del 12 al 15 de julio de 2007Orlando, Florida - EE.UU.

Volumen III

Editores:Jorge Baralt

Nagib CallaosAndres TremanteFriedrich WelschAngel Oropeza

J. V. Carrasquero

)Organizada par

International Institute of Informatics and SystemicsMiembro de la International Federation for Systems Research (IFSR)

IllS2007 International Institute of informatics and Systemics. Todos los derechos reservados

COMITE DEL PROGRAMA

Presidente: Nagib Callaos

BrasilVenezuelaMexicoEspanaMexicoMexicoEspanaVenezuelaEspanaVenezuelaEspanaEspanaEspanaVenezuela

Abe, Jair Minoro SENACAcedo de Bueno, Maria de L. Universidad Simon BolivarAguilar Vera, Raul Antonio Universidad Autonoma de Yucatan:Alonso Dfaz, Laura Universidad de Extremadura(UEX)Alvarez-Flores, Jose L. Universidad de ColimaAndrade Gonzalez, Edgar A. Universidad Autonoma Metropolitana AzcapotzalcoAndujar Marquez, Jose Manuel Universidad de HuelvaAraujo Sandoval, Carmen Cecilia Universidad del ZuliaAres Casal, Juan Universidad Da CoronaAvila Urdaneta, Maritza Universidad del ZuliaBallesteros, Francisco Universidad Politecnica de MadridBarros Justo, Jose Luis Universidad de Vigo .Berreteaga, O. Ikerlan - Centro de Investigaciones TecnologicasBlanco, Mitvia B. Instituto Universitario de Tecnologfa para la

InformaticaBlazquez Entonado, Florentino Universidad de Extremadura (UEX)Bruzon, M. Angeles Consejerfa de Innovacion, Ciencia y Empresa

(CIFPA/lFAPA)Bruzon Gallego, Maria de los Santos Universidad de CadizBuades Rubio, Jose Maria Universitat de les Illes BalearsBuenrostro-Mariscal, Raymundo Universidad de ColimaBuono, Juan J. Instituto Nacional de Investigacion y Desarrollo

PesqueroUniversidad del ZuliaConsejo Superior de Investigaciones Cientfficas(CSIC)Universidad del ZuliaUniversidad Rey Juan CarlosUniversidad de Las Palmas de Gran CanariaUniversidad Central de VenezuelaUniversidad Autonoma de QueretaroUniversita degli studi di BergamoUniversidad del CaucaUniversidad de SonoraUniversidade Estadual de LondrinaUniversidad Tecnologica del Centro (UNITEC)Universidad de SonoraUniversidad de ColimaUniversidad Politecnica de MadridUniversidade Federal de GoiasUniversidad Central de VenezuelaUniversidad Central de VenezuelaUniversidad Nacional del Sur

EspanaEspana

EspanaEspanaMexicoArgentina

VenezuelaEspana

Burgos, Ivan V.Burgos-Artizzu, Xavier P

Bustos, Gabriela I.Capilla, RafaelCarreras Riudavets, Francisco JCastro, MarcelChaparro Sanchez, R.Cipolla Ficarra, FranciscoCobos, Carlos A.COla, Ma. de Gpe.De Barros, Rodolfo M.Espinosa B., Gabriel E.Espinoza, ArmidaFarias, NicandroFeij60 Gonzalez, ClaudioFerreira, Deller JamesFernandez, Luis J.Fernandez, VanessaFerro, Edgardo

VenezuelaEspanaEspanaVenezuelaMexicoltaliaColombiaMexicoBrasilVenezuelaMexicoMexicoEspanaBrasilVenezuelaVenezuelaArgentina

MexicoEspanaMexicoEspanaMexicoVenezuelaColombiaMexicoEspanaVenezuelaEspanaMexicoEspanaArgentinaBrasilMexicoEspanaBrasilColombiaColombiaMexicoVenezuelaColombiaPortugalVenezuelaColombiaMexicoEspanaColombiaEspanaEspanaEspanaMexicoMexicoVenezuelaMexicoPortugalMexicoEspana

flores, PedroFonseca, PauGalaviz, SamuelGarcia Carballeira, FelixGelbukh, AlexanderGil, Richard J.Giraldo, Jorge I.Gonzalez, ApolinarGonzalez Sanchez, Victor M.Hoyo, AlexanderIzquierdo, AntonioJimenez, Ivo JoseJuanatey, OscarLanzarini, LauraManhas Jr., Elieser B.Martinez, ElviaMartinez, Valentin AlejandroMartins, Fabio C.Mendez, Zulma C.Molina, Juan C.Morales Reynaga, Lluvia CarolinaMoreno, Carlos M.Nino, Miguel A.Nogueira, RogerioNunez, HaydemarObregon, NelsonOrozco, Maria EstherParella, SoniaPena, Gloria E.Perez, A.Perez, J.Perez Aguiar, Jose R.Puga Olivera, Bertha A.Ramirez, DesiderioRamos, EsmeraldaRaygoza, Juan AntonioRebuge, EliasReyes, CarmenRibeiro, Angela

