Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada

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(1)Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Autor: Felipe Andres Zarta Escobar Código 20152195026 Director Elvis Eduardo Gaona García Director GITUD. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones Énfasis en Teleinformática - PROFUNDIZACIÓN Bogotá, Colombia junio de 2017.

(2) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. TABLA DE CONTENIDOS LISTA DE TABLAS .................................................................................................................................... 4 LISTA DE ILUSTRACIONES ..................................................................................................................... 5 RESUMEN ............................................................................................................................................... 8 Palabras Clave..................................................................................................................................... 9 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 10 1.1.. Problema de investigación.............................................................................................. 10. 1.1.1.. Planteamiento del Problema .................................................................................. 10. 1.1.2.. Formulación del Problema ...................................................................................... 15. 1.1.3.. Sistematización del Problema ................................................................................. 15. 1.2.. Justificación........................................................................................................................ 15. 1.3.. Objetivos ............................................................................................................................. 16. 1.3.1.. Objetivo General ...................................................................................................... 16. 1.3.2.. Objetivos Específicos ................................................................................................ 17. 1.4.. Aporte de la Investigación .............................................................................................. 17. 1.5.. Alcance y Limitaciones .................................................................................................... 18. 1.6.. Metodología ...................................................................................................................... 18. 1.6.1.. Etapa 1: Desarrollo del Modelo Conceptual ....................................................... 18. 1.6.2.. Etapa 2: Simulación de Coexistencia .................................................................... 19. 1.6.3.. Etapa 3: Validación del Modelo ............................................................................ 19. 1.7.. Estructura del Documento ............................................................................................... 20. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................... 21 2.1.. Bandas No Licenciadas ................................................................................................... 21. 2.2.. Tecnologías inalámbricas ................................................................................................ 24. 2.2.1.. Wi-Fi ............................................................................................................................. 24. 2.2.2.. LTE en Banda NO Licenciada ................................................................................. 30. 2.2.3.. LTE-U ............................................................................................................................. 32. 2.2.4.. LTE LAA ........................................................................................................................ 36. 2.2.5.. Calidad de Servicio .................................................................................................. 39. 2.3.. Trabajos Relacionados ..................................................................................................... 42. EVALUACIÓN DE COEXISTENCIA ..................................................................................................... 51 3.1.. Estándar 802.11 Wi-Fi ......................................................................................................... 51. 3.2.. Mecanismo de coexistencia de LTE en banda no licenciada ................................. 53. 3.3.. Entorno de Coexistencia LTE y Wi-Fi ............................................................................... 54. 3.4.. Variables de Entrada y Salida del Sistema ................................................................... 54. Página | 2.

(3) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 3.4.1.. Variables de Entrada ................................................................................................ 55. 3.4.2.. Variables de Salida ................................................................................................... 55. 3.5.. Relación Entre Variables de Entrada y Salida del modelo ........................................ 56. 3.6.. Planteamiento del Modelo de Afectación .................................................................. 56. SIMULACIÓN DE COEXISTENCIA LTE Y WI-FI EN BANDA NO LICENCIADA ................................. 59 4.1.. Herramienta de Simulación ............................................................................................. 59. 4.2.. Parámetros de Simulación ............................................................................................... 60. 4.2.1.. Escenario Indoor de Simulación ............................................................................. 62. 4.2.2.. Métricas de Rendimiento......................................................................................... 63. 4.3.. Simulación de Coexistencia ............................................................................................ 64. 4.3.1.. Transmisión FTP sobre UDP ........................................................................................ 65. 4.3.2.. Transmisión FTP sobre TCP ........................................................................................ 72. 4.4.. Análisis de Resultados ....................................................................................................... 78. 4.4.1.. Análisis por Variación de Lambda ......................................................................... 78. 4.4.2.. Análisis por Variación de Umbral ............................................................................ 79. 4.4.3.. Análisis por Variación de TXOP ............................................................................... 81. 4.4.4.. Resumen de Resultados ........................................................................................... 83. CONCCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ....................................................................................... 84 I.. REFERENCIAS .............................................................................................................................. 85. Página | 3.

(4) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Frecuencias ISM ...................................................................................................... 21 Tabla 2. Listado de Frecuencias 2.4 GHz para WLAN..................................................... 22 Tabla 3. Frecuencias no Licenciadas de 5 GHz ............................................................... 23 Tabla 4. Comparación entre 802.11n, 802.11ac Wave 1 y Wave 2 ............................ 25 Tabla 5. Parámetros de simulación NS-3 vs TR 36.889 ..................................................... 62 Tabla 6. Modelos de tráfico Wi-Fi y LAA implementados por NS-3 .............................. 63. Página | 4.

(5) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. LTE en Banda No Licenciada..........................................................................................................................................................12 Ilustración 2. Asignación de Espectro LTE y Wi-Fi en USA ..................................................................................................................................14 Ilustración 3. Listado de Señales Wi-Fi Escaneadas en 2.4 y 5 GHz .................................................................................................................26 Ilustración 4. Señal Wi-Fi de 40 MHz en 2.4 GHz canal 4+8................................................................................................................................26 Ilustración 5. Señal Wi-Fi de 40 MHz en 5 GHz canal 52+56...............................................................................................................................26 Ilustración 6. Representación Simplificada de MIMO 2 x 2 ......................................................................................................................................27 Ilustración 7. Diagrama de flujo de técnica CSMA/CA ....................................................................................................................................28 Ilustración 8. Colaboradores para la especificación de LTE en banda no licenciada ...............................................................................30 Ilustración 9. Evolución de LTE en banda no licenciada ..................................................................................................................................31 Ilustración 10. Escenarios de Coexistencia de LTE y Wi-Fi en banda no licenciada .....................................................................................32 Ilustración 11. Diagrama de Estados de transmisión LTE-U ................................................................................................................................33 Ilustración 12. Descripción de CSAT de Qualcomm ..........................................................................................................................................34 Ilustración 13. Descripción de CSAT de Ericsson .................................................................................................................................................35 Ilustración 14. LTE-U y LAA .......................................................................................................................................................................................36 Ilustración 15. Coexistencia de transmisión LAA y Wi-Fi .....................................................................................................................................37 Ilustración 16. Acceso al medio en LAA ..............................................................................................................................................................37 Ilustración 17. Diagrama de LBT en LAA ..............................................................................................................................................................38 Ilustración 18. Visión de Qualcomm hacia tecnología 5G ...............................................................................................................................39 Ilustración 19. Escenario de medición de throughput por transferencia FTP .................................................................................................40 Ilustración 20. Escenario de medicion de throughput en tiempo real............................................................................................................41 Ilustración 21. Tráfico generado desde Youtube para medición de throughput .........................................................................................41 Ilustración 22. Throughput registrado por el AP y por Netpersec .....................................................................................................................42 Ilustración 23. Ciclo de trabajo de CSAT .............................................................................................................................................................44 Ilustración 24. Potencia de señal Wi-Fi recibida en coexistencia con LTE-U ..................................................................................................46 Ilustración 25. Zoom para identificar tiempo de backoff .................................................................................................................................46 Ilustración 26. Throughput Wi-Fi vs. Tiempo LTE-U OFF ........................................................................................................................................47 Ilustración 27. Ciclo de trabajo de LTE y data rate Wi-Fi ...................................................................................................................................48 Ilustración 28. Escenario de prueba de coexistencia........................................................................................................................................49 Ilustración 29. Throughput Wi-Fi vs. potencia recibida de LTE-U.......................................................................................................................50 Ilustración 30. Señal Wi-Fi 802.11na en 5 GHz ......................................................................................................................................................51 Ilustración 31. Extracto de catálogo de AP 802.11ac .......................................................................................................................................52 Ilustración 32. Extracto de catálogo de Smartphone .......................................................................................................................................52 Ilustración 33. Mecanismo de coexistencia LTE LAA ..........................................................................................................................................53 Ilustración 34. Escenario de evaluación de coexistencia LTE en banda no lcienciada y Wi-Fi..................................................................54 Ilustración 35. Variables de entrada y salida del sistema .................................................................................................................................55 Ilustración 36. Relación entre variables de entrada y salida del sistema .......................................................................................................56 Ilustración 37. Escenario de Simulación ...............................................................................................................................................................60 Ilustración 38. Escenario de prueba tomado de 3GPP TR86.889 V13.0.0 .......................................................................................................61 Ilustración 39. Escenario de simulación en NS-3 .................................................................................................................................................61 Ilustración 40. Umbrales de detección ................................................................................................................................................................64 Ilustración 41. TXOP variable entre 4 y 20 ms ......................................................................................................................................................65 Ilustración 42. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................66 Ilustración 43. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................66. Página | 5.

