Modelo de Cobertura en Redes Inalámbricas basada en Radiosidad por Refinamiento Progresivo D....
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Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada en Radiosidad
por Refinamiento Progresivo
D. Néstor García Fernández
Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva Lovelle
Universidad de Oviedo – Departamento de Informática
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 2
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 3
Modelos– Representaciones simplificadas de la realidad por
medio de un conjunto de restricciones e hipótesis– Se usan para explicar patrones de comportamiento
que se observan en el mundo real– Los modelos se consideran aceptables en base a:
• si pueden explicar y predecir comportamientos• si son consistentes con otros conocimientos contrastados
– Cuando se obtienen nuevos datos son susceptibles de ser revisados o descartados
Introducción
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Marzo de 2006 4
Evolución– 1997 - 802.11– 1999 - 802.11b
- 802.11a
– 2002 - 802.11g– 2006 - 802.11n– 2005/? - WiMax
Redes Inalámbricas
Introducción
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Marzo de 2006 5
Uso de Radiosidad
– Utilizada inicialmente para simulación de transferencias de calor radiante entre superficies
– Posteriormente se adaptó para simulación de iluminación
– En esta tesis se utiliza por primera vez para simulación de cobertura en redes inalámbricas
Introducción
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Marzo de 2006 6
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 7
Modelos INDOOR
INDOOR vs OUTDOOR– Las distancias cubiertas son mucho más pequeñas– El componente variable del entorno es mucho mayor
Importancia de un buen modelo– Predecir el tamaño de las áreas que se pueden cubrir
con un único AP.– Planificar la ubicación de las celdas de modo que,
aún utilizando la misma frecuencia, no se interfieran ni causen errores
Estudio de Modelos de Propagación
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Marzo de 2006 8
Propagación en el Espacio Libre
Ecuación de Friis:
Expresada como pérdida de trayecto, con ganancias unitarias, y conocida la pérdida a una distancia de referencia d0
Estudio de Modelos de Propagación
Ld
GGPdP ytt
r 22
2
)4()(
PL (d) = PL(d0) + 20 log (d/d0)
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Marzo de 2006 9
Log-Normal Shadowing Path-Loss Model
• n: variable de pérdida de trayecto
• PL(d0): pérdida a distancia de referencia
• Xσ: desviación típica de muestras de calibración
Estudio de Modelos de Propagación
PL (d) = PL (d0) + 10n log(d/d0) + Xσ
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Marzo de 2006 10
Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en COST 231
• LFS = perdida en espacio libre entre transmisor y receptor
• Lc = constante de perdida
• kwi = número de paredes de tipo i penetradas
• n = número de suelos penetrados
• Lwi = perdida debida a muro de tipo i
• Lf = perdida entre suelos adyacentes
• b = parámetro empírico
Estudio de Modelos de Propagación
L = LFS + Lc + ∑kwi Lwi + n ((n+2)/(n+1) - b) * Lf
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Marzo de 2006 11
Linear Path Attenuation Model
• PLFS: Pérdida en espacio libre
• a: coeficiente de atenuación lineal (calibrado)• d: distancia entre transmisor y receptor
Ejemplo: a=0.47 dB/m en ambiente de oficinas
Estudio de Modelos de Propagación
adPLdPL FS
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Marzo de 2006 12
Dual Slope-Model
• dBR: distancia de ruptura
• λ: longitud de onda
• n1: exponente de path loss antes de dBR (PLDS1)
• n2: exponente de path loss después de dBR (PLDS2)
• a0: diferencia entre PLDS y PLFS a la distancia de 1 metro
Estudio de Modelos de Propagación
011
410 a
dLogndPLDS
BRBRDSDS d
dLogndPLdPL 212 10
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Marzo de 2006 13
Keenan-Motley Model
• PLM path loss medido a 1 metro.
• PLFS path loss en espacio libre, incluyendo pérdidas por penetración a través de suelos/techos.
