Herramientas para el dimensionamiento y planeación de una ...

HERRAMIENTAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO Y PLANEACIÓN DE UNA RED WIFI

BASADO EN LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO

Trabajo de Grado Ingeniería Electrónica

Autor

David Fernando Ricaurte Osorio

Director

Daniel Jaramillo Ramírez Ph.D.

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERINA

FACULTAD DE INGENERÍA

DEPARAMENTO INGENERÍA ELECTRÓNICA

2017

Agradezco primero a Dios, a mi familia por su apoyo incondicional en mi crecimiento como Ingeniero

Electrónico y a mi director de trabajo de grado por su incansable labor al dirigir este proyecto.

Tabla de Contenido.

Tabla de Contenido.

Tabla de Contenido. ...................................................................................................................... 5

Índice de Figuras ........................................................................................................................... 8

Índice de Tablas ............................................................................................................................. 9

1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1

2 CAPÍTULO II OBJETIVOS ................................................................................................. 2

2.1 Objetivo General ......................................................................................................................................... 2

2.2 Objetivos Específicos .................................................................................................................................. 2

2.3 Alcances del trabajo de Grado. .................................................................................................................. 2

3 CAPÍTULO III MARCO DE REFERENCIAS .................................................................. 3

3.1 Capa física 802.11 ....................................................................................................................................... 3

3.2 Familias 802.11............................................................................................................................................ 6

3.3 Capa de enlace 802.11 ................................................................................................................................. 6 3.3.1 LLC .......................................................................................................................................................... 7 3.3.2 MAC ........................................................................................................................................................ 7

3.4 Arquitectura de Red utilizadas en WIFI. ................................................................................................ 10 3.4.1 Modo ad-hoc .......................................................................................................................................... 11 3.4.2 Modo Infraestructura .............................................................................................................................. 11

3.5 Clasificación de clientes. ........................................................................................................................... 12 3.5.1 Tráfico UDP ........................................................................................................................................... 13 3.5.2 Tráfico TCP ............................................................................................................................................ 13

3.6 Indicadores de Desempeño Red WIFI ..................................................................................................... 13

4 CAPÍTULO IV DESARROLLO ........................................................................................ 14

4.1 Modelos matemáticos para el dimensionamiento de una red WIFI basado en los parámetros de

desempeño. ............................................................................................................................................................. 14 4.1.1 Comparación cuantitativa y Cualitativa de las bandas de frecuencia de 2.4 GHz y 5 GHz. ...................... 14 4.1.2 Link Budget. ........................................................................................................................................... 16

4.2 Modelamiento del Tráfico y Teoría de Colas para el modelamiento de Access Point ............................ 18 4.2.1 Modelos de Tráfico ................................................................................................................................. 19 4.2.2 Modelos de Colas ................................................................................................................................... 20

Tabla de Contenido. Universidad Javeriana

4.3 Desarrollo del dimensionamiento en Software y su Interfaz gráfica. ..................................................... 22

4.4 Caracterización y modelamiento escenario de prueba. ........................................................................... 37 4.4.1 Función de Nodo Oculto ......................................................................................................................... 38 4.4.2 Estructura y Estados del Simulador. ........................................................................................................ 38

5 CAPÍTULO V PROTOCOLO DE PRUEBAS .................................................................. 45

5.1 Variación de los Parámetros del Simulador ............................................................................................ 45

5.2 Creación y Verificación de diferentes Escenarios con Parámetros de Probabilidad de bloqueo y Tasa de

Transmisión Comunes. .......................................................................................................................................... 46

6 CAPÍTULO VI ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 46

6.1 Verificación Simulador a 2 Mbps ............................................................................................................. 46

6.2 Verificación Simulador a 11 Mbps ........................................................................................................... 47



6.5 Verificación Simulador a 150 Mbps ......................................................................................................... 48

6.6 Verificación Simulador a 400 Mbps ......................................................................................................... 49

6.7 Resultados y Verificación ......................................................................................................................... 49

6.8 Caso 802.11 b Dimensionamiento. ............................................................................................................ 50

6.9 Caso 802.11 a Dimensionamiento. ............................................................................................................ 51

6.10 Caso 802.11 g Dimensionamiento. ............................................................................................................ 52

6.11 Caso 802.11 n Dimensionamiento. ............................................................................................................ 52

6.12 Caso 802.11 ac Dimensionamiento. .......................................................................................................... 54

7 CAPÍTULO VII CONCLUSIONES ................................................................................... 55

8 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 56

9 ANEXOS ............................................................................................................................... 56

9.1 Repartición del Canal 2.4 GHz ................................................................................................................. 57

9.2 Repartición del Canal 5 GHz.................................................................................................................... 57

9.3 Casos LOS estudiados ............................................................................................................................... 58

Universidad Javeriana

9.4 Posibles Casos para Ubicar_nuevosAP .................................................................................................... 60

9.5 Gráficas Anexas Simulador sin RTS/CTS con tráfico simple. ................................................................ 62

9.6 Gráficas Anexas Simulador con RTS/CTS con tráfico simple. ............................................................... 63

9.7 Visualización Prueba 802.11 b .................................................................................................................. 65

9.8 Visualización Prueba 802.11 a .................................................................................................................. 65

9.9 Visualización Prueba 802.11 g .................................................................................................................. 66

9.10 Visualización Prueba 802.11 n .................................................................................................................. 66

9.11 Visualización Prueba 802.11 ac ................................................................................................................ 67

9.12 Link Archivos.m en Matlab. ..................................................................................................................... 67

Índice de Figuras Universidad Javeriana

Índice de Figuras

Figura 3.1 OFDM Canales para IEEE 802.11 b-g banda de 2.4 GHz ........................................................... 4

Figura 3.2 OFDM Canales para IEEE 802.11a banda de 5 GHz .................................................................. 4 Figura 3.3 Cobertura y Tasa de transmisión 802.11b/g/n ............................................................................. 5 Figura 3.4 Capa de Enlace 802.11 del IEE y Subdivisión. ........................................................................... 7 Figura 3.5 CDMA Utilización de los códigos para ensanchar el ancho de banda. ........................................ 8

Figura 3.6 RTS/CTS funcionamiento para una familia IEEE 802.11g. ...................................................... 10 Figura 3.7 Parámetros y Términos importantes WIFI. ............................................................................... 11 Figura 4.1 Desarrollo trabajo de grado. ...................................................................................................... 14 Figura 4.2 Fenómeno de Pathloss en Función de la Distancia y la Frecuencia de trabajo .......................... 17

Figura 4.3 Potencia Recibida Plano x y Radial en 2.4 GHz...................................................................... 18 Figura 4.4 Potencia Recibida Plano x y Radial en 5 GHz ........................................................................ 18 Figura 4.5 Modelamiento de un tráfico UDP con MMPP por medio de Matlab ......................................... 19 Figura 4.6 Diagrama de Estados M/M/1..................................................................................................... 20

Figura 4.7 Diagrama de Estados M/M/k..................................................................................................... 21 Figura 4.8 Menú de iniciación ................................................................................................................... 24 Figura 4.9 Interfaz para ingresar los parámetros físicos. ............................................................................ 25 Figura 4.10 GUIDE parámetros físicos ...................................................................................................... 26

Figura 4.11 Funcionalidad Dibujar y AP's ................................................................................................. 27 Figura 4.12 Ubicación del primer AP por medio del centro de masa. ........................................................ 28 Figura 4.13 Cálculo de la Línea de vista (LOS) ......................................................................................... 29 Figura 4.14 Ubicación AP vecinos por LOS .............................................................................................. 30

Figura 4.15 Potencia Recibida y SNR a partir del Link Budget. ................................................................ 31 Figura 4.16 Diagrama de Flujo Análisis Capa Física. ................................................................................ 32 Figura 4.17 Diagrama de Flujo Dimensionamiento con QoS .................................................................... 33 Figura 4.18 Ubicación parámetros QoS y Constante tasa de bit por usuario. ............................................. 34

Figura 4.19 Diagrama de Flujo Reasignación de Canales. ......................................................................... 36 Figura 4.20 Ejemplo asignación de canales. ............................................................................................... 37 Figura 4.21 Diagrama de Estados Simulador 1 – 3 .................................................................................... 39 Figura 4.22 Diagrama de Estados para el simulador con RTS/CTS ........................................................... 40

Figura 4.23 Eficiencia del Canal. ............................................................................................................... 41 Figura 4.24 Probabilidad de NO colisión. .................................................................................................. 42 Figura 4.25 Número de Colisiones Simulador 1. ........................................................................................ 43 Figura 4.26 Numero de Colisiones Simulador 2. ........................................................................................ 43

Figura 4.27 Eficiencia de un Canal con TCP y UDP ambos al 50 % del número total de Usuarios. .......... 44 Figura 4.28 Numero de Colisiones UDP -TCP. .......................................................................................... 44 Figura 6.1 Eficiencia a 2 Mbps a 10 m. ...................................................................................................... 46 Figura 6.2 Eficiencia a 11 Mbps a 10 m. .................................................................................................... 47

Figura 6.3 Eficiencia 15 Mbps a 10 m ........................................................................................................ 47 Figura 6.4 Eficiencia 54 Mbps. .................................................................................................................. 48 Figura 6.5 Eficiencia 150 Mbps ................................................................................................................. 48 Figura 6.6 Eficiencia 400 Mbps ................................................................................................................. 49

Figura 6.8 Validación Prueba con 802.11b................................................................................................. 50

Índice de Tablas Universidad Javeriana

Índice de Tablas

Tabla 3-1 Tabla Comparativa entre las familias del estándar 802.11 del IEEE. ........................................... 6

Tabla 3-2 Clasificación de clientes según la aplicación o servicio. ............................................................ 12 Tabla 3-3 clasificación de los clientes según el dispositivo y tecnología usada. ......................................... 12 Tabla 3-4 Indicadores de desempeño de una red WIFI............................................................................... 13 Tabla 4-1 requerimiento de potencia de la FCC para la Banda de 5GHz ................................................... 16

Tabla 4-2 Potencia Transmitida en 2-4 GHz y EIRP esperado. ................................................................ 16 Tabla 4-3 Tasa de transmisión en función del radio de cobertura. .............................................................. 35 Tabla 5-1 Protocolo de pruebas 1. .............................................................................................................. 45 Tabla 6-1 Parámetros de Entrada Caso 1. ................................................................................................... 50

Tabla 6-2 Parámetros de Entrada Caso 2. ................................................................................................... 51 Tabla 6-3 Validación Prueba con 802.1a .................................................................................................... 51 Tabla 6-4 Parámetros de entrada Caso 3 .................................................................................................... 52 Tabla 6-5 Validación Prueba con 802.11g.................................................................................................. 52

Tabla 6-6 Parámetros de Entrada Caso 4 .................................................................................................... 53 Tabla 6-7 Validación Prueba con 802.11n.................................................................................................. 53 Tabla 6-8 Parámetros de Entrada Caso 5 .................................................................................................... 54 Tabla 6-9 Validación Prueba con 802.11ac ................................................................................................ 54

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN Universidad Javeriana

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1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

Hoy en día se pueden encontrar numerosas formas de diseño para redes WiFi (Familias de protocolos IEEE

802.11). Sin embargo, la mala planeación y dimensionamiento de estas redes afectan la cobertura, el tiempo

de respuesta, latencia en la conexión de usuarios y generan una reducción en la capacidad del rendimiento

de red; todo esto se ve reflejado en una mala experiencia para el usuario, que a la larga calificará el servicio

como deficiente, lo anterior se puede observar en salas de aeropuertos, hoteles, aulas, centros médicos y

lugares públicos en general. Escenarios comunes como los mencionados anteriormente se prestan a la

saturación y solapamiento de canales, ocasionando directamente interferencia entre las redes inalámbricas.

Contar con una red inalámbrica capaz de soportar las diferentes necesidades de los clientes es una ventaja

en cualquier aspecto. La versatilidad y la rápida instalación de una red inalámbrica la convierten en uno de

los métodos más utilizados para conectarse a internet. El crecimiento de dispositivos IoT (Internet de las

Cosas por sus siglas en inglés) y la cantidad de usuarios dispuestos a entrar a internet sin necesidad de estar

conectados por cables (alámbrico), han resaltado la importancia en la identificación y clasificación de los

parámetros de desempeño de una red WiFI (WiFi network performance indicators en inglés).

Las redes WiFi están creciendo de manera exponencial en cuanto a su uso. Las diferentes necesidades de

sus clientes hacen que se piense en una mejor forma para transmitir con una tasa mayor, mejor calidad de

la información y un mejor desempeño de la red. Esto exige mayor apoyo y seguimiento al correcto

funcionamiento de estas redes. Su correcto dimensionamiento es fundamental para cumplir con los ítems

anteriores y en particular facilitar el enlace entre clientes a una banda de frecuencia, el uso eficiente del

espectro, su intensidad y cobertura en la señal y la demanda de clientes que la red va a soportar. Los

anteriores indicadores son fundamentales para poner en funcionamiento una red WLAN. Una red mal

dimensionada afectará directamente al usuario o cliente y trae consigo pérdida en la información, mal uso

del canal y una baja eficiencia en la transmisión de bits. Dimensionar una red WiFi con base en los

parámetros de desempeño (entendiendo sus ventajas y desventajas) proporciona una ayuda directa para

mejorar en futuros diseños de redes inalámbricas basadas en el protocolo 802.11 del IEEE y todas sus

familias.

Al finalizar el tercer trimestre del 2016 en Colombia, el número de conexiones a internet banda ancha

alcanzó los 14 millones de usuarios, según el boletín trimestral de las TIC del tercer trimestre año 2016. Se

puede afirmar entonces que a medida que pasa el tiempo, una buena conexión a internet es necesaria para

la rutina diaria en la población colombiana. De esta forma el trabajo de grado aquí propuesto proporciona

una metodología (escrita y en formato digital) para identificar y comprender la forma de utilizar los

parámetros de desempeño, los cuáles serán importantes en la forma correcta de utilizar el software en

Matlab.

