Análisis de Tasa Efectiva de Servicio y Retardo en SMS

Análisis de Tasa Efectiva de Servicio y Retardo en SMS
Alex Alvarado S., Luis Vinnett P. y Walter Grote H.
Departamento de Electrónica – Universidad Técnica Federico Santa María
Av. España 1680, Casilla Postal: 110-V, Valparaíso, Chile
Email: [email protected]
Resumen.- El Short Message Service (SMS) es un servicio
que permite a suscriptores GSM enviar un mensaje de texto
simple, de hasta 160 caracteres. El bajo costo, la conveniencia
que implica el envío silencioso e inequívoco de datos y la relativa
rapidez del relevo de los SMS, se han traducido en una amplia
aceptación de este servicio. Conviene entonces evaluar el
rendimiento en términos de la tasa efectiva de servicio
(throughput) y el retardo para los SMS a nivel de la capa MAC.
Dado que existe poca información referente al tema, este
documento se presenta como una referencia para estudios
posteriores.
Abstract.- The Short Message Service (SMS) enables GSM
subscribers to send each other a simple text message, constrained
to a maximum of 160 characters. The low service cost, the
convenience of being able to deliver silently accurate data at a
reasonable speed has brought SMS to worldwide acceptance
levels. This motivates the convenience of throughput and delay
evaluation at the MAC level. This document is presented for
future work reference due to the fact that little has been published
in this context.
Keywords.- SMS, GSM, Signaling Channels, SDCCH,
Throughput, Retardo
1.- Introducción
La tecnología GSM (Global System for Mobile), es un estándar
para comunicaciones móviles ampliamente aceptado a nivel
mundial. Es la norma pan-europea de telefonía celular digital
creada por la ETSI (European Telecommunications Standards
Institute), y está siendo usada por más de 400 millones de
usuarios en el todo el mundo [Sam02].
El estándar GSM es un sistema de comunicaciones de telefonía
móvil basado en la conmutación de circuitos. Pronto se vio la
conveniencia de ofrecer un servicio adicional de intercambio de
breves mensajes de datos entre los usuarios. De esta foma nace el
concepto y la tecnología asociada al Short Message System
(SMS) [Bri99].
El SMS es un servicio que permite el envío de mensajes cortos
de texto entre terminales móviles con un largo máximo de 160
caracteres. Este servicio, es del tipo “store and forward”, lo cual
permite que si el equipo del destinatario se encuentra apagado, o
fuera del área de cobertura, el mensaje sea almacenado en la red
hasta que pueda ser retirado por el destinatario.
Si bien existen numerosas publicaciones referentes al
funcionamiento del sistema SMS [Peer00] [Bri99] [Car03], los
autores no conocen documentos que aborden el tema de
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile
establecer la tasa efectiva de servicio (throughput) y retardo en
detalle. Éste análisis es importante tanto a nivel de usuario como
de proveedor de servicios, pues la máxima tasa de transferencia
ofrecida y el retardo medio en la recepción de un SMS interesan
tanto a quien envía el mensaje como a quien diseña, administra y
provee el servicio.
El resto de este documento está organizado de la siguiente
forma. En la sección 2 se presenta una descripción del sistema,
así como detalles sobre la trama GSM y la codificación utilizada
en los canales de control. En la sección 3 realiza el análisis de la
tasa efectivas de sevicio (throughput), mientras que en la sección
4 se analiza el retardo en SMS. Finalmente en la sección 5 se
presentan las conclusiones del presente trabajo.
2.- Descripción del Sistema.
El SMS es un servicio que permite el envío de mensajes cortos
de texto entre terminales móviles con un largo máximo de 160
caracteres. Existen dos tipos de SMS disponibles: mensajes de
difusión (cell broadcast), usados para enviar información de
control unidireccionales a los terminales móviles que tengan
habilitado el servicio dentro de una celda, y mensajes punto a
punto (point-to-point). Los SMS point-to-point son enviados
desde un móvil a otro, [Peer00]. Este documento se centra en el
análisis de los SMS point-to-point por ser los de mayor interés
para los usuarios. A los proveedores de servicio también les
interesa conocer las tasas de servicio y retardos que están
asociados a la interfaz de aire de este servicio.
