizando la escala de tiempo para los procesos de llegada y de servicios, para una celda ATM de tamaño fijo, la carga de la cola será ρatm (estable), siendo igual a la intensidad de llegada de tráfico. Finalmente el retraso medio en la cola de transmisión es: En este punto, el retraso medio en la cola de transmisión permite analizar el retraso en la formación de paquetes en la unidad ensambladora. Siguiendo el modelo establecido, el retraso en la formación de paquetes, sería igual al tiempo de llegadas entre dos tramas FP consecutivas. Para valores de N elevados, es decir, con un número de usuarios elevados, el retraso se reduce notablemente. Un temporizador de 2ms en sistemas con una carga elevada no tiene efecto en la entrada de tráfico. El retraso medio de una trama FP en el multiplexor ATM/AAL2 viene dado por: Considerando que el valor de las cabeceras tanto ATM como las cabeceras multiplexadas, toma un valor aproximado de 12 bytes, la utilización efectiva del enlace sería: Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 102

7 Comparación ATM IP en presencia de tráfico de voz. Cuando el número de canales activos es menor que 20, todos los paquetes IP tienen aproximadamente el mismo tamaño y son generados debido a la expiración del temporizador. A medida que el número de canales aumenta, IP se convierte en una mejor alternativa que ATM/AAL2. Considerando un número fijo de canales activos, se tiene que para valores del temporizador (TCU) se alcanzan mejores valores de utilización del enlace. En este caso el proceso de formación de paquetes es menos sensible a los valores del temporizador en sistemas muy cargados (Figura 6.3). Figura 6.3. Utilización del enlace respecto al número de canales activos de voz Transporte de tráfico de datos. Para el análisis del tráfico de datos se considera una aplicación de navegación web donde el canal de transporte usado es el DSCH, operando bien a 64, 144, o 384Kbps. En el proceso de formación de datos, mediante mecanismos de segmentación permiten la división de tramas FP en segmentos más pequeños para rellenar celdas ATM o paquetes IP. Para el análisis se considera el canal de 64 Kbps con un intervalo de transmisión de 40 ms. El modelo de tráfico de navegación web sobre un canal de 64 Kbps consiste en una sucesión de periodos ON/OFF en la formación de FP. En un periodo activo, ON, cada 40ms, una trama de 320 bytes es generada y encapsulada en una trama FP, añadiendo 5 bytes de cabecera. Para un amplio número de canales activos, el proceso de llegada de tramas de datos se puede modelar mediante un proceso de Poisson. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 103

8 Transporte basado en IP. En este caso se analiza cuando cada trama de 325 bytes es transportada sobre un paquete IP, por lo que se debe sumar la cabecera TCP/IP. Suponiendo que el tiempo que siguen los paquetes IP desde la unidad de formación de paquetes hasta la cola de transmisión es despreciable, el sería equivalente solo a una cola de transmisión, para la cual se propone un modelo M/D/1 con capacidad C. Dado que los paquetes se consideran de tamaño fijo, se considera una distribución determinística para el modelado del proceso de servicio. Normalizando la escala de tiempo para los procesos de llegada y servicio con el valor fijo requerido para servir un paquete de datos C, tras aplicar la fórmula de Pollaczek- Khinchin se calcula el tiempo medio en cola del sistema: Análisis del transporte de datos basado en ATM/AAL2. En este caso la trama de datos de 325Kbps se segmente en celdas ATM. Considerando las cabeceras CPS y ATM, la cabecera presente en una celda ATM sería: 9/53. Así dividiendo 325 bytes por 44 bytes de la carga de útil de CPS, se tendrán ocho celdas de datos. Como en el caso anterior el tiempo de segmentación y de paso hacia la cola de transmisión son despreciables, por lo que el sistema se puede considerar como una simple cola de trasmisión, el cual se trata como un sistema de llegada masiva modelado como un sistema M/Eg/1. De nuevo aplicando la fórmula de Pollaczek- Khinchin se obtiene el tiempo medio de permanencia en cola: Comparación ATM IP en presencia de tráfico de datos. Para el tráfico de datos el retraso debe ser menor que 10ms. En la figura 6.4 muestra el incremento del retraso medio en cola cuando el número de canales DSCH activos aumentan. Este incremento es más rápido para AAL2/ATM, debido a que el factor de encabezamiento es más importante en este caso. Cuando el sistema se encuentra ante una situación de carga más elevada el número de canales DSCH aumenta, con ventaja para el caso de uso de IP, dando una mejor utilización del enlace. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 104