El trabajo de grado que se presenta a continuación está dividido en dos partes fundamentales, la primera

es la documentación teórica que dará la base para el desarrollo del software y el escenario de prueba

necesarios para el análisis de los resultados; la segunda parte se basa en el desarrollo y la implementación

de la teoría en Matlab.

CAPÍTULO II OBJETIVOS Universidad Javeriana

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2 CAPÍTULO II OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

Desarrollar una metodología para el dimensionamiento y planeación de una red WiFi basada en indicadores

de desempeño, por medio del desarrollo de un software utilizando Matlab.

2.2 Objetivos Específicos

1. Analizar y clasificar los indicadores de desempeño de una red WLAN, bajo el protocolo

802.11

2. Distinguir las características de la capa de enlace y la capa física para los diferentes

protocolos, de la familia 802.11 del IEEE.

3. Identificar el impacto en el rendimiento de una red WLAN según la caracterización de los

clientes, clasificados con base en el tipo de servicio, densidad, velocidades de transmisión,

persistencia y tipo de dispositivo utilizado para la conexión.

4. Modelar el rendimiento de la red WLAN, según el escenario físico, la topología de red

utilizada, las bandas de frecuencia, ancho de banda utilizado y la infraestructura de la red

(número de APs, STA, etc.).

5. Diseñar e implementar un programa en Matlab, que permita dimensionar diferentes casos

de redes WLAN con los requerimientos de QoS (quality of service) según el protocolo

802.11.

2.3 Alcances del trabajo de Grado.

En este trabajo de grado se desarrolló una metodología que permite el dimensionamiento y la planeación de

una red WIFI basada en algunos de los parámetros de desempeño, como lo son la potencia recibida, la

cobertura, la reducción de la interferencia entre canales vecinos o de la misma tecnología, la capacidad

máxima de usuarios activos que puede atender un AP de WIFI y la clasificación de clientes por el tipo de

servicio que requiera. No se consideran más parámetros de desempeño, sin embargo, eso no significa que

no se puedan desarrollar en un trabajo futuro.

Por medio de una exhaustiva documentación teórica, se construyeron diferentes tablas comparativas

entre todas las familias 802.11 mostrando sus características en la capa física.

Se encuentran modelos matemáticos para modelar las velocidades de transmisión en función de la

distancia al AP y el número de usuarios activos sobre la región de cobertura.

Se realiza la comparación cualitativita y cuantitativa de las 2 bandas de frecuencia reservadas para

WIFI.

Termina con el modelamiento del tráfico según aplicaciones y sus efectos en la red, para luego

implementarlas en el dimensionamiento.

CAPÍTULO III MARCO DE REFERENCIAS Universidad Javeriana

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3 CAPÍTULO III MARCO DE REFERENCIAS

3.1 Capa física 802.11

El estándar 802.11 admite cuatro diferentes tipos de capas físicas por parte de 4 tecnologías diferentes:

Infrarojo (IF), Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Direct Squence Spread Spectrum (DSSS) y

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). En la actualidad existe una variedad numerosa de

familias IEEE 802.11 (802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n y 802.11ac son los más utilizados), el objetivo

principal en cada familia es hacer posible la compatibilidad con el estándar IEEE 802.3 (Ethernet) que

abarca la mayoría de las redes alámbricas. A continuación, se muestran las principales capas físicas

utilizadas en los anteriores estándares. [1]

Infrarojo (IF): Esta tecnología utiliza PPM (Pulse position modulation en inglés). Comúnmente

esta modulación de pulsos utiliza pequeños pulsos de alta potencia y un pequeño ciclo útil como

estrategia para combatir el ruido. Esta tecnología no es muy utilizada para el 802.11 ya que IF

requiere de una conexión con una línea de vista (line of sight en inglés) para que no se pierda

la conexión.

DSSS: Esta tecnología es usada principalmente cuando se tiene un protocolo de acceso al medio

como CDMA. En esta tecnología la información que se quiere transmitir se divide en trozos en

donde a cada uno se le asigna una banda de frecuencia o canal del espectro. A cada división es

necesario multiplicarla por un código de banda ancha de pseudo ruido (PS Pseudo-noise code

en inglés) o multiplicarlo por un código inteligente (smart code en inglés) conocidos por el

emisor y receptor en el sistema de comunicación. Una característica principal de DSSS es que

genera una especie de código de redundancia para cada bit transmitido; Esta especie de código

se llama código Chip. Entre más largo sea el código, más grande será la probabilidad de

recuperar la información.

FHSS: Se utiliza una portadora de banda angosta con diferentes saltos de frecuencia en la

portadora, donde este patrón de salto solo es conocido por el receptor y el emisor. Su

sincronización se realiza en un único canal lógico. además, es muy utilizada para aplicaciones

militares ya que su característica principal frente a receptores no deseados es el parecido con

un pequeño impulso de ruido (short-duration impulse noise en inglés).

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): es considerada la tecnología más

apropiada para WIFI (IEEE 802.11). Es clasificada como una transmisión de varias portadoras

(multicarrier technique en inglés) que soporta una tasa de transmisión alta en ambientes donde

prevalecen fenómenos de caminos o trayectos múltiples (multipath en inglés) y

desvanecimiento (fading en inglés). OFDM divide el espectro disponible en un determinado de

«sub-portadoras», las cuales están a cargo de un canal del espectro. Las sub-portadoras son

diseñadas de tal manera que todas sean ortogonales entre sí. Esto permite que la separación

entre ellas no sea tan grande y eliminando la banda de guarda en el espectro. la ortogonalidad

de las sub-portadoras se logra tras dividir la portadora por un número entero que sea capaz de

evitar la interferencia entre símbolos. Los sistemas OFDM utilizan la transmisión de datos por

medio de ráfagas (Brust en inglés) para combatir la interferencia entre símbolos (ISI en inglés)

causada por el retardo de la señal. Cada ráfaga de datos es compuesta por un prefijo cíclico para

combatir el fenómeno de los caminos múltiples para llegar al receptor. Otra ventaja que OFDM

posee sobre las otras tecnologías del estándar, es la eficiencia al combatir problemas


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relacionados con trayectos múltiples en la señal. OFDM para IEEE 802.11 también cuenta con

un sistema de adaptación de canal (en inglés Link Adaptation) que permite escoger la tasa de

transmisión adecuada. Esto se muestra en la Figura 3.1 y en la Figura 3.2 tomadas de internet

en https://boundless.aerohive.com/experts/wi-fi-back-to-basics--24-ghz-channel-planning.html.

Figura 3.1 OFDM Canales para IEEE 802.11 b-g banda de 2.4 GHz

Figura 3.2 OFDM Canales para IEEE 802.11a banda de 5 GHz

La utilización de las diferentes capas físicas en las familias 802.11 son elegidas y diseñadas con

respecto a las capas de enlace que serán explicadas en la siguiente sección. Como se puede observar en

la Figura 3.1 el estándar 802.11b trabaja en la banda de frecuencia de 2.4 GHz, la cual es una banda

libre, es decir que no precisa de autorización o de algún permiso para hacer uso de ella, sin embargo,

la normativa en cada país para el uso de esta banda puede variar. Para el caso de la familia 802.11b su

capa física permite soportar cuatro velocidades de transmisión, 1 Mbps, 2Mbps, 5.5 Mbps y 11 Mbps;

los usos de estas tasas de transmisión dependen de la distancia a la que se deba transmitir el dato. Como

se muestra en la Figura 3.3. a, la tecnología utilizada por 802.11 b es DSSS, que permite un máximo

alcance de casi 100 m. En cambio 802.11g utiliza OFDM para aumentar su tasa de transmisión sin

afectar la cobertura Figura 3.3. b Por otro lado, la cobertura y tasas de transmisión aumentan cuando

se trata de 802.11n, esta familia del estándar, sigue utilizando OFDM, pero gracias a su versatilidad en

la implementación sobre las bandas de 2.4 GHz o 5 GHz, se desarrollan canales de ancho de banda de

40 MHz; alcanzando tasas de transmisión de hasta 250 Mbps a casi 250 m.

https://boundless.aerohive.com/experts/wi-fi-back-to-basics--24-ghz-channel-planning.html


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Figura 3.3. a. Cobertura 802.11b en un ambiente cerrado

(a).

Figura 3.3. b. Cobertura 802.11g en un ambiente cerrado

(b).

Figura 3.3. c .Cobertura 802.11n en un ambiente cerrado con Tecnología MIMO.

(c).

Figura 3.3 Cobertura y Tasa de transmisión 802.11b/g/n

Como se puede observar la utilización de antenas MIMO no solo mejora la cobertura, también favorece

para acercarse a una tasa de transmisión más alta. la tecnología MIMO es un método para incrementar

la capacidad del canal radio eléctrico por medio de la transmisión y recepción de múltiples antenas,

aprovechando la propagación con bajo el fenómeno multipath; de esta manera se disminuye los puntos

muertos en la cobertura. El procedimiento de transmitir diferentes bits de un mismo mensaje por antenas

diferentes se realiza por medio de la multiplexación espacial; en WIFI la familia del estándar 802.11n

fue el primero en implementar esta tecnología.


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3.2 Familias 802.11 Para el desarrollo del trabajo de grado aquí propuesto, es necesario definir las clasificaciones existentes

entre las diferentes familias del protocolo 802.11 que existen actualmente. Las familias escogidas en este

trabajo son las más utilizadas actualmente y además las que fueron importantes en el comienzo de WIFI. En

la Tabla 3-1 se muestran todas las familias del estándar 802.11 desde su primera versión en el año 1999

hasta el 2013 que es la versión más comercializada hasta el día de hoy. Los parámetros para tener en cuenta

a la hora de la extracción de características para el dimensionamiento son las siguientes [2] [3]:

1. Año de Publicación

2. Tecnología en Radio Frecuencia.

3. Espectro o Bandas de frecuencias en las que puede trabajar la tecnología.

4. Codificación.

5. Modulación.

6. Tasas de Transmisión.

7. Canales.

Tabla 3-1 Tabla Comparativa entre las familias del estándar 802.11 del IEEE.

3.3 Capa de enlace 802.11

La capa de enlace en el estándar IEEE 802.11 se encarga principalmente del múltiple acceso al canal

inalámbrico y el encapsulado para enviar y recibir paquetes directamente del enlace (en este caso

inalámbrico). el primer problema a solucionar es el acceso múltiple acceso, para esto y sabiendo que se

trata de un canal inalámbrico se han utilizado dos protocolos de acceso muy utilizados para este tipo de

canal que serán explicados más adelante. La capa de enlace en 802.11 se divide en dos principales

subcapas:

1. LLC (Logical Link Control en inglés)

2. MAC (Medium Access Control en inglés)

Estándar/Propiedad 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac

Año de Publicación 1999 1999 2003 2009 2013

Tecnología RF OFDM DSSS DSSS y OFDM OFDM y MIMO OFDM y MIMO

Espectro de

Frecuencia

5.0 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 y 5.0 GHz 5 GHz

Codificación Código

Convolucional

Baker 11 y CCK Baker 11 y CCK Código

Convolucional

Baker 11 y CCK

Modulación BPSK,QPSK,16-

QAM,64-QAM

DBPSK Y DQPSK DBPSK Y DQPSK BPSK,QPSK,16-

QAM,64-QAM

BPSK,QPSK,16-

QAM,64-QAM,256-

QAM

Tasas de

Transmisión

6,9,12,18,24,36,48,54

Mbps

1,2,5.5,11 Mps 6,9,12,18,24,36,48,54

Mbps

entre 300 Mbps y 54

Mbps

200 Mpsb - 1.3 Gbps

Canales 8 Canales (20-40

MHz)

14 canales 14 canales 14 canales 12 Canales (20-40

MHz)


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Como se muestra en la Figura 3.4. tomada en [2]

Figura 3.4 Capa de Enlace 802.11 del IEE y Subdivisión.

3.3.1 LLC

Esta subcapa se encarga principalmente para prestar servicios a las capas superiores, define la

forma en la que los datos pueden ser transferidos hacia la capa física. LLC se encarga también de

manejar el control de errores, control de flujo y el direccionamiento. Su función principal es la de

mover los datos provenientes de la subcapa MAC hacia la capa de red.

3.3.2 MAC

La subcapa MAC se encarga principalmente de mantener el orden en el uso de un medio

compartido, además de proveer servicios de fragmentación y seguridad. La subcapa MAC fue

diseñada especialmente para cumplir con los siguientes requerimientos que toda red inalámbrica

debe garantizar [1] :

1. Altas tasas de transmisión

2. Acceso Equitativo, es decir que todas las terminales alcancen un mismo retardo y

rendimiento en la red.

3. Tiempo limitado para acceso

4. Configuraciones flexibles

5. Seguridad

6. Movilidad de las estaciones

7. Bajo consumo

Ahora bien, uno de los problemas más importantes que debe afrontar la sub capa MAC es el acceso

al medio aleatorio, para esto se plantean las siguientes soluciones y protocolos:

1. CDMA (en inglés Code Division Multiple Access): Utiliza el concepto de la multiplexación

muy utilizado en las redes celulares, pero por medio de códigos. CDMA pertenece a la

familia de protocolos de partición de canal. Aquí cada bit enviado es codificado tras

multiplicarlo por un código único que cambia con una frecuencia en específico (Chipping

rate). Estos códigos son asignados a cada usuario y la secuencia es conocida por el Host

que envía y la estación que recibe únicamente. Los códigos son ortogonales entre ellos lo

que significa que no debe haber interferencia entre ellos, de esta manera el acceso al medio

se vuelve más realista. En CDMA la señal se emite con un ancho de banda mayor al que se

necesita, es por esto que a CDMA se le conoce como una técnica de espectro expandido.


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Para transmitir los datos basta con aplicarle una función lógica XOR entre los datos y el

código ortogonal escogido. Para entender bien el procedimiento anterior se utiliza la Figura

3.5 para visualizarlo, tomada en [4].

Figura 3.5 CDMA Utilización de los códigos para ensanchar el ancho de banda.

