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Simulación: la simulación aplicada a la evaluación de sistemas de telecomunicación
La simulación aplicada o la evaluación de sistemas de telecomunicación Bermejo Sáez M Villén Altamirano Los métodos de simulación en el entorno a las Telecomunicaciones surgen como una hern mienta útil a partir de la década de los 0 Los estudios sobre capacidad de tráfico de los Sistemas Telefónicos han sido decisivos impuU sores del uso de la Simulación De forma genérica una Red de Telecomunie ción se compone cleí I suarios ígeneradores de tráfico K Red de Acceso1 Nodos de Conmutación fCentralesL Sistemas de Transmisión y Red de Enlaces entre nodos1 En este contexto la simuh ción ha siclo aplicada para estudiar compoi mientos y evaluar prestaciones de Redes conv pletas o de los sistemas que las componen Más aúiL el uso ele modelos de simulación se ha extendido a casi todos los sistemas y aspectos MONOGRAFICO funcionales de las redes de comunicación desde los Nodos ele Conmutación í sistemas de analógicos y digitalesí y sus correspondientes Unidades de Control hasta la planificación de las Redes Conmutadas y el análisis de Redes de Área Local Kl diseño y análisis de prestaciones de los sis temas de Telecomunicación exige el desarrollo de modelos complejos Estos modelos y sus correspondientes soluciones pueden ser alcaiv zadas a partir de diferentes planteamientosi modelación y resolución analítica o modelos de simulación Las soluciones de los modelos analíticos prcv porcional relaciones explícitas C resolución analN tica o implícitas Csoluciones numéicas entre los parámetros que necesitamos obtener y las variables entrantes al modeta Sin embargOj en ocasionesJ los procedimientos analíticos sólo pueden resolver un modelo muy simple del s tema real y en consecuencia las simplificackv nes del modelo acaban alejándole del funcioru miento real del sisteiruL Kl uso de la simulación por ordenador permite una modelación más detallada del sistemag Por otra parteI frente a medidas realizadas sobre una maqueta1 la simo lación tiene la ventaja de poder evaluar el conv portamiento del sistema y estudian distintas alternativas antes de tener el productol con lo cual se puede influir en el diseño del misme La construcción de una simulación por orc nador1 de una sistema de telecomunicación o un subsistema del mismo1 se realiza considera dolos agentes externos al sistema dnodelo de tráficc y la funcionalidad del propio sistema dnodelo funcionáis El modelo de tráfico recoge1 mediante leyes estadísticas1 los aspectos relativos al comportamiento de las fuentes de tráfico Cejí abonadosí y del entorno íred circu danteí en que va a trabajar el sisteiruL Kl mode lo funcional refleja las funciones del sistema que son relevantes para los objetivos que se desean alcanzar con el estudio por simulación Kl modelo funcional es realmente una reprc ducción del sistema por medio de lenguajes de ordenador lo cual teóricamente no ofrece difih cultadl sin embargos en la práctica el grado de detalle del mismo está limitado por el coste de desarrollo y explotación de la simulación por lo que habrá de reproducir sólo aquellos aspectos que más van a impactar en los resultadosI Kl modelo de tráfico1 por el contrariOj es una modelación estadística del comportamiento de las fuentes y del entornOj basada en hipótesis sobre dicho comportamientos La adecuada selección de los aspectos relevantes del modelo funcional y de las hipótesis del modelo de trálV co es determinante de la fiabilidad de los resuU tados de simulación Tipos de modelos de simulación A continuación se describen brevemente los tipos de modelos de simulación que se definen según el sistema a modelar y su evolución res pecto al tiempe En base a la variable tiempoi Modelo Estáticoi Representa un sistema en un instante particular del tiempe Modelo Dinámicot Representa un sistema que evoluciona con el tiempo1 BKn base a las variables utilizadasi Modelo Determinísticoi Cuando la simukw ción no precisa del uso de variables aleatorias para