VenezuelaChileEspana

Rivas, F.Roberts, PeterRobles Rovalo, Arturo

VenezuelaColombiaVenezuelaEspana

Rodriguez, WladimirRodriguez Lozano, Gloria I.Rojas, ArgenisRojo Alonso, David

VenezuelaEspanaEspanaColombia

Romagni, SusanaRomaguera, SalvadorRomero-Moreno, Luisa M.Ruiz, Maryem

Universidad de SonoraUniversidad Politecnica de CatalunaUniversidad de SonoraUniversidad Carlos III de MadridInstituto Politecnico NacionalUniversidad Simon BolivarEafit UniversityUniversidad de ColimaUniversidad Nacional de Educacion a DistanciaUniversidad Simon BolivarUniversidad Carlos III de MadridUniversidad de SonoraUniversidad de la CoronaUniversidad Nacional de La PlataUniversidade Estadual de LondrinaCentro de Investigacion en Geografia y GeomaticaUniversidade da CoronaUniversidade Estadual de LondrinaPontificia Universidad JaverianaUniversidad Nacional de ColombiaUniversidad de GranadaUniversidad Central de VenezuelaUniversidad del CaucaUniversidade de AveiroUniversidad Central de VenezuelaUniversidad JaverianaUniversidad de SonoraUniversitat Autonoma de BarcelonaUniversidad Nacional de ColombiaIkerlan - Centro de Investigaciones TecnologicasIkerlan - Centro de Investigaciones TecnologicasUniversidad de Las Palmas de Gran CanariaUniversidad Autonoma de QueretaroUniversidad de SonoraUniversidad Central de VenezuelaUniversidad de SonoraTelepacCentro de Investigacion en Geografia y GeomaticaConsejo Superior de Investigaciones Cientificas(CSIC)Universidad de Los AndesUniversidad de Ciencias de la InformaticaGrupo de Tecnologias de la Informacion y lagComunicacionesUniversidad de Los AndesUniversidad Nacional de ColombiaUniversidad Central de VenezuelaGrupo de Tecnologias de la Informacion y lagComunicacionesUniversidad MetropolitanaUniversitat Politecnica de ValenciaUniversidad de SevillaEafit University

EspanaEspanaEspanaArgentinaEspanaEspanaEspanaMexicoBrasilVenezuela

EspanaVenezuela

EspanaEspanaChileEspana

Ikerlan - Centro de Investigaciones TecnologicasUniversidad de ValladolidUniversitat Jaume IUniversidad Nacional de La PlataInstituto Nacional de Tecnica Aeroespacial (INTA)Universidad Carlos III de MadridUniversidad Autonoma de BarcelonaUniversidad de ColimaUniversidade Estadual de LondrinaUniversidad de CaraboboUniversidad Politecnica de ValenciaFundacion Instituto de IngenieriaUniversidad de SevillaIkerlan - Centro de Investigaciones TecnologicasUniversidad Catolica del MauleUniversidad Politecnica de Valencia

Ruiz de Olano, A.San Jose, Luis MiguelSanchez, J. SalvadorSanz, CeciliaSebastian, EduardoSierra, JoseSole, CarlotaSoriano-Equigua, LeonelTeixeira, Eduardo C.Tellez, JesusTirado, PedroTorres, Wuilian J.Troyano, Jose A.Urkidi, A.Urrutia, AngelicaValera Fernandez, Angel

CISCI20076ta Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernetica e Informatica

VOLUMEN III

CONTENIDO

Contenido

Aplicaciones de Informatica y Cibernetica en Ciencia e Ingenieria

"Sistema Telemedico deBustamante, John; Saenz, Jose P.; Amaya, Adrian A. (Colombia):Registro y Monitoreo Inalambrico Cardiaco"

Fl6rez Pardo, Luz M.; L6pez Galan, Jorge E. (Colombia): "Selecci6n de Enzimas Secundarias enla Hidr6lisis de Maracuya Utilizando Redes Neuronales"

Modelo Global d(Giraldo, Jorge E.; Guzman, Jaime A.; Ovalle, Demetrio A. (Colombia):Comunicacion para la Coreograffa de Servicios Web"

Martins Junior, Antonio Real; Sales Cal~ado, Vera Lucia X. de; Camapum, Juliana F. (Brasil):"Desenvolvimento de urn Sistema de Gerenciamento do Processamento de Impressao de ImagensMedicas Digitais Utilizando 0 Protocolo Dicom"

Ciencia e Ingenieria de la Computation

Cardona Q., Jesus D. *; Castan R., Hector **; Hidalgo S., Miguel A. * (* Colombia, ** Espana):"Una Aproximaci6n Metodol6gica para la Construcci6n de Entomos Virtu ales MedianteProcesos de Desarrollo Generico"

Computacion Emergente

Correa Villalon, Christian Jose; Padilla Diaz, Felipe; Perez Morphe, Eugenio; Quezada Aguilera,Fatima Sayuri (Mexico): "Algoritmo Transgenico. Un nuevo Paradigma" 28