• KF: número de suelos/techos penetrados
Estudio de Modelos de Propagación
FSFMKM PLkdnLogPLdPL 10
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Marzo de 2006 14
Multi-Wall Model
• PL1 path loss a 1 metro• af factor de atenuación de suelos• aw factor de atenuación de muros• nf número de suelos atravesados• nw número de muros atravesados
Estudio de Modelos de Propagación
wwffMW anandLogPLPL 201
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Marzo de 2006 15
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 16
Fundamentales
– Uso de radiosidad por refinamiento progresivo para calcular intensidades de señal debidas a reflexiones de las señales emitidas
– Uso de modelos geométricos de entornos reales tridimensionales sin mucho nivel de detalle
– Obtención de niveles de cobertura para el diseño de redes inalámbricas en interiores
Objetivos
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Marzo de 2006 17
Complementarios
– Combinación de señales reflejadas con algún otro método de propagación directa
– Coste computacional aceptable– Prototipo
• Interactivo• Resultados en diferentes vistas• Calibrado con datos de campo• Comparativas con datos reales
Objetivos
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Marzo de 2006 18
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 19
Resumen del Diseño– Utiliza un modelo geométrico tridimensional que incluye las
características radioeléctricas de los materiales– Se usa algún modelo de propagación para calcular la pérdida
de señal en el aire (Log-Normal Shadowing Path Loss Model) – Se ajusta el modelo en base a medidas de campo que tienen
en cuenta factores no considerados explícitamente (calibrado)
– Se tienen en cuenta el tipo y número de obstáculos atravesados por la señal, en base a sus características radioeléctricas
– Se usa Radiosidad por Refinamiento Progresivo para el cálculo de las señales reflejadas
– Se pueden combinar las señales reflejadas con las señales propagadas directamente
Diseño del Modelo
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Marzo de 2006 20
Modelo Geométrico Tridimensional– Relación de objetos del entorno
• Situación geométrica• Vértices, caras, material de composición• Descomposición de las caras en triángulos (mallado)
– Relación de materiales con sus propiedades radioeléctricas
• Atenuación• Reflectividad
– Relación de puntos de acceso• Posición• Características de radiación (potencia de emisión, ganancia
de la antena, directividad de la señal,...)– Relación de Parches (triángulos del mallado)– Relación de Sensores (sólo uno en cada posición)
Diseño del Modelo
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Marzo de 2006 21
Calibrado del Modelo– Propagación en el Aire
• Log-Normal Shadowing Path Loss Model
– Medidas en LOS (lóbulo principal)• PL(d0)• Medidas para obtener parámetros: n y Xσ
– n: media de las variables de pérdida calculadas en cada medición de calibrado
– Xσ:: desviación típica de las desviaciones entre los cálculos con n calculada y los datos de campo
• Tiene en cuenta factores de propagación en el entorno no considerados explícitamente
– Medidas en NLOS para ajustar pérdidas por penetración
Diseño del Modelo
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Marzo de 2006 22
Propagación con Obstáculos– Detección de los obstáculos (colisiones con
triángulos del mallado)– Aplicación de las pérdidas estimadas por
penetración en el material del obstáculo
Diseño del Modelo
TIPO DE OBSTÁCULO PERDIDA
Espacio abierto 0 dB
Ventana (tintado no metálico) 3 dB
Ventana (tintado metálico) 5-8 dB
Muros finos 5-8 dB
Muros medios de madera 10 dB
Muros gruesos 15-20 dB
Muros muy gruesos 20-25 dB
Suelo / Techo grueso 15-20 dB
Suelo / Techo muy grueso 20-25 dB
Objeto On dB
Colisión 1 n/2 dB
Colisión 2 n/2 dB
EMISOR RECEPTOR
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Marzo de 2006 23
Radiosidad por Refinamiento Progresivo - I
– Se cumple la ley de conservación de la energía– Energía reflejada inicial (sólo energía de APs)– Se cargan de energía sólo los parches que reflejan
– Todas las superficies son difusores ideales– Se refleja un porcentaje de la señal incidente no
penetrada (reflectividad)
Diseño del Modelo
P2 NO refleja
Vnormal (P1)
P2
Vnormal (P2)
EMISOR
P1
P1 SI refleja
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Marzo de 2006 24
Radiosidad por Refinamiento Progresivo - II
– Se toma como referencia el centro del parche y en los cálculos de propagación se tienen en cuenta las distancias acumuladas
– Se tienen en cuenta los factores de forma para calcular la cantidad (porcentaje) de energía emitida a cada parche
– En iteraciones sucesivas se dispara energía a los parches para su realimentación (y a los sensores)
Diseño del Modelo
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Marzo de 2006 25
Radiosidad por Refinamiento Progresivo - III
– Se cargan parches con energía de AP
– Se dispara la energía del parche más cargado al resto
– Se repite hasta que se cumpla la convergencia
Diseño del Modelo
jtodaparaBFBBadebidaB kiijj
kj
ki
kj
)()()()1(
Ai
inicialreflejadaEnergía
parcheemitidaEnergíadBiaConvergenc 10log10
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Marzo de 2006 26
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
![Page 27: Modelo de Cobertura en Redes Inalámbricas basada en Radiosidad por Refinamiento Progresivo D. Néstor García Fernández Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva.](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022051316/5665b4961a28abb57c926966/html5/thumbnails/27.jpg)
Marzo de 2006 27
Prototipo Zona WiFi
– Predicción de cobertura en diversos modelos de propagación; inicialmente sólo el modelo propuesto en la tesis
– Introducción de medidas de cobertura reales– Visualización gráfica y exportación de
cobertura en cada modelo implementado– Comparativas entre todos los modelos y
medidas reales
Prototipo
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Marzo de 2006 28
Utilización del Prototipo
Prototipo
Medidas de
Campo
Informaciónde
Configuración
3DStudio
Modelo Planta 0
Modelo Planta 1
Modelo Planta n
...
