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Carlos Renato Storck
CAC-RD: Controle de Admi ss˜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
Junho 2007
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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.
CDU: 621.395
Bibliotecária : Erica Fruk Guelfi – CRB 6/2068
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
a
Resumo
A terceira geração de redes móveis, denominada 3G, objetiva prover acesso à Internet em
alta velocidade, com garantias de qualidade de serviço para determinadas aplicações. UMTS
(Universal Mobile Telecommunication System) é um tipo de rede 3G especificada pelo grupo
3GPP (Third Generation Partnership Project) com utilização de vários serviços multimídia
móveis. É necessário o uso de mecanismos de controle de admissão e de congestionamento para
que determinadas aplicações críticas sejam priorizadas em relação a outras, sendo necessário
classificar o tráfego e prover qualidade de serviço. Este trabalho propõe um controle de
admissão de chamadas, o CAC-RD, para redes UMTS. O CAC-RD é baseado em técnicas de
diagnóstico da rede e de reserva de recursos para processos de handover. Com essas técnicas
associadas a bloqueios de novas chamadas quando a rede atinge determinados thresholds de
utilização, o CAC-RD é uma ferramenta que prioriza handovers e aplicativos das classes
conversational. Com isto, ele busca garantir acesso e qualidade de serviço (QoS) da rede,
mantendo níveis de compromisso entre desempenho e disponibilidade. O principal objetivo do
CAC-RD é reduzir o número de chamadas bloqueadas, garantindo níveis aceitáveis de
desempenho da rede. Experimentos realizados em uma rede E-UMTS (Enhanced Universal
Mobile Telecommunication System), simulada através da ferramenta ns-2 (Network Simulator
2), avaliaram o CAC-RD. Os resultados das simulações mostram que as técnicas de reserva de
canais e de diagnóstico, associadas ao controle de potência de sinal intrínsecos à implementação
da rede, reduzem efetivamente os bloqueios garantindo, simultaneamente, níveis satisfatórios de
desempenho.
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
a
Abstract
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).
This work proposes an UMTS admission control mechanism, called CAC-RD. It is bases b327 k27 C21(TS ion PP33 kind of-2(gnos)2(ton niqu0.3y)-n bas)-4n conel reyMar1.7-4(s)-4( of )]TJ059404 Tc 0.1048 Tw 0 kind ofton niqu0worssocdatedip Pronew genes4(es b327 k27 C21158004 T19.lock/Typwhened b) kind ofreacar1 utiliza wire and the
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
ii
Agradecimentos
A Deus,
Aos meus pais,
Amigos e familiares.
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.
Aos amigos e familiares, que me apoiaram nesta jornada.
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
2.2.1 Serviços nas Redes 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Faixas de Freqüência .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .ia .i
9
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
Bibliografia 65
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
5.14 Probabilidade de bloqueios de handovers no cenário urbano . . . . . . . . 56
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
5.4 Intervalo de 98% de confiança para chamadas de handover . . . . . . . . . 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
CBP:
Call/Session Blocking Probability
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
IFQ:
Interface Queue
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
PSTN:
Public Switched Telephone Network
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
TN-CP:
Transport Network – Control Plane
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
WRR:
Weighted Round Robin
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.
A terceira geração de computação móvel, denominada 3G, é um sistema celular digital que
permite acesso à Internet em alta velocidade, com garantias de qualidade de serviço para
determinadas aplicações. Redes UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
pertencem a esta geração. E-UMTS (Enhanced Universal Mobile Telecommunication System) é
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].
Apesar da especificação das redes UMTS já ter sido feita pelo grupo 3GPP (3rd Generation
Partnership Project) [3GPP, 2004a], estudos sobre elas ainda estão em aberto e melhorias são
necessárias. A fim de prover tais melhorias, existem pesquisas a serem desenvolvidas, tais como
desenvolvimento de técnicas de QoS (Quality of Service) mais eficientes, que possibilitem a
garantia de níveis de serviço acordados entre os assinantes e a rede. Estes mecanismos incluem
a escolha dos parâmetros de QoS pela aplicação, tradução em parâmetros compreensíveis pela
rede, CAC, negociação com os elementos da rede, reserva de recursos, monitoração de QoS
entre comunicações e renegociações de parâmetros [Duarte-Figueiredo, 2004]. Estes estudos
objetivam aumentar o desempenho, a capacidade e as taxas de transmissão das redes UMTS,
criando, assim, as chamadas redes E-UMTS.
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.
No entanto, implementações de soluções de QoS para redes UMTS são livres e variadas,
desde que sejam consideradas as características e prioridades das quatro classes de tráfego
definidas pelo grupo 3GPP, que são conversational, streaming, interactive e background. Por
isso, há a necessidade de se implementar algoritmos eficientes de controle de admissão para que
os recursos sejam distribuídos seguindo prioridades e acordos pré-definidos entre assinantes,
aplicativos e operadoras, a fim de promover qualidade de serviço nas redes UMTS. Ainda, os
algoritmos de controle de admissão encontrados na literatura buscam na maioria das vezes
minimizar bloqueios de chamadas, aumentando a disponibilidade da rede sem verificar o
impacto no desempenho. Algumas propostas da literatura adotam soluções de QoS de redes
fixas, tais como MPLS (Multiprotocol Label Switching), IntServ (Integrated Services) e
DiffServ (Differentiated Services) em redes sem fio. Outras propostas propõem reserva de
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.
Através das simulações, com tráfego fim-a-fim, foi possível analisar resultados de
desempenho da rede com e sem o CAC-RD. O intuito foi verificar o comportamento de uma
rede com diferentes cargas de tráfego, permitindo, dessa forma, a avaliação do mecanismo
proposto.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
5
1.4 Organização do Texto
Este trabalho está organizado da seguinte forma: o Capítulo 2 apresenta conceitos de redes
UMTS. O Capítulo 3 trata o tema QoS, incluindo também trabalhos relacionados. O Capítulo 4
descreve o modelo do mecanismo de controle de admissão de chamadas, CAC-RD, proposto
neste trabalho. A descrição das simulações e os resultados são apresentados no Capítulo 5. O
Capítulo 6 apresenta conclusões do trabalho.
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).
Após a 2ª geração, surgiu uma geração intermediária denominada 2,5G, que pode ser vista
como uma extensão dos sistemas digitais 2G com novos recursos de acesso à Internet, porém
não caracterizados como 3G. Esta geração foi originada pela necessidade de uma transição da
segunda geração para a terceira geração, permitindo que as operadoras não percam os
investimentos já feitos anteriormente em seu legado, além de adquirirem experiências em
comutação por pacotes, enquanto a tecnologia 3G não chegava ao mercado [Sarikaya, 2000].
Dentre as redes 2,5G, existem alguns sistemas desenvolvidos, tais como GPRS (General Packet
Radio Service) [Kalden et al., 2000], HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), 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 CDMA) e TD-SCDMA (Time Division Synchronous 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
Figura 2.1: Sistemas Celulares divididos por Geração.
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
O tipo de tráfego multimídia nas redes UMTS deve ser assimétrico. A rede deve possuir
serviços capazes de alocar recursos de banda aos usuários por demanda. Outro ponto importante
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.
A WARC (World Administrative Radio Conference) definiu o espectro de freqüências para
redes UMTS, com o uso das bandas 1920 MHz a 1980 MHz para operação uplink no modo
FDD e 2110 MHz a 2170 MHz para downlink no FDD, proporcionando aproximadamente 250
canais para tráfego do usuário. A tecnologia W-CDMA utiliza 2 canais distintos de 5 MHz,
sendo um para downlink e outro para uplink, separados por uma freqüência de 190 MHz. Com
isso, consegue-se atingir taxas de até 2 Mbps através dos 250 canais disponíveis para tráfego de
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.
A primeira fase da especificação do UMTS foi chamada de R99 (Release 99) e se baseava
na tecnologia ATM (
Asynchronous Transfer Mode) para rede de transporte. A cada fase ou
release, são introduzidos novos conceitos e características da rede. A proposta do documento
R5 (Release 5) é alcançar uma rede toda IP, ou seja, uma rede com arquitetura fim-a-fim
baseada no protocolo IP. A R6 (Release 6) introduz diversas características para aumentar a
capacidade e o desempenho da rede, principalmente através da tecnologia HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access). A versão mais recente, a R7 (Release 7) apresenta melhorias e inclui
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
A arquitetura de redes UMTS consiste basicamente na integração de três domínios [3GPP,
2004a]: CN (Core Network) ou núcleo da rede, que é responsável pela comutação por pacotes,
roteamento, acesso ao banco de dados e gerência da rede; UTRAN ou rede terrestre de acesso à
rádio do UMTS, baseada no W-CDMA; e UE (User Equipment), que é o equipamento móvel do
usuário. Em relação à arquitetura do GSM, foram criadas as interas pe31 Tf0.00
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.
