En este artículo se pone de manifesto la complejidad existente en las
comunicaciones inalámbricas a la hora de incluir servicios o aplicaciones
cuyos tráficos tienen características muy diferenciadas, como ocurre con la
integración de servicios en WiMAX. Para ello, sobre una red experimental Wimax desplegada en el campus de la UPCT se hacen pruebas de tráfico multimedia con el fin de evaluar las prestaciones de la tecnología en términos de QoS y QoE.Consejería de Educación y Ciencia de la
CARM. Código: TIC-TEC 07/02-0002

Almagro Carrión, Sergio

Cabrera Lozoya, Andrés

Cano Baños, María Dolores

Cerdán Cartagena, José Fernando

García Sánchez, Diego

Luján Fernández, Sergio

Spanish

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena

Universidad Politécnica de CartagenaE.T.S. de Ingenieŕıa de TelecomunicaciónEspacio-Tele@o n01 (2010)Revista de la ETSIT-UPCTEvaluación Experimental de Tráfico IP Multimedia sobreuna red WimaxDiego Garćıa-Sánchez, Fernando Cerdán,Maŕıa Dolores Cano, Andrés Cabrera-Lozoya,Sergio Luján-Fernández y Sergio Almagro-CarriónDepartamento de Tecnoloǵıas de la Información y las Comunicaciones.Universidad Politécnica de Cartagena.diego.gsanchez@upct.es; fernando.cerdan@upct.es;mdolores.cano@upct.es; andres.cabrera@upct.es;sergio.lujan@upct.es; sergio.almagro@upct.esResumenEn este art́ıculo se pone de manifiesto la complejidad existente en lascomunicaciones inalámbricas a la hora de incluir servicios o aplicacionescuyos tráficos tienen caracteŕısticas muy diferenciadas, como ocurre con laintegración de servicios en WiMAX. Para ello, sobre una red experimentalWimax desplegada en el campus de la UPCT se hacen pruebas de tráficomultimedia con el fin de evaluar las prestaciones de la tecnoloǵıa entérminos de QoS y QoE.Proyecto/Grupo de investigación: Plataforma de Evaluación y DesarrolloWimax (PLEDAX). Entidad Financiadora: Consejeŕıa de Educación y Ciencia de laCARM. Código: TIC-TEC 07/02-0002.Ĺıneas de investigación: WiMAX; QoS; QoE; Tráfico Multimedia.1. IntroducciónLas aplicaciones de la Internet del futuro van a demandar unos niveles deCalidad de Servicio por encima de las expectativas actuales. Actualmente, es-tamos viviendo el despliegue de nuevos servicios multimedia como la Televisión2324 D. Garćıa, F. Cerdán, M.D. Cano, A. Cabrera, et al.sobre IP (IPTV), la Voz sobre IP (VoIP) o servicios de Sanidad Electrónica(e-Health). Los requisitos de estas aplicaciones en términos de Calidad de Ser-vicio (QoS) están obligando a las organizaciones de estandarización (p.e., ITU,ETSI, etc.) a realizar un gran esfuerzo. El objetivo es, por tanto, definir unosestándares a través de cuyo cumplimento por parte de los proveedores (de red, deservicios o de contenidos), se garanticen las expectativas de los usuarios finales,lo que se ha denominado Quality of user Experience (QoE). Ambos términos,QoS y QoE son totalmente dependientes, resultando necesario alcanzar un altodesempeño en QoS para llegar a obtener niveles aceptables de QoE. Por tanto,uno de los puntos clave para el éxito de las actuales y futuras aplicaciones mul-timedia, en un mercado en el que cada vez hay más competidores, será disponerde herramientas que permitan a los proveedores ofrecer los niveles de QoS/QoEexigidos. Algunos de los parámetros básicos, ya verificados, de gran influenciaen las prestaciones de los servicios multimedia son: las pérdidas de paquetes,el retardo, la varianza del retardo o el ancho de banda. Además de las carac-teŕısticas propias de cada aplicación, hay otros elementos de gran importanciaa tener en cuenta en la provisión de QoS/QoE en la Internet del futuro co-mo, por ejemplo, la movilidad mediante el uso de redes inalámbricas de árealocal (WLAN), de redes celulares (p.e., 3G), o de redes WiMAX. En concreto,la tecnoloǵıa Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es unestándar de comunicaciones inalámbricas digitales orientado a las redes de áreametropolitana. Considerada una tecnoloǵıa de segunda generación derivada deWiFi, la tecnoloǵıa WiMAX alcanza tasas de transferencia similares a la de supredecesora. Sin embargo, las mejoras en la eficiencia espectral y en la robustezle proporcionan una mayor escalabilidad y alcance. WiMAX está definido bajoel estándar IEEE 802.16, cuyas versiones para dispositivos fijos y móviles seencuentran recogidas en los documentos 802.16d [1] y 802.16e [2], respectiva-mente. Los aspectos que imprimen a Wimax una ventaja con respecto a otrastecnoloǵıas móviles para la transmisión de datos y servicios integrados