Contribuţii la Calitatea Serviciilor în Comunicaţiile Mobile ...

Universitatea Transilvania din Braov

Facultatea de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor

Contribuii la

Calitatea Serviciilor n Comunicaiile Mobile

Contributions to the

Quality of Services in Mobile Communications

Rezumatul tezei de doctorat PhD thesis summary

Conductor tiinific, Prof.Univ.Dr.Ing. Iuliu SZEKELY, Dr.H.C.

Doctorand, Ing. Dan-Nicolae ROBU

- Braov 2010 -

Contribuii la calitatea serviciilor n comunicaiile mobile

2

Introducere ...............................................................................................................................3 2 Sisteme de comunicaii mobile..........................................................................................5

2.1 GSM .........................................................................................................................5 2.2 GPRS........................................................................................................................6 2.3 E-GPRS (EDGE) ......................................................................................................7 2.4 UMTS.......................................................................................................................7 2.5 HSDPA.....................................................................................................................7 2.6 Evoluia ctre reele IP (all IP Networks)...................................................................8 2.7 CDMA2000 ..............................................................................................................8 2.8 Sistemul WiMAX i alte sisteme bazate pe OFDM ...................................................9 2.9 LTE ..........................................................................................................................9 2.10 ATCA.....................................................................................................................10 2.11 Integrarea platformei experimentale cu....................................................................10 un sistem de testare de la distan........................................................................................10

3 Servere i servicii n comunicaii mobile .........................................................................11 3.1 Servere....................................................................................................................11 3.2 Serviciile.................................................................................................................12 3.3 Servicii multimedia i conceptele de reea ...............................................................12 3.4 Serviciile n telecomunicaii ....................................................................................13 3.5 Managementul reelelor de comunicaii mobile .......................................................13 3.6 Integrarea de servere i servicii pe ATCA ...............................................................15 3.7 Tehnici de programare a serviciilor i integrare business .........................................16

4 Algoritmii QoS n comunicaiile mobile..........................................................................16 4.1 Probleme legate de calitatea serviciilor (QoS) .........................................................17 4.2 Mecanismele pentru asigurarea QoS........................................................................17 4.3 Algoritmi de formare a traficului: Leaky bucket i Token Bucket .....................17 4.4 Servicii difereniate (DiffServ) ................................................................................18 4.5 Servicii integrate (IntServ) ......................................................................................20 4.6 Asynchronous Transfer Mode - ATM......................................................................21 4.7 Multiprotocol Label Switching (MPLS) ..................................................................22 4.8 QoS n reelele de comunicaii mobile .....................................................................23 4.9 Maini algoritmice utilizate n modelare.................................................................24

5 QoS pentru streaming mobil de date................................................................................24 5.1 Calitatea tele-transmisiei de date pentru msurri mobile ........................................24 5.2 Sistem Dublu-Microcontroler cu Tele-Monitorizare prin Modem GSM...................32

6 Optimizarea QoS n comunicaii mobile de date..............................................................34 6.1 Formula propus pentru QoS cu dubl ponderare ....................................................34 6.2 Utilizarea QoS pentru Realocarea Traficului n .......................................................37 Comunicaii Mobile Multi-modale......................................................................................37 6.3 Testarea de laborator a conceptului de handover multimodal...................................40

7 Concluzii finale i contribuii originale la........................................................................42 QoS pentru comunicaii mobile ..............................................................................................42 Bibliografie ............................................................................................................................49


3

Introducere

Comunicaiile mobile au cunoscut o dezvoltare exploziv n ultimii ani, ptrunznd n cele mai diverse domenii i cuprinznd tot mai multe tehnologii. Reelele wireless completeaz i chiar nlocuiesc reelele cablate n multe locuine i birouri. n completarea reelelor wireless vin reelele de telefonie mobil care ofer rate de transfer comparabile cu reelele wireless, dar cu avantajul unei acoperiri mai mari. Avnd n vedere disponibilitatea attor modaliti de transmisii de date, se pune problema posibilitii pstrrii unei conectiviti continue, nentrerupte, att timp ct avem la dispoziie cel puin una din aceste reele. n aceast lucrare am propus cteva modaliti de realizare acestui deziderat.

Lucrarea debuteaz cu prezentarea celor mai importante sisteme de comunicaii mobile, cu accent pe cele celulare GSM, GPRS, UMTS, CDMA2000, WiMAX, LTE (Long Term Evolution). De asemenea este prezentat arhitectura ATCA (Advanced Telecom Computing Architecture). Se accentueaz contribuiile autorului la modernizarea arhitecturii, echipamentelor, interfeelor hardware i software (drivers) pentru adugarea capabilitilor de telemsurare care vor fi valorificate n capitolul 6.

Capitolul 3 prezint servere i servicii specifice pentru comunicaiile mobile. Orientarea spre servicii reprezint o perspectiv modern concretizat n toat lucrarea i ncununat de dezvoltrile din prima partea a capitolului 6. Capitolul 3 include o substanial contribuie a autorului prin integrarea de servicii pe platforma ATCA utiliznd soluii durabile (open-source) pentru GGSN (Gateway GPRS Support Node) i mai ales pentru IMS (OpenIMS) o implementare IP Multimedia Services. Soluiile gsite de autor sunt validate de un studiu de caz de comutaie a fluxurilor multimedia cu evidenierea valorilor specifice QoS. Capitolul se ncheie cu integrarea acestor servere i servicii n reele pentru managementul reelelor, TMN (Telecom Management Networks - standardul TM.3000 al ITU cu accent pe funciile care permit analiza i managementul calitii).

Capitolul 4 prezint QoS n perspectiva folosirii n comunicaiile multimodale. Autorul propune o unificare a parametrilor ce determin QoS pentru diversele moduri ale unor transmisiuni combinate (multimodale). Perspectiva este n continuare axat pe testabilitate n medii emulate/simulate cu accent pe mainile algoritmice de stare (ASM Algorithmic State Machines) care stau la baza modelelor comportamentale (de tip cutie alb white box behavioral models) din telecomunicaii (modele care le completeaz pe cele de tip cutie neagr black box limitate la interfaare). Autorul realizeaz o parametrizare pentru un studiu de caz bi-modal 3G WLAN n contextul unuia din cele mai rspndite medii de simulare: OPNET i detaliaz cele mai importante ASM.

Capitolul 5 este dedicat QoS pentru streaming mobil. Conceptele sunt concretizate ntr-o serie de aplicaii de telemsurare. Autorul detaliaz condiionarea QoS i n general a performantelor de funcionare amnunit a subsistemelor dintr-o reea de comunicaii mobile, cu analiz de protocol, diagrame i caracteristici diverse, interpretate n sensul selectrii celor mai bune soluii.

Capitolul 6 este dedicat optimizrii QoS n comunicaiile mobile de date. Se utilizeaz funcii de timp real, charging i PDC (Performance Data Collection) pentru redimensionarea (realocarea) traficului n comunicaii mobile multimodale. Abordarea este top-down: autorul creeaz un serviciu dedicat bazat pe BPEL, pentru implementarea deciziei multicriteriale privitoare la handover parial pe baza PDC, n vederea managementului bazat pe QoS al comunicaiilor mobile multi-modale, cu accent pe comutaia fluxurilor multi-media n contextul protocoalelor SIP i RTP.


4

n partea a doua a acestui capitol autorul valideaz conceptul de realocare a traficului pe baza QoS ntr-o configuraie OPNET 3G/WLAN. Se propune modelul detaliat al unui terminal mobil bi-modal fiind implementate principalele ASM descrise n capitolul 4. Conceptele sunt testate n laboratoarele firmei Siemens PSE BV ntr-o configuraie GPRS/3G/WLAN. Sunt interpretate datele i observaiile dintr-un scenariu de handover WiFi GPRS (UMTS - 3G) cu implementare MobileIP.

Doresc s mulumesc ndrumtorului meu, profesor doctor inginer Iuliu Szekely, pentru sprijinul i ncurajrile oferite pe tot parcursul elaborrii tezei de doctorat. Sfaturile i comentariile domniei sale au constituit un ajutor preios n realizarea acestei teze.

Domnului profesor doctor inginer Florin Sandu in s i mulumesc n mod special pentru sfaturile i ncurajrile pe care mi le-a acordat pe parcursul elaborrii acestei teze.

De asemenea in s mulumesc firmei i colegilor mei de la Siemens Program and System Engineering SRL pentru sprijinul acordat n realizarea multor pri experimentale ale tezei.

Mulumesc, de asemenea, familiei mele pentru ajutorul i nelegerea de care m-am bucurat pe tot parcursul elaborrii tezei mele.


5

2 Sisteme de comunicaii mobile Acest capitol ofer o privire de ansamblu asupra sistemelor de comunicaii mobile, cu un

accent deosebit pe comunicaiile celulare, evideniind unele caracteristici ale parametrilor de calitate a serviciilor (QoS Quality of Service). Aceste caracteristici vor fi utilizate apoi n capitolul 4.

2.1 GSM

Sistemul GSM este prezentat n special pentru importana pe care nc o are pentru comunicaiile mobile, avnd nc cea mai mare acoperire dintre toate sistemele de comunicaii mobile celulare i, de asemenea, pentru faptul c este baza pe care s-au dezvoltat dou dintre sistemele de comunicaii de date mobile orientate pe pachete: GPRS i EGDE.

Dou dintre caracteristicile sale l fac nepotrivit pentru transmisia de date: Timpul mare de stabilire pentru conexiunile de date, de ordinul zecilor de secunde Rata de transfer mic, de numai 9,6 kbii/s, insuficient pentru majoritatea aplicaiilor.

Dup cum se poate vedea n figura urmtoare, reeaua celular GSM este alctuit din Access Network (reeaua de acces - BTS i BSC, alctuind BSS) i Core Network (MSC, HLR, VLR, EIR i AuC).

Figura 2-1 Arhitectura sistemului GSM

GSM este o reea celular - telefoanele mobile se conecteaz la ea cutnd celule din apropiere. Deoarece tipul de transmisie este unul de tip comutare de circuite, pentru conexiunea de date GSM, caracteristicile de ntrziere i jitter sunt excelente, ns resursele consumate i limea de band oferit, chiar i prin HSCSD, sunt mult prea mici pentru o utilizare realist, singura utilizare putnd fi n transmisiile de date de volum mic (9,6 kbii/s pana la 57,6 kbii/s).

Dei sistemul GSM este de foarte mare succes, el va fi nlocuit treptat cu UMTS sau, chiar n unele cazuri, probabil c sa se va face tranziia direct la tehnologii LTE. De asemenea, se prefigureaz deja i nlocuirea UMTS cu LTE.


6

2.2 GPRS

GPRS este un serviciu care ofer efectiv acces radio pe baz de pachete pentru utilizatori GSM i Time Division Multiple Access (TDMA) deopotriv. Principalele avantaje ale GPRS sunt rezervarea resursele radio numai atunci cnd datele sunt disponibile pentru a le trimite, i reducerea dependenei de circuite comutate a reelelor tradiionale.

n figura 2.2 este prezentat un exemplu de reea GPRS cu interconectare cu reelele fixe de date.

Figura 2-2 Arhitectura reelei GPRS Standardul iniial GPRS face uz de sistemele radio standard GSM. Acest lucru include, de asemenea, schemele de modulare i structurile de cadru standard GSM i TDMA. GPRS prevede alocarea i repartizarea dinamic a canalelor radio pentru servicii de pachete de date, n funcie de cerere.

