Serviços e Aplicações E-UMTS Resultados de Simulação em BCC Custos e Proveitos

1. Serviços e Aplicações E-UMTS Resultados de Simulação em BCC Custos e Proveitos Covilhã, 30 de Junho de 2005

2. SERVIÇOS E APLICAÇÕES E-UMTS

3. 1. Classificações das Aplicações Aplicação tarefa que requer comunicação de uma ou mais streams de informação, entre dois ou mais intervenientes separados geograficamente, caracterizados pelo tráfego, comunicação e serviços disponibilizados. Serviço conjunto genérico de aplicações com características semelhantes, ou com uma única aplicação por si só significativa. Classificação de aplicações/serviços: -> Recomendação ITU-T I.211 -> Perspectiva QoS

4. 1.1. Recomendação ITU-T I.211 (I) Serviços Interactivos  ocorre troca de informação bidireccional entre dois subscritores ou entre um subscritor e um fornecedor de serviços. -> Conversacionais: transferência de informação extremo-a-extremo de forma bidireccional e em tempo real. O fluxo de informação pode ser simétrico e bidireccional, assimétrico e bidireccional e, em casos específicos, unidireccional. Exemplo: videotelefone e videoconferência. -> De mensagens: comunicação entre utilizadores individuais, com a possibilidade de guardar e redireccionar mensagens/informação. Este tipo de serviço não é de tempo real (ex.: correio de voz). -> De acesso: permitem adquirir informação armazenada em centros de informação de utilização pública. Este serviço tem aplicação, por exemplo, nos sistemas de vídeo a pedido.

5. 1.1. Recomendação ITU-T I.211 (II) Serviços de Distribuição  a transferência de informação é unidireccional, de um fornecedor de serviços para um utilizador. Inclui serviços de difusão, em que o utilizador não tem controlo sobre a apresentação da informação e serviços cíclicos, que permitem ao utilizador um certo controlo na apresentação. -> De difusão: oferecem um fluxo contínuo de informação, distribuído a partir de uma fonte até um número ilimitado de receptores autorizados ligados à rede. Cada utilizador pode aceder a este fluxo de informação, não tendo, no entanto, qualquer controlo sobre ele, como por exemplo, na difusão de um jornal electrónico. -> Cíclicos: permitem a distribuição de informação a partir de uma fonte central para um grande número de utilizadores. A informação é fornecida na forma de sequência de entidades de informação com repetição cíclica. O utilizador pode controlar o início e requisição da apresentação. Como exemplos tem-se o teletexto e os jornais electrónicos por meio de redes públicas.

6. 1.2. Perspectiva QoS 1.2.1. Classe Conversacional Existe interacção de dados em tempo real, com largura de banda controlada requerendo tempos de atraso baixos. O serviço mais representativo corresponde às chamadas multimédia. Uma chamada refere-se a um pedido explicitamente colocado pelo utilizador final à rede UMTS, tentando trocar informação com o(s) destinatário(s) da mesma. Se uma chamada for bem sucedida origina um período activo de troca de dados entre as entidades nela envolvidas. Uma chamada multimédia pode envolver duas ou mais entidades e consistir em componentes de áudio, vídeo e dados em simultâneo ou estar limitada a um único componente. 1.2.2. Classe de Streaming Suporta transferência de dados contínuos, com largura de banda controlada, não necessitando, no entanto, de requisitos de tempo de atraso tão restritos como os da classe conversacional. São serviços unidireccionais do tipo servidor para utilizador (como o Windows Media Player). Um programa ao vivo transmitido na Internet é ligeiramente retardado pelo software de recepção (por exemplo 5 a 10ms). Se faltarem dados durante a sessão o programa pára até que o software tenha pacotes suficientes para continuar.

