Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
MEDICIÓN DE LA CALIDAD DEL SERVICIO
EN REDES MÓVILES
Por:
José Andrés Thuel Gutiérrez
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Diciembre del 2007
MEDICIÓN DE LA CALIDAD DEL SERVICIO
EN REDES MÓVILES
Por:
José Andrés Thuel Gutiérrez
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Jhonny Cascante Ramírez, Msc.
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Javier Cerdas Fallas
Profesor lector
_________________________________
Ing. Martín Calderón Vargas
Profesor lector
DEDICATORIA
iiii
RECONOCIMIENTOS
A Ing. Jhonny Cascante Ramírez, Msc. Por su aporte en este trabajo y por haber tenido la
iniciativa de realizarlo. También a Ing. Javier Cerdas Fallas e Ing. Martín Calderón Vargas
por su aporte a este trabajo.
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS...................................................................................iv
ÍNDICE DE TABLAS......................................................................................v
NOMENCLATURA.........................................................................................v
RESUMEN.......................................................................................................ix
CAPÍTULO 1: Introducción ...........................................................................1
1.1 Justificación ......................................................................................................................1
1.2
Objetivos.................................................................................................................5
1.2.1
Objetivo general..............................................................................................5
1.2.2
Objetivos específicos ......................................................................................5
1.3
Metodología ............................................................................................................6
CAPÍTULO 2: Generalidades sobre redes móviles ......................................8
2.1 Redes móviles de primera generación ..............................................................................8
2.2 Redes móviles de segunda generación............................................................................14
2.2.1 Redes D-AMPS....................................................................................................14
2.2.2 Redes GSM ..........................................................................................................16
ii
Las principales partes que se le agregan a la red GSM para permitir la conmutación de
paquetes son: la unidad de control de paquetes (PCU), el nodo de soporte de servicio
GPRS y el nodo de soporte GPRS de gateway.............................................................28
2.2.3 Redes CDMA.......................................................................................................28
2.3 Redes móviles de tercera generación..............................................................................29
CAPÍTULO 3: Conceptos sobre la calidad de servicio en redes móviles .31
3.1 Calidad del servicio en redes móviles.............................................................................33
3.2 Parámetros de medida de la calidad................................................................................34
3.3 Factores que afectan la señal de radio ............................................................................37
3.4 Grado de Servicio ...........................................................................................................39
3.5 Arquitectura de QoS de 3GPP ........................................................................................41
3.5.1 Atributos de QoS .................................................................................................44
3.5.2 Negociación de atributos .....................................................................................47
CAPÍTULO 4: Métodos de medición de la calidad en redes móviles y
propuestas de mejoras técnicas.....................................................................48
4.1 Técnicas de medida de la calidad del servicio................................................................48
4.2 Sistemas y herramientas de medida de QoS ...................................................................49
4.2.1 KPIs de voz..........................................................................................................51
4.2.2 KPIs de datos .......................................................................................................54
4.3 Aplicación de las mediciones de QoS.............................................................................58
4.3.1 Centro de gestión de QoS ....................................................................................60
Conclusiones y recomendaciones ..................................................................62
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................65
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Sistema de celdas usado en AMPS, las frecuencias no se reutilizan
en celdas adyacentes. .......................................................................................11
Figura 2.2: (a) Canal D-AMPS de tres usuarios. (b) Canal D-AMPS de seis
usuarios.............................................................................................................15
Figura 2.3: Canales usados en GSM, cada trama se divide en ocho ranuras...17
Figura 2.4: Arquitectura GSM. ........................................................................18
iv
Figura 2.5: Estructura de las tramas en un sistema GSM. ...............................21
Figura 2.6: arquitectura de GPRS y GSM. ......................................................27
Figura 3.1: Aspectos técnicos y no técnicos relacionados con la calidad del
servicio. ............................................................................................................33
Figura 3.2: ejemplo de diferentes contextos PDP para una misma estación
móvil.................................................................................................................43
Figura 4.1: Comparación de la calidad de la señal de audio de tres proveedores
de servicios GSM en Portugal..........................................................................49
Figura 4.2: Capacidad de TSL y throughput por celda en función de data
erlang................................................................................................................57
Figura 4.3: degradación del retardo en LLC relacionado con el bloqueo de
TBF...................................................................................................................58
Figura 4.4: Aspectos involucrados en la gestión de QoS. ...............................61
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1: retardos después de seleccionar en sistemas de segunda generación.
..........................................................................................................................40
Tabla 3.2: retardos de respuesta en sistemas de segunda generación..............40
Tabla 4.1: valores de RXQUAL correspondientes a BER...............................52
NOMENCLATURA
5
3GPP: Proyecto de Asociación de Tercera Generación.
AGCH: Canal de concesión de acceso, tipo de CCCH usado en GSM
AMPS: Sistema avanzado de telefonía móvil, sistema de primera generación.
AP: Punto de acceso a la red.
AuC: Centro de autenticación en arquitectura GSM.
BCH: Canales de broadcast en GSM.
BCCH: Canal de control de broadcast, tipo de BCH en GSM.
BEP: Probabilidad de bits con error.
BER: razón de bits con error.
BS: Bearer service, portador del servicio.
BSC: Controlador de estación base, parte de BSS.
BSIC: Código de identificación de la estación base.
BSS: Subsistema de estación base, parte de la arquitectura GSM.
BTS: Transmisor de estación base, parte de BSS.
CCH: Canales de control en GSM.
CCCH: Canales de control común usados en GSM.
CDMA: Acceso múltiple por división de código, tecnología de segunda generación.
CSR: Proporción de llamadas con éxito.
D-AMPS: Sistema avanzado de telefonía móvil digital, sistema de segunda generación.
DCCH: Canales de control dedicado usados en GSM.
DCR: Proporción de llamadas perdidas.
EIR: Registro de Identificación de Equipo en arquitectura GSM.
vi
FACCH: Canales de control asociado rápido, tipo de DCCH usado en GSM.
FCCH: Canal de corrección de frecuencia, tipo de BCH en GSM.
FER: Proporción de tramas borradas.
FN: Número de trama.
GGSN: Nodo de soporte GPRS de gateway, arquitectura GPRS.
GoS: Grado de servicio.
GPRS: Servicios generales de paquetes por radio.
GSM: Sistema global para comunicaciones móviles, sistema de segunda generación.
HLR: Home location register, parte de la arquitectura GSM.
HSR: Proporción de handovers con éxito.
IETF: Internet Engineering Task Force.
IMSI: Identificación de Subscriptor Móvil Internacional,
IMTS: Sistema mejorado de telefonía móvil.
IS-136: Estándar D-AMPS.
IS-54: Estándar D-AMPS.
IS-95: Interim Standard 95, nombre del primer sistema CDMA comercializado por
Qualcomm.
IP: Protocolo de Internet.
ISO: Organización Internacional de Estándares.
KPI: Key performance indicador.
LLC: Control de link local.
MCS-L1: Sistema AMPS en Japón.
vi
MMS: Sistema de mensajería multimedia para teléfonos móviles.
MOS: Calificación media de opinión.
MSO: Oficina de conmutación móvil.
MSC: Central de conmutación móvil, es lo mismo que MSO.
MTSO: Oficina de conmutación telefónica móvil, lo mismo que MSO.
NSS: Subsistema de conmutación de red, parte de la arquitectura GSM.
PCH: Canal de paging, tipo de CCCH usado en GSM.
PDP: Packet Data Protocol.
PCU: Unidad de control de paquetes, arquitectura GPRS.
PFC: Contexto de flujo de paquetes.
PSTN: Red telefónica publica conmutada.
QoS: Calidad de servicio.
RACH: Canal de acceso aleatorio, tipo de CCCH usado en GSM.
RLC: Control del enlace de radio.
SACCH: Canales de control asociado lento, tipo de DCCH usado en GSM.
SCH: Canal de sincronización, tipo de BCH en GSM.
SDCCH: Canal de control dedicado Stand-alone, tipo de DCCH usado en GSM.
SDU: Unidad de datos del sistema.
SGSN: Nodo de soporte GPRS en servicio.
SIM: Subscriber Identify Module, permite la identificación de los usuarios en GSM.
TACS: Nombre del sistema AMPS en Inglaterra.
TBF: Flujo de bloque temporal.
vi
TCH: Canales de tráfico en GSM.
TDMA: Acceso múltiple por división en el tiempo.
TSL: Timeslots.
UIT: Unión Internacional de Telecomunicaciones.
UMTS: Sistema universal de telecomunicaciones móviles, tecnología de tercera
generación.
VLR: Visitor location register, parte de la arquitectura de GSM.
WAP: Protocolo de aplicación wireless, permite el acceso a Internet desde un teléfono
móvil.
RESUMEN
En esta investigación se recompiló información relacionada con las redes de
comunicaciones móviles, centrándose específicamente en lo relacionado con los aspectos
técnicos que se ven involucrados en la calidad del servicio. El objetivo general con que se
partió es elaborar una propuesta para la medición de la calidad de servicio en redes móviles
y determinar sus beneficios.
Primero se introducen los conceptos generales se relacionan con las redes móviles,
repasando su historia, las principales tecnologías que existen en la actualidad y las
tecnologías de tercera generación que están en desarrollo.
Se explica también que es el concepto de calidad de servicio, los aspectos que están
involucrados en él, como los parámetros importantes, factores que afectan la señal de radio
y el concepto de grado de servicio. Esta parte se basó en las recomendaciones de la UIT-T
ix
relacionadas con QoS, así como en definiciones dados por el Proyecto de Asociación de
Tercera Generación para la arquitectura de QoS en GSM y GPRS.
En la parte final de este trabajo se comenta sobre técnicas de medición de QoS, las
principales variables para medir el funcionamiento de la red (KPIs) y los beneficios de
dichas mediciones.
.
Finalmente, se llegó a la conclusión de que la principal ventaja de las mediciones de QoS es
que le dan al proveedor una idea clara de cómo es que debe administrar su red y en que
partes la debe mejorar. Se recomienda complementar este estudio con una investigación de
los aspectos no técnicos de la calidad del servicio y también con un estudio metrológico de
las mediciones de QoS.
x
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1 Justificación
Las redes móviles son, en la actualidad, una de las formas de comunicación más usadas en
todo el mundo. Su popularidad se debe a la gran facilidad y comodidad con que los
usuarios de este sistema disponen. La opción de comunicarse desde diferentes puntos,
estando incluso en movimiento constante, es un extraordinario aporte que la tecnología le
ha dado al ser humano.
El concepto de red móvil se empezó a manejar con la introducción de los teléfonos
inalámbricos al mercado, específicamente de los teléfonos celulares (conocidos también
como teléfonos móviles). El primer sistema telefónico móvil fue diseñado por la compañía
AT & T en Estados Unidos, y era un sistema puramente analógico de transmisión de voz.
El desarrollo de los sistemas digitales introdujo cambios al sistema telefónico móvil, de
forma que se pasó a un sistema de comunicación digital. Estos sistemas cuentan con la
ventaja de que permiten el uso de técnicas avanzadas de codificación y compresión, lo que
permite un mejor aprovechamiento del espectro de frecuencias disponible. Además,
permiten la integración de muchos servicios adicionales al tráfico de voz, gracias a la
capacidad de transmitir datos con la que ahora se cuenta.
En total la telefonía celular ha pasado por tres generaciones distintas desde sus inicios. A
grandes rasgos estas son las principales características de cada una:
1
Primera generación: Transmisión de voz analógica.
2
Segunda generación: Transmisión de voz digital.
11
2
3
Tercera generación: Transmisión de voz y datos digitales.
Además del mejoramiento que la tecnología ha introducido para la comunicación, también
cabe destacar el hecho de que se ha logrado la fabricación de componentes cada vez más
pequeños. Esto ha hecho que los fabricantes sean capaces de diseñar teléfonos más
pequeños, más cómodos, con mayor capacidad y más atractivos para el público lo cual,
sumado a las grandes facilidades que brindan los teléfonos celulares, ha propiciado más que
una revolución tecnológica una revolución cultural. Las comunicaciones digitales a grandes
velocidades, Internet y la telefonía celular se han convertido en símbolos de la sociedad
moderna.
Los teléfonos celulares son ahora accesibles a todo tipo de personas, sin importar
nacionalidad, edad o género. Evidencia de esto es que compañías como Motorola, Nokia y
Ericsson se preocupan de que sus productos no solo sean altamente novedosos desde el
punto vista técnico sino que además sean atractivos al consumidor. Se fabrican teléfonos de
diferentes formas, colores y aplicaciones con el objetivo de que la compañía pueda atraer a
un sin número de consumidores de diferentes gustos. Se han integrado también a los
aparatos muchas aplicaciones como cámaras digitales, reproductores de MP3 y video,
calendarios, juegos, agendas personales y conectividad a Internet que hacen de ellos
instrumentos cada vez más importantes en la vida de las personas.
Todo lo mencionado anteriormente es solo una muestra
del enorme alcance de las
comunicaciones móviles en la sociedad moderna y nos deja evidencia de que estas son un
gran negocio para las compañías que brindan este tipo de servicios.
Partiendo de esto es que resulta sumamente importante el estudio de la calidad del servicio
(QoS) que se le da a los consumidores, ya que a fin de cuentas son estos últimos de quienes
dependen las redes móviles. Es muy importante que la empresa de comunicaciones esté en
3
capacidad de dar un servicio que sea confiable, eficiente, cómodo para el usuario y de
última tecnología.
Como se explicará más adelante, QoS es un término muy amplio, que incluye tanto
conceptos técnicos como no técnicos. Los primeros están ligados al funcionamiento de la
red y de la estación móvil, mientras que los segundos se relacionan con la atención al
cliente antes y después de que se le vende el servicio. En esta investigación se tratarán
exclusivamente los aspectos técnicos, particularmente aquellos vinculados con el
funcionamiento de la red.
Para entender QoS desde este punto de vista es importante que se tenga un concepto muy
claro de las partes constructivas de la red, su alcance y su funcionamiento tanto a nivel
interno como externo. No solo es necesario saber cómo se logra establecer la comunicación
entre el cliente y las centrales de la red móvil, sino que también es importante conocer
cómo se interactúa con otras redes, como por ejemplo la red telefónica fija y con Internet.
Se debe tener además una comprensión clara de cuales son los términos y conceptos usados
para definir la calidad del servicio en redes móviles. Esto para que así se esté en capacidad
de analizar y evaluar los problemas relacionados con la calidad del servicio y tener los
medios necesarios para tomar decisiones en aras de su mejoramiento.
Se debe destacar del mismo modo, la importancia de tener un conocimiento amplio de
cuáles son los parámetros del sistema que es necesario medir y controlar, para que la
compañía proveedora pueda garantizar a sus clientes una gestión adecuada del servicio que
ellos reciben. Se debe saber también cuáles son los requisitos básicos que se debe tener para
poder realizar las mediciones adecuadas.
Resulta además de particular interés estudiar las redes móviles más allá de la transmisión
de audio. Se debe tener claro que este es un concepto desactualizado, ya que hoy en día se
pretende que las redes de telecomunicaciones sean capaces de transmitir todo tipo de datos
a grandes distancia y a velocidades nunca antes concebidas.
4
Se habla hoy de la transmisión integrada de datos, audio y video, lo que sin duda alguna
traerá nuevos retos para los sistemas de comunicación celular. Es cierto que el concepto de
teléfono móvil no dejará de existir, sin embargo este pasará a ser apenas una de las
aplicaciones que se pretenden para las redes móviles del futuro. Por tanto, esta nueva visión
se debe aplicar al estudio de la gestión de la calidad del servicio, logrando así una
concepción más moderna de estas redes.
Se puede trazar una analogía entre las redes móviles y las redes de telefonía fija que en el
pasado se usaron por las compañías telefónicas para que sus clientes hicieran llamadas y
que hoy en día, además de eso, se usan para permitir el acceso a Internet a altas
velocidades. La evolución de las redes móviles parece ir por un camino similar a este y esto
sin duda tendrá un gran impacto sobre la medición y la gestión de la calidad de los servicios
que se les ofrece a los clientes. En la transmisión de datos, por ejemplo, se necesita una
menor razón de bits con errores que la que se necesita para voz para que el servicio sea
aceptable, por lo que es necesario que el administrador del sistema pueda garantizarle esto
al usuario. Es claro que esto sólo se puede lograr mediante una adecuada gestión de la red,
lo que implica que se tenga conocimiento pleno del sistema y de cómo garantizar la calidad
del servicio.
Se entiende gestión de la calidad del servicio como la capacidad de administrar el sistema
de forma adecuada, tomar las decisiones necesarias para diagnosticar y corregir problemas
y tener la capacidad de llevarlas a la práctica. Así, la compañía que administra la red puede
estar segura que tiene los fundamentos necesarios para asegurar a sus clientes la buena
operación de su sistema.
En este trabajo se pretende dar una descripción clara y concisa de todos los temas antes
señalados con el objetivo de brindarle al lector un mejor entendimiento del funcionamiento
de los sistemas de comunicaciones móviles modernos y principalmente cómo es que se
5
logra mejorar, medir, garantizar y gestionar la calidad del servicio que se le da a los
consumidores.
Vale la pena resaltar lo que ya se mencionó anteriormente: la importancia de esta
investigación es que se pretende brindar capacidad de comprensión, análisis y evaluación
de problemas relacionados con la calidad de servicio en redes móviles. De esta forma se
podrán extraer las conclusiones necesarias, aplicando conceptos de última generación, para
que la empresa que administra la red intervenga en caso de problemas (ya sea de forma
remota o en el sitio necesario) y mantenga en óptimas condiciones su servicio.
1.2
Objetivos
1.2.1
Objetivo general
Elaborar una propuesta para la medición de la calidad de servicio en redes móviles y
determinar sus beneficios.
1.2.2
Objetivos específicos