(6) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 44. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................66 Ilustración 45. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................67 Ilustración 46. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................67 Ilustración 47. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................67 Ilustración 48. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................68 Ilustración 49. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................68 Ilustración 50. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................68 Ilustración 51. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................69 Ilustración 52. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................69 Ilustración 53. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-UDP .........................................................................69 Ilustración 54. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................70 Ilustración 55. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................70 Ilustración 56. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-UDP .........................................................................70 Ilustración 57. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................71 Ilustración 58. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................71 Ilustración 59. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-UDP .........................................................................71 Ilustración 60. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................72 Ilustración 61. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................72 Ilustración 62. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................72 Ilustración 63. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................73 Ilustración 64. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................73 Ilustración 65. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................73 Ilustración 66. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 0.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................74 Ilustración 67. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 1.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................74 Ilustración 68. CDF de throughput para TXOP = 4 ms, λ = 2.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................74 Ilustración 69. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................75 Ilustración 70. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................75 Ilustración 71. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -62 dBm, FTP-TCP..........................................................................75 Ilustración 72. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................76 Ilustración 73. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................76 Ilustración 74. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -72 dBm, FTP-TCP..........................................................................76 Ilustración 75. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 0.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................77 Ilustración 76. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 1.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................77 Ilustración 77. CDF de throughput para TXOP = 8 ms, λ = 2.5, ED LAA = -82 dBm, FTP-TCP..........................................................................77 Ilustración 78. Coexistencia con valor lambda variable para FTP-UDP (izq. λ = 0.5; centro λ = 1.5, der. λ = 2.5) ................................................78 Ilustración 79. Coexistencia con valor lambda variable para FTP-TCP (izq. λ = 0.5; centro λ = 1.5, der. λ = 2.5) ................................................78 Ilustración 80.Análisis de Coexistencia por Lambda Variable...........................................................................................................................79 Ilustración 81. Coexistencia con valor ED LAA variable para FTP-UDP (izq. ED = -62 dBm; centro ED = -72 dBm, der. ED = -82 dBm)...........79 Ilustración 82. Coexistencia con valor ED LAA variable para FTP-TCP (izq. ED = -62 dBm; centro ED = -72 dBm, der. ED = -82 dBm) ...........80 Ilustración 83. Análisis de Coexistencia por ED LAA variable ............................................................................................................................80 Ilustración 84. Coexistencia con valor TXOP variable para FTP-UDP (izq. TXOP = 4 ms; TXOP = 8 ms, der. TXOP = 16 ms) ..........................81 Ilustración 85. Coexistencia con valor TXOP variable para FTP-TCP (izq. TXOP = 4 ms; TXOP = 8 ms, der. TXOP = 16 ms) ..........................81 Ilustración 86. Análisis de Coexistencia por TXOP variable ................................................................................................................................82. Página | 6.

(7) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Lista de Abreviaciones Las siguientes son las abreviaciones utilizadas en el documento, se han dejado tal y como se reconocen en el idioma inglés.. 3GPP. 3rd Generation Partnership Project (3GPP). LTE. Long Term Evolution. SCell. Secondary Cell. PCell. Primary Cell. LTE-U. LTE Unlicensed. QoS. Quality of Service. CSMA/CA. Carrier Sensitive Multiple Access / Colission Avoidance. CSAT. Carrier Sensitive. DSSS. Direct-sequence spread spectrum. AP. Access Point. UE. User Equipment. eNB. Evolved Node B. OSDL. Opportunistic Supplemental DownLink. SIM-Card. Subscriber Identification Module (Card). FCC. Federal Communications Commission. TDM. Time Division Frequency. PHY. Physical Layer. LWA. LTE Wi-Fi Link Aggregation. LBT. Listen Before Talk. WLAN. Wireless LAN. WiFi. Wi-Fi. Página | 7.

(8) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. RESUMEN. El aumento en el tráfico de datos móviles, junto con el aumento en el número de dispositivos a nivel mundial es motivo de estudio por parte de los operadores móviles ante la posible escasez de espectro en el corto plazo. Solo en el año 2016 se incorporaron cerca de medio billón de dispositivos móviles llegando a casi 8 billones de dispositivos a nivel mundial que generan 30 veces más tráfico por mes a nivel mundial que en el año 2000 (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017). Ante el eventual desafío de escasez de espectro, algunos operadores y fabricantes de soluciones para LTE han liderado iniciativas de coexistencia para transmitir LTE sobre espectro de banda no licenciada en 5 GHz. Con la coexistencia, los operadores móviles pretender utilizar los casi 500MHz con los que cuenta la banda de 5GHz, desde hace más de 15 años utilizada por las redes Wi-Fi (Al-Dulaimi, AlRubaye, Ni, & Sousa, 2015; Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017). Las redes Wi-Fi han sido la base de diferentes estrategias de masificación de acceso a Internet de los gobiernos en todo el mundo, incluido Colombia con la estrategia Vive Digital. Las redes Wi-Fi han tenido tal grado de masificación que hoy en día casi todo dispositivo inteligente cuenta con una conectividad WiFi como mínimo (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017) lo cual significa que cualquier posible afectación que puedan sufrir las redes WiFi debe ser analizada para evaluar su impacto y así tomar las medidas pertinentes de regulación y control. En el presente trabajo de investigación se evaluará la coexistencia de LTE y Wi-Fi sobre banda no licenciada y se planteará un modelo de afectación de calidad de servicio sobre W-Fi que permita medir cuantitativamente el grado de afectación. Adicionalmente se expondrá un mecanismo que permita liberar cargad de datos móviles de la red LTE.. Página | 8.

