Análisis de Tasa Efectiva de Servicio y Retardo en SMS
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Análisis de Tasa Efectiva de Servicio y Retardo en SMS
Alex Alvarado S., Luis Vinnett P. y Walter Grote H.
Departamento de Electrónica – Universidad Técnica Federico Santa María
Av. España 1680, Casilla Postal: 110-V, Valparaíso, Chile
Email: wgh@elo.utfsm.cl
Resumen.- El Short Message Service (SMS) es un servicio establecer la tasa efectiva de servicio (throughput) y retardo en
que permite a suscriptores GSM enviar un mensaje de texto detalle. Éste análisis es importante tanto a nivel de usuario como
simple, de hasta 160 caracteres. El bajo costo, la conveniencia de proveedor de servicios, pues la máxima tasa de transferencia
que implica el envío silencioso e inequívoco de datos y la relativa ofrecida y el retardo medio en la recepción de un SMS interesan
rapidez del relevo de los SMS, se han traducido en una amplia tanto a quien envía el mensaje como a quien diseña, administra y
aceptación de este servicio. Conviene entonces evaluar el provee el servicio.
rendimiento en términos de la tasa efectiva de servicio
El resto de este documento está organizado de la siguiente
(throughput) y el retardo para los SMS a nivel de la capa MAC.
forma. En la sección 2 se presenta una descripción del sistema,
Dado que existe poca información referente al tema, este
así como detalles sobre la trama GSM y la codificación utilizada
documento se presenta como una referencia para estudios
en los canales de control. En la sección 3 realiza el análisis de la
posteriores.
tasa efectivas de sevicio (throughput), mientras que en la sección
4 se analiza el retardo en SMS. Finalmente en la sección 5 se
Abstract.- The Short Message Service (SMS) enables GSM presentan las conclusiones del presente trabajo.
subscribers to send each other a simple text message, constrained
to a maximum of 160 characters. The low service cost, the
convenience of being able to deliver silently accurate data at a
reasonable speed has brought SMS to worldwide acceptance 2.- Descripción del Sistema.
levels. This motivates the convenience of throughput and delay
El SMS es un servicio que permite el envío de mensajes cortos
evaluation at the MAC level. This document is presented for
de texto entre terminales móviles con un largo máximo de 160
future work reference due to the fact that little has been published
caracteres. Existen dos tipos de SMS disponibles: mensajes de
in this context.
difusión (cell broadcast), usados para enviar información de
control unidireccionales a los terminales móviles que tengan
habilitado el servicio dentro de una celda, y mensajes punto a
Keywords.- SMS, GSM, Signaling Channels, SDCCH,
punto (point-to-point). Los SMS point-to-point son enviados
Throughput, Retardo
desde un móvil a otro, [Peer00]. Este documento se centra en el
análisis de los SMS point-to-point por ser los de mayor interés
para los usuarios. A los proveedores de servicio también les
1.- Introducción interesa conocer las tasas de servicio y retardos que están
asociados a la interfaz de aire de este servicio.
La tecnología GSM (Global System for Mobile), es un estándar
para comunicaciones móviles ampliamente aceptado a nivel Dentro de las características importantes de este sistema se
mundial. Es la norma pan-europea de telefonía celular digital destaca que no es necesario poseer una casilla para almacenar los
creada por la ETSI (European Telecommunications Standards mensajes. De hecho, los SMS llegan automáticamente al terminal
Institute), y está siendo usada por más de 400 millones de y se almacenan en éste. Debido a que la transmisión de los SMS
usuarios en el todo el mundo [Sam02]. se realiza usando los canales de control de GSM es posible cursar
una llamada y recibir un mensaje en forma simultánea.