Dentro de las características importantes de este sistema se
destaca que no es necesario poseer una casilla para almacenar los
mensajes. De hecho, los SMS llegan automáticamente al terminal
y se almacenan en éste. Debido a que la transmisión de los SMS
se realiza usando los canales de control de GSM es posible cursar
una llamada y recibir un mensaje en forma simultánea.
2.1.- SMS en la trama GSM.
En la Figura 1 se muestra un esquema de la jerarquía de la
trama GSM. En esta se pueden apreciar tanto los canales de
control (señalización) como los canales de tráfico de voz ó datos
los cuales son multiplexados en el tiempo, [Aga04], [Rap02],
[And01].
Como se puede apreciar en la Figura 1, una trama (frame)
corresponde a la unidad básica de la jerarquía y está compuesta
de 8 ranuras temporales (time slots) denominados TS0,..., TS7.
Estas tramas son agrupadas en una multitrama (multiframe) de 26
tramas para el caso de tráfico y en 51 tramas para el caso de
señalización. A su vez, las multitramas son agrupadas en una
supertrama (superframe) de 51 ó 26 multitramas para el caso de
35.1/5
tráfico y de señalización respectivamente. Por último, las
supertramas se agrupan en una hipertrama (hyperframe) de 2048
supertramas, [Rap02].
tanto en el enlace de subida como en el de bajada, [Car03],
[Aga04]. La estructura de la multitrama de control para el canal
de bajada se presenta en la Figura 3.
235,5[ms]
6.12[s]
1
0
0
2
1
2
3
4
5
6
7
47
1
2
3
48
49
50
49
50
SDCCH
1
SDCCH
2
SDCCH
3
SDCCH
4
SDCCH
5
SDCCH
6
0
2 3 41 5 1
6 7 81 9 10
1 1 1
1 11 12
1 13 14
1 15 16
1 17 18
1 19 20
1 21 22
1 23
235.4[ms]
120[ms]
0
25
24
3
24
25
0
1
2
Voz ó Datos
3
SDCCH
Señalización
7
SDCCH
8
SACCH
1
SACCH
2
SACCH
3
SACCH
4
Iddle
24
1 33 34
1 35 36
1 37 38
1 39 40
1 41 42
1 43 44
1 45 46
1 47 48 49
1 50
1 25 26
1 27 28
1 29 30
1 31 32
4.615[ms]
TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7
Figura 1: Jerarquía de la trama GSM [Rap02].
En la Fig. Figura 2 se destaca TS0, utilizada para señales de
control, mientras que TS1, TS2, TS3, TS4, TS5, TS6 y TS7 se
utilizan para tráfico de voz/datos. El análisis de este documento
se centra a nivel de una multitrama de control (51 tramas de 8 TS
cada uno).
4.615[ms]
Enlace de bajada en configuracion SDCCH/8
Figura 3: Estructura de multiframe configurada con
SDCCH/8.
Los 32 TS que son utilizados para SDCCH se agrupan en 8
sub-canales SDCCH de 4 TS cada uno. Sin pérdida de
generalidad y para simplificar el análisis, este se centrará en el
canal de bajada en donde los 8 canales SDCCH se encuentran
contiguos y al comienzo de la multitrama como se detalla en la
Figura 3.
2.2.- Codificación de los canales de control.
TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7
Figura 2: División del frame para control y voz.
Si bien GSM provee el transporte de datos sobre un canal de
tráfico, para la transmisión de un SMS point-to-point se utilizan
canales de control, lo cual permite el tráfico de voz y de mensajes
en forma simultánea. Dependiendo de si existe o no una llamada
en curso, el SMS se envía por canales de control diferentes. En
caso de tener una llamada en curso, se utiliza el canal SACCH
(Slow Associated Control Channel). En caso de que se trate de un
mensaje que es enviado a un terminal que no está cursando una
llamada, se usa el canal SDCCH (Stand-alone Dedicated Control
Channel).
