simulación de un acceso básico isdn mediante eventos

SIMULACIÓN DE UN ACCESO BÁSICO ISDN MEDIANTE EVENTOS
DISCRETOS
J. A. Portilla, J. C. García.
Universidad Nacional Sede Manizales
Campus La Nubia, Vía Aeropuerto
Manizales, Colombia
Resumen.- En este trabajo se presenta el procedimiento y la implementación de un sistema de simulación para caracterizar el
desempeño de tráfico en un acceso básico ISDN. El objetivo de este trabajo es el de proporcionar una guía que permita obtener
resultados confiables tanto en el campo académico como en el industrial, haciendo uso de los recursos existentes en la
universidad.
Abstract.- In this paper, the procedure and implementation of a simulation system in order to characterize the performance of
traffic in a basic access ISDN are shown. The goal of this work is to provide a guide which obtain reliable results in the academic
and industrial field, making use of resources available in University.
I. INTRODUCCIÓN
La red digital de servicios integrados (ISDN) es una extensión de la red pública telefónica (RPTC), diseñada para transmitir
llamadas de voz o datos digitalizados, desde un abonado a otro. Sus principales ventajas sobre la red de telefonía convencional
son una mayor calidad de voz, mayor velocidad, menor tasa de error, mayor rapidez en el establecimiento de llamadas y mayor
flexibilidad. Los costos de ISDN son similares a una llamada de teléfono convencional lo que, combinado con la velocidad
disponible, hacen de ISDN una buena elección para interconexión de Redes, sobre todo cuando las comunicaciones entre ellas son
muy intermitentes.
En el siguiente documento se muestra un modelo del sistema ISDN de Banda estrecha con un acceso primario de 30 canales, el
cual corresponde al sistema Europeo que es ofrecido en la ciudad de Manizales por su empresa de telecomunicaciones
EMTELSA. Aquí, RDSI-BE (ISDN-NB) es representado como un sistema de espera con manejo de cola finita y requerimiento de
servicio tipo Poisson.
El objetivo del sistema de simulación es el estudio exhaustivo de mecanismos de acceso básico al sistema ISDN y en particular, el
despacho de tráfico de usuarios que están en el sistema. El sistema está orientado a otros sistemas digitales tales como ATM/SDH,
xDSL e IS-95 CDMA 2000.
II.
ISDN
El CCITT(Comité Consultivo Internacional para Telegrafía y Telefonía), la define como: “Red que procede por la evolución de la
Red Digital Integrada y facilita conexiones digitales extremo a extremo para proporcionar una amplia gama de servicios, tanto de
voz como de otros tipos, y a la que los usuarios acceden a través de un conjunto definido de interfaces normalizadas” .
Figura 1. Esquema de configuración general
Es, pues, una red que procede por evolución de la red telefónica existente, basada en conexión por conmutación de circuitos a 64
Kbits/s, que al ofrecer conexiones digitales extremo a extremo, permite la integración de multitud de servicios en un único acceso,
independientemente de la naturaleza de la información a transmitir, y del equipo terminal que la genere.
Inicialmente, ISDN coexistirá con las redes convencionales de telefonía y datos, pero incorporando elementos de
interfuncionalidad para su interconexión con dichas redes, para convertirse definitivamente en la única y Universal Red de
Telecomunicaciones.
III.
ACCESO ISDN
Para la transferencia de información y señalización, se han definido en la ISDN una serie de canales digitales o vías de
transferencia de información. La conexión digital entre abonado y central puede transportar un conjunto de canales, definidos en
la Recomendación ITU-I.421.
Canal B: 64 Kbps
Canal D: 16 ó 64 Kbps
Canal H0: 384 Kbps
Canal H12: 1,92 Mbps
Si se va a utilizar una un acceso con 2 canales H0 y un D entonces la nomenclatura es acceso (2H0+D).
El Canal B es el canal de usuario básico. Se puede utilizar para transmitir datos digitales, voz digitalizada o una mezcla de tráfico
a baja velocidad, incluyendo datos digitales y voz digitalizada codificada como una fracción de 64 Kbps. En el caso del tráfico
mixto, todo el tráfico del canal B debe tener por destino el mismo punto final; esto quiere decir que la unidad elemental de
conmutación de circuito es el canal B. Si el canal B esta formado por dos o mas subcanales, todos ellos deben ir por el mismo
circuito entre los mismos usuarios.