El estándar GSM es un sistema de comunicaciones de telefonía
móvil basado en la conmutación de circuitos. Pronto se vio la 2.1.- SMS en la trama GSM.
conveniencia de ofrecer un servicio adicional de intercambio de
breves mensajes de datos entre los usuarios. De esta foma nace el En la Figura 1 se muestra un esquema de la jerarquía de la
concepto y la tecnología asociada al Short Message System trama GSM. En esta se pueden apreciar tanto los canales de
(SMS) [Bri99]. control (señalización) como los canales de tráfico de voz ó datos
los cuales son multiplexados en el tiempo, [Aga04], [Rap02],
El SMS es un servicio que permite el envío de mensajes cortos [And01].
de texto entre terminales móviles con un largo máximo de 160
caracteres. Este servicio, es del tipo “store and forward”, lo cual Como se puede apreciar en la Figura 1, una trama (frame)
permite que si el equipo del destinatario se encuentra apagado, o corresponde a la unidad básica de la jerarquía y está compuesta
fuera del área de cobertura, el mensaje sea almacenado en la red de 8 ranuras temporales (time slots) denominados TS0,..., TS7.
hasta que pueda ser retirado por el destinatario. Estas tramas son agrupadas en una multitrama (multiframe) de 26
tramas para el caso de tráfico y en 51 tramas para el caso de
Si bien existen numerosas publicaciones referentes al señalización. A su vez, las multitramas son agrupadas en una
funcionamiento del sistema SMS [Peer00] [Bri99] [Car03], los supertrama (superframe) de 51 ó 26 multitramas para el caso de
autores no conocen documentos que aborden el tema de
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.1/5tráfico y de señalización respectivamente. Por último, las tanto en el enlace de subida como en el de bajada, [Car03],
supertramas se agrupan en una hipertrama (hyperframe) de 2048 [Aga04]. La estructura de la multitrama de control para el canal
supertramas, [Rap02]. de bajada se presenta en la Figura 3.
6.12[s] 235,5[ms]
0 1 2 3 24 25 SDCCH 1 SDCCH 2 SDCCH 3 SDCCH 4 SDCCH 5 SDCCH 6
0 1 2 3 4 5 6 7 47 48 49 50 0 2 3 41 5 1
1 1 1 6 7 81 9 10 1 13 14
1 11 12 1 17 18
1 15 16 1 21 22
1 19 20 1 23
120[ms] 235.4[ms]
0 1 2 3 24 25 0 1 2 3 49 50
SDCCH 7 SDCCH 8 SACCH 1 SACCH 2 SACCH 3 SACCH 4 Iddle
Voz ó Datos Señalización 24
1 25 26
1 27 28
1 29 30 1 33 34
1 31 32 1 35 36
1 37 38
1 39 40
1 41 42
1 43 44
1 45 46
1 47 48 49
1 50
4.615[ms]
TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 Enlace de bajada en configuracion SDCCH/8
Figura 1: Jerarquía de la trama GSM [Rap02]. Figura 3: Estructura de multiframe configurada con
SDCCH/8.
En la Fig. Figura 2 se destaca TS0, utilizada para señales de
control, mientras que TS1, TS2, TS3, TS4, TS5, TS6 y TS7 se Los 32 TS que son utilizados para SDCCH se agrupan en 8
utilizan para tráfico de voz/datos. El análisis de este documento sub-canales SDCCH de 4 TS cada uno. Sin pérdida de
se centra a nivel de una multitrama de control (51 tramas de 8 TS generalidad y para simplificar el análisis, este se centrará en el
cada uno). canal de bajada en donde los 8 canales SDCCH se encuentran
contiguos y al comienzo de la multitrama como se detalla en la
4.615[ms] Figura 3.
2.2.- Codificación de los canales de control.
TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7
En un sub-canal SDCCH, al igual que para cualquier otro sub-
canal de control en GSM, se pueden introducir hasta 184 bits de
Figura 2: División del frame para control y voz. información. Esta información es codificada usando un shortened
binary cyclic fire code (SBCFC), que agrega 40 bits de paridad a
los 184 bits de información. Adicionalmente se agregan 4 bits de
Si bien GSM provee el transporte de datos sobre un canal de cola obteniéndose un total de 228 bits. Estos bits son codificados
tráfico, para la transmisión de un SMS point-to-point se utilizan convolucionalmente obteniéndose 456 bits, que son entrelazados
canales de control, lo cual permite el tráfico de voz y de mensajes para contrarrestar los efectos de los desvanecimientos, [Rap02],
en forma simultánea. Dependiendo de si existe o no una llamada [Aga04].
en curso, el SMS se envía por canales de control diferentes. En
caso de tener una llamada en curso, se utiliza el canal SACCH Para el análisis realizado se trabajará con el SMS medido en
(Slow Associated Control Channel). En caso de que se trate de un cantidad de sub-canales SDCCH utilizados, de acuerdo a la
mensaje que es enviado a un terminal que no está cursando una cantidad de caracteres que contenga del SMS.
llamada, se usa el canal SDCCH (Stand-alone Dedicated Control
Channel).