Ponce, Julio C.; Padilla, Felipe; Padilla, Alejando; Meza, Miguel A.; Ochoa, Carlos A. (Mexico):"ACHPM: Algoritmo de Optimizacion con Colonia de Hormigas para el Problema d~ la Mochila" 1')

Siqueira, Paulo Henrique; Scheer, Sergio; Steiner, Maria Teresinha Arns (Brasil): "Uma NovaAbordagem para a Resolu~ao do Problema do Caixeiro Viajante Utilizando Redes Neurais" 36

Desarrollo de Sistemas de Informacion

Batista de Chambers, Oelva O. *; Sastron Baguena, Francisco **; Galan, Ramon ** (* Panama,** Espana): "Modelo de un Sistema de Informacion para la Gestion de la Produccion bajo un

Enfoque de Empresas Virtuales, Orientado a la Industria de Ingenieria y Fabricacion bajo Pedido(ETO/MTO): Resultado de un Caso de Estudio"

42

115

139

143

148

154

158

162

Modelo del Nucleo de Red IP de UMTS para Transporte de Multimedia en Tiempo Real

Jesus N. LEAL, Ernesto E. QUIROZ, Isidro VICENTECentro de Investigacion y Desarrollo de Tecnologia Digital, IPN

Tijuana, Baja California 22510, Mexico

RESUMEN

La sustitucion del dominio de conmutacion de circuitospor el IMS (IP Multimedia Subsystem) en el nucleo dered de los sistemas UMTS Release 5 (Universal MobileTelecommunications System), conlleva la necesidad deproveer instrumentos de calidad de servicio para asegurarque no habra demerito en los servicios de tiempo real(voz, video, etc.). Con el proposito de caracterizar yanalizar los mecanismos de calidad de servicio del nucleode red de un sistema UMTS, se desarrollo un modelocomputacional del nucleo de red, operando con losprotocolos IP, RTP, Y DiffServ. Se modelo elcomportamiento probabilistico de los flujos de paquetesde los servicios de voz y videoconferencia, por ser losmas demandantes en terminos de entrega en tiempo real.Finalmente, bajo una diversidad de condiciones, secaracteriza en forma numerica el funcionamiento delnucleo de red UMTS mediante los parametros: Tiemposde retardo, y Perdidas de paquetes.

-.. . T~.~~ ~'. ~.. ~. .

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)es el continuador del exitoso GSM (Global System forMobile Communications), con el cual mantienecompatibilidad. UMTS es ademas, el esrnndarabanderado por el organismo multinacional 3GPP (ThirdGeneration Partnership Project) [3] formado por la ETSI(Union Europea), ANSI-TI (EE.UU.), ARIB y TTC(Japon), TTA (Corea) y CWTS (China). Partiendo de laprimera version de UMTS, 3GPP ha introducido enforma programada mejoras a sus especificaciones. LaVersion 5 aftade al nucleo de red el Subsistema IP deMultimedia (IMS: IP Multimedia Subsystem) [4, 5], unnuevo bloque que maneja servicios de multimedia entiempo real en base a conmutacion de paquetes, y queviene a sustituir al dominio de conmutacion de circuitos.

IP ofrece garantias de entrega confiable del contenidode los datos, pero no garantiza que la entrega de paquetesse pueda realizar dentro de cierto limite de tiempo. POTotTo lado, en las comunicaciones de tiempo real serequiere que el retraso maximo extremo-extremo sea~200 ms [6]. Dadp que el nucleo de red de UMTS estabasado en IP, para garantizar la entrega a tiempo de estosservicios, 3GPP especifica la aplicacion del protocolo deservicios diferenciados (DiffServ) de la IETF (InternetEngineering Task Force) [7] como mecanismo deprovision de Calidad de Servicio (QoS, Quality ofService) en el nucleo de red UMTS [8, 9]. En estecontexto, se plantea el desarrollo de un modelocomputacional del nucleo de red IP de UMTS Version 5,para caracterizar y analizar sus capacidades de transportede trafico multimedia en tiempo real.

de Internet, Multimedia

~

la telefonia m6vil es la denominada 38 generaci6n (3G),la cual ademas de ofrecer los ya tradicionales servicios deVOZ, correa electr6nico, navegaci6n web, etc., aiiade lacapacidad de videoconferencia, video afluente y otros.Esta evoluci6n ha sido posible principalmente debido ados tecnologias impulsoras: (a) El esquema detransmisi6n WCDMA (Wideband Code DivisionMultiple Access) adoptado para el segmentoradioelectrico, que eleva la tasa de datos en la terminalm6vil (384 Kbps a 2 Mbps) y (b) La incorporaci6n deservicios y aplicaciones de multimedia basados en IPfT_.- -. "rotocol), que habilita la conectividad con la red

1 mas extensa del mundo,;ostos y tacilitar la integraci6n de otras

de acceso inalambrico como redes de areaN, Wireless Local Area Networks) [1]. Los

las 3G ban ido extendiendo su cobertura a partir de.ucci6n en Jap6n en 2001, siguiendole el Reino

Unido en 2003 y Hong Kong en 2004. Hasta el momenta(2° trimestre 2007) existen 156 redes UMTS en el mundo

'os aproximadamente [2].