Figura 2. Ejemplos de conexión
Figura 3. Acceso Primario ISDN.
Sobre el canal B se pueden establecer tres tipos de conexiones: Conmutación de circuitos, Conmutación de paquetes y
Semipermanente.
El Canal D sirve para dos propósitos principales. El primero, transmitir información de señalización para controlar las llamadas
de conmutación de circuitos asociadas con los canales B en la interfaz de usuario. Si el usuario quiere llevar a cabo una llamada
en el canal B, por el canal D se envía un mensaje de control a la central ISDN pidiendo la conexión. El canal D se utiliza para
establecer las llamadas de todos los canales B en la interfaz del usuario.
Los Canales H (H0, H11, H12) se utilizan para transmisión de información de usuario a alta velocidad. El usuario puede utilizar
el canal como una línea de alta velocidad o subdividirlo de acuerdo al propio esquema TDM (Multiplexación por División en el
Tiempo) del usuario. Como ejemplos de aplicaciones tenemos facsímil rápido, vídeo, datos a alta velocidad, audio a alta
velocidad y flujos de información multiplexados a velocidades bajas.
IV.
ACCESO DIRECTO ISDN
Los canales de acceso se pueden combinar para formar diversos tipos de acceso de usuario. Existen dos estructuras, según el
número y tipos de canales de información y señalización que contengan. Estos son:
§
Acceso Básico (2B+D). El acceso básico consta de dos canales de 64 Kbits/s (canales B) y un canal de 16 Kbits/s (canal D)
para la señalización y control. En las instalaciones del usuario, la velocidad es de 192 Kbits/s (B + B + control + sincronismo
+ mantenimiento) y está soportado por 4 hilos, 2 para transmisión y 2 para recepción en configuración de bus (Bus Pasivo)
que permite conectar hasta 8 equipos. Desde la central hasta el usuario, se utiliza como soporte el mismo bucle de abonado
analógico, con transmisión full duplex y cancelación de eco.
§
El Bus Pasivo. Una característica clave del punto de referencia S en el Acceso Básico es que permite que hasta ocho
dispositivos, ET1s y ATs se conecten a una sola línea. Esto difiere de la tecnología PBX digital previa, que solo soportaba
un dispositivo por línea.
En una primera vista, el bus pasivo parece un poco como una red de área local. La apariencia, sin embargo, es bastante
engañoso. Los dispositivos del bus usan una técnica para compartir el acceso a la red, no se comunican los unos con los
otros. Un teléfono, un fax, un ordenador dentro de una oficina compartirían la línea; como hay dos canales B, las dos
llamadas al canal B deben estar activas a la vez, independientemente la una de la otra.
§
Acceso primario (30B+D). El acceso primario consta de 30 canales de 64 Kbits/s (canales B) y un canal de señalización
(canal D) de 64 kbits/s. En las instalaciones de usuario se disponen de 2048 kbits/s que a través de una agrupación funcional
TR2 se pueden estructurar en 80B+ D, 5H0+D,H12+D,etc.
V.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PRIMARIO ISDN
Para la realización del software se planteó un acceso primario de acuerdo a lo descrito en la Figura 3. De acuerdo a esto, se tiene
en cuenta los siguientes parámetros: Cola de tráfico modelo M/M/N/M (Proceso de llegada Poisson, Proceso de despacho Poisson,
N Usuarios en la cola, M canales de voz y/o datos).
Las variables de entrada que involucran al sistema son:
•
Tiempo de simulación: es el tiempo total de simulación y da el límite de la generación de los tiempos de llegada realización
de las operaciones.
•
Tiempo promedio de llegadas: Se constituye en el valor esperado de la función exponencial generadora de tiempos de
llegada
E( X ) =
1
λ
.
E (Y ) =
1
.
µ
•
Tiempo promedio de servicio: es el valor esperado para el tiempo de servicio
•
Tiempo máximo de espera en cola para usuarios de datos: que sirve cuando se quieren simular con “impaciencia de
usuarios”, para los usuarios de datos.