Prototipo
ZonaWiFi
SimulaciónCompleta
MedidasManuales
Imágenesen ficheros
Cobertura en cada
sensor/modelo predicción
Cobertura en cada sensor
medido/modelo predicción
VisualizaciónPantalla
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Marzo de 2006 29
Configuración
Prototipo
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Marzo de 2006 30
Puntos de Acceso
Prototipo
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Marzo de 2006 31
Simulaciones
Prototipo
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Marzo de 2006 32
Visualización y Análisis de Resultados
Prototipo
Planta nº Pos X Pos Y Pos Z Prop. Directa Prop. Multipath Prop. Conjunta Prop. Multi-Wall Linear Path Dual Slope Keenan-Motley Manual0 -18 1,25 -6 -90,18 -82,56 -81,87 -144,67 -57,69 -68,75 -49,18 -800 -18 1,25 -4 -87,94 -77,02 -76,68 -132,43 -57,21 -68,04 -48,94 -770 -18 1,25 -2 -49,79 -67,91 -49,73 -48,29 -56,93 -67,61 -48,79 -670 -18 1,25 -1 -63,76 -75,21 -63,46 -78,25 -56,86 -67,5 -48,76 -720 -18 1,25 0 -62,75 -72,73 -62,33 -72,24 -56,84 -67,48 -48,75 -700 -18 1,25 2 -73,81 -79,76 -72,83 -96,3 -56,96 -67,65 -48,81 -780 -18 1,25 4 -81,97 -83,5 -79,66 -120,46 -57,27 -68,13 -48,97 -74
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Marzo de 2006 33
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
![Page 34: Modelo de Cobertura en Redes Inalámbricas basada en Radiosidad por Refinamiento Progresivo D. Néstor García Fernández Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva.](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022051316/5665b4961a28abb57c926966/html5/thumbnails/34.jpg)
Marzo de 2006 34
Casos de Prueba Teóricos– Comparativas con resultados teóricos
• Excepto Multitrayecto y Conjunta
– Realizadas en escenarios diversos (No Reales)• Suelo cuadrado sin obstáculos• Claustro• Pasillos• Varias plantas
– Realizadas con variaciones de las configuraciones• Características de los materiales• Parámetros de propagación• Puntos de acceso
– El prototipo realiza los cálculos y responde correctamente en los distintos entornos y a variaciones en las configuraciones
Pruebas y Resultados
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Marzo de 2006 35
Calibración
– Medidas de campo en línea de visión
• Permiten ajustar la propagación por el aire en el modelo de propagación directa y multitrayecto
• Se obtienen los parámetros n y Xσ
– Medidas de campo para obtener atenuación de muros
Pruebas y Resultados
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Marzo de 2006 36
Casos de Prueba Reales
– Se dispone de las medidas de cobertura reales en el entorno
Pruebas y Resultados
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Marzo de 2006 37
Planta baja: Directa - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas RealesPropagación Directa
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Marzo de 2006 38
Planta baja: Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas RealesPropagación Multitrayecto
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Marzo de 2006 39
Planta baja: Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas RealesPropagación Conjunta
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Marzo de 2006 40
Planta bajo-cubierta:Comparativas con otros modelos
Pruebas y Resultados
A
BC
D E F G H J
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Marzo de 2006 41
Planta bajo-cubierta:Directa - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas RealesPropagación Directa
Media de las desviaciones 10,7 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 15,9 dB
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Marzo de 2006 42
Planta bajo-cubierta: Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas Reales
Media de las desviaciones 5,83 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 6,36 dB
Propagación Multitrayecto
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Marzo de 2006 43
Planta bajo-cubierta: Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados
Medidas Reales
Media de las desviaciones 0,53 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 6,3 dB
Propagación Conjunta
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Marzo de 2006 44