Se puede observar que el tiempo de bit Tb es mucho más largo que el tiempo de chip (código) Tc,

por lo tanto, el ancho de banda en la señal transmitida es mucho mayor que el de los datos, por eso

es llamado espectro expandido. Aunque funciona bastante bien para las redes celulares 3G su uso

en WIFI no fue tan utilizado, por la complejidad en la elección de los códigos y la potencia necesaria

en el transmisor y receptor.

2. CSMA/CA (en inglés Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance): Es

considerado un protocolo de acceso aleatorio ajustándose perfecto al perfil de una red WIFI

(IEEE 802.11). Siguiendo una estrecha relación con el protocolo de Ethernet, el CSMA/CA

es una adecuación para las redes inalámbricas para disminuir las colisiones y poder resolver

el hidden node. El protocolo CSMA/CA se basa en sensar el canal (Carrier Sense) y luego

poder transmitir. Sí el canal se encuentra ocupado, el host que quería transmitir se frena y

espera un tiempo de Backoff (Temporizador) para poder transmitir. Puesto que el canal

inalámbrico posee grandes tasas de errores de bit, CSMA/CA cuenta con un mecanismo

ARQ, que básicamente es un mecanismo de retransmisión por medio de banderas llamadas

ACK (en inglés acknowledgment). Unas de las razones por las que no se utiliza CSMA/CD

en redes inalámbricas es porque es imposible sensar y transmitir al mismo tiempo sobre un

canal inalámbrico además nace el problema del Nodo oculto por los fenómenos de Fadding

y Shadowing. A continuación, se explicará el protocolo CSMA/CA en una serie de paso

que en conjunto resumen el protocolo más usado en las rede WIFI.

a) Mide o sensa los niveles de potencia en el canal, si el canal está libre o sin uso, el host

procede a transmitir la información proveniente de las capas de arriba. Antes de

transmitir transcurre un periodo de tiempo llamado DIFS (en inglés Distributed Inter-

frame Space) en este lapso de tiempo se prepara toda la capa física y la electrónica como

tal para la transmisión. El tiempo DIFS cambia según la tecnología que se utilice y por

ende la familia 802.11.

b) Sí el canal está ocupado, el host o la estación calcula un tiempo aleatorio de backoff

utilizando el Algoritmo de backoff exponecial binario. El temporizador se activa

únicamente cuando al sensar el canal se encuentre libre, de lo contrario se mantiene

congelado en un valor.

𝐸(𝑛) =1

𝑁 + 1 ∑ 𝑖

𝑁

𝑖=0

Ec ( 3.3.1)


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[1,0, … . 𝑁], 𝑁 = 2𝑐 − 1

Ec ( 3.3.2)

Como se muestra en la ecuación Ec ( 3.3.1) [4] se parte de una distribución uniforme

dada de tiempos de backoff, de ahí se encuentra el tiempo de backoff, ya que sería el

promedio de las posibilidades Ec ( 3.3.2). [4]

c) Cuando el tiempo de backoff haya terminado su temporizador y llegue a 0, esto solo

pasa cuando el canal este libre, la estación podrá transmitir el frame entero y espera

por la confirmación de recibido por medio de un ACK. d) Si, la estación recibe el ACK correctamente y sin errores ni contratiempos, asume que

el paquete fue entregado correctamente. Si la estación quiere volver a transmitir

vuelve a empezar el proceso de CSMA/CA desde el literal c. Si el ACK no se recibe

programa un nuevo backoff pero más grande pues cuenta como un intento más. para la

recepción del ACK es necesario entrar a revisar el tiempo SIFS que es un tiempo de

espera mientras la que la estación envía el ACK.

Entrando en detalle la utilización del uso de backoff puede traer consigo un efecto de captura de

canal por parte de una sola estación, esto a corto plazo es injusto con las demás estaciones que van

transmitir, pero a largo plazo es justo puesto que todas las estaciones podrán capturar el canal en

algún momento. La captura del canal se da cuando una estación gano el canal para transmitir,

transmite sin ningún problema y además debe transmitir otros frames más, así que simplemente

activa su tiempo de backoff para poder transmitir, el backoff se mantiene igual es decir que no

aumenta, mientras que el de las otras estaciones tienen mayor probabilidad de encontrase con un

canal ocupado y agrandar su tiempo de backoff, lo que hará que a medida que pase el tiempo las

otras estaciones estén es desventaja con la estación que transmite. El canal será liberado con mayor

facilidad cuando la estación que transmite decida no transmitir más.

Además de lo explicado anteriormente CSMA/CA cuenta con un mecanismo para afrontar el

problema del nodo oculto, el mecanismo es el RTS/CTS. Este es opcional según las necesidades y

dimensionamiento de una red. se basa en la reserva del canal por medio de dos mensajes RTS/CTS

a través del AP de la BSS actual. De esta manera se asegura que todas las estaciones en la BSS

escuchen los mensajes aun así no estén en la cobertura individual de cada uno de ellos. Cuando se

implementa esta función y se quiere transmitir es necesario enviar un mensaje de RTS (Request to

Send) al AP y a todas las estaciones es decir broadcast. Una vez el mensaje sea recibido por el AP,

este envía un mensaje en broadcast a todas las estaciones de CTS (Clear to Send) con la información

sobre la transmisión que está a punto de suceder y para que ajusten sus vector NAV para evitar

posibles colisiones y el canal este simplemente reservado; como se muestra en la Figura 3.6 tomada

en [1]


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Figura 3.6 RTS/CTS funcionamiento para una familia IEEE 802.11g.

La implementación del RTS/CTS no es muy recomendable cuando se tienen un número bajo de

usuarios, puesto que no tendría sentido hacer la reserva de canal y así desperdiciarlo en información

no relevante como lo son los mensajes CTS, RTS y ACK.

3.4 Arquitectura de Red utilizadas en WIFI. En WIFI existen 2 topologías de red inalámbricas que son la base en el estudio para un dimensionamiento

[4].

1. Modo ad-hoc.

2. Modo Infraestructura.

Pero antes de explicar las topologías es necesario entender los componentes de una red WIFI. Se puede

observar en la Figura 3.7.

1. Estación (STA): Son todos los módulos 802.11 que pueden interactuar en la red. También

son llamados nodos, clientes o Host; las estaciones son las responsables del envío y la

recepción de datos. Pueden ser computadores portátiles, celulares, sensores, etc.

2. Access Point (AP): Son todos los equipos responsables de la conexión de las estaciones a

la BSS (Cuando se trabaja en modo infraestructura). Un AP también coordina el envío de

paquetes hacia el DS (Sistema distribuido). Da cobertura a la red y ayuda en las funciones

de direccionamiento MAC.

3. BSS (Basic Service Set en inglés): Corresponde a la región de cobertura del AP en donde

hay un conjunto de estaciones relacionadas con él.

4. ESS (Extended Service Set en inglés): es un grupo de BSS relacionadas formando una BSS

virtual en donde las estaciones podrán tener movilidad entre AP.

5. DS (Distribution Service en inglés): Provee conexión entre BSS o salida a otras redes como

por ejemplo internet.


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Figura 3.7 Parámetros y Términos importantes WIFI.

3.4.1 Modo ad-hoc

Se puede decir que es una forma de red descentralizada puesto que no necesita de un AP para

trabajar. Cada estación se encarga del direccionamiento de los frames en la red, mediante el envío

de datos hacia otras estaciones dentro de su IBSS. Un método de direccionamiento para este tipo de

redes es el inundamiento por broadcast. Cada estación o nodo es libre de conectarse con cualquier

tipo de estación que este manejando el modo ad-hoc y siempre y cuando estén en su cobertura. Este

tipo de redes no son tan utilizadas para uso común, pero cuando no se cuenta con la infraestructura

necesaria una red ad-hoc es una solución. Por lo general estas redes no tienen acceso internet [4].

3.4.2 Modo Infraestructura

Es un tipo de red centralizada, donde entran lo AP para el direccionamiento de todos lo frames

en la BSS. Todos los datos son enviados al AP y de allí son direccionados a su destino. Muchas

veces en el modo infraestructura todos los AP son conectados al DS en donde se comunican entre

ellos y entre otras redes diferentes (alámbricas o inalámbricas). El modo infraestructura permite

movilidad de los usuarios sin que perciban el cambio de AP. Es la forma de red más utilizada en la

actualidad, por su fácil configuración. Un ejemplo de una red en forma infraestructura se puede ver

en la Figura 3.7.

Un defecto del modo infraestructura es que existe una clara perdida de eficiencia al transmitir el

mensaje dos veces (de la STA fuente al AP y del AP a la STA destino), sin embargo, este problema


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pasa a segundo plano por permitir la comunicación de dos STA's sin tener que estar en el rango de

cada una [4].

3.5 Clasificación de clientes. Estimar la capacidad de un canal es importante para el dimensionamiento de una red y por eso la

clasificación de los clientes juega un papel importante para conocer la red. hay que entender que es diferente

hablar de tasa de transmisión y rendimiento de la red (throughput en inglés). La tasa de transmisión se refiere

a la velocidad en el que el dispositivo es capaz de intercambiar símbolos, el throughput es la tasa efectiva

que siente el dispositivo en la red. No hay que confundirlas puesto que el throughput también tiene unidades

de bits por segundo [bps]; por ejemplo 54 Mbps quiere decir que cada segundo se puede enviar hasta 54

Mb. Entonces si los usuarios quisieran enviar más de 54 Mb a través del enlace, el tiempo que necesitarán

será de más de un segundo y cuando esto sucede se coloca en una cola de paquetes a enviar (Este modelo

de colas será explicado más adelante en el Capítulo 4.

La pregunta en esta sección es ¿Cuánto rendimiento (throughput) necesitarán los usuarios en la

red? esa pregunta depende del número de usuarios y la densidad de usuarios en cada área de

cobertura además del tipo de tráfico que demanden sus aplicaciones. Para eso se presenta una tabla

con la clasificación de las aplicaciones más importantes en una red WIFI y sus requerimientos.

Tabla 3-2.

Aplicación o Tipo de Servicio Rendimiento Comentarios

Mensajería Instantánea < 1 kbps Es un tipo de tráfico asincrónico sin periodicidad que puede ser modelado

como un tráfico TCP.

Email 1 kbps -100 kbps Es un tipo de tráfico asincrónico, sin periodicidad, puede tolerar la

latencia , le importa únicamente la calidad de la información es

considerado como un tráfico TCP.

Buscadores Web 500 kbps - 1Mbps Es asincrónico, únicamente cuando el usuario lo requiera. Tolera la

latencia alta, este tipo de servicio demanda la descarga de imágenes

(páginas web interfaz gráfica). Puede ser modelado como un tráfico TCP.

Streaming Audio 96 kbps- 160 kbps Este servicio al ser de tipo streaming, muchas veces es una aplicación de

real time, donde la latencia debe ser reducida al máximo. Se puede

modelar como un tráfico UDP.

Voz sobre IP (VoIP) 5 kbps -93 kbps Este Servicio de tipo real time no acepta latencias altas. Debe ser

modelado como tráfico UDP

Streaming de Video 1 Mbps -5 Mbps Este servicio al ser de tipo streaming, muchas veces es una aplicación de

real time, donde la latencia debe ser reducida al máximo. Se puede

modelar como un tráfico UDP.

Tabla 3-2 Clasificación de clientes según la aplicación o servicio.

Dispositivo Tecnología 802.11 Máxima Potencia Máxima Tasa de Transmisión

Smartphones 802.11n/g/b 11 dBm 65 Mbps – 72 Mbps

Tablets 802.11n 11 dBm – 14 dBm 65 Mbps – 72 Mbps

PCs de alto rendimiento 802.11 17 dBm – 20 dBm 216 Mbps

Telefonos VoIP 802.11 a/b/g 11 dBm – 16 dBm 54 Mbps

Tabla 3-3 clasificación de los clientes según el dispositivo y tecnología usada.


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3.5.1 Tráfico UDP

User datagram Protocol en inglés es un protocolo a nivel de capa de transporte basado en el

intercambio de datagramas. Este tipo de tráfico permite el envío y recepción de paquetes sin antes

haber establecido una conexión entre las dos partes. Este tipo de tráfico tampoco tiene confirmación

de llegada ni control de flujo, por lo que el orden de los paquetes puede verse afectados a medida la

transmisión transcurre. Su uso principal radica en protocolos como DHCP, BOOTP, DNS y

aplicaciones de real time, en donde la integridad y el orden de los datos no es tan importante que

mantener una latencia lo más baja posible

3.5.2 Tráfico TCP

Transmission Control Protocol en inglés es un protocolo a nivel de capa de transporte que se

basa en la comunicación confiable entre dos partes. Este protocolo garantiza que los datos

entregados en su destino estén sin errores y en el orden en el que fueron enviados. también

proporciona herramientas para la multiplexación de flujos de datos dentro de la misma máquina,

pero de diferentes aplicaciones. El objetivo de TCP es permitir una comunicación entre dos clientes

de forma segura por medio de ACK e independientemente de las capas inferiores. TCP permite la

latencia en la comunicación siempre y cuando todos los paquetes sean recibidos correctamente,

permite también el monitoreo y control de flujo; por medio de mecanismos de control de congestión

(que será utilizados para modelar el escenario de prueba). Las conexiones se realizan por medio de

Handshakes. TCP da soporte a la mayoría de aplicaciones en internet, pero las más comunes son

HTTP, SMTP, SSH, FTP entre otras.

3.6 Indicadores de Desempeño Red WIFI A continuación, se muestra los indicadores de desempeño de una red WIFI, por medio de los siguientes es

posible encontrar el nivel de satisfacción que percibe el usuario al conectarse a una red WIFI.

Indicador Descripción

Eficiencia del Canal Le eficiencia del canal indica que tanta información buena y valida fue

transmitida a través del mismo.

Potencia Recibida La potencia recibida en una red bajo el protocolo 802.11 indica la

cantidad de potencia recibida en un área de cobertura. Con este

indicador es posible encontrar el SNR que existe en la red. Por medio

de este indicador el usuario es capaz de escoger la mejor tecnología

que se ajuste para sus necesidades.

