CAC-RD: Controle de Admiss˜ao de Chamadas para Redes...

Carlos Renato Storck

CAC-RD: Controle de Admissao de

Chamadas para Redes UMTS

Dissertacao de Mestrado apresentada ao Pro-

grama de Pos-Graduacao em Informatica

da Pontifıcia Universidade Catolica de Mi-

nas Gerais, como requisito parcial para a

obtencao do grau de Mestre em Informatica.

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

ii

Agradecimentos

A Deus,

Aos meus pais,

Amigos e familiares.


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.

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


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

http://pt.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_Transfer_Mode

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


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.


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


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.


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-


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.


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


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


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

http://pt.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_Transfer_Mode


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 Tf0.00


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


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 ERBs

Banco de Dados

Comutação a Circuito

Comutação a Pacotes

HLR

PSTN

Internet

ERBs

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


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 Aplicação

ALCAP(s)

Dados Streams

portadoras de sinalização

portadoras de sinalização

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


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.


16

UE

RRC

RLC

MAC

Física

ERB

RRC

RLC

MAC

Física

Figura 2.4: Camadas UMTS.

IFQ IFQ

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.


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.


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


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


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.


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


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


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 CNGateway

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 desuporte à CN

Serviço de suporte

Backbone Serviço de suporte de

acesso a RAN

Serviço desuporte 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]).


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.


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


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 bh 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

)()( oldh

newh b

CBPfHFPfb

+=


28

(3.1)

(3.2)

(3.3)

7,0001,0 )(


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


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


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.


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.


chamadas das classes background e interactive.


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.


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


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


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


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.


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 prioridade

Reserva de canais

Diagnóstico da rede

Distribuição de canais


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


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.


42

Algorithm 1 Algoritmo de Reservas para Soft Handover baseado em Probabilidades // A cada 3 segundos faça

// )(21)( .2

)()( oldh

newh b

CBPfHFPfb

+=

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 )( ≤≤ newhb

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 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

βHFPmHFPf ; sendo = -0.02 e 1m 1β = 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 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

βCBPmCBPf ; sendo = 0.08 e 2m 2β = 0.1

return (0,08 * log10 (percent_blocked / B2) + 1) ; end if end function


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


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),


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


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


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


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


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.




Tempo (s)

Atraso médio (s)

Tempo (s)

Tempo (s) Tempo (s)

Atraso médio (s)

Atraso médio (s)

Atraso médio (s)


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


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.




Tempo (s)

Variação do atraso médio (s)

Tempo (s)

Tempo (s) Tempo (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


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


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.




Tempo (s)

Vazão (bps)

Tempo (s)

Tempo (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.


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

3641

24

6

2831

12 15

01020304050

800 900 1000 1100

Total de usuários na rede

Prob

abili

dade

de

bloq

ueio

s (%

)

CAC-J

CAC-RD

Figura 5.14: Probabilidade de bloqueios de handovers no cenário urbano.


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

49555143

48463637

0

20

40

60

800 900 1000 1100


Núm

ero

de b

loqu

eios

CAC-J

CAC-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.


58

Bloqueios da Classe Streaming

79

443

3

76

02468

10

800 900 1000 1100


Núm

ero

de b

loqu

eios

CAC-J

CAC-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

25

4

7

4

5

202468

10

800 900 1000 1100


Núm

ero

de b

loqu

eios

CAC-J

CAC-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


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

105

3

7

3

10

5

10

02468

1012

800 900 1000 1100


Núm

ero

de b

loqu

eios

CAC-J

CAC-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

7365

51

74

68

5145

0

20

40

60

80

800 900 1000 1100


Núm

ero

de b

loqu

eios

CAC-J

CAC-RD

Figura 5.19: Total de bloqueios no cenário urbano.


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 25,63734 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 14,20298 76,9231 14,7929 23,0769 14,7929 74,4828 28,4323 25,5172 37,17919 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

xxi − xxi − xxi − xxi −

Tabela 5.2: Média, desvio padrão e variância para chamadas aceitas e bloqueadas.


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.


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.


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


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.

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