~

muestra en la Fig. 1. Las lineas punteadas indican logenlaces de sefializacion y lag lineas continuas indican logcanales portadores. La principal caracteristica de esta redmovil es que dentro del nucleo de red se introduce elIMS, el cual se encarga de efectuar la administracion delog servicios de multimedia, utilizando el protocolo SIP(Session Initiation Protocol) para la sefializacion. Ademasel IMS maneja la voz y otros servicios en tiempo realmediante conmutacion de paquetes, ya que proporcionafuncionalidades para dar prioridades de servicio. Laarquitectura de la red UMTS (Fig. 1) se divide en trespartes [11]:

~

que no tienen injerencia directa sabre trafico de usuarioque transporta el nucleo de red.

1) Interfaz aerea. Es la tecnologia de radiodifusi6nempleada desde la terminal m6vil basta la estaci6n base.Se utiliza una tecnologia de banda ancba, implementadacon WCDMA.

~.,. -~}

,-,x~-,_.- ""K~_"";-;;;:;_-r ""-=== :w==---Fig. 2 Pianos de la RedUMTS Version 5

Arquitectura de UMTS Version 5Fig.

2) Red de radio acceso 0 UTRAN (UMTS TerrestrialRadio Access Network). Genera y mantiene las portadorasde radio acceso para la comunicacion entre las terminalesmoviles de los usuarios y el nucleo de red. Maneja todaslas funciones de radiodifusion y gestion de movilidad.Esm formada por las estaciones base (BS: Base Station) ylos controladores de radio de la red (RNC: RadioNetwork Controller).

3) Nuc/eo de red. Maneja todas lag sesiones de logusuarios y se conecta con redes externas de conmutaci6nde circuitos como la red de telefonia publica conmutada(PSTN: Public Switched Telephone Network) y con redesexternas de conmutaci6n de paquetes como Internet.Consta de log elementos HSS (Home Subscriber Server),SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (GatewayGPRS Support Node) elMS.

£1 modelo de la Fig. 3 incluye las tenninales de logusuarios, la red de radio acceso, el nucleo de red IP y lagredes externas de paquetes y circuitos conmutados.

3.1.1 Elementos de la red IP. Los elementos de la redque tendran una representaci6n operativa son:

Terminal movil. Habilita la generaci6n de trafico de lasaplicaciones multimedia. Codifica y empaquetaindependientemente cada tipo de medio de tiempo real(audio, video 0 datos) en paquetes RTP (Real-timeTransport Protocol) para su transporte en datagramasUDP (User Datagram Protocol).

La arquitectura de la red UMTS Version 5 esta disenadaen tres planos de operacion (Fig. 2): Plano de servicio,pIano de control y plano de transporte. El pIano deservicio concentra, ejecuta y administra log serviciosmultimedia basados en .IP. El plano de control realiza lasenalizacion y gestion necesaria para el establecimientode lag sesiones. En el plano de transporte tluye la cargautil de datos producto de la comunicacion entre lagterminales moviles de log usuarios y lag cedes extemas.Por esta razon la caracterizacion del manejo de trafico porel pIano de transporte constituye el enfoque de estetrabajo.

UTRAN. Se encarga de enviar el trafico entre lagterrninales moviles y el nucleo de red, esta funcion seefecwa mediante un enrutador IP.

Nuc/eo de red. Esta formado par los bloques SGSN,GGSN y MGW. La funci6n de los bloques SGSN yGGSN se emula mediante un enrutador IP, constituyendoel dominio par conmutaci6n encargado de enrutar 105datagramas bacia sus destinos correspondientes, ya seadentro de la misma red 0 bacia redes extemas. EI bloqueMGW (Media Gateway) se representa con un Gateway IPde medias que permite la comunicaci6n con redesextemas de circuitos conmutados.

3. MODELO DE LA RED IP DE UMTS

3.1 Modelo conceptual de la redCon el proposito de analizar las capacidades de manejode trafico multimedia, perdida de paquetes y tiempos deentrega del nucleo de red IP de UMTS, se propone unmodelo simplificado del mismo (Fig. 3). Como seobserva, se eliminan los pIanos de servicio y de control,

Red IP externa. La conexi6n bacia redes extemas depaquetes de datos se representa con un elemento capaz deintroducir retardos y perdidas de paquetes.

116

7) Aplicacion de voz. UMTS especifica el codificadorAMR (Adaptive MultiRate) [13], el cual tiene ocho tasas:Ie compresi6n: 12.2, 10.2,7.95,7.40,6.70,5.90,5.15 Y~. 75 Kbps. Cuando la calidad del radioenlace es buena[alia relaci6n seiial a ruido) se usa el modo de 12.2 Kbps.En el modelo se consideran condiciones ideales en el~nlace radioelectrico, par 10 que se aplica el modo deJperaci6n del codificador AMR a 12.2 Kbps, que codifica1 una tasa de 50 tramas par segundo, con 244 bits/trama.

