Integração entre redes LTE e satélite

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1 Ricardo Takaki *, Luis Cláudio Palma Pereira, João Paulo Miranda Resumo Este artigo apresenta resultados experimentais de desempenho de uma rede de comunicação sem fio formada pela integração de rede com base no padrão LTE (Long Term Evolution), incluindo seu segmento de acesso e rede-núcleo, com sistema satélite geoestacionário, em que este último provê o segmento backhaul. As avaliações e as medições foram realizadas em duas etapas: a primeira utilizando um ambiente desenvolvido em laboratório, especificamente para simular os efeitos do atraso característico do enlace de satélite no protocolo LTE, bem como os impactos no desempenho da transmissão de dados e nos serviços de tempo real; a segunda, em ambiente real de operação, disponibilizado pela operadora do sistema satelital geoestacionário. Em ambas as etapas, foi utilizada uma rede LTE, incorporando dispositivos reais e protótipos desenvolvidos no CPqD, especificamente para operação na faixa de 450 MHz, cujo cenário prioritário de aplicação são as áreas rurais e de baixa densidade demográfica. Os resultados apresentados mostraram a viabilidade da utilização do sistema satélite como backhaul para o LTE, comprovando o potencial dessa integração e sua utilização nesse cenário prioritário. Palavras-chave: LTE. Satélite. Tráfego. MOS. Latência. Abstract This paper presents a comparison of simulation and experimental results of the performance of a wireless communication network integrating an LTE (Long Term Evolution) network, including its radio access and core network, with a geostationary satellite system, where the satellite link provides backhaul connectivity to the LTE system. The study is carried out taking into account two distinct environments. The first one is carefully assembled in the laboratory so as to reflect the typical effects of satellite link delay on the LTE protocol and its consequent impact on data transmission and real-time services. The second environment features a real-world satellite link, made available to CPqD by a geostationary satellite network operator. The LTE network used in both environments consists of practical devices and prototypes developed by CPqD for operation in the 450 MHz band, and targeting application in sparsely populated areas. Presented results show that satellite-based backhauling is a technically feasible option for LTE networks, thus leveraging the deployment of such networks in rural and sparsely populated remote areas. Key words: LTE. Satellite. Traffic. MOS. Latency. * Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: rtakaki@cpqd.com.br. 1 Introdução Enlaces de satélite para acesso a serviços de voz, vídeo e Internet vêm sendo amplamente utilizados ao longo dos últimos anos, especialmente em configurações ponto a ponto, provendo acesso aos serviços em regiões remotas de baixa densidade populacional. No entanto, até recentemente, a implementação das infraestruturas de satélites para esses cenários era considerada um desafio, por conta da pouca atratividade resultante dos retornos dos investimentos. Esse baixo retorno era causado pela reduzida demanda de tráfego de usuários locais por área de cobertura, que não atendia à quantidade mínima estipulada pelas operadoras para custear a implantação e a operação de toda a infraestrutura necessária. Apesar da utilização de equipamentos de satélite de baixo custo, tais como as estações VSATs (Very Small Aperture Terminal) (ITU-R, 1992), a distribuição de uma grande quantidade dessas estações em áreas remotas, tipicamente rurais, nas quais se encontram os possíveis Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

2 usuários, não resolve totalmente as questões comerciais, dificultando a expansão e a disponibilização de serviços às populações dessas áreas. Assim sendo, a utilização do sistema satélite como provedor de backhaul para sistemas de acesso sem fio torna-se uma solução bastante interessante e capaz de impulsionar o emprego desses sistemas em áreas carentes de infraestrutura. Nessa concepção, a interligação entre o núcleo da rede e as redes periféricas, ou de última milha, constitui uma forma de viabilizar a disponibilização de serviços para as áreas remotas, uma vez que a infraestrutura satelital utilizaria apenas um único link para acesso a essas regiões, cabendo a outras tecnologias de acesso sem fio a distribuição dos serviços para os diversos pontos de assinantes da região remota. Após a padronização da banda 31 (faixa de 450 MHz) para o LTE no 3GPP (CPqD et al., 2013), uma das possibilidades mais viáveis passou a ser a integração da rede LTE com a rede satélite. Além dos aspectos econômicos positivos decorrentes da padronização, outros fatores importantes são a adequação da faixa de 450 MHz para obtenção de coberturas mais extensas, adequadas ao cenário de aplicação rural, e a disponibilização da aquisição do direito de uso dessa faixa através de leilões coordenados pela Anatel (2010). O modelo de referência para a solução de rede que integra os segmentos LTE e satélite encontra-se representado na Figura 1, em que a rede de serviços é centralizada e conectada à estação concentradora (HUB) da rede satélite e a rede de acesso rádio LTE é conectada a uma estação VSAT localizada em um ponto estratégico da área remota. A rede-núcleo do sistema LTE, por sua vez, pode ser inserida tanto do lado da estação VSAT quanto da estação HUB, conforme indicado na Figura 1. Figura 1 Integração satélite LTE Nos testes realizados junto à operadora do sistema satélite, cujos resultados são apresentados na Seção 4 deste artigo, foram considerados dois cenários de integração da EPC (Evolved Packet Core) (3GPP, 2013). Em um deles, a EPC encontra-se inserida na mesma sub-rede da estação remota VSAT, juntamente com a estação radiobase (Evolved Node B enodeb) (3GPP, 2012) e, em outro, na sub-rede da estação HUB. Para essas configurações, são apresentados resultados de testes de latência e vazão de dados, através da conexão de Internet em ambiente de laboratório, e latência, vazão e jitter, através da realização de chamadas de voz sobre Internet Protocol (Voice Over IP VoIP), realizadas pelos usuários, utilizando a infraestrutura que integra os segmentos satélite e LTE. Este artigo encontra-se estruturado da seguinte forma: a Seção 2 contém uma breve descrição da estação satélite VSAT, informações sobre o LTE, considerações sobre a métrica utilizada nos testes de avaliação de transmissão de voz e descrições das ferramentas PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) (ITU-T, 2003; 2007) e IxChariot (IXIA, 2013). A Seção 3 apresenta informações sobre os ambientes de teste utilizados. A Seção 4, por sua vez, analisa os resultados dos testes de voz obtidos, e, finalmente, a Seção 5 apresenta conclusões e propõe possibilidades de trabalhos futuros associados ao tema. 2 Aspectos técnicos dos componentes utilizados Nesta seção são apresentados aspectos relevantes dos elementos utilizados nos setups desenvolvidos para a construção dos cenários de testes de interesse. 2.1 Estação VSAT Estações VSAT são dispositivos formados por antenas com diâmetros limitados, geralmente a 2,4 m, podendo excepcionalmente chegar a 5 m, dependendo da circunstância em que operam, e os serviços de satélite fixos, implementados em redes fechadas e aplicações dedicadas, regulamentadas através da recomendação ITU-R S.725 (1992). As estações VSAT são usualmente parte de uma topologia de rede em estrela, que incorpora uma estação central chamada de HUB, responsável pelo controle e pela monitoração das várias estações remotas, denominadas estações VSAT. Entretanto, algumas redes podem operar estabelecendo enlaces ponto a ponto ou na configuração mesh, sem que haja uma estação central HUB. 2.2 A arquitetura LTE O LTE é uma tecnologia sem fio que vem sendo padronizada pelo 3GPP (2010) para fornecer serviços baseados em protocolo IP, no intuito de 28 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

3 substituir, de forma gradual, as atuais tecnologias sem fio, utilizadas em redes baseadas em circuitos comutados, tais como 2G e 3G. Essa tecnologia utiliza recursos que possibilitam a implementação e configuração de parâmetros de qualidade de serviço (Quality of Service QoS) e a definição de fluxos de serviços prioritários para voz e vídeo em tempo real, garantindo, dessa forma, a banda necessária para que esses serviços funcionem adequadamente, mesmo que eventualmente em detrimento da banda utilizada por outros serviços que não necessitam de prioridade para sua utilização, tal como o acesso à Internet. A arquitetura LTE é composta basicamente pelo terminal UE do usuário (User Equipment UE) (3GPP, 2014), pela enodeb e pela EPC. Na arquitetura LTE, a EPC é a entidade responsável pela criação dos fluxos de serviço, bearer padrão ou dedicado, através dos quais fluem respectivamente o tráfego de serviços best-effort, tal como o acesso à Internet, e o tráfego prioritário, em tempo real, tal como voz e vídeo. Tanto os fluxos de serviço (bearers) padrão quanto os dedicados são criados levando em conta parâmetros de QoS classificados de acordo com o tipo de tráfego. Geralmente os bearers padrão são criados utilizando tráfegos de taxa de bit não garantida (non-granted Bit Rate non-gbr), com classe indicadora de QoS (QoS Class Indicator QCI) nos valores de 5 a 9. Já os bearers dedicados são criados utilizando-se os mesmos parâmetros dos bearers padrão e mais os valores de parâmetros utilizados para garantia QCI Tipo de recurso Nível de prioridade de serviços de taxa de bit garantida (Granted Bit Rate GBR) que englobam valores de QCI de 1 a 4. A Figura 2 e a Tabela 1 mostram uma arquitetura típica do LTE e os parâmetros de QoS, respectivamente. Figura 2 Arquitetura LTE 2.3 Mean Opinion Score (MOS) Tabela 1 Características padronizadas de QCI PDB (ms) PELR O MOS é um método subjetivo de medida de qualidade de voz, definido pela recomendação P.800 do ITU-T (1996). A qualidade de voz transmitida por um dispositivo e recebida por outro é avaliada de acordo com um algoritmo que a pontua, segundo uma escala de 1 até 5, na qual o valor 1 corresponde a uma qualidade ruim e o valor 5 corresponde a uma qualidade excelente. A ferramenta IxChariot, utilizada nos testes de desempenho do serviço VoIP, emprega o algoritmo E-Model, definido pela recomendação G.107 do ITU-T (2012), cujo objetivo é estimar a qualidade MOS para cada par de pontos de terminação da conexão. Na Tabela 2 são apresentados os valores referentes ao MOS resultante da aplicação desse algoritmo e utilizados como referência. Serviços Voz conversacional Vídeo conversacional (live streaming) GBR Jogos em tempo real Vídeo não conversacional (buffered streaming) Sinalização IMS Vídeo (buffered streaming) Serviços baseados em TCP 7 non-gbr Voz, vídeo (live streaming) Jogos interativos Vídeo (buffered streaming) Serviços baseados em TCP Tabela 2 Pontuação MOS Limite inferior Satisfação do usuário 4,34 Muito satisfeito 4,03 Satisfeito 3,60 Alguns usuários insatisfeitos 3,10 Muitos usuários insatisfeitos 2,58 Quase todos os usuários insatisfeitos Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

4 2.4 Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ ) PESQ é um software padronizado pelo ITU-T (2007), por meio da recomendação P.862, para medidas de qualidade de voz. Essa ferramenta é utilizada durante a instalação, o comissionamento e a eventual solução de problemas em redes que utilizam dispositivos de telefonia. A ferramenta PESQ é usualmente instalada em equipamentos de teste, mas também pode ser integrada em roteadores, centrais telefônicas, voice quality enhancer e outros dispositivos de rede. A medida que utiliza a ferramenta PESQ é considerada intrusiva, pois compara a qualidade de um sinal transmitido através do sistema com uma referência obtida do sinal original. Dentre as características da ferramenta destacam-se: a) possibilidade de medidas de qualidade de audição em aplicações intrusivas; b) qualidade de predição acurada em uma grande variedade de aplicações; c) implementação de Teste de Conversação Artificial Estimulada (Artificial Speech Test Stimulus ASTS). Sinal de teste designado especificamente para ser usado com o PESQ, de duração muito menor do que a da fala original. O PESQ faz medições de qualidade de fala ou voz, ponto a ponto e em um único sentido. É adequado para ser usado em testes de intrusão. Um sinal é transmitido através do sistema a ser testado e a saída degradada é comparada com o sinal de referência da entrada. A Figura 3 ilustra simplificadamente o emprego do algoritmo PESQ, no qual é gerada uma pontuação PESQ na faixa de 1 até 4,5 e utilizada uma função para converter esses valores para a escala P.800 MOS. sistemas e redes quando submetidos às condições reais de tráfego. O IxChariot consiste em: a) um servidor ou console, onde os testes de desempenhos são configurados e, posteriormente, é realizada a coleta dos dados e a geração de relatórios de desempenho; b) no mínimo dois pontos de terminação de desempenho, ou Performance Endpoints, instalados em dispositivos presentes no cenário de teste. Os endpoints são responsáveis pelo início do tráfego, pelo recebimento do tráfego e pelo envio de dados para o console IxChariot. Sendo assim, existem três elementos essenciais requeridos por um ambiente de testes que utilize o IxChariot: a) ferramenta responsável pelo monitoramento dos endpoints e pela geração dos resultados das medidas; b) dispositivo com o ponto de terminação 1 que se comunica diretamente com o console IxChariot e também com o ponto de terminação 2, localizado em outro dispositivo; c) ponto de terminação 2 que se comunica apenas com o dispositivo com o endpoint 1. O ponto de terminação 1, após receber os scripts de teste e os dados provenientes do console IxChariot, coordena as ações do teste com o ponto de terminação 2, executa as instruções de teste e retorna todos os resultados dos testes para o console IxChariot. O ponto de terminação 2 recebe os scripts de teste e os dados do endpoint 1 e retorna para este dispositivo os resultados dos testes realizados. A Figura 4 mostra um ambiente de teste básico que utiliza os componentes da ferramenta IxChariot e contém o console IxChariot e os endpoints 1 e 2, necessários para a realização dos testes de desempenho. 2.5 IxChariot Figura 3 Algoritmo PESQ IxChariot é uma ferramenta de avaliação de rede para a solução de problemas e pré-avaliação de redes e aplicações. Essa ferramenta simula aplicações do mundo real, visando predizer o desempenho de dispositivos, Figura 4 Teste básico utilizando a ferramenta IxChariot 30 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

5 3 Descrição do ambiente de testes Os testes de desempenho que utilizam a rede integrada LTE-satelital foram realizados em dois ambientes: a) ambiente simulado, em que a presença da rede satelital foi simulada através de um computador que implementava os atrasos característicos de um enlace satélite existente no cenário real; b) ambiente real, em que o enlace satelital utilizado e o ambiente real de operação foram providos por uma operadora de sistema satélite. 3.1 Cenário simulado Neste ambiente, foi utilizado um computador no qual foi implementado o aplicativo Linux simulador de atraso, de modo a obter, de forma controlada, o atraso característico encontrado em um enlace satelital real. O simulador foi configurado para inserir no canal de downlink e de uplink um atraso de 300 ms, obtendo-se um RTT (Round Trip Time) de 600 ms para o tráfego entre as estações VSAT e HUB. As configurações das conexões foram feitas levando-se em conta a localização da EPC na arquitetura LTE-satelital ilustrada na Figura 5. Nesta figura, o ambiente de teste foi formado pela sub-rede constituída pelos componentes fixos: PC1, terminal UE e a enodeb. A EPC poderia estar localizada nesta sub-rede, para o caso do setup de teste mostrado na Figura 5(a), ou alternativamente na sub-rede formada pelo acesso à Internet pública, PC2 e ferramenta console IxChariot, conforme mostrado na Figura 5(b). A Tabela 3 resume os cenários de teste utilizados no ambiente simulado. Tabela 3 Descrição dos cenários de teste no ambiente simulado Cenário Descrição Figura Teste 1 Teste 2 EPC do lado da enodeb e terminal UE. EPC do lado do IxChariot e PC2. 5(a) 5(b) (a) Cenário de teste 1 Simulação da EPC do lado da enodeb e terminal UE (b) Cenário de teste 2 Simulação da EPC do lado do IxChariot e PC2 Figura 5 Cenários de teste utilizados no ambiente LTE-satelital simulado (laboratório) Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

6 3.1.1 Configuração do LTE A enodeb foi configurada para operar na frequência de 450 MHz, modulação de 64 QAM no downlink e 16 QAM no uplink, com potência máxima de 30 dbm, vazão de 8 Mbps de downlink e 1 Mbps de uplink. A EPC foi configurada com dois bearers, sendo um dedicado, com QCI = 1 e filtro UDP (User Datagram Protocol) para o tráfego de voz, e outro padrão, com QCI = 7, para o tráfego de dados não prioritário concorrente. Para a realização das chamadas VoIP através da ferramenta IxChariot, foram utilizados dois PCs como endpoints, de onde as chamadas de voz foram originadas e recebidas. O endpoint 1 foi executado no PC1, conectado por sua vez ao terminal UE. O endpoint 2 foi executado no PC2, conectado à mesma rede da EPC e do IxChariot. A chamada VoIP de conversação foi realizada utilizando um softphone instalado no PC1 e um terminal adaptador de terminal analógico (Analog Terminal Adapter ATA) conectado à mesma rede da EPC Testes de desempenho Os testes de desempenho no ambiente simulado consistiram na realização de chamadas de voz entre o PC1 e o PC2, que continham os endpoints e utilizavam o IxChariot. Também foram realizadas chamadas de voz entre o softphone instalado no PC1 e o ATA conectado à rede da EPC. Para ambos os testes de voz, foram gerados tráfegos concorrentes TCP entre o PC1 e o PC2, encaminhados através de bearer padrão. A Tabela 4 relaciona os principais testes realizados para avaliação de desempenho. Para as medições de latência e taxa, foram utilizadas as ferramentas speedtest (OOKLA, 2014), ping e iperf (versão 2014). O teste que utilizava a ferramenta speedtest consistiu na verificação da latência através do envio de pacotes ICMP (Internet Control Message Protocol) do terminal PC1 para um servidor localizado na rede pública Internet. Tabela 4 Testes realizados e respectivas ferramentas utilizadas Testes Latência e taxa Latência Latência e tráfego concorrente VoIP VoIP Ferramenta utilizada speedtest ping iperf IxChariot wireshark, pesq O servidor, previamente escolhido pela ferramenta de teste, encontrava-se após o simulador de atraso, de modo que, a partir do retorno dos pacotes ao terminal, era possível obter o valor da latência entre o servidor e o dispositivo. Desta forma, quanto maior a distância e/ou o congestionamento na rede, entre os dispositivos testados, maior a latência entre eles. Outra medida importante efetuada pelo speedtest constituiu na medição da vazão de pacotes UDP no sentido de downlink do servidor para o terminal e de uplink do terminal para o servidor. A ferramenta ping, diferentemente da ferramenta speedtest, realizou a medição de latência entre o PC1 e o PC2, este último localizado após o simulador de atraso. A ferramenta iperf foi utilizada para trafegar pacotes de dados UDP com uma taxa fixa no sentido download entre o PC2 e o PC1 e no sentido upload entre o PC1 e o PC2. A ferramenta gerava um tráfego concorrente ao tráfego de voz e fornecia também a latência da rede avaliada durante a presença do tráfego gerado. O teste VoIP foi realizado em duas etapas: a primeira consistiu na obtenção do MOS através da ferramenta IxChariot, gerando-se um tráfego RTP codificado e utilizando o codec G.711 entre o PC1 e o PC2, contendo os pontos de terminação monitorados pelo console IxChariot. Os testes foram realizados nos dois sentidos (download e upload). A segunda etapa consistiu em realizar uma chamada de voz entre o PC1 e o PC2 utilizando o aplicativo PortGo (PORTSIP SOLUTIONS, 2014) e salvar os pacotes RTP gerados durante a ligação, através da ferramenta wireshark (WIRESHARK FOUNDATION, 2014), para a extração e o processamento dos dados, de modo a obter as métricas de qualidade da voz através do aplicativo PESQ. 3.2 Ambiente real Neste ambiente foram utilizados os dispositivos operacionais: estação VSAT, satélite e estação HUB, disponibilizados em condições operacionais por uma operadora de sistema satélite. As configurações das conexões foram feitas levando-se em conta a localização da EPC na arquitetura LTE-satelital conforme Figura 6. O ambiente de teste foi formado pela sub-rede constituída pelos componentes fixos: PC1, terminal UE e enodeb, além da estação VSAT responsável pela conexão dos componentes da rede LTE com o satélite geoestacionário. Neste 32 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

7 cenário a EPC poderia estar localizada nesta sub-rede, para o caso do setup de teste mostrado na Figura 6(a), ou na sub-rede formada pelo acesso à Internet pública, PC2, ferramenta IxChariot e estação HUB, conforme Figura 6(b). A Tabela 5 resume os cenários de teste utilizados no ambiente real. Tabela 5 Descrição dos cenários de teste no ambiente real Cenário Descrição Figura Teste 3 EPC do lado da estação VSAT 6(a) Teste 4 EPC do lado da estação HUB 6(b) Configuração do LTE e descrição dos testes de desempenho Assim como no cenário simulado, a enodeb foi configurada para operar na frequência de 450 MHz, modulação de 64 QAM no downlink e 16 QAM no uplink, potência máxima de 30 dbm, vazão de 8 Mbps no downlink e 1 Mbps no uplink. A EPC foi configurada com dois bearers, sendo um dedicado, com QCI = 1 e filtro UDP para o tráfego de voz, e outro padrão, com QCI = 7 para o tráfego concorrente de dados. No caso do enlace satélite, neste cenário, foi disponibilizado o recurso de aceleração TCP, utilizando as portas para o protocolo RTP e a porta 80 para o protocolo TCP. Além disso, foi aplicada a priorização do protocolo SIP na porta 5060, configurada na plataforma satélite. Para a realização das chamadas VoIP através da ferramenta IxChariot, foram utilizados dois PCs como endpoints, de onde as chamadas de voz foram originadas e recebidas. O endpoint 1 foi executado no PC1, conectado por sua vez ao terminal UE e o endpoint 2 foi executado no PC2, por sua vez, conectado à mesma rede da EPC e do IxChariot. A chamada VoIP de conversação foi realizada utilizando-se um softphone instalado no PC1 e um terminal ATA conectado à rede onde se encontrava a EPC. As medições de latência, taxa de tráfego concorrente e VoIP foram todas realizadas utilizando-se o mesmo procedimento descrito no cenário de teste simulado. (a) Cenário de teste 3 Validação com a EPC do lado da estação VSAT (b) Cenário de teste 4 Validação com a EPC do lado da estação HUB Figura 6 Cenários de teste utilizados no ambiente LTE-satelital real Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

8 4 Análise e discussão dos resultados Através da realização de testes, de acordo com os cenários e os ambientes de simulação e real, descritos na seção anterior, obtiveram-se os resultados para medições das variáveis de latência, vazão e MOS. As subseções a seguir apresentam os resultados obtidos. 4.1 Latência (Round Trip Time RTT) Os resultados dos testes de latência entre o PC1 e o PC2 são mostrados na Figura 7 e na Figura 8. Esses resultados (médias) foram obtidos através das ferramentas ping e speedtest, respectivamente. A ferramenta ping foi utilizada no PC1 e no PC2, de modo que, ao ser executada no PC1, gerou um tráfego em protocolo ICMP, denominado como sendo de downlink no retorno para o PC1, e, quando executada no PC2, gerou um tráfego ICMP denominado de uplink para o PC1. (a) Valores de latência de downlink (b) Valores de latência de uplink Figura 7 Latência de downlink e uplink obtida através da ferramenta ping Figura 8 Latência obtida através da ferramenta speedtest Comparando-se os gráficos da Figura 7(a) e da Figura 7(b), verificou-se que não houve alterações de latência no ambiente simulado, conforme configuração realizada, sendo indiferente, neste caso, se a EPC se encontra do lado da VSAT ou do lado da estação HUB e se o sentido do tráfego é downlink ou uplink. O mesmo acontece no caso dos valores obtidos do lado da VSAT no ambiente real, onde é verificado um acréscimo de 108 ms em relação ao ambiente simulado. Por outro lado, no caso da EPC do lado da estação HUB, observa-se uma diminuição da latência no uplink de aproximadamente 5,3% em relação ao valor obtido no downlink. A comparação entre os valores obtidos nos cenários simulado e real resulta em acréscimos de 169 ms e 127 ms, no downlink e no uplink, respectivamente. Finalmente, ao se comparar os resultados obtidos com as diferentes ferramentas (ping e speedtest), constatou-se que os valores de latência no downlink, no ambiente real, obtidos com as duas ferramentas e apresentados na Figura 7(a) e na Figura 8, apresentam uma maior diferença, de aproximadamente 11,4%, quando a EPC estava localizada do lado da estação HUB. É feita a comparação com o caso em que a EPC encontrava-se localizada do lado da VSAT, quando a diferença ficou reduzida a 0,07%. Vale ressaltar que a avaliação da latência através do speedtest, para a EPC localizada no lado da VSAT, foi realizada sem a utilização das otimizações no enlace satélite. Por outro lado, como essa otimização foi realizada como parte do processo de medições da latência para a EPC localizada junto à estação HUB, a diferença entre os valores medidos com as diferentes ferramentas nessa configuração pode ser justificada. Por fim, vale também enfatizar que, nas condições nas quais as avaliações no ambiente real foram realizadas, a comparação desse cenário com o simulado evidencia, em qualquer situação, o aumento da latência em cerca de 34 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

9 15% quando a EPC se encontra do lado da VSAT e de 7 a 17% quando a EPC se encontra do lado da HUB. Independentemente das otimizações no sistema satélite, esses acréscimos se devem a diversos fatores, sobre os quais não é possível ter controle no cenário real de integração, tais como: as condições climáticas que afetam o enlace satélite e a dinâmica do compartilhamento da banda entre estações VSAT da rede satelital. Esses fatores não estão presentes no ambiente controlado do laboratório, quando da utilização do simulador de atraso. A Tabela 6 resume os principais resultados no cenário real de integração com o sistema satélite. Tabela 6 Resultados do cenário real de integração com o sistema satélite (a) Valores de vazão de downlink Configuração EPC no lado VSAT EPC no lado HUB Otimização do sistema satélite Latência -RTT (ms) Não 700 Sim 700 Não 750 Sim 650 (b) Valores de vazão de uplink Figura 10 Vazão obtida através da ferramenta iperf 4.2 Vazão Os resultados (médias) dos testes de vazão entre o PC1 e o PC2 são mostrados na Figura 9 na e Figura 10. Esses resultados foram obtidos através das ferramentas iperf e speedtest, respectivamente. O iperf foi utilizado para trafegar pacotes de dados UDP com uma taxa fixa no sentido download, isto é, com tráfego gerado do PC2 para o PC1 e, no sentido upload, do PC1 para o PC2. A ferramenta speedtest foi utilizada através de um Web browser, acessando ao servidor onde a página dessa ferramenta se encontrava. A conexão com a Internet foi estabelecida do lado da operadora, ou seja, através da estação HUB. Para a execução do teste foram configurados valores máximos de vazão para o enlace satélite: 8 Mbps no downlink e 1 Mbps no uplink. Figura 9 Vazão obtida através da ferramenta speedtest (downlink) Os resultados de vazão através das ferramentas speedtest e iperf para o downlink (download) são mostrados na Figura 9 e na Figura 10(a), respectivamente. Foi verificada uma queda na vazão do tráfego UDP no ambiente real (Figura 9) em comparação com o ambiente simulado. Essa queda foi da ordem de 38% para o caso em que a EPC se encontrava do lado da VSAT e de 68,5% para a EPC do lado da estação HUB. Para o caso em que a EPC se encontrava do lado da VSAT e com a utilização do iperf, foi verificada uma queda no valor da vazão de downlink da ordem de 46,9% e para o uplink (upload) da ordem de 32%. Já para a configuração em que a EPC se encontrava do lado da estação HUB, observou-se uma queda na vazão de 49,2% para downlink e 51% para uplink. Tanto para a vazão obtida no downlink quanto no uplink, verificou-se uma queda mais acentuada no cenário no qual a EPC estava localizada do lado da estação HUB. Isso pode ser explicado pelo fato de o ambiente real incorporar influências de variáveis não controladas, tais como condições climáticas e compartilhamento da rede satelital, durante a realização das medidas, por outras estações VSAT. Essas variáveis não se encontram presentes no ambiente controlado do laboratório, quando da utilização do simulador de atraso. Da mesma forma, o Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

10 compartilhamento pode explicar a variação dos resultados verificados e obtidos com a utilização das duas ferramentas. A Tabela 7 mostra a perda de eficiência para a vazão verificada no cenário real de integração com o sistema satélite, com limitação de banda no upload e no download. Tabela 7 Perda de eficiência para a vazão no cenário real Configuração Eficiência (download) Eficiência (upload) EPC no lado VSAT 58% 67% EPC no lado HUB 41% 49% 4.3 Pontuação MOS A Figura 11 e a Figura 12 mostram os resultados (médias) de pontuação MOS obtidos, respectivamente, através das ferramentas IxChariot e PESQ. A obtenção de MOS através da ferramenta IxChariot (Figura 11) resultou em pontuações MOS equivalentes às classificações Alguns usuários insatisfeitos e Muitos usuários insatisfeitos (ver Tabela 2) para o teste em ambiente simulado, e pontuações MOS equivalentes às classificações Muitos usuários insatisfeitos e Quase todos os usuários insatisfeitos no ambiente real. Figura 11 MOS obtido através da ferramenta IxChariot Os resultados do ambiente simulado foram obtidos para a EPC localizada tanto no lado da estação VSAT quanto no lado da estação HUB, tendo sido verificada uma diferença de apenas 0,6% entre esses dois casos. Os resultados obtidos no ambiente real através da mesma ferramenta mostram um acréscimo de 53,8% da pontuação MOS medida para a EPC localizada no lado da VSAT em relação à pontuação MOS para a EPC localizada no lado da estação HUB. Ambas as pontuações correspondem à classificação Quase todos os usuários insatisfeitos. No ambiente real, as variações dos valores de MOS obtidos pela ferramenta IxChariot e pelo algoritmo PESQ (Figura 12), quando a EPC estava localizada do lado da estação VSAT e quando se encontrava do lado da estação HUB, são, respectivamente, 37,6% e 53,6%, com os menores valores obtidos com a ferramenta IxChariot. As análises dos resultados nas diversas situações indicam a maior confiabilidade do algoritmo PESQ para a avaliação em ambiente real. Vale ressaltar que todos os arquivos de áudio avaliados, independentemente do atraso considerado em ambiente simulado, entre 0 e 300 ms, apresentaram excelente qualidade do áudio, e que no ambiente real observou-se também um excelente resultado de MOS avaliado por esse algoritmo no caso em que a EPC encontrava-se localizada no lado da estação VSAT. Esse resultado é condizente com a excelente qualidade da gravação de áudio experimentada. No cenário em que a EPC estava localizada no lado da estação HUB foi registrada, por conta da presença de sinalização de controle e de dados trafegando no enlace satélite, uma ocorrência significativa de jitter e atraso no tráfego de voz, o que pode explicar a queda dos valores de MOS medidos nessa configuração. O confronto dos resultados de MOS obtidos nas medições utilizando a ferramenta IxChariot com a qualidade de áudio percebida e com as avaliações realizadas a partir da gravação das chamadas realizadas, utilizando o algoritmo PESQ, indicou que a versão utilizada da primeira ferramenta não estava adequadamente preparada para medições de qualidade de voz em sistemas onde o atraso é o fator preponderante na degradação de serviços em tempo real. 5 Conclusão Figura 12 MOS obtido no cenário real com a ferramenta IxChariot e algoritmo PESQ Este trabalho apresentou o resultado de medições de desempenho de uma rede de comunicação sem fio LTE que integra, como segmento de acesso à EPC ou à rede 36 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

11 provedora de serviços da operadora, um sistema satélite geoestacionário que provê o backhaul. As medições foram realizadas em duas etapas, a primeira simulando o atraso provocado pelo sistema satélite em laboratório e a segunda em ambiente satelital real, nas reais condições de operação. Em ambas as etapas, foram utilizados componentes da rede de acesso rádio LTE (RAN), isto é, protótipos de estação radiobase e terminais conectados ao ambiente de laboratório. Embora os resultados apresentados mostrem a real possibilidade de utilização do sistema LTE integrado com backhaul satélite, eles também indicam a importância das otimizações no segmento satelital para que essa integração seja realizada da forma mais eficiente, explorando todas as potencialidades do segmento de acesso provido pelo sistema LTE, constituído pela RAN e pela EPC. Essas otimizações devem abranger aspectos relacionados tanto com a configuração de parâmetros do sistema LTE como com os mecanismos de aceleração utilizados nas redes satélites e a capacidade disponibilizada para o enlace reservado para o backhaul. Os resultados apresentados indicam ser possível, através dessas otimizações e reservas de banda, alcançar latências no sentido download ou upload inferiores a 350 ms e eficiências superiores a 50% e 60%, para a configuração em que a EPC encontra-se junto à estação HUB ou junto à estação VSAT e é disponibilizado um enlace dedicado. Os resultados indicaram também a necessidade de utilização de forma crítica das ferramentas disponíveis para a avaliação do desempenho da qualidade de chamadas de voz sujeitas a atrasos excessivos, como aqueles tipicamente encontrados nos sistemas satélite geoestacionários. Porém, mesmo com essas limitações, conforme relatado, foi possível constatar a viabilidade e a boa qualidade do serviço de voz para as possibilidades avaliadas de integração da rede LTE com o segmento satélite. Referências 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). TS : Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access 9E-UTRA) and Evolved Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (release 8), v8.12.0, março TS : Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 8), v8.13.0, julho TS : Technical Specification Group Services and System Aspects; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN) access (Release 8), v8.18.0, março TS : Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 8), v8.24.0, Junho AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução n o 558: Aprova o Regulamento sobre Canalização e Condições de Uso de Radiofrequências na Faixa de 450 MHz a 470 MHz. Brasília, Disponível em: < 24-resolucao-558>. Acesso em: 06 maio CENTRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM TELECOMUNICAÇÕES (CPqD) et al. TP on frequency band arrangement, 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #67, R Fukuoka, Japan, May, IPERF. Disponível em: < Acesso em: 27 ago ITU RADIOCOMMUNICATION SECTOR (ITU- R) S.725: Technical characteristics for very small aperture terminals (VSATs) Disponível em: < S I/en>. Acesso em: 05 set INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). P.800 Methods for subjective determination of transmission quality Disponível em: < Acesso em: 11 maio G.107: The E-model: a computational model for use in transmission planning Disponível em: < RECG I/en>. Acesso em: 09 set P.862.1: Mapping Functions for Transforming P.862 raw results scores to MOS- LQO P.862: Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-toend speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs, Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

12 IXIA IxChariot User Guide Release Rev. A. Disponível em: < Acesso em: 09 set OOKLA. Speedtest. Disponível em: < Acesso em: 27 ago PORTSIP SOLUTIONS. PortGo. Disponível em: <Erro! A referência de hiperlink não é válida. Acesso em: 27 ago WIRESHARK FOUNDATION. Wireshark. Disponível em: < Acesso em: 27 ago Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014