Para el análisis presentado en el presente documento se asume
que no existe una llamada en curso en el terminal que envía o
recibe un SMS, lo cual, a juicio de los autores, representa una
situación más realista. Además se analiza el desempeño para una
sola portadora en el sector de la celda, portadora que comparte
señalización y canales de voz. También se asume la presencia de
un sólo usuario que intenta enviar un SMS, es decir, no existe
contienda entre múltiples usuarios por la toma del canal SDCCH.
Finalmente, tampoco se asume que las transmisiones puedan ser
interferidas y, en consecuencia, están libres de error de canal.
Estas simplificaciones tienen por objeto poder establecer la cota
máxima de la tasa efectiva de servicio y el mínimo retardo
esperado. A lo anterior se agrega que tampoco se analizan los
retardos introducidos por el servidor de mensajes, que tampoco
es parte de este estudio.
La multitrama puede tener distintas configuraciones, que son
elegidas por el proveedor de servicios. Se asume una
configuración SDCCH/8 la que cuenta con 8 canales SDCCH
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile
En un sub-canal SDCCH, al igual que para cualquier otro subcanal de control en GSM, se pueden introducir hasta 184 bits de
información. Esta información es codificada usando un shortened
binary cyclic fire code (SBCFC), que agrega 40 bits de paridad a
los 184 bits de información. Adicionalmente se agregan 4 bits de
cola obteniéndose un total de 228 bits. Estos bits son codificados
convolucionalmente obteniéndose 456 bits, que son entrelazados
para contrarrestar los efectos de los desvanecimientos, [Rap02],
[Aga04].
Para el análisis realizado se trabajará con el SMS medido en
cantidad de sub-canales SDCCH utilizados, de acuerdo a la
cantidad de caracteres que contenga del SMS.
3.- Tasa de Servicio Efectiva en SMS.
Interesa conocer la tasa efectiva de servicio (throughput) en el
envío de un SMS. El throughput está dado por la ecuación (1)
S=
Binf
Tinf
(1)
donde Tinf corresponde al tiempo mínimo necesario para
enviar los Binf bits de Información.
Dado que en un subcanal SDCCH es posible encapsular 184
bits de información, y solamente se puede disponer de sólo un
canal SDCCH para el envío de un SMS, se tiene un límite en
caracteres para el uso de un canal SDCCH. Si el SMS tiene entre
1 y 26 caracteres (codificados a 7 [bits/caracter]) es posible
enviar el SMS completamente en un subcanal SDCCH. Si la
cantidad de caracteres aumenta, también aumenta la cantidad de
35.2/5
canales SDCCH que se van a tener que utilizar para su
transmisión, disminuyendo evidentemente el throughput debido
al aumento en Tinf,. Esto es debido a que para el caso de utilizar
más de un subcanal SDCCH, se deberá esperar la siguiente
multitrama para seguir transmitiendo la información.
El throughput máximo para distintos números de subcanales
SDCCH utilizados se puede obtener mediante la expresión (2).
Para cada caso, Sn corresponde al throughput máximo que se
puede alcanzar al enviar un SMS que necesita n subcanales
SDCCH asumiendo que se encapsula la máxima información
posible, es decir, 184·n bits de información.
~
~
~
D n = T + TTx + W n
donde
~
Tn
es la variable aleatoria que representa el tiempo
entre el arribo del SMS al sistema y el fin del actual subcanal
SDCCH, y
~
Wn
~
T
Arribo
de SMS#1
0<L≤26
26<L≤52
52<L≤78
78<L≤105
105<L≤131
131<L≤157
157<L≤160
1
2
3
4
5
6
7
12.76
1.47
1.13
1.02
0.96
0.93
0.90
Tabla 1: Subcanales SDCCH utilizados y throughput
máximo para distintos largos (L) del SMS.
4.- Retardo en SMS.
Para calcular el retardo se supondrá que un cliente desea
enviar una secuencia de mensajes cortos a diferentes usuarios de
la red, los cuales pueden presentar distintos largos. La tasa de
arribos es variable y se ajusta a distintos valores para poder
apreciar su efecto en el retardo que experimentan los mensajes.
En esta sección se desea determinar el retardo medio al enviar un
SMS, cuando forma parte de una secuencia de estos mensajes.