3.1.2 Protocolos y Mecanismos de IP. Dentro delmodo de operaci6n del modelo propuesto se emplean lossiguientes protocolos y mecanismos de IP, especificadospor 3GPP para UMTS:

Protoc%s RTP/UDP para ap/icaciones en tiempo rea/.RTP (especificado en el RFC 3550) [4, 5] es un protocolopara envio de paquetes de datos con requerimientos detiempo real, su principal prop6sito es permitir que losreceptores reproduzcan los medios con la temporizaci6napropiada. UDP (especificado en el RFC 768) [4] es unprotocolo a nivel transporte en el que no se estableceningun tipo de conexi6n entre las entidades involucradas,careciendo pOT 10 tanto de mecanismos que regulen elenvio y recepci6n de los datagramas; su ventaja radica enla agilidad en el envio de los datagramas, mientras que sudesventaja es la no fiabilidad en la entrega de dichosdatagramas.

~) Aplicacion de videoconferencia. Para ofrecervideoconferencia, UMTS especifica el uso del;:odificador H.263 [13], el cual soporta cinco fonnatospara codificar imagenes: SQCIF (Sub Quarter Common[ntennediate Fonnat), QCIF, CIF, 4CIF Y 16CIF. LaTabla 2 muestra los anchos de banda de transmision en;:ada fonnato y sus aplicaciones.

fabla 2. Fonnatos CIFAncho de banda J t\plicaci6n

~

Protocolo GTP (GPRS Tunneling Protocol). GTP [1, 11,12] efecwa la transferencia de paquetes entre la UTRANy el nucleo de red mediante el establecimiento de tiInelesl6gicos. Esto permite que log protocolos de lag redesextemas se independicen de log mecanismos detransporte del nucleo de red de UMTS.

~CIF32 - 384 Kbps

QCIF-CIF :::alidad de grabadora

de videocinta5 Mbps

P~otocol~ de S.ervicios Difere~ciados . (DiffServ, [ 4 r IDifferentIated Servlce~). 3GPP especlfic~ ~ Dtf~erv, de ~ l- Television de altala IETF, como mecamsmo para el aprovlslonamlento de 2 I calidadcalidad de servicio en el nucleo de red UMTS [9]. Paraesto se requiere una equivalencia entre las clases de Iservicio de UMTS aclases DiffServ, como se indica en laTabla 1. Diffierv permite que los enrutadores decidan rcomo tratar un paquete mas rapidamente, por medio de la sidentificaci6n de codigos de 8 bits llamados "puntos de a .

codigo de servicios diferenciados" (DSCP: Differentiated 3Services Codepoints), que definen niveles de prioridad. j

-Television~CIF .Mbos

--

:0 - 30 Mbps16CIF

'uesto que en las redes moviles una de las restriccionesnas importantes reside en el ancho de banda ocupado, seelecciono el formato de codificacion QCIF a una tasa deI 66 Kbps.

~.2 Modelo computacional de la red\. partir de lag caracteristicas operativas de la seccioninterior, se configura un modelo computacional de la red:Fig, 4) con el software de simulacion Opnet Modelerversion 11.5 [14].