(9) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. PALABRAS CLAVE. Wi-Fi, LTE-U, LTE-LAA, calidad de servicio, coexistencia de red, throughput. Página | 9.

(10) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. CAPITULO I. INTRODUCCIÓN. Para el análisis de coexistencia LTE / WiFi en banda no licenciada, se tendrán en cuenta los dos principales mecanismos de coexistencia de LTE que hoy en día se encuentran en el mercado las cuales han sido planteadas por los fabricantes Qualcomm y Ericsson. Con respecto a las redes Wi-Fi, se tendrá en cuenta los estándares IEEE que operan sobre banda de 5GHz: 802.11 na y 802.11ac. El presente trabajo de investigación se centrará en la evaluación afectación de calidad de servicio sobre redes Wi-Fi causada por la coexistencia con la tecnología LTE adaptada para operación en banda no licenciada, a nivel de radio frecuencia sin entrar en detalle en conceptos y explicación de la tecnología LTE estándar. En este primer capítulo se expondrá la descripción del problema junto con los objetivos, alcance y metodología y estructura del documento para dar paso a la revisión del estado del arte y la evaluación de la coexistencia (Cavalcante et al., 2013).. 1.1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN El problema de investigación es presentado mediante: planteamiento, formulación y sistematización del problema.. 1.1.1. Planteamiento del Problema En 2016, el tráfico global de datos móviles creció 63%, pasando de 4.4 exabytes por mes a finales de 2015 a 7.2 exabytes por mes a finales de 2016 lo cual es más de 30. Página | 10.

(11) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. veces el tamaño total que tenía Internet en el año 2000 (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017) El crecimiento en el tráfico de datos móviles ha ido de la mano con el crecimiento en el número de dispositivos móviles, solo en el año 2016 se incorporaron cerca de medio billón de ellos. Tanto el número de dispositivos móviles como el número de conexiones crecieron en 2016 hasta alcanzar 8 billones en comparación con los 7.6 billones en 2015. En el año 2016, solamente los smartphones, representaron el 45% del número total de dispositivos y conexiones, aportando en 81% del tráfico de datos móviles a nivel mundial (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017). Las velocidades de conexión en redes móviles (celulares), crecieron más de tres veces en 2016. A nivel mundial, la velocidad promedio de descarga en una red móvil fue 6.8 Mbps (Megabits por segundo) en comparación con 2Mbps en 2015. Para el mismo año 2016, las conexiones 4G representaron el 26% de las conexiones móviles mientras que para el año 2021 se prevé que tendrán la mayor tasa de participación con un 53% de las conexiones móviles totales con más de 3 cuartas partes del tráfico móvil total (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017). De acuerdo con las predicciones del fabricante de tecnología Cisco, para el 2021 tendremos 1.5 dispositivos móviles per cápita llegando a los 11.6 billones de dispositivos conectados, es decir superior al crecimiento de población proyectada para el mismo año (7.8 billones) donde para el mismo año 2021 la demanda de velocidad promedio de conexión llegará hasta 20.4 megabit por segundo (Mbps), es decir casi tres veces la velocidad que se registraba a finales del año 2016. Ante este desafío, operadores móviles y fabricantes de chipsets LTE están liderando iniciativas en las cuales proponen su crecimiento en capacidad en base al uso de espectro no licenciado tal como lo hace la banda Industrial, Científico y Médica (ISM) y bandas de televisión (TV Space). Actualmente, las implementaciones de LTE en bandas no licenciadas están siendo consideradas por la 3GPP como un tema. Página | 11.

(12) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. de investigación y han sido presentadas en dos versiones, la primera llamada Licensed Assisted Access (LAA) y la segunda llamada LTE Unlicensed (LTE-U) La banda no licenciada es atractiva debido a su espectro disponible, en especial las bandas 5GHz (U-NII).. Ilustración 1. LTE en Banda No Licenciada. En la ilustración 1 se muestra el esquema general de funcionamiento de LAA y LTEU donde el Smartphone tendría la capacidad de recibir la conexión LTE en la banda no licenciada 5 GHz además de la conexión LTE como lo conocemos actualmente en el rango de 400 MHz a 3.8 GHz según el país/operador y por otro lado la conexión WiFi en las bandas de 2.4 y 5GHz, esto significa que el Smartphone debería soportar 3 tecnologías: WiFi, LTE y LTE-U (Malladi, 2016) lo cual significa que se requeriría de un nuevo hardware para el cliente final. Investigaciones de los años recientes se han enfocado en la implementación de LTE en banda no licenciada para aumentar la capacidad de los operadores móviles. Se han conformado grupos de investigación como el “LTE-U Forum” basado en la revisión 12 de la 3GPP, enfocado en ciertos mercados como Usa,. Página | 12.

(13) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Korea e India. La 3GPP para LAA se ha basado en la revisión 13 para incluir LWA (LTE Wi-Fi Link Aggregation) y LAA. Sin embargo este tema ha sido de interés no solo de los operadores e interesados en obtener más espectro sino también de los defensores del uso de bandas no licenciadas que han expresado su preocupación ante el eventual impacto que la coexistencia tendría en las comunicaciones nativas de banda no licenciada, particularmente Wi-Fi que es una de las tecnologías más utilizadas en nuestra vida diaria y que aporta cerca del 40% de toda la entrega de datos en sistemas inalámbricos actuales(Wang et al., 2014) La discusión no solo tiene implicaciones técnicas sino comerciales puesto que los operadores de red móvil hacen su negocio pagando al gobierno local grandes sumas de dinero en licencias y proveyendo servicios LTE comerciales a sus suscriptores usando las frecuencias asignadas mientras que, en Wi-Fi no es necesario pagar por las frecuencias, y cualquier persona puede desarrollar mercado por ejemplo monetizando una red WiFi. Desde la perspectiva del usuario, la diferencia entre LTE y Wi-Fi es clara, es necesario pagar por servicios LTE pero no por Wi-Fi. Como los operadores se están interesando cada vez más en las bandas no licenciadas, en los últimos dos años han ocurrido algunas “disputas “territoriales” por apoderarse del espectro. En Corea, a comienzos de 2015 LG U+ demostró el funcionamiento de LTE-U y anunció planes para comercializar el servicio para 2016 (Telecom, 2014) Desde el punto de vista de acceso al medio, en Wi-Fi el acceso está basado detección de portadora que funciona como una vía de un solo carril. Un usuario puede ser atendido solamente cuando no se está atendiendo a otro usuario. En LTE, el acceso está basado en programación y provee servicio orientado a conexión dedicada de tal forma que, como una vía de varios carriles permite atender a múltiples usuarios a la vez.. Página | 13.