Parametrii QoS suportai de GPRS pot fi separai n dou categorii, n funcie de versiunea de specificaii pe care o respect Rel 97/98 sau R99.

Parametrii luai n considerare pentru evaluarea unei conexiuni de date sunt: - pentru QoS R97/R98:

A. Clasa de preceden (precedence class) B. Rata de transfer medie (mean troughput) C. Clasa de ntrziere (delay class) D. Clasa de fiabilitate (reliability class)

- pentru QoS R99: A. Clasa de trafic B. Rata de bit garantat att downlink ct i n uplink C. ntrzierea de transfer D. Raportul de erori al SDU

Aceti parametri sunt cei mai relevani n streaming-ul de date i, de asemenea, au corespondeni n parametrii QoS ai altor reele de transport.


7

2.3 E-GPRS (EDGE)

Rel'99 introduce Enhanced Data Global Evolution (EDGE) pe interfaa radio. Specificaiile Rel'99 i cele de mai trziu se bazeaz pe interfaa EDGE de radio GERAN. Trecerea la EDGE nu necesit actualizri ale reelei de baz (Core Network), sistemul fiind backwards compatible. Cele mai multe au introdus staiile de baz capabile EDGE treptat, minimiznd modificrile reelei ct mai mult posibil. E-GPRS folosete, n plus fa de GPRS, 6 scheme de codificare.

Parametrii QoS suportai de EDGE sunt aceeai ca i cei pentru GPRS (respectnd specificaiile Release 97/98 sau Release 99), cu diferena c sunt suportate i rate de bit mai mari, de pn la 384 de kbii/s. De aceea, se vor reine doar parametrii ce vor fi evaluai n cazul streaming-ului de date, prezentai mai sus, pentru GPRS.

2.4 UMTS

Ca structur reeaua UMTS este foarte asemntoare cu reeaua GPRS prezentat anterior. Diferena este c locul BSC-ului este preluat de RNC (Radio Network Controller), iar locul BTS-ului este preluat de ctre NodeB. De asemenea, aceste elemente de reea au n plus i funcionaliti noi.

Cnd se definesc clasele de calitate a serviciilor pentru UMTS trebuie luate n considerare restriciile i limitrile interfeei radio. Nu este rezonabil s se defineasc mecanisme complexe, asemenea celor din reelele de telefonie fix, datorit caracteristicilor de eroare la transmisie prin interfaa radio. Mecanismele de asigurare a calitii serviciilor oferite n cazul reelelor celulare trebuie s fie robuste i capabile s asigure o rezoluie rezonabil a calitii serviciilor.

Exist patru tipuri diferite de clase pentru calitatea serviciilor: clasa conversaional (conversaional), clasa fluxurilor de date (streaming), clasa interactiv (interactive), clasa de fundal (background).

Principala diferen dintre aceste clase este reprezentat de sensibilitatea traficului la ntrzieri: prin urmare, clasa conversaional este destinat traficului foarte sensibil la ntrzieri, n timp ce clasa de fundal este cea mai puin sensibil la ntrzieri. Totui, nu exist o regul strict de mapare a traficului la aceste clase, n sensul c un utilizator poate solicita pentru un serviciu interactiv o clas de trafic conversaional.

Pentru reelele UMTS, atributele calitii serviciilor sunt aceleai ca i cele pentru GPRS/EDGE Release 99.

2.5 HSDPA

HSDPA este o alt soluie aplicat ca rspuns la necesitatea de lime de band mai mare. Esena HSDPA este multiplexarea de mai multe canale de downlink (dac este disponibil) pentru a crete limea de band disponibil. Cu toate acestea, exist algoritmi destul de compleci pentru controlul admiterii, pentru a evita situaia cnd utilizatorii HSDPA mpiedic accesul altor utilizatori HSDPA precum i a celor normali.

Pentru reelele HSxPA, atributele calitii serviciilor sunt aceleai ca i cele pentru UMTS Rel 99, cu meniunea c valorile pentru rata de bit maxim i pentru rata de bit garantat pot avea valori pn la16 Mbii/s n Release 5 i Release 6 i 256 Mbii/s n Release 7.


8

2.6 Evoluia ctre reele IP (all IP Networks)

UMTS Release 5 se bazeaz pe punerea n aplicare parial a Protocolului Internet (IP) de comutare de pachete n cadrul reelei de baz (CN), pentru a se face trecerea la o arhitectur all-IP. n aceast versiune, pachetele pot fi transportate de la un capt la cellalt al reelei folosind transportul IP, cu un serviciu de orientat pe comutaie de pachete (EDGE/UMTS/HSxPA) conectat la o reea IP Multimedia Subsystem (IMS).

2.7 CDMA2000

CDMA2000 este o familie de standarde de telecomunicaii mobile 3G care utilizeaz CDMA. Este a doua generaie de comunicaii celulare digitale CDMA, succesor direct al IS-95. Standardele CDMA2000 1x, Rev. 0, CDMA2000 EV-DO Rev. A i CDMA2000 EV-DO Rev. B, sunt interfee radio aprobate pentru standardul ITU IMT-2000 i un succesor direct al IS-95 (cdmaOne). CDMA2000 este standardizat de 3GPP2. Dei ambele utilizeaz WCDMA, CDMA2000 este un concurent incompatibil cu celalalt standard 3G major UMTS.

CDMA2000 1x este de asemenea cunoscut ca CDMA2000 1xRTT n care caz, denumirea "1xRTT" este folosit pentru a identifica versiunea tehnologiei de radio CDMA2000, care funcioneaz pentru o pereche de canale radio de 1.25MHz (un singur canal de 1.25 MHz, spre deosebire de trei canale de 1.25 MHz n 3xRTT). 1xRTT aproape dubleaz capacitatea de voce n reele IS-95. CDMA2000 include protocoale de control al accesului la media i legtur i de control al QoS. n IS-95, nici una dintre acestea nu au fost prezente, iar nivelul de legtur la date a constat practic ntr-o livrare "best effort" RLP - aceast configuraie este nc folosit pentru voce.

CDMA2000 1xEV-DO (1x Evolution-Data Optimized, iniial 1x Evolution-Data Only), cunoscut i sub numele 1xEV-DO, EV-DO, EVDO, sau doar DO, este o evoluie a CDMA2000 1x cu capacitate mare (High Data Rate - HDR). CDMA2000 1xEV-DO n revizia A, suport rate de date n downlink de pn la 3.1 Mbii/s i rate de date n uplink de pn la 1.8 Mbii/s pentru un echipament utilizator dedicat transportrii de pachete de date de vitez mare. CDMA2000 1xEV-DO n revizia B suport rate de date n downlink de pn la 4,9 Mbii/s, prin multiplexare rata maxim ajungnd pn la 14,7Mbii/s. De asemenea sunt redus latena i interferenele de pe sectoarele adiacente. CDMA2000 1xEV-DV (1x Evolution-Data/Voice), suport rate de date n downlink de pn la 3.1 Mbii/s i rate de date n uplink de pn la 1.8 Mbii/s. 1xEV-DV poate suporta, de asemenea, servirea concomitent a utilizatorilor sistemelor mai vechi 1x de voce, 1x de date, precum i de mare vitez 1xEV-DV n cadrul aceluiai canal radio. Din cauza lipsei de interes din partea operatorilor de transport, dezvoltarea de CDMA2000 1xEV-DV a fost oprit.

CDMA2000 nu a stabilit n mod explicit obiective pentru QoS, nici nu a definit clase proprii similare UMTS. Totui, n practic, suport aceeai gam general de aplicaii i ofer niveluri adecvate de calitate prin utilizarea caracteristicilor la nivelul legturii radio i a capabilitilor Mobile IP. Pentru aplicaii de tip comutare de circuite, informaia QoS se nregistreaz n mesajele iniiale de semnalizare pentru configurarea apelului (mesaje SIP). Factorii cheie n realizarea acestui lucru sunt descrierea serviciului, care conine cererea i limea de band, precum i modul asigurat sau neasigurat (assured sau nonassured). Pe legtura de radio sunt definite ca setul 1 i 2.

La nivelul de date utilizator, QoS se bazeaz pe diferitele clase Diffserv. Acestea pot fi solicitate de ctre staiile mobile prin intermediul informaiilor QoS cerute prin mesaje SIP sau pe baza profilului utilizator DiffServ 3GPP2 al acestuia, nregistrat n serverul RADIUS de domiciliu (home RADIUS server). Aceste setri DiffServ sunt incluse n mesajele tunelate ctre serverul de domiciliu Home Agent.


9

2.8 Sistemul WiMAX i alte sisteme bazate pe OFDM

OFDM reprezint o abordare de design de sistem diferit. Aceasta poate fi gndit ca o combinaie de modulaie i scheme de acces multiplu care segmenteaz un canal de comunicare n aa fel nct mai muli utilizatori s l poat partaja. ntruct segmentele TDMA sunt legate de timp, i segmente CDMA de codurile de rspndire, segmentele OFDM sunt legate de frecven. Aceast tehnic mparte spectrul de frecvene ntr-un numr de tonuri echidistante i poart o parte din informaiile utilizatorului pe fiecare ton. Un ton poate fi gndit ca o frecven, similar felului n care fiecare not de pe un pian reprezint o frecven unic. OFDM poate fi privit ca o form de multiplexare (FDM) cu divizare n frecven.

FLASH-OFDM folosete arhitectura IETF, utiliznd tehnologia IP de gestionare a mobilitii (Mobile IP), securitate IP i de IP QoS, aceasta eliminnd necesitatea unor protocoale costisitoare pentru reelele de acces radio.

2.9 LTE

LTE Long Term Evolution (LTE) reprezint urmtorul pas n dezvoltarea 3GPP (3rd Generation Partnership Project) la nivel mondial n reelele de telefonie mobil de band larg. Standardizarea LTE a nceput cu Release-ul 8 din 3GPP. Principiile de baz ale arhitecturii LTE SAE includ:

Rate de transfer mari prin intermediul unor tehnologii de acces radio eficiente, bazate pe tehnologii de nivel fizic ca Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) (un sistem 4x4 MIMO sporete rata de downlink de pn la 326 Mbps).

optimizri ale ntrzierilor i o arhitectur simplificat protocoale bazate pe IP pe toate interfeele arhitectura armonizat pentru 3GPP acceseaz i interacioneaz cu entiti non-3GPP,

interoperabilitatea optimizat cu tehnologii de acces 3GPP i CDMA, precum i utilizare de abonai i soluii de control de servicii comune. Noile entiti funcionale de reea ale Evolved Packet Core (EPC) sunt: Mobility

Figura 2-6 a) Arhitectura Non-roaming EPS

Management Entity (MME) responsabil cu semnalizarea NAS (non-Access Stratum) i

cu securitatea NAS i cu Idle Mode Mobility Management, Serving Gateway (SGW) cu rolul principal de a ruta i de a transmite pachetele de date de pe user-plane i Packet Data Network Gateway (PGW) este interfaa cu PDN. n cazul n care UE acceseaz mai multe PDNs, pot exista mai mult de un PDN GW pentru acel UE.


10

Marele avantaj al arhitecturii LTE este acela c permite conexiunea i handover-ul la alte tehnologii de acces fr fir sau fixe, cu fir, oferind furnizorilor de servicii capacitatea de a livra mobilitate continu.

