Roaming transparente entre redes inalámbricas manteniendo la Calidad de Servicio

Visión General

1. INTRODUCCIÓN

La evolución tecnológica en el dominio de la redes de comunicaciones móviles e inalámbricas se caracteriza, en la actualidad, por la incipiente cooperación de un abanico variado de tecnologías e interfaces de acceso, que se ofrecen al usuario a fin de que seleccione una o varias de ellas en función de sus necesidades y posibilidades concretas. La heterogeneidad citada no debe leerse exclusivamente en clave de las distintas interfaces, sino también en términos de diversidad de terminales e, incluso, del ámbito de gestión y explotación de la propia red.

Con estas condiciones de contorno, se hace evidente adivinar escenarios en los que los usuarios deambulan por las distintas redes, de forma que inician conexiones en una tecnología concreta y, a lo largo de las mismas, se producen traspasos a otras, en virtud de atributos relativos a la calidad de servicio, coste u otras consideraciones que pueden emanar tanto desde la perspectiva de los usuarios como del propio operador.

2. ÁMBITO DE APLICACIÓN Y OBJETIVOS

Derivado del fenómeno de globalización que se está viviendo, se da, de forma cada vez más intensa, la necesidad de cubrir requerimientos de comunicación en un mayor número de entornos, a saber, trabajo, hogar, lugares de ocio, transporte, etc., a fin de que el usuario final perciba ubicuamente la presencia de las distintas infraestructuras y que además éstas se le ofrezcan como un todo independientemente del patrón de movilidad que le caracteriza.

Con objeto de concretar el alcance del estudio realizado, en este trabajo se identifican, analizan, postulan y evalúan soluciones en entornos muy específicos: hogar, oficina, transporte público y provisión de servicios en situaciones de emergencia.

2.1 HOGAR Y OFICINA

Un hogar u oficina típica suele estar equipado con una red de área local tipo Ethernet o WiFi, que a su vez se conecta a Internet a través de infraestructuras de banda ancha. Adicionalmente, los usuarios pueden también conectarse a Internet, a través de una interfaz radio del tipo GPRS/UMTS, a la vez de que dispone de otras infraestructuras domóticas y/o de corto alcance que le ayudan a disponer de una serie de servicios de seguridad y aplicaciones de control y contextualización.

En estas condiciones es deseable que el usuario acceda a cualquier servicio del hogar/oficina estando o no inmerso en dicho entorno, o que pueda ejecutar traspasos horizontales y/o verticales con total transparencia. Así, por ejemplo, en el caso de un usuario accediendo a un servicio vía GPRS, que en un momento dado entra en su vivienda, el sistema debe ser capaz de reaccionar cognitivamente ante tal situación, solicitando la ejecución de un traspaso a la red WiFi, dadas las repercusiones que ello tiene en términos de coste y calidad.

2.2 TRANSPORTE PÚBLICO

El transporte público es uno de los entornos donde el usuario suele pasar gran parte de su tiempo. En el presente trabajo, el estudio se centra en el ámbito del ferrocarril, por ser uno de los medios de transporte público más empleado, especialmente en Europa, por aquellos usuarios que se deben trasladar diariamente entre dos localidades que se encuentran a una distancia media.

Estando el servicio de voz bastante extendido en todos los medios de transporte (incluso en el metro), las nuevas tecnologías pueden dar ya un paso más, permitiendo también el acceso a servicios de banda ancha, pudiendo el usuario aprovechar el tiempo del trayecto tanto para trabajar (conectándose a la intranet de su oficina), como para entretenerse (acceso a Internet para navegación, juegos on-line, video streaming, chats…).

Cabe concebir un escenario en el que el conjunto de vagones y elemento de tracción disponga de varias redes WiFi que den soporte a las potenciales necesidades de conexión entre los viajeros. A su vez, ésta u otra red equivalente, dará acceso a otras redes de ámbito más global, de forma que los usuarios también puedan conectarse habilitando el acceso a Internet. La red de comunicación con el exterior dependerá en cada momento de la situación del tren. Por ejemplo, será un acceso UMTS en áreas urbanas, GPRS en áreas rurales, WiFi si se encuentra en una estación e, incluso, podría tratarse de un acceso vía satélite en los casos en los que el tren no se encuentre en el interior de un túnel.