Estudiar las partes constitutivas y el funcionamiento de una red móvil.

Conocer los conceptos fundamentales sobre calidad de servicio en redes móviles.

Investigar los factores que afectan la calidad de la señal de radio.

Conocer los parámetros de la calidad de servicio en redes móviles.

Estudiar los principales métodos de medición de la calidad en redes móviles.

Determinar los beneficios de la medida de calidad en redes móviles.
6
1.3
Metodología
La siguiente es la metodología que se seguirá para la elaboración de este trabajo:

Investigación bibliográfica sobre las generalidades de una red móvil, sus partes
constructivas, la arquitectura básica de la red, medios de transmisión usados y
manejo de la red. Para esto se consultarán diferentes libros, así como artículos en
revistas e Internet.

Investigación bibliográfica sobre los conceptos básicos en la calidad del servicio en
redes móviles, así como de los métodos de gestión de la calidad de dicho servicio.
Se tomará información de libros e Internet. Además se dispone las recomendaciones
UIT-T relacionadas con calidad de servicio y el Manual de Calidad de la UIT.

A partir de estos puntos básicos, y con la ayuda de publicaciones más especializadas
se pretende identificar los requerimientos básicos para la medición y la gestión de la
calidad del servicio en redes móviles.

Finalmente, con la ayuda de toda la información recopilada, se elaborará una
propuesta para la medición y la gestión de la calidad del servicio en redes móviles.
Se pretende de esta forma generar una serie de criterios y lineamientos básicos de
gestión que permitan mejorar la calidad del servicio que se le ofrece a los usuarios.
7

