Calidad
de Servicio en
LTE
(Long
Term
Evolution)
Mauricio
iturralde
R.
ingeniero en Sistemas, aspirante
PHD
laboratorios
IRIT
(Toulouse, Francia)
\,^ww.miturraide.com
/
mauricio-iturralde@irit.fr,
mauro@miturralde.com
RESUMEN
Este
artículo,
expone lasinnovaciones tecnológicas de
LTE
(Long
Tem
Evolution),
enfocadas principalmentealfuncionamientode lacalidad de servicio. Esteartículo
explica
elconceptode "bearer", su arquitectura yloselementosnetamente
ligados
a
este.
Al
mismo
tiempo,este documento explica elfuncionamientode laasignación de re
cursosalusuario, elconcepto de asignación de recursosequitativayjusta(fairness)
entre
usuarios, y una orientación del camino aseguir.
Al
final
del articulose expone los avances actuales en eltema, el trabajo que se está
realizando,
sus
[imitaciones
y
expectativas.
LTE
es actualmente el mejor candidato a suceder a latecnología
3G.
Estandarizado
por
3CPP,
LTE
pretende
cubrir
las
necesidades
multimedia
de las
cuales
carece
la
tecnología
en
auge.
Como
cualidades
innovadoras,
LTE
propone
altas
velocidades
de
transmisión
de
datos.
ABSTRACT
Thisarticle, describes some
LTE's
technological innovations speciallyfocused on a
Quality
of service
(QoS)
concept, its architecture and some elements deeply
in-
volved
in
it.
Atthe same time, this paper explains the resource allocationto users, fairness con
ceptbetween
users,
andan orientation aboutthe pathto
follow.
Towards
the end
of this article, the current advances about QoS in
LTE,
as well as the current work,
its limitation and expectations are presented.
LTE
is nowadays the best candidate
to
3G
technology
success.
Supported by
3GPP,
LTE
ctaims
to cover
multimedia
requirements
which
actual
tech
nology
lacks;
asinteresting
Innovative
qualities
LTE
propose
high
speeddata
trans-
missions.
24
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
NTRODUCCION
La evolución de las
telecomunicaciones
busca
facilitar a los
operadores
los
medios
para
brindar
al usuario un servicio
acorde
al
mercado
actual,
un servicio
adaptado
a
las necesidades tecnológicas
contemporáneas.
LTE
es una
tecnología
4C
que
tiene
como
características
especiales
que
lo diferen
cian
de
otras
tecnologías
como
las 3G, velocidades de 100 Mbps de bajada, y 50
Mbps
de
subida, su
capacidad
de
interconexión
con
tecnologías
orientadas
a IP ej.
Wifi,Wimax, transmisión de
paquetes
de gran
tamaño,
multimedia en
tiempo
real
(juegos en tiempo real), video streaming en tiempo real
(TV
móvil),
VOl
Pentreotros.
Un
elemento
clave
que
juega un rol
importante
en
esta
evolución tecnológica es la
"calidad de servicio". Su término técnico es QoS (Quality of service).
Este
escrito
explica la
arquitectura
de QoS y su
funcionamiento.
Este artículo
está
organizado
de la siguiente
manera.
Laprimera
parte
introduce
el
concepto
de
bearer
ysu función
en
la calidad de servicio, a
continuación
se
explica
sobre
los
parámetros
de QoS y sus mecanismos,
posteriormente
su funcionamiento en relación a la asig
nación de
recursos,
trabajos
actuales
y
trabajos
futuros.
kEL
TRANSPORTADOR
(bearer)
El
transportadorobearer como es llamado en inglés, es el flujo de paquetes que son
enviados
entre
el
gateway
PDN-CW
(para downlink) y el usuario final
UE
oterminal
(para upiink) yviceversa.
