Gestión de la calidad de experiencia de voz en redes móviles

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Gestión de la calidad de experiencia de voz en redes móviles. Autor: Arnaldo Ugarte Pentón. Tutor: MSc. Carlos Alberto Rodríguez López. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Gestión de la calidad de la experiencia de voz en redes móviles. Autor: Arnaldo Ugarte Pentón Email: [email protected]. Tutor: MSc. Carlos Alberto Rodríguez López Email: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) i. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central ―Marta Abreu‖ de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ______________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada ______________________ Firma del Tutor. ______________________ Firma del Jefe de departamento donde se defiende el trabajo. ______________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) ii. PENSAMIENTO. “Establece altas metas y no te pares hasta que las consigas.”. Bo Jackson.

(5) iii. DEDICATORIA. •. A mi madre por su ternura, paciencia, por brindarme incondicionalmente su. apoyo en la realización de este anhelo de mi corazón, por darme su inagotable caudal de amor. Gracias mamá. •. A mi padre por su apoyo incondicional, por haber estado en todo momento a. mi lado, por sus desvelos, por darme aliento en los momentos difíciles. Gracias papá. •. A mi hermana por sus consejos y ayuda incondicional.. •. A mi tía y mi abuela por su amor y comprensión.. •. A mis amigos por su constante ayuda..

(6) iv. AGRADECIMIENTOS. . A mis padres por su amor, ejemplo y ayuda.. . A mi hermana por su apoyo y comprensión.. . A mi tutor Carlitos por haberme ofrecido toda su ayuda, conocimiento y experiencia.. . A Daily por ser tan compresiva conmigo.. . A Lili por ayudarme siempre que se lo pedí.. . A todos los profesores que han contribuido en mi formación profesional.. . A mis amigos y compañeros de aula.. . A todas las personas que me han brindado todo su cariño u ayuda en el transcurso de la Carrera.. A todos llegue mi agradecimiento desde lo más profundo de mi corazón..

(7) v. TAREA TÉCNICA. Con el propósito de dar cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se llevaron a cabo las siguientes tareas: 1. Búsqueda bibliográfica para la construcción del marco teórico. 2. Demostración de los beneficios de implementar un esquema basado en la gestión de la calidad de la experiencia en redes móviles celulares. 3. Identificación los retos fundamentales para la implantación del nuevo modelo. 4. Diseño y presentación de un estudio de caso que permita comprobar la validez del marco propuesto.. _____________________ Firma del Autor. _____________________ Firma del Tutor.

(8) vi. RESUMEN. Los operadores de telecomunicaciones recientemente han tenido que enfrentar la necesidad de un desplazamiento radical desde los requerimientos técnicos de calidad hacia las garantías de la experiencia de calidad de los usuarios. Esta tendencia ha surgido como consecuencia del incremento constante del número de usuarios y la explosión en la demanda del tráfico. Se han introducido nuevos términos con la intención de cuantificar, gestionar y mejorar la calidad experimentada por los usuarios. El término predominante es Calidad de la Experiencia (QoE, por sus siglas en ingles). Sin embargo, para los operadores la QoE aún es algo de último momento. Existen varios aspectos que deben ser resueltos antes de migrar desde un modelo centrado en las redes, hacia un modelo centrado en los usuarios. El propósito de esta investigación es ayudar a tomar conciencia de aspectos fundamentales a tener en cuenta cuando se pretende establecer la gestión de la QoE en redes móviles celulares. Tomando como base la revisión de artículos recientemente publicados, se presenta una plataforma conceptual para proveer QoE de extremo a extremo. Este acercamiento teórico se muestra en términos de diseño y de definición de componentes funcionales y sus interacciones. Como ejercicio final, se realiza un experimento de simulación con el propósito de demostrar los beneficios de aplicar el esquema de gestión de la QoE propuesto. Los resultados obtenidos claramente respaldan la migración hacia el modelo de gestión de la calidad propuesto..

(9) vii. PENSAMIENTO .................................................................................................................. ii DEDICATORIA ................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................iv TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ v RESUMEN ...........................................................................................................................vi ABREVIATURAS.................................................................................................................xi INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 Organización del informe: ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1.. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ................................................................ 5. 1.1 – Calidad de Experiencia ......................................................................................... 5 1.2 – Evaluación de la Calidad de Experiencia ........................................................... 7 1.2.1 – Mediciones subjetivas de calidad de voz .................................................... 8 1.2.1.1 – Nota de Opinión Media ..................................................................................... 9. 1.2.2 – Mediciones objetivas de la calidad de voz ............................................... 11 1.2.2.1 – Modelos de referencia completa ..................................................................... 11 1.2.2.1.1 – Evaluación Perceptual de la Calidad de Voz ............................ 12 1.2.2.1.2 – POLQA ......................................................................................... 13 1.2.2.2 – Modelos de referencia libre .............................................................................. 14 1.2.2.2.1 – P.563 ............................................................................................ 14 1.2.2.3 – Modelos basados en parámetros .................................................................... 14 1.2.2.3.1 – Modelo E ...................................................................................... 15 1.2.3 – Modelo Híbrido PSQA ........................................................................................ 19 1.2.4 – Desarrollo de otros modelos ........................................................................... 19. 1.3 – Resumen de métodos de medición de QoE ................................................... 20 1.4 – Generación de redes móviles ............................................................................ 21 1.5 – LTE ......................................................................................................................... 22.

(10) viii. 1.5.1 – Arquitectura de red ....................................................................................... 23 1.5.2 – Flexibilidad espectral .................................................................................... 25 1.5.3 – Esquemas de acceso OFDMA y SC-FDMA ............................................. 26 1.5.4 – Estructura en los dominios del tiempo y la frecuencia ........................... 27 1.5.5 – Calidad de servicio ....................................................................................... 28 1.6 – VoIP ........................................................................................................................ 31 1.6.1 – Pérdida de paquetes. ................................................................................... 31 1.6.2 – Jitter y demoras............................................................................................. 32 1.6.3 – Codecs............................................................................................................ 33 1.6.4 – Eco .................................................................................................................. 33 1.7 – Consideraciones finales del capítulo ................................................................ 33 CAPÍTULO 2.. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................... 35. 2.1 – Composición del Framework .............................................................................. 35 2.2 – Monitor de QoE .................................................................................................... 38 2.3 – Controlador de Calidad de Experiencia ............................................................ 39 2.4 – Gestor/Administrador de Calidad de Experiencia ........................................... 42 2.5 – Evaluación continua............................................................................................. 43 2.6 – Retos de implementación ................................................................................... 44 2.6.1 – Localización física del gestor de QoE ....................................................... 44 2.6.2 – Las fuentes de datos .................................................................................... 44 2.6.3 – Selección de un modelo apropiado de QoE ............................................. 44 2.6.4 – Decisiones hechas por el gestor de QoE ................................................. 45 2.6.5 – Otros retos ..................................................................................................... 45 CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................... 46.