Toda esta información se incorporará en un documento escrito, donde el lector
podrá consultar los puntos que se mencionaron. Además, se hará una presentación
oral de esta investigación en la que se resaltarán los puntos claves de esta.
CAPÍTULO 2: Generalidades sobre redes móviles
En este capítulo se explican los conceptos generales de las redes de telefonía móvil,
haciendo un breve repaso de cómo estas se han desarrollado y cómo han llegado a adquirir
la importancia que tienen hoy en día. Además, se explica el funcionamiento de los
diferentes tipos de redes móviles que se han usado, se usan y se usarán, pasando por las tres
generaciones de telefonía móvil que se han desarrollado.
Es importante entender el funcionamiento de redes analógicas (primera generación) como
AMPS, ya que parte del diseño de las redes digitales actuales se basan en estas y muchas de
las innovaciones que estas introdujeron todavía se aplican.
Se comenta también acerca de las redes de telefonía móvil que existen actualmente en
Costa Rica, para poder introducir en los capítulos posteriores los conceptos de calidad de
servicio y gestión en estas redes. Se le da particular importancia a las redes GSM, ya que
estas son el tipo de red móvil más usado en el mundo y en Costa Rica para telefonía celular.
2.1 Redes móviles de primera generación
La primera red de telefonía móvil se construyó en la ciudad de Saint Louis en Estados
Unidos en 1946. Los teléfonos se instalaban en los automóviles de los usuarios que se
comunicaban por medio de un transmisor grande que se instalaba en el techo de un edificio.
88
9
Este sistema usaba un solo canal para transmitir y para recibir, por lo que no se podía
hablar y escuchar al mismo tiempo.
En la década de 1960 apareció el Sistema Mejorado de Telefonía Móvil (IMTS por sus
siglas en inglés), que al igual que el primer sistema usaba un transmisor de alta potencia.
Lo novedoso de este sistema es que usaba dos frecuencias distintas para transmitir y para
recibir, por lo que ahora si se podía transmitir y recibir al mismo tiempo. A pesar de esta
mejoría introducida el sistema aún no era muy práctico ya que tenía una capacidad muy
limitada, por lo que los usuarios muchas veces tenían que esperar mucho tiempo antes de
poder hacer sus llamadas. Se usaban 23 canales dispersos desde 150 hasta 450 MHz.
Tampoco se manejaba el concepto de hand-off explicado más adelante.
En 1982 se dio una nueva revolución en la telefonía móvil gracias al Sistema Avanzado de
Telefonía Móvil (AMPS), inventado por los Laboratorios Bell. Este sistema se instaló en
Estados Unidos, pero se usó también en Inglaterra bajo el nombre TACS y en Japón con el
nombre MCS-L1.
La importancia de este sistema es que se empezó a usar el concepto de celdas, que se sigue
usando en la actualidad y es la razón por la cual a los teléfonos móviles se les conoce
también como teléfonos celulares. La idea general es dividir la zona geográfica a la que se
10
le quiere dar cobertura en celdas de 10 ó 20 km (los sistemas digitales usan celdas más
pequeñas). Cada una de estas celdas utiliza un conjunto de frecuencias que no usan sus
celdas vecinas, para evitar la interferencia entre teléfonos que están en celdas contiguas.
La gran ventaja que el sistema AMPS ofrece es que tiene mucha mayor capacidad de
usuarios que los anteriores. Esto se debe a que se pueden reutilizar las frecuencias de
transmisión en celdas cercanas pero no adyacentes. Por lo que se pueden tener varios
usuarios usando las mismas frecuencias al mismo tiempo sin que haya interferencia entre
ellos. Entre más pequeñas sean las celdas mayor es la reutilización de frecuencias que se
puede hacer sobre la zona geográfica entera, por lo que se pueden agregar más usuarios al
sistema.
Por ejemplo si se tiene un sistema AMPS que da cobertura a un área de 100 km de radio,
dividido en 100 celdas de 10 km de radio se podrían tener de forma que se pueda tener
hasta 10 llamadas en las mismas frecuencias. Con un sistema IMTS en la misma área sólo
se podría tener una llamada por frecuencia. La figura 2.1 muestra un esquema de las celdas
usadas en AMPS, las celdas que están marcadas con una misma letra utilizan el mismo
conjunto de frecuencias. Se puede ver que en celdas continuas no se usan las mismas
frecuencias, de forma de se evite que una estación base interfiera con las estaciones de otras
celdas.
11
Figura 2.1: Sistema de celdas usado en AMPS, las frecuencias no se reutilizan en
celdas adyacentes. [3]
La otra ventaja que introduce el diseño en celdas es que al ser estas pequeñas se reduce la
potencia necesaria en los transmisores, lo que permitió reducir el tamaño de los dispositivos
y hacerlos más económicos. Por ejemplo, los teléfonos celulares de bolsillo tienen una
salida de 0,6 W en comparación con los 3 W que se necesitaban para los teléfonos en los
automóviles.
En cada celda se tiene una estación base que se encarga de transmitir a todos los teléfonos
que se encuentran dentro de ella. A estas estaciones se les conoce también como BSS
(subsistema de estación base) y se dividen en el Transmisor de Estación Base (BTS) y el
Controlador de la Estación Base (BSC).
12
Cada estación base o BSS se conectan a una Oficina de de Conmutación de Telefonía
Móvil (MTSO o MSO), que son esencialmente centrales para teléfonos móviles (cada
MTSO se conecta con al menos una central corriente). La central telefónica es el lugar
donde se encuentra el equipo de conmutación de circuitos y los demás equipos necesarios
para que se puedan hacer llamadas de un abonado a otro. El funcionamiento de estas
centrales se explicará más adelante, de forma más detallada, para el caso de las redes GSM.
Un problema que presenta la telefonía celular es que debido al tamaño de las celdas es muy
probable que un usuario se traslade de una celda a otra mientras el teléfono está en uso.
Cuando se cambia de celda el teléfono no puede seguir usando las mismas frecuencias que
usaba antes para comunicarse con la nueva estación base, ya que en celdas adyacentes no se
usan las mismas frecuencias. Por lo tanto se le deben asignar nuevas frecuencias al teléfono
móvil, así como una nueva estación base A este proceso se le conoce como cell handoff o
handover y tarda aproximadamente 300 mseg.
Cuando la estación base detecta que la potencia de la señal que recibe del celular baja
mucho (porque este está saliendo de su área de cobertura) pregunta a las estaciones de las
celdas adyacentes cuánta potencia reciben de este teléfono. La estación que recibe la señal
más fuerte es la estación de la celda en la que ahora se encuentra el teléfono. Ahora se le
indica al celular cual es su nueva estación base y cual es el nuevo canal que la MTSO le
asignó para comunicarse con ella. Si el teléfono está en uso al momento en que se da este
13
proceso la llamada se pierde a menos que se puedan sintonizar dos frecuencias al mismo
tiempo. Esto no se podía hacer con teléfonos de primera ni de segunda generación.
En telefonía móvil basada en el sistema AMPS se usan 832 canales duplex (transmitir y
recibir al mismo tiempo), que se componen de un par de canales simplex: uno para
transmitir y uno para recibir, cada uno con 30 kHz de ancho de banda. Los 832 canales de
transmisión van de 824 hasta 849 MHz, mientras que los canales de recepción van desde
869 hasta 894 MHz.
Cada teléfono tiene un número de serie de 32 bits y un número telefónico cuyo tamaño
depende del plan de numeración que se use, y en el cual los primeros tres son el código de
área. Al encenderse el teléfono le transmite estos números a la estación base, que luego le
avisa a la MTSO de la existencia y la ubicación del usuario.
Para hacer llamadas el teléfono transmite a la estación base su número de identidad y el
número de teléfono al que desea llamar. La MTSO busca un canal desocupado y le envía de
regreso al teléfono el número del canal de voz al que este debe conectarse. Para las
llamadas entrantes la MTSO recibe la solicitud de llamada y envía un paquete a la estación
base. Esta pregunta por el teléfono, que en todo momento está censando el canal de aviso y
le responde a la estación. Al confirmarse la ubicación del móvil la base le indica a cual
canal de voz debe conectarse para recibir la llamada.
14
2.2 Redes móviles de segunda generación
La diferencia entre la telefonía de segunda generación con la primera es que esta transmite
voz de forma digital y no analógica. En la actualidad hay cuatro sistemas diferentes de
telefonía móvil digital en uso: D-AMPS, GSM, CDMA y PCD (sistema japonés).
2.2.1 Redes D-AMPS
El sistema D-AMPS es el sistema de segunda generación basado en AMPS y que se diseñó
de forma que ambos sistemas pudieran coexistir, con la diferencia de que D-AMPS es
digital. Además se le conoce también como TDMA (acceso múltiple por división en el
tiempo), sin embargo este nombre no es el apropiado y puede generar confusiones pues
TDMA se refiere a la multiplexación en el tiempo y es usada también en GSM. Otros
nombres con los que se le llama comúnmente a este sistema son IS-54 ó IS-136 que son los
nombres de los estándares existentes para D-AMPS.
D-AMPS usa canales de 30 kHz y a las mismas frecuencias, lo que hace que teléfonos de
ambos tipos pueden funcionar en la misma estación base, de hecho la MTSO es la que
decide cuales canales son digitales y cuales analógicos. Luego se usó también la banda de
frecuencias de 1850 a 1910 MHz para poder suplir la demanda creciente de usuarios.
En este tipo de teléfonos la señal de voz se que se captura se digitaliza y se comprime. La
compresión de la voz se hace en el teléfono, por lo que se pueden enviar menos bits de
15
datos a la estación base. La ventaja que ofrece la digitalización y la compresión en el
sistema D-AMPS es que se puede hacer que hasta tres o incluso seis usuarios usen el
mismo canal duplex de voz al mismo tiempo, por medio de la multiplexación en el dominio
del tiempo.
Este sistema funciona con tramas de 40 mseg cada una, por lo que en cada frecuencia se
pueden manejar 25 tramas/seg. Además estas tramas se dividen en seis ranuras de 6,67
mseg cada una en las que se envían 324 bits: 64 de control, 101 de corrección de errores y
159 bits de datos de voz. La figura 2.2 muestra una representación de las tramas usadas en
el sistema D-AMPS.
Figura 2.2: (a) Canal D-AMPS de tres usuarios. (b) Canal D-AMPS de seis usuarios.
[3]
Este sistema es usado principalmente en Estados Unidos, sin embargo es importante porque
todavía se usa también en Costa Rica. Las primeras líneas celulares digitales que se
introdujeron al país usan esta tecnología y todavía son comunes, a pesar de que poco a poco
han sido reemplazadas por las líneas GSM.
16
2.2.2 Redes GSM
El sistema GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles) fue desarrollado en
Europa y se encuentra en mucho más lugares del mundo que el sistema D-AMPS. En
general ambos sistemas tienen muchas similitudes, por ejemplo ambos usan un esquema de
celdas similar al usado en AMPS, ambos dividen el espectro disponible en diferentes
canales de transmisión por medio de multiplexación en frecuencia y ambos usan la
multiplexación en el dominio del tiempo para que varios usuarios compartan el mismo
canal de datos.
La diferencia significativa que tiene GSM con respecto a D-AMPS es que los canales
tienen un ancho de banda de 200 kHz, a diferencia de los 30 kHz que usa D-AMPS.
Además GSM usa, en términos relativos, menos usuarios pues cada canal lo comparten
hasta 8 clientes. La ventaja que esto ofrece es que se permite una tasa de datos mucho más
grande por persona, pues si bien es cierto que el canal se comparte con más personas que en
D-AMPS en este caso el ancho de banda es mucho mayor.
GSM funciona con 124 pares de canales simplex, cada uno de 200 kHz y maneja ocho
diferentes conexiones. A cada teléfono se le asigna un canal para recepción y otro para
transmisión, donde el canal por el cual el móvil recibe los datos usa una frecuencia de 55
MHz superior a la frecuencia de transmisión. La figura 2.3 muestra los canales GSM en la
17
banda de 900 MHz, se puede ver como cada trama se divide en ocho ranuras que se le
asignan a los usuarios del servicio.
Figura 2.3: Canales usados en GSM, cada trama se divide en ocho ranuras. [3]
2.2.2.1 Arquitectura GSM
Las principales partes de la red GSM son las siguientes:
4
5
Subsistema de estación base (BSS)
2
Tranceptor de estación base (BTS)
3
Controlador de estación base (BSC)
Subsistema de conmutación de red (NSS)

Central de conmutación móvil (MSC)