2.3 REDES AD-HOC DE EMERGENCIA

Las situaciones de emergencia requieren, en muchas ocasiones, del despliegue inmediato de redes ad-hoc (esto es, redes que no precisan de una labor de planificación previa), las cuales se constituyen de forma dinámica según las necesidades que surgen en cada momento. Dada la improvisación con que estas infraestructuras deben trabajar, se caracterizan por unas peculiaridades específicas que es importante analizar, como son la robustez y la flexibilidad.

También hay que tener en cuenta el hecho de que dado el conjunto de cuerpos y entidades que participan en una situación de catástrofe, se deben concebir soluciones que permitan articular mecanismos de cooperación entre las diferentes redes y servicios, con el objetivo de que además de facilitar la colaboración entre ellos, siempre quede garantizada la comunicación con las respectivas estructuras de control.

A modo de ejemplo, seguidamente se describe lo que podría ser un caso de usuario para este entorno, en términos de infraestructuras y dispositivos:

* El personal de primeros auxilios dispone de una red de área personal que incluye PDA, cámaras, sensores e instrumentos que se comunican utilizando tecnologías de corto alcance como Bluetooth y UWB. También disponen de comunicación con las ambulancias mediante redes de área local tipo IEEE 802.11x/IEEE 802.16.
* Las ambulancias se comunican entre sí y con otros servicios de emergencia vía redes "troncales" (GPRS/UMTS o infraestructura satelital).
* Los coordinadores de los distintos cuerpos de actuación tendrán acceso a información geográfica o detalles de, por ejemplo, un edificio, a través de las mencionadas redes troncales. A la vez se comunican con sus compañeros a través de una red ad-hoc, la cual sirve de soporte para transmitir detalles de parámetros ambientales críticos a la hora de tomar decisiones en relación a la seguridad de los individuos implicados.

3. ARQUITECTURA DEL SISTEMA

Para definir una arquitectura, en el proyecto Easy Wireless se han considerado diversos criterios de diseño. Uno de ellos es relativo a la independencia que deberían tener las soluciones de movilidad y calidad de servicio (QoS), manteniendo a su vez una estrecha comunicación a la hora de tomar decisiones para la realización del traspaso. Igualmente, es importante definir claramente la infraestructura sobre la cual se desarrollará la arquitectura del proyecto. En el entorno de comunicación extremo-a-extremo planteado por aquél, se identifican básicamente dos tipos de redes: una red fija y una red de acceso inalámbrico, como se muestra en la Figura:
Arquitectura del proyecto EW

Según lo mencionado anteriormente, la arquitectura propuesta identifica principalmente tres entidades que serán descritas a continuación:

Agente de dominio (EWDA)
El EWDA (Easy Wireless Domain Agent) es la entidad que gestiona los procesos de QoS y movilidad dentro del WND. Puede ser una entidad independiente o puede estar integrada dentro de uno de los elementos de la red de acceso inalámbrico. Se comunica con otros EWDA para finalizar los procesos necesarios una vez que se ha completado el traspaso entre dominios.

Agente del servidor (EWSA)
El agente del servidor, denominado EWSA (Easy Wireless Server Agent), se encuentra alojado en los nodos correspondientes (CN) junto con las aplicaciones servidor. Se implementa como una entidad middleware sin que sea necesario cambiar las aplicaciones servidor que están siendo ejecutadas, sino interactuando con ellas, jugando su papel de adaptación de servicio.

Agentes Móviles (EWMA)
Los agentes móviles o EWMA (Easy Wireless Mobile Agent) están localizados en los terminales móviles y realizan diferentes papeles debido al hecho que la arquitectura propuesta sigue una solución centrada en el usuario. Se relaciona de forma muy estricta con el EWDA para gestionar todos los procesos necesarios antes de efectuar el traspaso.

Las entidades anteriores se componen de diversos módulos orientados a dar solución a los aspectos tanto de movilidad como de QoS.