O CN é composto pelo HLR (Home Location Register), responsável pelo banco de dados
dos usuários, e dois núcleos de rede distintos, que são a comutação por circuito, que utiliza a
infra-estrutura do GSM já existente e a comutação por pacotes que utiliza a infra-estrutura do
GPRS. Uma vez que a arquitetura do UMTS é baseada na arquitetura GSM e GPRS, alguns
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-CDMA
UE
UE
Uu
RNC
RNC
Iu
Iub
RNS
RNS
UTRAN
CN
MSC/
VLR
GMSC
SGSN
GGSN
ERB
Banco de
Dados
Comutação a Circuito
Comutação a Pacotes
HLR
PSTN
Internet
ERB
2.3.2 UTRAN
A rede terrestre de acesso à rádio UMTS ou UTRAN é um conjunto de RNSs, compostas
por um RNC e um ou mais ERBs, conforme ilustra a Figura 2.2. Cada RNC é responsável por
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
A
p
lica
ç
ão
ALCAP
(
s
)
Dados
Streams
portadoras de
sinaliza
ç
ão
portadoras de
sinaliza
ç
ão
portadoras de
dados
Plano de Controle
Plano de Usuário
TNCP
Rede de
Transporte
Plano usuário
Camada
de
transporte
da rede
Camada
de rede de
rádio
Rede de
Transporte
Plano usuário
Camada Física
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.
• Camada física, responsável pelo mapeamento entre canais de transporte e canais físicos.
Desempenha papéis de multiplexação/demultiplexação de downlink e uplink,
multiplexação/demultiplexação de canais de transporte, além de tarefas como detectar e
indicar erros, medir e gerenciar recursos de rádio, controle de potência, espalhamento
espectral, seleção de célula, paging e handover.
CAPÍTULO 2. REDES UMTS
16
UE
RRC
RLC
MAC
Física
ERB
RRC
RLC
MAC
Física
Figura 2.4: Camadas UMTS.
IF
Q
IF
Q
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.
No domínio PS, a fim de obter comutação de pacotes, a arquitetura é baseada no protocolo
IP, sendo usado para transporte de tráfego do usuário e controle, e composto pelos elementos
SGSN e GGSN. A escolha do protocolo IP para o domínio PS se deve principalmente ao
objetivo de integração da redes com fio e sem fio, pois o desenvolvimento de aplicativos,
gerenciamento das redes e avanços de tecnologia poderão ser aplicadas em ambas as redes.
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:
• HSDPA: serviço de transmissão de pacotes de dados, que ocorre no enlace direto
(downlink) do W-CDMA, permitindo a transmissão de dados até 10 Mbps em uma
banda de 5 MHz. Possui características novas como Modulação e Codificação
Adaptativas - AMC (Adaptive Modulation and Coding), Requisição de Repetição
Automática Híbrida - HARQ (Hybrid Automatic Request), Reserva Rápida de Pacotes -
FPS (Fast Packet Scheduling), modos de modulação QPSK (Quadrature Phase-Shift
Keying) e 16-QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation), e codificação turbo. Em
relação ao W-CDMA, não possui controle de potência rápida e SHO, sendo
implementados na BTS (Base Transceiver Station). O HSDPA deve permitir novos
serviços e redução significativa no preço cobrado pelas operadoras, além de baixo
atraso em serviços orientados a pacotes.
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.
Existem pesquisas a serem desenvolvidas ainda em redes E-UMTS, como técnicas QoS,
associação com a técnica MIMO, além de estudos em protocolos de redes para acesso à rede e
núcleo da rede. Com isso, o desempenho das redes UMTS, assim como o aumento de
capacidade e taxas de transmissão, de 2 Mbps para 10 Mbps, devem acontecer através de novas
técnicas e algoritmos a serem desenvolvidos.
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].
Dentre as formas de classificação, podem ser citadas aquelas por usuário, por aplicação, por
fluxo, por porta, por pacote ou por quadro. A classificação por usuário é associada à sua
identificação na rede e às políticas de prioridades definidas. A classificação por aplicação,
refere-se à diferenciação de tráfego exigido por uma certa aplicação, como por exemplo,
serviços de voz em que atrasos são sensíveis. A classificação por fluxo refere-se à diferenciação
de tráfego por endereços origem e destino e às regras associadas a esse fluxo. Nesta
classificação, torna-se complexo o gerenciamento à medida que aumenta o tráfego na rede. Na
classificação por porta, o tráfego é diferenciado pela porta utilizada pelas aplicações, porém essa
classificação é inadequada para diferentes aplicações que utilizam a mesma porta. A
classificação por pacote, se dá de acordo com as características do pacote, sendo marcado o
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].
Vazão, ou throughput, é uma taxa efetiva de pacotes transmitidos por uma unidade de
tempo, geralmente representado pelo número de bits por segundo recebidos pelo destinatário. A
vazão é limitada pelas características físicas do enlace e representa a taxa máxima ou média de
um serviço em uma rede. Esse parâmetro é influenciado por perdas e atrasos da rede, ou seja,
relacionado com o congestionamento na rede. Quando há um aumento de atraso, a vazão é
afetada, pois os pacotes transmitidos demoram mais tempo para alcançar o seu destino. Também
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
Para oferecer níveis adequados de QoS para cada classe de serviço de forma eficiente, são
necessários mecanismos de garantia de QoS que gerenciam o provisionamento de recursos na
rede. A QoS na rede é proporcional aos recursos de rede e a carga aplicada na mesma. Para
diferenciação de serviço entre as classes é preciso controlar a carga admitida e recursos
disponíveis na rede. Os principais mecanismos utilizados são controle de admissão, negociação
de parâmetros, controle de prioridade, escalonamento, gerenciamento ativo de filas, diagnóstico
de rede e controle de fluxo.
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].
O mecanismo de diagnóstico de rede é responsável pelo controle de congestionamento na
rede, policiando o desempenho da mesma. A principal função é reduzir a entrada de novos
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.
Para solucionar os problemas apresentados pela arquitetura IntServ, a arquitetura DiffServ
ou Serviços Diferenciados foi criada. O princípio básico de funcionamento do DiffServ é tratar
o tráfego dos roteadores de forma agregada, agrupando os fluxos com mesmos requisitos de
QoS em classes, o que possibilita tratamento diferencial [Al-Begain and Awan, 2003]. Uma
vantagem desta arquitetura é que os nós do núcleo da rede não são sobrecarregados, pois todo o
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
Figura 3.1: Arquitetura de QoS para UMTS (traduzido de [3GPP, 2006e]).
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.
O controle de admissão é a entidade que controla informações sobre todos os recursos
disponíveis na rede e informações sobre todos os recursos alocados para serviços UMTS.
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.
Ainda na arquitetura de QoS para UMTS, são definidas quatro classes de tráfego para
representar tipos de aplicações para redes 3G, que são: conversational, streaming, interactive e
background, sendo o principal parâmetro de diferenciação à sensibilidade ao atraso. Como
exemplos de aplicações da classe conversational, podem ser citados transmissão de voz, voz
sobre IP e telnet, que representam serviços de tempo real e requerem baixo atraso fim-a-fim,
baixo jitter e baixa perda de dados. Como exemplos de aplicações da classe streaming, podem
ser citados aplicações de streaming multimídia, técnica adotada para transferência de dados com
processamento de fluxo contínuo e estável, como real audio. Essa classe possui tolerância maior
do que a classe conversational quanto ao atraso fim-a-fim e jitter. Como exemplos de
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 b
h
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:
)(
21
)(
.
2
)()(
old
h
new
h
b
CBPfHFPf
b
+
=
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
28
(3.1)
(3.2)
(3.3)
7,0001,0
)(
≤≤
new
h
b
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).
A utilização do simulador E-UMTS implica em se criar primeiramente a topologia, gerando
ERBs. O próximo passo é distribuir uniformemente as unidades móveis na topologia, gerando
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.
Para encontrar a melhor distância entre as ERBs nos ambientes, Antoniou variou a distância
entre as células em suas simulações mantendo os mesmos parâmetros de tráfego e número de
usuários. A melhor distância seria aquela que geraria menos bloqueios. Como exemplo, para o
ambiente urbano, o simulador foi primeiramente testado apenas com serviços de voz (variando a
distância): 7 células com 2000 usuários e 19 células com 4000 usuários, encontrando a melhor
distância de 900 metros entre as ERBs para ambos os cenários. Depois, testou-se com tráfego
misto no ambiente urbano: 19 células com 5000 usuários e 19 células com 6000 usuários,
encontrando a melhor distância de 800 metros para ambas. Concluiu-se que 800 metros seria a
melhor distância, pois esta distância foi a que gerou menos bloqueios na rede. Foi constatado
também, que entre as distâncias simuladas, 800 metros é a distância que se obteve o maior
número de usuários ativos, comprovando a eficácia da distância escolhida (cerca de 700
usuários ativos no total de 5000 usuários e 800 usuários ativos no total de 6000 usuários). Por
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:
1.
O perfil de QoS é especificado pelo usuário.
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
O artigo de [Chang and Simon, 2005] apresenta um modelo analítico para controle de
preços de serviços em redes que oferecem múltiplos serviços, baseando em tráfego com QoS e
de melhor esforço. O controle de admissão é considerado um mecanismo de alocação de
recursos e controlador de preços, sendo o valor total calculado em função do tráfego com QoS
admitido e do valor do tráfego de melhor esforço, considerando o atraso sofrido pelo método de
melhor esforço. Foi utilizada uma política para adotar esquemas de valores baseados em
congestionamento da rede. O CAC verifica se existem recursos suficientes para suportar o QoS
exigido da nova solicitação. Se solicitação é admitida, é dada a conexão uma prioridade maior
do que a prioridade de melhor esforço, de acordo com probabilidades e o tipo do tráfego.
Contudo, o usuário pode aceitar ou não o custo da conexão de acordo com a prioridade de QoS
aplicada à conexão. Se o custo não for aceito pelo usuário, a classe de melhor esforço é aplicada
novamente na conexão. Neste caso, aplicações da classe de melhor esforço sofrem atrasos
devido à função de custo, sendo aplicada de acordo com o congestionamento adicional na rede.