HLR

VLR

AuC

EIR
18
La figura 2.4 muestra un diagrama de la arquitectura GSM con sus respectivos
componentes.
Figura 2.4: Arquitectura GSM. [13]
Como ya se mencionó, la estación base se encarga de darle el acceso a la red a los teléfonos
móviles que se encuentran dentro de su área de cobertura. El BTS es la interfaz física entre
el teléfono móvil y la estación base, contiene las antenas receptoras y transmisoras que dan
servicio a una celda.
El BSC se encarga de manejar los recursos radio para las BTS conectadas a él. Además
este gestiona y configura el canal radio que usa cada teléfono y se encarga del proceso de
hand-off.
19
El subsistema de conmutación móvil es más complicado, pues intervienen más elementos
que en las estaciones base. La importancia de esta parte de la red es que permite la
interconexión con otras redes, como por ejemplo la red de telefonía fija conmutada.
El componente principal de la NSS es la MSC, la central móvil conmutada, que se encarga
de la conmutación de los circuitos mediante los cuales se comunican los usuarios. La MSC
permite a los usuarios acceder a los servicios de telefonía conmutada y mensajería de texto.
Además estas centrales se encargan de hacer el proceso de handover de una estación base a
otra, así como de la misma MSC a otra.
HLR (Home Location Register) es una base de datos en la que se almacena la información
de los usuarios que tienen derecho de acceder a la red GSM. Aquí se guarda información de
cada tarjeta SIM (Subscriber Identify Module) que el operador ha sacado al mercado: entre
los datos que se tienen está el IMSI (Identificación de Subscriptor Móvil Internacional) que
es único para cada SIM. También aquí se tiene almacenado el número de teléfono que
corresponde a cada uno de los clientes y otros datos importantes, como los servicios a los
que el usuario tiene derecho y su ubicación actual.
Existe también una base de datos temporal, que se conoce como VLR (Visitor Location
Register), que contiene información de subscriptores visitantes requerida por la MSC para
brindarles el servicio (roaming). Existe una VLR para cada zona de cobertura, por lo que un
20
usuario no puede aparecer en HLR y VLR al mismo tiempo.
La arquitectura GSM cuenta además con un centro de autenticación (AuC) en donde se
hace parte del proceso de identificación de cada tarjeta SIM que intenta conectarse a la red
GSM. Una vez que se ha hecho este proceso se le permite a la HLR manejar la tarjeta SIM.
Además aquí se genera una clave de encriptación que se usa para encriptar todas las
comunicaciones entre la red GSM y el móvil.
El Registro de Identificación de Equipo (EIR) está en algunos casos integrado a la HLR y
mantiene una lista de los teléfonos a los que hay que monitorear o expulsar de la red. Se
diseñó para poder rastrear teléfonos que han sido reportados como robados. Existe una lista
blanca en la que están los equipos que pueden acceder a la red, una lista gris donde están
los equipos que hay que monitorear y una lista negra donde están los equipos a los que se
les ha bloqueado el acceso a la red.
2.2.2.2 Interfaz de aire en GSM
GSM puede operar en las bandas de 900, 1800 y 1900 MHz, cuando se usa la banda de
1800 MHz en algunos casos se le conoce como DCS 1800 o PCN.
El sistema GSM usa tramas tipo TDMA similares a las que se usan en D-AMPS, es decir
se accede al medio por multiplexación en el tiempo. Cada trama se divide en 8 ranuras que
se reparten entre los usuarios, sin embargo el número de ranura que se asigna para
21
transmitir y recibir no es la misma porque los teléfonos GSM no pueden hacer las dos
funciones a la vez. Juntando 26 de estas tramas se forma una multitrama, que dura 120
mseg.
Adicionalmente, en GSM hay dos tipos de canales: los de tráfico y los de control. Los
canales de tráfico se encargan de transmitir las señales de voz y de datos por medio de
multitramas. De las 26 tramas que se disponen, 24 contienen información, una no es usada
y otra es usada para control.
Los canales de control usan supertramas (51 tramas) y también se puede usar la trama de
control que se reserva en cada multitrama. La figura 2.5 muestra la forma en que se
componen las tramas y las multitramas GSM, así como la estructura de las ranuras que
conforman una trama.
Figura 2.5: Estructura de las tramas en un sistema GSM. [3]
22
2.2.2.3 Canales GSM
En GSM existen dos tipos de canales lógicos a los que se les conoce como canales de
tráfico (TCH) y canales de control (CCH). Los canales de tráfico transmiten las señales de
voz y datos codificadas digitalmente. Los canales de control sirven para transmitir
señalizaciones y comandos de sincronización entre la estación base y el teléfono móvil.
Canales de tráfico GSM
Hay dos tipos principales de canales de tráfico, los que se conocen como Full-Rate y de
Half-Rate. Los canales Full-Rate son los que cada espacio en la trama es asignado a un
único usuario. En los canales Half-Rate, dos usuarios comparten el mismo espacio de una
trama, pero se alternan para transmitir de forma que se eviten las colisiones. Los canales
Full-Rate están diseñados para señales de voz que se digitalizan a 13 kbps, mientras que los
canales Half-Rate se usan para voz que se digitaliza a 6,5 kbps.
Canales de control GSM
Hay tres tipos principales de canales de control en GSM, el canal de broadcast (BCH), el
canal de control común (CCCH) y el canal de control dedicado (DCCH). Cada uno de estos
canales consiste de varios canales lógicos que están distribuidos en el tiempo.
1) Broadcast Channels: BCH transmite datos sólo en el primer espacio de una trama de
GSM (al que se le conoce como TS 0), mientras que los demás espacios de la trama se
pueden usar para los canales TCH y DCCH. Los canales de este tipo son descendentes
23
(de la red hacia el móvil) y sirven para sincronizar todos los teléfonos que están dentro
de la celda. Hay tres tipos de BCHs:
a) Canal de control de Broadcast (BCCH): transmite información que permite
identificar características operativas de una celda. También indica cuales son los
canales que están en uso en ella.
b) Canal de corrección de frecuencia (FCCH): este canal ocupa el primer espacio de la
primera trama GSM que se envía y se repite cada diez tramas. Permite a cada
teléfono ajustar su frecuencia interna con la frecuencia de la estación base.
c) Canal de sincronización (SCH): se transmite en el espacio TS 0 de cada trama
inmediatamente después de la transmisión del FCCH, se usa para identificar la
estación base y le permite a los teléfonos sincronizarse con ella. Por este canal se
envía el número de trama (FN), que es un número entre 0 y 2715647, y el código de
identidad de la estación base (BSIC).
2) Canales de control común (CCCH): ocupan la primera casilla de las tramas GSM que no
son usadas por los canales BCH. Son los canales de control más usados y se dividen en tres
tipos diferentes:
a) Canal de paging (PCH): se usa para dar avisos de llamadas entrantes que se
originan de la red telefónica conmutada pública (PSTN), al teléfono se le
transmite el número de la persona que hace la llamada y una solicitud de
24
acknowledgement (reconocimiento) por el canal RACH. También se pueden
usar para enviar mensajes de texto broadcast a todos los usuarios de la celda,
como parte del servicio SMS de la red GSM.
b) Canal de acceso aleatorio (RACH): Es un canal que se usa para que el teléfono
del usuario le envíe a la estación base una señal de reconocimiento luego de
haber recibido un aviso por el canal PCH. También se usa para que el teléfono
origine una llamada.
c) Canal de concesión de acceso (AGCH): Se usa para enviarle instrucciones al
usuario de que opere en un canal físico particular, se usa para responder a las
solicitudes que hace el celular por el canal RACH.
3) Canales de control dedicado (DCCH): estos canales son bidireccionales y tienen el
mismo formato y la misma función en el caso ascendente que en el descendente. Se pueden
enviar en cualquier parte de la trama GSM. Se usan para proveer servicios de señalización
requeridos por los usuarios. Hay tres tipos de canal DCCH:
a) Canal de control dedicado Stand-alone (SDCCH): se usa para transmitir datos de
señalización, luego de que el teléfono celular se haya conectado con la estación base
y antes de que se le asigne un canal TCH. El canal SDCCH se asegura de que el
celular y la estación permanezcan conectados mientras que la estación y la central
verifican la unidad del cliente y le asignan recursos.
25
b) Canales de control asociado lento (SACCH): siempre se asocia con una canal de
tráfico o un SDCCH y se usa para transmitir información general entre el teléfono y
la estación base. Por este canal se le envía al usuario información que cambia
regularmente, como instrucciones de nivel de potencia e instrucciones de
temporización. Además, el usuario envía por este canal la potencia de la señal
recibida, la calidad del canal de tráfico y mediciones del canal de broadcast de las
celdas adyacentes.
c) Canales de control asociado rápido (FACCH): Se usa para la transmisión de
mensajes urgentes, y contiene esencialmente la misma información que el SDCCH.
Este canal se usa cuando al usuario no se le ha asignado un canal SDCCH y se
necesita enviarle un mensaje importante, como un pedido de hand-off.
2.2.2.4 Llamadas en GSM
Primero el usuario debe estar sincronizado con una estación base mientras monitorea el
canal BCH. Para esto se deben recibir los mensajes de los canales BCCH, FCCH y SCH.
Para originar una llamada el usuario marca el número del destinatario y el teléfono envía
una señal por el canal RACH a la estación base. Esta responde por medio del canal AGCH
con un mensaje que le asigna al usuario un nuevo canal para la conexión SDCCH, al
teléfono se le indica la frecuencia de este canal y el espacio de la trama que ocupa (TS).
26
Una vez que el móvil sintoniza este canal espera a que la trama SACCH sea transmitida,
este le informa de cualquier instrucción de nivel de potencia o de temporización. Luego se
usa el canal SDCCH para transmitir mensajes entre el celular y la estación base que
permitan la identificación y validación del usuario, mientras se conecta el teléfono del
destinatario con la central móvil, por medio de la red PSTN. Luego la estación base le
indica al teléfono la frecuencia y TS que debe usar para el canal TCH, de esta forma se
establece la conexión con el destinatario y se libera el canal SDCCH.
Para el caso de llamadas entrantes, la estación base envía un mensaje por medio del canal
PCH. El teléfono celular envía la confirmación de que recibió el mensaje por medio del
canal RACH. Entonces la estación base le manda un mensaje por el canal AGCH donde le
indica a cual SDCCH debe conectarse. En este momento se realiza la verificación del
usuario, mientras se realiza la conexión entre la estación base con la red PSTN, finalmente
se le indica al usuario a cual canal TCH se debe conectar.
2.2.2.5 Redes GPRS
La arquitectura de red GSM puede ser usada también para transmitir datos por medio de
conmutación de paquetes por medio de lo que se conoce como la red GPRS (General
Packet Radio Services). Esto les da a los usuarios la capacidad de acceder a servicios como
MMS (Sistema de Mensajería Multimedia), WAP (Protocolo de Aplicaciones
Inalámbricas) e Internet.
27
La mayoría de los teléfonos que se fabrican hoy en día tienen servicios que funcionan tanto
por medio de conmutación de circuitos y de paquetes, por lo que muchos de los operadores
de GSM también usan GPRS. Este tipo de red se usa también en los sistemas WCDMA de
tercera generación para la transmisión de paquetes IP.
El grupo del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) ha estandarizado una
arquitectura para conexiones basadas en GPRS para proveer diferenciación en la calidad de
servicio que se les da a los usuarios dependiendo del tipo de servicio que estos estén
usando.
La figura 2.6 muestra un diagrama de la red GPRS incorporada a la red GSM.
Figura 2.6: arquitectura de GPRS y GSM. [7]
28
Las principales partes que se le agregan a la red GSM para permitir la conmutación de
paquetes son: la unidad de control de paquetes (PCU), el nodo de soporte de servicio GPRS
y el nodo de soporte GPRS de gateway.
2.2.3 Redes CDMA
Tanto D-AMPS como GSM usan TDM y FDM para repartir el espectro de frecuencia entre
los diferentes usuarios del sistema. Sin embargo esta no es la única forma que existe de
lograr esto, pues el sistema CDMA (Acceso Múltiple por División de Código) opera de una
forma diferente a los dos anteriores.
En CDMA se le permite a cada estación usar el rango completo de frecuencias disponibles
para transmitir, sin importar que estas se usen también en las estaciones adyacentes. Para
evitar conflictos entre las tramas que colisionan se usan técnicas avanzadas de codificación.
Las tramas que colisionan no se descartan sino que se supone que son tramas a las que se
les ha agregado señales adicionales de ruido aleatorio. Lo que se hace en CDMA es poder
reconocer la señal original a pesar de este ruido que se introduce producto de las colisiones
y descartar la parte no deseada.
Mientras que en TDMA el ancho de banda del canal es de 30 kHz y en GSM es de 200 kHz
en CDMA se tiene un ancho de banda de 1,25 Mhz. El problema es que debe ser
compartido con un gran número de usuarios, sin embargo en la práctica el ancho de banda
disponible por usuario llega a ser hasta mejor que el que se tiene en GSM.
29
La importancia de este sistema es grande, pues a pesar de que no contó con mucha
popularidad al principio, en la actualidad se ve como la mejor solución técnica disponible y
se ha tomado como base para los sistemas de tercera generación.
2.3 Redes móviles de tercera generación
En la actualidad el tráfico de datos a través de las redes de telefonía fija ha llegado a
superar al tráfico de voz por estas redes. Para el caso de la telefonía móvil se espera una
situación similar en el futuro cercano, pues cada vez se incorporan más funciones a los
celulares, como cámaras de video, reproductores de mp3, acceso a Internet y más. La
telefonía móvil de tercera generación (3G) consiste precisamente en la integración de todos
estos servicios en un solo dispositivo compacto, cómodo y que permite la transmisión a
altas velocidades. Con esta tecnología se espera que los usuarios puedan disponer de los
siguientes servicios en su teléfono móvil:
1. Transmisión de voz de alta calidad.
2. Reproducción de audio y video de alta definición.
3. Mensajería.
4. Conexión a Internet.
En 1992 la UIT creó un diseño, bajo el nombre IMT-2000, con el cual se pensaba hacer
realidad la telefonía de tercera generación para el año 2000. Sin embargo esto no se logró y
en la actualidad los sistemas de tercera generación no han despegado por completo.
30
Para hacer esto realidad se tienen dos propuestas diferentes de sistemas móviles, uno es el
W-CDMA desarrollado por Ericsson y el otro es el CDMA2000 de Qualcomm. En esencia
ambos son sistemas de CDMA mejorados que usan un ancho de banda de 5 MHz.
Inicialmente no se logró un acuerdo sobre cual sistema usar, pues W-CDMA es compatible
con GSM (por ser un sistema Europeo) pero CDMA 2000 no lo es y Estados Unidos quería
que el nuevo sistema fuera compatible con sus sistemas celulares. Además de todo esto
Ericsson y Qualcomm han tenido conflictos legales por sus patentes de CDMA, con lo que
se ha retrasado aún más la llegada de los servicios de tercera generación.
Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que los 2 Mbps que se esperaba obtener no
se podrán alcanzar en muchos casos, esto debido a que muchos usuarios se trasladan mucho
y no se puede lograr una transferencia de celdas tan rápida.
Todos estos problemas han hecho que muchos empiecen a ver a la telefonía móvil de
tercera generación como un fracaso y que empiecen a pensar en otras opciones. Se habla
incluso de 4G (que incluye conectividad en cualquier lugar, altos anchos de banda e
integración con redes IP) y también de redes LAN y MAN inalámbricas que podría llegar a
brindar los servicios que se deseaban para la telefonía 3G.
CAPÍTULO 3: Conceptos sobre la calidad de servicio en redes
móviles
En este capítulo se explican los conceptos básicos de calidad de servicio (QoS) en redes
móviles, mencionando también los principales parámetros que se deben tomar en
consideración al referirse a la calidad de una red de móvil. Es importante, sin embargo,
notar que QoS es un término muy usado en el campo de la comunicación digital y se aplica
a todo tipo de redes, sean estas inalámbricas o fijas.
Vale la pena empezar explicando que es calidad de servicio, sin embargo por ser este un
término usado en muchas áreas distintas resulta difícil dar una definición precisa del
mismo. Entonces, resulta más conveniente tomar varias definiciones de QoS de diferentes
fuentes de forma que se alcance una mejor comprensión de esta y de todos los ámbitos
donde se aplica.
La Organización Internacional de Estándares (ISO) da la siguiente definición de calidad en
ISO 900: "el grado en que un conjunto de características inherentes satisfacen los
requisitos" [9].
La Unión Internacional de Telecomunicaciones también ofrece sus definiciones de estos
conceptos, podemos destacar la recomendación UIT-T E.800 en la que se dice que QoS es
"el efecto global del rendimiento de un servicio que determina el grado de satisfacción de
un usuario de un servicio" [10].
31
32
Además el Manual de Calidad UIT hace la siguiente aclaración: “es importante entender
que la QoS no es lo mismo que la calidad de funcionamiento de red, pues mientras que
aquella es el resultado de la percepción del usuario o del cliente, ésta viene dada por la
calidad de funcionamiento (desempeño) de cada elemento de red, o por la de la red
considerada como un todo. En otras palabras, la calidad de funcionamiento de red es un
concepto que puede o no utilizarse extremo a extremo” [9].
“Con todo, la calidad de funcionamiento influye en la QoS; representa una parte de ella. La
combinación de las calidades de funcionamiento de todos los elementos de red determina la
calidad global de funcionamiento de servicio.
Así pues, la QoS no sólo viene definida o determinada por mediciones que pueden
expresarse en términos técnicos (parámetros de calidad de funcionamiento de red), sino
también a través de una medición subjetiva, es decir la calidad percibida por el usuario
comparada con lo que éste espera.
Conviene también, a la hora de evaluar la QoS, tener en cuenta las opiniones de los
usuarios o los clientes, y las de los proveedores de servicio. La QoS debería siempre
juzgarse a partir de esos diferentes puntos de vista. Hay una relación entre lo que necesita
un usuario y la percepción que tiene de la calidad recibida, de una parte, y el servicio y la
QoS que planifica y finalmente logra o no un proveedor de servicio, de la otra” [9].
33
La figura 3.1 muestra algunos de los conceptos más importantes que se relacionan con la
calidad del servicio de una red comunicaciones. La figura muestra tanto aspectos técnicos
como no técnicos, sin embargo este trabajo se enfoca en la parte técnica por lo que no se
profundizará en la parte no técnica de la calidad del servicio. Es importante destacar
también que todos estos términos deben ser mesurables, de forma que el operador se pueda
fijar metas alcanzables en relación con la QoS de su red.
Figura 3.1: Aspectos técnicos y no técnicos relacionados con la calidad del servicio.
[14]
3.1 Calidad del servicio en redes móviles
La calidad del servicio (QoS) en una red de comunicaciones móviles se puede ver desde
dos puntos de vista diferentes: el del cliente y el de la red. Desde el punto de vista del
34
cliente la calidad del servicio se entiende como la satisfacción de este, es decir si el servicio
ofrecido le cumple con todas las expectativas.
Desde el punto de vista de la red se tiene que la calidad del servicio es el funcionamiento
adecuado de todas las partes que componen la red, como los equipos terminales, la red de
acceso, la red de transporte, las centrales de conmutación, y demás.
Además se definen tres criterios importantes en lo relativo a la calidad del servicio: la
accesibilidad de la red, la accesibilidad del servicio y la integridad del servicio.
La accesibilidad de la red se refiere a que el usuario disponga de recursos suficientes para
conectarse al servicio. Un ejemplo de esto en redes móviles es que se tenga suficiente
cobertura en la zona donde el cliente está localizado.
La accesibilidad del servicio involucra conceptos como la disponibilidad del servicio, el
tiempo de acceso y tiempo fuera de servicio. La integridad del servicio se refiere a la
calidad que se ofrece mientras el servicio está en uso, como la calidad de voz y el
throughput de la red.
3.2 Parámetros de medida de la calidad
Para los tres criterios que se definieron anteriormente se tiene una serie de parámetros que
es importante medir para poder determinar la calidad del sistema que se administra:
35
1. Accesibilidad de la red