(11) ix. 3.1 – Propuesta de escenario ...................................................................................... 47 3.2 – Propuesta de experimentos................................................................................ 49 3.3 – Simuladores de red .............................................................................................. 51 3.3.1 – Requerimientos del simulador .................................................................... 51 3.3.2 - Evaluación del simulador a usar ................................................................. 51 3.3.3 - LTE-Sim .......................................................................................................... 52 3.3.3.2 - Topología básica de red .................................................................................... 55 3.3.3.3 - Tráfico ................................................................................................................... 57. 3.4 – Modificaciones al código fuente......................................................................... 59 3.4.1 – Clase NetworkManagement ........................................................................ 59 3.4.2 – Clase Gateway .............................................................................................. 60 3.4.3 – Clase NetworkNode...................................................................................... 61 3.4.4 – Clase Packet.................................................................................................. 61 3.4.5 – Clase CBR ..................................................................................................... 62 3.4.5 – Clase ApplicationSink .................................................................................. 62 3.4.7 – Clase Application .......................................................................................... 63 3.5 – Análisis de resultados.......................................................................................... 64 3.5 – Propuesta de nuevo experimento y análisis de resultados ........................... 67 3.6 – Satisfacción de los usuarios ............................................................................... 69 3.7 – Consideraciones finales del capítulo ................................................................ 70 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 71 Conclusiones .................................................................................................................. 71 Recomendaciones ......................................................................................................... 72 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ 73.

(12) x. ANEXOS .............................................................................................................................. 78 Anexo I. Creación de un escenario con LTE-Sim ................................................... 78.

(13) xi. ABREVIATURAS 1G. Primera Generación (First Generation). 2G. Segunda Generación (Second Generation). 3G. Tercera Generación (Third Generation). 3GPP. Proyecto Asociación Partnership Project). 3GPP2. Proyecto Asociación de Tercera Generación 2 (Third Generation Partnership Project 2). 4G. Cuarta Generación (Fourth Generation). AMC. Codificación y Modulación Adaptativas (Adaptive Modulation and. de. Tercera. Generación. (Third. Generation. Coding) ACR. Valoración de Categoría Absoluta (ACR, Absolute Category Rating). ARP. Prioridad de Retención y Asignación (Allocation and Retention Priority). BS. Estación Base (Base Station). CDMA. Acceso Múltiple por División del Código (Code Division Multiple Access). CP. Prefijo Cíclico (Cyclic Prefix). CQI. Indicador de la Calidad del Canal (Channel Quality Indicators). DL. Enlace Descendente (DownLink). eNB. Nodo B Evolucionado (evolved Node B). EPC. Núcleo de Paquetes Evolucionado (Evolved Packet Core). EPS. Sistema de Paquetes Evolucionado (Evolved Packet System). EUTRAN Red de Acceso Radio Terrestre Universal 3G Evolucionada (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) FDD. Duplexación por División de la Frecuencia (Frequency Division Duplexing). FDMA. Acceso Múltiple por División de la Frecuencia (Frequency Division Multiple Access). GSM. Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communications). GBR. Razón de Bit No Garantizada (Non-Guaranteed Bit Rate).

(14) xii. ISI. Interferencia Intersímbolos (Inter-Symbol Interference). ITU. Union Internacional de Telecomunicaciones (International Union of Telecommunication). LTE. Evolución a Largo Plazo (Long Term Evolution). MBR. Máxima Razón de Bit (Maximum Bit Rate). MIMO. Múltiples Entradas Múltiples Salidas (Multiple-Input Multiple-Output). MME. Entidad de Gestión de Movilidad (Mobility Management Entity). MOS. Nota de Opinión Media (Mean Opinion Score). NB. Banda Estrecha (narrowband). NGBR. Razón de Bit No Garantizada (Non-Guaranteed Bit Rate). NN. Red Neuronal (Neural Network). OFDM. Multiplexación por División de la Frecuencia Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDMA. Acceso Múltiple por División de la Frecuencia Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). PAPR. Relación de Potencia Pico a Potencia Promedio (Peak to Average Power Ratio). PDCP. Protocolo de Convergencia de Datos de Paquetes (Packet Data Convergence Protocol). PRB. Bloque de Recurso Físico (Physical Resource Block). PESQ. Evaluación Perceptual de la Calidad de Voz (Perceptual Evaluation of Speech Quality). POLQA. Evaluación de la Calidad de Escucha Objetivo Perceptual (Perceptual Objective Listening Quality Assessment). PSQA. Evaluación de la Calidad Seudo-Subjetiva (PSQA). PSQM. Medición de la Calidad de Voz Perceptual (Perceptual Speech Quality Measure). QCI. Identificador de Clase de QoS (QoS Class Identifier). QoS. Calidad de Servicio (Quality Of Service). RAT. Tecnología de Acceso Radio (Radio Access Technology). RB. Bloque de Recurso (Resource Block). RE. Elemento de Recurso (Resource Element). RLC. Control de Enlace de Radio (Radio Link Control). RNC. Controlador de Red de Radio (Radio Network Controller). RRC. Control de Recursos de Radio (Radio Resource Control).

(15) xiii. RNN. Red Neuronal Recurrente (Recurrent Neural Network). SWB. Súper Banda Ancha (Super Wide Bandwidth). SC-FDMA Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Portadora Única (SingleCarrier Frequency Division Multiple Access) S-GW. Pasarela de Servicio (Serving Gateway). TDMA. Acceso Múltiple por División del Tiempo (Time Division Multiple Access). TTI. Intervalo de Tiempo de Transmisión (Transmission Time Interval). UDP. Protocolo de Datagrama de Usuario (User Datagram Protocol). UL. Enlace Ascendente (UpLink). UMTS. Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile Telecommunication System). UTRAN. Red de Acceso Radio Terrestre Universal 3G (Universal Terrestrial Radio Access Network). VoIP. Voz sobre el Protocolo de Internet (Voice over Internet Protocol). VQE. Mejoras de Calidad de Voz (Voice Quality Enhancement). WB. Banda Ancha (Wideband). WCDMA Acceso múltiple por división de código de banda ancha (Wideband Code Division Multiple Access).

(16) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1. INTRODUCCIÓN. La calidad de la experiencia es un concepto genérico muy amplio, que incorpora aspectos conscientes e inconscientes que afectan la satisfacción general del usuario. La misma es definida por la UIT como ―La aceptabilidad global de una aplicación o servicio, tal como la percibe subjetivamente el usuario final‖. De cierta forma se refiere al placer o el disgusto que experimentan los usuarios cuando utilizan un producto o servicio. Esta noción genérica de calidad de la experiencia ha abierto investigaciones en una variedad de sistemas y aplicaciones. En el caso concreto de las redes de telecomunicaciones, hasta ahora, ningún sistema ha sido originalmente diseñado siguiendo los principios de calidad de la experiencia. Sin embargo, esa situación está cambiando bruscamente. Los operadores de telecomunicaciones enfrentan en la actualidad el desafío de un cambio radical que desplaza el centro de atención desde los requerimientos técnicos de calidad hacia las garantías de la calidad de la experiencia de los usuarios. Este nuevo enfoque responde a las necesidades de la era del crecimiento de los consumidores, caracterizada por un incremento constante de la cantidad de dispositivos móviles, de las aplicaciones y de la demanda total de tráfico. En este contexto reciente, se hace necesario definir nuevos términos con el fin de cuantificar, gestionar y, en definitiva, mejorar la calidad de la experiencia de los usuarios. Hacia esta dirección se han encaminado algunos artículos: En (Zhang and Ansari, 2011) se propone un diagrama en bloques para la gestión de la calidad en Redes de Nueva Generación (NGNs). En (Gómez et al., 2013) se.