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].
[Kim et al., 2002] propõe um esquema de alocação de recursos de rádio dinâmico baseado
em prioridades, combinando degradação de qualidade de acordo com prioridades de QoS
predefinidos e política de fila, a fim de reduzir o número de chamadas perdidas durante
handover. Este esquema pode ser adotado também no controle de admissão, a fim de evitar
bloqueios de novas chamadas. O esquema proposto é baseado em guarda de canais GC (Guard
Channel), que reserva um número de canais em cada célula, para pedidos de handover (não
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
34
apropriado para recursos limitados), e HQ (Handover Queuing), em que chamadas são
enfileiradas e aguardam um determinado tempo por um canal disponível (não apropriado para
serviços de tempo real). Por fim, [Kim et al., 2002] baseia na técnica PCS (Personal
Communications Service), que basicamente divide temporiamente um canal em dois para
atender a uma chamada de handover. São usados no esquema proposto, três níveis de serviços
SLS (Service Levels) representados pelas cores ouro, prata e bronze, referentes ao nível exigido
de QoS. O procedimento do esquema é apresentado a seguir: o pedido de chamada de handover
é aceito se existirem recursos disponíveis. Caso contrário, o nível de serviço é verificado,
degradando fluxo de tráfego dos níveis inferiores e liberando recursos para os níveis prioritários.
Caso não haja nenhum serviço que possa ser degradado, o pedido é enfileirado.
Um algoritmo de controle de admissão adaptável é desenvolvido em [Zhang and Liu, 2001],
usando técnica de guarda de canais dinamicamente. Assim como outros estudos, os dois
principais parâmetros são probabilidade de bloqueio de nova chamada e probabilidade de
bloqueio de handover, técnica adotada também por [Lindemann et al., 2003]. No algoritmo, são
tratados os pedidos de handovers da célula atual e suas vizinhas, tendo handovers prioridade
sobre novas chamadas. A escolha do número correto de canais que serão reservados influenciará
na taxa de bloqueio de handovers e na taxa de bloqueio de novas chamadas, objetivando que
seja o mínimo possível. A principal idéia do algoritmo é dividir o número de canais disponíveis
em duas partes, uma para admissão de chamadas e outra para handover, sendo implementado
por decisão de aceite da chamada por cálculos de ajustes adaptáveis da guarda de canais.
Para provisionamento de QoS em [Das et al., 2000], é proposta uma estrutura integrada de
QoS na camada de enlace de rádio, tratando problemas de gerência da largura de banda. Para os
autores, largura de banda é considerado o principal gargalo para serviços de tempo real. A
estrutura proposta também inclui escalonamento prioritário de pacotes a fim de fornecer
garantias determinísticas de atraso fim-a-fim, vazão e perdas de pacote. Na camada de rádio, o
tráfego de classes de tempo real (sensível ao atraso) e classes de tempo não real (tolerantes ao
atraso) são tratadas de forma diferenciada através de técnicas de escalonamento de prioridade,
onde os pacotes são classificados de acordo com a classe pertencente. Por isso, aplicações de
tempo real possuem prioridade sobre aplicações de tempo não real. A análise de desempenho da
estrutura é feita através de experimentos com simulação, comparados e validados com esquemas
analíticos da literatura. Como resultados alcançados, a melhoria da estrutura foi
aproximadamente de 12% comparado com a literatura. Em comparação com o uso das técnicas
CAPÍTULO 3. QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES MÓVEIS
35
propostas, a probabilidade de admissão de chamadas de tráfego de tempo real aumentou 21%, e
para chamadas de tráfego de tempo não real houve um ganho de aproximadamente 17%.
3.6.5 Resumo dos principais trabalhos relacionados
O modelo de controle de admissão proposto se baseia principalmente nas soluções de QoS
de [Lindemann et al., 2003, Antoniou, 2004, Duarte-Figueiredo, 2004]. Se comparados os três
trabalhos relacionados, são encontradas algumas deficiências nas soluções de QoS, que serão
tratadas neste trabalho. Cada um deles possui uma contribuição importante para o CAC
proposto, apresentado no Capítulo 4 com maiores detalhes.
O trabalho de [Lindemann et al., 2003] apresenta um CAC com reserva dinâmica de
recursos para chamadas de handover através de probabilidades de falha de handover e bloqueios
de novas chamadas. Essa estrutura minimiza bloqueios, porém não controla o desempenho da
rede. Através da reserva dinâmica foi possível verificar um controle eficaz do processo de
handover, diminuindo perdas de chamadas e bloqueio de novas. Por isso, o modelo matemático
foi adotado no controle de admissão desenvolvido, sendo alterado apenas o seu percentual
mínimo de reservas, a fim de garantir menos bloqueios de handovers.
[Antoniou, 2004] apresenta um simulador de rede E-UMTS desenvolvido na ferramenta ns-
2 com contribuições de pesquisadores do projeto SEACORN [SEACORN, 2004]. Seu objetivo
foi descobrir a melhor cobertura e capacidade da rede. Além disso, o controle de admissão
apresentado calcula apenas a potência do sinal entre a ERB e UE, e sua respectiva interferência
na célula, considerado o básico de um controle de admissão de uma rede sem fio. Por isso, a
estrutura de [Antoniou, 2004] não minimiza bloqueios e não controla desempenho da rede. A
principal contribuição de [Antoniou, 2004] foi a distribuição de canais e controle da potência do
sinal na rede.
Em [Duarte-Figueiredo, 2004] é proposta uma solução de QoS fim-a-fim para redes GPRS,
denominada DiffMobil. Esse arquitetura possui mecanismos de negociação de QoS, diagnóstico
de rede, controle de admissão, reserva de recursos e controle de fluxo. A solução proposta
minimiza bloqueios e controla desempenho na rede, porém sua reserva de recursos é estática, o
que pode resultar em desperdícios de recursos. A principal contribuição de [Duarte-Figueiredo,
2004] é o módulo de diagnóstico da rede e bloqueios de classes por limites de utilização da rede,
termo conhecido também como thresholds.
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
36
100
Capítulo 4
Controle de Admissão CAC-RD
4.1 Introdução
Os conceitos de redes UMTS foram apresentados no Capítulo 2. Como visto, apesar de
muitas especificações terem sido feitas pelo grupo 3GPP, as redes UMTS ainda estão em fase de
desenvolvimento. Do mesmo modo, um dos campos mais importantes de pesquisa é o da
qualidade de serviço dessas redes, uma vez que vários tipos de tráfego são suportados por ela,
como apresentado no Capítulo 3. Por isso, são necessários mecanismos eficientes para
provisionamento de QoS nas redes UMTS, de acordo com as especificações do grupo 3GPP.
O CAC é um mecanismo que gerencia recursos da rede, sendo responsável por determinar
se uma chamada (nova ou handover) será aceita ou não, alocando canais para a mesma,
mantendo o nível de qualidade de serviço das aplicações já em uso [3GPP, 2006e]. Sua
principal tarefa é tentar evitar uma sobrecarga na rede e, por isso, é dependente dos recursos
disponíveis da rede e dos requisitos da qualidade de serviço por classe de aplicativo. Suas
decisões de admissão ou bloqueio são baseadas em medidas de utilização dos recursos da rede e
de interferência dos enlaces de uplink e downlink. O algoritmo do CAC é executado no acesso
inicial do usuário, na configuração de portadoras e nos processos de handover. A função de
admissão baseada em interferência de sinais do uplink e na potência do downlink encontra-se no
RNC e é executada na interface Iu.
O mecanismo de controle de admissão CAC-RD (Call Admission Control - Diagnosis and
Reserve), proposto neste trabalho, se apóia em dois princípios: garantia de níveis de utilização e
desempenho de rede aceitáveis e baixo índice de bloqueios de handovers e de novas chamadas
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
37
de classes prioritárias. Para isto, implementa técnicas de diagnóstico da rede e reserva de
recursos para handovers. O CAC-RD adota como padrão as classes de serviços propostas pelo
3GPP para redes UMTS. O diagnóstico verifica o nível de utilização da rede e os pedidos de
QoS para cada usuário que deseja entrar na rede, por classe de aplicativo, limitando as
aceitações do CAC por thresholds pré-estabelecidos. A reserva de canais se baseia em
probabilidades de handovers.
4.2 O Algoritmo de Controle de Admissão Proposto
O mecanismo de controle de admissão de chamadas proposto neste trabalho deve garantir
QoS para a classe conversational e handover, com suporte à mobilidade dos usuários na rede E-
UMTS. Por ser baseado principalmente nos mecanismos de reserva de recursos para handover e
diagnóstico da rede, será chamado de CAC-RD. O principal objetivo do CAC-RD é reduzir o
número de chamadas da classe conversational e handovers bloqueados, além de garantir níveis
de desempenho, tais como atraso fim-a-fim, variação de atraso e vazão. O algoritmo do CAC-
RD pode ser descrito, em alto nível, pelos passos abaixo listados:
1. Para cada requisição de acesso à rede, o CAC-RD verifica a qual classe de serviço
pertence a chamada.
2. O controle de admissão de chamadas consulta o módulo de diagnóstico para obter o
nível de utilização dos recursos da ERB, naquele momento.
3. Baseado em [Duarte-Figueiredo, 2004], o CAC-RD bloqueia novas chamadas
quando a utilização da ERB atinge determinados thresholds, que devem ser
definidos pelas políticas de acordos dos níveis de serviço das operadoras:
• Se a utilização da ERB for inferior a a%, todas as novas chamadas são
admitidas.