Para esto, se define
~
Dn como
la variable aleatoria que
representa el tiempo de espera al enviar un SMS que utiliza n
subcanales SDCCH. El tiempo de espera se puede separar en la
suma de un término determinista que representa el tiempo
necesario para transmitir el SMS
TTx
y dos variables aleatorias,
~ ~
Wn y T . La ecuación (3) muestra estos aportes al retardo total:
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile
j-ésimo Sub Canal
Arribo
de SMS#2
Arribo
de SMS#3
Figura 3: Arribos de SMS al Subcanal SDCCH.
Para calcular el retardo medio, se debe calcular
[ ]
~
E Dn = Dn :
[ ] [
[]
]
[ ]
~
~
~
E D n = E T + TTx + W n
~
~
D n = E T + E [TTx ] + E W n
Con lo anterior se calculan los distintos valores de throughput
máximo de acuerdo a la ecuación (2) Los resultados se presentan
en la Tabla 1.
Throughput Máximo
[kbps]
TSC
(j-1)-ésimo Sub-Canal
En la ecuación anterior, n es la cantidad de subcanales
SDCCH necesarios para enviar el SMS. El numerador de la
ecuación (2) corresponde a la cantidad máxima de bits enviados
por SMS mientras que el denominador se divide en dos partes. El
primer término corresponde al tiempo de espera entre el subcanal
SDCCH y el siguiente y el segundo término corresponde al
tiempo de envío de los datos en el último canal SDCCH
utilizado.
Número de Subcanales
SDCCH utilizados (n)
es la variable aleatoria que representa el tiempo
de espera en la cola.

 (2)
n ⋅ 184[bit ]
Sn = 

 [(n − 1)235.5[ms ]] + [(3 + 1 / 8) ⋅ 4.615[ms ]]
Largo SMS
[Caracteres]
(3)
Para el cálculo de
[]
~
ET
(4)
que corresponde al tiempo medio
entre el arribo del SMS y el fin del actual subcanal SDCCH, se
asume arribos de Poisson. Por las propiedades de esta
distribución, se tiene que la distribución de los instantes de
llegada dentro de un subcanal SDCCH es uniforme. Como
consecuencia de esto, es evidente que el tiempo medio de espera
es
TSC
2
, donde
TSC , corresponde a la duración de un
subcanal
SDCCH.
[]
~ T
E T = SC
2
4.615[ms ]
=4
2
= 9.23[ms ]
Para determinar el valor de
(5)
E [TTx ] = TTx
sólo basta conocer
la cantidad de subcanales SDCCH que se van a utilizar en el
envío del SMS. En forma genérica se puede escribir como:
1

TTx = n ⋅  3 +  ⋅ 4.615[ms ]
8

(6)
Con (5) y (6), la ecuación (4) se puede escribir como:
[ ]
~
 1
D n = 9.23 + n ⋅  3 +  ⋅ 4.615[ms ] + E W n
 8
(7)
35.3/5
Para evaluar esta expresión se simuló el sistema considerando
sólo un usuario, mensajes con arribos Poisson los cuales pueden
ser enviados en el primer subcanal SDCCH. Además se
consideraron distintos largos para los mensajes. La tasa de
arribos al sistema se incrementó desde λ=0 hasta λ= λmax .
Se consideró una fila de largo infinito. Dicha fila se llenó
dependiendo de la existencia de mensajes encolados y del
subcanal SDCCH en el cual el mensaje arribó al sistema. Dado
que sólo se puede transmitir en el primer subcanal SDCCH sólo
en éste se vacía la cola, en todos los otros casos la cola se
incrementa. Para detener la simulación se utilizó un criterio de
parada el cual consistió en verificar el largo de la cola al final de
cada incremento de la tasa de arribo. Si dicha cola excedía de
manera considerable la cantidad de SMS que se pueden atender
en las próximos multitramas, entonces se detienen los
incrementos y se procede a analizar el próximo largo del
mensaje.
El resultado de la simulación es una curva de retardo
promedio en función del throughput para distinto número de
subcanales SDCCH utilizados. Este gráfico se presenta en la
Figura 3.