(14) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Debido a las evidentes diferencias en las técnicas de acceso entre LTE y Wi-Fi, es necesario analizar la posible afectación del rendimiento de la red Wi-Fi compartiendo espectro con LTE en banda no licenciada (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017). De no analizar cuidadosamente la eventual afectación en la calidad de servicio de las redes Wi-Fi en coexistencia con LTE en banda no licenciada, podría causarse un impacto negativo en Wi-Fi que afectaría no solo la forma en la que se usa a diario, sino que también podría afectar estrategias de masificación de acceso a Internet que tienen a Wi-Fi como base, por ejemplo, Vive Digital en Colombia. Antes de habilitar la coexistencia entre LTE y Wi-Fi se deben tener en cuenta todos los temas relacionados desde el punto de vista técnico y comercial habilitando regulaciones gubernamentales en el uso de frecuencias de 5GHz (algunos países tienen diferentes bandas Wi-Fi y requerimientos de regulación de radio frecuencia sobre la banda no licenciada de 5GHz). En la ilustración 2 (Cano & Leith, 2015)se muestran las bandas de frecuencias no licenciadas ISM y LTE.. Ilustración 2. Asignación de Espectro LTE y Wi-Fi en USA. La banda de 5GHz ISM, es hoy en día ampliamente utilizada por Wi-Fi, a tal punto que el último estándar habilitado y difundido en el mercado por la IEEE, el 802.11ac opera únicamente en la banda de 5GHz precisamente por la. Página | 14.

(15) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. disponibilidad de espectro lo que ha causado que casi todo dispositivo reciente incluya esta banda de frecuencia y estándar (Barnett T, Sumits A, Jain S, 2017) El problema de investigación planteado en este documento, se centrará en la evaluación de la coexistencia de Wi-Fi con LTE de banda no licenciada.. 1.1.2. Formulación del Problema Pregunta de investigación: ¿Cómo representar cuantitativamente el grado de afectación de la calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada?. 1.1.3. Sistematización del Problema Sub-preguntas de Investigación i. ii. iii.. ¿Cuáles son las variables de entrada y salida que se deben tener en cuenta para el diseño del modelo? ¿Qué herramientas deben ser tenidas en cuenta para la elaboración del modelo? ¿De qué forma puedo validar el modelo?. 1.2. JUSTIFICACIÓN En el presente trabajo de investigación, se pretende medir de forma cuantitativa el grado de afectación en la calidad de servicio que sufrirían las redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en la banda no licenciada de 5GHz, y todas las implicaciones asociadas que esto implicaría. Las diferentes propuestas de mecanismos de coexistencia entre estas dos prominentes tecnologías inalámbricas LTE y Wi-Fi, han surgido ante la necesidad de aumentar la capacidad de los operadores móviles para hacer frente al aumento de tráfico de datos móviles, lo cual definitivamente debe ser un tema de estudio y. Página | 15.

(16) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. necesita de una solución en el corto plazo. Sin embargo, reviste igual importante estudiar el impacto que la coexistencia tendría sobre redes Wi-Fi las cuales incluso transportan un mayor volumen de datos que LTE y, son la preferencia de los usuarios por sobre las redes celulares por razones simples como poder compartir la conexión entre gran número de dispositivos. La presente investigación reviste una gran importancia porque analiza la posible afectación que sufriría una tecnología inalámbrica que se ha mantenido por más de 15 años en el mercado, compatible con estándares anteriores hasta volverse parte de nuestro día a día en para computadores, Smartphones, relojes, electrodomésticos, dispositivos de seguridad, entre otros, y sobre la cual están basadas diferentes programas sociales que buscan reducir la brecha digital como lo es el programa Vive Digital en Colombia y México Conectado, entre otras. Conocer el grado de afectación de la calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada servirá para que los diferentes gobiernos sean conscientes de lo que esto significa y creen regulaciones del uso de espectro en 5GHz que vayan en defensa de los intereses de la población, especialmente la menos favorecida que no tiene posibilidad de pagar un canon mensual por un servicio de LTE o que no tiene los medios para comprar un dispositivo compatible con esta tecnología.. 1.3. OBJETIVOS 1.3.1. Objetivo General Diseñar un modelo matemático que mida cuantitativamente el impacto en la calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada.. Página | 16.

(17) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 1.3.2. Objetivos Específicos . Diseñar el modelo conceptual en base a las variables de calidad de servicio a ser tenidas en cuenta.. . Simular el modelo utilizando herramienta de software.. . Validar el modelo a través de análisis teórico y de los resultados de la simulación.. 1.4. APORTE DE LA INVESTIGACIÓN Los resultados de esta investigación podrán ser utilizados por cualquier operador de red LTE y/o Wi-Fi para realizar un análisis teórico del impacto que tendría sobre Wi-Fi la Coexistencia Wi-Fi/LTE en banda no licenciada. A su vez, los resultados de la investigación podrán ser tenidos en cuenta por las entidades gubernamentales reguladoras del espectro en cada país como sustento teórico que les permita crear nuevas regulaciones para las transmisiones de LTE en banda no licenciada. Los resultados esperados de esta investigación incluyen:  Índice de medición de afectación de calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE  Modelo matemático para la medición cuantitativa de la afectación de calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada.  Simulación de coexistencia LTE/Wi-Fi  Conclusiones acerca de la coexistencia LTE/Wi-Fi  Propuestas para descongestión de celda LTE sin necesidad de coexistencia.. Página | 17.

(18) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 1.5. ALCANCE Y LIMITACIONES La validación del modelo de afectación de calidad de servicio de redes Wi-Fi en coexistencia con LTE no licenciada no será contrastada con mediciones reales, sino que se realizará a través de un análisis teórico y simulación. La simulación podría no reflejar todos los aspectos que deben ser tenidos en cuenta para una correcta representación de una situación real, de acuerdo a las limitaciones de la herramienta de simulación. Los mecanismos de coexistencia de LTE con Wi-Fi sobre la banda no licenciada actualmente son objeto de investigación y debate por los defensores de cada una de las tecnologías razón por lo cual aún no existen despliegues masivos o de fácil acceso para pruebas reales. La afectación de calidad de servicio será medida únicamente sobre la red Wi-Fi, no sobre la red LTE puesto que este es el enfoque que se está dando a la investigación.. 1.6. METODOLOGÍA Una vez recorrido el estado del arte y antecedentes, el desarrollo de la evaluación de coexistencia y planteamiento del modelo de afectación se llevará a cabo en tres etapas:. 1.6.1. Etapa 1: Desarrollo del Modelo Conceptual En esta etapa se desarrollará el modelo conceptual teniendo en cuenta las variables de entrada y salida del sistema que sirvan para representar la afectación de calidad de servicio sobre redes Wi-Fi en coexistencia con Wi-Fi en banda no licenciada. Las actividades incluyen:. Página | 18.

(19) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. i.. Selección de estándar 802.11 Wi-Fi.. ii.. Selección de mecanismo de coexistencia LTE.. iii.. Especificación del escenario de evaluación de coexistencia.. iv.. Reconocimiento de las variables de entrada y salida del sistema que permiten medir calidad de servicio.. v.. Relación entre variables de entrada y/o salida del sistema.. vi.. Planteamiento teórico del modelo de afectación. 1.6.2. Etapa 2: Simulación de Coexistencia Las actividades de la etapa 2 de simulación incluyen: . Análisis de herramientas de simulación.. . Elección de herramienta de simulación.. . Definición del escenario y condiciones del entorno simulación.. . Definición de parámetros de la simulación. . Simulación de coexistencia LTE y Wi-Fi. 1.6.3. Etapa 3: Validación del Modelo En esta etapa se realizará la validación del modelo, las actividades incluyen: . Validación del modelo en base a análisis teórico. . Validación del modelo en base a los resultados de la simulación de coexistencia. . Análisis de resultados. . Conclusiones y planteamiento para trabajos futuros.. Página | 19.