Probabilidad de Bloqueo La probabilidad de bloqueo es un índice de desempeño para este

trabajo de grado, ya que muestra en que momento el AP modelado con

una cola M/M/1 entrará en bloque de servicios. Comúnmente los

fabricantes de AP’s diseñan los equipos con una capacidad máxima de

clientes.

Existencia de Interferencia Indicador importante que influye en la calidad del servicio de WIFI, si

existe mucha interferencia, la perdida de paquetes aumenta, la

retransmisiones también aumentan y eso hace inmediatamente que la

eficiencia del canal disminuya importantemente.

Velocidad de transmisión por usuario Al ser WIFI un medio inalámbrico y compartido con otros usuarios de

la misma red, contar una velocidad de transmisión buena para el

usuario es un indicador de desempeño.

Ancho del canal WIFI puede trabajar en dos bandas de frecuencias 2.4 GHz y 5 GHz.

Elegir la mejor banda de frecuencia ayudará a reducir la interferencia,

esto se da gracias a escoger el mejor ancho de banda del canal por el

que se va transmitir.

Tabla 3-4 Indicadores de desempeño de una red WIFI.

CAPÍTULO IV DESARROLLO Universidad Javeriana

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4 CAPÍTULO IV DESARROLLO

En este capítulo se desarrolla gran parte del trabajo de grado, es aquí donde la documentación teórica se

vuelve la base para el desarrollo del dimensionamiento y el Simulador del escenario de prueba. Este capítulo

se divide en 4 fases. Las dos primeras corresponden a los modelos matemáticos y descripciones cualitativas

de parámetros en la red (Parámetros físicos y modelamiento del tráfico). Las últimas dos fases

corresponden:

1. Desarrollo de la interfaz gráfica, para la implementación de la metodología de

dimensionamiento de una red WIFI.

2. Creación, calibración e implementación del simulador de prueba.

Figura 4.1 Desarrollo trabajo de grado.

4.1 Modelos matemáticos para el dimensionamiento de una red WIFI basado en los

parámetros de desempeño.

4.1.1 Comparación cuantitativa y Cualitativa de las bandas de frecuencia de 2.4 GHz y 5

GHz.

Para el dimensionamiento de una red Inalámbrica es necesario saber en qué banda de frecuencia

se va a transmitir, reglamentaciones y aspectos básicos que influyen en la toma de decisión para el

diseño y la implementación de la red. Para esta sección se hará un estudio sobre las ventajas y

desventajas de trabajar en alguna de las dos bandas libres en la que puede trabajar WIFI.


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1. Banda de 2.4 GHz:

Se encuentra en la banda ISM (Industrial Scientific and Medical en inglés) que es

una banda libre sin muchas reglamentaciones puesto que está diseñada para el

desarrollo de aplicaciones médicas y científicas. Las bandas ISM son definidas por

la ITU para que sean universales.

Por la misma razón de encontrarse en la banda de 2.4 GHZ, se presta para que haya

más interferencia de lo normal. Interferencia por parte de las siguientes

aplicaciones: Calentamiento de comida por medio de radio frecuencia (Uso de

hornos microondas), procesos médicos como la diatermia, radiología, manejo de

lámparas fluorescentes y de plasma para fines científicos, aplicaciones Non-ISM

como Bluetooth y Zigbee.

En 2.4 GHz trabaja: 802.11b, 802.11g, 802.11n

En WIFI la división de la banda de frecuencia se hace en 13 canales con un ancho

de banda de: 20 MHz. No configurables.

La banda de 2.4 maneja longitudes de onda más largas: 0.12 m – 0.125 m.

Ec ( 4.1.1)

𝜆 =𝑐

𝑓=

3 × 108

2.4

ms

GHz

Ec ( 4.1.1)

Cuenta únicamente con 3 canales sin sobrelape:1,6 y 11.

Es la más usada actualmente

Posee bajas tasas de transmisión.

Menos sensible a atenuación por fenómenos físicos de propagación

Dominio de regulaciones para Colombia: FCC o las regulaciones de las Américas

(América central, América del sur y América del norte)

2. Banda de 5 GHz

No es una banda muy comercializada lo que la convierte en una banda actualmente

libre y menos utilizada que la banda de 2.4 GHz.

Es conocida como la banda de frecuencia UNII (en Inglés Unlicensed National

Infomration Infrastructure).

Cuenta con 23 sin sobrelape.

En la banda de 5 GHz trabaja: 802.11a y 802.11ac

En WIFI la división del canal se puede hacer con anchos de 20 MHz. 40 MHz y

hasta 80 MHz. Esto quiere decir que se pueden configurar los canales según el

cliente lo prefiera.

La banda 5 GHz maneja longitudes de onda más cortas: 0.05 m - 0.06 m. Esto

conlleva a que las tecnologías que trabajan sobre la banda de 5 GHz tengan menor

cobertura o alcance que las tecnologías que trabajan sobre la banda 2.4 GHz.

Ec ( 4.1.1).

Posee altas tasas de transmisión.

Más sensible a fenómenos físicos de propagación.


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Dominio de regulaciones para Colombia: FCC o las regulaciones de las Américas

(América central, América del sur y América del norte)

Desde el 2007 es necesario que todos los equipos que trabajen sobre esta banda de

frecuencia cuenten con las habilidades de Selección dinámica de frecuencia (en

inglés DFS) y control de potencia transmitida (en inglés TPC). Evitar interferencia

con aplicaciones de radares militares y estaciones meteorológicas.

A continuación, se muestran unas tablas que muestran las reglamentaciones en potencia de cada

banda de frecuencia determinada por FCC [3]

Banda Uso Permitido Potencia transmitida máx

U-NII-1 Indoor 17 dBm

U-NII-2 Indoor – Outdoor 24 dBm

U-NII-2 Extended Indoor – Outdoor 24 dBm

U-NII-3 Indoor – Outdoor 30 dBm

Tabla 4-1 requerimiento de potencia de la FCC para la Banda de 5GHz

En seguida se muestra la tabla de reglamentaciones de potencia para la banda de 2.4 GHz, en la

configuración (POINT TO MULTI-POINT) en relación a la ganancia de la antena (dBi)

Potencia Transmitida

[dBm]

Ganancia de la Antena [dBi] ERIP [dBm]

30 6 36

27 15 42

24 24 48

22 30 52

Tabla 4-2 Potencia Transmitida en 2-4 GHz y EIRP esperado.

La repartición de los canales para WIFI en la banda de 2.4 GHz y 5 GHz se muestra en la Sección

Anexos 9.1 Repartición del Canal 2.4 GHz y en Anexos 9.2 Repartición del Canal 5 GHz; donde se

pueden observar los diferentes cambios en la división del espectro.

4.1.2 Link Budget.

Un Parámetro importante a la hora del dimensionamiento de una red WIFI es la Potencia con la

que se puede transmitir (la potencia de transmisión con la que cuenta el equipo en la tecnología que

trabaja) y una aproximación de la potencia que puede llegar a recibir un usuario a una distancia

determinada. Para este Link Budget se trabajará con respecto a las pérdidas ocasionada por el

fenómeno de pérdidas en el camino (Pathloss en inglés) y atenuaciones causada por paredes con

valor típico de 15 dB (Este valor depende del material y la forma de las paredes sin embargo, es un

valor típico). Dentro de este procedimiento es necesario, tener presente el valor de sensitividad o

mínimo valor de señal recibida (Minimum Received Signal Level en inglés) depende de las

especificaciones que dan los fabricantes y comúnmente están entre -75 dBm y -95 dBm.

1. Primer Paso: Es necesario hallar la ganancia total entre el AP y el cliente más alejado en

la planta física, para eso se debe aplicar la siguiente formula Ec ( 4.1.2)

Ganancia Total = Tx Power AP + Ganancia de la Antena AP − Perdidas por cable AP+ Ganancia Antena Host − Perdidas por Cable Host

Ec ( 4.1.2)

Las pérdidas ocasionadas por los cables que conectan los equipos están cercanas a los 2 o

3 dB. Para el desarrollo del trabajo de grado se considerará como el peor de los casos; es

decir 3 dB.


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2. Encontrar las pérdidas por Pathloss y atenuaciones: Para desarrollar la siguiente

fórmula es necesario saber cuál es la distancia del cliente o host más alejado en metros y

luego si pasar a desarrollar la ecuación Ec ( 4.1.3) la frecuencia de trabajo está en mega

Hertz.

Pathloss = 20 log 𝑑 + 20 log 𝑓 − 27.55 + Atenuaciones por Paredes Ec ( 4.1.3)

3. Encontrar la diferencia entre la ganancia total y el Pathloss: De esta manera se puede

encontrar que si la diferencia es más grande que la sensitividad la recepción de la señal es

buena o diferenciable del ruido. Ec ( 4.1.4)

Ganancia Total − Pathloss > minimum RSL → Buena recepción por parte del Clíente Ganancia Total − Pathloss < minimum RSL → Mala recepción por parte del Clíente

Ec ( 4.1.4)

El comportamiento de la ecuación Ec ( 4.1.3) se puede observar en la siguiente gráfica, en donde se

muestra el comportamiento del fenómeno de Pathloss indoor en función de la distancia radial; en

este caso va de 0.1 cm hasta 150 m.

Figura 4.2 Fenómeno de Pathloss en Función de la Distancia y la Frecuencia de trabajo

A continuación, se muestran algunos resultados de las funciones que calculan el Pathloss y la

Potencia recibida. Las dos primeras muestran el fenómeno al ser estudiado en puntos radiales desde

el centro de un área cuadrada de 40 x 40 m y con los siguientes parámetros:

Potencia Transmitida= 20 dBm

Ganancia de la antena (Receptora – Transmisora) = 10 dBi

Frecuencia de Trabajo = [ 2.4 GHz, 5 GHz]


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Figura 4.3 Potencia Recibida Plano x y Radial en 2.4 GHz

Figura 4.4 Potencia Recibida Plano x y Radial en 5 GHz

Para las Figura 4.3 y Figura 4.4 se utilizó la función contour y la distancia en la ecuación Ec ( 4.1.3)

es ingresada de manera que sea radial al punto central del área escogida en este caso (20,20). De

esta manera se podrá representar la potencia recibida de forma radial en el plano xy emitida por un

AP ubicado en las coordenadas que se prefiera. Con el valor de la potencia recibida, se puede

proceder luego a encontrar el SNR en todos los puntos de la cobertura.

4.2 Modelamiento del Tráfico y Teoría de Colas para el modelamiento de Access

Point Para modelar un Access Point y poder aplicar algunos criterios de QoS, es necesario encontrar un

modelo matemático que permita modelar un Access Point como el generador de una cola. Se llega

a asociar con una cola porque el AP tiene una tasa de servicio (en este caso la tasa de transmisión

física de la tecnología) y una tasa de llegadas o demanda de servicio por los usuarios que depende

de la densidad de usuarios presente en el área de cobertura y la probabilidad con la que quieren

transmitir es decir estar activos. Como estos dos procesos son definidos como no determinísticos,

los modelos de colas más acercados en este caso serán los que sigan las colas Makrovianas.

Para el desarrollo del modelamiento de las colas, se asumirá que el tiempo de llegadas o demanda

de servicio y el tiempo de servicio son independientes y además son distribuidos exponencialmente

(sin memoria).

Un estudio de los modelos de tráfico provee una precisa estimación de la red y herramientas vitales

para el normal de la red. Los modelos de tráfico son elementos principalmente para la evaluación

de la red, es por esa razón que deben ser lo más precisos posibles. Un buen modelamiento de tráfico

podría ayudar directamente a mejorar alguno de los siguientes parámetros:

El Servicio

La rentabilidad o los costos

En el presente trabajo lo que se pretende dimensionar es el parámetro del servicio por medio del

QoS definido por el usuario.


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4.2.1 Modelos de Tráfico

El análisis del tráfico provee información como la carga promedio que sufre la red y el ancho de

banda requerido para diferentes aplicaciones, el modelamiento del tráfico de una red permite

también hacer buenas suposiciones sobre futuros requerimientos y parámetros.

4.2.1.1 Modelo de Tráfico Simple.

Es el modelo más simple que existe se basa, en modelar el tráfico como un proceso de punto

(en inglés Point Proccess). El proceso de punto se basa en una secuencia de tiempos de

llegadas en instantes discretos. El modelo de tráfico simple es descrito como un proceso de

conteo (en inglés Counting Arrival o Inter Arrival Time). Éste contiene un proceso N(t), no

negativo, entero y estocástico. N(t) define el número de llegadas en un intervalo de tiempo

(0,t]. Lo que significa que un proceso IAT es una secuencia aleatoria, no negativa {𝐴𝑛} que

contiene los tiempos de separación entre cada llegada. Ec ( 4.2.1)

𝐴𝑛 = 𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1 Ec ( 4.2.1)

4.2.1.2 Modelo de Markov Modulado con un Proceso de Poisson (MMPP)

Este modelo es usado como una herramienta para el análisis de teletrafico actualmente. Se

implementa más que todo para modelar tráfico donde la naturaleza de las fuentes sea de

ráfagas. Este modelo fue el escogido para modelar las ráfagas UDP en modelo de simulación

de capa 2 de la red. El MMPP emplea procesos auxiliares de Markov, en donde la

distribución de probabilidad del tráfico, depende del estado actual de la cola. MMPP es una

variación de un proceso modulado de Markov, donde los procesos auxiliares siguen una

distribución Poisson.

Figura 4.5 Modelamiento de un tráfico UDP con MMPP por medio de Matlab

Como se puede observar en la Figura 4.5 el modelado del tráfico UDP se realizará por medio

de una MMPP, acercándose bastante al comportamiento real de las ráfagas de datos

enviados por cada fuente. En la sección 4.4 se explicará la forma con la que fue utilizada

para el modelamiento de tráfico.


