Capítulo 3. ATM: Tecnología de transporte inicial en UMTS.

Capítulo 3. ATM: Tecnología de transporte inicial en UMTS. 1. Introducción La tendencia hacia redes integradas, con capacidad de trasporte de diferentes aplicaciones de tráfico se ha puesto de manifiesto en las redes móviles de tercera generación tal y como es UMTS. Estas redes de comunicaciones móviles soportan no solo tráfico de voz por conmutación de circuitos, sino que a través de los servicios soportados mediante conmutación de paquetes, el usuario tiene a disposición una amplia gama de servicios de alta velocidad, mediante la conexión a otras redes como Internet. La integración del transporte de diferentes tipos de tráfico está asociada a las tecnologías de conmutación de paquetes y al grupo de mecanismos y técnicas que aseguran una determinada calidad de servicio (QoS) para los flujos de tráfico que lo requieran. La elección inicial de ATM como tecnología de transporte se debe a que se trata de una tecnología madura que permite el soporte de diferentes QoS. De ahí que las primeras especificaciones de 3GPP, tales como las Release 99 y Release 4, dispongan de formato ATM en los interfaces terrestres de UTRAN. Posteriormente será considerado y especificado IP como alternativa como tecnología de transporte para UTRAN a partir de la especificación Release 5 de 3GPP, estableciéndose la coexistencia actual de ambas tecnologías de transporte para UTRAN. En loa capítulos 6 y 7 se analiza con más detalles como las exigentes necesidades de la interfaz radio que han conducido a la implementación de IP como alternativa en la red de acceso UTRAN. El objetivo de este capítulo se centra en la descripción de ATM en la red de acceso, haciendo hincapié en el interfaz interno Iub entre los nodos B y la correspondientes RNC, Siendo por tanto el interfaz más extendido en UTRAN y por tanto el que más afecta a los costes de un operador. Para ello el análisis abarca el estudio de ATM y de la capa de adaptación AAL2, utilizada en el interfaz Iub (además del Iu - CS), siendo éste el interfaz en Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 29

UTRAN en el plano de usuario (Figura 3.1, pila de protocolos de interfaces en el plano de usuario). Figura 3.1. Interfaces UTRAN en el plano de usuario. Este tratamiento independiente de la capa de acceso radio es posible dado que las especificaciones de 3GPP definen las funciones y protocolos de la red radio independiente de las funciones y protocolos de la red de transporte (Figura 3.2, arquitectura de protocolos UTRAN) Figura 3.2. Pila de protocolos, UTRAN 2. Tecnología de transporte ATM. La descripción de ATM, así como de las capas de adaptación vienen definidas en la serie I de la ITU-T, que engloba los aspectos generares de las redes digitales de servicios integrados, dónde se especifican las características de las capas de protocolo. A continuación se describen los aspectos generales que definen ATM [5] y la capa de adaptación AAL2 [6]. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 30

2.1 Modo de transferencia asíncrono: ATM. 2.1.1 Estructura de las celdas Las celdas ATM constan de dos esquemas de codificación diferentes: Formato interfaz usuario red (UNI, user-network interface). Formato interfaz nodo de red (NNI, node-network interface). Ambos formatos están formados por una cabecera de cinco octetos y un campo de información de cuarenta y ocho octetos como se muestra en la Figura 3.3. Por convenio los bits de un octeto se envían por orden decreciente, comenzando por el bit 8, los octetos se envían por orden creciente, comenzando por el octeto uno, y en todos los campos el primer bit enviado es el bit más significativo. Figura 3.3. Formato de celdas ATM. 2.1.1.1 Formato y codificación del encabezamiento de la celdas tipo UNI. La estructura de las celdas tipo UNI, usado en el interfaz Iub, se muestra en la Figura 3.4. Figura 3.4. Campo de encabezamiento en celdas tipo UNI Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 31