El
flujo de
datos
que
existe
entre
una aplicación cualquiera,
ubicada en el terminal y un servicio dado,
pueden
ser
agrupados
y
tratados
de ma
nera
separada
según
la característica de la aplicación. Esta categorización es
efec
tuada
con el fin de
entregar
al usuario los recursos necesarios de
manera
óptima
(ejemplo, el flujo datos de video conferencia no puede
ser
tratado de igual manera
que unflujode voz), según sus necesidades. Aesteflujode datos se loconoce como
SDF(service
data
flows).Estos SDF
son
clasificados
por
unos filtros de
paquete
(pac-
ket filters) ubicados en la terminal y en el gateway (Figura 1). Para clasificar los
SDF
en la red,
según
el usuario
que
los envía, se utiliza una dirección iP en la terminal, la
misma que será utilizada como
dato
de referencia.[1]
Los SDF
que
son
enviados
por
un
mismo
bearer
son
tratados
con
las
mismas
carac
terísticas de calidad
de
servicio,
por
ejemplo, políticas
de
ordenamiento
Qa
Tipo
de
recurso
Prioridad
Retardo
del
paquete
Tasa
de
pérdidade
paquetes
Ejemplo
deservidos
1 2
100
ms
10A-2
VozConversacional
2GBR 4
150
ms
10A-3
VideoConversacional
3350
ms
10A-3
Juegos
en
tiempo
real
4 5
300
ms
10A-6
Video
no
conversacional
(buffered
streaming)
51
100
ms
10A-6
Señalización IMS
6 6 300 ms
10A-6
Video
{Buffered
streaming)
TCP
(chat,
email,
ftp,
p2p,
video
progresivo)
7
Non-
GBR 7
100
ms
10A-3
Voz
Video
(Live
streaming)
Juego
interactivo
88
300
ms
10A-6
\fideo
(Buffered
streaming)
99
TCP
(chat,
email,
ftp,
p2p,
video
progresivo)
Tabla
l
Caraaeristicas
estándar
de
QCI
para
LTE.
(schedulíng), políticas de filade espera, políticas de tarifa, etc. Para un tratamiento
diferente
de
SDFs
es
necesario
utilizar
varios
bearers.
Acada
bearer
es asignado un valor escalarllamado
QCI
(QoS Class Identifier) el cual
especifica la clase a la
que
dicho
bearer
corresponde
(Tabla 1).
25
UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DE
AMBATO
/INVESTIGACIÓN Y
DESARROLLO
Existen bearers de tipo "default bearer" y"dedicated bearer" (Figura i).
GBR y Non-GBR
En
LIE
existen dos tipos de bearer,
GBR
(guaranted bit rate) y
Non-GBR
(Non-gua-
ranted bit rate). Unbearerde tipo
GBR
garantiza una tarifa de transmisión dedicada,
la misma
que
será siempre asignada
de
manera
permanente
desde
que
un
bearer
se
crea
omodifica
hasta
que
este
se elimina. Con
esta
característica LIE
pretende
evitar la pérdida de
paquetes
que
ocurre
debido
a la congestión
(desbordamiento
de buffers), priorizando así la negación de un servicio
sobre
la ruptura del servicio.
Por
otra
parte
un
bearer
de tipo non-GBR
puede
experimentar
pérdida de
paquetes.
A la iniclalización de la comunicación el
bearer
creado
por
omisión
siempre
será
de
tipo
Non-GBR.
Como
ejemplo
claro
sobre
la utilidad de
bearers
de
tipo
GBRy non-
GBR,se
puede
mencionar
a un
bearer
de
tipo
GBR
para
la
transmisión
de
datos
PiP,
donde
no
puede
existir perdida alguna,
pero
por
otra
parte
para una transmisión
de video streaming
(no
en
tiempo
real)
donde
la pérdida de
paquetes
es tolerable
y la utilización
de
un
bearer
de tipo Non-GBRoptimizaría
recursos.
Para el
ruteo
correcto
de
paquetes
por
los bearers existentes, LIE utiliza los filtros
de
paquete
(Packet Filters)
antes
mencionados,
tanto
en el terminal
como
en
el ga-
teway, estos filtros clasifican los paquetes conjuntamente con funciones
PCRF
(Po-
llcy
and Charging Rule Function) [i].
LIEha creado un estándar de características
QCI
(QoS Class Identifier), las cuales
son
utilizadas
como
referencia para los fabricantes de dispositivos ypara desarrollo
de aportes tecnológicos relacionados al scheduling (Tabla i).
A
más
de
estas
características
QCI,
LTE
presenta
otros
atributos
de QoS los
cuales
están
ligados al bearer:
ARP(Allocation and Retention Priority): utilizado para el
tratamiento
del control del
bearer, específicamente control referente la creación o retención de un bearer [i].
GBR:
Representa la tarifa
de
tráfico mínima reservada ygarantizada para la
trans
misión
de
paquetes.
Este
atributo
existe
solo
en
bearers
de
tipo
GBR.