• Se a utilização da ERB estiver entre a% e b%, o CAC-RD bloqueia chamadas
da classe background.
• Se a utilização da ERB estiver entre b% e c%, o CAC-RD bloqueia chamadas
das classes background e interactive.
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
38
• Se a utilização da ERB estiver entre c% e d%, o CAC-RD bloqueia chamadas
das classes background, interactive e streaming.
• Se a utilização da ERB estiver acima de d%, o CAC-RD bloqueia novas
chamadas.
4. Para as chamadas admitidas, o CAC-RD faz uma verificação de disponibilidade de
canais e da potência do sinal dos enlaces de uplink e downlink de acordo com
[Antoniou, 2004], podendo aceitar ou rejeitar a chamada.
5. Para suporte à mobilidade, se o usuário encontra-se em movimento, a célula destino
deve reservar largura de banda dinamicamente para o mesmo, promovendo
handover suave. As probabilidades de chegadas de handovers são dadas por
[Lindemann et al., 2003].
Figura 4.1: Módulos do CAC-RD.
A implementação do CAC-RD pode ser dividida em quatro módulos, ilustrados pela Figura
4.1. O primeiro é o módulo de diagnóstico da rede, que monitora constantemente os níveis de
utilização da rede por ERB. O segundo é o módulo que faz reserva dinâmica de canais para
chamadas de handovers, baseado no modelo matemático de [Lindemann et al., 2003]. O terceiro
módulo faz distribuição de canais para todas as chamadas pelo modelo proposto por [Antoniou,
2004] e adaptado para chamadas de handovers, atribuindo códigos SF de acordo com a
aplicação e verificação da potência do sinal dos enlaces de uplink e downlink. O quarto módulo
bloqueia chamadas em ordem decrescente de prioridade, à medida que o nível de utilização da
rede aumenta. Ele segue faixas de thresholds para iniciar os bloqueios por classes [Duarte-
Figueiredo, 2004]. O módulo de diagnóstico da rede repassa parâmetros de utilização da rede
Bloqueio de
classes de
acordo com
a
p
rioridade
Reserva de
canais
Diagnóstico
da rede
Distribuição
de canais
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
39
(4.1)
para os módulos de reserva de canais e bloqueio por classes para tomadas de decisão, e recebe
atualizações dos módulos de bloqueio de classes e distribuição de canais. O módulo de
distribuição de canais é acionado após passagem da chamada pelo módulo de bloqueio de
classes e recebe parâmetros da reserva de canais quando um handover é solicitado na ERB.
O algoritmo do CAC-RD baseou nas etapas para classificação de QoS e procedimentos
adotados no modelo de controle de admissão proposto por [Lindemann et al., 2003, Antoniou,
2004, Duarte-Figueiredo, 2004]. Em relação à [Lindemann et al., 2003], o CAC incorporou
bloqueios por thresholds propostos por [Duarte-Figueiredo, 2004]. Em relação ao CAC
encontrado em [Antoniou, 2004], o CAC-RD possui um módulo de reserva de recursos baseado
no modelo matemático de [Lindemann et al., 2003], e um módulo de diagnóstico da rede. O
controle de admissão em [Antoniou, 2004] é baseado na distribuição de canais e não considera
aspectos de QoS definidos pelo grupo 3GPP. Por isso, foi introduzido um módulo de bloqueios
para novas chamadas de acordo com determinados thresholds. Em relação à arquitetura
DiffMobil proposta por [Duarte-Figueiredo, 2004], adota reservas dinâmicas para handovers.
Uma outra diferença, é que a rede utilizada por [Duarte-Figueiredo, 2004] foi uma rede
GPRS. A principal diferença do CAC-RD para as outras propostas da literatura, é a busca por
um compromisso entre garantia de disponibilidade e garantia de desempenho.
O CAC-RD calcula dinamicamente, o percentual de canais de reserva para usuários de
SHO. Esse cálculo é baseado em [Lindemann et al., 2003], que propõe uma reserva entre 0,1% e
70% dos canais para SHO. O valor mínimo a ser reservado no CAC-RD é 3%, valor esse
utilizado por [Duarte-Figueireido, 2004] em sua tese de doutorado e o máximo é de 70%. O
cálculo dinâmico do percentual de canais reservados é dado pela fórmula (4.1), onde é
equivalente ao percentual de canais reservados para handover. HFP é o percentual de bloqueios
de handover e a sigla CBP corresponde ao percentual de bloqueios de novas chamadas. f
h
tr]TJ0.000a</MCID 4 5>BDC BT/TT0 1 Tf6.7.00 0 127.00 47082 262.64d4.7-81jETEMC /P <</MCID 4 6>BDC BT/TT1 1 Tf0..98 0 0 10.98 104.08 Td261)4d4.7-8(j/TT0 1 Tf0.0002 Tc 0.FP
CB)Tj/T-0012 Tc 1.-.8639-1.727 Td(de)Tj/TT0 1 Tf0.0c 0.01973 Td(f)TjETEMC /P 000a</MCID 4 7>BDC BT/TT0 1 Tf6.7.00 0 127.00 9860Td243.63 Tm(h)2jETEMC /P <</MCID 4 8>BDC BT/TT1 1 Tf0..98 0 0 10.98 102.06 -12458 3 Tm(h)(j/TT0 1 Tf0.0002 Tc 0 BP
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
40
O algoritmo 2 implementa o módulo de distribuição de canais. Cada usuário recebe códigos
de espalhamento espectral através da técnica OVSF, quando ganha acesso a canais em uma
ERB. Quando chega um usuário que não é SHO, a distribuição será por disponibilidade de
códigos SF da maneira proposta por [Antoniou, 2004]. Entretanto, quando chega um usuário
SHO, primeiramente, tenta-se fazer a distribuição normalmente. Se essa distribuição falhar, é
feita a distribuição pelos códigos reservados para usuários SHO. Se, mesmo assim, a
distribuição falhar, a chamada de SHO será bloqueada. O número de códigos SF disponíveis é
determinado de acordo com a taxa de dados requerida pela aplicação. Por ERB, são 128 códigos
SF para taxa de dados de 12 kbps, 32 SF’s para taxas de 64 kbps, 16 SF’s para taxas de 144
kbps, 8 SF’s para taxas de 384 kbps e 8 SF’s para taxas de 768 kbps. Essas taxas são as mesmas
especificadas pelo grupo 3GPP [3GPP, 2006d].
O CAC-RD proposto bloqueia novas chamadas quando a utilização da rede atinge
determinados thresholds. O algoritmo 3 representa o módulo de bloqueios de novas chamadas
por thresholds, sendo apoiado pelo módulo de diagnóstico da rede, que é atualizado toda vez
que uma nova chamada entra na rede. Os valores de thresholds foram estabelecidos
empiricamente de maneira a tentar manter um equilíbrio entre o bom desempenho da rede e o
número máximo de aplicações aceitas, através de análise dos resultados das simulações.
[Duarte-Figueiredo, 2004] tem uma proposta semelhante para redes GPRS, com valores
diferentes. Os valores de thresholds do CAC-RD são estáticos, garantindo níveis de QoS
oferecidos pelas operadoras por classe de tráfego. No entanto, uma discussão maior poderia ser
desenvolvida a fim de se obter valores dinâmicos para thresholds, de acordo com a utilização da
rede e entrada de aplicações distintas com thresholds diferenciados, a cada momento, na rede.
A Figura 4.2 mostra a seqüência das atividades tomadas por cada ator da rede (usuário que
requisita uma nova chamada, CAC-RD, reserva de canais e diagnóstico da rede) a partir do
momento que uma nova chamada foi requisitada na rede. É responsabilidade da reserva de
canais calcular o percentual de canais a serem reservados para usuários de handover. O CAC-
RD possui 3 etapas basicamente. A primeira etapa é bloquear chamadas de acordo com o
percentual de utilização da rede no momento da requisição da chamada. Se a requisição de
chamada passar por essa etapa, segue para a análise de canais disponíveis. Se a chamada ainda
não for bloqueada, verifica disponibilidade de enlaces de uplink e downlink. Sempre que uma
chamada é aceita ou bloqueada, o diagnóstico da rede contabiliza esses dados por classe e por
handover ou não. Para chamada de handover, a distribuição de canais é a primeira etapa do
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
41
CAC-RD, uma vez que o bloqueio de classes de acordo com a prioridade é acionado apenas
para novas chamadas.
Figura 4.2: Diagrama de atividades do CAC-RD.
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
42
Algorithm 1 Algoritmo de Reservas para Soft Handover baseado em Probabilidades
// A cada 3 segundos faça
//
)(
21
)(
.
2
)()(
old
h
new
h
b
CBPfHFPf
b
+
=
percent_blocked_handover = 100 * droppedCallsHandover / num_total_ue ;
percent_blocked = 100 * num_total_ue_block / num_total_ue ;
bh = bh * (HFP(percent_blocked_handover) + CBP(percent_blocked)) / 2 ;
// 7,003,0
)(
≤≤
new
h
b
if (bh < 0.03) bh = 0.03 ;
else if (bh > 0,7) bh = 0.7;
function HFP(percent_blocked_handover)
// se HFP=0, retorne zero
if percent_blocked_handover = 0 then
return 0 ;
else
// senão, retorne
()
1log.