(20) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 1.7. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO El trabajo de investigación está dividido en cinco capítulos organizados la siguiente forma: -. Capítulo 1: incluye la motivación de la investigación, planteamiento del problema, objetivos de la investigación y su metodología.. -. Capítulo 2: incluye estado del arte y trabajos relacionados (antecedentes). -. Capítulo 3: incluye la evaluación de coexistencia y planteamiento del modelo teórico de afectación. -. Capítulo 4: incluye simulación de coexistencia LTE y Wi-Fi en banda no licenciada y evaluación del modelo de afectación.. -. Capítulo 5: incluye análisis de resultados, conclusiones y planteamiento de trabajos futuros.. Página | 20.

(21) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. CAPITULO II. ESTADO DEL ARTE. 2.1. BANDAS NO LICENCIADAS Las bandas de frecuencias no licenciadas son aquellas que no requieren de licencia para su uso. Existe un consenso internacional de bandas no licenciadas definido por la ITU en artículo 5 llamado Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) reservadas para su uso no comercial. En la tabla 1 se muestran algunas de las bandas ISM de mayor uso tal y como fueron especificadas incialmente por la ITU Banda ISM. Principal Uso. 433 MHz. IoT. 915 MHz. Teléfonos Inalámbricos, hornos. Rango de Frecuencia 433.050 – 434.790 MHz 902 – 928 MHz. microondas 2.4 GHz. IoT, Hornos Microondas, Redes Wi-Fi. 2.4 – 2.425 GHz. 5.8 GHz. Enlaces inalámbricos, radares,. 5.725 – 5.85 GHz. Redes Wi-Fi Tabla 1. Frecuencias ISM. En 1985 la FCC bajo la especificación Part 15.247 abrió las bandas ISM para comunicaciones móviles y LAN. En el año de 1997, la FCC bajo la especificación Part 15.407 conocida como Unlicenses National Information Infrastructure (U-NII) (Bhorkar, Ibars, Papathanassiou, & Zong, n.d.).. Página | 21.

(22) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Cada país adopta un dominio de regulación para el manejo de su espectro de bandas no licenciadas (ver tabla 2 y tabla 3), siendo las de Estados Unidos (FCC) y Europa (ETSI) las más utilizadas a nivel mundial mientras que en países específicos como Japón, China y Corea, existen regulaciones especiales. Frecuencia. USA. Europa y. Central. Japón. Mayoría de Países. 2.412 GHz 2.417 GHz 2.422 GHz 2.427 GHz 2.432 GHz 2.437 GHz 2.442 GHz 2.447 GHz. Permitida. Permitida. Permitida. No permitida. No permitida. 802.11b. 2.452 GHz 2.457 GHz 2.462 GHz 2.467 GHz 2.472 GHz 2.484 GHz. únicamente. Tabla 2. Listado de Frecuencias 2.4 GHz para WLAN. En la tabla 3 se muestra el uso típico de cada una de las bandas de frecuencias 5 GHz de la U-NII (Jia & Tao, 2015).. Página | 22.

(23) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Banda. de. USA. Europa. Japón. China. Korea. Interiores. Interiores. Interiores/satélite. Interiores/DFS/TPC. Interiores. Interiores/DFS/TPC. Interiores/DFS/TPC. DFS/TPC. Frecuencia 5.15 – 5.25 GHz (100 MHz). (banda A). 5.25 – 5.35 GHz. DFS/TPC (U-NII)-. (ACA),. (100 MHz). 2A. DFS/TPC (banda A). 5.35. –. 5.470. (U-NII-2B). Bajo Estudio. No. Bajo estudio. Bajo estudio. 5.470 – 5.650. DFS/TPC (U-NII-. ACA/DFS/TPC. DFS/TPC. En consideración. DFS/TPC. GHz (180 MHz). 2C). (banda B). 5.650 – 5.725. DFS/TPC/radar. ACA/DFS/TPC. DFS/TPC. En consideración. Servicio Bcast. GHz (75 MHz). (UNII-2C). (banda B). 5-725 – 5.825. Si (U-NII-3). DFS/radar. GHz (120 MHz). GHz (100 MHz). relay No. (banda C). Licenciado. (tres. operadores). EIRP 10 mW, frecuencia central. 5.775. GHz 5.825 – 5.850. Si (U-NII-3). GHz (25 MHz) 5.850 – 5.875. No. Si. Bajo estudio. No. Bajo estudio. Bajo estudio. No. Bajo estudio. Bajo estudio. (banda C) U-NII-4. GHz (25 MHz) 5.875 – 5.925. DFS/radar. Radar (banda C). U-NII-4. Bajo estudio. GHz (75 MHz). Tabla 3. Frecuencias no Licenciadas de 5 GHz. Como se puede apreciar en la tabla 3, las bandas no licenciadas de 5GHz ofrecen múltiples opciones de transmisión con casi 500MHz de espectro lo cual ha motivado el desarrollo de nuevos estándares sobre esta banda como lo es IEEE 802.11ac.. Página | 23.

(24) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 2.2. TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS En este capítulo se profundizará en las dos tecnologías inalámbricas con las cuales se evaluará la coexistencia: Wi-Fi y LTE de banda no licenciada.. 2.2.1. Wi-Fi Wi-Fi es una marca registrada de la Wi-Fi Alliance (Bhorkar, Ibars, & Zong, 2015) y que representa la tecnología inalámbrica que opera en las bandas no licenciadas ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4 y 5 GHz (ver ilustración 2) bajo los estándares IEEE 802.11 a/b/g/n/ac. Dentro del modelo OSI, Wi-Fi se ubica en las capas físicas y de enlace de datos. . 802.11b: opera en banda de 2.4 GHz y utiliza modulación DSSS con PHY de hasta 11 Mbps.. . 802.11g: opera en la banda de 2.4 GHz con PHY de hasta 54 Mbps. Para PHY de 6 Mbps o superiores utiliza modulación OFDM.. . 802.11a: opera en la banda de 5 GHz con PHY de hasta 54 Mbps. Para tasas de 6 Mbps o superiores utiliza modulación OFDM.. . 802.11n: opera en las bandas de 2.4 GHz (802.11 ng) y 5 GHz (802.11 na) con PHY de hasta 150 Mbps por cada secuencia espacial. En el 802.11n se incorpora la tecnología MIMO con la posibilidad de utilizar portadora de 20 o 40 MHz a diferencia de los anteriores 802.11 a/b/g que solo utilizan 20 MHz.. . 802.11ac: es el más reciente estándar de 802.11 y opera únicamente sobre la banda de 5GHz con PHY de 867 Mbps y 1300 Mbps para Wave 1 y entre 2.34 Gbps y 3.47 Gbps para Wave 2.. En la tabla 4 se resume los diferentes estándares de 802.11 que se han masificado en el mercado hasta Diciembre de 2016. Página | 24.