representar los cambios que se producen en el sistema reaL Modelo Estocásticot Cuando la simulación precisa de una o más variables aleatorias para modelar el comportamiento de las fuentes de tráfico o del entorne Kn base a la evolución del sistema a lo largo del tiempoi Modelo Continuoz Representa un sistema que evoluciona de formacontinua a lo largo del tiempa Modelo Discretoi Representa un sistema que evoluciona de forma discreta en el tiempoa Los instantes de tiempo en los que cambia el Sistema son precisamente los que deben consN derarse en la construcción de la simulación Las simulaciones en el entorno de las Telecomunicaciones corresponden principaU mente a Modelos que son Discretos1 Dinámicos y Estocásticosl denominados Modelos de Simulación de Sucesos Discretos Un modelo simple es el de un sistema de espera íver fig D formado por un centro de servicio Cpc5 un microprocesadoiO y un centro de espera tpc la memoria asociada al microprocesado01 Kl modelo de tráfico representaría estadísticameiv te como las peticiones de servicio Cp ev pacIue tes de datosí llegan al sistemal y el modelo fu cional se construiría por medio de una Cola dnemoriaj que ofrece los paquetes al servicio en el orden de llegada Ccola KIECO y un centro servidor cuya ocupación Oiempo de proceso de un paquete de dau varía aleatoriamente Parámetros relacionados con las prestaciones del sistema 1 son el tiempo de espera de un paquete en la memoria o la probabilidad de que un paquete se pierda por encontrar llena la memoria 1 La obtención de parámetros de este wLas simulac nes en el entoi no de las municaciones rresponden priiv cipalmente a Modelos que son Discre Diná micos y EstocáY ticosw too bit 75 MONOGRÁFICO tipo suelen ser el objetivo principal de la si lación por ordenador Para estimar dichos parámetros1 las siguientes variables deben ser consideradas en el modeloi culistado del servidor LIBRK u OCITAIXX bi Número de Paquetes esperando en la cola para ser servidos CprocesadosX c Tiempo de llegada de cada Paquete al s tema Caparece en la colaX La variable a sen irá para determinar1 si luí patinete que llega puede ser sen ido inmediau mente o debe ponerse en colai La variable b servirá para determinar a la Ik gada de un paquete si hay sitio libre en la memoria1 y al final del serviciol si el servidor queda libre o empieza a servir el primer paqi te de la coLl La variable c servirá para calcular la espera en cola fw0 de cada paquetes w tierr po en cjlic comienza a sen irse c Este cálculo forma parle de un aspecto fundamental de un modelo de simulación la Toma de Estadística Kn el ejemplo se aprecian dos tipos de succ soSj ula llegada de un paquete1 s É1el final del servicio11 que evidentemente cambian el estado del sistema en aquellos instantes discretos de tiempo en que ocurren PROCESADORSERVIDO Figuraa 1 Representación Gráfica del Modelo de Simulación MONOGRÁFICOS zt75 La simulación consistirá en la sucesión coiv catcnada de sucesos ele uno u otro tipcx El orden en que se producen estos sucesos se coiv irola mediante la previsión del instante de su ocurrencia y mediante el llamado módulo de Control de relof la previsión se puede realizar asñ en cada suceso 1 llegada ele un paquete1 se prevé Cse determina aleatoriamente según alguna ley csu elístical el tiempo de llegada del siguiente y cada vez que comienza un servicio se prevé el correspondiente fin de servicios Kl módulo de Mcontrol de Reloj1 averigua qué suceso de los previstos debe ocurrir antesl hace avanzar el reloj de la simulación Cque marca el tiempo real simulado del sistema 1 y da control al módulo que trata dicho sucescx El tiempo real simulado del sistema no tiene una relación directa con el tiempo de ejecución de la simulación en el ordenador pues este últ mo depende de la velocidad del propio ordem dor y no del tiempo entre sucesos del sistema real Lenguajes de simulación y paquetes Software Para la construcción de los modelos de simo lación por ordenador se usan desde lenguajes de propósito general hasta patinetes software diseñados especialmente