5
Retardo Medio [ms]
10
n=1
n=2
n=4
n=5
n=6
n=7
n=3
4
10
Número de Subcanales
SDCCH utilizados (n)
Retardo promedio
[ms]
Tasa promedio de
Arribos [SMS/min]
1, (1 < L ≤ 26)
2, (26 < L ≤ 52)
3, (52 < L≤ 78)
4, (78 < L ≤ 105)
5, (105 < L ≤ 131)
6, (131 < L ≤ 157)
7, (157< L ≤ 160)
316.9
587.7
805.4
997.9
1175.6
1350.4
1493.7
193
73
46
31
22
17
14
Tabla 2: Retardo medio y tasa promedio de
arribos para los puntos óptimos
De la tabla anterior se puede apreciar que a medida que el
largo del SMS a enviar aumenta, también lo hace el retardo
promedio. Sin embargo, hay una ventaja comparativa de enviar
un mensaje más largo que subdividir un mensaje largo en varios
mensajes más cortos. También se aprecia de la tabla 2, que al
aumentar el largo del SMS, disminuye la tasa promedio de
arribos por unidad de tiempo soportada por el sistema.
Adicionalmente al análisis presentado, se estudió el
comportamiento estadístico de la longitud de los SMS
encuestando a usuarios de distintas compañías. Los resultados de
esta encuesta que abarca a 115 SMS se resumen en la Tabla 3.
3
10
2
10 -2
10
Como la información contenida en un SMS es 184·n [bits/SMS],
es simple calcular la cantidad de SMS en promedio que ingresan
al sistema por unidad de tiempo. Para relizar este cálculo se debe
elegir un punto sobre cada curva que posea una throughput lo
más alto posible y que no generara un retardo muy elevado. Por
la forma de las curvas, se decidió que los puntos óptimos eran los
que se encontraban en los puntos de inflexión de las curvas los
cuales se destacan en la Figura 3. Con estos datos se calcularon
los valores que se presentan en la Tabla 2. En la primera columna
se aprecia el número de subcanales SDCCCH utilizados por el
SMS y en paréntesis, el número de caracteres que puede contener
un SMS de esas características.
-1
10
0
10
Throughput [kbps]
1
10
2
10
Figura 3: Throughput vs Retardo en SMS
Las curvas de la Figura 4 representan el retardo en la capa
MAC de la interfaz de radiofrecuencia solamente, es decir, no se
consideran lo retardos que se producen en los servidores. Los
largos de los SMS para los cuales se realizó la simulación fueron
Ln=26,52,78,105,131,157 caracteres para n =1,2,3,4,5,6,7. Como
resultado se generaron 7 curvas que representan la relación
existente entre el retardo medio en la transmisión de los SMS y el
throughput obtenido.
En la Figura 4 se aprecia que los valores máximos de
throughput a los que tienden las curvas corresponden a los datos
presentados en la Tabla 1. También se aprecia que, como era de
esperarse, a medida que el throughput tiende al máximo, el
retardo tiende a infinito.
Para un determinado punto sobre alguna de las curvas es
posible obtener el throughput en [kbps] dada cierta tasa de arribo.
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile
Largo SMS
[Caracteres]
Frecuencia
Relativa
% del total
0<L≤26
26<L≤52
52<L≤78
78<L≤105
105<L≤131
131<L≤157
157<L≤160
17
22
19
26
14
12
5
14.8
19.2
16.5
22.6
12.2
10.4
4.3
Tabla 3: Estadísticas para el largo de SMS.
De la tabla anterior se puede apreciar que en general, existe un
15% de SMS de un largo menor a 26 caracteres, y que el 50% de
los SMS generados tienen un largo inferior a 78 caracteres. Esto
implica que aproximadamente el 50% de los mensajes SMS
enviados experimentan un retardo menor a 1 segundo en su
transmisión en la interfaz de radiofrecuencia. Este tiempo es
mucho menor que el tiempo real que se experimenta entre el
envío y recepción de un mensaje, lo cual significa que los
retardos mayores que se experimenta en el envío de los mensajes
SMS son atribuibles a los servidores y no a la interfaz de
radiofrecuencia.