(25) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 802.11n. 802.11ac Wave 1. 802.11ac Wave 2. Banda. 2.4 & 5 GHz. 5 GHz. 5 GHz. MIMO. Single User (SU). Single User (SU). Multi User (MU). PHY Rate. 300 - 450 Mbps. 867 Mbps - 1300. 2.34 Gbps – 3.47 Gbps. Mbps Ancho de Canal Modulación Streams. 20 o 40 MHz. 20, 40, 80 MHz. 20, 40, 60, 160 MHz. 64 QAM. 256 QAM. 256 QAM. 2-3. 2–3. 3-4. 293 Mbps. 845 Mbps. 2.26 Gbps. Espaciales MAC. Throughput. (Máximo)* Tabla 4. Comparación entre 802.11n, 802.11ac Wave 1 y Wave 2 *Asumiendo el número máximo de Streams espaciales y una eficiencia del 65% a máxima velocidad de modulación. La tecnología Wi-Fi está basada en canales de 20 MHz donde con la evolución de los estándares hasta llegar al actual 802.11ac se han empezado a sumar varios canales de 20 MHz hasta llegar a 160 en 802.11ac Wave 2. A partir del estándar 802.11n, se tiene utiliza tecnología MIMO (múltiple entrada – múltiple salida) con múltiples secuencias espaciales lo cual le permite aumentar el Throughput del usuario Wi-Fi (Wang et al., 2014).. Página | 25.

(26) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 3. Listado de Señales Wi-Fi Escaneadas en 2.4 y 5 GHz. Ilustración 4. Señal Wi-Fi de 40 MHz en 2.4 GHz canal 4+8. Ilustración 5. Señal Wi-Fi de 40 MHz en 5 GHz canal 52+56. Como se puede observar en las ilustraciones 3 a 5, la detección de APs vecinos en Wi-Fi tiene un umbral cercano a los –90 dBm. Página | 26.

(27) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Tecnología MIMO La. tecnología. MIMO. (múltiple. entrada. múltiple. salida). es. utilizada. en. comunicaciones inalámbricas como Wi-Fi y LTE para incrementar la tasa de bits a través de la transmisión de 2 (o más) flujos de datos diferentes sobre dos (o más) antenas diferentes, utilizando los mismos recursos en frecuencia y tiempo, separados únicamente a través del uso de diferentes señales de referencia que a su vez son recibidas por 2 o más antenas como se muestra en la ilustración 6.. Ilustración 6. Representación Simplificada de MIMO 2 x 2. Un sistema MIMO 2x2 significa que dispone de 2 entradas y 2 salidas (4 antenas en total), el número de envío que es capaz de hacer el sistema se conoce como streams espaciales (SS), en caso de 2 SS, la nomenclatura sería MIMO 2x2:2 La evolución de la tecnología Wi-Fi continua para alcanzar velocidades muy superiores a 1 Gbps y aumentando la concurrencia de usuarios. Para finales de 2016 ya se comercializaban en el mercado chipsets 802.11ac MU-MIMO los cuales permiten Multiple MIMO en downlink para permitir que dos usuarios o más puedan transmitir al mismo tiempo. En cuanto al MU-MIMO en sentido de Uplink se está trabajando en el desarrollo del estándar 802.11ax Técnica de Acceso al Medio CSMA/CA La técnica de acceso al medio en la tecnología Wi-Fi se conoce como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) la cual es una técnica de acceso noble cuya principal función es la prevención de colisiones por verificación de portadora.. Página | 27.

(28) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Antes de transmitir una trama, CSMA/CA verifica que el canal esté disponible o de lo contrario asigna un tiempo de espera (Backoff Time) para volver a intentar la transmisión garantizando que para un AP solo transmite un usuario a la vez. En la ilustración 7 se muestra el flujo de una trama que espera transmisión.. Inicio. Ensambla Trama. Canal Activo?. No. Esperar por un tiempo backoff aleatorio. Transmite Datos. Fin. Ilustración 7. Diagrama de flujo de técnica CSMA/CA. La verificación de canal disponible se realiza con un umbral de -62 dBm hasta -82 dB, El protocolo de acceso al medio MAC (Medium Access Control) de Wi-Fi utiliza LBT (esperar hasta que esté disponible), y un backoff exponencial aleatorio el cual podría resumirse en tres partes. Página | 28.

(29) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. 1. Paso 1 (Esperar hasta que esté disponible): un dispositivo Wi-Fi que quiere transmitir verifica el medio hasta que esté disponible. El medio está disponible si ninguna de las siguientes dos condiciones se mantiene: 1.1.. Detección de Energía (ED): la potencia recibida del dispositivo excede los -62 dBm. 1.2.. Detección de Preámbulo: si un preámbulo Wi-Fi es decodificado, el canal está ocupado durante la duración de la correspondiente trama Wi-Fi. La especificación 802.11 requiere que los preámbulos WiFi sean decodificados con niveles de potencia de hasta -82 dBm o menos (hasta -90 dBm). 2. Paso 2 (Backoff aleatorio): una vez se complete el paso 1, el dispositivo selecciona un tiempo corto de backoff aleatorio. Si el canal se mantiee disponible durante la duración del tiempo de backoff, entonces el dispositivo inicia la transmisión. 2.1.. El tiempo aleatorio de backoff se selecciona como X + N * 9 microsegundos, donde N un número entero escogido aleatoriamente entre 0 y el parámetro CW y X es el tiempo de backoff mínimo. CW es una ventana de contención y es un parámetro que depende de cada dispositivo con un valor por defecto de 15. El valor de X depende del tipo de tráfico, sin embargo, 27 microsegundos es un valor típico.. 3. Paso 3 (Incremento exponencial de backoff): si una colisión ocurre, cada dispositivo involucrado duplica el valor de su ventana de contención CW. Un dispositivo reduce el valor de su ventana de contención al valor mínimo (típicamente 15) una vez que el paquete es transmitido. A pesar de seguir los pasos 1 a 3, una colisión puede ocurrir si dos dispositivos asignan el mismo tiempo de backoff de tal forma que en el paso 3 se aumentaría la ventana de contención para reducir la probabilidad de colisiones subsecuentes.. Página | 29.