Datorit corespondenei dintre funciile elementelor din diferite tehnologii 3GPP, se pot face anumite asociaii logice. Core-ul comun SGSN / MME poate fi vzut ca un singur element: folosete date oferite de abonat, MME i SGSN au acelai PDP / purttoare pentru abonai iar modelul QoS este similar. Reeaua este optimizat prin utilizarea unui GW. Aceleai grupri funcionale pot fi fcute pentru Serving i PDN-Gateway ca un gateway comun.

2.10 ATCA

ATCA este un standard internaional ce definete o arhitectur de telecomunicaii deschis. Specificaiile se refer la toate cerinele electrice i mecanice necesare pentru a crea o platform standard. Principalul obiectiv al ATCA este de a permite construirea unor sisteme convergente de tip carrier grade; se dorete convergena accesului de telecom i a funciilor echipamentelor de vrf n cadrul aceleiai platforme modulare. Aceast caracteristic de modularitate, permite att productorilor ct i utilizatorilor s foloseasc aceeai carcas/infrastructur de integrare (backplane) pentru mai multe tipuri de produse, utiliznd diferite module.

Reeaua implementat pe arhitectura ATCA emuleaz arhitectura CN de GPRS, RAN-ul, un PDN extern i cteva servere cu aplicaii larg utilizate n reele de telecomunicaii reale.

Software-urile de emulare SGSN, GGSN i IMS pot fi instalate, configurate i rulate pe platforma ATCA. De asemenea serviciile suplimentare testate, ca handover decision sunt implementate pe un blade ATCA.

Prin deploymentul serviciului de decizie de handover pe un sistem ATCA se demonstreaz posibilitatea integrrii acestui serviciu ntr-o reea aparinnd unui operator, dup cum se va vedea n capitolul 6.

2.11 Integrarea platformei experimentale cu un sistem de testare de la distan

Testarea de la distan cu echipament real este o mare provocare tehnologic n aceast perioad de globalizare. Contribuiile prezentate mai jos conecteaz platforma experimental la infrastructura unui laborator Siemens de comunicaii mobile.

Este prezentat extensia realizat de autor asupra unui Centru Mobil de Comutaie din laboratoarele Siemens PSE Romnia, soluie adoptat apoi i la laboratoarele Siemens PSE Austria. Prin aceast extindere s-a asigurat accesarea de la distan a dispozitivelor de stocare de tipul Magnetic Disk Drive (MDD) i Magnetic Optical Disk (MOD) compatibile SCSI din cadrul centrelor de comutaie MSC (Mobile Switching Centers) i semnalizare SS7 ale reelei de telecomunicaii

Dispozitivele de stocare de tipul MDD i MOD trebuiau s fie conectate la un PC dedicat, cu interfee specializate i costisitoare (rack-uri SCSI), pentru operaiunile de formatare (n cazul sistemelor proprietare, de genul Siemens WinDiskus, incompatibile FAT32 sau NTFS) i pentru instalarea sistemelor de operare de tipul Application Program Software(APS). Orice alt operaiune de adugare sau instalare necesita acest tip de manipulare, la locaia sistemului respectiv i consumatoare de timp. Cu ajutorul unui PC, conectarea se face att n modul multi-device i n modul multi-controller astfel nct, dispozitivele de stocare pot fi accesate n mod direct fr a mai fi necesar oprirea controller-elor i transportarea dispozitivelor.


11

La PC-ul menionat mai sus s-a adugat o plac cu relee reed conectat pe portul Paralel i controlat de un program dedicat care poate seta un octet (sau chiar un bit) pentru o anumit perioad de timp, cnd se apas un buton virtual din interfaa de acces de la distan ("VNC"). Comutatorul minimal de pornire care se conecteaz la GND (mas) este dublat n paralel de starea de normal-deschis a releelor. Principiul poate fi extins la celelalte tipuri de operaiuni (oprirea/pornirea alimentrii) i reprezint o important contribuie dac se consider cele trei aspecte ale automatizrii: generare-msurare(practic concepte duale)-comutare. O camer web a fost instalat pentru a verifica starea LED-urilor din panoul de control al comutatorului.

Prin aceast soluie bazat pe comenzi AT trimise ctre terminalele mobile aflate n laboratorul de la distan, n baza extensiei hardware implementate de autor, testele fcute de Integratorii de Proiect n GSM-GPRS-UMTS se pot realiza teste cu echipament real (RET Real Equipment Testing). Extensia hardware deservete o gam larg de telefoane mobile din seriile Sx5/Mx5..

Pe lng aceste contribuii la subsistemele hardware, autorul a abordat i mediile software de testare bazate pe programe de fuziune a bazelor de date cu parametrii operatorului, capabilitile furnizorului i seturile de comenzi - pentru a furniza planul de testare i seturile tip service packages de mari dimensiuni. Autorul a realizat utilitare de descrcare (din spaiul central de stocare Siemens), asamblare i etichetare automat a modulelor software de corecie - patches lucru care necesita nainte un mare efort din partea inginerilor de testare.

3 Servere i servicii n comunicaii mobile

3.1 Servere

n lumea de astzi avem o multitudine de servicii oferite n toate domeniile: n telecomunicaii, n reele de calculatoare, n Internet. Software-ul ca un serviciu (SaaS) este tot mai mult utilizat, oferind att stabilitate ct i performan:

prin utilizarea unei ferme de servere se ajunge att la stabilitate i ct i la performan (de exemplu infrastructura Google i Amazon Elastic Compute Cloud - Amazon EC2)

accesibilitatea se obine prin utilizarea internetului pentru accesul la resurse. Aadar, serviciile sunt disponibile oriunde Internet-ul este disponibil, deci aproape peste tot. Cu toate acestea, nu putem vorbi despre server fr a discuta despre servicii pentru c

ele sunt ceea ce ofer serverele clienilor. Arhitectura client-server este o arhitectur de calcul, care separ un client de un server

i este aproape ntotdeauna folosit ntr-o reea de calculatoare. Fiecare client sau server conectat la o reea poate fi numit n continuare un nod. Tipul cel mai comun al arhitecturii client-server are doar dou tipuri de noduri: clieni i servere. Aceasta permite dispozitivelor partajarea fiierelor i resurselor.

Serverul ofer unul sau mai multe servicii pentru client. n reelele de telecomunicaii putem gsi serverele i serviciile furnizate de servere n mai multe locuri: Intelligent Networks (IN) - SCP - Service Control Point, mpreun cu SDP Service Data Point i de SMS - Service Management System: acestea ofer diferite servicii clienilor abonaii mobile sau fixe. Serviciile sunt administrate la sistemele de servicii de management i apoi puse la dispoziia abonailor prin SDP i SCP; MNP Portabilitatea numerelor mobile (sau LNP - Local NP, WLNP - Wireless Local NP). Pentru a oferi serviciul NP, reeaua de telecomunicaii are nevoie de un server de MNP care va oferi informaii de rutare pentru un anumit abonat (fix sau mobil).


12

Fiecare instan a software-ului client poate trimite cererile de date la unul sau mai multe servere conectate. La rndul su, serverele pot accepta aceste cereri, le pot prelucra i pot returna informaiile solicitate la client. Cu toate c acest concept poate fi aplicat dintr-o varietate de motive pentru mai multe tipuri diferite de aplicaii, arhitectura rmne fundamental aceeai.

3.2 Serviciile

Serviciul este ceea ce serverul ofer clientului, atunci cnd rspunde la cererea clientului. De exemplu, n reelele de telecomunicaii inteligente (IN), serviciile oferite sunt: numere de telefon gratuite, mobile Number Portability (MNP) serviciul de portare a numrului i Number Translation Service (NTS) serviciul de translatare a numrului, televoting, servicii prepltite, VPN - Virtual Private Network, portabilitatea numerelor. Exemple din reelele de calculatoare sunt: servicii web, serviciile de transfer de fiiere i servicii de baze de date

3.3 Servicii multimedia i conceptele de reea Dup cum se reflect n termenul multimedia, serviciile noi ar necesita existena

simultan a mai mult de un singur tip de informaie. Din punct de vedere al reelei, aceasta nseamn c fie diferite tipuri de informaii ar trebui s fie tratate ca un flux unic, fie c diferite fluxuri de informaii care aparin aceleiai sesiuni de utilizator ar trebui s fie pstrate sincronizate, astfel nct, aplicaiile s funcioneze corespunztor, ntre utilizatorii de comunicare. n primul caz, video, audio i datele sunt codificate de terminal i depuse la reea ca un flux unic de informare, n timp ce, n al doilea caz, reeaua ofer mecanisme de identificare i de manipulare a fluxurilor de informaii corelate.

Presupunnd c fiecare flux este transmis printr-o conexiune separat, existena mai multor fluxuri pentru o singur sesiune conduce la conceptul de mai multe apeluri multiconectate, o cerin ce este valabil n general pentru comunicaii multicast independent de modul n care sunt prezentate informaiile n reea. n sesiunile de multicast un utilizator ar trebui s se poat conecta sau deconecta n orice moment, ceea ce nseamn c fiecare conexiune individual din cadrul unei sesiuni ar trebui s fie tratat ca o singur entitate.

O alt cerin ce decurge din natura serviciilor multimedia este interactivitatea i negocierea cu reeaua i/sau de terminalele de recepie, care este considerat ca fiind capacitatea utilizatorului de a controla i modifica sesiunea sa nu numai n faza de stabilire i ncheiere a conexiunii, dar i pe toat durata de via a sesiunii. Un exemplu tipic este serviciul Video on Demand n care caz se presupune c utilizatorul navigheaz printre diferite surse video.

Protocolul Internet a fost iniial dezvoltat pentru a susine un simplu serviciu de transfer de date fiabil i fr orientare pe conexiuni, prin reele locale (LAN) interconectate cu routere.

Quality of Service (QoS) a fost meninut prin protocoale de nivel superior ca TCP / IP, care ofer un mecanism de retransmitere a pachetelor, pentru a retransmite datele pierdute. Creterea cererii pentru servicii multimedia n timp real i creterea dramatic a Internetului a dus la conceptul de servicii integrate de Internet, care ar trebui s poat oferi n afar de livrarea garantat de pachete, alte cerine QoS mai stricte, precum ntrziere i sincronizare "end-to-end''. Pentru a face acest lucru, reeaua ar trebui s recunoasc i s manipuleze clase de servicii diferite, n timp ce utilizatorul s poat solicita un serviciu ntr-o clas de calitate deosebit. Deoarece nu exist nicio semnalizare pentru comunicare user- reea la Internet, mai multe mecanisme de control au fost dezvoltate n acest scop.

Protocolul cu Rezervare de Resurse (RSVP) ofer mijloacele pentru cererea utilizatorului prin care solicit o anumit categorie de servicii i pentru a transfera acesta cerere la routerele de Internet care rezerv resursele de reea corespunztoare fluxului necesar.


13

n prezent, RSVP permite utilizatorului s aleag ntre trei clase de servicii, fiecare oferind caracteristici QoS distincte. Serviciul "garantat" ofer o ntrziere delimitate i nici o pierdere de transmisie pentru traficul conform, serviciul ncrcare controlat tolereaz puine pierderi, garantnd o de lime de band minim i este orientat spre aplicaii care se adapteaz la ntrziere, n timp ce serviciul best effort nu ofer nici o garanie i este adecvat pentru serviciile care se adapteaz la ntrziere i limea de band disponibil.