(17) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 2. describe una nueva arquitectura para el soporte de QoE en redes LTE. En (Cuadra-Sánchez et al., 2012) el enfoque está en la gestión de la experiencia de usuarios de IPTV. Por lo general, los trabajos publicados proponen soluciones ajustadas a sistemas y servicios concretos. De otro lado, en (Möller et al., 2011) se presenta lo relativo a las actividades de estandarización respecto a aspectos generales de la estimación de la QoE (modelado de QoE), dejando sin tratar lo relativo a la realización de mecanismos para garantizar la QoE. La comunicación móvil ha sido una de las innovaciones tecnológicas más exitosa en la historia moderna. Desde el surgimiento del primer teléfono celular hasta la actualidad se ha producido un vertiginoso desarrollo de las tecnologías de telefonía móvil. Estas han tenido un gran impacto en la sociedad moderna, convirtiéndose en una parte indispensable de la vida de millones de personas. Las tecnologías móviles, en particular 4G y 5G, están llamadas a pasar a un modelo de red centrado en el usuario, mediante la incorporación de algún tipo de lógica o la inteligencia que permita la gestión de la calidad de la experiencia. En este contexto, se puede decir que no existe un marco conceptual bien definido que ayude en el establecimiento del nuevo modelo. Es necesario definir un marco conceptual para este propósito. Por ello en este trabajo se propone el siguiente objetivo general: Proponer un marco conceptual para lograr proveer calidad de la experiencia de extremo a extremo en redes móviles. Para llegar a cumplir este objetivo general se definieron los siguientes objetivos específicos: . Caracterizar algunos elementos que intervienen en el proceso de puesta en marcha de mecanismos que permitan garantizar un determinado nivel de percepción de la calidad de la experiencia.. . Identificar aspectos claves y requisitos previos a la adopción del soporte para la gestión de la calidad de la experiencia en redes móviles celulares.. . Identificar los retos fundamentales para la implantación del nuevo modelo..

(18) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. . 3. Presentar un estudio de caso que permita demostrar los beneficios de implementar un esquema basado en la gestión de la calidad de la experiencia en redes móviles celulares.. De lo expuesto anteriormente se desprenden las siguientes interrogantes científicas: . ¿Qué elementos se intervienen en la percepción de la calidad en redes móviles?. . ¿Cuáles son los aspectos claves y requisitos para adoptar un mecanismo que enfatice la percepción de la calidad para redes móviles?. . ¿Cuáles son los componentes que debe contener la infraestructura de redes para soportar esos mecanismos?. . ¿Cuáles son los retos fundamentales para la implantación del nuevo modelo?. Organización del informe: El. informe. se. estructura. en. introducción,. capitulario,. conclusiones,. recomendaciones y referencias bibliográficas. Introducción: Se deja definido la importancia y necesidad del tema que se aborda y los elementos de la investigación. Capítulo 1: Se presenta una visión de modelos para la estimación de la calidad de experiencia enfocado desde la perspectiva de una red celular LTE. También se ofrece una breve descripción de los impedimentos que puede tener el uso de este tipo de red Capítulo 2: En el segundo capítulo se propone un framework que habilita la administración de calidad de experiencia en redes celulares móviles de extremo a extremo. Se identifican los bloques de construcción requeridos. Se plantean un conjunto de retos que deben tomarse en cuenta por los operadores..

(19) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 4. Capítulo 3: En el tercer capítulo se presenta un estudio de caso para demostrar la utilidad del framework. Se hace uso de la simulación para poder hacer el estudio y se analizaron los resultados de los experimentos que permitieron demostrar la ventaja del uso framework propuesto.

(20) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 5. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. En el presente capítulo se abordarán un conjunto de temas con el fin de proveer un entendimiento acerca de la QoE y se presenta una visión de modelos para la estimación de la calidad de experiencia percibida por los usuarios en la transmisión de voz y los servicios de comunicación, enfocado desde la perspectiva de una red celular LTE. También se ofrece una breve descripción de los impedimentos que puede tener el uso de este tipo de red.. 1.1 – Calidad de Experiencia Desde la introducción a gran escala de las redes telefónicas se ha hecho esfuerzos para garantizar la confiabilidad y alta calidad de los servicios dirigidos a los clientes. La calidad de la transmisión fue inicialmente medida mediante el intercambio informal de frases ricas fonéticamente entre dos terminales, así se cuantificaba la inteligibilidad asociada al canal. Luego, tales procederes informales fueron reemplazados por estándares de solo escucha y conversacionales que dieron lugar a condiciones más estables –y por lo tanto mejores intervalos de confianza- cuando se le preguntaba a los participantes calificar la sonoridad o inteligibilidad percibida, esfuerzo de escucha o calidad general de las muestras de solo escucha o conversacionales. Desde finales de los 90 la noción de QoE ha ganado impulso y seguidores en diferentes contextos de aplicaciones. En comunicaciones, la noción de calidad ha sido fuertemente asociada con la calidad de servicio (QoS) por muchos años. El concepto de QoE ha emergido en este campo principalmente con la motivación.

(21) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6. básica de que la QoS no es suficiente hoy en día para expresar todo lo que se refiere a servicios de comunicaciones. Con el tiempo, el fenómeno de QoE no solo ha ganado impulso en los sistemas y servicios multimedia, también ha sido relevante en otras áreas, desde el diseño de la interfaces hombre-computadora hasta la estética. Esta tendencia está también unida a la explosión del campo de la experiencia de usuario (UX). Como ―UX lidia con el estudio, diseño y evaluación de las experiencias que la personas tienen a través del uso de un sistema‖ (Roto et al., 2011), algunos aspectos de QoE están relacionados con UX. No obstante, QoE es un concepto que no solo está limitado al uso de un sistema o servicio, está también relacionado con el contexto (Brunnström et al., 2013). Con el creciente nivel de la sofisticada funcionalidad de los servicios y sistemas, la evaluación de la calidad se ha complejizado progresivamente. Mientras algunos servicios y sistemas solo requieren un pequeño número de tecnologías, capacidades funcionales, dimensiones sensoriales y formas de consumo, otras aplicaciones son un coctel explosivo de tecnologías, capacidades y sensaciones. Esos crecientes escenarios de aplicaciones envuelven una gran susceptibilidad del usuario, no solo debido al grado de usabilidad del sistema en general sino también debido al contexto en sí mismo. Aunque su relevancia ha ido creciendo, a la QoE todavía le falta un sólido, teórico y práctico modelo para afirmarse con fuerza a sí misma. Mientras la fuerza y el interés por la QoE están bien evidenciados por el incremento de documentos, estudios, talleres y estándar, está claro que esas iniciativas no muestran una coherente y consistente forma de ver el fenómeno e impacto de la QoE. De hecho, mientras la QoE es, en esta etapa, y por mucho, un nuevo y excitante campo de investigación, para otros es simplemente una moda, y para otros más es simplemente una etiqueta más moderna para el mismo trabajo que ellos han hecho durante décadas. Esta situación sin claridad e inestable, donde la carencia de una sólida y aceptada definición de QoE es probablemente la debilidad más evidente, justifica el esfuerzo de aquellos que piensan en la fuerza y el valor.

(22) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 7. agregado de la noción de QoE para hacer este campo creíble y mucho más que una moda (Brunnström et al., 2013).. 1.2 – Evaluación de la Calidad de Experiencia Similar a la QoS, la pregunta principal para los investigadores e ingenieros de QoE es como operar con el concepto en términos de rendimiento confiable, válido y mediciones objetivas. Este reto está enmarcado por una pregunta abarcadora ―¿Cómo podemos cuantificar la calidad y cómo podemos medirla?‖. Pudiéndose entonces afirmar que la QoE es un tema complejo que puede estar sujeto a diferentes interpretaciones. Desde la inclusión de la perspectiva humana del usuario, la realización de mediciones solamente a nivel técnico (por ejemplo, mediante la evaluación de parámetros de integridad de QoS convencionales de extremo a extremo) no es suficiente. En particular, QoE representa también las necesidades del usuario, las expectativas y los factores contextuales como el lugar y la actividad que se esté haciendo. Por lo tanto, se necesitan esquemas de evaluación de calidad que actúen como traductor entre un conjunto de factores de influencia clave técnica (QoS) y no técnica (subjetiva y contextual) y percepción de los usuarios, y en última instancia, experiencia de los usuarios (Schatz et al., 2013). QoE abarca las características de percepción extendiéndola a un nivel más profundo, ya que el usuario realiza una evaluación cualitativa de la calidad, determinando el grado de satisfacción y atracción que tiene con el servicio. El resultado de esta evaluación conlleva a la toma de decisiones tales como abandonar o continuar con el actual proveedor o recomendarlo a otros futuros usuarios (Guerrero Viveros, 2013). Para evaluar la calidad de experiencia de voz existen diferentes métodos, los cuales se pueden dividir en: medición objetiva y medición subjetiva de la calidad de voz, los cuales son analizados a continuación..