Para el análisis presentado en el presente documento se asume
3.- Tasa de Servicio Efectiva en SMS.
que no existe una llamada en curso en el terminal que envía o Interesa conocer la tasa efectiva de servicio (throughput) en el
recibe un SMS, lo cual, a juicio de los autores, representa una envío de un SMS. El throughput está dado por la ecuación (1)
situación más realista. Además se analiza el desempeño para una
sola portadora en el sector de la celda, portadora que comparte
señalización y canales de voz. También se asume la presencia de Binf
un sólo usuario que intenta enviar un SMS, es decir, no existe
S= (1)
contienda entre múltiples usuarios por la toma del canal SDCCH.
Tinf
Finalmente, tampoco se asume que las transmisiones puedan ser
interferidas y, en consecuencia, están libres de error de canal. donde Tinf corresponde al tiempo mínimo necesario para
Estas simplificaciones tienen por objeto poder establecer la cota enviar los Binf bits de Información.
máxima de la tasa efectiva de servicio y el mínimo retardo
esperado. A lo anterior se agrega que tampoco se analizan los Dado que en un subcanal SDCCH es posible encapsular 184
retardos introducidos por el servidor de mensajes, que tampoco bits de información, y solamente se puede disponer de sólo un
es parte de este estudio. canal SDCCH para el envío de un SMS, se tiene un límite en
caracteres para el uso de un canal SDCCH. Si el SMS tiene entre
La multitrama puede tener distintas configuraciones, que son 1 y 26 caracteres (codificados a 7 [bits/caracter]) es posible
elegidas por el proveedor de servicios. Se asume una enviar el SMS completamente en un subcanal SDCCH. Si la
configuración SDCCH/8 la que cuenta con 8 canales SDCCH cantidad de caracteres aumenta, también aumenta la cantidad de
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.2/5canales SDCCH que se van a tener que utilizar para su ~ ~ ~
D n = T + TTx + W n (3)
transmisión, disminuyendo evidentemente el throughput debido
al aumento en Tinf,. Esto es debido a que para el caso de utilizar ~
más de un subcanal SDCCH, se deberá esperar la siguiente donde Tn es la variable aleatoria que representa el tiempo
multitrama para seguir transmitiendo la información. entre el arribo del SMS al sistema y el fin del actual subcanal
~
El throughput máximo para distintos números de subcanales SDCCH, y Wn es la variable aleatoria que representa el tiempo
SDCCH utilizados se puede obtener mediante la expresión (2). de espera en la cola.
Para cada caso, Sn corresponde al throughput máximo que se
puede alcanzar al enviar un SMS que necesita n subcanales ~
T TSC
SDCCH asumiendo que se encapsula la máxima información
posible, es decir, 184·n bits de información. (j-1)-ésimo Sub-Canal j-ésimo Sub Canal
n ⋅ 184[bit ] (2)
Sn =
[(n − 1)235.5[ms ]] + [(3 + 1 / 8) ⋅ 4.615[ms ]] Arribo
de SMS#1
Arribo Arribo
de SMS#2 de SMS#3
En la ecuación anterior, n es la cantidad de subcanales
SDCCH necesarios para enviar el SMS. El numerador de la Figura 3: Arribos de SMS al Subcanal SDCCH.
ecuación (2) corresponde a la cantidad máxima de bits enviados
por SMS mientras que el denominador se divide en dos partes. El
primer término corresponde al tiempo de espera entre el subcanal Para calcular el retardo medio, se debe calcular
SDCCH y el siguiente y el segundo término corresponde al
tiempo de envío de los datos en el último canal SDCCH [ ]
~
E Dn = Dn :
utilizado.