para Simulación de tipos específicos de Sistemas o Redes de TelecomuMiicacióiL Una posible clasificación podría ser la siguientes lenguajes ele propósito general usados en simulacióm C FORTRAW PASCAL MODILA ADA Paquetes específicos para simulación dei Redes de Comunicacionesi COMNETII 5 CCACD NETWORK U5CCACD TOPNETO MOSAICdiniw KarlsruheAleinaniaí DDPSIM I Redes de Área Locab NBS CNational Bureau oí StanelardsSAí CADA DIAJ SIN DARTE CUENTA1 LO HACES MILLONES DE VECESI CADA DIA1 SIN DARTE CUENTA1 LAS PALABRAS BROTAN DE TL MILLONES Y MILLONES CADA DIA1TAMBIER ERICSSON ESTA AHL A TU LAl PONIENDO AL SERVICIO DE LA COMUNN CAC1ON TODOS LOS MEDIOS TÉCNICOS Y HUMANOS DECENAS DE MILES DE PERSONAS TRABAJANDO1CENTRALES TELEFONICAS1 CENTRALITASt TELEFONOS MOVILES1 SOFISTI CADOS SISTEMAS Y REDES A LO LARGO Y ANCHO DEL MUNDO ENTERO AUNQUE1 COMO EL AIRE QUE RESPIRASt CADA VEZ QUE LOS UTILIZAS NO SEAS CONSCIENTE DE ELUl ERICSSON bit 75i MONOGRÁFICO LANNET IL5 ÍCACD Lenguajes orientados a Simulación GPSSUBiVD SYMSCRIPTII 5 CCACD SIMULA GASPIV e Sistemas de Transmisióni SYSTIDO TOPSIM III O BOSS Redes de Colas Aplicaciones del mismo aparecen publicadas en el IKlíK Los lenguajes de propósito general pueden estar complementados con librerías de simuh ciónt como la librería SIMLIB desarrollada en la ETSIT de Madrid para el MODULA5 que los hacen equivalentes a los lenguajes orientados a Simulación Considerando esta oferta de productosI sui gen diferentes alternativasal enfrentarse a la necesidad de desarrollar una herramienta de simulación 4 Usar un paquete software11 que se ajuste a nuestro propósito particular o adaptarlo si es posible 1 m Desarrollar un nuevo simulador usando un lenguaje orientado a sinuik ción usando un lenguaje de propósito generaL En todo casOj para adoptar una buena decN sión deben considerarse todos los factores de los que dependen las prestaciones del sistema o red que se desea simulan estructura de la reclj medio de transmisión 1 protocolos1 técnicas de señalizaciónl recursos ohardwaren y software etc Todos estos factores interactúan y se influencian entre sí y todos o parte de ellos están presentes en el diseño del simulador Sin embargOj el nivel de detalle con que son sinu lados depende fundamentalmente de los objeu vos a alcanzar La simulación en sistemas de conmutación La necesidad de simular los aspectos funcicv nales y subsistemas que conforman un equipo de conmutación se centra en conocer la res puesta del sistema ante diferentes situaciones í propias y del entornoX Así1 la simulación apa rece ligada al desarrollo de un sistema 1 como soparle al diseño y como herramienta para esta blecer reglas de dimensionado del misnux Soporte al diseñoi En este caso su uso se ce tra axw Analizar el comportamiento de diferentes alternativas planteadas por los diseñadoresi por ejemplol diferentes arquitecturas de un subsistes maJ distintos diseños de un elemento de co mutacióiL etc 9 Optimizar algunas partes de un sistema de conmutación con objeto de maximizar su t cidad1 Evaluar el grado de servicio del sistema simulado detardos1 congestionesl etcj1 Ejemplos de objetivos buscados en simuU ciones recientes son Evaluar la respuesta de distintas Estrategias de Control de Sobrecarga de los sistemas digw les con control distribuidoUL Calcular el tamaño necesario de las memo rias asociadas a los futuros conmutadores de Banda Ancha actualmente en desarrollol2L Evaluar los diferentes mecanismos de co trol de flujo y cuantificarla ganancia de los Multiplexadores Estadísticos asociados a la futi ra Red de Banda Ancha1 Soporte al dimensionado En este caso la simulación es uexplotadan mediante un plan de simulaciones ordenado1 de forma que obtengamosl a través del mismo1 una relación entre diferentes niveles de tráfico ofrecido al sistema y número de recursos a equipar Cmicroprocesadores1 equipos temna lesI módulos de conmutación etcO Esta reU ción queda fijada a través del cumplimiento del Grado de Servicio exigido al sistema simulado f probabilidades de pérdida1 tiempos de espera1 etc M O N O G R