1
11
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
β
HFP
mHFPf
; sendo = -0.02 e
1
m
1
β
= 0.01
return (-0,02 * log10 (percent_blocked_handover / B1) + 1) ;
end if
end function
function
CBP(percent_blocked)
if
CBP = 0 then
return 0;
else
// senão, retorne
()
1log.
2
22
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
β
CBP
mCBPf
; sendo = 0.08 e
2
m
2
β
= 0.1
return (0,08 * log10 (percent_blocked / B2) + 1) ;
end if
end function
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
43
Algorithm 2 Algoritmo de Distribuição de Canais
function Set_OVSF (SF, User, Percentage - , sho)
h
b
// Faça a distribuição dos códigos SF pelos códigos SF disponíveis sem verificar reserva de
SHO
Set_OVSF_codes_available();
// se SF for 0 e for uma chamada de soft handover
if SF = 0 then
if
User = SHO then
// Faça a distribuição dos códigos SF pelos códigos reservados para SHO
Initial_sf_sho (SF, Percentage - );
h
b
Set_OVSF_SHO(SF, User, Percentage - );
h
b
end if
return 0 ;
end if
return SF ;
end function
function
Initial_sf_sho (SF, Percentage - )
h
b
// calcula SF_4_sho a ser reservado para SHO baseado em
h
b
SF_4_sho = bh * 4 – (SF_4_sho – SF_4_sho_available) ;
//se SF_4_sho = 0 e SF_4_codes_available > 0
if (SF_4_sho = 0) and (SF_4_codes_available > 0) then
SF_4_sho = 2 ;
end if;
SF_4_codes_available = SF_4_codes_available – SF_4_sho ;
// calcula SF_8_sho a ser reservado para SHO baseado em
h
b
SF_8_sho = bh * 8 – (SF_8_sho – SF_8_sho_available) ;
//se SF_8_sho = 0 e SF_8_codes_available > 0
if (SF_8_sho = 0) and (SF_8_codes_available > 0) then
SF_8_sho = 2 ;
end if;
SF_8_codes_available = SF_8_codes_available – SF_8_sho ;
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
44
//se SF_16_sho = 0 e SF_16_codes_available > 0
if (SF_16_sho = 0) and (SF_16_codes_available > 0) then
SF_16_sho = 2 ;
end if;
SF_16_codes_available = SF_16_codes_available – SF_16_sho ;
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
45
if (SF = 64) and (SF_64_sho_available > 0)
setSF (User, 64);
SF_64_sho_available = SF_64_sho_available – 1 ;
end if
if (SF = 32) and (SF_32_sho_available > 0)
setSF (User, 32);
SF_32_sho_available = SF_32_sho_available – 1 ;
end if
if (SF = 16) and (SF_16_sho_available > 0)
setSF (User, 16);
SF_16_sho_available = SF_16_sho_available – 1 ;
end if
if (SF = 8) and (SF_8_sho_available > 0)
setSF (User, 8);
SF_8_sho_available = SF_8_sho_available – 1 ;
end if
if (SF = 4) and (SF_128_sho_available > 4)
setSF (User, 4);
SF_4_sho_available = SF_4_sho_available – 1 ;
end if
return SF;
end function
CAPÍTULO 4. CONTROLE DE ADMISSÃO CAC-RD
46
Algorithm 3 Algoritmo de Bloqueios de Novas Chamadas por thresholds
// Se a utilização da ERB estiver entre 40% a 50%
if percentage_ERB >= 0,40 and percentage_ERB < 0,50 then
// bloqueia chamadas da classe background
if (classe = background) then
callBlocked(User, ERB);
return false;
end if
else
// Se a utilização da ERB estiver entre 50% a 65%
if percentage_ERB >= 0,50 and percentage_ERB < 0,65 then
// bloqueia chamadas da classe background e interactive
if (classe = background) or (classe = interactive) then
callBlocked(User, ERB);
return false;
end if
else
// Se a utilização da ERB estiver entre 65% a 75%
if percentage_ERB >= 0,65 and percentage_ERB < 0,75 then
// bloqueia chamadas da classe background, interactive e streaming
if (classe != conversational) then
callBlocked(User, ERB);
return false;
end if
else
// Se a utilização da ERB estiver superior a 75% bloqueia todas novas chamadas
if percentage_ERB >= 0,75 then
callBlocked(User, ERB);
return false;
else
// aceita todas as chamadas, utilização da ERB inferior a 40%
return true;
end if
end if
end if
end if
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
47
4
Capítulo 5
Simulações e Resultados
5.1 Introdução
Neste capítulo, são apresentados o modelo de simulação e os cenários simulados, assim
como resultados das simulações sem e com o mecanismo de controle de admissão proposto.
Para os dois tipos de simulações, foi feita uma análise e uma comparação do desempenho e da
utilização do sistema.
A versão ns2-1b9a do simulador ns-2 [NS2, 2004] foi utilizada no trabalho, para realização
das simulações. Para a rede UMTS, foi adotado o simulador E-UMTS descrito em [Antoniou et
al., 2004]. Para o CAC-RD, foram desenvolvidos algoritmos dos módulos do controle de
admissão de chamadas baseado em técnicas de reserva de canais e diagnóstico da rede, o CAC-
RD. Os algoritmos foram implementados em linguagem C++ e scripts OTCL (linguagem de
script Tool Command Language com extensão orientada a objeto), acoplados ao simulador E-
UMTS do ns-2.
5.2 Parâmetros e Alterações no Simulador E-UMTS
O simulador E-UMTS foi utilizado neste trabalho para avaliação do CAC-RD proposto.
Algoritmos foram implementados e aclopados ao mesmo. Também foram feitas várias
modificações no simulador E-UMTS, de acordo com a proposta de funcionamento do CAC-RD.
Alguns dos parâmetros e resultados de [Antoniou, 2004] foram utilizados neste trabalho, como
referência. Dentre os possíveis cenários do simulador (escritório, centro de negócios e urbano),
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
48
o urbano foi escolhido para realização das simulações do CAC-RD, por representar o maior e
mais abrangente cenário na rede 3G.
A Tabela 5.1 apresenta os principais parâmetros de definição do cenário urbano de acordo
com estudos do projeto SEACORN [SEACORN, 2004]. Os parâmetros de modelo de
propagação de rádio e mobilidade, probabilidade do usuário para ser ativo e ambiente de
operação foram os mesmos utilizados por [Antoniou, 2004]. O modelo Hata é utilizado no
trabalho como modelo de propagação de rádio. A probabilidade do usuário da rede para ser
ativo é baseada no registro de tentativas de chamadas da central telefônica do projeto
SEACORN. Devido ao cenário urbano, o ambiente de operação utilizado é o Outdoor. Pelo
tamanho da célula (ambiente macro-celular), o modelo Gauss-Markov é adotado como modelo
de mobilidade, gerando movimentação dinâmica dos nós na rede. A velocidade da mobilidade
dos usuários no modelo Gauss-Markov é de 50 km/h, equivalente a 13,89 m/s, ou aleatória. A
topologia utilizada contém três células, devido a limites de recursos computacionais. Cada
célula é composta por antenas tri-setoriais, com ângulos de 120º graus cada uma, permitindo
alcançar um melhor sinal no cenário urbano. Sendo assim, temos, conseqüentemente, nove
setores em três células. A distância entre as ERBs é de 800 metros, valor esse encontrado por
[Antoniou, 2004] para melhor cobertura no cenário urbano. O modelo de tráfego foi escolhido
segundo estudos do projeto SEACORN. Sendo assim, o tráfego é dividido em 42% de
aplicações da classe conversational, 16% de aplicações da classe streaming, 18,5% de
aplicações da classe interactive
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
49
Background
10000 ms
10000 ms
144 k
......
......
Interface Uu
Setup-Iub
Uplink Bandwith: 622 Mbit
Downlink Bandwith: 622
Mbit
Uplink Link Delay: 0,2 ms
Downlink Link Delay:0,2 ms
Buffer Type: DropTail
(FIFO)
Buffer Length: 500
RNC
ERB
(0)
ERB
(1)
ERB
(n)
SGSN
GGSN
Duplex-Link
Bandwith: 622 Mbit
Link Delay: 0,4 ms
Buffer Type: DropTail
(FIFO)
Buffer Length: 1500
Duplex-Link
Bandwith: 622 Mbit
Link Delay: 10 ms
Buffer Type: DropTail
(FIFO)
Buffer Length: 500
Duplex-Link
Bandwith: 622 Mbit
Link Delay: 15 ms
Buffer Type: DropTail
(FIFO)
Buffer Length: 500
UE
(0)
UE
(1)
UE
(n)
NULL NULL
NULL
Nó 1
UDP
Exponential
Conversational
1400 ms
1700 ms
12 k
Nó 2
UDP
Exponential
Streaming
10000 ms
10000 ms
768
k
Nó 3
UDP
Pareto
Nó 4
UDP
Exponential
Duplex-Link
Bandwith: 100 Mbit
Link Delay: 35 ms
Buffer Type: DropTail
(FIFO)
Buffer Length: 1000
Interactive
10000 ms
13000 ms
384 k
Aplicação
Agente Enlace
Nó
Rotea-
dor
Figura 5.1: Modelagem do cenário urbano no ns-2.