3.4 Serviciile n telecomunicaii

Inteligena permite unui sistem s exploateze capacitile sale de baz pentru a mbogi setul de servicii oferite. Reeaua de telefonie ofer o facilitate simpl de comutaie i nu este potrivit pentru introducerea de rutri noi, de capaciti de tarifare i de translaie de numere ntr-un mod de sine stttor, fr ajutor. Disponibilitatea switch-urilor controlate prin program a deschis calea introducerii serviciilor bazate pe comutaie, numite servicii suplimentare, subliniind n acelai timp, potenialul i limitele acestui tip de soluie. Prestarea de servicii suplimentare impune modificarea i mbogirea procesrii de baz a apelurilor, efectuate de switch-uri ce furnizeaz serviciul de apelare, n toate nodurile care suport noile funcionaliti.

Ideea fundamental din spatele IN este de a plasa inteligena cerut necesar pentru furnizarea unui serviciu complex n servere IN dedicate, n loc s modifice software-ul de prelucrare a apelului n fiecare switch din reea. Procednd astfel, funcionalitatea switch-ului este limitat la prelucrarea de baz a apelului, avnd n plus, la identificarea apelrii unor servicii IN i la rutarea acestor apeluri la serverul IN. Prima soluie a fost pus n aplicare n Statele Unite la nceputul anilor 80 pentru a sprijini serviciul numrului verde. Serviciul Numrul Verde, numit i serviciul 800, permite prii apelate prin intermediul numrului 800 s plteasc pentru costul apelurilor primite. Cum un numr mare de servicii poate fi furnizat combinnd componente de servicii de nivel sczut, un rspuns bun la aceast problem este standardizarea componentelor serviciilor.

Suportul adecvat de reea pentru serviciile multimedia necesit o arhitectur mai abstract dect standardele IN actuale. Aici se poate deja vorbi de arhitectura IMS, care adaug serviciile multimedia pentru reelele cu comutaie de pachete.

3.5 Managementul reelelor de comunicaii mobile

Telecommunication Management Network este un model de protocol definit de ITU-T pentru gestionarea unor sisteme deschise ntr-o reea de comunicaii. Acesta face parte din seria M.3000 a recomandrii ITU-T i se bazeaz pe specificaiile de management OSI n recomandrile ITU-T seria X.700 (figura 3-1).

TMN ofer un cadru pentru realizarea de interconectri i comunicaii ntre sisteme eterogene de operare i reelele de telecomunicaii. Pentru a realiza acest lucru, TMN definete un set de puncte de interfa pentru elementele care efectueaz procesarea efectiv a comunicaiilor (cum ar fi o central de procesare a apelurilor) pentru a fi accesate de ctre alte elemente, cum ar fi staii de lucru de management, pentru monitorizarea i controlul acestora. Interfaa standard permite ca entitile de la diferii productori s fie ncorporate ntr-o reea sub un control de management unic.


14

Pentru comunicarea ntre sistemele de management i NE (elemente de reea), se folosete protocolul comun de gestionare a informaiilor (Common management information protocol - CMIP) sau dispozitive de mediere, atunci cnd se folosete interfaa Q3.

Nivelul de management al afacerilor n comunicaii face analiza evoluiei (inclusiv cu predicie financiar), a calitii, a aspectelor comerciale (direct implicate n modelul facturare extins la nregistrarea i evaluarea tuturor evenimentelor din reea). Nivelul de management al Serviciilor se ocup de crearea, administrarea i contorizarea serviciilor. Nivelul de management al Reelei are funciile de alocare a resurselor distribuite: configurare, monitorizare i control. Nivelul de management al Elementelor de Reea face comanda nodurilor de reea transmiterea, colectarea i procesarea informaiilor (nregistrri) de stare (inclusiv alarme) n vederea automatizrii mentenanei hardware i software.

TMN-ul prezint cinci funcii de baz: managementul erorilor (FM - Fault Management detecie, nregistrare, raportare, izolare), managementul conturilor (AM Account Management colectarea, salvarea i livrarea informaiilor de contorizare i de plat), managementul performanelor (PM Performance Management, colectarea, salvarea i livrarea datelor statistice de funcionare, n vederea optimizrii reelei), managementul configuraiilor (CM Configuration Management instalarea echipamentului de reea, setarea de parametri, configurarea capacitilor utilizate), managementul securitii (SM Security Management administrarea funciilor de autorizare i de acces multiplu, protecia la intruziune).

Datele oferite de sistemele de management al reelelor pot fi utilizate ulterior pentru postprocesare n sisteme SPOTS (Suport, Planificare, Operare & mentenan i analiza Traficului n Sistem) i pentru optimizarea serviciilor oferite abonailor, dup cum este propus n capitolul 6.

Un protocol utilizat n TMN este SNMP. n utilizarea tipic a SNMP, exist o serie de sisteme care sunt gestionate i unul sau mai multe sisteme de gestionare a acestora. O component software numit agent ruleaz pe fiecare sistem gestionat i raporteaz informaiile, prin intermediul SNMP la sistemele de gestionare. n esen, agenii SNMP expun datele de gestionare a sistemelor administrate sub form de variabile (cum ar fi "memorie liber", "numele de sistem", "numrul de procesele", "ruta default"). Configurarea i operaiunile de control sunt utilizate numai atunci cnd schimbrile sunt necesare pentru infrastructura de reea. Operaiunile de monitorizare sunt de obicei efectuate n mod regulat.

SNMP folosete un design extensibil, n care caz informaiile disponibile sunt definite n baze de informaii de gestiune (management information bases - MIB). MIB-ul descrie structura de gestionare a datelor unui subsistem al unui obiect; el utilizeaz un spaiu de nume ierarhic care conine identificatori obiect (OID). Se poate spune c fiecare OID identific o variabil sau un set ce poate fi citit prin SNMP. MIB-ul utilizeaz notaia definit de ASN.1. n domeniul telecomunicaiilor i al reelelor de calculator, Abstract Syntax Notation One (ASN.1) este un standard de notaie flexibil, care descrie structuri de date pentru reprezentarea, codificarea, transmiterea, precum i decodare datelor.

Figura 3-1 Modelul de management al reelelor de comunicaii

Managementul integrat

ManagementulBusiness Afacerilor

ManagementulBusiness Serviciilor

Elementelor (Nodurilor) de Reea

Necesiti comerciale

Evoluia standardelor & tehnologiilor

ManagementulBusiness Reelei

Managementul


15

ASN.1 este un standard comun ITU-T i ISO, iniial definit n 1984, ca parte a CCITT X.409: 1984. ASN.1 a primit propriul su standard, X.208, n 1988 (revizuit n 1995) din cauza aplicabilitii largi., versiunea actual este seria X.680. Un subgrup adaptat ASN.1, Structura de Management al Informaiei (SMI), este specificat n SNMP pentru a defini seturi de obiecte legate de MIB; aceste seturi sunt numite module de MIB.

Un sistem de management de reea (SNM) execut aplicaii de monitorizare i control al dispozitivelor gestionate. NMS-urile execut cea mai mare parte a prelucrrii i folosete cea mai mare parte a resurselor de memorie necesare pentru gestionarea reelei.

Aceste date furnizate de sistemul TMN, prin intermediul serviciilor SPOTS, utiliznd protocoale SNMP i Q3 vor fi utilizate ca date de intrare (opionale) pentru serviciul de decizie de handover prezentat n capitolul 6. Acesta este implementat pe platforma telecom ATCA ce este prezentat n continuare.

3.6 Integrarea de servere i servicii pe ATCA

Pe platforma ATCA au implementate componentele unui sistem IMS, bazat pe pachetul open-source OpenIMS. 3GPP a standardizat funcii n loc de noduri, astfel arhitectura IMS este o colecie de funcii interconectate prin interfee standard. Se poate observa c terminalul folosete o legtur radio pentru a se ataa la reea i c IMS suport i alte tipuri de metode de acces. De exemplu PDA-urile se pot conecta la IMS, iar WLAN, ADSL, UMTS sau HSDPA sunt metode de acces.

Arhitectura IMS se afl n teste de integrare i mbuntire cu mai muli operatori din ntreaga lume. De aceea eforturile de cercetare i dezvoltare relative la NGN (Next Generation Networks) vor capta atenia unei audiene mari, n special n aria dezvoltare a serviciilor. Componentele OpenIMS sunt: Proxy Call Session Control Function, Interogating Call Session Control Function, Serving Session Control Function, Home Subscriber Service i serverul de aplicaii

Dac n domeniul VoIP exist mai multe proiecte open-source pentru clieni SIP, servere VoIP, cum ar fi Asterisk, toate bazate pe standardele IETF, n cadrul IMS, pn la apariia OpenIMS Core, nu exista nici un proiect open-source. Proiectul OpenIMS Core implementeaz funciile de control al sesiunii (CSCF-urile) i un HSS minimal, care mpreun, formeaz nucleul tuturor arhitecturilor IMS/NGN specificate de 3GPP, 3GPP2 i ETSI TISPAN. Cele patru componente sunt bazate pe soluii gratuite (SIP Express Router sau MySQL).

Funciile de control a sesiunii sunt bazate pe proiectul open-source SER (SIP Express Router) i reprezint o extensie a acestuia. SER este un server SIP de nalt performan i configurabil aflat sub licena open-source GNU GPL. Se poate comporta ca o autoritate de nregistrare, server de redirectare i poate fi configurat pentru roluri special, cum ar fi load balancing sau interfa ctre anumite servere de aplicaii.

Proiectul OpenIMS are la baz trei componente, bazate pe SER, pcscf, icscf i scscf. SER pcscf este punctul de grani ntre nucleul arhitecturii IMS i utilizator. Numai utilizatorii nregistrai au dreptul de a introduce mesaje n nucleu. SER icscf i SER scscf sunt conectate la FHoSS prin interfaa Cx. Modulele SER comunic ntre ele prin interfaa Mw folosind SIP.

Evaluarea comportrii fiecrei entiti a fost fcut prin studiul unor scenarii specifice standardelor IMS, prin analiz de protocol. Arhitectura studiat se poate segmenta n trei nivele logice: nivelul utilizatorului, cel al platformei OpenIMS i cel corespunztor serverelor de aplicaii. Pentru realizarea studiului componentelor nivelului platformei IMS s-au configurat clieni la nivelul utilizatorului i servere de aplicaii la nivelul corespunztor.


16

Platforma OpenIMS este foarte extensibil, ceea ce permite dezvoltarea altor componente specifice NGN. La nivelul serverelor de aplicaii se poate ataa orice tip de server ce poate procesa mesaje SIP, i ideal, i negociere Diameter pentru o emulare ct mai aproape de platformele existente a interfeei Sh. SIP este folosit pentru a mapa adresa IP, la care poate fi gsit utilizatorul, din identitatea public a utilizatorului respectiv.

3.7 Tehnici de programare a serviciilor i integrare business

n paragraful de fa propun programarea serviciilor pe baza BPEL (Business Process Execution Language), n cadrul uni concept larg, tot mai rspndit n telecomunicaii integrarea business. Aceast tendin actual urmeaz dup recenta integrarea IT - a reelelor de calculatoare cu reelele de comunicaii posibil datorit comutaiei unificate (pe care am ilustrat-o prin implementarea n ATCA, prezentat n capitolul 2) i a tehnicilor de comutare a fluxurilor multimedia (streaming) pe care am orientat majoritatea studiilor de caz i a prilor experimentale ale acestei lucrri de doctorat.

Aceast seciune prezint principalele concepte SOA i ofer o scurt prezentare a BPEL. Folosind BPEL, n capitolul 6 se va implementa un serviciu pentru Management bazat pe QoS n Comunicaii Mobile n Multi-modale.

Portabilitatea serviciilor dezvoltate este unul din avantajele principale soluia dezvoltat cu BPEL trebuie sa fie portabil intre diferite sisteme de operare i platforme.