•
Tiempo máximo de espera en cola para usuarios de datos: que sirve cuando se quiere simular el acceso con “impaciencia de
usuarios en la cola”, para los usuarios de datos.
•
Tiempo máximo de espera en cola para usuarios de voz: que sirve cuando se quiere simular el acceso con “impaciencia de
usuarios en la cola”, para los usuarios de voz.
•
Número de canales: Es la distribución de los 30 canales. En este caso se tiene predeterminados los más comunes que puedan
ser canales B(64 Kbps), canales H0 (384 KBps – 6 canales B) o canales H12 (1920 Kbps – 30 canales B).
•
Tamaño de la cola: es el número máximo de usuarios que son permitidos en cola.
•
Pasos de simulación (STEP): Constituye en los intervalos de tiempo en los que se quiere hacer cálculos estadísticos.
Las variables de salida son el producto del análisis y cálculos estadísticos de los resultados de la simulación y que junto a las
variables de entrada ayudan a caracterizar el sistema ISDN de acuerdo con la teoría de colas. Estas variables son:
•
Cantidad de usuarios aceptados: es el cómputo de los usuarios que fueron aceptados por el sistema en los intervalos de
tiempo dados por la variable de entrada STEP.
•
Cantidad de usuarios rechazados: es la suma de los usuarios que fueron rechazados por el sistema, debido a que en el
momento en que llegaron la cola ya estaba llena. Se realiza en los intervalos de tiempo dados por la variable de entrada
STEP.
•
Cantidad de usuarios que abandonan: es el cómputo de los usuarios que abandonan la fila si el tiempo que llevan esperando
en la cola por el servicio es mayor que el tiempo límite de espera para datos o voz, respectivamente.
•
Cantidad de usuarios en espera: es la suma de los usuarios que quedaron en la cola y que por el tiempo de simulación no
alcanzaron a ser atendidos por el sistema.
•
Frecuencia de usuarios aceptados: es el conteo de veces que se repitieron las cantidades de usuarios que fueron aceptados
por intervalos de tiempo.
•
Frecuencia de usuarios rechazados: es el conteo de veces que se repitieron las cantidades de usuarios que fueron rechazados.
•
Frecuencia de usuarios que abandonaron: es el conteo de veces que se repitieron las cantidades de usuarios que
abandonaron la fila de espera.
•
Frecuencia de usuarios en espera: es el conteo de veces que se repitieron las cantidades de usuarios que quedaron en la cola
en espera de ser atendido.
•
Monitoreo de canales: es el registro por cada canal del orden de los usuarios que los ocuparon.
•
Cantidad de usuarios por canal: es el numero de usuarios que atendió cada canal.
•
Frecuencia de canales libres: es el número de veces que se repitió la cantidad de canales libres que había al llegar un
usuarios al sistema.
VI.
SISTEMA DE SIMULACIÓN
En la figura 4 se muestra el diagrama de bloques de la fuente de usuarios que ingresan al sistema de simulación. En la figura 5 se
muestra el diagrama de bloques completo del sistema. Este valor de densidad de flujo de usuarios está controlado por la variable
de análisis Tráfico Ofrecido (A), dado por:
A=
E (Y ) λ
=
E( X ) µ
(1)
Figura 4. Modulo de Fuentes de Información para el sistema.
Figura 5. Módulo completo del sistema de acceso ISDN.
VII.
RESULTADOS.
En este caso se tomaron simulaciones donde el tiempo máximo de espera en la cola sea igual al de la simulación y que para
efectos prácticos es como si fuera infinito.
Se realizaron pruebas con 10 valores de µ y 5 simulaciones por cada valor de igual manera que se muestra en la figura 5
calculando los valores de Po para A entre 0.001 y 2.5 y de Pm con A entre 2.5 y 350. Posteriormente se sacó un promedio de los
valores de las simulaciones y se halló la probabilidad de que el sistema estuviera vacío a:
P0 =
Frecuencia de canales vacios
Num. total de Intervalos de simulacion
Y la probabilidad de bloqueo Pm como:
PM =
Num. de usuarios rechazados
Num. total de Usuarios que llegan
Estos valores se calculan, de forma teórica, con [4]:
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
Po Teórico
2,0000
2,5000
3,0000
Po Programa
Pm
Figura 6. Graficas de PO teórico y de simulación
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
A
Pm Teórico
PmPrograma
Figura 7. Graficas de PM teórico y de simulación
350.0
400.0
Po =
PM =
1
  A  M − N +1 
1 −  

N −1 i
A AN   N 

+
⋅
∑

A
N!
i = 0 i!