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4.2.2 Modelos de Colas

Como se explicó anteriormente el modelo de colas será utilizado para modelar la capacidad de

clientes activos que puede soportar un AP en una red con algunas características especiales, la

elección de este modelo influye básicamente en el comportamiento que va tener la red ante posible

sobrecarga y en los tiempos de espera que percibe cualquier usuario participante en la red. Se

considera que este tiempo de espera es un indicador de desempeño de la red en el conjunto de las

políticas de QoS. A continuación, se explican los modelos con los que lograron modelar los AP.

4.2.2.1 M/M/1

Es definido como un modelo Makroviano de colas, su característica principal es que posee

únicamente un solo servidor y se supone que tiene un buffer infinito (Esto significa que la

cola puede ser infinitamente larga). Este modelo empieza en el estado 0 y solo será capaz

de cambiar al estado 1, si y solo si ha transcurrido un tiempo distribuido exponencialmente

conocido como λ o las tasas de llegadas o demanda de servicio. Ahora bien el tiempo en el

que permanece en un estado n ≥ 1 depende de λ y de μ que es otra variable distribuida

exponencialmente; μ se encarga de mostrar la tasa con la que el servidor es capaz de brindar

servicio a todos los integrantes de la cola. La salida de un proceso M/M/1 sigue una

distribución de Poisson. Este modelo ayudo a acercarse más al dimensionamiento con los

parámetros de desempeño, ya que se manejan tiempos de espera en la cola y tiempo total

de servicio. El M/M/1 se podría modelar sobre una red de WIFI haciendo el supuesto que

cada AP en la red WIFI tiene una cola independiente de las otras y hallando los parámetros

por separado. [5]

Figura 4.6 Diagrama de Estados M/M/1

En este modelo, se debe asegurar que la suma de todas las probabilidades de los estados

estables de la cola debe ser igual a 1 esto se expresa en la siguiente ecuación Ec ( 4.2.2)

∑ 𝜋𝑗

∞

𝑗=𝑜

= 1 Ec ( 4.2.2)

Partiendo de que

𝜌 = λμ

Ec ( 4.2.3)

𝜋 = 𝜌𝑗 (1 − 𝜌) Ec ( 4.2.4)

Se puede basar el dimensionamiento de la red WIFI basada en un parámetro de desempeño,

que involucre la capacidad máxima de clientes activos en un AP, de esta manera encontrar

la probabilidad con la que el AP puede llegar a bloquearse. A este parámetro se le llamara

Probabilidad de bloqueo y está definido en la ecuación Ec ( 4.2.5).

𝑃𝑏𝑙𝑜𝑞𝑢𝑒𝑜 = 1 − ∑ 𝜋𝑗

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐴𝑃

𝑗=𝑜

Ec ( 4.2.5)

El dimensionamiento se basa en encontrar un número de AP tal que cumpla que la

probabilidad de bloqueo sea menor a un umbral que el usuario va a ingresar. Si no es el caso


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de que sea menor entonces se procede a agregar otro AP lo que aumentaría la capacidad de

clientes activos por AP haciendo que la probabilidad disminuya.

4.2.2.2 M/M/K

Partiendo de la M/M/1 sobre una red WIFI, se podría modelar la red con una M/M/k permite

modelar la cola con k servidores independientes. Para el desarrollo matemático se sigue

considerando que poseen buffers infinitos. La tasa de llegadas sigue una distribución de

Poisson λ y la tasa de servicio está distribuido exponencialmente en μ. Aquí cabe aclarar

que el tiempo de servicio de cada servidor también está distribuido en μ. Estas dos variables

aleatorias son independientes. [5]

Figura 4.7 Diagrama de Estados M/M/k

A partir del modelo M/M/k es posible encontrar diferentes parámetros que a la larga son

importantes.

Tiempo de Servicio: tiempo promedio de espera de cada usuario en el sistema

𝐸[𝑠] =1

𝜇

Ec ( 4.2.6)

Tiempo de espera de un usuario en la cola: es el tiempo que transcurre desde el

momento de pedir el servicio y el momento en el que el AP logra ofrecer el servicio

a ese usuario.

𝐸[𝑊𝑄] =𝐶𝑘(𝐴)

𝑘 − 𝐴

Ec ( 4.2.7)

Donde Ck(A) representa la Fórmula de Erlang que representa la porción de tiempo en el

que todos los k servidores están ocupados y por ende es posible calcular la probabilidad de

encontrar un retardo en una cola M/M/k.

𝐶𝑘(𝐴) = ∑ 𝜋𝑛

∞

𝑛=𝑘

=𝐴𝑘

𝑘!

𝑘

𝑘 − 𝐴𝜋0 =

𝐴𝑘

𝑘!𝑘

𝑘 − 𝐴

∑𝐴𝑛

𝑛!+

𝐴𝑘

𝑘!𝑘

𝑘 − 𝐴𝑘−1𝑛=0

Ec ( 4.2.8)

(A) representa el número promedio de servidores ocupados

𝐴 = 𝜆/𝜇 Ec ( 4.2.9)

Tiempo total de Delay o retraso por usuario: es el tiempo total del usuario en el

sistema.

𝐸[𝐷] =𝐶𝑘(𝐴)

𝜇𝑘 − 𝜆+

1

𝜇

Ec ( 4.2.10)


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Delay Factor: es la razón entre el tiempo promedio de espera en la cola y el tiempo

promedio de servicio. Se considera importante porque entre más pequeño sea

significa que vale pena esperar en la cola.

𝐷𝑓 = 𝐶𝑘(𝐴)

𝑘 − 𝐴

Ec ( 4.2.11)

Sin embargo, no fue elegido este modelo pues la relación entre la tasa de servicio y la tasa

de llenado de la cola, no debe tener relación alguna es decir deben ser independientes

además la variable con la que cambia de estado depende del número de APs en el sistema,

cosa que no es cierta en el modelo teórico, pues cada AP tiene su propia tasa de servicio y

de llenado que si depende de la cantidad de usuarios y de la tasa de transmisión que puede

ofrecer. El modelo M/M/1 proporciona las condiciones anteriores.

4.3 Desarrollo del dimensionamiento en Software y su Interfaz gráfica. La correcta clasificación de los clientes, escenario físico, ancho de banda utilizado según la

tecnología y la infraestructura de la red, son los parámetros necesarios para empezar con el

dimensionamiento de una red WIFI. Los parámetros de QoS definidos para el dimensionamiento

son el tiempo de espera de un usuario en la cola, el tiempo de retardo total y el delay factor. Con la

documentación previa en las secciones pasadas. El software es programado por medio de Matlab,

ya que es una herramienta con un gran poder de análisis numérico y además permite la creación de

Interfaces gráficas para los usuarios. En la presente sección se encontrará la explicación detallada

del programa para dimensionar rede WIFI, sus condiciones de uso, sus restricciones y las diferentes

herramientas utilizadas para el correcto desarrollo de está. El diagrama de flujo que explica el

funcionamiento del dimensionamiento es el siguiente:


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Diagrama de Flujo 1


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En el Diagrama de Flujo 1 se puede observar la parte inicial del programa para el dimensionamiento

de la red WIFI. En esta primera parte el usuario ingresa los parámetros físicos relacionados con las

tecnologías utilizadas, la familia de 802.11 que va utilizar y ancho de banda configurable

dependiendo de la tecnología y la escala para dibujar un esbozo de la planta física (Plano que

muestre únicamente el borde y no las paredes internas de la planta).

Figura 4.8 Menú de iniciación

El menú de iniciación permite al usuario acceder al programa de Dimensionamiento o a la

caracterización de clientes que es el código que ejecuta el escenario de prueba, es decir la simulación

de una red WIFI a nivel de capa de enlace y algunos parámetros físicos. El menú de iniciación se

muestra en la Figura 4.8.


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Figura 4.9 Interfaz para ingresar los parámetros físicos.

En la Figura 4.9 se muestra la interfaz gráfica para el ingreso y almacenamiento de los parámetros

físicos que presenta la red. En caso es necesario que el usuario tenga un conocimiento previo sobre

el escenario y los equipos que formaran la red WIFI.

La Potencia Transmitida por el AP: se recibirá en dBm para facilidad en los cálculos

del programa. La potencia transmitida en dBm está definida en la ecuación Ec (

4.3.1)

𝑃𝑡𝑥 [𝑑𝐵𝑚] = 10 log10 (𝑃𝑡𝑥[𝑊]

1 m𝑊)

Ec ( 4.3.1)

Ganancia de la Antena [dBi]: es una medida de comparación entre la ganancia de

una antena real y la ganancia de un radiador isotrópico (imaginario). “Decibeles

sobre Dipolo estándar”. Entre mayor sea el valor de dBi más fuerte será la recepción

de la antena. Este dato se encuentra a la hora de conseguir los equipos y son propios

de la fabricación de cada antena.

Nivel de Ruido o Piso: es un parámetro propio del escenario en el que se quiere

implementar la red WIFI. Sin este valor no es posible calcular la relación señal a

ruido.

Capacidad máxima de Clientes: Es un parámetro propio del AP y depende

básicamente del fabricante y de la tecnología utilizada.

Una vez ingresados los anteriores parámetros, el programa de dimensionamiento permite dibujar la

planta física por medio de la función dibujar y además de la delimitación de las áreas de cobertura,

para hacer el cálculo del centro de masa.


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Figura 4.10 GUIDE parámetros físicos

En la Figura 4.10 se muestra la GUIDE en el momento inicial del programa. Los rectángulos de

color rojo muestran la ubicación de los botones: Dibujar, Ap’s que permite la delimitación de las

áreas de cobertura, Parámetros físicos que permite cargar los mismos datos, planta física que permite

ingresar el Ancho y el largo en metros y por último los paneles para la elección de la tecnología y

los anchos del canal.


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Figura 4.11 Funcionalidad Dibujar y AP's

Como se puede observar en la Figura 4.11 la funcionalidad de las 3 funciones relacionadas con el

modelamiento de la planta física, funcionan tal cual los requerimientos. El botón Dibujar permite al

usuario la creación de cualquier figura irregular formada por rectángulos, esta función le solicita al

usuario los vértices para poder trazar el polinomio irregular. La función Dibujar cuenta con una

corrección en las trazas para evitar líneas diagonales. Esta función termina cuando el punto de inicio

es igual a alguno de los puntos siguientes (del 4to en adelante), con eso se garantiza que el polinomio

sea cerrado. Cada línea azul trazada por la función dibujar corresponde a una pared exterior de la

planta física a dimensionar (No se tiene en cuenta las paredes internas de la planta física ya que ese

análisis corresponde a otros tipos de software especializados en mapas de calor y cobertura). Una

vez se ejecute dibujar se borra todos lo plots sobre los axes de la GUIDE y se actualiza la escala en

los mismos.

El botón AP’s permite la creación de los rectángulos rojos en la Figura 4.11, simplemente es

necesario que el usuario haga click sobre las 4 esquinas del rectángulo a dibujar, estos rectángulos

deben ser delimitados de la siguiente forma:

El primer click se debe realizar en la esquina superior izquierda.

El segundo click se debe realizar en la esquina superior derecha.

El tercer click se debe realizar en la esquina inferior derecha.

El cuarto click se debe realizar en la esquina inferior izquierda y así terminar de cerrar el

rectángulo.

En el programa se guarda la variable rectángulos que es un arreglo de celdas con el fin de almacenar

el objeto tipo rectángulo (guarda el origen, el ancho y el alto), la coordenada de la mitad en x y la


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coordenada de la mitad en y. Estos rectángulos son las áreas de cobertura que el usuario debe

seleccionar para realizar todo el dimensionamiento.

Una vez todos los parámetros sean ingresados por el usuario se espera por ejecutar el botón

dimensionar, cuando sea ejecutado, se halla el centro de masa del polígono por medio de las

siguientes ecuaciones.

𝐶𝑥 = ∑ (𝐶𝑥𝑟𝑒𝑐𝑡 _ 𝑛 × á𝑟𝑒𝑎𝑟𝑒𝑐𝑡 _ 𝑛)𝑛

0

𝐴𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Ec ( 4.3.2)

𝐶𝑦 = ∑ (𝐶𝑦𝑟𝑒𝑐𝑡 _ 𝑛 × á𝑟𝑒𝑎𝑟𝑒𝑐𝑡 _ 𝑛)𝑛

0

𝐴𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Ec ( 4.3.3)

Encontrar el centro de masa es importante en la metodología aquí propuesta, ya que es la ubicación

del primer AP en toda la planta. Al ubicar el AP en el centro de masa se espera cubrir la mayor

cantidad de área de la planta física, sin embargo, por la irregularidad de la planta no siempre se va

obtener la mayor cobertura con el primer AP. El programa le indicará el rectángulo de cobertura en

el que se encuentra el primer AP y además lo mostrará en la pantalla como un asterisco de color

rojo en el plot en donde está dibujada la planta física. La numeración de los rectángulos depende

del primer rectángulo de izquierda a derecha dibujado por el usuario, lo que limita las formas de la

planta y la selección de las áreas de coberturas ya que no pueden existir dos rectángulos con las

mismas coordenadas en el eje horizontal y uno encima del otro.

Figura 4.12 Ubicación del primer AP por medio del centro de masa.

Otra restricción del programa es la geometría de la planta, puesto que si se da el caso que el centro

de masa se ubica fuera de la geometría no tendría sentido alguno, es por eso que en este caso del

AP debe ubicarse en el punto más cercano dentro de la planta al centro de masa. Por esa razón se


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recomienda que todas las plantas que se ingresen sean más o menos proporcionales en todas sus

dimensiones. Una vez el AP sea ubicado, es necesario determinar si hace falta colocar AP’s en las

otras áreas de coberturas, para eso utilizamos el criterio de la Línea de Vista (Line of Sight (LOS)

en inglés). Sin tener en cuenta la zona de Fresnel se calcula la LOS óptica sobre el plano largo y

ancho en la Figura 4.11, calculando el área de Full LOS que se genera a partir de las áreas de

coberturas vecinas como se muestra en la Figura 4.13.