9 Figura 6.4. Retraso medio en cola/canales DSCH frente a la carga del sistema. En definitiva, IP se postula como una alternativa de transporte ante la presencia cada vez más importante del tráfico de datos, dado el buen rendimiento ante los retrasos presentes en un sistema de comunicaciones móviles, y en términos de utilización de enlaces. 3. Transporte IP de aplicaciones HSPA. En conexiones HSDPA, la calidad de servicio de un enlace Iub se ve afectada notablemente por las características del enlace radio, de tal forma que se requiere un planificador de las la gestión de los recursos de la celda basado en el enlace radio (Fast Scheduling). Para el posterior análisis se considera que la conexión entre RNC y usuario soporta la tasa de pico, considerando tanto el transporte IP como ATM en la interfaz Iub para la medida de retrasos y requisitos del buffer en los nodos B y RNC. HSDPA tiene definido el canal de transporte HS-DSCH para los datos de usuario. Para la transmisión en la interfaz Iub se crea la trama HS-DSCH FP, que será transmitida según la tecnología de transmisión implementada, ATM (capítulo 4) e IP. Para IP se definen diferentes técnicas de transmisión tales como CIP, PPPmux, LIP, Ethernet, MPLS, etc, aunque para este caso se considera la técnica CIP (Figura 6.5) [21]. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 105

10 Figura 6.5. Estructura de multiplexión CIP/UDP/IP Mejoras introducidas mediante transporte IP. Para analizar las distintas alternativas, se considera conexiones DCH y HS-DSCH. En el canal DCH se consideran diez usuarios generando un tráfico de datos a 64kbps. Para HSDPA se tienen en cuenta diez usuarios HSDPA de categoría 12. Cada intervalo de transmisión se considera que todos los códigos y potencia están destinados para los usuarios HSDPA. La eficiencia de un enlace Iub dependerá de la carga útil que se encuentren en las tramas respecto del total de bits transmitidos incluyendo cabeceras. Para unos enlaces basados en ATM, el número de bits de cabecera trasmitidos por cada trama FP generada (Tabla6.1) será mayor que para un enlace basado en IP. En el caso de un enlace basado en ATM, para la transmisión de una trama FP de 443 bytes se requieren 10 celdas ATM con una eficiencia de 76%, mientras que para IP la eficiencia se eleva a 97%. FP Ov erhead 7 MAC-d 10 x 42 Spares bits and Padding 10 x 1 New IE flag, DRT and CRC, etc 6 Total 443 Tabla 6.1. Parámetros tramas FP. Siguiendo el modelo de transmisión considerado para el análisis de la transmisión (Figura 6.6), considerando un enlace basado en IP, el uso de buffer de transmisión requiere periodos de tiempos reducidos, debido a que cada paquete IP tiene asociado una cabecera mayor que las celdas ATM. De esta manera una estación base con tráfico HSDPA requiere un buffer de Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 106

11 transmisión más pequeño para soportar las tasas de pico requeridas en una conexión HSDPA (Figura 6.7). Figura 6.6. Arquitectura de multiplexión. Los enlaces en la red de acceso en muchos casos suelen ser E1. Los retrasos introducidos en los enlaces son más reducidos en IP que en ATM, principalmente debido a los escasos retrasos en la segmentación y tiempo en cola (Figura 6.7). En el caso de tener un temporizador en cola menor, el tiempo, el retraso introducido usando ATM es mayor, mientras que con IP es menor. Esto se debe a que el retraso en el enlace ATM se debe al uso de bits de relleno usados en la transmisión de las celdas, sin embargo para IP la mayor componente de retraso se debe al proceso de multiplexión, el cual se reduce al tener un temporizador menor. La consecuencia de los mayores retrasos de ATM, hacen de IP una solución más viable para soportar aplicaciones HSDPA, las cuales requieren tasas de pico más elevadas. Figura 6.7. Tamaños de colas requeridos ATM/IP. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 107

12 4. Conclusiones. La tendencia de los sistemas de comunicaciones móviles hacia una red cada vez más orientada a ofrecer un servicio de datos ha supuesto la necesidad de introducir alternativas de transporte en la interfaz de transmisión que permitan hacer frente a tasas de bits cada vez más elevadas. En este contexto IP se plantea como una solución óptima en términos de calidad de servicio respecto al tráfico de datos, aunque ATM continúa siendo una opción más adecuada para el tráfico de datos. La evolución hacia una red all-ip, que permita la integración de diferentes tipos de servicios bajo un mismo esquema de transmisión, han motivado la introducción de interfaces de transmisión que permiten el transporte de paquetes IP, tales como Ethernet, MPLS, etc, mejorando la calidad de servicio, así como la reducción de costes en términos de utilización de los enlaces. En el próximo capítulo se analizan las opciones de transmisión que permiten a los diferentes operadores optimizar la red de transmisión hacia una red más escalable y robusta capaz de hacer frente a las futuras necesidades marcadas por los estándares de la interfaz radio como HSPA+ o LTE. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 108