radicanen el diseño de su capa f́ısica. Ésta ha sido especialmente diseñada para trans-misión de datos en entornos urbanos y cuenta con avances como la modulaciónOFDM [3], sofisticados sistemas de corrección de errores, sistemas de modu-lación/codificación adaptativa y técnicas de beamforming (AAS).Aśı, la unión de ambos escenarios, provisión de QoS/QoE y redes WiMAX,es el foco de este trabajo. En [4] se evalúa un sistema WiMAX Mobile desde elpunto de vista de su rendimiento en descargas, pero sin actuar en ninguno delos mecanismos de control y gestión de tráfico que el estándar deja abierto afabricantes y operadores (que es precisamente en lo que se centra este trabajo).La conclusión que se alcanza, lógicamente, es que los mecanismos de schedulingy QoS son cŕıticos para el funcionamiento aceptable de aplicaciones multimediay mezcla de tráficos. Aśı, a través de una gestión y configuración de recursosapropiada, debeŕıa ser posible alcanzar un nivel de calidad elevado a pesar deoperar sobre un entorno WiMAX. En la literatura especializada, [5], se pro-ponen diferentes mecanismos para mejorar las prestaciones y la eficiencia deltráfico IP, como la priorización y el filtrado de tráfico, técnicas de control deTráfico IP Multimedia 25la congestión, asignación de recursos, protocolos de señalización, etc. En [6],los autores presentan una solución para la gestión de QoS en una red WiMAXdentro del proyecto europeo Enthrone [7]. Las pruebas se realizaron sobre unaplataforma de experimentación, compuesta por un WiMAX Resource Managerubicado en el Gateway, varias estaciones base y varias estaciones cliente. Sinembargo, entre las pruebas no se incluyeron aplicaciones como VoIP o IPTV.Hasta el momento existe una falta de trabajos de evaluación de prestacionesde aplicaciones multimedia sobre redes WiMAX. En este trabajo, presentaremosun escenario de despliegue de una red WiMAX experimental para llevar a cabovarias pruebas de tráfico multimedia con el fin de evaluar las prestaciones deesta tecnoloǵıa en términos de QoS y QoE. El resto del trabajo se divide dela siguiente forma: en la sección 2 se describe el escenario real desplegado.En la sección 3 se presentan las principales caracteŕısticas del testbed y suconfiguración, aśı como el software involucrado. La sección 4 muestra losresultados de las pruebas realizadas. Finamente, se exponen las conclusiones.2. Arquitectura desplegada para la red de pruebasEl escenario real desplegado consiste en un acceso WIFI-WiMAX sobre elCampus de la Universidad Politécnica de Cartagena. La Figura 1 siguientemuestra un diagrama de la arquitectura básico.Figura 1: Arquitectura de red desplegada para la red de pruebas.La ĺınea roja punteada indica el camino que sigue el tráfico en ambossentidos. En un extremo, los clientes finales acceden a la red mediante puntosde acceso Wifi, los cuales están conectados al cliente WiMAX. La estación baseWiMAX está cableada directamente al servidor, que finalmente da acceso aInternet mediante un router WAN. El servidor central utilizado es un ordenador26 D. Garćıa, F. Cerdán, M.D. Cano, A. Cabrera, et al.Figura 2: Detalles del hardware utilizado en la red de pruebas. Superior-izquierda: Estación base utilizada. Superior-derecha: Escenario utilizado parael despliegue. Inferior: Detalles de la antena cliente WiMAX.de sobremesa con dos tarjetas Ethernet. La estación base utilizada es la pre-WiMAX punto-multipunto Alvarion BreezeMaxTMBS. Trabaja en modo punto-multipunto a una frecuencia de 5,4 GHz con una tasa de transferencia de 14Mbps. Se encuentra instalada en la parte más alta del campus para maximizarla cobertura, como muestra la Figura 2.a y 2.b. Por su parte, la antena clienteWiMAX se encuentra en el otro extremo del campus (Figura 2.c) conectadadirectamente por un cable Ethernet a un punto de acceso Wifi con tasa detransferencia de 54 Mbps mediante el cuál los usuarios tienen acceso a la reddesplegada y a Internet.3. Monitorización del tráficoEl software utilizado para la realización de los tests es el IxChariot, el cualtiene un generador de tráfico configurable. Se configura un único PC que actúede maestro para que el resto actúen de esclavos, y entre éstos se generan losflujos de tráfico. El maestro, al concluir el test, recibe los datos y genera losinformes. Se trata de un software especializado muy potente capaz de generarflujos de tráfico de Voz sobre IP, IPTV, tráfico HTTP y P2P, además demonitorizar numerosos parámetros de la red. En los informes generados seTráfico IP Multimedia 27Figura 