7. 1.2.3. Classe Interactiva Existe transmissão de dados (sem ser em tempo real) nos dois sentidos sem controlo de largura de banda. A característica fundamental é a preservação do conteúdo dos dados do utilizador, de modo a garantir a correcção dos mesmos. Nas aplicações de pesquisa web o utilizador requisita informação ao servidor e este responde. Geralmente o tráfego de pesquisa é maior durante as transferências no flanco descendente que nas do flanco ascendente. 1.2.4. Classe de Retaguarda Transferência de dados de baixa prioridade, sem ser em tempo real. Tal como a classe interactiva, a característica mais importante desta classe é a preservação do conteúdo dos dados do utilizador, de modo a garantir a correcção dos mesmos. Porém, ao contrário da classe interactiva, a resposta não é esperada dentro de um limite temporal estreito. Mensagens curtas (SMS), correio electrónico, transferência de ficheiros e downloads são exemplos típicos.

8. 1.3. QoS vs ITU-T I.211 (I) • Pode dizer-se que as classes QoS (3GPP) e ITU-T I.211 se encontram relacionadas do seguinte modo: • A classe conversacional é a mesma em ambas as classificações: existe um diálogo bidireccional entre utilizadores finais. • O streaming multimédia está na mesma linha das classes de difusão e de acesso à informação. A informação encontra-se sob a forma de fluxo ou stream contínuo. • A classe interactiva pode ser ligada a quase todos os tipos de classe I.211, excepto a de difusão. O utilizador requer dados a equipamentos remotos. • A classe de retaguarda trata a informação como uma troca de correio e está relacionada com a classe de mensagens I.211.

9. 1.3. QoS vs ITU-T I.211 (II) Na tabela apresenta-se a correspondência entre serviços e aplicações, assim como uma classificação segundo os pontos de vista de mercado e de qualidade de serviço. MIA-Mobile Internet Access; MIEA–Mobile Intra/Extranet Access; CI–Customised Infotainment; MMS–Multimedia Messaging Service; LBS–Location-Based Services; RV–Rich Voice

10. 1.3. QoS vs ITU-T I.211 (III) A tabela que se segue apresenta aa definições específicas para cada categoria de serviço: Descrição das categorias de serviço segundo o Report No.33 do UMTS Forum.

11. 2. Parâmetros de Caracterização Os parâmetros de serviço são necessários para a caracterização de serviços extremo-a-extremo e respectivos requisitos. Devem distinguir-se os parâmetros em serviço, tráfego, comunicação, componentes do serviço, modelo de actividade e ambientes de operacionalidade. Dos ambientes de operacionalidade, no domínio móvel, a mobilidade do terminal tem uma importância chave. 2.1. Características do Serviço • Dependência temporal intrínseca: baseada no tempo (time-based TB) ou não baseada no tempo (non-TB NTB); • Requisitos de entrega: em tempo real (real-time RT) ou não (non-RT NRT); • Direccionalidade: unidireccional (Und) ou bidireccional (Bid); • Simetria da ligação: simétrica (Sym) ou assimétrica (Asy) e o respectivo factor de assimetria; • Interactividade: existente ou não; • Número de intervenientes: um-para-um (1-1), um-para-vários (1-m) ou multi-intervenientes (multi).

12. 2.2. Características do Tráfego Processo de geração descreve a distribuição estatística dos tempos entre-chegadas/início das sessões (session inter-arrivals), p.e., Poisson. Distribuição da duração se é utilizada uma distribuição exponencial negativa para modelar a duração de uma chamada com taxa de serviço µ, o parâmetro corresponde ao valor médio 1/µ. Outras distribuições, como a lognormal, são, também, usadas para este efeito. Duração média das ligações refere-se à duração da ligação, i.e., o período em que se mantém activa (holding time). Latência (atraso extremo-a-extremo) tempo de transferência máximo (num sentido) tolerado pelo serviço. Para fornecer uma resposta interactiva aos observadores, o tempo de resposta entre a acção do utilizador e o seu efeito deve ser inferior a 100ms. Taxa de Transmissão de Dados taxa de transmissão de dados média associada aos serviços. 2.3. Características de Comunicação (I) As características de comunicação consistem em: Burstiness é definida pela razão entre o débito binário (bit rate)médio e de pico. Classes de serviço entrega ao melhor esforço best-effort delivery (classe de serviço ABR no contexto da tecnologia ATM), entrega em tempo real (RT) de informação baseada no tempo (CBR ou VBR) e entrega em tempo real de informação não baseada no tempo.