Utiliznd aceast abordare SOA, se poate lua un serviciu de evaluare QoS care a fost dezvoltat deasupra infrastructurii de comunicaii mobile existente, i integra ntr-un proces de afaceri care ofer realocarea de trafic. Pentru design-ul acestui proces se va utiliza BPEL. BPEL (The Business Process Execution Language) este un limbaj bazat pe XML i ofer ntreprinderilor un standard industrial pentru orchestraia i execuia procesului de afaceri. Folosind BPEL, un proces de afaceri care integreaz o serie de servicii discrete este proiectat ntr-un flux de procese de tip end-to-end. BPEL se bazeaz pe schema XML, pe protocolul SOAP, precum i pe Web Services Description Language (WSDL). Fiecare component permite executarea unui set specific de sarcini: mediul de proiectare (JDeveloper BPEL Designer sau Eclipse BPEL Designer) permite proiectarea i instalarea proceselor BPEL. Cnd proiectarea este complet, procesul este implementat din mediul de proiectare n serverul Oracle BPEL. Dac implementarea reuete, procesul BPEL poate fi gestionat din consola Oracle BPEL.

4 Algoritmii QoS n comunicaiile mobile n prezent, algoritmii calitii serviciilor (QoS) pot fi gsii aproape peste tot i mai ales

n domeniile n care resursele disponibile sunt limitate i se intenioneaz maximizarea utilizrii resurselor. Un astfel de domeniu este cel al telecomunicaiilor mobile.

n domeniul reelelor cu comutaie de pachete i reele informatice, termenul de calitatea serviciilor - Quality of Service (QoS) n ingineria traficului se refer la probabilitatea reelei de telecomunicaie de a satisface un anumit contract de trafic, sau, n multe cazuri, este folosit informal pentru a se referi la probabilitatea reuitei unui pachet de a trecere prin dou puncte din reea n perioada de laten dorit.

n domeniul telefoniei, calitatea serviciilor de telefonie QoS a fost definit de ITU ca efectul cumulativ al tuturor imperfeciunilor care afecteaz o conversaie telefonic asupra satisfaciei abonatului. Aceast definiie include n evaluare factorul uman i implica o ponderare subiectiv adecvat a diverselor defecte, cum ar fi zgomotul i tonurile de pe circuit, nivelul volumului, ecouri sesizabile, etc. i include nivelul de serviciu.


17

Odat cu apariia reelelor de telefonie digitale, au aprut noi tipuri de deficiene, cum ar fi efectele erorilor de bii n codec-uri, mpreun cu o tendin de a exprima QoS din punct de vedere al parametrilor de inginerie, care pot fi msurai n mod obiectiv, eliminnd incertitudinea cu privire la subiectivitatea uman.

4.1 Probleme legate de calitatea serviciilor (QoS)

Pe msur ce cltoresc de la origine la destinaie, pachetele pot trece prin situaii multiple care se pot clasifica n urmtoarele probleme: pachete pierdute, ntrzieri, jitter, livrare out-of-order i erori.

4.2 Mecanismele pentru asigurarea QoS

Calitatea serviciilor poate fi asigurat prin supradimensionarea generoas a reelei, astfel nct liniile interioare s fie considerabil mai rapide dect liniile de acces. Aceast abordare este relativ simpl i poate fi fezabil din punct de vedere economic pentru reele de band larg cu ncrcri de trafic uoare i previzibile. Performana este rezonabil pentru multe aplicaii, n special pentru cele de natur s tolereze jitter mare.

Serviciile comerciale VoIP sunt adesea competitive n raport cu serviciul de telefonie tradiional, n ceea ce privete calitatea apelului, chiar dac, de obicei, mecanismele de QoS nu sunt utilizate la conectarea utilizatorului la ISP-ul su i la conexiunea furnizorului de VoIP la un ISP diferit. Cu toate acestea, n condiii de ncrcare mare, calitatea VoIP scade la calitatea celularului sau chiar mai ru. Matematica traficului de pachete de date indic faptul c o reea cu QoS poate suporta de patru ori mai multe apeluri cu cerinele de jitter stricte dect o reea fr QoS. Msura n care se face supradimensionarea n liniile interioare necesar nlocuirii QoS depinde de numrul de utilizatori i cerinele lor de trafic. Deoarece Internet-ul a ajuns acum la peste un miliard i jumtate de utilizatori, ansele ca supradimensionarea s elimine nevoia de QoS sunt mici din moment ce VoIP i serviciile video devin tot mai frecvente.

Iniial s-a utilizat filozofia "IntServ" de a rezerva resurse de reea. n acest model, aplicaiile foloseau Protocolul de Rezervare Resurse (Resource Reservation Protocol RSVP) pentru a solicita i rezerva resursele reelei. A doua abordare i cea acceptat n prezent este "DiffServ" sau servicii difereniate. n modelul Diffserv, pachetele sunt marcate n funcie de tipul de serviciu de care acestea au nevoie. Ca rspuns la aceste marcaje, routerele i switch-urile utilizeaz strategii diferite de ateptare pentru a se adapta la cerinele de performan. (La nivelul de IP, marcajele differentiated services code point (DSCP) utilizeaz cei 6 bii din antetul pachetului IP. La nivelul MAC, se poate utiliza VLAN, IEEE 802.1Q, MPLS i IEEE 802.1D pentru a transporta, n esen, aceleai informaii).

4.3 Algoritmi de formare a traficului: Leaky bucket i Token Bucket

Algoritmul gleii care curge Leaky bucket poate fi neles conceptual dup cum urmeaz: pachetele sosite (network layer PDUs) sunt plasate intr-o gleat care este gurit n partea de jos. Gleata poate pune n coada de ateptare cel mult b octei. Dac un pachet sosete cnd gleata este plin, pachetul este eliminat. Pachetele se scurg prin gaura din gleat n reea la o rata constanta de r octei pe secund, nivelnd astfel vrfurile de trafic.

Dimensiunea b a gleii este limitat de memoria disponibil a sistemului. Algoritmul Generic Cell Rate utilizat n modelarea traficului reelelor ATM este echivalent cu algoritmul gleii care curge.


18

Implementarea algoritmului Leaky-bucket nu folosete eficient resursele disponibile n reea. Deoarece rata de scurgere este un parametru fix, sunt multe cazuri n care volumul traficului poate fi foarte sczut i mari poriuni din resursele de reea (n special, limea de band) s nu fie utilizate. Prin urmare, nu exist niciun mecanism n acestui algoritm care s permit fluxurilor individuale s accelereze pn la viteza de port i s consume n mod eficient resursele de reea atunci cnd acestea nu sunt disputate. Implementarea gleii cu jetoane suport, cu toate acestea, fluxurile de trafic cu caracteristici de rafal. Implementrile galeii care curge i a galeii cu jetoane pot fi combinate pentru a oferi un maxim de control i eficient n fluxurile de trafic dintr-o reea.

Algoritmul gleii cu jetoane este similar n anumite privine cu algoritmul gleii care curge dar diferena primar este aceea ca gleata cu jetoane permite traficului n rafale s-i continue cursul pn la parametrul de revrsare al gleii. Gleata cu jetoane este un mecanism de control care dicteaz cnd poate fi transmis traficul, n funcie de prezena jetoanelor n gleat. Gleata cu jetoane conine jetoane, fiecare dintre ele reprezentnd o unitate de bii. Administratorul de reea specific numrul de jetoane necesar pentru a transmite un anumit numr de bii; atunci cnd jetoanele sunt prezente, un flux este permis pentru transmiterea de date. n cazul n care nu exist jetoane n gleat, un flux nu poate transmite pachetele sale. Prin urmare, un flux poate transmite pachete pn la vrful ratei de revrsare dac n gleat exist jetoanele corespunztoare i dac pragul de revrsare este configurat corespunztor.

Algoritmul poate fi neles din punct de vedere conceptual, dup cum urmeaz: un jeton este adugat n gleat la fiecare 1 / r secunde. Gleata poate suporta maxim b jetoane. Dac un jeton sosete cnd gleata este plin, acesta este eliminat. Cnd sosete un pachet (PDU la nivel de reea) de n octei, din gleat sunt scoase n jetoane, iar pachetul este trimis n reea. n cazul n care mai puin de n jetoane sunt disponibile, niciun jeton nu este eliminat din gleat, iar pachetul este considerat a fi non-conform.

Algoritmul permite vrfuri de pn la b octei, dar pe termen lung, transmiterea de pachete conforme este limitat la rata constant r. Pachetele non-conforme pot fi tratate n diverse moduri: abandonate, puse n coada de ateptare pentru transmiterea ulterioar n momentul n care s-au acumulat n gleat suficiente jetoane sau transmise, dar marcate ca fiind non-conforme, cu posibilitatea ulterioar de a le elimina dac reeaua este suprancrcat.

4.4 Servicii difereniate (DiffServ)

Deoarece reelele moderne de date transport multe tipuri de servicii, de la voce, video, streaming de muzic, pagini web i email, multe dintre mecanismele QoS propuse care au permis acestor servicii s coexiste erau att complexe ct i incapabile s rspund cerinelor Internetului public. Pentru a contracara aceast problem, n 1998, IETF a publicat RFC 2475 arhitectura DiffServ.

Diffserv este un mecanism de gestionare a traficului, bazat pe clase, fr s intre n detaliile fluxurilor de date pe care le proceseaz. n contrast, IntServ este un mecanism detaliat, bazat pe flux. Dect s diferenieze traficului n reea, pe baza cerinelor unui flux individual, Diffserv funcioneaz pe principiul clasificrii traficului, fiecare pachet de date fiind plasat ntr-un numr limitat de clase de trafic. Fiecare router din reea este configurat s diferenieze traficul n funcie de clasa sa. Fiecare clas de trafic poate fi gestionat n mod diferit, asigurnd un tratament preferenial pentru traficul cu prioritate crescut din reea. Modelul Diffserv nu alege cror tipuri de trafic trebuie s li se acorde prioritate, deoarece acest lucru este lsat la latitudinea operatorului de reea. Diffserv ofer, pur i simplu, un cadru care s permit clasificarea i tratamentul difereniat.


19

Diffserv recomand totui un set standardizat de clase de trafic (discutate mai jos) pentru a face mai simpl interoperabilitatea ntre reele diferite i echipamente diferite ale furnizorilor. Un grup de routere care implementeaz politici comune definite administrativ DiffServ sunt denumite Domeniu DiffServ. Traficul de reea care intr ntr-un domeniu Diffserv este supus clasificrii i de condiionrii. Traficul poate fi clasificat de ctre mai muli parametri diferii, cum ar fi adresa surs, adresa de destinaie sau de tipul de trafic i ncadrat ntr-o anumit categorie de trafic. Clasificatorii de trafic pot onora orice marcaj Diffserv n pachetele primite sau pot alege s ignore sau s treac peste aceste marcaje. Traficul din fiecare clas poate fi n continuare condiionat de supunerea acestuia la limitatori de rat, monitori de trafic sau modelatori.