(23) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 8. 1.2.1 – Mediciones subjetivas de calidad de voz Los métodos de medición subjetiva de calidad están basados en la obtención de información de los participantes de un test los cuales están expuestos a diferentes condiciones de test o estímulos durante el proceso. En general, un panel de participantes está expuesto a varios niveles de calidad (como diferentes códec de audio en sus diferentes configuraciones) donde se conduce a alguna forma explícita o implícita de respuesta. Para un participante en un experimento de valoración de calidad, la calidad de voz es percibida como una estructura multidimensional, siendo el resultado de tres procesos: percepción (P), juicio (J) y descripción (D) como es representado en la figura 1. El proceso de percepción es accionado por un ―evento físico‖ (como una onda de sonido llegando al oído humano), el cual da lugar a un ―evento perceptivo‖, este ―evento perceptivo‖ puede ser también descrito en un sentido multidimensional donde características como coloración o nivel de ruido son cuantificados (Möller et al., 2011), (Wältermann et al., 2010), (Raake, 2007).. Figura 1.1. Representación esquemática de un participante en un experimento de evaluación de calidad (Raake, 2007). Las características del evento perceptivo son también comparadas con las características deseadas de algún intervalo de referencia (Jekosch, 2006). Esta referencia puede ser formada mediante repetidos experimentos telefónicos,.

(24) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 9. reflejándose en la misma numerosos contextos- y situaciones- como se muestra en la figura 1.2, pudiendo ser ser afectada por factores tales como la calidad de la fuente y elementos que conforman la cadena de comunicación del servicio (elementos de red, equipos terminales, protocolos, codecs, etc.), y por por factores psicológicos, ambientales y sociales. Ejemplos de estos factores son las expectativas y requerimientos que posee el usuario, experiencias con servicios similares de otros proveedores, políticas de cobro, perfil del usuario, opiniones de terceros, localización geográfica donde se usa el servicio, por solo citar algunos (Möller, 2012).. Figura 1.2. Factores que afectan la QoE (―Imagen,‖ n.d.) El resultado de esta comparación es un ―evento de calidad‖ que puede ser cuantitativamente descrito como una valoración de la ―calidad general‖. Desafortunadamente tanto el ―evento perceptual‖ como el ―evento de calidad‖ son internos a la percepción humana (delimitado por las líneas puntuadas alrededor de los procesos en la figura 1.1).. 1.2.1.1 – Nota de Opinión Media Para cuantificar los atributos destacados de esos eventos internos, se tiene que depender de los participantes humanos de los test cuando expresan su evaluación subjetiva en términos de puntuación de opinión. El método de evaluación subjetiva de Nota de Opinión Media (MOS por sus siglas en inglés) se basa en el análisis de.

(25) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 10. las opiniones de los usuarios respecto a un servicio donde la escala de calificación comprende valores entre 1 (calidad inaceptable) y 5 (calidad excelente). Las puntuaciones MOS de cada participantes son promediadas a niveles fuera de factores individuales. El método de evaluación MOS, definido en (Rec, 1996) fue concebido inicialmente para evaluar la opinión de los clientes de telefonía en cuanto a la calidad auditiva. Refleja directamente la calidad percibida por los usuarios, por lo que se ha utilizado ampliamente en entornos controlados tanto para la evaluación de la calidad de las líneas de transmisión como de los algoritmos de codificación de la señal de voz (Navarro Salmerón, 2015). Un MOS de 4.0 o superior es considerado de alta calidad dentro de la industria telefónica. El códec G.711 consigue un MOS entre 4.0 y 4.4 sobre una red de alta calidad. (Rodríguez-Gallo. Guerra,. 2009).. En. la. telefonía. móvil. celular,. generalmente se han aceptado índices MOS por debajo de este nivel. Sin embargo, un MOS inferior a 3 se considera de muy mala calidad en cualquier red que soporte servicio telefónico. Este método de medición de la calidad ha demostrado ser muy fiable, por lo que ha sido adoptado en diversos ámbitos como herramienta de medida de calidad percibida. Por ejemplo, en (ITU-T RECOMMENDATION, 1999) se utiliza este método en aplicaciones multimedia. Sin embargo, a pesar de su fiabilidad, este método presenta algunos inconvenientes. -. No permite identificar cuales aspectos del servicio han llevado a los usuarios a evaluar el servicio negativamente.. -. Es costoso en recursos y en tiempo.. -. No se puede aplicar directamente a la medición de la calidad en tiempo real.. Este tipo de método ha incitado al desarrollo de métodos instrumentales de estimación de la calidad de voz o también conocidos como objetivos. Los cuáles serán descritos a continuación..

(26) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 11. 1.2.2 – Mediciones objetivas de la calidad de voz A pesar de que la percepción de QoE está relacionada con aspectos subjetivos, es importante realizar mediciones de QoE de forma objetiva y cuantitativa como se expresa en (Brooks and Hestnes, 2010). En (Brooks and Hestnes, 2010), los autores proponen que las mediciones subjetivas de QoE deben ser recolectadas como datos cuantitativos que sean consistentes con datos numéricos objetivos. Por lo tanto, es posible desarrollar un sistema que realice mediciones técnicas de la QoE, con el cual se pueda crear subjetivamente referencias para modelar el grado de satisfacción de los usuarios (Guerrero Viveros, 2013). Los modelos instrumentales u objetivos son usados para estimar la media de evaluación de la calidad de un servicio. Comúnmente, aunque no necesariamente, las experiencias y requerimientos individuales no son tomados en cuenta por estos modelos. La mayoría de los modelos proveen un estimado de evaluación de calidad general en un contexto de solo escucha o conversacional de acuerdo a las condiciones de test estandarizadas en (Rec, 1996), o con la consideración de ruido de fondo y su supresión (ITU-T, 2003). Otros modelos estiman múltiples características de calidad como coloración, ruidosidad, y continuidad (Wältermann et al., 2010), (Côté et al., 2010). Los modelos basan sus estimaciones en: 1- Señales que pueden ser medidas en las interfaces acústicas o eléctricas en el canal de transmisión de interés (basado en señal) 2- Parámetros que son estimados durante la fase de planificación de la red (paramétricos) 3- Parámetros recolectados en tiempo de ejecución de los procesos y protocolos de control de la red 4- Una combinación de 1 y 2 (modelos híbridos). 1.2.2.1 – Modelos de referencia completa Los modelos de referencia completa, conocido también como intrusivo o con doble terminación, dependen de una señal de voz de referencia y una correspondiente señal degradada señal a la salida. Los sistemas de transmisión modernos no tienen como meta reproducir la señal exacta de entrada, solo generan una señal sonora similar a la salida. Este principio también apunta a una debilidad en tales.

