Análisis y caracterización del tráfico HTC+MTC en una Smart City. Modelado de fuentes y calidad de servicio

Abstract

[ES] Las ciudades constituyen un poderoso motor de crecimiento económico y social gracias a las oportunidades que ofrecen en contraposición al medio rural: mayor diversidad y cali-dad de empleo junto con mejores infraestructuras y servicios. Sin embargo, este crecimien-to genera una demanda creciente de recursos por lo que su gestión sostenible se ha conver-tido en un elemento clave en la política de las administraciones en todo el mundo. El concepto de "Ciudad Inteligente" surge para dar una respuesta global para el entorno urbano. Los principales organismos de estandarización están desarrollando un ecosistema de recomendaciones que definen entre otros aspectos, y relacionados con el ámbito tecno-lógico de la presente tesis, una arquitectura tecnológica consistente, métricas e indicadores de rendimiento, así como un modelo integrado de información. En este complejo entorno, la red de comunicaciones de una Ciudad Inteligente ha de ser capaz de adaptarse a los incrementos, en muchos casos abruptos, del tráfico generado por miles de dispositivos de naturaleza, criticidad y comportamiento heterogéneo. Garantizar la calidad, disponibilidad y prestaciones de los servicios subyacentes cuando éstos compi-ten por recursos limitados, así como evaluar el impacto de la introducción de nuevos servi-cios "smart", es un área de creciente interés. Aspectos como la cobertura geográfica, el bajo consumo y coste de los dispositivos, junto con la aparición de nuevas tecnologías y novedosos patrones de tráfico no suficientemen-te caracterizados, generan nuevos retos que es necesario abordar. Sirva como ejemplo el lanzamiento en España de los primeros servicios NB-IoT (3GPP TR 45.820 Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things) y el reto que su-pondrá el despliegue de las tecnologías 5G en entornos urbanos. Esta tesis, que desarrolla el objetivo 05 del Proyecto de Investigación "MEC TIN2013-47272-C2-1-R - Plataforma de Servicios para Ciudades Inteligentes con Redes M2M Den-sas (PLASMA). Caracterización de servicios MTC/IoT y modelado de patrones de tráfico", profundiza en los aspectos relacionados con la evaluación de prestaciones de diversos servicios bajo una arquitectura de referencia. Para ello se han caracterizado las diferentes fuentes de tráfico que intervienen en una ciudad inteligente y se ha definido una red mode-lo convergente de acuerdo con las recomendaciones ITU-T Y.2011/Y.2012/Q3.900 (Next Generation Networks - Frameworks and functional architecture models & testing). En base a las conclusiones anteriores, se ha diseñado una herramienta denominada "Si-mulCity" que permite simular de manera flexible escenarios donde múltiples fuentes con-figurables de voz, vídeo y MTC comparten recursos en la red modelo definida. SimulCity permite la configuración de los mecanismos de gestión de tráfico (control de admisión en el acceso, clases de servicio, funciones policía, tránsito en la red MPLS) para evaluar presta-ciones y dimensionar adecuadamente los parámetros de caudales y clases de servicio que garanticen el adecuado funcionamiento de las aplicaciones. La herramienta Simulcity se ha utilizado para simular diferentes escenarios de servicios que están en proceso de implantación en la ciudad de València. Los resultados obtenidos han permitido realizar un dimensionado adecuado de los recursos de ancho de banda y clases de servicio necesarios con anterioridad a su despliegue.