Comportamentul Per-Hop este indicat codnd o valoare de 6 bii - numit Differentiated Services Code Point (DSCP) n cmpul de 8 bii de Servicii Difereniate (DS) ai antetului pachetului IP. n teorie, o reea ar putea avea pn la 64 (26) clase de trafic diferite folosind marcaje diferite n DSCP. RFC Diffserv recomand, dar nu cer, anumite codificri care ofer unui operator de reea o flexibilitate mare n definirea claselor de trafic. n practic, ns, cele mai multe reele utilizeaz n mod frecvent urmtoarele comportamente Per-Hop: Default PHB - care este de obicei traficul best-effort, Expedited Forwarding (EF) PHB - pentru pierderi mici, laten sczut n trafic, Assured Forwarding (AF) - grup ce asigur livrarea pachetelor ct timp acestea respect rata subscris i Class Selector PHBs - care sunt prevzui s menin compatibilitatea invers cu domeniul de preceden IP

Pentru a preveni problemele asociate cu eliminarea cozii, adesea se utilizeaz algoritmi de detectare aleatorie (RED) sau detectare aleatorie ponderat (WRED) pentru eliminarea de pachete. De obicei, traficul de modelare este necesar pentru a codifica precedena de eliminare. n mod obinuit, traficului alocat unei clase ii este iniial acordat o preceden de eliminare sczut. Pe msur ce rata de trafic depete pragurile subscrise, policer-ul va crete precedena de eliminare a pachetelor ce depesc pragul.

naintea Diffserv, reelele IP puteau folosi cmpul de preceden n octetul Type of Service (TOS) din antetul IP pentru a marca traficul prioritar. Octetul TOS i precedena IP nu au fost utilizate pe scar larg. IETF a fost de acord s reutilizeze octetul TOS ca DS pentru reelele Diffserv. n scopul de a menine compatibilitatea invers cu dispozitivele de reea care nc utilizeaz cmpul Precedenta, Diffserv definete clasa Selector PHB. Codepoint-urile Class Selector sunt de forma "xxx000". Primii trei bii sunt bii de preceden IP. Fiecare valoare de preceden IP poate fi mapat ntr-o clas Diffserv. n cazul n care un pachet este primit de la un router care nu suporta Diffserv i care a utilizat markeri de preceden IP, routerul Diffserv poate nelege n continuare codificarea ca un codepoint Class Selector. Un flux de date care arat principiul Diffserv poate fi vzut n figura urmtoare:

Un avantaj al Diffserv este c toat modelarea i clasificarea se face la graniele dintre norii Diffserv. Acest lucru nseamn c, n nucleul Internet-ului, routerele pot continua rutarea, fr a le psa de complexitatea obinerii plilor sau de executarea acordurilor.

Un dezavantaj este acela c, detaliile despre modul n care fiecare router face fa unui domeniu de servicii este oarecum arbitrar i este dificil de prezis comportamentul end-to-end (de la un capt la altul). Acest lucru este complicat suplimentar dac un pachet traverseaz doi sau mai muli nori Diffserv nainte de a ajunge la destinaie.

Cel mai mare dezavantaj al Diffserv este c, la cel mai nalt nivel, el poate fi privit ca o soluie tehnic pentru o problem care nu exist. Deoarece Diffserv este pur i simplu un mecanism folosit pentru a decide care pachete s fie ntrziate i care eliminate, n detrimentul altora, n situaia n care nu exist suficient capacitate n reea, se consider c, atunci cnd Diffserv lucreaz prin eliminarea selectiv a pachetelor, traficul de pe legtura n cauz trebuie s fie deja foarte aproape de saturaie.


20

Orice cretere ulterioar a traficului va duce la eliminarea serviciilor de tip best-effort. Deoarece traficul pe Internet este foarte fluctuant, este destul de sigur ca acest lucru s se ntmple n mod regulat n cazul n care traficul pe o legtur este aproape de limita de la care Diffserv devine necesar.

Prin urmare, Diffserv este, pentru cei mai muli ISP, n principal, un mod de a raionaliza utilizarea reelei de ctre client pentru a permite o supra-rezervare mai mare a capacitii lor.

4.5 Servicii integrate (IntServ)

n reelele de calculatoare, IntServ sau serviciile integrate sunt o arhitectur care specific elementele care garanteaz calitatea serviciilor (QoS) n reele. IntServ, de exemplu, poate fi folosit pentru a permite ca fluxul video i cel audio s ajung la receptor fr ntrerupere. IntServ specific un sistem QoS detaliat, care este adesea n contrast cu sistemul de control Diffserv mai puin detaliat.

Ideea IntServ este aceea ca fiecare router din sistemul implementeaz IntServ i fiecare aplicaie care necesit un fel de garanii trebuie s fac o rezervare individual. "Flow Specs" descrie pentru ce este rezervarea, n timp ce "RSVP" este mecanismul de baz pentru a-l semnala de-a lungul reelei.

Resource ReSerVation Protocol (RSVP) este descris n RFC 2205. Toate mainile din reea, capabile s transmit date QoS trimit un mesaj PATH la fiecare 30 de secunde, care se rspndete prin intermediul reelelor. Cei care vor s le asculte trimit un mesaj RESV corespunztor (prescurtarea de la "reserve") care apoi urmeaz calea napoi la expeditor. Mesajul RESV conine specificaiile de debit.

Routerele ntre expeditor i receptor trebuie s decid dac acestea pot suporta rezervarea solicitat i, n cazul n care ele nu pot, trimite un mesaj de respingere la receptor pentru a-l informa. n caz contrar, odat ce accepta rezervarea, trebuie s efectueze traficul.

Routerele apoi pstreaz descrierea fluxului i, de asemenea, un set de politici asociate. Dac nu se recepioneaz nimic pentru o anumit perioad de timp, atunci cititorul va expira i rezervarea va fi anulat. Aceasta rezolv problema pentru cazul n care expeditorul sau receptorul sunt oprii n mod incorect, fr a anula rezervarea. Routerele individuale pot alege setul de politici de trafic pentru a verifica dac el este conform cu specificaiile de debit.

Problema cu IntServ const n faptul c multe stri trebuie s fie stocate n fiecare router. Ca rezultat, IntServ lucreaz la o scar mic, dar pe msur ce se trece la un sistem de dimensiunea Internetului, devine dificil urmrirea tuturor rezervrilor. Ca urmare, IntServ nu este foarte popular.

O cale de a rezolva aceast problem este utilizarea abordrii multi-nivel, n care rezervarea resurselor per-microflow (de exemplu, rezervri de resurse pentru utilizatorii individuali) se face n reeaua de margine, n timp ce, n reeaua de baz, resursele sunt rezervate numai pentru fluxurile agregate. Routere care se afl ntre aceste niveluri diferite trebuie s se adapteze la limea de band total rezervat de la reeaua central, astfel nct, cererile de rezervare pentru fluxurile individuale din reeaua de margine s poate fi satisfcute mai bine. A se vedea RFC 3175.

n mod tradiional, aceste servicii diferite au fost realizate prin intermediul reelelor separate: voce pe reeaua de telefonie, datele privind reele de calculatoare sau reele locale (LAN), teleconferine video de pe reele corporative private, precum i de televiziune, difuzate la radio sau prin reele de cablu. Aceste reele sunt, n mare parte, proiectate pentru o anumit aplicaie i nu sunt potrivite pentru alte aplicaii.


21

De exemplu, reeaua de telefonie tradiional este prea zgomotoas i ineficient pentru comunicarea de date n burst-uri (dar totui pentru ultima poriune, la majoritatea furnizorilor nc se folosesc firele de cupru tradiionale cu tehnologii ca xDSL). Reelele de televiziune care folosesc mediul radio sau cablul sunt reele cu emisie masiv, dar cu faciliti minime de comutare.

Este de dorit s existe o singur reea pentru furnizarea tuturor acestor servicii de comunicaii n scopul de a realiza economii de partajare. Aceasta economie motiveaz ideea general a unei reele integrate de servicii. Integrarea evit nevoia de reele suprapuse, ceea ce complic gestionarea reelei i reduce flexibilitatea n introducerea i evoluia serviciilor. Aceast integrare este posibil o dat cu progresele n domeniul tehnologiilor de band larg i de procesare de mare vitez a informaiilor.

Dei exist structuri de reea care pot ntreine servicii n band larg, un procent tot mai mare de band larg i furnizorii de MSO opteaz pentru structurile de reea pe fibr optic pentru a sprijini att cerinele de lime de band prezente ct i viitoare.

Reelele moderne trebuie s transporte trafic integrat care const n voce, video i date. Tipurile de trafic susinute de o reea de band larg pot fi clasificate n funcie de trei caracteristici: lime de band (bandwidth), laten, variaia ntrzierii (Cell-delay variation - CDV).

4.6 Asynchronous Transfer Mode - ATM

ATM a fost menit s asigure un standard de reea unificat, care ar putea sprijini att reelele cu canal sincron (PDH, SDH) ct i reeaua bazat pe pachete (IP, Frame Relay, etc), n timp ce susine mai multe niveluri de calitate a serviciului pentru traficul de pachete.

Ca rezultat, ATM ofer o tehnologie extrem de complex, cu caracteristici destinate aplicaiilor care variaz de la reelele globale de telecomunicaii la reele private locale de calculatoare. ATM a fost un succes parial ca tehnologie, cu rspndire pe scar larg, dar n general utilizat numai ca transport pentru traficul IP; scopul su, de a oferi o tehnologie unic integrat pentru LAN-uri, reele publice i serviciile de utilizator a euat n mare msur. n momentul de fa ATM este utilizat n backbone-urile multor operatori de reele de telefonie mobil, fiind utilizate pentru semnalizare, date de voce i trafic (planul de utilizator IP ).

ATM este un nivel de transport bazat pe canale. Acest lucru este cuprins n conceptul de cale virtual (VP) i circuit virtual (VC). Fiecare celul ATM are o pereche Virtual Path Identifier de 8 sau 12-bii (VPI) i Virtual Circuit Identifier de 16-bii (VCI) definit n antetul su. Lungimea VPI variaz n funcie de destinaie, dac celula este trimis pe interfaa de reea (pe marginea reelei) a utilizatorului, sau dac este trimis pe interfaa de reea a reelei (n interiorul reelei). Pe msur ce aceste celule traverseaz o reea ATM, trecerea se realizeaz prin schimbarea valorilor VPI / VCI. Dei valorile VPI / VCI nu sunt neaprat consecvente de la un capt la cellalt al conexiunii, conceptul unui circuit este coerent (spre deosebire de IP, caz n care fiecare pachet ar putea ajunge la destinaie printr-o cale diferit de a celorlalte pachete). Un alt avantaj al utilizrii de circuite virtuale este posibilitatea de a le folosi ca pe un strat de multiplexare, care s permit diferitelor servicii (cum ar fi voce, frame relay, IP, SNA, etc) s partajeze o conexiune ATM comun, fr a interfera.

Un alt concept ATM cheie este cel al contractului de trafic ATM ce fac parte din mecanismul prin care este asigurat "Quality of Service" (QoS). Exist patru tipuri de baz (i mai multe variante), fiecare cu cte un set de parametri care descriu conexiunea: CBR - rata de bii constant, VBR - rata de bii variabil, ABR - rata de bii disponibil, UBR - rat de bii nespecificat, VBR - are variante n timp real i n timp non-real.


22

Majoritatea claselor de trafic introduc i conceptul de toleran la variaia ntrzierii celulelor (Cell Delay Variation Tolerance CDVT), care definete "aglomerarea" celulelor n timp. Contractele de trafic sunt de obicei meninute prin utilizarea de "Shaping" (formare), o combinaie de ateptare i de marcare de celule i aplicate de ctre "Policing (politic).