A Figura 5.1 ilustra a modelagem do cenário urbano no simulador ns-2 para o CAC-RD
[Antoniou, 2004]. Para transporte de tráfego fim-a-fim na rede E-UMTS, vários nós e enlaces
são criados. Cada nó na modelagem representa um componente da rede E-UMTS. Esses nós são
UE, ERB, RNC, SGSN, GGSN, roteador e nós externos da rede. Estes quatro nós externos
representam a geração de tráfego na rede, sendo eles conversational, streaming, interactive e
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
50
background. Os UE são os receptores de tráfego, variando de acordo com o número de usuários
na simulação. Para ligação do UE a ERB é utilizado um enlace representado pela interface Uu.
As aplicações utilizadas originalmente pelo projeto SEACORN são: voz, multimídia,
serviços de banda estreita e serviços de banda larga. Estas aplicações foram mapeadas para as
quatro classes de QoS definidas pelo 3GPP [3GPP, 2006e]. Sendo assim, os serviços de voz do
E-UMTS foram mapeados para a classe conversational, os serviços de multimídia para a classe
streaming, os serviços de banda estreita (narrowband) para a classe interactive e os serviços de
banda larga (wideband) para a classe background, seguindo essa ordem de prioridade. Os três
primeiros serviços são considerados serviços de tempo real e o último como serviço de tempo
não real. Respectivamente, foram mapeados com as taxas de 12 kbps, 768 kbps, 384 kbps e 144
bkps, diferentemente das taxas usadas por [Antoniou, 2004], que eram 12 kbps, 144 kbps, 384
bkps e 768 kbps. Esta diferença se deve a uma adequação de taxas por classe de serviço,
baseada em [3GPP, 2006e].
Os valores adotados de bloqueios por thresholds para testes de simulação, neste trabalho,
são: até 40% de utilização, aceita todas as chamadas. Entre 40% e 50%, são bloqueadas novas
chamadas menos prioritárias, de classe background. Entre 50% e 65%, são bloqueadas novas
chamadas das classes background e interactive. Entre 65% e 75%, são bloqueadas novas
chamadas das classes background, interactive e streaming. A partir de 75%, são bloqueadas
todas as novas chamadas, tentando preservar acordos de níveis de serviço para as chamadas em
andamento.
Para análise e avaliação dos resultados, as simulações foram repetidas 33 vezes, no cenário
urbano com tempo de funcionamento da rede de 600 segundos, demorando em média 19 horas
para término de cada simulação. A carga de tráfego sobre a rede foi variada a cada simulação
executada, através da variação de número de usuários ativos. Foram executadas simulações para
800, 900, 1000 e 1100 usuários na rede. Por limitação computacional, só foi possível executar
até 1100 usuários.
5.3 Resultados de Simulação
Para o cenário urbano, descrito acima, foram realizados dois tipos de simulações com e sem
o CAC-RD: (I) simulações para avaliação de níveis de desempenho da rede e (II) simulações
para avaliação de taxa de bloqueios na rede. Na primeira simulação, foram avaliadas as medidas
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
51
de desempenho atraso, variação de atraso e vazão. Em todas as simulações, não houve perda de
pacotes, por isso esse resultado não é apresentado. Na segunda simulação, foi avaliado o
número de bloqueios por classes e handovers.
5.3.1 Avaliação do Desempenho da Rede
Para efeitos de melhor compreensão dos gráficos, o CAC de [Antoniou, 2004] será
chamado, daqui para frente de CAC-J. O CAC-J pode ser considerado um mecanismo padrão de
operadoras de telefonia celular, que fazem admissão unicamente por controle de potência. Os
resultados mostram o desempenho da rede, medido por atraso, variação de atraso e vazão, com
variação do número de usuários com o CAC-J e com o CAC-RD.
Figura 5.2: Atraso no cenário urbano
com 800 usuários.
Figura 5.3: Atraso no cenário urbano
com 900 usuários.
Figura 5.4: Atraso no cenário urbano
com 1000 usuários.
Figura 5.5: Atraso no cenário urbano
com 1100 usuários.
T
empo (s)
Atraso médio (s)
T
empo (s)
T
empo (s)
T
empo (s)
Atraso médio (s)
Atraso médio (s)
Atraso médio (s)
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
52
Em [Antoniou, 2004], não foram abordados aspectos de desempenho da rede, pois o
objetivo era encontrar a melhor cobertura e capacidade da rede. O primeiro objetivo das
simulações foi comparar o desempenho entre a rede com CAC-J e a rede com CAC-RD. De
uma maneira geral, os resultados mostram que o CAC-RD é mais eficaz que o CAC-J no
atendimento de requisitos de QoS. Atraso, variação de atraso e vazão foram os parâmetros
analisados nas quatro simulações citadas: 800, 900, 1000 e 1100 usuários.
Como ilustram os gráficos das Figuras 5.2 até 5.5, o atraso médio foi menor nas simulações
que usam CAC-RD que naquelas com o CAC-J. Os gráficos mostram o atraso na rede para a
execução com o CAC-J e para a execução com o CAC-RD. Para o cenário urbano com 800
usuários, como pode ser visto no gráfico da Figura 5.2, apesar do atraso do CAC-RD ter sido
um pouco maior até os 345 segundos de simulação, após esse tempo, há uma queda, indicando
certa equivalência entre atrasos com CAC-J e com CAC-RD, nesta simulação. O maior atraso
do CAC-J é de 4,8 segundos, enquanto o maior atraso do CAC-RD é de 4,6 segundos durante a
simulação com 800 usuários, diferença de 4% entre os dois modelos.
O gráfico da Figura 5.3 ilustra o atraso na rede durante a simulação do cenário urbano com
900 usuários na rede. Na maior parte do tempo, o CAC-RD apresentou menor atraso do que o
CAC-J. Porém, a diferença de tempo entre os dois modelos foi pequena. Entre 300 e 500
segundos há uma diferença notável no atraso do CAC-RD em comparação ao CAC-J.
No gráfico da Figura 5.4 observa-se que o atraso do CAC-RD se manteve bem inferior ao
do CAC-J desde o início da simulação, para o cenário urbano com 1000 usuários na rede. A
diferença representada pelas duas curvas foi de praticamente de 0,7 segundos após os 100
segundos de simulação. O maior atraso do CAC-J é em torno de 5 segundos, enquanto o maior
atraso do CAC-RD na simulação é de 4,1 segundos, diferença de 18% no final da simulação
entre os dois modelos de controle de admissão de chamadas.
O gráfico da Figura 5.5 mostra a diferença de atraso entre o CAC-RD e CAC-J no cenário
urbano com 1100 usuários na rede. Como se pode observar, o CAC-RD apresenta melhor
resultado desde o início da simulação. A diferença foi grande após os 100 segundos de
simulação, assim como na Figura 5.4 do cenário com 1000 usuários. A diferença representada
pelas duas curvas é de praticamente de 1,4 segundos após os 100 segundos de simulação. O
maior atraso do CAC-J é em torno de 5,1 segundos, enquanto o maior atraso do CAC-RD na
simulação é de 3,7 segundos, diferença de 27% no final da simulação. Pelos resultados das
simulações, observa-se que o CAC-RD melhora os níveis de atraso em relação ao CAC-J
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
53
quando o número de usuários cresce na rede, uma vez que há mais disputa por recursos e os
bloqueios por thresholds passam a ficar mais importantes.
a
Figura 5.6: Variação do atraso no
cenário urbano com 800 usuários.
Figura 5.7: Variação do atraso no
cenário urbano com 900 usuários.
Figura 5.8: Variação do atraso no
cenário urbano com 1000 usuários.
Figura 5.9: Variação do atraso no
cenário urbano com 1100 usuários.
T
empo (s)
Variação do atraso médio (s)
T
empo (s)
T
empo (s)
T
empo (s)
Variação do atraso médio (s)
Variação do atraso médio (s)
Variação do atraso médio (s)
Pelos resultados dos gráficos das Figuras 5.6 até 5.9, a variação do atraso médio foi menor
nas simulações que usam CAC-RD que naquelas com o CAC-J. Um fato interessante é que, a
curva dos resultados apresenta uma grande variância no começo. Isso se deve ao fato da entrada
das aplicações nos primeiros instantes da simulação, sendo considerado o tempo de
aquecimento do sistema ou aquecimento do regime de operação. Para análise dos resultados,
esse tempo deve ser desconsiderado. Ainda, como a variação do atraso é uma medida crítica
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
54
para redes UMTS, os valores da variação do atraso permaneceram muito próximos de zero,
como esperado.
Para o cenário com 800 usuários na rede, o CAC-RD apresentou menor variação do atraso a
partir dos 115 segundos de simulação, sendo esse tempo o regime de operação, como mostra o
gráfico da Figura 5.6. No início, o CAC-RD obteve uma variação do atraso equivalente ao do
CAC-J. Porém, após 115 segundos, essa variação do atraso cai consideravelmente se comparado
com o CAC-J.
Com 900 usuários na rede, o CAC-RD também apresentou melhores resultados para
variação do atraso em relação ao CAC-J, como mostra o gráfico da Figura 5.7. Pelo gráfico,
observa-se que após os 200 segundos de simulação a variação do CAC-RD foi menor.
O gráfico da Figura 5.8 apresenta a variação do atraso médio dos pacotes no cenário urbano
com 1000 usuários na rede. O CAC-RD teve menos variação do que o CAC-J até os 300
segundos de simulação. Após esse tempo, a variação do CAC-J diminui e a do CAC-RD se
manteve constante. Porém, no intervalo de 100 a 300 segundos o CAC-RD obteve melhor
desempenho.