Nivel de potencia recibido: depende de la posición del teléfono
dentro de la celda e indica la cobertura que se tiene sobre la zona. En
GSM el parámetro que indica la cobertura del terminal móvil es el
RxLev.

Disponibilidad de la red: se refiere a que cuando un usuario intenta
usar uno de los servicios que brinda la red esta tenga la capacidad de
brindarlo. Algunas causas que pueden evitar que se dé el servicio
solicitado son congestión de la red, falta de recursos e interferencias
creadas por otros equipos.
2. Accesibilidad del servicio

Tiempo de acceso a un servicio: es el tiempo que transcurre desde
que el usuario solicita un servicio de la red hasta el momento en que
recibe una respuesta. Esta puede ser el servicio que el usuario pidió,
o el aviso de que en ese momento no se le puede dar el servicio
solicitado.
36

Indisponibilidades del servicio: se dan cuando el servicio está caído
por averías, por desactivación temporal, por congestión de recursos,
entre otros.

Resultado del acceso al servicio: puede ser correcto si se le puede dar
el servicio al usuario, o incorrecto si no se le puede dar la petición.
3. Integridad del servicio

Caídas del servicio: es una imposibilidad de acceder a los
servicios que da la red, siempre y cuando estén dentro del área de
cobertura y no incumplan con los requisitos para acceder al
servicio.

Calidad del servicio vocal: sirve para evaluar la calidad de la
señal de voz que recibe el teléfono celular. En GSM el parámetro
que mide esto es RXQual.

Calidad de la transmisión de datos: permite medir la calidad del
canal para transmitir datos. Se mide mediante la tasa de error
BER, que mide la cantidad de errores que se producen al
transmitir datos.
37

Tiempo de navegación: es el tiempo que tarda el usuario en
recorrer el árbol de navegación que existe desde la entrada en el
servicio hasta la llegada a la página deseada.

Velocidad de transmisión o throughput: la cantidad de bits por
segundo que se miden en una transmisión.

Efectividad del servicio: es el porcentaje de accesos realizados al
servicio y completados satisfactoriamente.
3.3 Factores que afectan la señal de radio
Las redes móviles dependen de señales de radio para darles el acceso a los usuarios, por lo
que es importante estudiar cómo es que estas señales se ven afectadas al ser transmitidas en
el aire. Las condiciones atmosféricas y los obstáculos que la señal puede encontrar en el
camino condicionan la calidad del servicio que el cliente puede recibir.
Hay una serie de efectos que se pueden producir al usar el aire como medio de transmisión,
como las siguientes:

Desvanecimientos de la señal: se pueden dar desvanecimientos pequeños en la
potencia de la señal por periodos largos, o desvanecimientos grandes, donde la
potencia se reduce a niveles muy bajos, por periodos pequeños de tiempo.

Interferencias: son producidas por equipos que en muchos casos no están
relacionados con la telefonía móvil, pero que invaden su espectro de frecuencia.
Al ingresar al canal señales de otras fuentes se distorsiona la señal que llega al
38
receptor, lo que se traduce en la pérdida de la calidad de la señal de voz.
También se puede dar el caso en el que la cobertura de una antena se extiende e
invade celdas cercanas que usan las mismas frecuencias. Sin embargo esto no es
fácil que ocurra en GSM o D-AMPS pues las celdas adyacentes no usan las
mismas frecuencias.

Multitrayecto: se produce debido a los rebotes de la señal en los obstáculos que
esta encuentra en el camino, por lo que la señal llega al receptor por múltiples
caminos y en tiempos diferentes. Esto produce interferencia en el receptor
debido a los retrasos con que llega la señal.