Planta bajo-cubierta: Línea A
Pruebas y Resultados
Unidades en dB Directa Multi-Trayect
Conjunta Multi-Wall
Linear-Path
Dual-Slope
Keenan-Motley
Media desviaciones 0,85 7,7 -0,34 19,07 -12,4 -11,6 -15,92
Media valor absoluto desv. 4,61 7,7 3,99 19,7 13,1 11,8 16,4
A
Punto de Acceso
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Marzo de 2006 45
Planta bajo-cubierta: Línea B
Pruebas y Resultados
Unidades en dB Directa Multi-Trayect
Conjunta Multi-Wall
Linear-Path
Dual-Slope
Keenan-Motley
Media desviaciones -2,4 9,62 -2,63 -3,4 -0,93 -3,52 -3,14
Media valor absoluto desv. 6,09 9,71 6,2 6,44 5,43 6,52 6,3
B
Punto de Acceso
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Marzo de 2006 46
Planta bajo-cubierta: Línea D
Pruebas y Resultados
Unidades en dB Directa Multi-Trayect
Conjunta Multi-Wall
Linear-Path
Dual-Slope
Keenan-Motley
Media desviaciones 21,44 8,51 6,69 34,56 -18,6 -9,36 -25,56
Media valor absoluto desv. 22,22 8,51 7,67 34,56 18,6 9,36 25,56
DPunto de Acceso
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Marzo de 2006 47
Planta bajo-cubierta: Línea H
Pruebas y Resultados
Unidades en dB Directa Multi-Trayect
Conjunta Multi-Wall
Linear-Path
Dual-Slope
Keenan-Motley
Media desviaciones 2,23 3,93 -2,28 27,39 -15,17 -6,59 -21,64
Media valor absoluto desv. 9,62 4,41 5,80 29,58 15,17 6,61 21,64
HPunto de Acceso
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Marzo de 2006 48
Comparativa Total
Pruebas y Resultados
Propagación Directa
Propagación Multitrayecto
Propagación Conjunta
Propagación Dual-Slope
Propagación Keenan-Motley
Propagación Multi-Wall
Propagación Linear-Path
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Marzo de 2006 49
Comparativa Total con Medidas
Pruebas y Resultados
Dual-Slope
Directa
Conjunta
Multi-trayecto Linear-Path
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Marzo de 2006 50
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 51
Resultados Destacables
– Reutilización de tecnología (Radiosidad) estudiada y utilizada en otros campos
– Uso de modelos geométricos generados por herramientas comúnmente utilizadas
– Modelos geométricos no necesariamente muy precisos
– Muchas posibilidades de configuración– Coste computacional aceptable
Conclusiones
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Marzo de 2006 52
Conclusiones Generales
– Nuevo modelo de cobertura basado en una técnica que nunca se había usado en este campo
– Es un modelo válido• Es capaz de predecir el comportamiento• Sus resultados se ajustan a la realidad• Es coherente con los conocimientos teóricos
– El modelo mejora los resultados de los otros modelos estudiados
Conclusiones
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Marzo de 2006 53
Contenido
– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras
Tesis Doctoral
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Marzo de 2006 54
Trabajo y Líneas de Investigación Futuras
– Estudio y modelado de la influencia de las personas en los entornos de propagación
– Combinación de Modelos de Propagación– Ubicación automática de puntos de acceso– Implementación del modelo como librería y/o
como servicio remoto– Aplicación del modelo a otros estándares de
comunicación inalámbrica
Líneas de Investigación Futuras
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Marzo de 2006 55
Publicaciones Derivadas
Publicaciones
Néstor García, Juan M. Cueva, Daniel Gayo, Agustín Cernuda and Juan Ramón García: Coverage Model in Wireless Networks based on Progressive Refinement Radiosity.International Conference on Artificial Intelligence IC-AI'04 – Las Vegas (USA) - CSRA Press. ISBN 1-932415-31-9 pp. 24- 31
Néstor García, Juan M. Cueva, Benjamín López and M. Cándida Luengo: Use of Progressive Refinement Radiosity to Model Wireless Indoor Propagation.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2006 (pendiente de aceptación)
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Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada en Radiosidad
por Refinamiento Progresivo
D. Néstor García FernándezMarzo 2006
Universidad de Oviedo – Departamento de Informática
Tesis Doctoral
Fin de la Presentación