(30) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. El “rango de escucha” en el cual una transmisión previene que se realiza otra transmisión depende del nivel de detección de energía de -62 dBm y la detección de preámbulo de -82 dBm los cuales se diferencian en un valor importante de 20 dBm. Típicamente se pueden registrar valores de -62 dBm a 50 m de distancia entre AP y cliente Wi-Fi mientras que -82 dBm puede ocurrir a unos 200 m lo cual significa que el rango es amplio (Giupponi, Henderson, Bojovic, & Miozzo, n.d.).. 2.2.2. LTE en Banda NO Licenciada LTE es una tecnología inalámbrica diseñada para operar en banda licenciada con una técnica de acceso al medio más agresiva que la de Wi-Fi, razón por la cual se han conformado tres grandes grupos de colaboración en la industria para especificar mecanismos de coexistencia: LTE-U Forum, 3GPP for LAA y Multifire.. Ilustración 8. Colaboradores para la especificación de LTE en banda no licenciada. -. LTE-U Forum: foro de colaboradores de industria el cual define las especificaciones para LTE-U (LTE-Unlicensed) basado en el R12 de la 3GPP y enfocado a mercados específicos.. -. 3GPP: organismo global de estandarización para tecnologías de red celular tales como LTE incluyendo LWA (LTE – Wi-Fi Aggregation) y LAA (LTE License Assisted Access) R13 (Cita de Qualcomm y de R13). -. Multefire Alliance: es una asociación internacional formada en el año 2015 para desarrollar especificaciones técnicas y de producto para Multefire, en base a estándares 3GPP (Cita de Qualcomm). Página | 30.

(31) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Cabe aclarar que los mecanismos para implementación de LTE en banda no licenciada planteados por Qualcomm y Ericsson consideran la coexistencia solamente para la transmisión de downlink con lo cual la evaluación de la coexistencia se realizará únicamente en downlink. En la ilustración 9 se muestra la evolución de los mecanismos más discutidos de coexistencia de LTE en banda no licenciada desde LTE-U hasta eLAA que es básicamente una versión mejorada de LAA.. LTE-U. LAA. eLAA. Basado en 3GPP R12. Basado en 3GPP R13. Basado en 3GPP R14 y subsiguientes. Ilustración 9. Evolución de LTE en banda no licenciada. En la ilustración 10 se muestran diferentes escenarios de despliegue de LTE y Wi-Fi en banda no licenciada. La evaluación de coexistencia entre LTE y Wi-Fi se realizará utilizando LTE LAA pues a diferencia de LTE-U tiene un enfoque más global por incluir la técnica LBT a tal punto que las herramientas de simulación libre están incluyendo librería LAA.. Página | 31.

(32) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 10. Escenarios de Coexistencia de LTE y Wi-Fi en banda no licenciada. 2.2.3. LTE-U Está enfocado a mercados específicos como Estados Unidos, Korea e India (Sadek, Kadous, Tang, Lee, & Fan, n.d.) LTE-U es quizás el primer mecanismo que fue planteado para coexistencia incorporando: -. Downlink suplemental (SDL) para mejorar el downlink. -. Selección dinámica de canal para evitar colisiones con Wi-Fi utilizando técnica CSAT. -. Soporte de migración a LTE LAA. En la ilustración 11 Se representa el diagrama de estados del mecanismo de coexistencia LTE-U (“LTE-U Forum UE Minimum Requirements for LTE-U SDL V1.0,” 2015).. Página | 32.

(33) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Inicialización y Conilustraciónción. Selección de Canal. Condición de cambio de canal. CSAT habilitado. LTE-U UE Agregado. No LTE-U UE (o baja carga de tráfico). (o alta carga de tráfico). OSDL (LTE-U Off). Ilustración 11. Diagrama de Estados de transmisión LTE-U. Selección de Canal A continuación, se describen los aspectos tenidos en cuenta durante el paso de selección de canal: i.. La selección debe realizarse durante el proceso de carga inicial, así como durante la operación. ii. Escoge el canal más limpio iii. En lo posible, evitar canales primarios de Wi-Fi iv. En lo posible, evita canales ocupados por otros operadores LTE-U y escoge canales ocupados por el mismo operador.. Página | 33.

(34) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. -. La selección de canal es ayudada por mediciones del UE. -. Puede ser realizado de forma activa o pasiva y puede ocurrir en cualquier momento. -. La selección de canal es conservativa. Técnica CSAT CSAT utiliza un patrón de transmisión TDM sobre SCell LTE-U con tiempo de ciclo TCSAT. Este patrón TDM es accionado en base a las transmisiones medidas de APs Wi-Fi. La técnica CSAT aprovecha señalización MAC de agregación de portadora LTE. La medición de utilización de medio Wi-Fi es realizada durante el tiempo OFF de la celda SCell LTE-U, para ajustar el ciclo de trabajo ON/OFF. En la ilustración 12 se muestra ejemplo de los tiempos adaptativos CSAT.. Ilustración 12. Descripción de CSAT de Qualcomm. En la ilustración 12 se muestra la técnica CSAT de Qualcomm donde el tiempo ON es modificado teniendo en cuenta el número de APs Wi-Fi en el entorno (“lteu_forum_lte-u_sdl_csat_procedure_ts_v1.0,” n.d.).. Página | 34.

(35) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 13. Descripción de CSAT de Ericsson. En la ilustración 13 se muestra la técnica de acceso para el mecanismo de coexistencia planeado por Ericsson donde se inserta periódicamente un tiempo de 25 ms a cada tiempo ON (Cavalcante et al., 2013). En la transmisión adaptativa por detección de portadora CSAT, la celda LTE escanea el medio durante un periodo de tiempo y de acuerdo a la actividad observada, el algoritmo reduce la actividad LTE proporcionalmente. Los tiempos de ciclo típicos son de 80 y 60 ms de duración total (incluyendo ON + OFF). Por ejemplo 40/40 y 80/80. Los tiempos de ciclo CSAT sobre canal Wi-Fi primario normalmente son menores para habilitar transmisiones de beacons y conilustraciónción de conexión. Típicamente, los ciclos CSAT son constantes, pero podrían cambiar en caso que la participación de LTE-U sea muy pequeña lo cual algunas veces es necesario conilustraciónrlo para acomodarse a aplicaciones sensibles a la latencia. A diferencia del CSMA/CA de Wi-fi, en este caso se utiliza CSAT y OSDL para el acceso al medio y para determinar la oportunidad de transmisión LTE.. Página | 35.

(36) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Downlink Suplemental El término OSDL “Opportunistic Supplemental DownLink” de la ilustración 12 hace referencia a la transmisión en Downlink de la trama de datos una vez el CSAT está habilitado y tiene un tiempo ON. (Jeon, Li, Niu, Papathanassiou, & Wu, 2014). 2.2.4. LTE LAA LAA hace referencia al acceso asistido mediante licencia y está definido en R13 de la 3GPP y está enfocado a despliegues en Europa, Japón y todas las regiones con procedimientos de acceso específico con mecanismos de contención LBT o escuchar antes de hablar lo cual lo ha hecho que sea considerado en más países en comparación con LTE-U. Al igual que LTE-U persigue el objetivo de transmisión de LTE en bandas de Wi-Fi 5 GHz (Mukherjee et al., 2015). En la ilustración 14 se resume la técnica LAA donde se realiza agregación de canal entre LTE en banda no licenciada de 5 GHz y LTE de banda licenciada cuyas frecuencias varían entre los 400 MHz y 3.8 GHz según el país.. Ilustración 14. LTE-U y LAA. Página | 36.

(37) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 15. Coexistencia de transmisión LAA y Wi-Fi. Tal como se muestra en la ilustración 15, LTE en banda no licenciada opera únicamente en el sentido del Downlink transmitiendo en los instantes de tiempo en los que no hay una transmisión Wi-Fi activa (ver ilustración 16). Ilustración 16. Acceso al medio en LAA. Página | 37.