Formarea traficului se face de obicei la punctul de intrare ntr-o reea ATM i ncearc s se asigure c fluxul de celule va ndeplini contractul su de trafic. Pentru a menine performana reelei este posibil s se reduc parametrii unor circuite virtuale mpotriva contractelor lor de trafic. n cazul n care un circuit depete contractul su de trafic, reeaua poate fie s elimine celulele, fie s marcheze bitul Cell Loss Priority (pentru a identifica o celul ca fiind ''de eliminat''). Politica de baz funcioneaz pe principiul celul cu celul, dar acest mod de lucru este sub nivelul optim pentru traficul de pachete ncapsulate (deoarece eliminarea unei singure celule invalideaz ntreg pachetul). Ca urmare, scheme ca Partial Packet Discard (PPD) sau Early Packet Discard (EPD) au fost create pentru a renuna la o serie de celule, pana la nceperea unui nou cadru. Acest lucru reduce numrul de celule redundante n reea, economisind lime de band pentru cadrele complete. EPD i PPD lucreaz cu conexiuni AAL5 deoarece utilizeaz bitul de la sfritul cadrului pentru a detecta sfritul pachetelor.

4.7 Multiprotocol Label Switching (MPLS) n crearea de reele informatice i de telecomunicaii, Multiprotocol Label Switching (MPLS) este un mecanism de suport de date care emuleaz unele proprieti ale unei reele cu comutaie de circuite peste o reea cu comutaie de pachete. MPLS funcioneaz la un nivel de model OSI, care este considerat n general c se ntinde ntre definiiile tradiionale ale nivelului 2 (nivelul legturii de date) i nivelului 3 (nivelul de reea) i astfel, adeseori este menionat ca fiind protocol de "nivel 2.5". Acesta a fost proiectat pentru a oferi un serviciu unificat de suport de date att pentru clienii pentru comutaia de circuite ct i pentru clienii pentru comutaia de pachete ce ofer un model de serviciu de datagrame. Acesta poate fi folosit pentru a transporta mai multe tipuri de trafic, inclusiv pachete IP, precum i ATM, SONET i cadre Ethernet.

Figura 4-5 Antetul MPLS

O prima motivaie n proiectarea MPLS a fost aceea de a permite crearea de switch-uri de mare vitez simple, deoarece, pentru o lung perioad, a fost imposibil s se transmit pachete IP n ntregime n hardware. Totui progresele n VLSI au fcut posibile astfel de dispozitive. Avantajele sistemice ale MPLS, cum ar fi capacitatea de a suporta mai multe modele de servicii, de a gestiona traficul, etc., rmn valabile.

MPLS acioneaz prin adugarea la nceputul pachetelor a unui antet MPLS, care conine una sau mai multe "etichete". Aceasta se numete o stiv de etichete. Fiecare intrare din stiva de etichete conine patru cmpuri: o etichet de valoare de 20 de bii, un cmp de 3 bii pentru prioritatea QoS, un bit sfritul stiveii un cmp TTL (timp de via) de 8 bii. Aceste pachete MPLS etichetate sunt transmise (comutate este termenul corect) dup o cutare n tabela de etichete, n locul unei interogri n tabela de rutare IP. Cutarea de etichet i comutarea de etichete pot fi mai rapide dect obinuita interogare a tabelei de rutare, pentru c pot avea loc direct n hardware i nu n CPU.


23

Cnd un pachet etichetat este primit de ctre un router MPLS, este examinat eticheta cea mai de sus. Pe baza coninutului etichetei, o operaie de swap (schimbare), push (punere) sau pop (scoatere) poate fi efectuat pe stiva de etichete a pachetului. Routere pot avea tabele de cutare predefinite care, n funcie de eticheta cea mai de sus a pachetului care intr, le spune ce tip de operaiune sa fac, astfel nct routerele s poat procesa pachetele foarte repede. Forwardarea pachetului se face pe baza coninutului etichetelor. La routerul de tip egress, atunci cnd ultima etichet a fost scoas, rmn doar datele. Acesta poate fi un pachet IP, sau oricare dintre o serie de alte tipuri de pachete de date. Routerul de tip egress trebuie s aib, prin urmare, informaii de rutare pentru datele pachetelor, deoarece acesta trebuie s le transmit fr ajutorul unor tabele de cutare a etichetelor. Un router de tranzit MPLS nu are nici o astfel de cerin. n unele cazuri speciale, ultima etichet poate fi de asemenea scoas la penultimul nod (nodul anterior router-ului de tip egress). Aceasta se numete Penultimate Hop Popping (PHP). Acest lucru poate fi interesant n cazurile n care router-ul de tip egress are multe pachete care prsesc tunele MPLS, consumnd astfel cantiti mari de timp de procesare. Prin folosirea PHP, routerele de tranzit conectate direct la acest router de tip egress reduc din ncrcare, eliminnd singure ultima etichet. MPLS poate utiliza infrastructuri de reea ATM existente, ntruct fluxurile sale etichetate pot fi mapate la identificatorii de circuite ATM virtuale i viceversa.

4.8 QoS n reelele de comunicaii mobile

Ultimele specificaii din 3GPP (ncepnd cu Release 6) fac conversia spre o "All IP Network". n UMTS i standardele succesoare (HSxPA, LTE) QoS se poate regsi pe mai multe interfee n interiorul unei reele de comunicaii mobile. Se poate vedea de asemenea c VoIP a ctigat mult n ultimii ani.

Pe interfaa Uu singura posibilitate pentru QoS este aceea de a avea parametri diferii pentru fiecare purttoare - Radio Access Bearer, cum ar fi modul de transmitere confirmat sau neconfirmat (neconfirmat pentru aplicaiile pentru care ntrzierea mic este mai important dect eroarea n pachete).

Interfaa Iu este interfaa dintre RNC i SGSN. O parte din caracteristicile de QoS ar trebui s fie deja aplicate n direcia uplink de ctre RNC urmnd principiul de a limita fluxul ct mai curnd posibil, astfel nct, ct mai puine resurse s fie folosite n reea. Acest lucru nseamn c GGSN ar trebui s limiteze fluxul pentru direcia downlink. Pe aceast interfa putem vorbi despre QoS legat numai de nivelul de utilizator, deoarece nivelul de control are deja resurse proprii alocate. Conexiunea de control are propriul su canal virtual, cu o rat de bii garantat. n specificaia 3GPP este menionat faptul c aici, pachetele din fluxuri diferite pot fi marcate n conformitate cu DSCP specifice. Acest lucru depinde desigur de clasa de trafic. Acest lucru influeneaz modul n care pachetele sunt tratate n SGSN n funcie de diferitele RNC-uri de la care vin sau n funcie de aplicaia de care aparin pachetele. De exemplu pachetele pentru un transfer FTP dintr-un context PDP cu clasa de trafic "background" pot fi eliminate atunci cnd nu exist suficiente resurse disponibile pentru o sesiune de streaming de date dintr-un context PDP cu clasa de trafic "streaming". n acest fel, traficul pentru FTP este redus n mod automat n timp ce cererea de streaming nc i primete datele cu parametrii garantai (rata de bit i de ntrziere).

Un avantaj al punerii n aplicare a DiffServ n reelele de telefonie mobil este acela c ntreaga reea are acelai proprietar, astfel nct DSCP sunt definite pentru ntreaga reea, n timp ce furnizorii de reele fixe trebuie s fac acorduri ntre ei. Nivelul de transport pentru interfaa Iu este ATM pn la Release 6 din specificaiile 3GPP, iar ncepnd cu Release 6, acesta poate fi i IP.


24

Acesta ofer o mai mare flexibilitate n implementare i n acelai timp costurile pot fi reduse, deoarece n cazul folosirii reelelor Ethernet pentru transportul IP echipamentele sunt deja uzuale i prin urmare, mai ieftine.

Pe interfaa Gn tehnologia Diffserv de pe planul utilizator al interfeei Iu, se aplic de asemenea, dar diferena este c n SGSN DSCP-urile pot fi modificate, dar nu obligatoriu, pentru a se potrivi cu cele de la GGSN. Acest lucru poate fi util i pentru abonaii care sunt n roaming, deoarece, n acest fel se pot face acorduri cu partenerii de roaming pe interfaa Gp.

Pe interfaa Gi DSCP-urile pot fi schimbate, dar de data aceasta n scopul de a se adapta la alte posibile soluii QoS care sunt disponibile n continuare la furnizorul de Internet. Pe aceast interfa GGSN limiteaz traficul downlink n funcie de QoS stabilit pentru un anumit context PDP.

4.9 Maini algoritmice utilizate n modelare

Procesarea pe baza QoS este modelat n abordarea generic pentru domeniul telecomunicaiilor cu maini algoritmice de stare (ASM-Algorithmic State MAchines) Automate cu Stri Finite (FSM Finite State Machines) precum ip_dispatch i ip (care vor fi utilizate efectiv n implementrile din capitolul 6).

Maina algoritmic de stare ip_dispatch cuprinde urmtoarele stri: primele 4 stri iniializeaz att diferitele variabile de simulare ct i parametrii de MPLS (dac este cazul), urmtoarea stare cmn_rte_tbl asigur redistribuirea informaiilor de rutare ntre diferitele protocoale de rutare din acest nod, n starea inactive se intr n cazul n care nicio interfa nu este activ, n starea init_too se finalizeaz iniializarea iar la final se intr in starea idle n care se ateapt pachete ce vor fi apoi forwardate mai departe n baza adresei destinaie.

Este foarte important ca n cazul existenei mai multor interfee IP (ca n cazul unui terminal multimodal) s fie definit indexul adresei IP pe conexiunile ce intr n acest ASM, pentru a se putea mapa adresele IP definite n atributele nodului cu interfeele fizice definite n modelul nodului.

5 QoS pentru streaming mobil de date

5.1 Calitatea tele-transmisiei de date pentru msurri mobile

Reelele celulare wireless sunt omniprezente n zilele noastre n aplicaii de transmiterea datelor n scopuri civile / de uz general, fiind disponibile acum pentru mai mult de 3 miliarde de abonai la nivel mondial i avnd un impact major asupra vieii lor personale i profesionale. Am efectuat un studiu de caz bazat pe un banc de lucru cu vitez mare de achiziie a datelor, prin intermediul unui osciloscop digital cu transmisie n timp real: schema de conversaie n timp real este caracterizat de faptul c, timpul de transfer ar trebui sa fie sczut (datorit naturii conversaionale a schemei) i n acelai timp, de faptul c relaia de timp (variaia) ntre entitile de informare a fluxului ar trebui s se menin similar fluxurilor de timp real. ntrzierea maxim a transferului este dat de percepia uman a conversaiei audio i video. Prin urmare, limita maxim acceptabil a unei ntrzieri de transfer este foarte strict, deoarece o ntrziere de transfer care nu este suficient de sczut va determina o lips de calitate inacceptabil.

La msurtori s-au luat n considerare diferite aplicaii, precum telemedicina, comunicaiile industriale.


25

Figura 5-1 Scenarii pentru msurtori de la distan prin PLMN

a) cu transmisie descendent (DownLink) b) cu transmisie ascendent (UpLink)

Mediul de testare cu echipamentul PLMN Siemens a inclus : Reeaua de Acces Radio (RAN) - BTS/Node-B UMTS,BSC/RNC UMTS, Centrul de comutaie al traficului de voce (Switching Center)- MSC i TRAU , Centrul de comutaie al traficului de data (Data Center) - SGSN i GGSN CISCO. Att sonda ct i clientul pot fi fici sau mobili, locali sau la distan. Se pot imagina scenarii diferite, cu uniti mobile de test (de exemplu, vehicule, pacieni) avnd ataate nregistratoare i transmitoare de date i/sau echipe mobile de supraveghere-diagnostic-intervenie, etc.