Figura 4.13 Cálculo de la Línea de vista (LOS)

El criterio para definir si es necesario colocar un AP en el área vecina de cobertura, depende el área

de LOS (área con línea de vista). Si el área LOS es menor al 90% del área total vecina, entonces es

necesario colocar un AP en todo el centro del área de cobertura vecina. De esta manera la

metodología asegura la mayor cobertura en todas las posibles áreas de cobertura. Se define también

que para dar la máxima cobertura en toda la planta física es necesario colocar un AP´s en el área

siguiente al vecino solamente en caso de que no fuera necesario ubicar un AP en los vecinos directos

como se muestra en la siguiente Figura 4.14

Área

LOS

Área

No_LOS

Área

No_LOS

Área

LOS


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Figura 4.14 Ubicación AP vecinos por LOS

En anexos 9.3 se expone los diferentes casos de las geometrías utilizadas y las posibles

combinaciones para hallar correctamente las áreas de NO-LOS.

Una vez se tenga un número inicial de AP en el dimensionamiento, se procede a calcular la potencia

recibida en todos los puntos de la planta física, siguiendo el modelo de Link Budget Sección 4.1.2.

Cada AP fue ubicado en un área rectangular de cobertura, con el objetivo de conocer el punto más

alejado de la geometría y así poder calcular, la tasa de transmisión en el área, la mínima potencia

recibida y la relación señal a ruido (SNR ecuación Ec ( 4.3.4)) en este punto del rectángulo (los dos

últimos valores se muestran por medio etiquetas en el axes). Para la identificación del punto más

alejado en cada área respecto a la ubicación de cada AP, se traza un radio de cobertura en color

magenta en Matlab RGB [1 0 1], con la distancia euclidiana entre el AP y la esquina del rectángulo

más alejada. Este procedimiento se puede llevar a cabo gracias a que las coordenadas de cada

rectángulo se encuentran almacenadas en la celda Rectángulos y además se encuentran ordenadas

cronológicamente y espacialmente de izquierda a derecha. Se escoge el color magenta puesto que

no interfiere en la lectura del código de colores de la potencia recibida.

Área

Directa

men

te Vec

ina

Nuevo

AP


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Figura 4.15 Potencia Recibida y SNR a partir del Link Budget.

La potencia recibida en cada punto de la figura se representa por medio de la función de Matlab

contour ya que permite una fácil visualización de los niveles de potencia recibida a lo largo del

plano y siguiendo una función circular con centro en el AP (Figura 4.15). Como en el link Budget

la potencia transmitida fue tratada en dBm, la unidad que va manejar la potencia recibida en todos

los puntos va ser en dBm también. Además, toda la información sobre la tecnología y la banda de

frecuencia a la que debe trabajar la tecnología seleccionada por el usuario se almacena en una

variable tipo celda, llamada AP, en esta celda se guarda por cada columna un AP diferente y por

cada fila la siguiente información.

En la primera fila: Se guarda el handles del objeto tipo plot.

En la segunda fila: Se guarda la coordenada en x.

En la tercera fila: Se guarda la coordenada en y.

En la cuarta fila: Se guarda la enumeración del rectángulo en el cual se encuentra

el respectivo AP.

En la quinta fila: Se guarda el handles del objeto tipo viscircles, que permite dibujar

un círculo con un centro y radio específico.

En la sexta fila: Se guarda la banda de trabajo según la tecnología.

En la séptima fila: Se guarda el handles del contorno de la potencia recibida.

En la octava fila: Se guarda el canal sobre la banda de frecuencia.

En la novena fila: Se guarda el radio de cobertura.

𝑆𝑁𝑅 [𝑑𝐵] = 𝑃𝑟𝑥 [𝑑𝐵] − 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟[𝑑𝐵] Ec ( 4.3.4)

Todo lo anterior se ve reflejado en el siguiente diagrama de flujo, el cual muestra el proceso para el

análisis de todas las variables sobre la capa física.


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Figura 4.16 Diagrama de Flujo Análisis Capa Física.

En el momento en el que se cuente con todas las herramientas para el dimensionamiento, como lo

son las variables de la capa física y además los valores esperado definidos para el QoS del sistema

WIFI. Se procede a ejecutar el algoritmo de Dimensionamiento con base en los parámetros de QoS

propuesto por esta metodología. Los parámetros de QoS elegidos para esta metodología son los

explicados en la Sección 4.2.2 en modelo de colas M/M/1.

1. La Probabilidad de Bloqueo: que se traduce en la probabilidad con la que

el sistema entra en bloqueo según el número máximo de usuarios activos

propios del equipo y el fabricante.

2. Tasa deseada: es la tasa de transmisión que se espera por usuario por AP.


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Figura 4.17 Diagrama de Flujo Dimensionamiento con QoS

Como se observa en la Figura 4.17 el dimensionamiento se basa en un proceso iterativo, con lo que

se busca llegar a los valores deseados que no superen los valores esperados. Se aplica la ecuación

Ec ( 4.2.5) hasta que el valor de la probabilidad sea menor a la probabilidad esperada, en caso en

el que el valor inicial de la probabilidad de bloqueo teórica no cumpla con las condiciones anteriores,

el programa aumenta en 1 la cantidad de AP’s en el área de cobertura rectangular en la que se está

analizando estos parámetros. Partiendo de que la densidad usuarios en todas las áreas rectangulares

de cobertura, es homogénea se puede deducir que los usuarios estarían repartidos entre el número

de AP en proporciones iguales; el aumento del número de AP’s influye proporcionalmente a la

capacidad máxima del sistema M/M/1.

Para empezar el dimensionamiento con el modelo de colas M/M/1 es necesario encontrar los valores

de la tasa de servicio y de llegadas o llenado del sistema. Para eso se diseñó una función que recibe

todos los parámetros de la capa física y encuentra μ y λ.


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𝜆 = 𝑁𝑎𝑐𝑡 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒_𝐵𝑅𝑈

𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ) (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑) Ec ( 4.3.5)

𝜇 =1

𝑇𝑜𝑛 , 𝑇𝑜𝑛 =

𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅

𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑇𝑎𝑠𝑎𝑡𝑥

Ec ( 4.3.6)

En las ecuaciones Ec ( 4.3.5) y Ec ( 4.3.6), es necesario determinar el número de usuarios activos

por rectángulo de cobertura, partiendo de que la distribución de los usuarios es homogénea y su

densidad por metro cuadrado es unitaria en un principio, es posible encontrar el número de usuario

conectados a un AP pero sin estar demandando servicios y encontrar el número de usuarios que

están conectados y si están demandando servicios.

Según [6] la probabilidad de que un usuario esté conectado en una red WIFI es de 0.3 y la

probabilidad de que un usuario este activo (Demandando servicios) también es de 0.3. Entonces el

número usuarios que estén conectados y activos se puede expresar de la siguiente manera:

𝑁𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠 × 0.3

𝑁𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 × 0.3

Ec ( 4.3.7)

Teniendo en cuenta la densidad de usuarios por metro cuadrado, que inicialmente es 1; el número

de usuarios en un área de cobertura es equivalente al área de la misma. Se considera de esa manera

ya que permite un desarrollo teórico más acercado a la realidad.

Figura 4.18 Ubicación parámetros QoS y Constante tasa de bit por usuario.


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La constante tasa de bit por usuario activo, es importante para el desarrollo matemático de la variable λ.

Esta constante ayuda al usuario a calibrar según su escenario la frecuencia con la que un usuario se convierte

en activo. El rango de esta variable fue elegido para que con un tamaño de paquete promedio de 1500 Bytes

un usuario tenga una mínima tasa de activación de 1 Hz y una máxima activación de 100 Hz. El valor de la

constante de bit por usuario activo es seleccionado por un slider. Para terminar el dimensionamiento el

programa calcula la tasa de transmisión real en el sistema en función de la distancia [3] y del número de

usuarios activos.

RADIO DE COBERTURA [m] Tasa de Transmisión [Mbps]

IEEE 802.11 b

Radio de Cobertura < 30 m 11 Mbps

30 m < Radio de Cobertura < 100 m 2 Mbps

IEEE 802.11 a



IEEE 802.11 g



IEEE 802.11 n



IEEE 802.11 ac



Tabla 4-3 Tasa de transmisión en función del radio de cobertura.

Una vez encontrada la tasa en función de la distancia (Radio de cobertura) tomado de medidas reales de

CISCO, se procede a aplicar la ecuación Ec ( 4.3.8) que relaciona el anterior valor de la tasa de transmisión

y el número de usuarios activos.

𝐵𝑖𝑡𝑡𝑥 =0.7 × 𝑇𝑎𝑠𝑎_𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛

𝑁_𝑎𝑐𝑡

Ec ( 4.3.8)

Así se obtienen los dos valores esperados por el usuario y se calcula el nuevo número de AP’s por área de

cobertura rectangular y en total de la planta. La reubicación de todos los AP’s se realiza por medio de la

función Ubicar_nuevosAP. En Anexos 9.4 se muestran todos los posibles casos de reubicación, esta función

máximo solo puede reubicar hasta 9 AP’s.

Con el número total de AP’s en toda la red se puede proceder a la última parte del dimensionamiento, se

basa en la asignación de los canales, sin generar interferencia en cada tecnología. Esta asignación de canales

es importante para reducir la interferencia que se produce cuando 2 o más AP’s cercanos trabajan en el

mismo canal. La repartición de cada banda de frecuencia depende de la normativa que sigue cada estándar,

esta partición del espectro se puede revisar en los Anexos 9.1 y 9.2. A continuación, se muestra el diagrama

de flujo del proceso de reasignación de canales.


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Figura 4.19 Diagrama de Flujo Reasignación de Canales.

La característica especial de este bloque es que no va dejar dos AP’s cercanos trabajando en el

mismo canal, Se pueden dar dos casos:

1. Que se esté trabajando sobre la banda de 2.4 GHz y el número de AP’s sea mayor

a 3. Se procede entonces a asignar a los 3 primeros AP’s los 3 canales sin sobrelape

en la banda de 2.4 GHz (1,6,11) y a los restantes asignarles canales en la banda de

5 GHz y así reducir interferencia.

2. Que se esté trabajando sobre 5 GHz o 2.4 GHz, pero con máximo 3 AP’s se

mantiene la tecnología inicial.


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Figura 4.20 Ejemplo asignación de canales.

4.4 Caracterización y modelamiento escenario de prueba. El escenario de prueba es parte fundamental del trabajo de grado aquí expuesto, su correcto desarrollo

facilitará en las pruebas posteriores y en la entrega de resultados. El objetivo principal de esta parte del

trabajo de grado es simular la capa de enlace de una red WIFI.

A través de esta simulación se puede obtener la eficiencia del canal y la tasa efectiva del escenario. El

escenario de prueba también fue programado en Matlab y a partir de las características extraídas en el marco

teórico sobre la capa de enlace en WIFI, se programa a través de eventos discretos. La programación de

eventos discretos se adapta muy bien para modelar protocolos de acceso al medio de naturaleza aleatoria.

Matlab es una herramienta poderosa en programación, sin embargo, la capacidad de procesamiento que

demanda este tipo de programas es bastante alta, lo que convierte a Matlab en una solución viable pero no

óptima para el desarrollo de este tipo de simulaciones.

1 Inicialmente se programó el acceso al medio de WIFI CSMA/CA con un tráfico simple en donde puede

variar la carga ofrecida y el número de paquetes promedio por usuario.

2 Luego se crea una versión con el mismo tráfico y empleando el mecanismo de RTS/CTS.

3 Al final se crea un programa sin RTS/CTS, pero empleando un modelo de tráfico diferente; ahora todo

el tráfico que genera la capa de transporte será TCP y UDP.

Para TCP se utilizó toda la teoría sobre el control de la congestión y la generación

de tráfico en [4] y para UDP el tráfico debe ser modelado como ráfagas, para eso

se utilizó el modelo MMPP de la Sección 4.2.1.2; la Figura 4.5 muestra en que

momentos se enciende una transmisión UDP, la longitud y el tiempo de


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finalización, esto es de gran ayuda pues al ser eventos discretos se programan todas

las posibles transmisiones en el inicio.

Para la calibración del escenario de prueba se tomó como referencia la norma IEEE 802.11 [2], para entender

y modelar la eficiencia y el rendimiento del canal sobre un protocolo CSMA/CA [7],[8],[9] y [10], para

entender el mecanismo de backoff y su comportamiento en entornos reales [11] y [6] para entender el

comportamiento de un Usuario en una red pública. El simulador no tiene en cuenta las perdidas por pathloss,

sin embargo, se configura una función que simule los problemas con el nodo oculto (Hidden node en inglés).

A continuación, se mostrará el funcionamiento de los 3 escenarios anteriores, sus diferencias entre ellos y

una explicación de los parámetros necesarios para efectuar la simulación.

4.4.1 Función de Nodo Oculto

El objetivo de esta función es repartir los nodos visibles y ocultos de todos los usuarios en

un área de cobertura rectangular, en donde el ancho y el largo de dicho rectángulo es

recibido como parámetro inicial de la simulación, además el radio de cobertura de cada

usuario sin considerar los obstáculos internos que pueda existir en el área.

Una vez los parámetros estén listos la función ubica aleatoriamente los N nodos en el área

rectangular, es decir que en cada metro cuadrado será utilizado para albergar a los usuarios.

Lo que hace la función es calcular la distancia euclidiana desde un nodo para todos lo N-1

nodos existentes en el área rectangular. Si la distancia es menor al radio de cobertura de los

clientes entonces se considera que el nodo es visible, por el contrario, se considera que el

nodo está oculto. Se crea una matriz N × N para guardar el estado del nodo con respecto

a los otros, si es oculto se guarda un 0 de lo contrario guarda un 1 en la fila del nodo

estudiado de la columna del nodo vecino.

4.4.2 Estructura y Estados del Simulador.

Los simuladores de tráfico simple y tráfico TCP/UDP sin RTS/CTS tienen 5 estados, en

donde se puede desarrollar todo el protocolo de acceso al medio.