MBR
(Máximum bit rate)
Es
latarifa máxima de tráfico utilizadapara limitaral bearer
(un
bearer
no
puede
exceder
esta
tarifa). Este
parámetro
es utilizado
solamente
en
bearers
de
tipo
GBR.
AMBR
(Aggregate
MBR):
es lacantidad total de tarifa de bits destinada a un grupo
de bearers de tipo non CRB.Este
atributo
será utilizado
por
los
operadores
para cla
sificar al usuario
según
sus
abonamientos
comerciales, ycaracterísticas de servicio
contratado.
Default
Bearer
Packet
Filters
IP
Address
Dedicated
Bearer
Figura 1.Funcionamiento del Bearer
26
$«fyiC<Pl
Ui-Urtimpt)
S*<víc«
2
(«i-
'2'
lh«riti|)
Spryicp}
Itj.
IMS«o<ct9Wrv)
Packet
Flows
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
Mecanismos
de
QoS
Existen
dos
mecanismos
para
el
control
de
la calidad de servicio en
LTE.
Procedimientos
de
señalización
de
control
-
donde
el
"Controlador
de
Políticas"
(Pólice Controler) es quien decide la
manera
de
tratamiento
del flujo de
paquetes
que correspondientes a cada usuario según los parámetros de QoS.fi]
Es
esta
interface
llamada
Controlador
de políticas
quien
posee
un
grupo
de
reglas
en el gateway,
estas
reglas son usadas para lanzar la
orden
de creación de un nuevo
bearer
o la modificación de un
bearer
ya
creado.
Funciones
de
usuario - Son funciones
que
pueden
ser
asignadas adiferentes
nodos
yclasificadas
en
funciones
que
operan
en
relación al flujo
de
paquetes,
en relación
a un bearer ogrupo de bearers [2]. Estas funciones tienen como objetivo realizar el
trabajo de clasificación y
ruteo
de
paquetes
mediante
los diferentes bearers hacia
los
distintos
usuarios.
Scheduling yasignación
de
recursos.
El
objetivo
de
LTE
no se limita
simplemente
a una
arquitectura
de calidad de
servido
innovadora,
esta
debe
ser
complementada
por
una asignación de
recursos
justa, y
una planificación
de
tareas
óptima
(scheduling).
En
LTE
el scheduling es realizado en la estación
base
llamada e-node 6. Esta
tarea
la
realiza una interface la cual es
responsable
de
la asignación dinámica
de
recursos
entre
los
bearers
tanto
en
upilnk
como
en downlink.
El
objetivo
es
mantener
un nivel
de
calidad
de
servicio
alto
y
eficiente,
administrando
los
recursos
de
red
óptima
mente
entre
los
usuarios.
Para
esto
es necesario la utilización de algoritmos
de
ordenamiento.
Estos algorit
mos
tomaran
como
parámetros
los
atributos
de QoS
recientemente
mencionados
en
este
artículo (Tabla1),junto con otros parámetros externos al bearer, como son:
las condiciones de radio, el
estado
de los diferentes bearers, entre otros (Figura 2).
Tomando en cuenta
todos
estos
parámetros, los algoritmos de ordenamiento
deben
tomar
la decisión de asignación
de
recursos
justa
y
óptima,
según
las
necesidades
de
los
usuarios.
Estas
necesidades
serán
diferentes
en
muchos
de
los
casos,
es
ahí
donde
entra en juego el concepto de justicia (fairness).
Por ejemplo, teniendo en una célula varios usuarios
que
necesitan transferir
datos
en
un
protocolo
P2P,
otros
que
usan
aplicaciones
de
juegos
en
tiempo
real,
otros
que
usan el servicio de video conferencia yalgunos
que
solo necesitan voz
conver
sacional. Tomando en
cuenta
estos
parámetros,
para realizar la distribución
de
re
cursos, se puede plantear preguntas como:
En
qué orden de prioridad se deben
clasificar
a
los
usuarios?
Condiciones
de
Radio
Estado
de
bearers
Seheduler
Algoritmos
de
asignación
de
recursos
Atributos
QoS
QCI.GBR.ARP
Orden
de
asignación
de
recursos
a
usuarios
Situaciones
de
Interferencia
Figura 2. Sehedulery sus
parámetros
Aque usuarios se deben asignar más recursos? Que
tarea
es la más importante?.
El
scheduling aun no está estandarizado en
LTE
y es un tema de investigación que
se
está
realizando en
este
momento
en
diferentes
centros
investigativos
alrededor
27
OtfeCNfQ
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
del mundo,
por
ende
aun hay
mucho
que
hacer
referente
a
esto.