rabla ~signaci6n de clases UMTS a Diffierv

Clase UMTS I Clase OiffServ

t\F23

~~~~

..3.1.3 Servicios de tiempo real. Debido a que losservicios de tiempo real presentan la mayor exigencia encuanto al tiempo de retraso (t ~ 1.50 illS), se seleccionaronlas aplicaciones de voz y videoconferencia paracaracterizar el comportamiento de la red. La aplicaci6n devideoconferencia tiene la restricci6n adicional de ser masintolerante a perdidas de paquetes « I % FER: FrameError Rate) que la aplicaci6n de voz « 3% FER). Losparametros de interes elegidos para medir el desempefiode la red son el tiempo de retraso y la perdida de paquetes

[8].

.;""

~!\]

3.2.1 Elementos de red. El modelo emplea tres tiposde elementos de red que se describen a continuacion:

Fig. 4 Modelo del nucleo de red IP de UMTS

...

Termina/es de usuarios. Generan flujos digitales deservicios como acceso a bases de datos, correoelectronico, transferencia de archivos, navegacion web,

l17

~

impresi6n, acceso remota, videoconferencia y voz. Cadaestaci6n de trabajo soporta una conexi6n IP a una tasa dedatos configurable.

3.2.3 Rutas de comunicacion. Las sesiones de voz,videoconferencia y carga que se establecen tienen unflujo bidireccional. Las trayectorias de comunicacion deextremo a extremo son lag siguientes (Fig. 4): a) Llamadatelefonica de movil a movil a traves de la nube Internet{Voz A_1 y Voz B_1}, b) Llamada telefonica de movil aPSTNa traves del MGW {VozA_2 y Voz B_2}, c) Sesionde videoconferencia movil a movil a traves de la nubeInternet {Video A_1 y Video B_1} Y d) Carga de traficoen el nucleo de red {Carga A y Carga B}.

Enrutadores IP. Su funcion es encaminar los paquetesrecibidos bacia la interfaz de salida apropiada de acuerdocon la direccion IP del destino. Los paquetes se enrutanen el orden en que llegan y pueden encontrar colas deespera dependiendo de la tasa de transmision de lainterfaz de salida correspondiente.

Nube IP. Representa una red IP con facilidades paraconfigurar el tiempo promedio de retraso de transporte yun porcentaje de paquetes perdidos.

3.2.4 Calidad de Servicio (DiffServ). Debido a quelos paquetes de voz son cortos y de tamaiio constante,mientras que los paquetes de video son largos y detamaiio variable, la multiplexaci6n de trafico heterogeneodentro de las mismas colas en los enrutadores puededeteriorar el servicio proporcionado para el trafico devoz. Por 10 tanto, siguiendo las recomendaciones de [8],se realiza una distinci6n entre el trafico de voz, el devideo y el de carga, para asignarle a cada uno una calidadde servicio especifica (ver Tabla 5).

3.2.2 Modelos de trafico. La Tabla 3 describe elmodelo probabilistico empleado para configurar elcomportamiento de las sesiones de voz [8, 15, 16] enOpnet. Los periodos de actividad y silencio representan laoperaci6n de un dispositivo de detecci6n de actividad devoz. Durante los periodos de actividad se aplica lacodificaci6n mencionada en 111.1.3.

Tabla 5. Asi17naci6n de clases DiffflervTabla 3. Modelo IJrobabilistico del trafico de voz Clase UMTS

Conversacional (voz)Crase DiffServEF (Premier)Aplicaci6n Duraci6n

de sesi6n(segundos)

Tiempo desilencio

(segundos)

-Convers~ci

DiferidaVoz Exponencial

(180)Exponencial

(0.65)

Tiempo deactividad

(segundos)

Exponencial (0.352)

4. ESCENARIOS DE OPERACION DE LA REDDebido a que no se contaba con un generador de flujo devideoconferencia fidedigno, se desarrollo en Matlab unmodelo matematico del codificador H.263 [17]. Seselecciono el formato QCIF, con una tasa promedio de 66Kbps y 30 tramas por segundo. Los resultados seimplantaron en el modelo computacional de la red UMTS[18].

Para caracterizar lared de interes, se especificaron treintay tres configuraciones operativas con un espectro desituaciones desde nonnales basta extremas. La Tabla 6muestra una lista parcial. Para apreciar las ventajas delmecanismo de QoS especificado para UMTS, a cadaescenario se Ie configuran dos condiciones, sin QoS y conQoS (DiffServ). Se analizan los resultados obtenidos paralos 66 escenarios; no obstante, par cuestiones de espacio,en este trabajo se presentan solamente los resultados deun escenario, que muestra de fonna significativa lascapacidades de transporte de la red IP UMTS Version 5.

En la Tabla 4 se describe el modelo probabilisticoempleado para caracterizar el comportamiento de lassesiones de videoconferencia.

Tabla 4. Modelo probabilistico del trafico devideoconferencia

Tabla 6 Plan de simulacionesTiempo dellegada

entre tramas(segundos)

Duraci6nde sesi6n

(segundos)

Tamafio detrama(bytes)

Enlace baciared IPexterna

Traficopromedioen la red

Aplicaci6n Escenarios

Variable (125 -

425). De acuerdoal algoritmo de

Hanzo

1

!

12

13

!

24

25

!

33

264.8 Kbps

!

8.5848 Mbps

264.8 Kbps

Capacidad deprocesamiento

delNuc/eo de Red A

150 Kbps

J.

22.5 Mbps

150 Kbps

Exponencial(180)

Constante

(0.03333)Videoconf. 2.048 Mbps