13. 2.3. Características de Comunicação (II) Probabilidade de Erro de Bit (BER) Calcula-se através da razão entre os bits recebidos com erro ou omitidos e o número total de bits recebidos. Protocolo de comunicação os protocolos de comunicação mais comuns são o UDP (User Datagram Protocol) e o TCP (Transmission Control Protocol). 2.4. Sessão e modelo de actividade Os parâmetros de chamada e sessão seguem: ->BHCA (Busy Hour Call Attempt) e tempo entre-chegadas/início das sessões; ->Distribuição de chegadas Os modelos de actividade descrevem a relação entre períodos activos e silenciosos, em qualquer direcção: ->Duração e sua distribuição; ->Tempo médio de acção/inacção; ->Distribuições temporais de acção/inacção (e.g., exponencial).

14. 2.5. Componentes do serviço Uma aplicação pode ser suportada por diferentes serviços tendo, consequentemente, características diferentes em termos de tipo de informação, se assim for não é suficiente um simples modelo de actividade/inactividade. Torna-se então necessário definir um modelo de componentes de serviço para multi-serviço.

15. 3. Modelos de Mobilidade O objectivo dos modelos de mobilidade é descrever a movimentação de terminais típicos, de forma a poder realizar-se uma análise do desempenho. Consideram-se dois tipos básicos: terminal individual e tele-tráfego. 3.1. Ambientes de Escritório Da perspectiva da mobilidade, os ambientes de interior são caracterizados por baixas velocidades (pedestre ou de veículo lento) e por caminhos de mobilidade relativamente bem definidos, determinados pela topologia arquitectónica e padrões de actividade. 3.2. Pedestre Exterior/Interior — Centro de Negócios Citadino Este modelo de mobilidade é associado com um ambiente de centros de negócios em cidades onde as estações base se encontram situadas no exterior cobrindo, também, as áreas interiores dos edifícios. Na representação de centros citadinos utiliza-se, normalmente, o Modelo Manhattan, ou seja, uma grelha rectangular de ruas intersectadas.

16. 3.3. Ambiente Veicular O ambiente veicular aplica-se a cenários urbanos e suburbanos fora do centro citadino, onde os edifícios têm praticamente uma altura uniforme, caracterizados por células maiores e potências de transmissão mais elevadas. 3.4 Modelos de Equilíbrio de Fluxo para Tráfego A alta mobilidade associada ao E-UMTS remete para uma análise de tele-tráfego, onde o tráfego das novas ligações e das ligações de handover deve ser considerado simultaneamente. Duração média: Tempo de ocupação do canal c = min{, h} Tempo médio de ocupação do canal: Considerou-se uma distribuição triangular para a velocidade, com média Vav=(Vmax+Vmin)/2 e um desvio =(Vmax-Vmin)/2. Características dos cenários de mobilidade.

17. 4. Definição de Cenários E-UMTS (I) É, ainda, difícil ter uma visão clara dos cenários de desenvolvimento em E-UMTS. No entanto, já é possível distinguir oito: i) Centros de Negócios Citadinos  BCC (veicular ou pedestre), ii) residências urbanas  URB (veicular ou pedestre), iii) estradas primárias  ROA, iv) comboios  TRA, v) zonas comerciais  COM (p.e., aeroportos, estações de caminho-de-ferro, hospitais, centros comerciais, universidades), vi) escritórios  OFF (edifícios), vii) indústria  IND (fábricas de grande envergadura) e viii) casas  HOM. Hipóteses de uso nos vários mercados. Hipóteses para escritórios e indústrias.

18. 4. Definição de Cenários E-UMTS (II) • Assume-se, ainda, que existe correspondência entre cenários de desenvolvimento e os mercados referidos: • Residencial: URB e HOM. • Mistos: ROA, TRA e COM. • Negócios: BCC, OFF e IND. • As aplicações assimétricas (como o FTP) necessitam de taxas elevadas apenas num dos sentidos, enquanto que para aplicações com comportamento em rajada UBR (como o Ambiente de Trabalho Multimédia) o débito binário médio pode ser muito inferior levando a uma melhoria da utilização da fonte, ocorrendo um ganho estatístico de multiplexagem. 5. Tráfego fonte e simulações (I) Para satisfazer as exigências técnicas de ferramentas de simulação deve ser seleccionado um conjunto de serviços reduzido. Sem esse esforço de sumarização o enquadramento proposto teria dificuldades consideráveis na implementação, devido aos elevados recursos de computação necessários para os simuladores.