35.4/5
5.- Conclusiones
En este documento se presentó una descripción del
funcionamiento del envío de un SMS en una red GSM,
tecnología que posee la virtud de ser soportada por casi todos los
terminales de esta red.
En el análisis se calcularon los valores máximos de throughput
instantáneo para SMS de distinta longitud en forma teórica, y se
contrastaron con resultados obtenidos por medio de simulación.
Se encontró que los valores del throughput máximo teórico
coincidían con los entregados por la simulación, lo cual confirmó
ésta. Además se presentó una característica throughput - retardo
para el envío de un SMS en donde fue posible apreciar que a
medida que el largo del SMS aumenta, también lo hace el retardo
(en casi un orden de magnitud), y el throughput percibido por el
usuario disminuye.
Se demostró la relevancia que tiene en el retardo medio el uso
de mensajes de menos de 26 caracteres, logrando disminuciones
máximas en el retardo promedio cercanas a un 400%. Por lo
anterior, es evidente que al momento de aumentar la carga la red
enviando SMS en forma persistente y a una tasa del orden de los
cientos de SMS por minuto, la elección del largo del SMS es un
parámetro muy importante a tener en cuenta.
Para contrastar el análisis con datos reales, se recolectaron
datos en forma aleatoria y se generó una tabla en donde fue
posible apreciar que sólo un porcentaje menor al 15% de los
SMS enviados son de un largo menor a 26 caracteres.
6.- Agradecimientos
Esta publicación fue posible, en parte a la generosa colaboración
de Humberto Cartagena, quien en todo momento alentó el trabajo
en este tópico y nos proporcionó de valiosos datos, y también por
el financiamiento parcial por parte del proyecto UTFSM 230322
[Peer00] Guillaume Peersman and Srba Cvetkovic, “The Global
System for Mobile Communications Short Message
Service”, IEEE Personal Communications, June 2000,
páginas 15-16.
[Rap02] Theodore Rappaport, “Wireless Communication,
Principles and Practice”, Second Edition. Prentice Hall
2002.
[Rom90] Raphael Rom, Moshe Sidi, “Multiple Access Protocols:
Performance and Analysis”, Springer-Verlag New
York Inc.,1990
Reseñas biográficas
Alex Alvarado S.: Estudiante de quinto año de Ingeniería Civil
Electrónica con Mención en Telecomunicaciones y Sistemas
Computacionales y estudiante de Magister en Electrónica en la
Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile.
Áreas de desarrollo: Comunicaciones de Datos y Protocolos de
Acceso Múltiple.
Luis Vinnett P.: Estudiante de quinto año de Ingeniería Civil
Electrónica con Mención en Telecomunicaciones y Sistemas
Computacionales y estudiante de Magister en Electrónica en la
Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile.
Áreas de desarrollo: Comunicaciones de Datos y Protocolos de
Acceso Múltiple.
Walter Grote H.: Ingeniero Civil Electrónico, Universidad
Técnica Federico Santa María, Ph.D. Polytechnic University.
Académico Departamento de Electrónica, Universidad Técnica
Federico Santa María. Áreas de desarrollo académico: Telefonía,
Comunicaciones de Datos, Redes de Alta Velocidad, Redes de
Computadoras y Comunicaciones Inalámbricas.
Referencias
[Aga04] Nilesh Agarwal, Leena Chandran-Wadia, Varsha Apte,
“Capacity Analysis of the GSM Short Message
Service'', Indian Institute of Technology Bombay
Powai, Mumbai 400 076, India, Oct. 2004.
[And01] Andreadis A., Benelli G., Giambene G., Marzucchi B.,
“Analysis of WAP over SMS-GSM”, Dep. of Inf.n
Engineering, University of Siena, Italy, Sep. 2001,
http://www.techonline.com/community/related_content
/14665
[Bri99]
Brignol, Brouet, Charrière and Mercier, “Effects of
Traffic Characteristics on the General Packet Radio
Service (GPRS) Performance”, IEEE Vehicular
Technology Conference 1999, página 844.
[Car03] Humberto Cartajena, “Planificación y Dimensionamiento de una Red GSM”, Memoria de Titulación,
UTFSM 2003.
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile
35.5/5