3.1 MÓDULOS PARA LA CALIDAD DE SERVICIO

Cuando un terminal móvil se mueve entre diferentes redes inalámbricas, se deben ejecutar varios procedimientos de señalización relacionados con los métodos de mantenimiento de la QoS, necesarios tanto antes como después de que la solución de movilidad haya realizado el traspaso entre redes. Cada una de las tres entidades de la arquitectura es responsable de un número de funcionalidades diseñadas para aspectos específicos de QoS.
Model de referencia de EW

La figura anterior muestra el modelo de referencia de la arquitectura Easy Wireless en el que se muestran los principales módulos relacionados con QoS. A continuación se describen brevemente las funcionalidades de las entidades desde el punto de vista de QoS:

* El EWDA se encarga de reservar los recursos necesarios en la red destino del traspaso y de comunicarse con el EWDA de la red origen para liberar los recursos después de que aquél ha finalizado. Si no logra reservar los recursos necesarios, se lo comunica al EWMA para que éste solicite al EWSA la adaptación de sus servicios a los recursos disponibles en ese momento.
* El EWSA adapta las aplicaciones en el CN en función de los actuales recursos disponibles en la red.
* El EWMA está estrictamente relacionado con el EWDA, al cual pregunta acerca de los recursos asignados, según los requisitos de QoS del terminal, antes de llevar a cabo el traspaso. Al mismo tiempo, implementa los mecanismos necesarios para mantener la QoS antes y después del procedimiento. También gestiona los interfaces inalámbricos que incorpora el terminal móvil, así como las conexiones con las redes que están involucradas en el proceso de traspaso. Además, implementa señalización extremo a extremo con el EWSA para disparar la adaptación de servicios, en caso de ser preciso (cuando la red inalámbrica de destino no puede asignar los recursos necesarios).

3.2 MÓDULOS PARA LA CONTINUIDAD DE SERVICIOS

Módulos de la arquitectura de continuidad de servicios

En la figura anterior se muestra la arquitectura de continuidad de servicio adoptada en el marco del proyecto, en la que de nuevo se divide la funcionalidad a desempeñar en una serie de módulos. La solución tecnológica concreta para cada módulo, incluso su necesidad o no, dependerá del área de aplicación considerada.

La responsabilidad de cada uno de los módulos es la siguiente:

* Módulo de descubrimiento y monitorización de redes. Es el responsable de monitorizar qué redes están disponibles, qué parámetros de conexión se necesitan y qué recursos hay en cada una de ellas (por ejemplo: retardo, ancho de banda, relación señal-ruido, pérdida de paquetes, consumo energético, etc.). En este módulo juegan un papel fundamental los agentes de medidas.
* Módulo de políticas y decisión de handover. Decide cuándo hacer el traspaso de una red a otra, según unas determinadas reglas. Los parámetros de QoS (por ejemplo, retardo y ancho de banda disponibles) guiarán esta decisión. Este módulo también gestiona el traspaso de manera que se realice de forma rápida y transparente.
* Módulo de gestión de movilidad. Se encarga de llevar a cabo de forma efectiva el traspaso. La solución concreta depende del área de aplicación, de manera que podemos identificar tres tipos de módulos:
o Gestión de movilidad de nodo final, para el traspaso entre redes WLAN y celulares en el ámbito del hogar y la oficina.
o Gestión de conmutación a bordo (On-board Services Switch, OSS), para el entorno del transporte público.
o Gestión de movilidad en redes ad-hoc en situaciones de emergencia.
* Módulo de adaptación de servicios. Se encarga de notificar a la aplicación sobre los cambios que acontecen a nivel de red y que pueden afectarle, de manera que ésta se pueda adaptar a ellos (por ejemplo, el menor ancho de banda disponible, que puede hacer que la aplicación use un codec diferente para codificar el vídeo que está enviando).
* Otros módulos. Otros módulos opcionales que puedan estar presentes, dependiendo de las necesidades, como son, por ejemplo, el de descubrimiento de servicios en el entorno, el de conformación de tráfico para adaptarse al ancho de banda de la red, el de seguridad, etc.

http://www.moviquity.com/easywireless/overview.html