Pérdidas de penetración en los obstáculos: cuando hay obstáculos entre el
transmisor y el receptor, la señal pierde potencia al penetrar a través de ellos. Un
caso donde este efecto puede llegar a ser crítico es en el interior de los edificios,
donde las paredes, las puertas y las estructuras metálicas desfavorecen las
comunicaciones inalámbricas.

El equipo con el que se toman las medidas de calidad también puede llegar a
afectar las medidas de calidad del servicio. Para evitar esto se requiere calibrar
los instrumentos de manera adecuada, por lo que es importante que el proveedor
del servicio tenga a su disposición, además de los equipos necesarios, un
laboratorio de metrología donde se realice la calibración adecuada de estos.
39
3.4 Grado de Servicio
La recomendación UIT-T E.600 define el grado de servicio como “conjunto de variables de
ingeniería de tráfico utilizadas para tener una medida de la aptitud de un grupo de órganos
en condiciones especificadas; estas variables del grado de servicio pueden expresarse como
la probabilidad de pérdida, la demora del tono de invitación a marcar, etc” [11].
El grado de servicio (GoS) es un concepto importante porque algunos conceptos que se le
relacionan como la integridad del servicio y la cobertura de radio afectan la QoS. Los
parámetros de GoS asociados a los servicios móviles terrestres están definidos en la
recomendación UIT-T E.771. A continuación se da una lista de estos con sus respectivas
definiciones:
1) Retardo después de seleccionar: es el tiempo transcurrido entre el envío del
primer bit del mensaje de establecimiento de una llamada hasta el último bit del
mensaje de respuesta. Este retardo se relaciona con los procesos de autenticación y
radio búsqueda (donde se determina la ubicación del receptor).
La tabla 3.1 muestra los tiempos de retardo después de seleccionar que idealmente
deben cumplir los sistemas de segunda generación. Estos tiempos dependen de si la
llamada la hace un teléfono móvil o uno fijo, si el destinatario es móvil o fijo y de la
conexión.
40
Tabla 3.1: retardos después de seleccionar en sistemas de segunda generación. [12]
Retardo después de
Teléfono fijo a móvil
móvil a fijo
móvil a móvil
Conexión local
9s
5,5 s
11,5 s
Conexión interurbana
11 s
7,5 s
13,5 s
Conexión internacional
14 s
10,5 s
16,5 s
seleccionar
2) Retardo de la señal de respuesta: tiempo desde que el terminal llamado envía el
primer bit del mensaje de conexión hasta que el terminal que hizo la llamada recibe
el ultimo bit de este mensaje. La tabla 3.2 muestra los tiempos deseados para este
tipo de retardo en sistemas 2G.
Tabla 3.2: retardos de respuesta en sistemas de segunda generación. [12]
Retardo de respuesta
Teléfono fijo a móvil
móvil a fijo
móvil a móvil
Conexión local
1s
1s
1,25 s
Conexión interurbana
1,75 s
1,75 s
2s
Conexión internacional
2,75 s
2,75 s
3s
3) Retardo de liberación de llamada: tiempo que transcurre desde que un terminal
envía un mensaje de desconexión al sistema (termina una llamada) hasta que recibe
un mensaje de liberación del sistema (con lo que puede iniciar una nueva llamada).
Se desea que este retardo no sea superior a 1 segundo.
41
4) Probabilidad de bloqueo de extremo a extremo: es la probabilidad de que fracase un
intento de llamada por falta de recursos en la red. Se desea que esta sea de alrededor
del 1%.
5) Probabilidad de fallo de traspaso celular terrestre: probabilidad de que fracase el
proceso de handover de una celda a otra. Si esto ocurre mientras se esta haciendo
una llamada esta se corta. El fallo de este proceso se puede dar por la falta de
recursos radioeléctricos en una celda o por la ausencia de recursos libres en esta. En
muchos casos esta probabilidad es de alrededor del 1%, sin embargo para los
sistemas 3G se quiere reducir al 0,5%.
3.5 Arquitectura de QoS de 3GPP
La evolución del manejo de QoS para redes móviles empezó con la Release 97/98 cuando
se introdujo el sistema GPRS. Una de las funciones básicas que se introdujeron entonces
consiste en la definición del servicio portador (bearer service o BS) que se basa en PDP, el
cual se define como “la conexión lógica establecida entre el terminal móvil y la red para el
transporte del tráfico IP. De este modo, todas las aplicaciones a las que un usuario acceda
por medio del mismo contexto PDP tendrán los mismos atributos de QoS” [4].
Un contexto de PDP (Packet Data Protocol) es una estructura de datos presente tanto en
SGSN y en GGSN que contiene la información de sesión del usuario cuando está activa.
Cuando un móvil quiere usar la red GPRS debe primero activar un contexto de PDP, con lo
42
que una estructura de datos en el SGSN en que se está y en el GGSN que se usa como
punto de acceso a la red IP. Los datos que se incluye en un contexto PDP son:

La dirección IP del subscriptor.

El IMSI del subscriptor.

Identificación en el SGNS.

Identificación en el GGNS.
Los números de identificación en el SGNS y el GGNS sirven para identificar a quien
pertenecen los datos que se envían a través de la red GPRS.
Hay dos tipos de contextos PDP: los primarios que tienen un único IP asociado y los
secundarios que comparten la dirección IP de otros contextos PDP, pueden tener diferentes
características de QoS asociados. Se permite la coexistencia de hasta 11 contextos de PDP,
sean secundarios o primarios.
En el Release 99 se introdujo la posibilidad de usar varios contextos PDP por cada
dirección PDP, de forma que cada uno de ellos pudiere ofrecer diferentes características de
QoS. Esto permite que diferentes usuarios puedan acceder al mismo servicio con diferentes
calidades de servicio, sin necesidad de que se le de un servicio específico a cada uno de
ellos. Además, Release 99 define cuatro clases diferentes de QoS, como se muestra a
continuación:
1. Clase “conversacional”: voz, voz sobre IP, vídeo sobre IP, juegos online, etc.
43
2. Clase “streaming”: streaming de audio y vídeo.
3. Clase “interactiva”: navegación por Internet, aplicaciones interactivas, etc.
4. Clase “tráfico en background”: MMS, e-mail, servicios de broadcasting, etc. [14].
Otra posibilidad es la activación de diferentes contextos de PDP para la misma estación
móvil, de forma que dos servicios diferentes reciban diferentes clases de QoS. Los servicios
pueden ser accesados a través del mismo punto de acceso o a través de APs distintos. La
figura 3.2 muestra estas características de diferenciación de QoS para una estación móvil.
Figura 3.2: ejemplo de diferentes contextos PDP para una misma estación móvil. [1]
Para poder cumplir con los requisitos de estas clases, se definieron mecanismos de gestión
en dos planos distintos, el de control y el de usuario. El plano de control se encarga de
mantener la QoS antes de que se establezca la conexión con el usuario, por medio de
funciones como la asignación de recursos y el control de admisión. El plano de usuario se
encarga de gestionar la QoS una vez que se ha establecido la conexión, dispone de
funciones como control de potencia, adaptación del enlace y priorización de paquetes.
44
La calidad del servicio se maneja ya sea desde el registro del perfil de QoS del subscriptor
en el HLR, por un pedido de la estación móvil solicitando ciertos atributos o de ambas
formas.
Release 99 también incorporó mejor control de QoS para la interfaz de radio. Por ejemplo
se pueden hacer pedidos de mejoramiento de la calidad del servicio por medio de PFC
(packet flow context). De esta forma se define la QoS que debe brindar el BSS para un
determinado flujo de paquetes entre la estación móvil y el SGSN (serving GPRS support
node).
La señalización de activación de contextos PDP y la negociación de atributos de QoS se
lleva a cabo entre la estación móvil y el SGNS. Este último obtiene del HLR los perfiles de
subscriptor y de QoS, luego se encarga del mapeo de prioridad de las tramas en el LLC
(local link control) y el PFC usando el protocolo BSS GPRS (BSSGP).
3.5.1 Atributos de QoS
Los atributos de QoS que se negocian entre el móvil y la red se definieron en las Release
97/98 y en Release 99. A continuación se presenta una lista de los que aparecen en Release
97/98 con su respectiva definición:

Precedencia: hay tres tipos de niveles de precedencia, que indican la prioridad de
mantener el servicio. Estos son alto, medio y bajo. Los servicios de nivel alto se
45
garantiza que se mantendrán por encima de los de nivel normal y bajo, mientras que
los del normal se mantendrán por encima de los bajos. Estos últimos reciben
servicio luego de que se atiendan los niveles superiores.

Retardo: se refiere al retardo de extremo a extremo en la red GPRS, hay tres niveles
diferentes de retardo, por lo que por medio de la negociación con la red este se
puede reducir o aumentar.

Confiabilidad: la confiabilidad de los datos se define en términos de la probabilidad
de que los datos se pierdan, se reciban fuera de secuencia, se dupliquen o que se
corrompan.

Throughput: se define de acuerdo a valores picos y medios. Peak throughput (pico)
es la velocidad máxima a la que espera que se transmitan los datos a través de la
red. No se puede garantizar que esta velocidad se pueda alcanzar o mantener por un
periodo de tiempo. Mean throughput es la velocidad media a la que se espera que se
transmitan los datos a través de una red GPRS.
En Release 99 se introdujeron más atributos de QoS orientados a sistemas UMTS, estos
son:

Clase de tráfico: es el tipo de aplicación para la cual se optimiza el servicio. Hay
cuatro clases de tráfico: conversational, streaming, interactive y background.

Orden de entrega: Indica si se deben entregar en secuencia las unidades de datos del
servicio (SDU) o no.
46

Tamaño máximo de SDU: define el tamaño máximo de las unidades de datos.

Información de formato de SDU: lista de los posibles tamaños de SDU, define el
formato de encabezado que se debe agregar.

Entrega de SDU con errores: indica si se deben entregar SDUs donde se han
detectado errores o no.

BER residual: especifica la razón de bits con error (BER) sin detectar.

Razón de error en los SDU: define la fracción de SDUs que se pierden o contienen
errores.

Retardo de transferencia: retardo máximo para el 95% de los SDUs que se
entregan. El retardo por SDU se define como el tiempo desde que se hace una
solicitud para transferir un SDU en un punto de acceso al servicio (SAP) hasta que
este llega a otro SAP. Se mide en ms.

Máxima razón de bits: máximo número de bits entregados en un SAP en un periodo
de tiempo dividido entre la longitud de ese periodo. Se mide en kbps.

Razón de bits garantizada: Valor de kbps que el operador de la red puede
garantizar.

Prioridad de manejo de tráfico: especifica la importancia del manejo de los datos
que transmite un usuario en comparación con los que transmiten los otros.
47
3.5.2 Negociación de atributos
Como ya se mencionó, los valores para los atributos de QoS se pueden negociar entre la
estación móvil y la red. Algunas de las características de este tipo de negociación son las
siguientes:

La estación móvil puede pedir ya sea los valores estándar definidos para cada
atributo de QoS o valores de subscriptor de la red.