A F I C Obit75 too Ejemplos de Sistemas que se han simulado en España son el PentacontaI Metaconta y Sistema 121 simulados en AlcateUSESAj y el Sistema Tesys B cuya simulación se ha realizado en Telefónica lD La simulación en las Recles de Comunicaciones Con menor o mayor grado de detallet la herramienta de simulación es usada en el anál sis de prestaciones de las redes de comunk ción públicas o privadas Red Pública de Conmutación de Circuitos El ejemplo corresponde a un modelo de simulación descrito en 131 En este caso la sinuH lación desarrollada en Telefónica RD se ha ut lizado para evaluar el impacto de diversos algo ritmos de encaminamiento dinámico en las prestaciones de la Red Telefónica de EspañaI dentro de los estudios que se están llevando a cabo para elegir el nuevo encaminamienttx En la simulación se consideró la arquitectura hacia la que va a evolucionar la Red digura 2 La simulación permitió analizar el impacto en la probabilidad de bloqueo de las siguientes opcionesi Preselección centralizada y selección local del camino a elegir o sólo selección local Selección tipo secuencias alternando o DAR Posibilidad de reintentos desde la central anterior en caso de bloquee Distintos mecanismos de reserva dinám ca de enlacesI En el estudio se analizaron diversas situacio nes en los que se podía encontrar la redi Aparición de sobrecargas temporales1 en toda o parte de la red Situaciones permanentes de sobrecargas totales o parciales1 Existencia de llamadas masivasI Fallos en rutas o nodosI Red de Conmutación de Paquetes En el ejemplo anterior los sucesos tratados por la simulación eran lógicamente las llamadas de los abonados quet una vez establecidas1 tie nen un tiempo de duración de minutos 1NODOS LOCALESNODOS DE TRANSITO Figura 2 Arquitectura de la Red Simulada bit 75 MONOGRÁFICO En las simulaciones sobre redes de ción de paquetes de datos pueden coexistir IL madas y paquetes5 con muy diferentes niveles de resolución en el tiempo i minutos y milise gundosl respectivamente Este hecho puede conducir en este tipo de modeloSj a tiempos de ejecución de la simuh dón por encima de lo deseable si no se optimN za el proceso de modelación Ejemplos de aplicación soni el modelo de simulación de AlcateUSESA I ti utilizado para analizar una red de conmutación en modo paquete cursando diferentes tipos de tráfico1 el de Telefónica HD para optimizar el encamira cniento de la Red Iberpac y el de la ETSIT de Barcelona para evaluar el previsible comporta miento de la Red de Voz y Datos de los JJOO de Recles de Área Local ÍRAÜ Normalmente este tipo de redes inierconeo tan ordenadores ÍPCs o Estaciones de trabajo L comparten recursos Cimpresoras1 plottersr etcO y comparten información Cpaquetes software X Asíj los tres componentes principales de una RALsoni El medio de transmisión í cable coaxiaL enlace de microondas1 fibra óptica h Los equipos Csorvidores1 PC s1 impresoras1 etc L Los interfaces entre equipos y medio de transmisión í Control de Acceso al Medioi MAC Existen diferentes tipos de RAL s según la configuraciónI el protocolo de comunicación entre nodos1 el medio de transmisiónl etc La aplicación de la simulación trata de analizar este tipo de redes desde el punto de vista de capatv dad y de evaluar las diferentes opciones y mecanismos incluidos en los protocolos de comunicación establecidos en ellas1 Como ejemplo pueden citarse las aplicaciones del simulador desarrollado por el NBSEUU uNational Burean of Standars4J S para la eva luación de prestaciones de las redes CSMA7CD ÍIEEE 802 3Í y Tokenassing Bus1 CIEEE 8024 I5L La figura 3 muestra el esquema de una aplic ción del simulador realizada con objeto de eva luar la capacidad de una RAL con Paso de Testigo UEEE 802 4 JT constituida por un conjuiv to de Nodos Colectores1 que recogen los dalos ofrecidos por ciertos sensores y los envían a un nodo de la propia RAL que formatea y presenta la información a un observador que controla y vigila el sistema de sensores El análisis de un adecuado conjunto de casos simulados permitió deducir los siguientes