1. Evento Tipo 1: El estado tipo 1 es el encargado del sensado físico del canal,

encargado de identificar las colisiones y su tiempo de inicio, la programación de

eventos de retransmisión (por medio de backoff Evento tipo 4), guardar las

colisiones y registrarlas en la historia, reprogramar cualquier evento que haya

podido quedar dentro de la colisión.

2. Evento tipo 2: El estado tipo 2 se encarga de registrar el fin del ACK que llega al

nodo. Se encarga de revisar y vaciar los buffers en la capa 2, por medio de la

programación de nuevos eventos. Para el caso del simulador con tráfico TCP/UDP

el estado 2 efectúa el control de congestión SLOW START, calcula el Round Trip

Time (RTT) y la desviación estándar de esa medida, para todos los nodos tipo TCP

en la simulación.

3. Evento tipo 3: El estado tipo 3 se encarga de registrar el comienzo de todas las

transmisiones de los paquetes, además de programar el Evento tipo 5 “fin de

transmisión”. Por último, se encarga del sensado de congestión y estimación del

Time out de los paquetes en caso de que existan clientes TCP.

4. Evento tipo 4: El estado tipo 4 es el más importante para los 3 tipos de simuladores,

en este se programa el tiempo de backoff por medio de un binary exponential

counter, además de revisar posibles eventos que estén programados durante el

backoff, para moverlos al final del backkoff.

5. Evento tipo 5: Este evento es el comienzo del envío del ACK proveniente del AP,

indicando que la comunicación había sido exitosa.


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Para la implementación del simulador de RTS/CTS fue necesario hacer dos cambios en los

eventos anteriores:

1. El Evento tipo 1, cambia su funcionalidad, ahora además de sensar el canal y saber

si está libre, realiza el envío de un RTS.

2. Se agrega un Evento Tipo 6: Se encarga principalmente de calcular el tiempo en el

que debería llegar el CTS en respuesta al RTS enviado anteriormente. Además de

reservar el canal durante todo el tiempo de la transmisión con la utilización del

NAV, y ejecutar el sensado virtual del canal. De aquí puede se programan dos

ramas, un programa el evento de transmisión del paquete de datos o de información

y la otra es la reprogramación de todos los eventos tipo 1 que estaban dentro del

tiempo NAV y programarles un Evento de backoff para empezar de nuevo el intento

de reservar el canal.

A continuación, se muestra el diagrama de estados para cada simulador en específico.

Figura 4.21 Diagrama de Estados Simulador 1 – 3

De la Figura 4.21 queda por explica cómo se manejan las colisiones y su correcto registro

en la historia completa de la simulación. El Evento 1 es el encargado de registrar el inicio y

el fin de la misma. Cuando hay una simulación, se eliminan los eventos de los nodos

colisionados y se reprograman como un Evento tipo 4 entre todas las partes colisionadas,

además si hay una colisión anterior se eliminan todos los Eventos implicados en la colisión

y también se programan un Evento de Backoff.

Para el caso de del simulador 3 (Tráfico TCP-UDP) en el evento 3 se encuentran los

parámetros de inicio para la comunicación TCP (Time_out, Sample_RTT). En el evento 2

se comprueba si hubo un Evento de congestión por paquete perdido, con base en los

parámetros encontrados del evento 3. En simulador 3 lo que se pretende es simular los

usuarios UDP y TCP lo más cercano posible. Para el TCP se implementa el protocolo de

control de congestión, por medio de las llegadas exitosas del ACK. Aquí hay que aclarar

que para el caso del simulador 3 el ACK corresponde a la confirmación de éxito de la llegada

del paquete al destino (ACK nivel capa transporte), y es por eso que se puede realizar el

control de congestión que simula muy bien el tráfico generado por un usuario TCP.


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Figura 4.22 Diagrama de Estados para el simulador con RTS/CTS

Cuando se implementa el mecanismo de RTS/CTS, las colisiones se siguen registrando

durante el evento 1, sin embargo, estas colisiones no duran mucho, pues únicamente son

entre los paquetes de tipo RTS y CTS. El estado 6 se realiza el sensado virtual por medio

del NAV, es por eso que puede programar un evento 3 y eventos 4 al mismo tiempo. El

tamaño de un paquete tipo RTS es de 20 bytes y el del CTS es de 14 bytes.

Los simuladores serán sincronizados con la herramienta de dimensionamiento. En la

herramienta hay una opción que permite escoger el porcentaje de usuarios UDP y TCP en

un área de cobertura; la herramienta transfiere al simulador los siguientes datos:

Porcentaje Número Usuarios UDP.

Porcentaje Número Usuarios TCP.

Área de la sección rectangular de Cobertura.

Número de usuarios Activos.

La Tecnología utilizada y la máxima tasa de transmisión física que puede tener la

familia de tecnología escogida.

De resto todos los parámetros como los tiempos de DIFS, SIFS, tamaño de ACK, tamaño

del MTU en WIFI y MTU en Ethernet. Son constantes fijas dentro de los simuladores. A

continuación, se mostrará los resultados con escenarios utilizados para comprobar el

funcionamiento previo de cada simulador y comparación de la utilización del RTS/CTS y

la influencia de tráfico como el TCP y UDP sobre la capa 2 o el enlace de la comunicación

inalámbrica.

Para comprobar el funcionamiento de cada simulador en esta etapa del trabajo de grado se

grafica la eficiencia del canal, es decir cuánto tiempo estuvo transmitiendo información

valida, sin colisiones ni retransmisiones. La eficiencia estará graficada en función del

número de usuarios, y de la probabilidad de que no haya una colisión en el sistema.

𝑃𝑟𝑜𝑏𝑛𝑜 𝐶𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 = 1 − 𝑃𝑟𝑜𝑏𝐶𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 Ec ( 4.4.2)

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜𝑐𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 ∗ 100

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜_𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 [%]

Ec ( 4.4.1)


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Lo que define la ecuación Ec ( 4.4.3) es que la probabilidad de que existan colisiónes en

una red de N usuarios, depende de la probabilidad de transmisión. Por medio de la

distribución binomial se puede encontrar la probabilidad de transmisión dado que i nodo

estén transmitiendo y N-i nodos no lo estén. La probabilidad de transmisión de un solo nodo

se define como:

Donde n es el número de paquetes programados para el desarrollo de la simulación. Estos

fueron los resultados para el simulador de tráfico simple y tráfico simple con RTS y CTS.

Para los siguientes resultados, se trabajaron con una tasa de transmisión de 11 Mbps es decir

la máxima tasa de transmisión con 802.11b, un tiempo de simulación de un segundo, MTU

de 2304 bytes para paquetes simples y MSS de 1500 bytes para los segmentos de TCP y

UDP.

4.4.2.1 Simulador 1 y Simulador con RTS/CTS

Figura 4.23 Eficiencia del Canal.

Los resultados en esta parte son los esperados para el simulador, ya que con el mecanismo

de RTS/CTS se mejora notoriamente la eficiencia del canal. A pasar de caer a casi 94 % de

utilización a un 98 % con 100 usuarios. Hay que aclarar que en RTS/CTS las colisiones en

𝑃𝑟𝑜𝑏𝐶𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 = ∑ (𝑁𝑖

) (𝑃1𝑁𝑡𝑥 )𝑖(1 − 𝑃1𝑁

𝑡𝑥 )𝑁−𝑖

𝑁

𝑖=2

Ec ( 4.4.3)

𝑃1𝑁𝑡𝑥 =

𝑛𝑝𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠 × 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜𝑝𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇

Ec ( 4.4.4)


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el simulador solo existen si son entre los paquetes de RTS y CTS, esas colisiones tendrán

una duración mucho menor comparado con el otro simulador. A continuación se muestra la

gráfica de la probabilidad de que no haya una colisión, para el caso de la implementación

del RTS/CTS , la probabilidad de que transmita un usuario Ec ( 4.4.4), el tamaño del paquete

equivale a la longitud promedio de RTS.

Figura 4.24 Probabilidad de NO colisión.

Como se puede observarla probabilidad de que haya colisiones siguen siendo muy

parecidas. Lo que quiere decir que el mecanismo RTS/CTS funciona evitando las colisiones

de la información valida. Sin embargo, el número de colisiones entre RTS / CTS sería el

mismo.


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Figura 4.25 Número de Colisiones Simulador 1.

Figura 4.26 Numero de Colisiones Simulador 2.


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Las anteriores gráficas en 2D es decir en función únicamente del número de usuarios se

pueden encontrar en la sección de Anexos 9.5 y 9.6.

4.4.2.2 Simulador con tráfico TCP y UDP

Este simulador es diferente a los dos anteriores, en este se pretende ver la influencia de un

tráfico UDP y TCP en una red WIFI y en la eficiencia del canal. Este simulador se diferencia

de los otros en que recibe dos parámetros adicionales, el porcentaje de usuario UDP y TCP

que pueden estar presentes en la red a simular. El cambio de porcentaje será analizado en

las siguientes secciones, para este momento solo se pretende entender que tanto cambia la

eficiencia del canal; para eso se utiliza un porcentaje de usuarios TCP de 50 % y de UDP

de 50 % en un número total de usuarios de 100. Hay que aclarar la variable de n paquetes

por usuario ya no aplica pues eso ya depende de los protocolos de transporte (TCP de su

control de congestión y UDP del modelamiento dado por la MMPP).

Figura 4.27 Eficiencia de un Canal con TCP y UDP ambos al 50 % del número total de Usuarios.

Figura 4.28 Numero de Colisiones UDP -TCP.

Como se puede observar la adición del tráfico TCP y UDP genera pérdidas en la eficiencia

del canal, haciéndola caer casi hasta el 84 % en el peor de los casos. Sin embargo, en la

simulación de 1 segundo se presentan casi el mismo número de colisiones máximas

llegando a las 1000. En la siguiente sección se harán prueba variando el porcentaje de

CAPÍTULO V PROTOCOLO DE PRUEBAS Universidad Javeriana

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usuarios TCP y UDP en diferentes proporciones y en la sección de análisis se desarrollarán

las explicaciones de las mismas.

5 CAPÍTULO V PROTOCOLO DE PRUEBAS

En este capítulo, se presentarán los protocolos de prueba, hechos para verificar el funcionamiento primero

del escenario de prueba con tráfico TCP y UDP y el funcionamiento del software que contiene la

metodología propuesta en este trabajo de grado. El orden del protocolo de pruebas es importante pues

primero se buscará calibrar y entender el funcionamiento del simulador, una vez todos los datos sean

extraídos, se procede a poner a prueba el dimensionamiento y ejecutando los posibles casos sobre el

simulador con los parámetros necesarios.

En esta capítulo únicamente se presentaran la descripción de cada protocolo, cómo se llevará acabo y que

sería lo que se esperaría en el Capítulo 6 Análisis de Resultados.

5.1 Variación de los Parámetros del Simulador Realizar variaciones en la tasa de transmisión física (Tecnología) y El porcentaje de Usuarios TCP y UDP

en el sistema y graficar la eficiencia del canal.

Tasa de Transmisión % Usuarios TCP % Usuarios UDP

2 Mbps 30 70

70 30

11 Mbps 30 70

70 30

15 Mbps 30 70

70 30

54 Mbps 30 70

70 30

150 Mbps 30 70

70 30

400 Mbps 30 70

70 30

Tabla 5-1 Protocolo de pruebas 1.

Estas medidas serán tomadas a partir de la variación del número de usuario variándola desde 2 usuarios

activos hasta 50 usuarios activos (que es el peor de los casos) para un solo AP.

Los parámetros físicos de los anteriores escenarios serán los siguientes:

1. Link Budget: Para simular la función del nodo oculto implementada en sección 4.4.1 es necesario

definir los parámetros de cobertura que tendrían cada usuario. Para eso se supone un área cuadrada

de 20 m de ancho por 20 m de largo y unas perdidas en la ecuación Ec ( 4.1.3) de shadowing en

interiores de 15 dB. Con esos parámetros y con una potencia de transmisión de 100 mW se obtienen

unas pérdidas de -95.05 dB por pathloss y shadowing (en la banda de frecuencia de 2.4 GHz) y una

potencia recibida de -75 dBm. Esto quiere decir que a 10 metros de cobertura por el modelo de

propagación aquí propuesto los nodos o usuarios dejan de escucharse.

2. La densidad de usuarios por metro cuadrado es de 1. Esto se asume así para que no pueda haber dos

o más usuarios en el mismo metro cuadrado.

CAPÍTULO VI ANÁLISIS DE RESULTADOS Universidad Javeriana

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3. El análisis será sobre el canal de uplink o de subida. Se escoge este canal ya que es el más tolerante

colisiones y saturación.

5.2 Creación y Verificación de diferentes Escenarios con Parámetros de

Probabilidad de bloqueo y Tasa de Transmisión Comunes.

Esta parte de los protocolos, se realizará para validar el funcionamiento de la metodología en el Software

de Matlab, como herramienta para el dimensionamiento de una red WIFI. Para esto se realizarán 5

escenarios seleccionados con valores de QoS comunes, en donde se verificará los siguientes parámetros:

1. Visualización Correcta de los Niveles de Potencia.

2. Re ubicación si es necesario de nuevos AP’s

3. Correcta asignación de canales sin sobrelape.

4. Validación de tasa de transmisión deseada por medio del Simulador.

Para cada escenario se le asignará una tecnología diferente (Familia 802.11) y Constantes diferentes que

serán registradas en cada caso en tablas de datos.

6 CAPÍTULO VI ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1 Verificación Simulador a 2 Mbps Se muestra en la gráfica las curvas de la eficiencia a 2 Mbps con 10 metros de cobertura por usuario y

siguiendo los casos del protocolo 1 Tabla 5-1.

Figura 6.1 Eficiencia a 2 Mbps a 10 m.


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Figura 6.2 Eficiencia a 11 Mbps a 10 m.



Figura 6.3 Eficiencia 15 Mbps a 10 m


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Figura 6.4 Eficiencia 54 Mbps.