19. 5. Tráfego fonte e simulações (II) Proposta para a utilização de aplicações em cada uma das simulações do SEACORN para Cenários de Desenvolvimento. 5.1. Tráfego de Aplicação A quantidade de chamadas geradas é dependente do número de potenciais utilizadores e da taxa de novas sessões por utilizador que caracterizam cada serviço e ambiente. A duração das chamadas e o padrão de actividade determinam o comportamento do tráfego.

20. 5.2. Tentativa de chamada em hora de ponta Uma tentativa de chamada em hora de ponta (BHCA) representa, neste caso, o número total de tentativas de chamada por todos os utilizadores considerados numa simulação. Vão corresponder aos utilizadores cobertos por uma ou parte de uma célula de transmissão. 5.3. Geração de chamadas e parâmetros de tráfego (I) A geração de chamadas e os parâmetros de tráfego descrevem o comportamento do serviço em termos de geração de tráfego. Incluem taxa de dados média, taxa de chegada de sessão por utilizador durante a hora de ponta, duração média de uma chamada, burstiness e factor de simetria. O termo chamada refere-se geralmente a serviços conversacionais enquanto o termo sessão se refere a ligações a dados.

21. 5.3. Geração de chamadas e parâmetros de tráfego (II) Geração de chamadas e parâmetros de tráfego. A utilização Uj é expressa como uma relação entre o tráfego para o serviço j (derivado da taxa de chegada de sessão, duração e número de subscritores) e o tráfego total produzido durante a hora de ponta. 5.4. Parâmetros de Actividade de Sessão Os parâmetros de actividade da sessão descrevem os aspectos detalhados do tráfego durante uma chamada. Isto é consumado através de um modelo alternando entre o estado activo/inactivo (On/Off). Pela definição de uma duração média de cada período, juntamente com uma distribuição estatística adequada, pode-se modelar a actividade durante uma chamada.

22. 5.4. Parâmetros de Actividade de Sessão (cont.) Parâmetros de actividade da aplicação. Pode verificar-se que os serviços de streaming não exibem estados inactivos e assim o estado On é igual à duração de chamada e a duração do estado Off é nula. 5.5. Modelo de Tráfego Fonte para Fala • Para simulação as fontes de fala poderão ser baseadas em codificadores/descodificadores (codecs) multi-taxa adaptativos (AMR) apenas com o modo de 12.2kb/s. Cada fonte AMR de 12.2 kb/s é modelada com um modelo On/Off para DTX (Discontinuous Transmission) tendo as seguintes estatísticas: • Distribuição da duração da chamada de voz: Exponencial; média: 180seg. • Distribuição da duração em estado activo: Exponencial; média: 1.4seg. • Distribuição da duração em estado inactivo: Exponencial; média: 1.7seg.

23. 5.6. Pesquisa Web Multimédia Este modelo de fonte de dados é baseado nos modelos fonte para pesquisa Web mas considera o tamanho médio dos ficheiros maior devido à natureza multimédia do serviço. O tráfego multimédia exibe tamanhos de ficheiros potencialmente grandes com padrões de distribuição de cauda pesada (heavy tail). Modelo de tráfego para pesquisa Web multimédia. 5.7. Mensagens Instantâneas Multimédia (IMM) As mensagens multimédia em tempo real são trocadas entre utilizadores através de um servidor de mensagens multimédia instantâneas. É considerado que as mensagens não terão um tamanho mínimo e, assim, é utilizada a distribuição de Weibull para modelar o tamanho dos pacotes de chamadas. Parâmetros para o modelo de tráfego IMM.