[EN] Cities are a powerful engine for economic and social growth thanks to the opportuni-ties offered in contrast to the rural environment: greater diversity and quality of em-ployment together with better infrastructure and services. However, this growth gen-erates an increasing demand for resources, so that its sustainable management has be-come a key element in the policy of administrations around the world. The concept of "Smart City" emerges to give a global response to the urban environ-ment. The main standardization bodies are developing an ecosystem of recommenda-tions that define, among other aspects, and related to the technological scope of this thesis, a consistent technological architecture, metrics and performance indicators, as well as an integrated model of information. In this complex environment, the telecommunications network of a Smart City must be able to adapt to the often-abrupt increases in traffic generated by thousands of de-vices of a nature, criticality and heterogeneous behaviour. Ensuring the quality, avail-ability and performance of underlying services when they compete for limited re-sources, as well as assessing the impact of the introduction of new smart services, is an area of growing interest. Aspects such as geographical coverage, low consumption and cost of the devices, to-gether with the appearance of new technologies and novel traffic patterns not suffi-ciently characterized, generate new challenges that need to be addressed. An example is the launch in Spain of the first NB-IoT services (3GPP TR 45.820 Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things) and the chal-lenge that will involve the deployment of 5G technologies in urban environments. This thesis, which develops objective 05 of the Research Project "MEC TIN2013-47272-C2-1-R - Services Platform for Smart Cities with Dense M2M Networks (PLASMA). Characterization of MTC / IoT services and modelling of traffic patterns ", delves into the aspects related to the evaluation of the performance of various ser-vices under a reference architecture. For this, the different sources of traffic that in-tervene in an intelligent city have been characterized and a convergent model network has been defined in accordance with ITU-T recommendations Y.2011 / Y.2012 / Q3.900 (Next Generation Networks - Frameworks and functional architecture models & testing). Based on the above conclusions, a tool called "SimulCity" has been designed that al-lows to simulate in a flexible way scenario where multiple configurable sources of voice, video and MTC share resources in the defined model network. SimulCity al-lows the configuration of the traffic management mechanisms (access admission con-trol, service classes, police functions, traffic in the MPLS network) to evaluate per-formance and adequately dimension the parameters of flow rates and service classes that guarantee the adequate operation of the applications. The Simulcity tool has been used to simulate different service scenarios that are in the process of being implemented in the city of Valencia. The results obtained have al-lowed an adequate sizing of the bandwidth resources and service classes necessary prior to their deployment.

[CA] Les ciutats constituïxen un poderós motor de creixement econòmic i social gràcies a les oportunitats que oferixen en contraposició al medi rural: major diversitat i qualitat d'ocupació junt amb millors infraestructures i servicis. No obstant això, este creixe-ment genera una demanda creixent de recursos i la seua gestió sostenible s'ha convertit en un element clau en la política de les administracions en tot el món. El concepte de "Ciutat Intel·ligent" sorgix per a donar una resposta global per a l'en-torn urbà. Els principals organismes d'estandardització estan desenrotllant un ecosiste-ma de recomanacions que definixen entre altres aspectes, i relacionats amb l'àmbit tecnològic de la present tesi, una arquitectura tecnològica consistent, mètriques i indi-cadors de rendiment, així com un model integrat d'informació. En este complex entorn, la xarxa de comunicacions de una Ciutat Intel·ligen ha de ser capaç d'adaptar-se als increments, en molts casos abruptes, del tràfic generat per milers de dispositius de naturalesa, criticidad i comportament heterogeni. Garantir la qualitat, disponibilitat i prestacions dels servicis subjacents quan estos competixen per recursos limitats, així com avaluar l'impacte de la introducció de nous servicis "smart", és una àrea de creixent interés. Aspectes com la cobertura geogràfica, el baix consum i cost dels dispositius, junt amb l'aparició de noves tecnologies i nous patrons de tràfic no suficientment caracteritzats, generen nous reptes que és necessari abordar. Servisca com a exemple el llançament a Espanya dels primers servicis NB-IoT (3GPP TR 45.820 Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things) i el repte que suposarà el desplegament de les tecnologies 5G en entorns urbanes. Esta tesi, que desenrotlla l'objectiu 05 del Projecte d'Investigació "MEC TIN2013-47272-C2-1-R - Plataforma de Servicis per a Ciutats Intel·ligents amb Xarxes M2M Denses (PLASMA) . Caracterització de servicis MTC/IoT i modelatge de patrons de tráfico&", aprofundix en els aspectes relacionats amb l'avaluació de prestacions de diversos servicis davall una arquitectura de referència. Per a això s'han caracteritzat les diferents fonts de tràfic que intervenen en una ciutat intel·ligent i s'ha definit una xar-xa model convergent d'acord amb les recomanacions ITU-T Y.2011/Y.2012/Q3.900 (Next Generation Networks - Frameworks and fun-ctional architecture models & tes-ting).

Basant-se en les conclusions anteriors, s'ha dissenyat una ferramenta denominada "Si-mulCity"; que permet simular de manera flexible escenaris on múltiples fonts configu-rables de veu, vídeo i MTC compartixen recursos en la xarxa model definida. Simul-City permet la configuració dels mecanismes de gestió de tràfic (control d'admissió en l'accés, classes de servici, funcions policia, trànsit en la xarxa MPLS) per a avaluar prestacions i dimensionar adequadament els paràmetres de cabals i classes de servici que garantisquen l'adequat funcionament de les aplicacions. La ferramenta Simulcity s'ha utilitzat per a simular diferents escenaris de servicis que estan en procés d'implantació en la ciutat de València. Els resultats obtinguts han per-més realitzar un dimensionat adequat dels recursos d'amplada de banda i classes de servici necessaris amb anterioritat al seu desplegament.