Índice de Figuras ... 8

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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

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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.

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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

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Tabla de Contenido. UniversidadJaveriana

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

6.7 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

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UniversidadJaveriana

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

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Índice de Figuras UniversidadJaveriana

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

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Índice de Tablas UniversidadJaveriana

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

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CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN UniversidadJaveriana

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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.

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CAPÍTULO II OBJETIVOS UniversidadJaveriana

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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.

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CAPÍTULO III MARCO DE REFERENCIAS UniversidadJaveriana

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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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Página 4 de 74 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.

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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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Página 7 de 74 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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Página 8 de 74 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 = 2^𝑐− 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.

(18)

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

(19)

Página 12 de 74 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.

(20)

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.

(21)

CAPÍTULO IV DESARROLLO UniversidadJaveriana

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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Página 15 de 74 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

m s 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.

(24)

Página 17 de 74 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]

(25)

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.

(26)

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 {𝐴_𝑛} que contiene los tiempos de separación entre cada llegada. Ec ( 4.2.1)

𝐴_𝑛= 𝑇_𝑛− 𝑇_𝑛−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.

(27)

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 = λ μ

Ec ( 4.2.3)

𝜋 = 𝜌^𝑗 (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

(28)

Página 21 de 74 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 C_k(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

=𝐴^𝑘 𝑘!

𝑘 𝑘 − 𝐴𝜋0=

𝐴^𝑘 𝑘!

𝑘 𝑘 − 𝐴

∑ 𝐴^𝑛 𝑛!+𝐴^𝑘

𝑘!

𝑘 𝑘 − 𝐴

𝑘−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] = 𝐶_𝑘(𝐴) 𝜇𝑘 − 𝜆+1

𝜇

Ec ( 4.2.10)

(29)

 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:

(30)

Diagrama de Flujo 1

(31)

Página 24 de 74 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.