24. 5.8. Assistência em Viagem Este serviço consiste em: -> Guia de Cidade -> Aconselhamento de Tráfego e Condições de Estrada Combina serviços baseados em localização com assistência pessoal e podendo usar streaming de vídeo interactivo para sessões de realidade virtual. A seguinte aproximação de modelação pode ser seguida utilizando a distribuição de Weibull com os parâmetros detalhados na tabela seguinte. Parâmetros do modelo de tráfego de Assistência em Viagem. 5.9. Interligação WLAN De uma interligação WLAN é esperado que siga um comportamento similar a uma LAN. Apontando para um nivelamento apertado devido à agregação de tráfego da fonte, uma distribuição de Weibull com um parâmetro de forma α=1.5 é utilizada para produzir uma camada de distribuição menos pronunciada. Parâmetros do modelo de tráfego da interligação WLAN.

25. 5.10. Modelo de Vídeo MPEG-4 É esperado que os modelos MPEG-4 e H.263 ocupem uma parte muito significativa nos sistemas multimédia e redes de banda larga sem fios. Estes algoritmos de compressão tornam possível a transmissão do tráfego vídeo em sistemas de rede sem fios. Os codificadores do MPEG-4 geram três tipos de quadros: Quadros IP, Quadros P e Quadros B. O resultado principal da pesquisa continuada na simulação do tráfego MPEG-4 é que as estatísticas podem variar largamente mesmo no caso de material similar (ex.: filmes codificados). A única maneira de alcançar um ajuste óptimo envolve o estudo particular da fonte em questão.

26. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO EM BCC

27. 1. Cenário Simulado: BCC (I) No ambiente de centro de negócios citadinos, o escolhido para as simulações realizadas, as unidades móveis deslocam-se ao longo das ruas e podem mudar de direcção em cruzamentos com uma determinada probabilidade. A actualização das posições necessita de ser realizada com mais frequência que no caso do ambiente urbano visto que, para este ambiente, são consideradas velocidades pedestres por isso, considera-se que uma actualização a cada 5m é um valor razoável. A cada actualização de posição pode ocorrer uma variação da velocidade de acordo com uma determinada probabilidade. Podem especificar-se vários parâmetros tais como as velocidades média e mínima e as probabilidades de mudar de direcção e de velocidade.

28. 1. Cenário Simulado: BCC (II) Normalmente utiliza-se o modelo Manhattan (tipo Baixa Pombalina) para representar os centros citadinos: Este modelo consiste numa grelha rectangular de ruas que se intersectam entre si, podendo caracterizar-se por ter edifícios quadrados homogéneoscom 200m de lado e ruas com 30 metros de largura.Tem ainda como característica específica o facto de consistir em áreas pequenas com edifícios altos e elevada densidade de utilizadores com baixa mobilidade (pedestre).

29. 2. Resultados de simulação 2. Resultados de simulação (I)

30. 2. Resultados de simulação (II)

31. 2. Resultados de simulação (III) Percentagem de utilizadores activos suportada em função de R.

32. 2. Resultados de simulação (IV) Throughput suportado em função de R. Throughput suportado em função de R, entre [239.89; 465.25]. Throughput suportado em função de R, entre [155.463; 238].

33. CUSTOS E PROVEITOS

34. 1. Custos e Proveitos (I) No que à função de custos diz respeito, têm-se dois parâmetros. Em primeiro lugar, os custos fixos (Cf), que se optou por fazer corresponder ao valor da licença UMTS em Portugal no ano 2000, no montante de 100000000€. Em segundo lugar, os custos proporcionais ao número de BSs (Cb), calculados pela soma dos custos da estação de base em si, dos custos de instalação e de manutenção da rede. Para estes últimos consideraram-se três hipóteses apresentadas na tabela. Quanto à função de proveitos, interessa estipular o preço (em euros) por kb de dados, Tx. Consideraram-se também três hipóteses, indiferenciadas no que concerne o ritmo de transmissão característico dos vários tipos de aplicação, sendo todas referentes a valores bastante abaixo dos praticados actualmente com o UMTS. Importa ainda definir a duração da tentativa de chamada em hora de ponta, tBHCA, que se considerou ser de 6 horas por dia durante 250 dias úteis por ano, ou seja, 5400000 segundos.

35. 1. Custos e Proveitos (II) Função de Custos: Carga suportada: Função de Proveitos: Gráficos para hipóteses intermédias

36. 1. Custos e Proveitos (III)

37. 2. Valores do Lucro para cada Hipótese

38. 3. Percentagem de Lucro