(27) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 12. modelos, debido a que una comparación es hecha respecto a la señal de entrada. Muchos modelos de referencia completa predicen la evaluación hecha en un test de Valoración de Categoría Absoluta (ACR por sus siglas en inglés), tomando en cuenta que en dicho test el oyente no tiene acceso directo a la señal de referencia de entrada, las características deseadas son inducidas por la experiencia del oyente en el contexto en que se hace el test.. 1.2.2.1.1 – Evaluación Perceptual de la Calidad de Voz Por más de una década el método de Evaluación Perceptual de la Calidad de Voz (PESQ por sus siglas en inglés) (Recommendation, 2001) ha demostrado ser una solución estable para la evaluación de calidad en 2G/3G, (redes basadas en circuitos), y se ha extendido hasta las redes basadas en conmutación de paquetes. Siendo este el modelo de referencia más difundido provee un estimado de calidad para señales de banda estrecha y está basado en su predecesor, Medición de la Calidad de Voz Perceptual (PSQM) (Union, 1998), donde este último muestra un rendimiento mejorado para redes de conmutación de paquetes mediante el empleo de un mejor algoritmo de alineación de tiempo y un modelo perceptual diferente. Para dar soporte a los crecientes servicios de banda ancha, una extensión de banda ancha (WB) de PESQ, llamada como WB-PESQ (Rec, 2005) ha sido propuesta. Este modelo tiene un alcance limitado, y no cubre los transductores, Mejoras de Calidad de Voz (VQE por sus siglas en inglés), y algoritmos de time-warping. Además PESQ presenta un conjunto de debilidades en sus algoritmos, como la imprecisión en escenarios de banda ancha y en Acceso Múltiple por División del Código (CDMA por sus siglas en inglés), cierta sensibilidad a diversas condiciones en redes de Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM por sus siglas en inglés) y redes de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (WDCMA por sus siglas en inglés), y limitaciones de VoIP como la demora variable superior a un segundo y el escalamiento del tiempo (Dr. Irina Cotanis, n.d.)..

(28) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 13. 1.2.2.1.2 – POLQA Las debilidades de WB-PESQ dieron lugar a la creación del método de Evaluación de la Calidad de Escucha Objetivo Perceptual (POLQA por sus siglas en inglés) (Rec, 2011), donde este provee un rendimiento significativo superior en la predicción de la calidad subjetiva de la voz cuando se compara con PESQ. El algoritmo de POLQA permite predecir la calidad de voz sobre un gran rango de distorsiones que van desde las señales de banda ancha de alta definición hasta señales de banda estrecha muy distorsionadas. POLQA se desarrolló para distorsiones que están fuera del alcance de PESQ, tales como distorsiones causadas por la no linealidad de la respuesta en frecuencia, compresión de tiempo como se pueden encontrar en VoIP, algunos tipos de distorsiones de codecs, reverberaciones y el impacto del volumen. Este estándar pretende cubrir la mayoría de los escenarios de las redes telefónicas siendo diseñado no solo para proveer un acertado estimado de MOS para una gran cantidad de condiciones específicas de los nuevos codecs y tecnología de red, sino que también asegura alta precisión para escenarios en los cuales PESQ ha mostrado un rendimiento pobre. Estos escenarios están principalmente relacionados con las mediciones en WB, fuertes variaciones de los niveles. de. Control. de. Ganancia. Automática. (AGC),. conexiones. VoIP. caracterizadas por grandes valores de demora, entre otros (Beerends et al., 2013). POLQA provee acertada calidad de estimación para servicios de telefonía fija, móvil, y basados en IP, e incluye sistemas de procesamiento de voz como G.711, G.718, AMR-WB+, algoritmos VQE, entre muchos otros. La unidad de evaluación de POLQA usa una señal ―idealizada‖ en lugar de una referencia de entrada estándar para la comparación; calcula seis valores diferentes de calidad y los combina en un estimado general de calidad. Este estimado es calculado en un llamado modelo cognitivo que simula altos procesos cognitivos (Dr. Irina Cotanis, n.d.)..

(29) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 14. 1.2.2.2 – Modelos de referencia libre Los modelos de referencia libre son también conocidos como no intrusivos o de terminación simple debido a que dependen solo de la señal degradada. Estos modelos han ganado mucha atención recientemente debido a que las señales de referencia no están disponibles en redes en servicio. Al igual que los participantes en los test de escucha de tipo ACR, los modelos de referencia libre evalúan la calidad de voz sin la necesidad de tener una versión limpia de alta calidad de la señal. Los sujetos en los test de escucha ACR solo dependen de sus conocimientos previos, para juzgar la calidad de voz de una manera similar los modelos de referencia libre utilizan conocimientos previos para estimar la calidad de voz.. 1.2.2.2.1 – P.563 Dentro de los modelos de referencia libre que determinan la calidad de voz percibida el estándar P.563 (Falk and Chan, 2004) de la UIT ha ganado popularidad. Sin embargo este estándar ha demostrado dificultades al aplicarlo a sistemas de streaming de voz que necesitan monitorizar la calidad percibida en tiempo real ya que necesitan hacer adaptaciones bajo condiciones variantes en el tiempo como la probabilidad de pérdidas de paquetes.. 1.2.2.3 – Modelos basados en parámetros Los modelos basados en señal requieren señales de voz como entrada para usar los métodos de estimación de calidad dando lugar a que al menos una implementación prototipo o simulación del canal de transmisión deba ser hecha. Durante el proceso de diseño de la red tales señales comúnmente no están disponibles; en lugar de eso, la red está caracterizada por especificaciones técnicas de sus elementos constituyentes como la demora asociada con un camino determinado, la probabilidad de que los paquetes se pierdan o sean descartados en las transmisiones basadas en protocolo IP y el tipo de códec utilizado, por solo nombrar algunos. La mayoría de esas especificaciones pueden ser cuantificadas en términos de parámetros de planificación que habilitan.

(30) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 15. estimaciones de la calidad de voz antes de que la red se habilite para que sea usada por los usuarios.. 1.2.2.3.1 – Modelo E El modelo E, descrito en (Rec, 2003) y (Recommendation, 2005) puede ser tratado como un modelo paramétrico usado para estimar la calidad asociada con un canal de transmisión en un contexto conversacional. Este modelo considera los diferentes tipos de deterioros en una conexión telefónica, cubriendo la cadena completa de transmisión desde la boca del hablante hasta el oído del oyente. El resultado primario del modelo es una cuantificación escalar de la calidad del audio que se estima que sería la percibida por un usuario. Una característica fundamental de este modelo es la utilización de factores de degradación de la transmisión (de ahí que se considere paramétrico), los que reflejan los efectos de los modernos dispositivos de procesamiento de señales. La versión original de este modelo es muy complicada y puede ser aplicado a la telefonía en general (Rodríguez-Gallo Guerra, 2009). Además de factores tradicionales que afectan la calidad de la voz como la demora, la pérdida de paquetes y la calidad del códec, la versión original del modelo E incluye algunos otros parámetros, los cuales se indican en la figura 1.3 y para su profundización debe ver (Rec, 2003)..

(31) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 16. Figura 1.3. El modelo E Un aspecto importante en el modelo E es que fue diseñado para las comunicaciones de banda estrecha solamente. Con este modelo se calcula, en base a varios parámetros medibles de la red, un parámetro R que puede relacionarse con el MOS de acuerdo a la tabla 1.1. El rango correspondiente a los valores de MOS de banda estrecha es desde 1 hasta 4.5 (el máximo MOS de banda estrecha alcanzables es de 4.41, que corresponde a una R de 93.2) Para R < 0:. MOS = 1. (1.1). Para 0 < R < 100. MOS = 1 + 0.035*R + R*(R - 60)*(100 - R)*7*10^(-6) (1.2). Para R > 100:. MOS = 4.5. (1.3). Tabla 1.1. Modelo E y MOS. En el modelo E se reflejan los siguientes componentes según G.107, G.113 y (Cole and Rosenbluth, 2001): R = Ro – Id – Ie-eff + A. (1.4).