3: Red desplegada para los tests.pueden comparar los resultados obtenidos en los test y detectar posibles fallosen el ancho de banda consumido, retardos, pérdidas de datos, jitter, etc. Trasintroducir en el generador de tráfico el diseño (Figura 3), es necesario especificarlos flujos de tráfico que circularán entre cada uno de los ordenadores esclavos.En los intercambios de flujo es necesario además señalar los tipos de tráfico aintercambiar aśı como los flujos a analizar.4. ResultadosPara evaluar experimentalmente el comportamiento de la arquitecturahardware desplegada y el rendimiento de la misma en cuanto a varios parámetroso figuras de mérito relevantes, se muestra una de las pruebas llevadas a cabo.Tráfico y configuraciónTransmisión de 2 canales IPTV, 12 canales VoIP y tráfico HTTP. Tanto loscanales de IPTV como los de VoIP se comienzan a transmitir con un retrasointencionado de 10 segundos respecto al tráfico HTTP (de menor prioridad).El servidor está configurado para asegurar la correcta recepción de loscanales de IPTV y VoIP por encima del resto, como suele ocurrir.ResultadosEl canal de VoIP y los dos de IPTV se transmiten correctamente. El tráficoHTTP, que demanda todo el ancho de banda del canal, sólo recibe el tráficodisponible según la ocupación de IPTV y VoIP (Figura 4).Se han llevado a cabo varias medidas sobre algunas de las figuras de méritoconsideradas más cŕıticas en una comunicación VoIP, para comprobar la calidaddel enlace y su validez para este tipo de tráfico en concreto. Algunas de ellas28 D. Garćıa, F. Cerdán, M.D. Cano, A. Cabrera, et al.Figura 4: Medida del throughput por canal para el test realizado.Figura 5: Retardo experimentado por el tráfico de VoIP durante el test.son el retardo, el jitter o dispersión, las pérdidas o el parámetro de calidad de lavoz (MOS). En cuanto al retardo, una cota superior lo sitúa en torno a los 150ms como máximo para una recepción aceptable de forma general. En la Figura5 se puede observar como en ningún momento, el retardo de la comunicaciónVoIP excede los 60 ms.El jitter o dispersión temporal resulta óptimo también al no superar enningún momento la cota de los 5 ms (Figura 6).Por último, el parámetro MOS (Mean Opinion Score) refleja, en media, lacalidad de voz percibida en una escala de 0 a 5. En los tests realizados se obtieneun MOS de 4,3 aproximadamente, tal y como se puede observar en la Figura 7.Este último parámetro confirma que todas las conversaciones de voz hantenido una alta calidad, al no tener retardos elevados y al ser el jitter demuy corta duración. Aśı, en definitiva, aunque el canal ha estado varias vecessaturado y han sido varios los tipos de tráfico inyectados a la red, el esquemade prioridades configurado y el ancho de banda reservado para VoIP, han sidosuficientes para lograr el nivel de QoS deseado.Tráfico IP Multimedia 29Figura 6: Jitter experimentado por el tráfico de VoIP durante el test.Figura 7: MOS medido.4. ConclusionesEn este trabajo se han obtenido una serie de parámetros de rendimientoy calidad de servicio sobre una red WiMAX real cuando se integran servicioscuyos tráficos tienen caracteŕısticas muy diferentes. Para ello, se ha utilizado unaherramienta de monitorización de tráfico que ha permitido obtener una serie demedidas y gráficas para valorar las prestaciones de dicha red en términos deQoS y QoE. De los resultados se concluye que la implantación de mecanismosde gestión y priorización del tráfico en una red de estas caracteŕısticas es cŕıticapara ofrecer los niveles de QoS y QoE demandados.Referencias[1] IEEE. 802.16-2004 IEEE Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems,2004.[2] IEEE. 802.16e Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed andMobile Operation in Licensed Bands, 2005.[3] R. Prasad, OFDM for Wireless Communications Systems, Artech House, ISBN: 1-58053-796-0, 2004.30 D. Garćıa, F. Cerdán, M.D. Cano, A. Cabrera, et al.[4] C. Huang, H. Juan, M. Lim, C. Chang, Radio Resource Management of heterogeneousservices in mobile WiMAX systems, IEEE Wireless Communications 2007, 14 (1), 20-26.[5] Kun I. Park, QoS in Packet Networks, ISBN 0-387-23390-3/x, Ed. Springer Science, 2005.[6] Ma. G. Obreja, R. Lupu, E. Borcoci, O. Fratu, A WiMAX Resource Management solutionintegrated with an end to end QoS management system, 1st. International Conferenceon Wireless VITAE’09 (2009), 87-91.[7] http://www.ist-enthrone.org

Evaluación Experimental de Tráfico IP Multimedia sobre una red Wimax

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