Con lo anterior se calculan los distintos valores de throughput
máximo de acuerdo a la ecuación (2) Los resultados se presentan
[ ] [
~ ~
E D n = E T + TTx + W n
~
] (4)
en la Tabla 1. [] ~ ~
[ ]
D n = E T + E [TTx ] + E W n
Largo SMS
[Caracteres]
Número de Subcanales
SDCCH utilizados (n)
Throughput Máximo
[kbps]
Para el cálculo de
~
ET[] que corresponde al tiempo medio
entre el arribo del SMS y el fin del actual subcanal SDCCH, se
0Para evaluar esta expresión se simuló el sistema considerando Como la información contenida en un SMS es 184·n [bits/SMS],
sólo un usuario, mensajes con arribos Poisson los cuales pueden es simple calcular la cantidad de SMS en promedio que ingresan
ser enviados en el primer subcanal SDCCH. Además se al sistema por unidad de tiempo. Para relizar este cálculo se debe
consideraron distintos largos para los mensajes. La tasa de elegir un punto sobre cada curva que posea una throughput lo
arribos al sistema se incrementó desde λ=0 hasta λ= λmax . más alto posible y que no generara un retardo muy elevado. Por
la forma de las curvas, se decidió que los puntos óptimos eran los
Se consideró una fila de largo infinito. Dicha fila se llenó
que se encontraban en los puntos de inflexión de las curvas los
dependiendo de la existencia de mensajes encolados y del
cuales se destacan en la Figura 3. Con estos datos se calcularon
subcanal SDCCH en el cual el mensaje arribó al sistema. Dado
los valores que se presentan en la Tabla 2. En la primera columna
que sólo se puede transmitir en el primer subcanal SDCCH sólo
se aprecia el número de subcanales SDCCCH utilizados por el
en éste se vacía la cola, en todos los otros casos la cola se
SMS y en paréntesis, el número de caracteres que puede contener
incrementa. Para detener la simulación se utilizó un criterio de
un SMS de esas características.
parada el cual consistió en verificar el largo de la cola al final de
cada incremento de la tasa de arribo. Si dicha cola excedía de
manera considerable la cantidad de SMS que se pueden atender Número de Subcanales Retardo promedio Tasa promedio de
en las próximos multitramas, entonces se detienen los SDCCH utilizados (n) [ms] Arribos [SMS/min]
incrementos y se procede a analizar el próximo largo del 1, (1 < L ≤ 26) 316.9 193
mensaje. 2, (26 < L ≤ 52) 587.7 73
3, (52 < L≤ 78) 805.4 46
El resultado de la simulación es una curva de retardo 4, (78 < L ≤ 105) 997.9 31
5, (105 < L ≤ 131) 1175.6 22
promedio en función del throughput para distinto número de 6, (131 < L ≤ 157) 1350.4 17
subcanales SDCCH utilizados. Este gráfico se presenta en la 7, (157< L ≤ 160) 1493.7 14
Figura 3.
Tabla 2: Retardo medio y tasa promedio de
5 arribos para los puntos óptimos
10
n=1 De la tabla anterior se puede apreciar que a medida que el
n=2 largo del SMS a enviar aumenta, también lo hace el retardo
n=4
n=5 promedio. Sin embargo, hay una ventaja comparativa de enviar
n=6 un mensaje más largo que subdividir un mensaje largo en varios
Retardo Medio [ms]
4
10 n=7 mensajes más cortos. También se aprecia de la tabla 2, que al
n=3
aumentar el largo del SMS, disminuye la tasa promedio de
arribos por unidad de tiempo soportada por el sistema.
Adicionalmente al análisis presentado, se estudió el
3
10 comportamiento estadístico de la longitud de los SMS
encuestando a usuarios de distintas compañías. Los resultados de
esta encuesta que abarca a 115 SMS se resumen en la Tabla 3.