No cenário urbano com 1100 usuários na rede, ilustrado pelo gráfico da Figura 5.9, a
variação do atraso do CAC-RD foi bem menor do que a variação do atraso do CAC-J, durante
todo o tempo de simulação. Após os 100 segundos de simulação, o CAC-J se manteve constante
enquanto o CAC-RD obteve quedas na variação do atraso. Assim como o melhoramento do
atraso na rede, o CAC-RD melhora os níveis de variação do atraso médio em relação ao CAC-J
quando o número de usuários cresce na rede, devido a maior disputa por recursos e utilização de
bloqueios por thresholds. Como baixa variação de atraso é um requisito de QoS para aplicações
multimídia, o CAC-RD mostra-se eficaz para redes de terceira geração UMTS.
Nas próximas simulações, a vazão na rede é comparada entre os dois modelos de controle de
admissão. Nas simulações para 800 usuários na rede, ilustrado pelo gráfico da Figura 5.10, a
vazão do CAC-RD mostrou-se maior do que a do CAC-J, sendo equivalente apenas no começo.
É notável que, a diferença do CAC-RD para o CAC-J é em torno de 100 kbps praticamente
durante toda a simulação. Ainda, o CAC-J alcançou a taxa máxima de vazão em torno de 2080
kbps, enquanto o CAC-RD atingiu 2200 kbps, diferença de 5% entre os dois modelos. Com o
CAC-RD foi possível uma maior vazão na rede, pois existe um aumento no número de
chamadas aceitas como será apresentado na seção 5.3.2. A queda nas curvas representadas pelos
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
55
dois modelos, se deve principalmente ao número de handovers bloqueados na rede, diminuindo
assim a taxa de vazão.
Figura 5.10: Vazão no cenário urbano
com 800 usuários.
Figura 5.11: Vazão no cenário urbano
com 900 usuários.
Figura 5.12: Vazão no cenário urbano
com 1000 usuários.
Figura 5.13: Vazão no cenário urbano
com 1100 usuários.
Tempo (s)
Vazão (bps)
T
empo (s)
T
empo (s)
Tempo (s)
Vazão (bps)
Vazão (bps)
Vazão (bps)
A Figura 5.11 mostra a vazão na rede durante a simulação do cenário urbano com 900
usuários na rede. A partir de 100 segundos, a vazão do CAC-RD foi superior a do CAC-J até o
restante da simulação. O CAC-J teve maior vazão até os 100 segundos de simulação, porém
caiu consideravelmente. Outro fato é que, o CAC-RD se manteve mais constante, uma vez que
o CAC-J representou maior queda na sua vazão. Observa-se que, a diferença do CAC-RD para o
CAC-J é de 29%, em torno de 400 kbps, praticamente durante toda a simulação.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
56
A Figura 5.12 demonstra a vazão na rede com 1000 usuários durante a simulação. Em todo
o tempo, o CAC-RD obteve melhor vazão de dados, obtendo melhor desempenho. Observa-se
que, a diferença do CAC-RD para o CAC-J é em torno de 400 kbps praticamente durante toda a
simulação, assim como no cenário de 900 usuários na rede. A maior vazão alcançada pelo
CAC-RD é de 2800 kbps, enquanto a do CAC-J é em torno de 2450 kbps. A diferença média
entre os dois modelos é de 17%.
A melhor vazão no cenário urbano com 1100 usuários foi a do CAC-RD, como ilustra a
diferença entre as duas simulações pelo gráfico da Figura 5.13. Durante todo o tempo de
simulação, o CAC-RD atingiu maiores taxas de vazão do que o CAC-J. A diferença entre os
dois modelos é em torno de 200 kbps em quase toda a simulação. A maior vazão alcançada pelo
CAC-RD é em torno de 2900 kbps, enquanto a do CAC-J é em torno de 2450 kbps. Pelos
resultados, observa-se uma diferença média entre os dois modelos de 12%.
5.3.2 Avaliação de Taxas de Bloqueios de Handovers e Novas
Chamadas
Um problema clássico de controle de mobilidade e QoS em redes sem fio é a garantia de
acesso à rede, principalmente para aplicações já iniciadas, em processos de handover. Um dos
principais objetivos do CAC-RD é reduzir bloqueios de handovers e de novas aplicações
prioritárias, conforme foi explicado no Capítulo 4. Os gráficos de resultados mostrados a seguir
indicam que este objetivo foi alcançado, através de simulações realizadas com 800, 900, 1000 e
1100 usuários na rede.
Probabilidade de bloqueios de
handovers
na
rede
36
41
24
6
28
31
12
15
0
10
20
30
40
50
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Probabilidade de
bloqueios (%)
CA C- J
CA C- RD
Figura 5.14: Probabilidade de bloqueios de handovers no cenário urbano.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
57
A probabilidade de bloqueios de chamadas de handovers pelo número de usuários na rede é
representada pelo gráfico da Figura 5.14. Uma vez que o número de handovers variou bastante
de uma simulação para outra, devido ao modelo de mobilidade e à variação do número de
movimentos dos usuários entre as simulações, o resultado apresentado é dado em percentual de
bloqueios. O CAC-RD foi melhor que o CAC-J nas simulações realizadas. Observa-se também,
com 900 usuários a probabilidade de bloqueios foi menor do que com 800 usuários, tanto para o
CAC-RD quanto para o CAC-J. Sendo assim, conclui-se que esse valor estaria no intervalo do
número ideal de usuários para o cenário urbano com três células. Em média, houve uma redução
de 40% do número de bloqueios de handovers do algoritmo do CAC-RD em relação ao CAC-J.
Este resultado se deve ao esquema de reserva de recursos implementado pelo CAC-RD.
Bloqueios da Classe Conversational
49
55
51
43
4846
3637
0
20
40
60
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Número de bloqueios
CA C-J
CA C-RD
Figura 5.15: Bloqueios da classe conversational no cenário urbano.
Para avaliação de taxas de bloqueios de novas chamadas, os resultados dos gráficos são
dados pelo número de bloqueios por classes pelo número de usuários na rede. Como mostra o
gráfico da Figura 5.15, o CAC-RD obteve menos bloqueios de chamadas da classe
conversational do que com o CAC-J. Com 900 e 1000 usuários na rede, a diferença é
considerável. O CAC-RD obteve um ganho de 14%, 29% e 16% para 800, 900, 1000 usuários
na rede respectivamente. Com 1100 usuários o bloqueio caiu para 2%. Esse aumento no número
de bloqueios com 1100 usuários pode ser explicado pelo fato do aumento do número de
usuários na rede e esgotamento dos recursos disponíveis nas ERBs. Em média, houve uma
redução de 15% de bloqueios da classe conversational com a utilização do CAC-RD.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
58
Bloqueios da Classe Streaming
7
9
4
43
3
7
6
0
2
4
6
8
10
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Número de bloqueios
CA C-J
CA C-RD
Figura 5.16: Bloqueios da classe streaming no cenário urbano.
A Figura 5.16 mostra o número de bloqueios da classe streaming, nas simulações. Fato
interessante é que, mesmo com o CAC-RD, aplicações da classe streaming tiveram mais
bloqueios do que o CAC-J. Isso se deve ao fato que aplicações da classe streaming exigem uma
taxa maior na rede, e como o CAC-RD prioriza primeiramente aplicações da classe
conversational e handovers, houve uma pequena queda na aceitação destas aplicações. Uma
possível solução seria alterar os valores de thresholds adotados no CAC-RD com o intuito de
encontrar valores que suportem uma maior aceitação desta aplicação, dependendo da aplicação
de QoS de cada operadora.
Bloqueios da Classe
Interactive
8
2
5
4
7
4
5
2
0
2
4
6
8
10
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Número de bloqueios
CA C-J
CA C-RD
Figura 5.17: Bloqueios da classe interactive no cenário urbano.
Os bloqueios da classe interactive são ilustrados pelo gráfico da Figura 5.17. Para atender às
classes prioritárias, esperava-se que o CAC-RD tivesse maiores bloqueios dessa classe do que o
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
59
CAC-J. No entanto, com 800 usuários na rede, o bloqueio de chamadas interactive foi igual
entre os dois modelos. Com 900 usuários e 1100 usuários, o CAC-RD teve menos bloqueios do
que o CAC-J, demonstrando uma equivalência para esta classe. Apenas para 1000 usuários, o
CAC-RD obteve maior bloqueio do que o CAC-J, o que era esperado devido à prioridade da
classe interactive na rede UMTS.
Bloqueios da Classe
Background
10
5
3
7
3
10
5
10
0
2
4
6
8
10
12
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Número de bloqueios
CA C- J
CA C- RD
Figura 5.18: Bloqueios da classe background no cenário urbano.
O gráfico da Figura 5.18 ilustra o número de bloqueios da classe background. Assim como a
classe interactive, era esperado um aumento do número de bloqueios de chamadas da classe
background, por ser de mais baixa prioridade no controle de admissão de chamadas, que
prioriza classes prioritárias. No entanto, os dois modelos de controle de admissão obtiveram
resultados idênticos, exceto com 1100 usuários em que o CAC-RD obteve mais bloqueios.