(38) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. En la Ilustración 17 se muestra en funcionamiento la técnica de acceso LBT, estandarizada en la norma ETSI EN 301 893 (Ref ETSI 301 893) con las siguientes consideraciones: i.. Umbral de Detección de Energía ED (Energy Detect Threshold)  umbral común para todas las tecnologías de detección de portadora.. ii.. Medición de Canal Limpio CCA (Clear Channel Assesment)  si ninguna señal es detectada de acuerdo con el umbral ED, inicia la transmisión.. iii.. CCA extendido eCCA  si el canal está ocupado (CCA) se inicia espera para que esté limpio y una vez lo consigue, inicia espera de un número aleatorio de CCAs adicionales que indican que el canal ha permanecido limpio antes de iniciar la transmisión.. Umbral Medición Energía. ¿Canal Ocupado?. No Tiempo de Espera Aleatorio. Inicia Transmisión. Ilustración 17. Diagrama de LBT en LAA. Página | 38. Si.

(39) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. LTE Advanced R10/11/12. LTE Advanced Pro R13/14. 5G R15 en adelante. Ilustración 18. Visión de Qualcomm hacia tecnología 5G. En la ilustración 18 se muestra la visión de Qualcomm sobre el proceso de evolución hacia la tecnología 5G (Technologies, 2014).. 2.2.5. Calidad de Servicio En la presente investigación, se define la calidad de servicio como el rendimiento promedio percibido por el usuario final de una o más variables tales como throughput, latencia, tasa de error de bit. Throughput de Red En transmisión de datos, el throughput de red es la cantidad de datos movidos exitosamente de un lugar a otro en un periodo de tiempo definido el cual típicamente es medido en mega bits por segundo (Mbps). En la ilustración 19 se plantea un escenario de red para transmisión de datos entre servidor FTP y una laptop, utilizando como medio de comunicación una red Wi-Fi, bajo este escenario será posible conocer el throughput en tiempo real y throughput máximo de subida y bajada percibido por la laptop.. Página | 39.

(40) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Laptop AP. Servidor FTP. Ilustración 19. Escenario de medición de throughput por transferencia FTP. El throughput (TP) en la dirección del servidor FTP a la laptop sería throughput de bajada desde el punto de vista de la la laptop mientras que en la dirección contraria sería throughput de subida. En base a la definición, la medición de throughput medio podría realizarse transfiriendo un tamaño conocido de archivo (Ej. 200 MB) desde el servidor FTP a la laptop y verificar cuanto tiempo toma en completarse la transferencia y posteriormente pasarlo a Megabit por segundo (Mbps) Ecuación 1. 𝑇𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =. 𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝐴𝑟𝑐ℎ𝑖𝑣𝑜 (𝑀𝑏) 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑠). Ejemplo: si asumimos un tamaño de archivo de 200 MB (200*8 Mb = 1600 Mb) y la transferencia toma 5 minutos (5*60 s = 300 s), el TP sería de aproximadamente 533.33 Mbps: 𝑇𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =. 1600 𝑀𝑏 = 533.33 𝑀𝑏𝑝𝑠 300 𝑠. Existen aplicaciones que permiten visualizar el TP en tiempo real para conocer el TP máximo, mínimo y medio para cuando el dispositivo cliente está conectado a un servidor de aplicaciones el cual genera tráfico de subida y/o bajada (también aplica para el servidor FTP). En la ilustración 20 se plantea un escenario de medición. Página | 40.

(41) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. de TP por software para una laptop conectada a red Wi-Fi con salida a Internet, donde se aloja el servidor de aplicaciones.. Laptop Servidor de Aplicaciones. Internet. AP. Ilustración 20. Escenario de medicion de throughput en tiempo real. Ejemplo: asumimos como servidor de aplicaciones a Youtube y la herramienta de medición Netpersec instalado en laptop, la medición se comprueba con la medición de Throughput realizada directamente por el Access Point (se utilizó Access Point del fabricante Altai Technologies Limited, colaborador de la Wi-Fi Alliance). Ilustración 21. Tráfico generado desde Youtube para medición de throughput. Página | 41.

(42) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. Ilustración 22. Throughput registrado por el AP y por Netpersec. Como. se puede observar en las ilustracións 21 y 22, el Throughput depende. de otras variables tales como la relación de señal a ruido (SNR) y modulación digital (Data Rate). En la práctica se utilizan herramientas tales como SpeedTest alojadas en Internet, las cuales permiten hacer una medición de Throughput sin necesidad de instalar aplicaciones en el dispositivo cliente permitiendo que esté al alcance y entendimiento de los usuarios finales.. 2.3. TRABAJOS RELACIONADOS El análisis de la coexistencia de LTE y Wi-Fi en banda no licenciada ha generado el interés no solo de académicos sino también de grandes compañías que han hecho inversiones importantes en despliegues Wi-Fi tales como Google y la alcaldía de Nueva York por lo que han levantado una voz de protesta contra la posible. Página | 42.

(43) Modelo de afectación de calidad de servicio en redes Wi-Fi en coexistencia con redes LTE en banda no licenciada. implementación de LTE sobre banda no licenciada por la posible afectación negativa que tendría sobre redes Wi-Fi. En carta dirigida a “Office of Engineering and Technology and Wireless Telecommunications Bureau Seek Information on Current Trends in LTE-U and LAA Technology” en 11 de Junio de 2015, Google incluye los resultados de un trabajo de investigación que evalúa la coexistencia entre la tecnología LTE operando en banda no licenciada y Wi-Fi en la banda de 5 GHz. Google consideró dos versiones de LTE: LTE-U y LAA, para el caso de LAA incluyendo la técnica de LBT. Para la evaluación de coexistencia, Google se basó en las especificaciones del LTE-U Forum y realizó simulación con generador de señales (Jindal, Breslin, Norman, & Access, n.d.). En su análisis, Google comenta que existen dos aspectos de LTE-U que afectan la transmisión Wi-Fi:. 1) La técnica de modificación de ciclo de trabajo de LTE-U no es compatible con los dispositivos 5 GHz de Wi-Fi lo que causa que las transmisiones de LTE inicien abruptamente,. algunas. veces. en. medio. de. transmisiones. Wi-Fi,. interrumpiéndolas y causando que la transmisión Wi-Fi disminuya el Throughput en respuesta al incremento en las tasas de error de bit. LTE-U interactúa con dispositivos Wi-Fi co-canal (niveles de potencia por encima de -62 dBm) modificando el ciclo de trabajo de las celdas SCell LTE-U que operan en la banda no licenciada de 5 GHz. El eNB LTE-U apaga las transmisiones de la celda SCell por X milisegundos seguido por una transmisión por Y milisegundos hasta completar el ciclo. A los tiempos X y Y se le conocen como tiempos LTE-U OFF y LTEON. La suma de X+Y representa periodo de ciclo total. El ciclo de trabajo se refiere al porcentaje de tiempo en el cual se tiene una transmisión activa del LTE-U (LTE-U. Página | 43.