En caso de que la estación móvil solicite valores de subscriptor estos se obtienen del
HLR, donde se pueden configurar diferentes parámetros de QoS para cada
subscriptor.

Si la estación móvil solicita valores de forma explícita, los valores que aparecen en
el perfil de QoS en el HLR funcionan como límites máximos. Es decir no se pueden
dar valores mayores a los que aparecen ahí.
CAPÍTULO 4: Métodos de medición de la calidad en redes
móviles y propuestas de mejoras técnicas
Las medidas de la calidad del servicio son importantes tanto para el usuario como para el
proveedor del servicio, pues son una herramienta para garantizarle a los clientes el
cumplimiento de los compromisos adquiridos por el proveedor para con ellos.
4.1 Técnicas de medida de la calidad del servicio
Las técnicas usadas para medir la calidad en una red móvil varían de acuerdo con el
parámetro que se quiere medir. Para el caso de la cobertura de las estaciones base, se mide
la distancia a la que se alcanza la potencia de la señal mínima admisible, con lo que se
puede determinar la región geográfica que está dentro del área de cobertura.
Para los demás parámetros lo más común es realizar mediciones estadísticas, en donde es
importante tomar en cuenta el tiempo y la posición geográfica en que se realizan las
medidas.
Con este tipo de medidas se realizan reportes de QoS, en los cuales se puede comparar a
dos operadores, así como el efecto que han tenido sobre la calidad del servicio los cambios
realizados a la red y la solución de averías. Por ejemplo, la figura 4.1 compara la calidad de
la señal de audio, de forma estadística, de tres proveedores de servicios celulares GSM en
4848
49
Portugal. Se muestra las medidas del porcentaje de llamadas donde la calidad del audio es
excelente, buena, regular, mala y muy mala para cada uno de los proveedores.
Figura 4.1: Comparación de la calidad de la señal de audio de tres proveedores de
servicios GSM en Portugal. [8]
4.2 Sistemas y herramientas de medida de QoS
Al realizar medidas de QoS en la red de telefonía móvil existen dos métodos diferentes que
pueden ser usados:

Se pueden realizar medidas discretas, en zonas específicas y en periodos de tiempo
determinados. Este tipo de medida sirve para tener una idea del funcionamiento de
la red en la zona de medición y permite encontrar problemas de cobertura,
interferencias y traspasos. Con este tipo de medida se puede emular el
comportamiento de los usuarios y evaluar la QoS desde su punto de vista.
50

La segunda técnica de medición consiste en tomar medidas globales del
funcionamiento de la red móvil, mediante el uso de contadores de la red o los
sistemas de gestión que tiene el operador de la red. Este tipo de medición también
permite analizar zonas particulares.

Para medir la señal de radio se pueden usar las siguientes herramientas:

Teléfonos de ingeniería: permiten medir la potencia de la señal radioeléctrica en
algún punto de la celda así como la calidad de la voz.

Drive-test: al conectar un teléfono de ingeniería a una computadora se pueden
almacenar los datos de las mediciones tomadas en diferentes puntos de la celda, de
forma que se tenga una referencia de la potencia de la señal y la calidad de voz en el
área de cobertura de la estación base.

Sistemas automáticos de medida de calidad: en estos se prueban los diferentes
servicios que ofrece la red móvil, pero con varios teléfonos a la vez. De esta forma
con los datos obtenidos se pueden obtener medidas estadísticas de la calidad del
servicio en la zona.
Otra forma de medir la calidad del servicio que ofrece la red es mediante la extracción de
datos de esta, por medio de los sistemas de gestión o por medio de los mismos elementos
que componen la red.
Existen ciertos indicadores que son de vital importancia a la hora de hacer mediciones de
calidad del servicio de la red, a estos se les conoce como KPIs (key performance
51
indicators). Un manejo adecuado de estos datos puede ayudar al operador a identificar
problemas de congestión o de funcionamiento, interferencia y falta de capacidad en la red.
Los KPIs en las redes celulares modernas se dividen en dos, los de voz y los de datos. A
continuación se describen los principales parámetros para ambos casos.
4.2.1 KPIs de voz
El funcionamiento adecuado de la red celular, y en particular de los servicios de voz se
puede determinar a partir de las mediciones de ciertos parámetros que le dan al operador
una idea de que tan bueno es el servicio que brinda.
Tradicionalmente los dos parámetros principales que se han tomado en cuenta para evaluar
el funcionamiento de una red móvil son la proporción de bits con error (BER) y la
proporción de llamadas perdidas (DCR). De esta forma se tienen medidas cuantitativas de
la calidad de voz y de cantidad de conexiones frustradas. Además, se han usado la
proporción de llamadas con éxito (CSR) y la proporción de handovers con éxito (HSR)
para medir el desempeño de los canales de señalización. Existen sin embargo, un número
adicional de KPIs que sirven para medir el funcionamiento de la red y en particular la
calidad de la señal de voz. Estos indicadores se pueden usar también para la gestión de los
recursos del sistema, como por ejemplo el control de potencia, los traslados de celdas,
adaptación de los canales y los enlaces GPRS y más.
52
Los siguientes son los KPIs usados para medir la calidad de la señal de voz:

Calificación media de opinión (MOS): Se hace la prueba en un laboratorio, donde
se le pide a un grupo de personas que califiquen de acuerdo a su criterio.

Proporción de bits con error (BER): Se mide la cantidad de bits con errores en la
recepción antes del proceso de decodificación.
Para GSM se usa el índice
RXQUAL que se relaciona con el BER de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 4.1: valores de RXQUAL correspondientes a BER. [1]

RXQUAL
BER%
0
< 0,2
1
0,2 – 0,4
2
0,4 – 0,8
3
0,8 – 1,6
4
1,6 – 3,2
5
3,2 – 6,4
6
6,4 – 12,8
7
> 12,8
Proporción de tramas borradas (FER): es un indicador muy útil ya que está
altamente relacionado con la calidad final de voz que perciben los usuarios. Sin
embargo, hay que tomar en cuenta que diferentes codecs de voz producen una
53
diferente correlación entre MOS y FER ya que entre más pequeño sea el bit rate del
codec se vuelve más sensible al borrado de tramas. El problema de usar este
parámetro como KPI es que en muchos casos las medidas de FER solo se pueden
hacer por medio de drive-tests y no de forma automática. Release 99 incluye sin
embargo un sistema de reporte de mediciones, que hace que los equipos terminales
reporten medidas de FER en el enlace de bajada (downlink), lo que se conoce como
DLFER. De esta forma se pueden generar estadísticas de DLFER para la red.

Probabilidad de bits con error (BEP): es un indicador de calidad de la señal que se
incluyó en Release 99. Los terminales reportan las medidas de BEP y su coeficiente
de variación.

Proporción de llamadas perdidas (DCR): mide el porcentaje de conexiones
perdidas y es un índice muy importante ya que se considera que una llamada que
fracasa tiene un impacto muy negativo en la forma que el usuario percibe la calidad
del servicio que brinda la red. En GSM hay un contador que cuenta las tramas
SACCH que se reciben de forma adecuada y que se encarga de cortar la conexión
una vez que el enlace se ha degradado más allá de cierto nivel mínimo. De esta
forma el DCR funciona también como un indicador del funcionamiento del enlace
de señalización SACCH. Este índice se puede calcular como el número de llamadas
perdidas sobre el número de llamadas originadas o como la cantidad de llamadas
perdidas sobre las llamadas totales que maneja cada celda.

Porcentaje de llamadas con éxito (CSR) y porcentaje de handovers con éxito
(HSR): miden el porcentaje de éxitos en el proceso de señalización relacionado con
54
la originación de llamadas y de handovers. En redes que operen de forma adecuada
estos porcentajes deben ser mayores al 95%.
4.2.2 KPIs de datos
A partir de la incorporación de las redes GPRS a GSM, resulta evidente que parte de los
requerimientos de QoS en las redes IP se van a incorporar a las redes de telefonía móvil.
Por ejemplo, la IETF (Internet Engineering Task Force) que se encarga de desarrollar y
promover estándares de Internet, especifica dos entornos para gestión de QoS en redes IP:
IntServ y DiffServ y ambos son soportados por GPRS y UMTS. Esto hace que a la hora de
tomar medidas de QoS no solo haya que tomar en cuenta la calidad del servicio de voz,
sino que hay que tener parámetros que permitan identificar la efectividad de la red en el
transporte de datos.
Como se explicó en el capítulo 2, para la transmisión de paquetes IP por a través de la red
móvil se usa la arquitectura GPRS. Medir el funcionamiento de esta red es diferente a
medir la calidad de la voz en las llamadas telefónicas. Por ejemplo en la mayoría de los
casos los usuarios no se dan cuenta de las conexiones perdidas, pues la mayoría de las
aplicaciones que usan conmutación de paquetes en la red móvil filtran este tipo de eventos.
Lo que en este caso perciben los usuarios son los retardos y el througput efectivo. Además
como se mencionó en el capítulo 3 los requerimientos de funcionamiento son negociados
entre la estación móvil y la red en el momento de establecer el servicio. Los parámetros
55
más importantes son throughput, retardo y confiabilidad. A continuación se da una lista de
ellos:

Confiabilidad: describe la máxima probabilidad de un control erróneo en el enlace
de radio (RLC) que se le da a la capa LLC. Un la mayoría de los casos las
aplicaciones de datos no aceptan errores y solicitan retransmisiones. Para evitar más
retardos las retransmisiones se hacen en la capa RLC, donde se emplea un sistema
de ACKs para pedir retransmisiones (cuando llega una trama sin errores el receptor
envía un mensaje de reconocimiento “ACK” para que el transmisor sepa que la
trama ha llegado de forma correcta).

Throughput: se mide como la cantidad de datos que se le pasa a la capa de control
de enlace lógico (LLC) por unidad de tiempo. Esta medida sólo es relevante cuando
la cantidad de datos que está siendo transmitida es lo suficientemente grande y
puede ser medida con facilidad por la red durante un flujo de bloque temporal
(TBF). El throughput del usuario también se puede medir en la capa de aplicación,
midiendo el tiempo que se tarda en descargar un archivo grande usando un
protocolo de transferencia como FTP.

Retardo: se define como el tiempo que tarda una unidad de datos del protocolo LLC
en ser transferida desde el nodo de servicio de soporte GPRS (SGSN) hasta la
estación móvil. Se puede medir en la capa de LLC y también en la capa de
aplicación. Una forma común de hacerlo en la capa de aplicación es enviando
comandos PING a un servidor.
56
Carga de GPRS: una manera útil de medir la carga de datos es midiendo la cantidad
de timeslots (TSL) que usan los servicios GPRS. Esto se puede expresar en términos
de dos parámetros que se pueden calcular de forma sencilla: data erlangs y
utilización de TSL. Un data erlang equivale a la transmisión de un bloque de radio
cada 20 ms y se define como:
data erlang = (número de bloques de radio transmitidos x 0,02s)/ (horas en uso)

Throughput por celda: medida de la cantidad de bits que se pueden transmitir en
una celda, normalmente se mide en kbps/celda. Esta medida no incluye las
retransmisiones o la información de control debajo de la capa LLC.

