La señal en el tiempo: latencia, capacidad o cómo ordenar el aire

A raíz de unas capturas de espectro en el tiempo que me pasó un operador cliente nuestro, se me ocurrió escribir un post rápido en Linkedin (está aquí). Ahora, pasados unos días, me he decidido a contar con un poco más de detalle la importancia que tiene para el operador de una celda de acceso radio la estructura en el tiempo que usen sus equipos. La forma en la que el protocolo radio organiza la señal en el tiempo es clave ya que afecta a tres parámetros que son críticos a la hora de sacar el máximo rendimiento a los equipos:

  1. Capacidad neta de la celda.
  2. Latencia round-trip y el jitter o variación de la latencia.
  3. Distancia máxima de cobertura.

Vamos a imaginarnos un sistema que hace lo siguiente: cuando llega un paquete a la BS (o al AP en términos WiFi), este se envía al aire de forma inmediata si no hay nadie usando el medio, o se espera un tiempo aleatorio si se está usando. Además, el sistema espera un ACK del equipo CPE (terminal) para poder volver a transmitir. En esta figura se puede ver el mecanismo básico. Packet and Ack En primer lugar, ¿cómo afecta esta estructura en el tiempo a la capacidad neta de una celda? Si lo pensamos bien, cada paquete ha de ir desde la BS hasta el terminal y el terminal ha de contestar. Esto implica que la señal ha de hacer dos viajes entre BS y CPE por cada paquete. Si tenemos en cuenta que cada km recorrido le lleva a la luz (a la velocidad a la que se propaga la señal radio en el aire) 3.3 us, esto significa que cada km deja sin uso el enlace durante 6.6us (para ir y volver). Puede parecer poco, pero si tenemos en cuenta que un paquete de 1500bytes a 56Mbps tarda en emitirse 210us, un terminal a 10km del AP pierde un 33% del tiempo en propagación, por cada paquete. Si en lugar de asumir paquetes de 1500bytes, suponemos paquetes más habituales en internet de 300bytes, nos vamos a una pérdida de capacidad neta de más del 60%. Además, hemos conseguido hacer una cosa: que la capacidad de la celda no sea algo predecible. Un equipo no puede transmitir si el medio está ocupado y si lo hace ha de esperar al ACK. Es decir, no podemos tener la certeza de en qué momento vamos a transmitir y si lo hacemos cuándo volveremos a poder hacerlo. La capacidad no se puede predecir.

En segundo lugar, ¿cómo afecta esta estructura en el tiempo a la latencia? A priori la latencia va a ser la menor posible: un paquete llega al equipo y se transmite inmediatamente, ¿no?. Pero también hemos dicho que el AP (o BS) no puede transmitir en un momento dado si el canal está en uso. Es decir, si en un momento determinado algún terminal está transmitiendo (un ACK o un paquete de subida), el AP ha de esperar durante un tiempo. Esto mismo le ocurre a los terminales. Es decir, el momento de transmisión es un momento aleatorio y por lo tanto, cuanto mayor sea la carga de la celda, mayor será la latencia y sobre todo, mayor será la variación de la latencia o jitter.

Por último, ¿cómo afecta esta estructura en el tiempo a la distancia máxima de cobertura? Uno se puede imaginar que dado que según aumenta la distancia, disminuye la capacidad disponible, cuanto más lejos nos llevemos a los terminales, menor capacidad tendremos. Ya no es una mera cuestión de señal o de tamaño de antenas, si no de los tiempos de conmutación entre transmisión y recepción. ¿Existe una solución a este problema? Sí: hemos de agregar el tiempo de bajada y el tiempo se subida. Fíjate en este nuevo esquema:

Tramas

En este sistema hemos gestionado la señal de la siguiente manera: la BS organiza el tiempo en tramas que divide en un tiempo para el downlink (DL) y un tiempo para el uplink (UL). En el tiempo de downlink envía todos los paquetes, uno detrás de otro, para todos los terminales. En el tiempo de uplink asigna slots a los diferentes terminales en función de las necesidades de cada uno. Además, la BS controla de forma precisa el tiempo de cada terminal para que ninguno pise a otro y puedan transmitir sin dejar ningún hueco entre ellos.

Dicho de otra manera, acabamos de describir el sistema IEEE802.16 :),  llamado WiMAX (aunque nosotros preferimos AerDOCSIS). Este sistema de acceso al medio permite:

  1. Reducir al mínimo el impacto del tiempo de propagación en el tráfico neto de una celda.
  2. Mantener una latencia constante a pesar de tener terminales a diferentes distancias o de tener más o menos saturada la celda, eso sí, con una latencia base ligeramente superior a la de los sistemas anteriores (que puede ser tan baja como 9ms RTT)
  3. Maximizar el radio de cobertura de una celda.

Pero, ¿y en la realidad esto es así? Fíjate en las siguientes capturas. Estas han sido tomadas en una torre en producción. En ellas había una BS ARBA Access de Albentia a plena carga y un AP Ubiquiti también a plena carga. Usando otro equipo se hizo un análisis espectral y estas son las trazas de la señal en el tiempo de cada equipo.

En esta primera captura se ve una BS 802.16 ARBA Access de Albentia. Se pueden ver las tramas de DL repitiéndose cada 10ms (según estaba configurada la BS) y algunos slots de subida de terminales activos.

Señal BS ARBA Access 802.16
Señal ARBA Access en el tiempo: trama estructurada en DL y UL

En esta segunda captura se ve la señal en el tiempo del AP Ubiquiti, también a plena carga. No se aprecia una estructura de trama, ya que el envío y la recepción de paquetes se hacen de forma directa.

Señal en el tiempo de un AP Ubiquity a plena carga
Señal en el tiempo de un AP Ubiquiti a plena carga: trama desestructurada

¿Y cuál es el resultado? Nuestro cliente, operando estos dos equipos en la misma torre nos comentaba que:

  • La BS ARBA con trama 802.16 le estaba cursando unos 25.5Mbps netos en Downlink, en un canal de 10MHz y una polarización.
  • El AP Ubiquiti, con una trama desestructurada, estaba cursando unos 12Mbps netos en Downlink, en un canal de 20MHz y doble polarización.

Si tenemos en cuenta estos datos, la capacidad por MHz del sistema con trama estructurada, en este escenario, está más de 8 veces por encima del sistema con trama desestructurada.

Échale un ojo a esta captura: el tráfico medido en tiempo real en la celda, 10MHz, 1 polarización, nivel medio-alto de interferencia.

Tráfico en la BS con una trama estructurada
Tráfico en la BS con una trama estructurada
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