2
10 -2 -1 0 1 2
Largo SMS Frecuencia % del total
10 10 10 10 10 [Caracteres] Relativa
Throughput [kbps]
05.- Conclusiones
[Peer00] Guillaume Peersman and Srba Cvetkovic, “The Global
En este documento se presentó una descripción del System for Mobile Communications Short Message
funcionamiento del envío de un SMS en una red GSM, Service”, IEEE Personal Communications, June 2000,
tecnología que posee la virtud de ser soportada por casi todos los páginas 15-16.
terminales de esta red.
[Rap02] Theodore Rappaport, “Wireless Communication,
En el análisis se calcularon los valores máximos de throughput Principles and Practice”, Second Edition. Prentice Hall
instantáneo para SMS de distinta longitud en forma teórica, y se 2002.
contrastaron con resultados obtenidos por medio de simulación.
Se encontró que los valores del throughput máximo teórico [Rom90] Raphael Rom, Moshe Sidi, “Multiple Access Protocols:
coincidían con los entregados por la simulación, lo cual confirmó Performance and Analysis”, Springer-Verlag New
ésta. Además se presentó una característica throughput - retardo York Inc.,1990
para el envío de un SMS en donde fue posible apreciar que a
medida que el largo del SMS aumenta, también lo hace el retardo
(en casi un orden de magnitud), y el throughput percibido por el Reseñas biográficas
usuario disminuye. Alex Alvarado S.: Estudiante de quinto año de Ingeniería Civil
Se demostró la relevancia que tiene en el retardo medio el uso Electrónica con Mención en Telecomunicaciones y Sistemas
de mensajes de menos de 26 caracteres, logrando disminuciones Computacionales y estudiante de Magister en Electrónica en la
máximas en el retardo promedio cercanas a un 400%. Por lo Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile.
anterior, es evidente que al momento de aumentar la carga la red Áreas de desarrollo: Comunicaciones de Datos y Protocolos de
Acceso Múltiple.
enviando SMS en forma persistente y a una tasa del orden de los
cientos de SMS por minuto, la elección del largo del SMS es un Luis Vinnett P.: Estudiante de quinto año de Ingeniería Civil
parámetro muy importante a tener en cuenta. Electrónica con Mención en Telecomunicaciones y Sistemas
Computacionales y estudiante de Magister en Electrónica en la
Para contrastar el análisis con datos reales, se recolectaron Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile.
datos en forma aleatoria y se generó una tabla en donde fue Áreas de desarrollo: Comunicaciones de Datos y Protocolos de
posible apreciar que sólo un porcentaje menor al 15% de los Acceso Múltiple.
SMS enviados son de un largo menor a 26 caracteres.
Walter Grote H.: Ingeniero Civil Electrónico, Universidad
Técnica Federico Santa María, Ph.D. Polytechnic University.
Académico Departamento de Electrónica, Universidad Técnica
6.- Agradecimientos Federico Santa María. Áreas de desarrollo académico: Telefonía,
Comunicaciones de Datos, Redes de Alta Velocidad, Redes de
Esta publicación fue posible, en parte a la generosa colaboración Computadoras y Comunicaciones Inalámbricas.
de Humberto Cartagena, quien en todo momento alentó el trabajo
en este tópico y nos proporcionó de valiosos datos, y también por
el financiamiento parcial por parte del proyecto UTFSM 230322
Referencias
[Aga04] Nilesh Agarwal, Leena Chandran-Wadia, Varsha Apte,
“Capacity Analysis of the GSM Short Message
Service'', Indian Institute of Technology Bombay
Powai, Mumbai 400 076, India, Oct. 2004.
[And01] Andreadis A., Benelli G., Giambene G., Marzucchi B.,
“Analysis of WAP over SMS-GSM”, Dep. of Inf.n
Engineering, University of Siena, Italy, Sep. 2001,
http://www.techonline.com/community/related_content
/14665
[Bri99] Brignol, Brouet, Charrière and Mercier, “Effects of
Traffic Characteristics on the General Packet Radio
Service (GPRS) Performance”, IEEE Vehicular
Technology Conference 1999, página 844.
[Car03] Humberto Cartajena, “Planificación y Dimensiona-
miento de una Red GSM”, Memoria de Titulación,
UTFSM 2003.
Senacitel, Nov. 2004, Valdivia, Chile 35.5/5También puede leer