Utilización de TSL: es una medida de cuántos recursos de hardware de la red están
siendo utilizados por GPRS, es decir es una medida de que tan cargada está la red
con servicios de datos. La utilización de GPRS se define como:
Utilización de TSL (%) = data erlang/TSLs disponibles para GPRS

Capacidad de TSL: es una medida de cuántos datos puede transmitir la red con un
data erlang. Sirve para determinar que tan eficiente es el uso de los recursos de
hardware en la transmisión de datos. Se calcula de la siguiente forma:
Capacidad de TSL = throughput por celda / data erlangs
57
La figura 4.2 muestra la relación que tienen la capacidad de TSL y el throughput por
celda con la carga en la red expresada en data erlangs.
Figura 4.2: Capacidad de TSL y throughput por celda en función de data
erlang. [1]

Bloqueo de flujo temporal de bloques (TBF): la probabilidad de que se de un
bloqueo de TBF muestra qué tan cerca están las celdas de saturarse. Cuando se da
un bloqueo de TBF los paquetes se pierden en el núcleo de la red. La probabilidad
de bloqueo depende de manera exponencial de la carga que haya en la red. Una vez
que se estén experimentando problemas de bloqueo, un pequeño aumento en el
tráfico de datos produce muy altas probabilidades de bloqueo de TBF. En caso de
ocurrir esto, se produce un colapso en el funcionamiento del sistema y hace que el
retardo en la capa LLC incremente drásticamente. La figura 4.3 muestra la relación
que hay entre la carga de datos en la red, la probabilidad de bloqueo de TBF y el
retardo de LLC.
58
Figura 4.3: degradación del retardo en LLC relacionado con el bloqueo
de TBF. [1]

Factor de reducción de throughput: es una medida de como se reduce el throughput
de TBF cuando el mismo TSL está siendo compartido por más de un usuario.
4.3 Aplicación de las mediciones de QoS
La principal aplicación de mediciones de calidad de servicio y del estudio de los KPIs es
que esto le permite el operador de la red hacer una adecuada gestión de esta.
Naturalmente, una buena gestión de la calidad del servicio favorece tanto al usuario como
al proveedor, pues le garantiza al primero el buen funcionamiento del servicio que está
adquiriendo mientras que al segundo le da la posibilidad de quedar bien con sus clientes y
superar a la competencia. Un ejemplo de esto es la validación del despliegue de la red, que
permite identificar cual va a ser la QoS que van a recibir los usuarios, tanto en cobertura
como en la calidad de los servicios que solicitan de la red.
59
Sin embargo existen también razones por las cuales la QoS le debe interesar a los
proveedores y que no las identifican los usuarios (o al menos no con facilidad), pues no les
afectan directamente. Entre estas aplicaciones se encuentran la optimización de la red y el
ajuste de modelos de propagación.
La optimización de la red consiste en ajustar los parámetros y características de la red que
se han definido en la fase de planificación. Conforme se agregan usuarios al sistema y se
amplían los servicios que la red ofrece es posible que se caiga por debajo de los niveles de
QoS deseados, por lo que las medidas periódicas le permiten al operador darse cuanta de
esto.
Una vez que se han identificado problemas relacionados a la calidad se pueden tomar
medidas como la asignación de más frecuencias, redefinir el tamaño de las celdas para
incluir más usuarios, cambios en la inclinación de las antenas, etc. Asimismo, la
optimización de la red también toma en cuenta el estudio de los KPIs que se definieron en
la sección anterior, que están siendo monitoreados constantemente e indican si el sistema
está operando en un nivel aceptable.
Los modelos de propagación de la señal de radio se toman generalmente de forma empírica
o estadística, pues no son fáciles de identificar dada la gran cantidad de variables
involucradas. Estos modelos sirven para identificar las pérdidas que experimenta la señal de
60
radio en función de la distancia, la frecuencia de transmisión o alguna otra variable.
Generalmente se dispone de una fórmula como la siguiente:
L (dB) = k · f (distancia, frecuencia, etc.) + C
Mediante mecanismos de gestión se pueden modificar ya sea los parámetros (k) o las
constantes (C) que se involucran en el sistema de forma que se pueda lograr una menor
atenuación de la señal de radio.
4.3.1 Centro de gestión de QoS
En la administración de redes móviles lo más común es que el operador disponga de un
centro de gestión donde se hace un control de QoS. La idea es que todas las funciones
relacionadas con el manejo de la calidad del servicio se puedan realizar desde este lugar.
Parte de los requerimientos para alcanzar esto es que la empresa que da el servicio defina
una política para la gestión de QoS, de forma que si se dan ciertas condiciones que afectan
la operación de la red se tenga claro cuales son las acciones correctivas a realizar.
Además, para poder hacer una buena gestión de la red se requiere tener acceso a los perfiles
de QoS en el registro HLR, algoritmos de QoS para los diferentes elementos de la red,
capacidad de identificación y medición de los KPIs, control sobre los puntos de acceso y
61
tener una buena planificación del crecimiento de la red para que los recursos que se tienen
se aprovechen de forma adecuada. La figura 4.4 muestra estos aspectos que son necesarios
para gestionar una red de comunicaciones móviles.
Figura 4.4: Aspectos involucrados en la gestión de QoS. [1]
Conclusiones y recomendaciones
Las mediciones de la calidad del servicio en redes móviles son de gran importancia para el
proveedor, pues le permiten verificar el funcionamiento de su sistema, compararse con
otros proveedores y garantizar la satisfacción de sus clientes. Este punto es de vital
importancia para las empresas nacionales de telecomunicaciones, pues con la apertura del
mercado la importancia de que el cliente asocie a la empresa con un servicio de alta calidad
es vital. Además, los estudios de QoS ayudarán para que el ICE y Racsa se midan con otros
proveedores que quieran entrar a competir al mercado nacional, de forma que puedan
determinar en que aspectos su servicio es mejor y en que campos deben mejorar.
La importancia del estudio de QoS en sistemas de telecomunicaciones queda también en
evidencia con el interés que despierta en organizaciones internacionales como UIT e ISO y
grupos el Proyecto de Asociación de Tercera Generación que se encargan del desarrollo de
la industria de las comunicaciones móviles. El trabajo que hacen estas organizaciones debe
ser tomado en cuenta tanto por los proveedores de servicios como por los fabricantes de
equipos móviles, pues marcan los lineamientos a seguir para que los servicios que se
ofrecen se puedan satisfacer de forma adecuada.
En esta investigación se determinó que los beneficios de las mediciones se encuentran
principalmente en la capacidad que estas le permiten al operador hacer una gestión
adecuada de su red. Ejemplos de las aplicaciones directas de mediciones de QoS son la
62
63
validación del despliegue de la red, la optimización de esta y el ajuste de los modelos de
propagación. Se identificaron los principales requerimientos que el proveedor debe tomar
en cuenta a la hora de montar un centro de gestión, como lo son la creación de políticas de
QoS, identificación de los KPIs, planeamiento del crecimiento de la red y la disponibilidad
de perfiles de QoS en el registro HLR.
Se recomienda que estos requerimientos sean tomados en cuenta por el operador de la red
móvil para que pueda automatizar la gestión de QoS en su sistema. Recordando que una red
de comunicaciones móviles debe funcionar adecuadamente en todo momento, la
automatización de la gestión permite la identificación y la solución de problemas de forma
remota e inmediata sin la necesidad de despliegue de personal, o la inversión de recursos
adicionales contratando a terceros para que hagan estudios de la red.
Cabe también mencionar que las redes móviles están en constante desarrollo, por lo que
cada día son más los servicios que se pueden acceder a través de ellas. Esto complica la
labor del proveedor, pues se ve en la necesidad constante de ampliar su red para permitir la
incorporación de nuevos servicios. Prueba de esto ha sido la evolución hacia los sistemas
de tercera generación, que contrario a lo que se esperaba a sido lenta pero constante.
De igual forma se recuerda que en esta investigación se trataron de forma exclusiva los
aspectos técnicos relacionados con la calidad del servicio. Por tanto se recomienda que la
información que se incluyó en este trabajo sea complementada con un estudio amplio de los
64
aspectos no técnicos que se relacionan con calidad de servicio, para que de esta forma se
pueda hacer una gestión integral de la misma.
Otro aspecto con el que se puede complementar esta investigación es por medio de un
estudio metrológico de las medidas a tomar, principalmente enfocado en las mediciones de
campo relacionadas con la interfaz de radio del sistema como es el caso de las medidas de
la potencia de la señal que se recibe de una celda. Este tipo de estudio es importante pues
permite la elaboración de un procedimiento de medición y de calibración de equipos, de
forma que se tenga certeza que los datos que se compilan son realmente significativos.
Finalmente, se señala que la importancia de esta investigación está en que le brinda el lector
los conocimientos básicos que debe tener de un sistema de comunicaciones móviles, y a
partir de estos muestra cómo se mide la calidad del servicio y porqué esta es importante. Se
pretende que con los conceptos explicados se pueda tener una idea clara de que es lo que un
ingeniero de telecomunicaciones debe medir en una red móvil y cuales son los aspectos que
debe tomar en cuenta a la hora de administrar la red.
BIBLIOGRAFÍA
Libros:
1. Halonen, T, Romero, J, Melero, J. “GSM, GPRS and Edge Performance”,
segunda edición, Editorial Wiley, Inglaterra, 2003.
2. Rappaport, T. S. “Wireless Communications Principles and Practices”,
segunda edición, Prentice Hall, Estados Unidos, 2002.
3. Tanenbaum, A. S. “Redes de Computadoras”, cuarta edición, Pearson
Educación, México, 2003.
Páginas Web:
4. “3GPP”,
http://en.wikipedia.org/wiki/3gpp
5.
“GPRS core network”,
http://en.wikipedia.org/wiki/Packet_Data_Protocol#PDP_Context
6. “GSM”,
http://en.wikipedia.org/wiki/Gsm
7. “Network and Switching Subsystem”,
http://en.wikipedia.org/wiki/Network_and_Switching_Subsystem#BC
8. http://www.anacom.pt/streaming/1126.pdf?categoryId=45809&contentId=1
0057&field=ATTACHED_FILE
6565
66
Recomendaciones UIT-T:
9. Unión Internacional de Telecomunicaciones, “Manual de calidad de
servicio y calidad de funcionamiento de la red”, 2004.
10. Unión Internacional de Telecomunicaciones, “Recomendación UIT-T
E.800: Términos y definiciones relativos a la calidad de servicio y a la
calidad de funcionamiento de de la red, incluida la seguridad de
funcionamiento”, 1994.
11. Unión Internacional de Telecomunicaciones, “Recomendación UIT-T
E.600: Términos y definiciones de ingeniería de tráfico”, 1993.
12. Unión Internacional de Telecomunicaciones, “Recomendación UIT-T
E.771: Parámetros de grado de servicio de la red y valores objetivo para
los servicios móviles terrestres públicos con conmutación de circuitos”,
1996.
Otros:
13. Instituto Costarricense de Electricidad, “Redes móviles de segunda
generación: GSM”.
14. AHCIET, “las telecomunicaciones y la movilidad en la sociedad de la
información”, 2004.
6767