Obiectivul este acela de a stabili o conexiune de msurare la distan fiabil i de a realiza cteva teste pentru a determina modalitatea cea mai eficient n transmiterea experimental a datelor electronice, n ideea unui efect n timp real n manipularea i operarea la distan a echipamentelor.

Pentru aceasta s-a folosit transmiterea de tip TCP/UDP. Elementele reelei n acest caz sunt mprite n : mediul de transport al reelei, care permite transmisia, i echipamentul de achiziie a datelor. Identificarea impactului pe care l are limitarea tehnic a acestora asupra msurrii la distan este unul din scopurile acestui studiu.

Echipamentul pentru achiziia de date (DAQ) (mpreuna cu senzorii/traductorii i prelucrarea semnalului local) aplicat pe unitatea test, conectat la PC portabil ("palm-top" or "lap-top") sau fix ("desk-top") este denumit ''sond''. PC-ul fix sau mobil din partea de recepie este clientul care colecteaz valorile msurate de la distan. Sonda i clientul pot avea conexiuni mobile (de ex. acces wireless folosind un modem mobil pentru conectarea la un PC).

Majoritatea testelor s-au efectuat pe o platform GPRS/EDGE. Din punct de vedere al accesului radio, transmisia este de tip Up Link (UL) dac pornete de la terminalul mobil spre reea i Down Link (DL) n cazul opus. n general, mbuntirile reelei se fac mai nti n sensul Down Link (DL) pentru a mri limea de band disponibil. Enhanced Data Rates pentru Evoluia GSM (EDGE) este o consolidare de tip suprapunere pentru GSM 2G/2.5. Ratele de date posibile la nivel fizic pentru DL sunt de pn la 236.8 kbii/s, pentru 4 timesloturi (maximul teoretic este de 473.6 kbii/s, pentru 8 timesloturi) n modul de pachete. Dup ce Activarea de Context PDP este acceptat de reea la cererea terminalului mobil, abonatul i PC-ul lui conectate prin intermediul unei legturi USB sau Bluetooth, pot s comunice pe Internet sau cu ali abonai din reea pe baza IP-ului atribuit de GGSN.


26

La cellalt capt, staia sau clientul (n funcie de situaie, a se vedea Figura 5-2) sunt conectate pe interfaa Internet/Gi.

Achiziia de date a fost efectuat prin utilizarea osciloscopului digital PCS VELLEMAN-500, fie cu date simulate (n "modul demo") fie cu msurare real. Osciloscopul ofer un numr reglabil de mostre pe cadru transmis (200 - 5000, capacitatea buffer-ului ; valoarea implicit este 1000) a semnalului msurat real sau simulat intern. Cele dou rate principale aplicate transmisiei de date sunt: rata de eantionare (o valoare reglabil de la 1250 la 50.000.000 de eantioane/s) aplicat la semnalul msurat, precum i rata la care buffer-ul este citit. Aceste dou valori trebuie s fie corelate; citirea buffer-ului nu ar trebui s se fac dect dup stocarea urmtoare n buffer - a se vedea formula (3) de mai jos.

Msurarea efectiv a semnalului cu osciloscopul produce simultan 5000 de eantioane depozitate n memoria buffer-ului I/O prima locaie stocheaz Rata Eantioanelor [Hz], a doua locaie Scala Complet [mV], a treia locaie Offset-ul [mV] i celelalte locaii, pn la 5000, datele dobndite (cu 8 bii / eantion scalat i centrat). Rata de eantionare, SR i numrul de citiri (NOR) pe secund sunt:

sec/.5000sec1

.ReadingsofNo

SamplesofNoSR )Hz(

5000sec/

SRNoR

Ecuaia 1 Ecuaia 2 ceea ce duce la Timpul de Ateptare (TTW), pn cnd buffer-ul este plin i poate fi citit din nou:

Ecuaia 3

n cazul transmisiei TCP, ne intereseaz n mod deosebit Timpul Round-Trip (RTT) care se msoar ntre momentul de timp n care un pachet IP este trimis i momentul de timp n care confirmarea corespunztoare acestuia este primit. Aceasta este ntrzierea care ar putea fi perceput de ctre un operator.

n cazul transmisiei UDP, un parametru important n studiul calitii serviciilor l reprezint jitter-ul. Acesta reprezint variaia intervalului de timp dintre dou eantionri succesive i are un efect asupra operatorului uman similar cu cel al RTT-ului n cazul TCP. nainte de fiecare msurare, legtura de date este investigat cu un test de lime de band i fiabilitate (pierdere de pachete, ntrzieri), folosind un instrument dedicat, Iperf (cu interfa grafic Jperf) pentru msurarea limii de band TCP / UDP maxime. Pentru msurarea limii de band (i pentru ali parametri QoS) am utilizat Ethereal / Wireshark. Limea de band n graficele Jperf a fost exprimat n kbps (Y-kbps, XS).

Eantioanele sunt citite din buffer-ul de memorie i apoi transmise clientului prin IP - TCP cu mecanism propriu de detectare a erorilor i UDP cu detectare a erorilor simple (conexiunea este ncheiat atunci cnd eantioanele sunt pierdute). n acest proces, eantioanele nu sunt modificate n niciun fel, astfel nct, la client vor fi aceleai caracteristici metrologice ca cele ale osciloscopului digital utilizat.

n scopul de a programa transmisia i recepia de date la nivelul sondei i al clientului, s-a utilizat LabView, care poate rula, de asemenea, pe smartphone-uri (s-a utilizat HTC P3600 - GSM-GPRS-EGDE / 3G-UMTS-HSDPA / WiFi / Bluetooth / IrDA / GPS / Windows Mobile 5.0). Streaming-ul de date a fost fcut prin intermediul TCP sau UDP de ctre PDP (Packet Data Protocol) stabilit n prealabil, ntre terminalul mobil i PLMN (GGSN), utiliznd funciile definite pentru transportul TCP i UDP. Toate testele au fost efectuate cu 200 de eantioane.

)msec(10005000

(sec)5000

SRSRTTW


27

La sond (partea de server), VI care controleaz osciloscopul digital (folosind driver-ele oferite de VELLEMAN) ca un ''digitizer", citete datele din buffer-ul de memorie (unde au fost obinute), cu o frecven care depinde de valoarea bazei de timp (aceasta este prima citit din memorie). Octeii sunt apoi trimii la conexiunea TCP, precedai de numrul de eantioane care urmeaz s fie trimise. Astfel, lungimea de pachete IP este proporional cu numrul de eantioane trimise. Programele pot recunoate i trata erori de transmisie. Ecranul osciloscopului digital Velleman PCS-500 a fost simulat la client (partea receptoare), acesta procesnd datele trimise de la sond.

Calitatea bun a serviciilor (QoS) a permis clientului de la distan s perceap datele msurate i s interacioneze cu interfaa emulat a Osciloscopului (" skin ") imediat, n timp real (fr o ntrziere perceptibil, aa cum este definit n documentul 3GPP QoS) , similar operrii on-site. n cazul n care o eroare de transmisie are loc n mediul de transmisie, aceasta este tradus n ntrzieri la partea receptoare i n consecin, forma de und afiat (oscilograma) este oprit temporar.

Acest studiu de caz evolueaz de la soluiile precedente de msurare la distan dezvoltate la Universitatea "Transilvania" din Braov, n colaborare cu Universitatea Tehnic Naional din Atena , bazate pe arhitectura client/server (serverul de web & servere banc de lucru - la nivel de ''sond'' cu Instrumentul naional PCI-6024E sau AT-mio-16E10 DAQ), care implic mediul de transmisie Ethernet.

Accentul n acest studiu a fost pus pe capabilitile cheie ale reelei celulare de streaming de date n timp real, evaluate n Downlink (DL) i uplink (UL): n DL, "clientul" mobil a constat n terminalul GSM / GPRS / UMTS / HSDPA conectat la hardware-ul de date de reprezentare i de software (a se vedea Figura 5-1.a); n UL, "sonda" mobil a constat n terminale GSM / GPRS / UMTS / HSDPA conectate la achiziia de hardware & software.

Terminalul mobil este conectat la reea cu modul de pachete de date activat. Datele din msurtorile reale sau simulate sunt transmise ntre client i sonda VI-S. Clientul semnaleaz primirea datelor printr-o "sincronizare" elementar (recunoaterea unui caracter simplu trimis la server). Dup fiecare 50 secunde, setarea Time / Div de pe osciloscop a fost sczut de la rata de pornire de 100ms pn la unele mai mici ca 1s. Acest lucru a dus la umplerea mai deas a buffer-ului i la o rat mai mare de transmitere. Cu ct este mai mare rata, cu att este mai mare probabilitatea unui RTT mai lung (TCP) sau Jitter mai mare (UDP).

Primul scenariu este cu acces EDGE pentru transferul DL TCP reprezentat n Figura 5-1.a. Limea de band disponibil este msurat cu Jperf i Ethereal / Wireshark, att la client ct i la sond. Dup cum este ilustrat n Figura 5-2.a, la nceputul transmiterii, timp de aproximativ 2 secunde, nu exist niciun transfer de date din partea ''sondei " (server-ului). Acest lucru este cauzat de configurarea canalelor radio. Vrful de la client este cauzat de umplerea bufferelor de transmisie. Dup ce canalele de radio sunt setate, bufferele sunt golite, fapt care creeaz un vrf n transmisia de date. Creterea mic (dar stabil) a limii disponibile de band este cauzat de aj

Contribuţii la Calitatea Serviciilor în Comunicaţiile Mobile ...

Documents

Transcript of Contribuţii la Calitatea Serviciilor în Comunicaţiile Mobile ...

contribuţii la cercetarea interacţiunilor medicamentoase dintre ...

ROMÂNIA AVIZAT, JUDEŢUL ARAD SECRETAR CONSILIUL LOCAL … · comunicaţiile, transportul, comerţul, turismul şi serviciile imobiliare. 2.2.2. Descrierea activităţii de salubrizare

Contribuţii la studiul cinematic al roboţilor antropomorfi

Mobile Programming - Arhitectura Aplicatiilor Mobile

Contribuţii româneşti la zboruri spaţiale internaţionale

Contribuţii privind creşterea calităţii managementului ...

Comunicatii Mobile

Contribuţii la modelarea, proiectarea şi dezvoltarea interfeţelor ...

CONTRIBUŢII LA MODELAREAdigilib.utcb.ro/repository/ccn/pdf/rusanucristian.pdfuniversitatea tehnicĂ de construcŢii bucureŞti contribuŢii la modelarea structurilor de beton armat

CONTRIBUŢII PRIVIND ÎMBUNĂTĂŢIREA PARAMETRILOR ...

privind comunicaţiile electronice...privind comunicaţiile electronice Având în vedere Directiva 2002/19/CE a Parlamentului European şi a Consiliului din 7 martie 2002 privind

CONTRIBUŢII PRIVIND MANAGEMENTUL LANŢULUI LOGISTIC ÎN ...

TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT CONTRIBUŢII LA CONCEPEREA ...

CONTRIBUŢII PRIVIND TEHNOLOGIA DE REALIZARE ...

Contribuţii la studiul cinetostatic al roboţilor antropomorfi

Contribuţii la modelarea, proiectarea şi dezvoltarea ...

Contribuţii ştiinţifice ale profesorilor Facultăţii Economie

Retele Mobile

Mozilla mobile

Aparatele Mobile