1−




N


AM
N M − N ⋅ N!
⋅ Po
(2)
(3)
Como podemos ver en la Tabla 1 y en la Tabla 2 los valores de PO son casi iguales a los teóricos, así como los de PM por lo que
vemos que el programa se ajusta al modelo de cola M/M/N/M de una manera muy confiable obteniendo un error promedio de
1.054% y 1.507% respectivamente.
Tabla 1. Comparación PO Teórico y de Simulación
VIII.
PO Programa
PO Teórico
Error (%)
0.9995
0.9995
0.0020
0.9954
0.9960
0.0590
0.9951
0.9950
0.0108
0.9760
0.9753
0.0708
0.9102
0.9048
0.5949
0.7801
0.7788
0.1668
0.5918
0.6065
2.4218
0.2235
0.2228
0.3166
0.0848
0.0801
5.8108
CONCLUSIONES
Este artículo ilustra una herramienta académica útil, mostrando una aplicación a la teoría de colas en sistemas de comunicación
presentes en el medio tal como lo es ISDN.
Se obtuvo una caracterización de tráfico del sistema ISDN de banda estrecha (ISDN-NB) por medio de los modelos
preestablecidos de sistemas de servicio con filas de espera, logrando resultados con márgenes de error muy bajos respecto a los
cálculos teóricos realizados.
ISDN se convierte en una opción de interconexión de redes por su alto grado de capacidad de atención a usuarios, su estructura
flexible y sus bajos costos de operación.
No se contó con la disponibilidad de resultados de análisis de trafico en conexiones reales pues no se han realizado ensayos de
este tipo en la región, esto se debe a que el sistema ISDN llegó recientemente y su nivel de impacto no ha llegado a un número
apreciable de usuarios. Lo anterior es una razón por la cual este trabajo contribuye de alguna manera a realizar esta clase de
estudios en enlaces que se tienen en nuestra zona, donde encontramos una limitación muy grande en el desarrollo de
investigaciones por parte de las empresas que ofrecen el servicio en la ciudad.
Tabla 2. Comparación PM Teórico y de Simulación
IX.
A
PM Programa
PM Teórico
Error (%)
2.5
0.0000
0.0000
0.0000
5.5
0.1230
0.1258
2.2662
7.0
0.2747
0.2890
4.9572
10.0
0.4912
0.5001
1.7652
20.0
0.7356
0.7500
1.9154
40.0
0.8636
0.8750
1.3085
75.0
0.9281
0.9333
0.5654
115.0
0.9509
0.9565
0.5869
175.0
0.9621
0.9714
0.9576
350.0
0.9783
0.9857
0.7493
REFERENCIAS
[1] TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadoras. 3 ed. México: Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 1997.
[2] STALLINGS, William. Comunicaciones y redes de computadores. 6 ed. Madrid: Prentice may Ibérica S.R.L., 2000.
[3] Simulación y análisis de modelos estocásticos. McGraw Hill. 1997.
[4] A. CAMERANO. Teoría de colas aplicada a las telecomunicaciones. 1995.
[5] TOMASI Wayne, Sistemas de comunicaciones electrónicas. Prentice Hall Hispanoamérica. 1996 México.
[6] T. RAPPAPORT, “Wireless Communications”, Prentice-Hall, New York, 1996.
X. AUTORES
Julio César Garcia Alvarez, es Magister en Ingeniería Electrónica y de Computadores de la Universidad de los Andes (2000).
Es Ingeniero electrónico de la Universidad Nacional de Colombia (1998). Es actualmente Instructor Asociado en la Universidad
Nacional de Colombia Sede Manizales, en los cuales se desempeña como docente y director en las áreas de Telecomunicaciones y
Telemática. Es director del proyecto “PROPELA (Applied Electromegnetic Propagation)”. e-mail: [email protected]
Jaime Alberto Portilla, Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional. Sus áreas de interés son las comunicaciones y la
telemática. e-mail: