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P. M. Ruiz Martínez y A. López Toledo

Resumen

En el marco del proyecto MIND se están desarrollando experimentos que pretenden demostrar la viabilidadde la implantación de redes celulares futuras en un entorno completamente IP. Uno de los conceptos claveque se pretenden demostrar es cómo la adaptación automática de aplicaciones a las condiciones de la red,junto a su integración con mecanismos de QoS y algoritmos de micromovilidad mejora el rendimiento en loshandovers a la vez que permite que el usuario siga apreciando una buena calidad incluso en aplicaciones deaudio y videoconferencia.
Palabras clave: IPv6, micromovilidad, aplicaciones adaptativas, QoS

Summary

In the framework of the MIND project, several experiments trying to show the viability of deploying futurecellular networks in an all-IP environment are being performed. One of the key concepts we plan to show isthat the auto-adaptation of the applications to the network conditions and its coupling with micro mobilityprotocols and QoS mechanisms may improve the handover's performance and allow the user to perceive agood quality even when using audio and videoconference tools.
Keywords: IPv6, micro mobility, adaptive applications, QoS

1.- Introducción

El proyecto MIND (Mobile IP-based Network Developments está financiado por el programa IST de la Unión Europea. El consorcio está formado por los principales operadores, centros de investigación y fabricantes en Europa¹ para investigar la extensión de redes de acceso radio basadas en IP para incluir elementos ad-hoc e inalámbricos tanto dentro como conectados la redes fijas. El proyecto MIND es sucesor de un proyecto anterior llamado BRAIN (Broadband Radio Access over IP Networks). BRAIN desarrolló un marco de trabajo para la implantación de tecnologías de acceso de gran ancho de banda usando como ejemplo HIPERLAN/2 que podría ser complementaria a las tecnologías celulares de 3G. Los elementos principales del marco de trabajo desarrollado en el proyecto BRAIN fueron:

• Una arquitectura de terminal y un framework de QoS para adaptar los servicios multimedia a enlaces inalámbricos y diferentes tecnologías de acceso.
• Una red de acceso radio basada en IP, con QoS y gestión de la movilidad a nivel IP.
• Una interfaz de aire mejorada para HIPERLAN/2 con una capa de convergencia para adaptar esta tecnología a una interfaz IP to Wireless.

Un aspecto clave del proyecto MIND es la extensión de las tradicionales redes celulares que son estáticas durante largos periodos de tiempo, planificadas y formadas por nodos seguros y

pertenecientes a los operadores de red. El proyecto MIND pretende extender estas arquitecturas de red tradicionales con nodos que pueden no pertenecer a los operadores y que además pueden estar continuamente en movimiento. Se examinará porqué dicha extensión puede ser útil, se estudiarán los nuevos servicios y modelos de negocio que puedan derivarse de estos cambios y se estudiarán los impactos que estos nuevos servicios tienen sobre la infraestructura de red.

2.- Experimentos y demostradores

El objetivo final de los experimentos expuestos aquí es evaluar la viabilidad de la implantación de redes celulares futuras en un entorno completamente IP, y estudiar el soporte que ofrecen las redes fijas actuales. Es de esperar que los terminales sean de gran capacidad y que ejecuten aplicaciones multimedia mientras se mueven, por lo que las redes de acceso deben proporcionar al menos el protocolo IPv6 (para dar cabida a un número indeterminado de terminales), una movilidad eficiente, y por supuesto ciertas garantías de QoS.

Desde un punto de vista más técnico los demostradores de Ágora y la UPM pretenden evaluar y validar los conceptos de servicios definidos durante el proyecto BRAIN, tanto desde el punto de vista de la red como desde el punto de vista de las aplicaciones. En el aspecto de red el interés principal es experimentar con mecanismos de movilidad, tango global como regional, y aspectos relacionados con la QoS en este entorno. Desde el punto de vista de las aplicaciones se utilizará la plataforma ISABEL, desarrollada por Ágora Systems, para estudiar el problema de la implantación de una plataforma multimedia de este tipo en un entorno móvil, evaluando el impacto y las interacciones. Los demostradores locales por separado tienen como objetivo estudiar todos estos factores, adquirir experiencia y finalmente decidir los elementos adecuados para ser usados en el demostrador final.

2.1.- Arquitectura de red

Los objetivos a evaluar desde el punto de vista de la arquitectura de red son claramente los relacionados con movilidad y calidad de servicio, todas ellas con el protocolo IPv6. Como último objetivo se pretende establecer los mecanismos y servicios de red necesarios para que futuras aplicaciones con grandes requisitos de ancho de banda sean capaces de funcionar con normalidad.

Para ello se requiere una movilidad de alto rendimiento y soporte de calidad de servicio. Las áreas de estudio se detallan a continuación:

Redes móviles: el demostrador pretende incluir diversas tecnologías de red disponibles. Principalmente wirelessLAN y UMTS proporcionada por Ericsson. Otras como Bluetooth y GPRS están condicionadas a la disponibilidad de equipamiento y cobertura.

Movilidad global: Se pretenden realizar pruebas de macro-movilidad con el protocolo MobileIPv6 con diferentes implementaciones, evaluando cada una de ellas y seleccionando la más apropiada. Uno de los objetivos principales es ofrecer soporte de movilidad IPv6 de manera permanente entre la UPM y Ágora Systems, para que las pruebas impliquen la movilidad de los terminales entre dominios administrativamente distintos, atravesando redes públicas y privadas no pertenecientes al demostrador.

Movilidad regional: Para obtener un servicio de movilidad de alto rendimiento se evaluarán distintas implementaciones de protocolos de micro-movilidad existentes en la actualidad (Hierarchical MobileIPv6, Cellular IPv6 y BCMPv6 entre otros). Otras implementaciones se irán añadiendo a medida que se vayan haciendo disponibles. El objetivo es construir el demostrador para terminales móviles y evaluar el rendimiento de los distintos esquemas.

QoS: El demostrador contará con mecanismos de provisión de calidad de servicio. Dado el estado inmaduro de las soluciones actuales es probable que sólo tengamos acceso a soluciones basadas en DiffServ. En cualquier caso la evaluación de servicios de QoS en redes móviles es un punto importante en los objetivos del demostrador.

Cada una de las sedes contará con dos o más subredes de manera que puedan probar mecanismos de macro-movilidad entre sedes a la vez que mecanismos avanzados de micro-movilidad dentro de cada uno de los dominios cuando los terminales estén haciendo roaming.

En cuanto a las conexiones externas la principal será la interconexión entre Ágora y la UPM, y posteriormente se tendrá acceso a redes públicas IPv6, como el 6bone y la red de producción europea (gestionada por RIPE).

2.2.- Aplicaciones y servicios

Uno de los conceptos claves durante el desarrollo del proyecto BRAIN fue la definición de una arquitectura de terminal móvil denominada BRENTA (BRain ENd Terminal Architecture). Esta arquitectura define las diferentes capas y planos de control necesarios para realizar todas las funciones necesarias en un terminal móvil de 4G. Durante el proyecto MIND estamos redefiniendo dicha arquitectura para que siga siendo válida en redes autoorganizadas y con redes Ad Hoc. Los principales componentes de BRENTA son la definición de un gestión de la QoS en todos los niveles de la arquitectura, un protocolo de renegociación de la QoS extremo a extremo y una señalización hacia la aplicación que permite una adaptación automática a las condiciones de la red, especialmente en el caso de que se produzcan handovers entre diferentes routers de acceso a la red fija.

El objetivo principal en la parte de aplicaciones y servicios de nuestro testbed es demostrar como la funcionalidad propuesta por BRENTA mejora la calidad apreciada por los usuarios cuando se producen cambios en la conexión del terminal (por ejemplo un handoff entre WLAN y UMTS) debido a la adaptación automática que realizan las aplicaciones. Las pruebas se van a centrar en flujos en tiempo real y requiriendo bastante ancho de banda. En concreto, se van a implementar mecanismos de adaptación automática en la aplicación ISABEL. La idea básica consiste en que la aplicación reciba información sobre los cambios en las condiciones de la red y automáticamente, en función del ancho de banda disponible, realice los cambios oportunos tales como cambios de codificaciones, cambio en los tamaños de los vídeos, cambios en las frecuencias de muestreo, pasar alguno o todos los vídeos a B/N o incluso usar sólo audio. Por lo tanto, se están definiendo e implementando diferentes interfaces tanto hacia los protocolos de micromovilidad como hacia los agentes de QoS para que se garantice una buena calidad extremo a extremo. Un esquema de esta arquitectura se muestra en la figura 2.

Además se está estudiando la posibilidad de introducir perfiles de usuario residentes en la red de forma que la aplicación además de adaptarse automáticamente pueda hacerlo de acuerdo con las pre- ferencias expresadas por el usuario.

2.3.- Plan de pruebas

La plataforma se establecerá en tres fases, siguiendo una aproximación top-down:

1. Configuración de las redes internas y macro-movilidad. La primera fase consistirá en la interconexión IPv6 entre Ágora y la UPM. Se están estudiando diferentes mecanismos, desde la interconexión directa por RDSI de banda ancha o ATM, pasando por túneles convencionales por Internet. No se descarta que se apliquen simultáneamente varias de las alternativas. La primera fase incluye proporcionar servicio de roaming y movilidad entre las sedes mediante MobileIPv6 y la evaluación de las distintas implementaciones. Se utilizarán aplicaciones convencionales sin soporte de QoS y/o movilidad para comprobar el prototipo.
2. Incorporación de mecanismos de micromovilidad y pruebas de rendimiento. En la segunda fase se incorporan mecanismos de micromovilidad para mejorar el handoff y el rendimiento de las comunicaciones de los dispositivos móviles en roaming. Las pruebas se realizarán con los servicios proporcionados por la plataforma ISABEL, obteniéndose medidas de rendimiento para los distintos esquemas y comprobando su interoperatividad. En esta fase una versión beta de los mecanismos de adaptabilidad de la aplicación se introducirán para obtener mediadas estimativas de su bondad.
3. QoS y servicios avanzados. Esta última fase incluye la implantación de mecanismos de QoS tanto en las redes de acceso como en las comunicaciones extremo a extremo. Se realizarán pruebas de las mejoras obtenidas cuando las redes estén saturadas. Cuando la infraestructura esté completa se investigará la posibilidad de añadir nuevas tecnologías de red como UMTS/GPRS/Bluetooth y el uso de dispositivos personales móviles como iPAQ. En esta fase, la integración entre la adaptación de la aplicación y los mecanismos de micromovilidad será plena y se probará en un entorno real en el que se realicen handovers entre diferentes tecnologías de acceso radio.

3.- Conclusiones y vías futuras

En este documento se ha descrito un demostrador de servicios avanzados que se implantará entre Agora Systems S.A. y el Depto. de Ingeniería de Sistemas Telemáticos de la Universidad Politécnica de Madrid. El demostrador se centra principalmente en recrear una infraestructura avanzada de movilidad mediante la integración de distintos componentes. Las tecnologías a probar giran en torno a servicios avanzados de movilidad IPv6 para futuras redes inalámbricas basadas en este protocolo.

Las plataformas serán abiertas y darán soporte de movilidad global (roaming) y local, QoS e interoperación entre distintas tecnologías de red. Se hará especial hincapié en el papel que las aplicaciones tendrán en las redes futuras, mediante el estudio del rendimiento y el impacto que una red dinámica de gran ancho de banda tiene sobre aplicaciones multimedia y los mecanismos que éstas deben poner en marcha para adaptarse.

El demostrador pretende integrarse en un futuro con otros similares implantados en distintas partes de Europa por otros participantes en el proyecto MIND, añadiendo diversidad de tecnologías y protocolos, sirviendo como base para futuros experimentos y desarrollos de este tipo.

4.- Agradecimientos

Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Unión Europea bajo el proyecto MIND (IST-2000-28584)

5.- Referencias

[1] Proyecto BRAIN. http://www.ist-brain.org
[2] Proyecto MIND. http://www.ist-mind.org
[3] C. Keszei, N. Georganopoulos, Z. Turanyi, A. Valko. Evaluation of the BRAIN Candidate Mobility Management Protocol. IST Global Summit 2001. Barcelona, September 2001
[4] Cellular-IP: Campbell, A., Gómez, J., Kim, S., Valko, A., Chieh-Yih Wan, Turanyi, Z., "Design, Implementation, and Evaluation of Cellular IP". IEEE Personal Communications, Vol. 7, August 2000, pp. 42-49.
[5] Hawaii: Ramjee, R., La Porta, T., Thuel, S., Varadhan, K., Wang, S.Y.,"HAWAII: a Domain-Based Approach for Supporting Mobility in Wide-Area Wireless Networks". Proceedings of the Seventh International Conference on Network Protocols (ICNP) 1999, pp. 283-292.
[6] MobileIPv6: Johnson, D., Perkins, C., "Mobility Support in IPv6", Internet Draft (work in progress), July 2001 (draft-ietf-mobileip-ipv6-15.txt).
[7] HMIPv6: Soliman, H, Casteluccia, C., El-Maki, K., Bellier, L., "Hierarchical MIPv6 Mobility Management (HMIPv6)", Internet Draft (work in progress), July 2001(draft-ietf-mobileip-hmipv6-04.txt).


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1.- Socios: Ericsson Radio Systems AB (Suécia), Nokia Corporation (Finlandia), Siemens AG (Alemánia) y Sony International (Europe)GmbH (Alemánia), British Telecommunications plc (Reino Unido), France Telecom ­ R&D (Francia), NTT DoCoMo, Inc. (Japón) y T-Nova Deutsche Telekom Innovationsgesellschaft mbH (Alemania), Agora Systems S.A. (España), UPM(España) y King`s CollegeLondon (Reino Unido)

Pedro M. Ruiz Martínez
( pedro [dot] ruiz [at] agoratechnologies.com)

Director de proyectos de I+D
Agora Systems S.A

Alberto López Toledo
( alberto [at] dit [dot] upm.es)

Depto. de Ingeniería de Sistemas Telemáticos
UPM- ETSI de Telecomunicación