panV metros de dicha RALi Tráfico medio I medido en KbilAsJ eme pueden ofrecer cada nodo colector a la RALt Tamaño máximo permisible de los paquetes de datos íoctetosx paquete h y Potencia de proceso mínima necesaria del nodo formateador En España AlcatelSESA se ha aplicado este BKGi Nodos de Carga adicional del Sisterr LLCi Control Lógico de la Conexión AAACi Control de Acceso al Medie Figura 3 Modelo IAL con Paso de TestigoNODO COLECTOR ANILLO LÓGICO M O N O G RA F I C O75 simulador para la evaluación de la RAL da en la futura estación espacial COLUMBIO La simulación en el de los productos de banda ancha El uso de la simulación en el desarrollo y soporte al diseño de los Sistemas de Conmutación Transmisión y Control de la futi ra Red de Banda Ancha I6K presenta problemas específicos de modelación y ejecución que suponen un reto para la Investigación e Ingeniería de dichos sistemas1 El principal píxv blema se plantea por losextremadamente bajos valores que exigen a las prestaciones de dichas redes1 Por ejemplo1 la probabilidad de perder un paquete de datos ícélukO debe ser inferior a KT Cen ciertas partes de la redJ inferior a 1CT X Es evidente que para alcanzar probabitaL des tan pequeñas1 en los resultados estadísticos de una simulación1 sería preciso generar miles de millones de células con objeto de perder un número de ellas que dé confianza a los resulu dosj en consecuencia la ejecución de la simuh ción podría durar meses1 Con objeto de soslayar este probleiruL se han utilizado métodos de extrapolación a partir de los resultados obtenidos en puntos alcanzables C1C5 KTX pero en cualquier casoI sólo Btéo nicas de aceleración de simulaciones de sucesos infrecuentes11 conseguirán en el futuro inmixto to obtener resultados estadísticos de simulación que midan las prestaciones de un sistema de banda ancha con un adecuado nivel de confiaiv zíl En este sentido el Método RESTART I7K desarrollado por Telefónica HDt ofrece un futi ro prometedor Referencii Hl nAn Overload Control Strategy for Disiribuicd Control System M Villén AliamiranoI C Morales Andrés and L Bermejo Sáezi Acias del I Ia Congreso Internacional de Teletráfiax KyotoI seiv tiembre 19851 121 uQueueing Models Applying lo a Class of ATM Multiplexers A Guerrero and Fi LozanoI Acias del 13o Congreso Internacional de Teletráficc Copenhague junio 199 L 131 UA comparative siudy oí several dynamic rouling algorithms with adapiive preselection and seleo tion phases E GraneL JIL Martínez Dalmau et aL Acias del 13U Congreso Internacional de Teletráficc Copenhague junio 199L 141 KGlobal Simulation for Packet Mode Network Analysis11I O González Soto and M Martínez Sarandesesi Acias del 3er Simposio Internacional de Planificación de Redes 4Networks6 Floridas EEUU16 151 An IEEE 802 Token Bus Network Simulation JeanIllC ArchamhaulL National Burean of StandardsI Institute for Computer Sciences and Technology m BSIR84 2966 161 uSoporte de la Ingeniería de Tráfico a los Productos de BanclaAncha X Bermejo Sáez y C Mayoral BengoechcL Jornadas de ID en Telecomunicaciones MatlrkL noviembre 199L 171 aMétodo RESTART para acelerar Simulaciones de Sucesos Infrecuentesll1 M Villón Altamirano y L Villón Altamiranc Comunicaciones Telefónica HO VoL L diciembre 199L L Bermejo Sáez Ingeniero de Teleco municación por la l Universidad Politécnica de Madrid Ha trabajfr clo en el Grupo ele Tráfico del Centro ele Investigación ele Alcatel Standard Eléctrica t SA dedicándose a estudios de tráfico de los Sistemas de Banda Ancha ÍMTAI de AlcateL Actualmente trabaja en la División de Consultaría de ISDF FEt S A trabajando en actividades relaciona das con el Plan Nacio ual de Banda Ancha AL Villén Altamirano Ingeniero de eleco ninnicación por la í Init ersidad Politécn ica de Madrki Ha dirigido el Grupo de Tráfico del Centro de Investigación de Alcatel Standard EléctriccL Actualmente dirige la División de Tráfico y Prestaciones de Telefónica hD Pn el Can preside el Grupo de Expertos encargado de las Recomendaciones sobre Ingeniería de Tráfico en la RDSL
30 oct 2015