(32) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 17. R: es el indicador que refleja el resultado de la calidad de la voz (escala de 0 hasta 100) Ro: su valor es 93.2. Es el puntaje máximo que puede ser conseguido por los códec de banda estrecha y le corresponde un MOS de 4.41. Id: es el factor de deterioro causado por la demora a lo largo de la red (función de la demora). A: es el factor de mejora. Permite compensar los factores de degradación cuando existen otras ventajas de acceso para el usuario Ie-eff: es el factor de degradación efectiva del equipo, que depende propiamente del equipo (el códec que se usa para formar el flujo de voz) y también de la pérdida de paquetes y la robustez de la pérdida de paquetes. Este factor es expresado por la siguiente ecuación: (1.5) Ie: es el factor de degradación del equipo (la calidad del códec). Depende de los resultados de pruebas subjetivas; así como de la experiencia de la red. Según (Rec, 2003), las características del códec se encuentran especificadas en (Recommendation, 2005). Bpl: es el factor de robustez contra pérdidas de paquetes (la efectividad de los algoritmos concernientes a la pérdida de paquetes, que le concierne también al códec). BurstR: Razón de ráfaga. Se considera que cuando la pérdida de paquetes es aleatoria BurstR = 1 y cuando la pérdida es en ráfaga entonces BurstR > 1. Ppl: es la probabilidad de pérdidas de paquetes. En la Union Internacional de Telecomunicaciones (ITU por sus siglas en inglés) se proponen tablas especiales que contienen valores para Ie y Bpl para algunos codecs específicos. La calidad de los codecs (Ie) se mide con respecto a la calidad del mejor códec de banda estrecha, que es G.711, donde Ie para este códec es cero. Los peores codecs tienen valores más altos de Ie. Estos valores.

(33) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 18. para diferentes codecs están basados en diferentes resultados experimentales de la ITU, mostrados a continuación en la tabla 1.2. Tabla 1.2 Valores propuestos por la UIT para el factor de degradación, Ie, y el factor de robustez contra pérdidas de paquetes, Bpl. Códec. Tipo de ocultación de los paquetes perdidos (PLC). Ie. Bpl. G.711. Ninguno. 0. 4.3. G.711. Apéndice I de [ITU-T G.711]. 0. 25.1. G.726 (32 Kbps). Nativo. 7. 23. G.723 + VAD. Nativo. 15. 16.1. G.729 + VAD. Nativo. 11. 19.0. El modelo E tradicional usa una ecuación complicada para calcular el efecto de la demora (Cole and Rosenbluth, 2001). se propuso una función lineal más simple para definir el empeoramiento de la demora, la cual se muestra a continuación: Id = 0.024 * D + 0.11 * (D – 177.3) * H (D – 177.3). (1.6). Donde: D: demora extremo - extremo de la red. H(x): función de Heaviside donde: H(x) = 0 si x < 0 H(x) = 1 si x > 0 Con el incremento de ancho de banda que suponía el uso de VoIP, el modelo E se actualizó para proveer también predicciones válidas para la transmisión en WB (Raake et al., 2010). En este caso, la escala de puntuación de la transmisión está extendida en el rango de 0 a 129 para reflejar la ventaja de la calidad para transmisiones de WB. Extensiones futuras están siendo discutidas para.

(34) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 19. transmisiones SWB, donde el valor máximo R = 179 ha sido observado en los test (Waltermann et al., 2010). Debido a la naturaleza del modelo E, este es especialmente atractivo para redes en planificación al igual que para monitorización de las redes en tiempo real.. 1.2.3 – Modelo Híbrido PSQA El Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique de Francia propuso un método hibrido entre las evaluaciones subjetivas y objetivas de la calidad de la experiencia llamado Evaluación de la calidad seudo-subjetiva (PSQA) [5]. La metodología PSQA nos permite obtener un valor acerca de la calidad experimentada cercano al valor promedio que nos daría un observador humano. PSQA está basado en el aprendizaje de cómo los observadores humanos cuantifican la calidad de un flujo de datos (audio, video, etc.) bajo condiciones experimentales estandarizadas. El proceso de aprendizaje consiste en el entrenamiento de un tipo particular de Red Neuronal (NN por sus siglas en inglés), la Red Neuronal Recurrente (RNN), para capturar la relación entre un conjunto de factores que tienen a priori fuerte impacto en la calidad percibida. Así, esta metodología está dividida en tres grandes pasos: primero, se aplica una evaluación subjetiva del QoE en un entorno controlado, donde las secuencias (de audio, video, entre otros) son distorsionadas en periodos de tiempo. En el segundo paso, las muestras de las evaluaciones obtenidas en el primer paso son pasadas a través de un proceso estadístico, en el cual los elementos fuera de rango son detectados y removidos. Finalmente, los resultados son utilizados para entrenar a una herramienta de aprendizaje automático, una red neuronal, que aprende la correlación entre las configuraciones (parámetros relacionados a las distorsiones) y los valores de MOS (calidad percibida) (Fernández and Quinónez, n.d.).. 1.2.4 – Desarrollo de otros modelos Algunos autores han desarrollado otros modelos cuantitativos de QoE que se basan en la medición de la calidad utilizando, como criterio de evaluación, parámetros técnicos propios de cada servicio. En la presentación (Soldani, 2010) exhibida en el workshop denominado ―ETSI Workshop on QoE, QoS and User.

(35) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 20. Experience‖, se presentan 2 aproximaciones para evaluar la QoE en redes de operadores móviles. El primer modelo, basado en la red del operador, realiza mediciones de calidad del servicio dentro de la red. Este modelo se fundamenta en la posibilidad de estimar la QoE con exactitud, a partir de mediciones realizadas en puntos estratégicos de la infraestructura de la red. Por otra parte, se sabe que las redes de los operadores móviles son, por su naturaleza tecnológica, altamente dinámicas. En las redes del operador se pueden estar teniendo variaciones de topología y de versión, en promedio, una vez al mes. La anterior solución posee una metodología de medición intrusiva, por lo tanto, este modelo debe estar evolucionando para adaptarse a los cambios de red en los mismos términos de tiempo que lo hacen las redes de los operadores. El segundo modelo, basado en terminales, obtiene las mediciones de calidad del servicio a través de un software instalado en los equipos terminales de los usuarios. Es evidente que este modelo cumple considerablemente el concepto de QoE, puesto que realiza mediciones de calidad desde la perspectiva de los usuarios. Esta solución posee una metodología de medición no invasiva, por lo cual, el modelo no tiene que ser modificado después que el operador realice cambios en la red. Ambas soluciones no son mutuamente excluyentes, es posible realizar una fusión de las características de cada una para obtener un alcance específico (Guerrero Viveros, 2013).. 1.3 – Resumen de métodos de medición de QoE En las secciones anteriores se ha puesto de manifiesto la complejidad que supone definir unos niveles de calidad técnica o calidad de servicio que garanticen un cierto nivel de calidad percibida por los usuarios, ya que existen una serie de factores significativos para la evaluación del servicio por parte de los usuarios que van más allá de parámetros puramente técnicos. Esto conlleva a que aunque se.