2.1.1.2 Formato y codificación del encabezamiento de la celdas tipo NNI. En la Figura 3.5 se muestra la estructura de las celdas tipo NNI, usado en el interfaz Iur. Figura 3.5. Encabezamiento de celdas tipo NNI. Las diferencias respecto al formato de encabezamiento de las celdas UNI son: No contiene el campo de control de flujo genérico. Se dispone de 28 bits para encaminamiento: 12 bits para VPI y 16 bits para VCI. 2.1.2 Primitivas de servicio. Las primitivas de servicio describen de manera abstracta el intercambio lógico de información y control a través de un punto de acceso al servicio (SAP, Service Access Point). Las primitivas no especifican ni restringen la implementación de entidades o interfaces. 2.1.2.1. Primitivas intercambiadas con la capa superior. La información intercambiada entre la capa ATM y la capa superior, la capa de adaptación ATM, AAL (ATM Adaptation Layer), a través del ATM SAP incluye las siguientes primitivas: Petición ATM-DATOS. Las unidades de datos de servicio ATM (ATM-SDU, ATM service data unit), gestionan la prioridad de pérdida sometida, indicación de congestión, o indicación de usuario ATM a usuario ATM. Indicación ATM-DATOS (ATM-SDU, indicación de congestión, indicación de usuario ATM a usuario ATM prioridad de pérdida recibida). Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 32

2.1.2.2. Primitivas intercambiadas con la capa inferior. La capa ATM espera que la capa física, proporcione el transporte de celdas ATM entre entidades ATM. La información intercambiada entre la capa ATM y la capa física a través del PHY-SAP incluye las siguientes primitivas: petición PHY-DATOS (PHY-SDU). indicación PHY-DATOS (PHY-SDU). 2.2 Capa de adaptación ATM: AAL2. La capa de adaptación AAL2 definida en la recomendación I.363.2 de la ITU-T proporciona una transmisión eficiente en ancho de banda de paquetes de baja velocidad, cortos y de longitud variable en aplicaciones sensibles a retardo. En la Release 99 y Release 4, se define el uso de ATM y AAL2 en el plano de usuario del interfaz Iub, que proporcionará una transmisión eficiente ante la presencia de múltiples servicios. La AAL2 recibe/envía desde/a la capa ATM la información en forma de una unidad de datos de servicio ATM de 48 octetos (ATM-SDU, ATM service data unit). La AAL2 está subdividida en la subcapa de partes comunes (CPS, Common Part SubLlayer) y en la subcapa de convergencia específica de servicio (SSCS, Service Specific Convergence Sub Layer) como muestra la Figura 3.6. Se pueden definir diversos protocolos SSCS para soportar servicios de usuario AAL2 específicos, o grupos de servicios. La SSCS también puede ser nula, y sólo proporcionaría la correspondencia entre primitivas AAL equivalentes y las primitivas CPS AAL2 y viceversa. Figura 3.6. Capas AAL2. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 33

La AAL2 proporciona la capacidad de transferencia de las AAL-SDU desde un AAL-SAP a otro AAL-SAP a través de la red ATM [véase la Figura 3.7 a)]. La AAL2 en funcionamiento no garantizado, proporciona la capacidad de transferir las AAL-SDU desde un AAL-SAP a varios, gracias a la capacidad punto a multipunto de la capa ATM (véase la Figura 3.7 b). Los usuarios de la AAL2 tienen la capacidad de seleccionar un determinado AAL-SAP asociado con la QoS (por ejemplo, retardo y sensibilidad de pérdida) necesaria para transportar dicha AAL-SDU (véase la Figura 3.8). Se pueden asociar conexiones múltiples AAL con una única conexión de capa ATM, permitiendo la multiplexación de la AAL; la multiplexación de la AAL2 se produce en la subcapa de partes comunes (CPS). El usuario de la AAL selecciona la QoS suministrada por la AAL mediante la elección del AAL-SAP utilizado para la transferencia de datos. En la Recomendación de AAL2, la calidad de servicio (QoSx en la Figura 3.8) la proporciona la capa ATM, al no existir medios normalizados de proporcionar la QoS en la capa AAL2. 2.2.1 Servicio proporcionado por la CPS de la AAL2. La capa CPS de AAL2 proporciona las capacidades de transferencia de las CPS-SDU desde un usuario CPS a otro usuario CPS a través de la red ATM. Se soportan dos tipos de usuarios CPS: Entidades SSCS. Gestión de capa. El servicio ofrece operación par a par: Transferencia de datos de CPS-SDU de hasta 45 octetos (por defecto) o de 6 octetos. Multiplexación y demultiplexación de múltiples canales AAL2. Se mantiene la integridad secuencial de las CPS-SDU para cada canal AAL2. No se asegura el servicio anterior, es decir: Puede entregarse o perderse la CPS-SDU en su totalidad. Las CPS-SDU perdidas no serán corregidas por su retransmisión. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 34