Total de bloqueios na rede
71
73
65
51
74
68
51
45
0
20
40
60
80
800 900 1000 1100
Total de usuários na rede
Número de bloqueios
CA C-J
CA C-RD
Figura 5.19: Total de bloqueios no cenário urbano.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
60
O número total de bloqueios na rede do cenário urbano é apresentado pelo gráfico da Figura
5.19. A curva apresentada é bem semelhante ao da Figura 5.15, pois, na simulação, a maioria
das aplicações é da classe conversational. Conclui-se que, o CAC-RD, foi superior ao CAC-J,
obtendo um menor número total de bloqueios. Apenas com 1100 usuários, o CAC-J resultou em
menos bloqueios, porém esse fato se deve principalmente no aumento de bloqueios da classe
background apresentado pelo CAC-RD com 1100 usuários. O CAC-RD obteve um ganho de
12%, 22% e 7% para 800, 900 e 1000 usuários na rede, respectivamente, em relação à redução
do número de bloqueios de todas as novas chamadas na rede.
5.4 Validação Estatística
Para validar os dados obtidos pelas simulações do CAC-RD, foi feita uma análise estatística
para um intervalo de 98% de confiança. Na amostra de 10 simulações, calculou-se a média, o
desvio padrão e a variância para novas chamadas aceitas e bloqueadas e handovers aceitos e
bloqueados, mostrados na Tabela 5.2. O intervalo da média populacional com 98% de confiança
foi calculado com o desvio padrão populacional desconhecido.
Novas Chamadas (%) Handovers (%)
Aceitas
Bloqueadas
Aceitos
Bloqueados
1 76,9231 14,7929 23,0769 14,7929 82,1429 5,4192 17,8571 2,4418
2 69,2308 14,7928 30,7692 14,7928 79,6992 0,0134 20,3008 0,7763
3 72,3077 0,5917 27,6923 0,5917 85,6436 33,9727 14,3564 25,6373
4 72,3077 0,5917 27,6923 0,5917 73,0290 46,0497 19,3182 0,0103
5 69,2308 14,7928 30,7692 14,7928 83,2402 11,7321 16,7598 7,0752
6 76,9231 14,7929 23,0769 14,7929 82,7411 8,5621 17,2589 4,6692
7 67,6923 28,9943 32,3077 28,9943 76,8116 9,0204 23,1884 14,2029
8 76,9231 14,7929 23,0769 14,7929 74,4828 28,4323 25,5172 37,1791
9 73,8462 0,5918 26,1538 0,5918 80,8140 0,9980 19,1860 0,0546
10 75,3846 5,3253 24,6154 5,3253 79,5455 0,0726 20,4545 1,0707
Média
73,0769 26,9231 79,8150 19,4197
Desvio
3,3175 3,3175 3,7983 3,0515
Variância
11,0059 11,0059 14,4272
9,3118
xx
i
− xx
i
−
xx
i
−
xx
i
−
Tabela 5.2: Média, desvio padrão e variância para chamadas aceitas e bloqueadas.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
61
Os resultados estatísticos obtidos para novas chamadas se encontram na Tabela 5.3. Pode-se
verificar que os resultados mostrados alcançaram 98% de confiança. Ou seja, o percentual
médio de aceitação de novas chamadas foi estimado no intervalo de 70,12% a 76,04% e a média
encontrada nas simulações foi de 73,08%. O percentual médio de bloqueios de novas chamadas
foi estimado no intervalo de 23,96% a 29,88%, sendo 26,92% a média de novas chamadas
bloqueadas alcançada nas simulações.
Intervalo de 98% de
confiança para novas
chamadas aceitas
Intervalo de 98% de
confiança para novas
chamadas bloqueadas
70,1175 < μ < 76,0364 23,9636 < μ < 29,8825
μ = 73,0769 μ = 26,9231
Tabela 5.3: Intervalo de 98% de confiança para novas chamadas.
Com base nos resultados obtidos, mostrados na Tabela 5.4, o percentual médio de
handovers aceitos foi estimado no intervalo de 76,43% a 83,20%. Nas simulações, a média de
handovers aceitos foi de 79,81%, valor esse encontrado entre o intervalo esperado. Para
bloqueios de handovers, a média encontrada nas simulações foi de 19,42%, sendo o percentual
médio de bloqueios de handovers entre 16,70% a 22,14%.
Intervalo de 98% de
confiança para handovers
aceitos
Intervalo de 98% de
confiança para handovers
bloqueados
76,4266 < μ < 83,2034 16,6975 < μ < 22,1419
μ = 79,8150 μ = 19,4197
Tabela 5.4: Intervalo de 98% de confiança para chamadas de handover.
O percentual médio de bloqueios de handovers foi menor que o intervalo do percentual
médio de bloqueios de novas chamadas, estando entre 16,69% a 22,14% para handovers, contra
23,96% a 29,88% para novas chamadas. O percentual de handover aceitos foi superior ao
percentual aceito de novas chamadas e o bloqueio de chamadas de handover foi menor que para
novas chamadas. Sendo assim, conclui-se que o objetivo proposto pelo CAC-RD foi
definitivamente atingido.
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
62
5.5 Conclusões
Através dos resultados, comprovou-se que com a utilização do CAC-RD, o desempenho e
número de bloqueios de novas chamadas e handovers foram melhorados, garantindo níveis de
QoS satisfatórios. Em média, houve um ganho de 12% no desempenho de atraso médio e de
15% no ganho de vazão de dados na rede, em relação ao CAC-J. Para bloqueios de handovers e
novas chamadas, o CAC-RD obteve um ganho médio de 40% e 11% respectivamente, se
comparado com o CAC-J.
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
63
Capítulo 6
Conclusões
A principal contribuição deste trabalho foi a proposta de um mecanismo de controle de
admissão para redes UMTS, o CAC-RD. O CAC-RD se baseia em técnicas de reserva de
recursos para handovers e diagnóstico da rede. Ele se apóia nos conceitos de QoS para redes de
terceira geração, procurando encontrar um equilíbrio entre garantia de acesso e garantia de
desempenho na rede, o que é um desafio na área de redes. Um dos objetivos do CAC-RD foi
diminuir o número de bloqueios de handovers e novas chamadas na rede, principalmente da
classe conversational. Outro objetivo foi o de manter o desempenho da rede em níveis
aceitáveis, admitindo-se o maior número possível de chamadas.
O módulo de reserva de recursos para handovers calcula o número de canais reservados
dinamicamente, de acordo com os níveis de utilização da rede e de probabilidades de bloqueios
e mobilidade do usuário. Sua implementação seguiu modelos matemáticos de [Lindemann et al.,
2003].
O módulo de diagnóstico da rede verifica a largura de banda disponível em uma ERB,
realizando a medição do nível de utilização dos recursos de uma célula, e a repassa para o CAC-
RD, para tomada de decisão quando chega um novo pedido de chamada. O CAC-RD bloqueia
novas chamadas quando a utilização da rede atinge determinados thresholds, que foram
calculados empiricamente de acordo com as taxas exigidas pelas aplicações. Estes thresholds,
na prática, podem variar de acordo com políticas de QoS das operadoras.
O simulador E-UMTS [Antoniou, 2004] foi utilizado nas simulações de avaliação do CAC-
RD. Novos algoritmos foram implementados, como mostrado no capítulo 4, e são incorporados
ao mesmo através da ferramenta ns-2. No modelo de tráfego de testes do CAC-RD, foram
utilizadas as aplicações da classe conversational, streaming, interactive e background, para
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES
64
usuários móveis. Para o cenário das simulações, o ambiente urbano foi escolhido, uma vez que é
o maior e mais abrangente ambiente na rede 3G. O mecanismo de controle de admissão
proposto por [Antoniou, 2004] foi totalmente incorporado ao CAC-RD. Nele, é feita uma
estimativa da interferência do sinal para cada célula específica, sendo determinado o SIR.
Comprovou-se que, com a utilização do CAC-RD, os níveis de desempenho da rede foram
melhorados. Em geral, o atraso médio da rede diminuiu em 12%, nas simulações realizadas.
Para o desempenho de vazão na rede, em média, o CAC-RD obteve um ganho na vazão de
dados de 15% em relação ao CAC-J.
Comparando os resultados com e sem o controle de admissão proposto, observa-se uma
queda significativa de bloqueios, com conseqüente aumento do número de chamadas aceitas,
principalmente de classes prioritárias. Chamadas de handovers e da classe conversational foram
as classes mais beneficiadas com o uso do CAC-RD. Em geral, o CAC-RD reduziu bloqueios de
handovers em 40% e bloqueios de novas chamadas em 11%.
Como trabalhos futuros, o CAC-RD pode ser simulado em um ambiente com mais células e
usuários, uma vez que não foi possível neste trabalho, devido ao esgotamento de recursos
computacionais do servidor utilizado para simulações. Para estas expansões, redes neurais serão
utilizadas a fim de preverem o comportamento da rede UMTS. O CAC-RD pode ser aplicado
em outros cenários menores da rede E-UMTS, como por exemplo, ambientes de escritório e
centros de negócios. Do mesmo modo, com adaptações para outras redes, o CAC-RD poderá ser
usado a fim de aumentar o nível de QoS, disponibilidade e desempenho das redes. Poderá ser
extendido para redes de quarta geração, já que as redes mais avançadas devem englobar as redes
anteriores. O módulo de bloqueios de novas chamadas do CAC-RD pode ser adaptado,
adotando-se thresholds dinâmicos em função do número de chegadas de cada classe de tráfego
da rede, com tratamento diferenciado por equipamentos. Para análise de resultados, simulações
com um número fixo de usuários com variação apenas no número de classes de tráfego podem
ser realizadas. Uma outra proposta de trabalhos futuros seria a integração de redes E-UMTS
com Wifi (Wireless Fidelity) e WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
utilizando o CAC-RD como mecanismo controle de admissão de chamadas.
BIBLIOGRAFIA
65
Bibliografia
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