(36) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 21. satisfagan los niveles requeridos en cuanto a rendimiento técnico, no siempre se consiga un nivel de calidad percibida adecuado. Ee puede comprobar que casi todas las definiciones de QoE tienen muchos puntos en común, por lo que se pueden realizar las siguientes afirmaciones: 1. La Calidad de Experiencia depende de la percepción subjetiva de los usuarios. 2. La QoE tiene dos componentes: a) Objetivo, cuantitativo o tangible, que depende de la calidad de funcionamiento del sistema extremo-a-extremo (calidad técnica). b) Subjetivo, cualitativo o intangible, en el que influyen las expectativas del usuario, las condiciones ambientales, factores psicológicos y contextuales, etc. (calidad subjetiva). 3. La satisfacción de los usuarios depende de la diferencia entre los requisitos y expectativas de los usuarios (calidad requerida) y la calidad percibida o experimentada por dichos usuarios en la utilización del servicio (Navarro Salmerón, 2015).. 1.4 – Generación de redes móviles La evolución de las comunicaciones móviles se describe como una secuencia de generaciones marcadas por hitos de grandes cambios en el modo de comunicarse, surgiendo así derivados de la evolución de los algoritmos enfocados a la optimización de los recursos, la creación de nuevas formas de codificación, transmisión y multiplexación para otorgar diversos servicios como el envío de imágenes y video de tamaño pequeño, todo esto mediante el uso del medio inalámbrico, las cuales han evolucionado desde las redes de primera generación (1G) totalmente analógicas, pasando por una evolución a la tecnología digital de segunda generación (2G), hasta las de tercera generación (3G), utilizando estas dos últimas generaciones, de una forma u otra, la conmutación de circuitos ligada a la conmutación de paquetes para poder ofrecer otros tipos de servicios relacionados en la mayoría de los casos con internet..

(37) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 22. Actualmente se impone un estándar en el mundo conocido como LTE o redes de cuarta generación (4G), el cual cual abandona la tradicional conmutación de circuitos y emigra completamente a un sistema de conmutación de paquetes tanto para la voz como para los datos, en un intento de satisfacer las demandas crecientes de los usuarios lo que conlleva la evolución de las aplicaciones las cuales a su vez requieren de un ancho de banda cada vez mayor. Debido a la masificación de este estándar el presente documento enfocará su estudio en una red LTE la cual se usará para el caso de estudio que se propone.. 1.5 – LTE La tecnología 4G de banda ancha móvil permite a los Operadores inalámbricos aprovechar al máximo las velocidades de descarga y subida y por lo tanto aumentar la cantidad y el tipo de contenido a través de los dispositivos móviles. Las redes 4G son soluciones integrales de IP que entregan comunicaciones de voz, datos y contenidos multimedia, permitiendo los servicios a usuarios móviles en cualquier momento y en casi cualquier lugar y ofrece mejoras considerables en las tasas de transferencia de datos en comparación a las generaciones anteriores de la tecnología inalámbrica. Conexiones de banda ancha inalámbrica más rápidas permiten a los Operadores inalámbricos proporcionar servicios con mayores niveles de datos, incluyendo las aplicaciones de negocios, tiempo real de audio y vídeo, mensajería de vídeo, telefonía de video, televisión móvil y juegos (CUEVAS, 2012). LTE es una Tecnología de Acceso Radio (RAT) basada enteramente en la comunicación de paquetes, enfocada en proveer una mejor calidad de los servicios móviles. LTE fue diseñado para proporcionar razones pico de transmisión de datos en los Enlaces Descendentes (DownLink, DL) y ascendente (UpLink, UL) de 100 y 50 Mbps, respectivamente, e incrementar la capacidad cobertura y velocidad de las redes móviles celulares en comparación con las tecnologías 3G precedentes (Divya and Hüseyin, 2009)..

(38) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 23. 1.5.1 – Arquitectura de red La arquitectura de red de LTE está diseñada con el fin de soportar tráfico de conmutación de paquetes con movilidad interrumpida, QoS y latencia mínima. Está formada por el Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC) y la E-UTRAN, referidas en conjunto como un Sistema de Paquetes Evolucionado (EPS). Uno de los. cambios. más. significativos. respecto. al. Sistema. Universal. de. Telecomunicaciones Móviles (UMTS) es que el Controlador de Red de Radio (RNC) es eliminado y sus funciones son incorporadas al Nodo B Evolucionado (eNB). Debido a la simplificación de la red LTE, todas las funcionalidades de gestión de los recursos de radio que además incluyen la planificación de paquetes y el mecanismo de HO, se implementa en los eNBs. Los eNBs realizan las funcionalidades de gestión de los recursos de radio, que además incluyen la planificación de paquetes y el mecanismo de handover. Los eNBs realizan las funciones. de. los. nodos. B,. así. como. los. protocolos. tradicionalmente. implementados en el RNC. Sus funciones principales son la compresión de cabecera, el cifrado y la entrega confiable de los paquetes. En lo que a control se refiere, el eNB incorpora funciones tales como el control de admisión y la gestión de los recursos de radio (Khan, 2009), (Avilés Delgado, 2015). Tal y como se ilustra en la figura 1.4, una red de acceso E-UTRAN está formada por el eNB que proporciona la conectividad entre los equipos de usuario (UE) y la red troncal EPC. Un eNB se comunica con el resto de los elementos del sistema mediante tres interfaces: E-UTRAN Ue, S1, y X2. Todas las interfaces de la red están basadas en protocolo IP..

(39) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 24. Figura 1.4 Red de acceso E-UTRAN (Agusti Comes et al., 2010) El eNB se conecta a la red troncal EPC a través de la interfaz S1. Dicha interfaz está dividida en dos interfaces diferentes: S1-MME para sustentar el plano de control y S1-U como soporte del plano de usuario. La separación entre el plano de control y plano de usuario es una característica importante en la organización de las torres de protocolos asociadas a las interfaces de la red LTE. Así pues, el plano de usuario de una interfaz se refiere a la torre de protocolos empleada para el envío de tráfico de usuario a través de dicha interfaz, como paquetes IP del usuario que se envían entre E-UTRAN y EPC a través de S1-U. Por otro lado, el plano de control se refiere a la torre de protocolos necesaria para sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la operación de dicha interfaz, como la configuración del eNB desde la red EPC a través de S1-MME. Esta separación entre el plano de control y el plano de usuario en la interfaz S1 permite realizar la conexión del eNB con dos nodos diferentes de la red troncal. Así, mediante la interfaz S1-MME, el eNB se comunica con una entidad de red de EPC encargada únicamente de sustentar las funciones relacionadas con el plano de control, dicha entidad se denomina Entidad de Gestión de Movilidad (MME). Por otro lado, mediante la interfaz S1-U, el eNB se comunica con otra entidad de red encargada de procesar el plano de usuario, esta entidad de la EPC se denomina Pasarela de Servicio (S-GW). Esta separación entre entidades de red.

(40) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 25. dedicadas a sustentar el plano de control o bien el plano de usuario es una característica importante de la red LTE, donde se permite dimensionar de forma independiente los recursos de transmisión necesarios para el soporte de la señalización del sistema y para el envío del tráfico de los usuarios (Agusti Comes et al., 2010). Opcionalmente, los eNBs pueden conectarse entre sí mediante la interfaz X2. A través de esta interfaz, los eNBs se intercambian tanto mensajes de señalización destinados a permitir una gestión más eficiente del uso de los recursos de radio como información para reducir la interferencia entre eNBs, así como tráfico de los usuarios del sistema cuando estos se desplazan de un eNB a otro durante un proceso de handover (Agusti Comes et al., 2010).. 1.5.2 – Flexibilidad espectral La flexibilidad espectral es otra de las características fundamentales de LTE. LTE puede ser desplegado con diferentes esquemas de duplexación: Duplexación por División de la Frecuencia (FDD), Duplexación por División del Tiempo (TDD) como se muestra en la figura 1.5. El modo FDD permite transmisiones simultáneas en el DL, y el UL operando en diferentes bandas de frecuencia, mientras que el modo TDD permite transmisiones en el DL y UL operando en la misma banda de frecuencia pero en ranuras de tiempo diferentes (Avilés Delgado, 2015).. Figura 1.5. Esquema de duplexación (Avilés Delgado, 2015)..