Figura 6.5 Eficiencia 150 Mbps


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Figura 6.6 Eficiencia 400 Mbps

6.7 Resultados y Verificación Con los resultados obtenidos se puede observar que la eficiencia del canal de una red WIFI con CSMA/CA

depende directamente de:

1. El tiempo el que se evalúa la eficiencia: De este tiempo depende el valor de la eficiencia, puesto

que en tiempo muy cortos y con tasas de transmisión muy grandes es posible que el acumulado del

tiempo en colisión o información no relevante sea igual tiempo de la simulación, por ende, la

eficiencia caería al 0 %.

Esto se puede observar en la Figura 6.1 Eficiencia a 2 Mbps a 10 m. En donde a partir de los 35

usuarios el número de colisiones es muy cercano o igual a 0. Esto evidentemente se traduce en un

desperdicio de canal. Además, se puede observar que a medida que la tasa de transmisión aumenta

los rangos de la eficiencia también. Cumple entonces la Ecuación Ec ( 4.4.1) pues el tiempo de un

paquete disminuye e intrínsecamente el tiempo de las colisiones también lo hará, dejando el tiempo

de simulación fijo, la eficiencia disminuye también.

2. El porcentaje y la caracterización del tráfico sobre la red: Se puede observar un patrón de

comportamiento en las gráficas de las 6 pruebas anteriores. El patrón es la disminución notoria de

la eficiencia al aumentar el porcentaje de usuario sobre aplicaciones que trabajen en UDP. El

aumento del número de usuarios UDP es proporcional a la disminución de usuarios TCP para

mantener los N usuarios programados.


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6.8 Caso 802.11 b Dimensionamiento. Parámetro de Entrada Valor

Ganancia de la Antena AP 10 dBi

Ganancia de la antena Cliente 10 dBi

Nivel de Ruido -90 dB

Máxima Capacidad de Usuarios por AP 30

Escala 40 m alto / 40 m largo

Probabilidad de Bloqueo 0.02

Tasa Esperada 800 kbps (por usuario)

Porcentaje de Usuarios UDP 30 %

Porcentaje de Usuarios TCP 70 %

Constante de tasa de bit por usuario Activo 1.2 Mbps

Tabla 6-1 Parámetros de Entrada Caso 1.

Resultados:

Visualización Final: Ver Anexos 9.7

Archivo.txt Informativo los resultados obtenidos con cada área de cobertura.

Resultados Simulador tasa de transmisión

TasasimuladorArea1_ = 0.802 Mbps Por Usuario

TasasimuladorArea1_ = 9 Mbps Total

TasaSimulador Area2 = 1.6 Mbps Por Usuario

TasasimuladorArea2 = 8 Mbps Por Usuario

Validación

Criterio Estado y Comentarios

Visualización de Niveles Potencia. La visualización de los niveles de potencia, en el plano son correctos

y son posibles a partir de un código de colores. Las etiquetas en color

verde son los nuevos valores del SNR y la potencia recibida en el

punto más alejado del rectángulo.

Re ubicación AP. Existe re ubicación, el software es capaz de re ubicarlos en el área de

cobertura, la ubicación sigue la función Ubicar_AP

Sobrelape de Canales. En el escenario final existen 3 AP’s sin embargo no existe sobrelape

entre ellos ya que quedan ubicados en el 11, 6 y 1.

Tasa de Transmisión. Para el simulador se ingresaron los valores de los parámetros de cada

área de cobertura. Para el primer simulador se obtuvo un error del 6 %

para la tasa de transmisión. Para la segunda área se obtuvo un error

del 25 % para la tasa de transmisión.

Figura 6.7 Validación Prueba con 802.11b


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6.9 Caso 802.11 a Dimensionamiento.

Parámetro de Entrada Valor







Tasa Esperada 5 Mbps (por usuario)



Constante de tasa de bit por usuario Activo 1.2 Mbps Tabla 6-2 Parámetros de Entrada Caso 2.

Resultados:




TasasimuladorArea1 = 6.20 Mbps por Usuario

TasasimuladorArea1 = 35.14 Mbps Total

TasasimuladorArea2 = 2.248 Mbps Por Usuario


Validación




verde son los nuevos valores del SNR y la potencia recibida en el

punto más alejado del rectángulo.




entre ellos ya que quedan ubicados en el 44,56,64,48.


área de cobertura. Para los dos simuladores se obtuvieron tasas de

transmisiones menores a las esperadas, esto se puede explicar a que el

simulador toma la tasa efectiva y calcula la tasa por usuario dividiendo

la efectiva entre el número de usuarios. Sin embargo, cabe recalcar que

la tasa de transmisión total (35 Mbps) es muy parecida a la tasa real.

Tabla 6-3 Validación Prueba con 802.1a


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6.10 Caso 802.11 g Dimensionamiento.











Constante de tasa de bit por usuario Activo 1.2 Mbps Tabla 6-4 Parámetros de entrada Caso 3

Resultados:








Validación




verde son los nuevos valores del SNR y la potencia recibida en el punto

más alejado del rectángulo. Es necesario activar la barra del código de

colores utilizado.




entre ellos y además se ve la implementación de subir de tecnología

para evitar posible interferencia entre los canales de 2.4 GHZ. Canales:

en 2.4 GHz (6,11) en 5 GHz (36,44).






la tasa de transmisión total (26.4 Mbps) es muy parecida a la tasa real.

Además el error relativo fue de: 37 % Tabla 6-5 Validación Prueba con 802.11g

6.11 Caso 802.11 n Dimensionamiento.


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Constante de tasa de bit por usuario Activo 1.2 Mbps Tabla 6-6 Parámetros de Entrada Caso 4

Resultados:








Validación






colores utilizado.




entre ellos y además se ve la implementación de subir de tecnología

para evitar posible interferencia entre los canales de 2.4 GHZ. Canales:

en 2.4 GHz (6,11) en 5 GHz (36,44,48).






la tasa de transmisión total (26.4 Mbps) es muy parecida a la tasa

esperada por el usuario hay que recordar que esa tasa de transmisión

únicamente se dará cuando estén los 17 nodos que tiene esta

simulación.

Tabla 6-7 Validación Prueba con 802.11n


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6.12 Caso 802.11 ac Dimensionamiento.











Constante de tasa de bit por usuario Activo 1.2 Mbps Tabla 6-8 Parámetros de Entrada Caso 5

Resultados:


Archivo.txt Informativo los resultados obtenidos con cada AP.




TasasimuladorArea2 = 2.4438 Por Usuario


TasasimuladorArea3 = 2.2032 Por Usuario


Validación






colores utilizado. Este ejemplo de arquitectura cambia con las

anteriores puesto




entre ellos. Canales: en 5 GHz (48,104,112,44,64,56,136).


área de cobertura. Para los tres simuladores se obtuvieron tasas de




la tasa de transmisión total (70 Mbps) es muy parecida a la tasa

esperada por el usuario hay que recordar que esa tasa de transmisión

únicamente se dará cuando estén los 25 nodos que tiene esta

simulación. Tabla 6-9 Validación Prueba con 802.11ac

CAPÍTULO VII CONCLUSIONES Universidad Javeriana

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7 CAPÍTULO VII CONCLUSIONES

De a las figuras del Capítulo 6 es posible encontrar una relación entre la caracterización de los

clientes y al eficiencia del canal. Se puede observar que a medida que aumentan los servicios que

demandan baja latencia Tabla 3-1 es decir servicios de Real Time, la eficiencia baja

considerablemente en comparación de una red en donde la mayoría de los clientes son de tipo TCP

es decir que se preocupan más por la integridad del mensaje y no en la latencia. De esta manera se

concluye que el funcionamiento del simulador sigue el modelo teórico de la eficiencia del canal, sin

embargo, para la validación no se compara con otros simuladores a nivel de capa de enlace para una

red WIFI.

La capacidad de hacer link Budget en una red inalámbrica es fundamental para el uso y la elección

de todos los parámetros de la capa física. Influyendo directamente en la Familia 802.11 que se

acomode mejor a las necesidades del cliente, características del ambiente y limitaciones en potencia.

El modelo de propagación aquí utilizado cumple con los requisitos de la planta física a dimensionar.

Además, la correcta clasificación de los clientes según el tipo de servicio y su dispositivo de

conexión trae ventajas en el aumento de la eficiencia del canal y en un dimensionamiento del

número de AP, necesarios para bajar la carga que generan. Esto se evidencia al clasificar el tráfico

en TCP y UDP según el tipo de servicio.

La metodología propuesta para el dimensionamiento cumple a la perfección con los temas de

organización, re ubicación y link budget sin embargo, no se puede saber con certeza que tan débil

es frente al dimensionamiento basado en la tasa de transmisión por usuario. Los simuladores

dependen mucho del número de usuarios activos luego por ende los valores de la tasa de transmisión

por usuario debería ser menor. Se puede concluir que a medida que aumentaba la tasa de transmisión

y se mantenía fijo el tiempo de simulación, lo esperado era que la eficiencia se incremente también.

Esto se puede observar en la sección de Análisis de Resultados Capítulo 6.

El modelamiento de un AP por medio de una cola M/M/1 aunque existen mejores y más exactos

modelos, se acerca mucho a la realidad, ofreciendo un acercamiento bastante bueno a la saturación

del sistema. Este modelamiento de AP en comparación al modelo M/G/1, brinda herramientas para

encontrar el punto aproximado en el que el AP entraría en saturación dependiendo del factor de

utilización que posea (𝜆

𝜇) .

En un trabajo futuro, se recomienda el uso de software especializado para la simulación de la red

en la capa de enlace y física. El uso del simulador aquí presentado, también puede ser utilizado para

fines educativos en donde se muestren el comportamiento de un escenario a nivel de capa de enlace.

Además de una implementación en hardware daría un peso valioso para futuras investigaciones.

BIBLIOGRAFÍA Universidad Javeriana

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8 BIBLIOGRAFÍA

[1] W. Lee, Wirlees and Cellular Telecomunications, Third. New York: McGraw-Hill, 2006.

[2] IEEE, IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange

between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements Part 11: Wireless

LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, vol. 2012, no. March.

2012.

[3] O. Exam, C. Guide, C. Press, and Brandon James Carrol, CCNA Wireless Official Exam Certification

Guide., First. United States of America, Indianapolis: Cisco, 2009.

[4] K. W. R. P. Kurose, Computer networking : a top-down approach, Sixth., vol. 1, no. 6. United States

of America: Pearson, 2013.

[5] M. Zukerman, Introduction to Queueing Theory and Stochastic Teletraffic Models, 1st ed., vol. 1.

Hong Kong: EE Department, 2017.

[6] A. Balachandran, G. M. Voelker, P. Bahl, and P. V. Rangan, “Characterizing user behavior and

network performance in a public wireless LAN,” ACM SIGMETRICS Perform. Eval. Rev., vol. 30,

no. 1, p. 195, Jun. 2002.

[7] J. Yeo, M. Youssef, and A. Agrawala, “Characterizing the IEEE 802.11 traffic: the wireless side,”

CS-TR 4570, Dept. Comput. Sci. Univ. Maryl., 2004.

[8] H. Guo, “CSMA with Priority Reservation by Interruptions for Efficiency Improvement and QoS

Support,” pp. 456–460, 2004.

[9] R. Scopigno and H. A. Cozzetti, “Evaluation of time-space efficiency in CSMA/CA and slotted

vanets,” IEEE Veh. Technol. Conf., vol. 1, no. 1, p. 29, 2010.

[10] M. Michalopoulou and P. Mahonen, “A Mean Field Analysis of CSMA/CA Throughput,” IEEE

Trans. Mob. Comput., vol. 16, no. 8, pp. 2093–2104, 2017.

[11] Yusun Chang, C. P. Lee, and J. A. Copeland, “Goodput optimization in CSMA/CA wireless

networks,” in 2007 Fourth International Conference on Broadband Communications, Networks and

Systems (BROADNETS ’07), 2007, pp. 880–888.

[12] R. Domains, Radio Channel Frequencies, Radio Chan. 170 West Tasman Drive, San Jose, CA

95134-1706 USA: Cisco Systems, Inc., 2008.

9 ANEXOS

ANEXOS Universidad Javeriana

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9.1 Repartición del Canal 2.4 GHz Anexo tomado de [12]

9.2 Repartición del Canal 5 GHz Anexo tomado de [12]


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9.3 Casos LOS estudiados Caso 1: Áreas formadas por triángulos rectángulos, para hallar el área de NO línea de vista se revisa el

primer vecino a la izquierda y luego a la derecha.


Página 59 de 74

Caso 2: el área de NOL se forma por una figura irregular que se puede descomponer en un triángulo (verde)

y un rectángulo (Amarillo).


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9.4 Posibles Casos para Ubicar_nuevosAP

Caso: 1 solo AP

Caso: 2 AP

Caso: 3 AP

Caso : 4 AP

Caso: 5 AP

Caso : 6 AP


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Caso : 7 AP

Caso: 8 AP

Caso: 9 AP


Página 62 de 74

9.5 Gráficas Anexas Simulador sin RTS/CTS con tráfico simple.

Eficiencia del Canal.

Probabilidad de Colisión.

Probabilidad de No Colisión


Página 63 de 74

9.6 Gráficas Anexas Simulador con RTS/CTS con tráfico simple.

Eficiencia del Canal:

Probabilidad de Colisión:


Página 64 de 74

Probabilidad de No Colisión


Página 65 de 74

9.7 Visualización Prueba 802.11 b

9.8 Visualización Prueba 802.11 a


Página 66 de 74

9.9 Visualización Prueba 802.11 g

9.10 Visualización Prueba 802.11 n


Página 67 de 74

9.11 Visualización Prueba 802.11 ac

9.12 Link Archivos.m en Matlab.

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my.sharepoint.com/personal/ricaurted_javeriana_edu_co/_layouts/15/guestaccess.aspx?folderid=0

de9c8b0f355c4937971ca11b8e94d5f8&authkey=AbZscFVe2st_igZhJSJgWyc&e=5298e785180f

4d5f8e7bae70b85f0b98

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