4.096 MbpsCon la finalidad de representar una gran cantidad desesiones multimedia simultaneas, se configura un traficode carga de alto volumen, que compite por recursos de lared con lag aplicaciones de voz y videoconferencia ygenera situaciones de congestion. De esta manera esposible analizar su efecto sobre lag sesiones de interes.

16.9048 Mbps

264.8 Kbps

~

42.5 Mbps

150 Kbps

!

42.5 Mbps

8.192 Mbps

El valor del trafico promedio en la red considera la comunicacion enambos sentidos.

118

5. RESULTADOS Y SU INTERPRETACION 'etraso cuando no se emplea QoS. La linea raja (lineanferior) muestra la situacion cuando se aplica QoS, en:ste caso el retraso es casi constante y del orden denilisegundos. A pesar de que la red se encuentra en untmbiente de congestion, los paquetes de voz reciben una)rioridad que les permite teller un retraso menor. En larabla 8 se registran los resultados para esta sesion.

Las condiciones operativas del escenario seleccionado:orrespondena la posicion 12 dela Tabla 6.

Se establecen dos sesiones de voz, una devideoconferencia y el trafico de carga es de 4 Mbps. Paratodos los casas que se analizan a continuacion solo semuestra el flujo del trafico digital en una direccion:

Sesion 1.. Video A_I -+ Video B_1. En la Fig. 5 seobserva el comportamiento del retardo para lavideoconferencia. La linea azul (linea superior)corresponden a la situaci6n cuando no se aplica QoS; seaprecia que el retraso aumenta consistentemente bastaque la sesi6n termina. La linea verde (linea intermedia)indica el comportamiento promedio del retraso cuando no5e emplea QoS. La linea roja (linea inferior) muestra la5ituaci6n cuando se aplica QoS, en este caso el retraso escasi constante y del orden de milisegundos. A pesar deque la red se encuentra en un ambiente de congesti6n, logpaquetes de videoconferencia reciben una prioridad queles perrnite teneT un retraso menor. La Tabla 7 registra lagcifras de log parametros de interes para esta sesi6n. Fig. 6 Retraso de 10s paquetes de voz

Tabla 8 Resulta " 2

"""'Resultadosr Perdida de paquetes I

Sesion 3.. Voz A_2 -. Voz B_2. En esta sesion, el flujo detrafico sigue una trayectoria diferente, es decir, el Nuc/eode Red A enruta log paquetes de voz por el Gateway deMedios bacia la PSTN, por 10 tanto, estos paquetes sonlog unicos que se encuentran en la cola de espera; por 10que la presencia de otras fuentes de trafico no afecta eleste flujo, puesto que la congestion esta en el enlace baciala Nube IP. En la Fig. 7 se observa el comportamientopromedio del retraso de log paquetes de voz para estasesion.Fig. 5 Retraso de log paquetes de videoconferencia

Tabla 7 Resultados de la Sesi6nResultados

Perdida de a uetesRetraso maximoRetraso promedio

2.1 %

3.R5 s

. . -- - .in S

. 0

--- - 163.95 ms2.20 s 163.13 ms

Sesion 2: Voz A_I - Voz B_1. La linea azul de la Fig. 6(linea superior) representa la situacion cuando no seaplica QoS, se observa que el retraso aumenta de maDeraconstante y lineal, para posteriormente iniciar unadeclinacion tambien constante. Comparando con lagrafica anterior, se puede afirmar que la presencia de lasesi6n de videoconferencia es la que provoca uncongestionamiento en el Dodo Nuc/eo de red A. Cuandola sesion de videoconferencia termina, la congestiondisminuye, y los paquetes de voz tienen un tratamientomas rapido, disminuyendo asi su retraso. La linea verde(linea en medio) indica el comportamiento promedio del

Fig. 7 Retraso promedio de los paquetes de voz

L19

5. RESULTADOS Y SU INTERPRETACION retraso cuando no se emplea QoS. La linea roja (lineainferior) muestra la situacion cuando se aplica QoS, eneste caso el retraso es casi constante y del orden demilisegundos. A pesar de que la red se encuentra en unambiente de congestion, los paquetes de voz reciben unaprioridad que les permite tener un retraso menor. En laTabla 8 se registran los resultados para esta sesion.

Las condiciones operativas del escenario seleccionadocorresponden a la posicion 12 dela Tabla 6.

Se establecen dog sesiones de voz, una devideoconferencia y el trafico de carga es de 4 Mbps. Paratodos log casos que se analizan a continuacion solo semuestra el flujo del trafico digital en una direccion:

Sesion 1.' Video A_I -+ Video B_1. En la Fig. 5 seobserva el comportamiento del retardo para lavideoconferencia. La linea azul (linea superior)correspondeD a la situacion cuando no se aplica QoS; seaprecia que el retraso aumenta consistentemente bastaque la sesion tennina. La linea verde (linea intennedia)indica el comportamiento promedio del retraso cuando nose emplea QoS. La linea raja (linea inferior) muestra lasituacion cuando se aplica QoS, en este caso el retraso escasi constante y del orden de milisegundos. A pesar deque la red se encuentra en un ambiente de congestion, lospaquetes de videoconferencia reciben una prioridad queles pennite tener un retraso menor. La Tabla 7 registra lascifras de los parametros de interes para esta sesion. ¥lg. b Ketraso de los paquetes de voz

Tabla 8 Resultados de la Sesi6n 2

2.9% 1.1 %Perdida de a uetesRetraso maximo

Retraso }':romedio3.84s 1159.16ms I2.53s I 158.10ms I