(41) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 26. Las posibles canalizaciones para LTE se muestran en la tabla 1.3 donde se nota que el ancho de banda de transmisión es aproximadamente el 90% del ancho de banda total del canal para las canalizaciones de 3 a 20 MHz. Para 1.4MHz de ancho de banda de canal, el ancho de banda de transmisión es solo el 77%. Por lo tanto el despliegue de un canal de 1.4 MHz es espectralmente menos eficiente que los otros canales que poseen un mayor ancho de banda (Khan, 2009). Tabla 1.3 Disponibilidad de recursos. Ancho de banda Cantidad de Cantidad de Ancho de banda del canal (MHz) bloques de recurso subportadoras utilizado (MHz) (PRB) disponibles (NS) 1.4. 6. 73. 1.095. 3. 15. 181. 2.715. 5. 25. 301. 4.515. 10. 50. 601. 9.015. 15. 75. 901. 13.515. 20. 100. 1201. 18.015. 1.5.3 – Esquemas de acceso OFDMA y SC-FDMA En la capa física de la interfaz aire del sistema LTE se utiliza el Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA) como tecnología de acceso en el DL, así como el Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Portadora Única (SC-FDMA) en el UL. En los sistemas móviles el UE siempre se encuentra limitado en potencia. El diseño del transmisor para OFDM es costoso debido a que la Relación Potencia Pico a Potencia Promedio (PARP) de una señal OFDM es relativamente alta, siendo necesario el uso de amplificadores de frecuencia altamente lineal. Por tal motivo se utiliza la tecnología SC-FDMA para el UL, pues garantiza un uso más eficiente de la batería en el UE (Avilés Delgado, 2015)..

(42) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 27. La tecnología de acceso OFDMA es robusta frente a la Interferencia Intersímbolo (ISI) y al desvanecimiento selectivo en frecuencia propio de los canales móviles celulares [38], OFDMA divide el ancho de banda disponible en múltiples bandas más estrechas igualmente espaciadas, y subportadoras mutuamente ortogonales que poseen valor cero en el punto de muestreo del resto de las subportadoras. Todas las subportadoras en LTE están espaciadas 15 kHz sin importar cuál sea el ancho de banda total, y pueden llevar de forma individual o en grupo, flujos de información independientes (Sesia et al., 2009).. 1.5.4 – Estructura en los dominios del tiempo y la frecuencia Como se muestra en la figura 1.6 los símbolos OFDM representados como S son agrupados en el dominio del tiempo para conformar tramas de radio con una duración de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 20 ranuras temporales de duración 0.5 ms. Se define una unidad básica de recursos denominada subtrama, de duración 1 ms, formada por dos ranuras temporales. Esta estructura está optimizada para coexistir con el sistema UMTS (Agusti Comes et al., 2010).. Figura 1.6. Estructura en el dominio del tiempo para CP extendido (Agusti Comes et al., 2010) En cada ranura temporal se transmiten 6 o 7 símbolos OFDM, cada uno de ellos de duración TS=66.7 us. En el caso de utilizar 7 símbolos es Prefijo Cíclico (CP) tiene una duración de 4.7 us, salvo para el primer símbolo que tiene un CP de 5.2 us, si se utilizan 6 símbolos por ranura temporal entonces el CP tiene una duración de 16.67 us; para diferenciarlos, al primer CP se le denomina CP normal, mientras que el segundo se le denomina CP extendido. Normalmente en celdas muy.

(43) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 28. grandes se utiliza una estructura de 6 símbolos por ranura, ya que los retardos de propagación pueden llegar a ser de algunos us, lo que requiere un mayor prefijo cíclico para compensar la propagación multicamino (Khan, 2009). Se denomina Bloque de Recurso Físico (PRB), al mínimo elemento de información que puede ser asignado por el eNB a un terminal móvil en dos ranuras de tiempo, o sea, 1 ms, siendo la ranura de tiempo la unidad básica en el dominio del tiempo para la planificación dinámica en LTE. Un PRB ocupa 180 kHz de ancho de banda equivalente a 12 subportadoras espaciadas a 15 KHz entre ellas, en él, como ya se explicó anteriormente se transmiten 6 o 7 símbolos OFDMA, dependiendo de la longitud de prefijo utilizada (Agusti Comes et al., 2010). El PRB contiene un conjunto de Elemento de Recurso (RE), siendo esta la unidad más pequeña de recurso de transmisión en LTE. Este consiste en una subportadora en el dominio de la frecuencia para una duración de un símbolo OFDM (Khan, 2009). Como ya se mencionó la separación definida entre subportadoras es de 15kHz, donde estas se agrupan en bloques de 12 subportadoras consecutivas, con un ancho de banda resultante de 12 *15kHz = 180 kHz, constituyéndose así bloques de recurso en el dominio de la frecuencia. A partir de aquí, el número total de subportadoras ocupadas por una portadora LTE en el DL es de NS = 12NB + 1, donde NB es la cantidad de bloques de recurso utilizados. Hay que tener en cuenta en la expresión que la subportadora en el centro de la banda no se utiliza en ninguno de los bloques, sin embargo ofrece información para facilitar los mecanismos de ajuste y sincronización en frecuencia del receptor. (Agusti Comes et al., 2010). La tabla 1.3 muestra la cantidad de bloques de recurso, al igual que la cantidad de subportadoras disponibles para cada canalización.. 1.5.5 – Calidad de servicio Los modelos de calidad de servicio delimitan el comportamiento que se espera del servicio de conectividad proporcionado por una red de transmisión de paquetes. Un modelo de QoS también determina el grado de flexibilidad que ofrece un sistema para gestionar la capacidad de transmisión disponible. Está claro que, en redes como LTE, la planificación de un sobredimensionado de la capacidad de.

(44) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 29. transmisión de la red no es viable económicamente, debido a la limitación del espectro y al coste de la infraestructura de red. Por lo tanto, la capacidad de transmisión asignada a un determinado servicio portador debe establecerse en base a prestaciones mínimas para garantizar una buena experiencia de uso del servicio final (Sesia et al., 2009). En LTE, el modelo de QoS utilizado para definir el comportamiento de un servicio portador EPS se basa en cuatro parámetros. Además de estos cuatro parámetros, se complementa con dos parámetros adicionales asociados al tipo de subscripción de un usuario. En la figura 1.7 se puede ver el conjunto completo de parámetros de QoS considerado en el sistema LTE.. Figura 1.7. Parámetros de QoS en el sistema LTE. Cada servicio portador tiene asociado como mínimo dos parámetros: Identificador de Clase de QoS (QCI) y una Prioridad de Retención y Asignación (ARP). De forma general se puede decir que QCI determina el comportamiento del plano de usuario del servicio portador EPS, una mejor visión de este se puede ver en la tabla 1.4 donde, por ejemplo, el valor de prioridad puede ser utilizado por el planificador para ordenar la asignación de recursos. El parámetro ARP es utilizado en el plano de control donde, de forma general, se utiliza como un indicador de prioridad en los procesos de establecimiento/modificación/desactivación de un servicio portador para, por ejemplo, poder liberar recursos que deban ser destinados a servicios más prioritarios (Sesia et al., 2009)..