La CPS de AAL2 tiene las siguientes características: La conexión CPS de AAL2 se define de extremo a extremo como una concatenación de canales AAL 2. El canal AAL2 es un canal virtual bidireccional. Debe utilizarse el mismo valor para el valor de identificador de canal en ambos sentidos. Los canales AAL2 se establecen sobre un circuito virtual permanente (PVC, permanent virtual channel) de capa ATM o un circuito virtual conmutado (SVC, switched virtual circuit). Figura 3.7.a. Conexión AAL punto a punto; Figura 3.7.b. Conexión AAL punto a multipunto. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 35

Figura 3.8 Relación entre AAL-SAP y ATM-SAP. 2.2.2 Formato y codificación de la subcapa CPS. La codificación se realiza conforme a los criterios de codificación especificados en la recomendación I.361. Un paquete CPS está constituido por un encabezamiento de paquetes CPS de 3 octetos (CPS-PH, CPS-packet header) seguida de una cabida útil de paquetes CPS (CPS-PP, CPS packet payload). El tamaño y posiciones de los campos del paquete se muestran en la Figura 3.9. Figura 3.9. Formato del paquete CPS de la AAL2. El CPS-PH está constituido por cuatro campos: a. Identificador de canal. El valor de CID identifica el usuario de la CPS de la AAL2 del canal. b. Indicador de longitud. El campo LI se codifica de forma binaria con un valor que es inferior en uno al número de octetos en la cabida útil del paquete CPS. La longitud máxima por defecto de la cabida útil del paquete CPS es de 45 octetos o bien de hasta 64 octetos. c. Indicación usuario a usuario (UUI, user-to-user indication).el campo UUI cumple dos objetivos: Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 36

Cursar información específica de manera transparente entre usuarios CPS, es decir, entre entidades SSCS o entre gestión de capas. Distinguir entre entidades SSCS y usuarios de gestión de capas de la CPS. d. Control de errores del encabezamiento (HEC, header error control) Por otro lado la carga útil de CPS (CPS-PDU) está constituida por un campo de inicio de 1 octeto y una cabida útil de 47 octetos. La carga útil CPS de 48 octetos es una ATM-SDU. El tamaño y las posiciones de los campos de la carga útil CPS se muestran en la Figura 3.10. Figura 3.10. Formato de la CPS PDU. El encabezamiento de la carga útil CPS también se denomina campo de inicio STF (Start Field). El STF está constituido por los siguientes subcampos: Campo descentrado (OSF, Offset field).este campo transporta el valor binario del desplazamiento, medido en número de octetos, entre el final del STF y el inicio del primer paquete CPS o, en ausencia de un inicio, el inicio del PAD. El valor 47 indica que no hay frontera de inicio en la cabida útil de la carga útil CPS- No se permiten valores superiores a 47. Número secuencial (SN, sequence number). Este bit se utiliza para numerar (módulo 2) la serie de la carga útil CPS. Paridad (P, parity). Este bit lo utiliza el receptor para detectar errores en el STF. El transmisor pone este valor de bit de tal manera que la paridad del bit 8 del STF sea impar. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 37

La cabida útil de la carga útil CPS puede transportar 0, 1 o más paquetes CPS (completos o parciales). La cabida útil no utilizada se rellena con octetos de relleno codificados con el valor 0. Un paquete CPS puede solapar una o dos fronteras de células ATM. El punto de solape donde el paquete CPS se comparte puede aparecer en cualquier sitio del paquete CPS, incluido el encabezamiento del paquete CPS. En la Figura 3.11 se muestra los detalles por capa para la representación del convenio de denominación de unidades de datos. Figura 3.11. Descripción capas ATM/AAL2. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 38

3. Segmentación y reensamblado de las conexiones AAL2 en el interfaz Iub. El interfaz Iub en las especificaciones Release 99 y Release 4, está basado en ATM y en la capa de adaptación tipo 2 para el transporte de flujos de datos sobre los canales de transporte comunes y dedicados (CCH, common control channel y DCH, dedicated control channel) procedentes del interfaz radio. El protocolo de la capa de control de acceso al medio (MAC), establece bloques para el transporte de datos sobre el interfaz radio, acorde con la base tiempo establecida por WCDMA. Para el transporte sobre el interfaz Iub, los bloques establecidos por la capa MAC son encapsulados en tramas en el interfaz Iub de acuerdo con los protocolos del plano de usuario de dicho interfaz para los flujos de datos de los canales CCH o DCH. Cada flujo de datos en el plano de usuario en el interfaz Iub necesita una conexión para el transporte independiente del resto para la conexión entre el nodo B y la RNC. Para ello se establece una conexión AAL2 para cada flujo de datos [7]. Así las tramas asociadas a cada usuario son segmentadas y encapsuladas en una subcapa de partes comunes AAL2 (CPS), las cuales son multiplexadas en celdas ATM (Figura 3.12). Gracias a la multiplexión AAL2, los paquetes AAL2 procedentes de diferentes conexiones pueden ser transportadas sobre un canal virtual ATM. Cada celda ATM en un trayecto entre dos entidades AAL2, denominado VCC (Virtual Container Conexion, conexión de contenedor virtual), puede transportar paquetes AAL2 procedentes de diferentes conexiones AAL2 como se puede observar en la Figura 3.12. El campo de identificador de canal en las cabeceras de los paquetes AAL2, identifican la conexión AAL2 a la que pertenecen los paquetes, tal y como lo harían los campos identificador de camino virtual (VPI) e identificador de canal virtual (VCI) en las cabeceras de las celdas ATM de las conexiones de canal virtual ATM. Figura 3.12. Ensamblado de celdas ATM. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 39