Sesion 3: Voz A_2 -+ Voz B_2. En esta sesion, el flujo detrafico sigue una trayectoria diferente, es decir, el Nuc/eode Red A enruta log paquetes de voz por el Gateway deMedios bacia la PSTN, por 10 tanto, estos paquetes sonlog unicos que se encuentran en la cola de espera; por 10que la presencia de otras fuentes de trafico no afecta eleste flujo, puesto que la congestion esta en el enlace baciala Nube IP. En la Fig. 7 se observa el comportamientopromedio del retraso de log paquetes de voz para estasesion.Fig. 5 Retraso de log paquetes de videoconferencia

Tabla 7 Resultados de la Sesi6n I

2.1 % 0.9%Perdida de a uetesRetraso maximo

Retrasopromedio3.~5U 163.95ms I2.20s 1163.13ms I

Sesion 2: Voz A_I -+ Voz B_1. La linea azul de la Fig. 6(linea superior) representa la situaci6n cuando no seaplica QoS, se observa que el retraso aumenta de maDeraconstante y lineal, para posteriormente iniciar unadeclinaci6n tambien constante. Comparando con lagrafica anterior, se puede afirmar que la presencia de lasesi6n de videoconferencia es la que provoca uncongestionamiento en el Dodo Nuc/eo de red A. Cuandola sesi6n de videoconferencia termina, la congesti6ndisminuye, y los paquetes de voz tienen un tratamientomas rapido, disminuyendo asi su retraso. La linea verde(linea en medio) indica el comportamiento promedio del

Fig. 7 Retraso promedio de los paquetes de voz

119

[6]La linea azul (linea inferior) representa la situacioncuando no se aplica QoS y la linea roja (linea superior)indica la situacion cuando si se emplea QoS; log retrasosen ambos casos son muy pequefios (del orden demilisegundos) con valores muy aproximados. La Tabla 9registra log resultados numericos.

[7][8]

~

[9]Tabla 9 Resultados de la Sesi6n 3

Con QoS I0%

~

I Perdida de I)aouetes I[10]

[11]Un analisis completo de log escenarios planteados en laTabla 6 se proporciona en [19].

6. CONCLUSIONES

R. Lloyd-Evans, QoS in integrated 3G Networks, ArtechHouse, 2002.http://www.ietf.orgirfc/rfc2475.txtR. Ben Ali, Y. Lemieux and S. Pierre, "UMTS to IPBackbone QoS Mapping Refinement for MultimediaTelephony services", OPNETWORK - 2003,Publicacion ill 545, Agosto 2003.3rd Generation Partnership Project (3GPP), TechnicalSpecification Group Core Network. Policy control overGo interface, release 5. 3GPP TS 29.207 Version 5.1.0,September 2002.K. D. Wong and V. K. Vanna, "Supporting real-time IPmultimedia services in UMTS", IEEE CommunicationsMagazine, vol. 41, pp 148 - 155, Noviembre 2003.H. Kaaranen, A. Ahtiainen, L. Laitinen, S. Naghian andV. Niemi, UMTS Networks: Architecture, Mobility andServices, John Wiley & Sons, 2001.J. C. Chen and T. Zhang, IP-Based Next-GenerationWireless Networks: Systems, Architectures andProtocols, John Wiley & Sons, 2004.3rd Generation Partnership Project (3GPP), TechnicalSpecification Group Services and System Aspects.

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J. N. Leal, "Modelo del nucleo de red IP de una red --para transporte de multimedia en tiempo real", Tesis deMaestria CITEDI-IPN, 2006.

El mecanismo de calidad de servicio DiffServ muestra suefectividad en las situaciones de congestion. En cuanto alas perdidas de paquetes las mantiene dentro de loslimites de tolerancia (~l%). Los retardos extremo aextremo tambien los abate considerablemente, y norebasan los 200 mseg.

En las situaciones donde no hay congestion, DiffServtiene un efecto neutro, ya que no mejora los retrasos conrespecto alas situaciones en que no hay QoS. Esto esdebido a que el nodo Nucleo de Red A tiene la capacidadsuficiente para manejar todos los flujos de trafico dentrode los limites requeridos.

Se cuenta con un modelo computacional de la red UMTSVersion 5, que integra modelos probabilisticos delcomportamiento del trafico de voz, videoconferencia ycarga. Y opera con los protocolos de transporte IPIUDP,DiffServ y GTP. Este modelo se puede ampliar yenriquecer en etapas relativamente cortas y sencillas.

Fue necesario desarrollar una fuente de trafico devideoconferencia fidedigna. Para ello se selecciono unmodelo matematico del codificador H.263 [17], el cual sedesarrollo un en Matlab. Posteriormente los resultados seadaptaron para operar en el modelo computacional de lared movil.

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo rue apoyado par el IPN mediante el proyectoSIP 2007-0907 y COFAA-IPN Becas par Exclusividad.

7. REFERENCIAS

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[5]

D. Wisely, P. Eardley and L. Burness, IP for 3G:Networking Technologies for Mobile Communications,John Wiley & Sons, 2002.http://www.umts-forum.orghttp://www.3gpp.org/.G. Camarillo and M. A. Garcia-Martin, The 3G IPMultimedia Subsystem (IMS): Merging the Internet andthe Cellular Worlds, John Wiley & Sons, 2004.M. Poikselka and G. Mayer, The IMS: IP MultimediaConcepts and Services in the Mobile Domain, JohnWiley & Sons, 2004.

120

US $95

ISBN-1OISBN-13

1-934272 -06-X (Volumen)978-1-934272 -06- 0 (Volumen)

ISBN-1O: 1-934272-21-3(Colecci6n)ISBN-13: 978-1-934272-21-3(Colecci6n)