Existen algoritmos de asignación de recursos
que
han sido utilizados en tecnologías
anteriores
a LTE
como
UTMS, GSM
etc.
Algoritmos como Proportional fairness (PS) [2], máximum sum rate (MSR)[2], má
ximum fairness [2], round Robín [3] entre otros, han sido evaluados en relación a
su funcionamiento en tecnología
LTE.
Lamayor
parte
de
estos
algoritmos no
sopor
tan
requerimientos
de
multimedia
por
lo
que
no
son
aptos
para
ser
utilizados
dentro
de
LTE.
Variaciones de
estos
algoritmos
han
sido
propuestas
con
respecto
adownlink, Ex-
ponential Proportional fairness (EXP/PF) [3]. Hasta hoy, los resultados
de
las simu
laciones no
son
lo
suficientemente
buenas
como
para
cubrir
las
expectativas
necesarias
por
LTE.
TRABAJOS
FUTUROS
Actualmente
existen
operadores
telefónicos
que
están
realizando
pruebas
LTE
en
algunos países,
aunque
la fecha
tentativa
para el cambio
apunta
al 2012.
3GPP no ha
estandarizado
la
norma
LTE
en su
totalidad,
aun
existe
mucho
trabajo
por
hacer, especialmente en la
parte
relacionada al scheduling, funciones de control
de admisión, algoritmos de asignación de recursos en
tiempo
real, control
de
han-
dovers,
etc.
En la actualidad se está desarrollando algoritmos de ordenamiento para upiink y
downlink, la innovación científica
apunta
a la utilización de "Teoría de
Juegos"
(Nash
Bargaining Solutions) para dar justicia en laasignación de recursos, esta es un
tema
interesante
aprofundizaren relación al upiink. Todos
estos
algoritmos
deberán
obli
gatoriamente
cubrir las necesidades multimedia en
tiempo
real, y
mantener
las ne
cesidades
no
prioritarias
en
tiempo
compartido.
UNiVERSIDADTÉCNiCA DE AMBATO/INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
L
CONCLUSIONES
Este artículo
describe
el
concepto
de
calidad de servicio
en
LTE,
su
funcionamiento,
su desarrollo actual y su desarrollo afuturo. La capacidad de división, clasificación
yenvío de flujo de paquetes (bearer), en relación a su importancia ynecesidad de
servicio, hacen de
LTE
una tecnología prometedora, lacual garantiza un servicio de
alta
calidad.
Tomando
en
cuenta
la
tendencia
del
uso
creciente
de
multimedia
en
las
telecomu
nicaciones telefónicas
(TV
Móvil,video conferencia,
Juegos
oniine, etc.),
LTE
incor
pora tecnología orientada a la IP,
que
se
adapten
a las necesidades multimedia
antes
mencionadas.
El
uso
de los
bearers,
facilita el control de la calidad de servicio, facilita
la optimización de recursos, yentrega los parámetros necesarios para realizar los
algoritmos
de
asignación de
recursos.
Partiendo del trabajo ya realizado
referente
a laasignación
de
recursos yscheduling,
existe
aún
suficiente
campo
para explotar. Los algoritmos actuales
propuestos
no
proporcionan el performance
deseado
para alcanzar lacalidad de servicio anhelada.
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Kolding, Frank Frederiksen, Daniela La-
selva (2009). An Overview of Downlink Radio Resource
Management
for
UTRAN
Long-Term Evolution.
/EEE
Communications Magazine 86 - 93
B/OGRAF/A
Mauricio(turro/de obtuvo su grodo como ingeniero en Sistemas Computacionales
de JoUniversidad Técnicade Amboto (Ambato, Ecuador) en 2007.
Posteriormenteen el 2009, obtuvo elgrado de
mdsteren
Seguridad de Sistemas
Informáticos en la Universidad de Paris
XII,
Valde
Mame
(Paris, Francia).
Enlaactualidad realizasu investigación de Ph.Den ios laboratorios
/RIT
(Tou/ouse,
Froncifl).
Su investigación presente, esto centrado en lacalidad de servicioen
LTE.
Sus intereses de ínvestigoción tecnoiógica
están
orientados a la seguridad Infor
mática, seguridad de redes y a la calidad de servicio en ei
campo
de las telecomu
nicaciones.
29