Cuando una celda ATM se rellana parcialmente y no hay pendientes más paquetes AAL2 para la transmisión, las celdas ATM se completan con octetos de relleno, y las celdas se envían a continuación para evitar largos periodos de espera, que provocarían la inserción de retrasos que afectarían a la calidad de servicio. 3.1 Provisión de QoS a las conexiones AAL2. La capa de transporte de la red de acceso radio (UTRAN) WCDMA tiene unas características exigentes en términos de calidad de servicio. Para ello el parámetro más destacado es el máximo retraso que sufren los paquetes. Con el objetivo de preservar la QoS en la capa AAL2, se requiere un uso del ancho de banda del enlace entre los nodos B y las RNC cumpliéndose los requisitos en términos de retraso que aseguren el cumplimiento de la QoS. En esta línea el control de admisión de la conexión (Connection admission control, CAC) y la gestión del ancho de banda (Bandwidth management, BWM) se definen para los canales AAL2 para garantizar el cumplimiento de la QoS [8]. 3.1.1 Control de Admisión de la Conexión para las conexiones AAL2. Existen varias estrategias definidas para el control de admisión de conexiones AAL2 basadas en la independencia de dichas conexiones. La clave se encuentra en el control de conexiones simultáneas presentes en canal virtual ATM, para garantizar la QoS del tráfico soportado en las conexiones AAL2. Un esquema apropiado para el alojamiento en la capa AAL2 permite la implantación de funciones de control de admisión que proveerán la necesaria QoS. Los dos parámetros principales de las funciones del control de admisión para aceptar y rechazar las peticiones de una nueva conexión AAL2 son: Ancho de banda equivalente de cada conexión AAL2. Se define como el cociente entre la tasa binaria promedio del camino virtual ATM y el número de conexiones AAL2 simultáneas que presentes en el canal virtual. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 40

Tasa umbral de un canal virtual, que es el porcentaje de tasa de pico (PCR). De esta manera, el funcionamiento del control de admisión es el siguiente: si el total del ancho de banda equivalente para las conexiones AAL2 es menor que el umbral de canales virtuales, una nueva conexión sería establecida, en caso contrario se rechaza. 3.1.2 Gestión del ancho de banda. La documentación existente sobre la gestión del ancho de banda, no ha establecido un método estandarizado para el control de la calidad de servicio. Normalmente se vienen usando dos esquemas para compartir del ancho de banda ofrecido por la capa AAL2 entre dos clases de servicios de tráfico: a. Control del ancho de banda a nivel ATM. A menudo a través de este esquema, el control del tráfico ATM, reduce el número de conexiones que pueden ser multiplexadas sobre un ATM VCC, reduciendo el ancho de banda necesario. En este esquema, las conexiones de canal virtual se separan en base a la clase de QoS en AAL2. De esta manera, al menos dos VCC son necesarios para diferentes clases de AAL2 y la diferenciación se realiza a nivel ATM. b. Control del ancho de banda a nivel AAL2.Las diferentes clases de QoS son agregadas sobre el mismo VCC. Estos VCC multiservicios permite una mayor ganancia de multiplexión, como se verá en el próximo apartado. La diferenciación de servicios se realiza en la capa AAL2 debido a que una vez que el tráfico AAL2 ha sido multiplexado, sobre un VCC, la capa ATM es incapaz de diferenciar entre los diferentes servicios. En este caso el mecanismo de control en un multiplexor AAL2 es necesario para establecer la diferencia entre los diferentes tipos de tráfico. Estrategias de dimensionado y evolución del backhaul en redes de comunicaciones móviles Página 41

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