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Título: Handover y transmisión multipunto coordinada en redes VLC.
Autor: Daniel Tanda Luis
Tutores: Msc. Carlos Alberto Rodríguez López
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
, Diciembre 2021
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Title: Handover and coordinated multipoint transmission in VLC networks.
Author: Daniel Tanda Luis
Thesis Directors: Msc. Carlos Alberto Rodríguez López
, December 2021
Department of Telecommunications and Electronics
iii
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
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iv
PENSAMIENTO
Equipado con sus cinco sentidos, el hombre explora el universo que lo rodea y a sus aventuras las llama ciencia.
Edwin Powell Hubble
v
DEDICATORIA
A mi familia y amigos.
vi
AGRADECIMIENTOS
A mi tutor, el profe Carlitos, por tanta dedicación, apoyo y comprensión.
A Clau, por siempre estar.
A Edua, por la laptop.
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TAREA TÉCNICA
La realización de una revisión bibliográfica sobre la simulación de redes VLC en las que se tenga en cuenta CoMP y HO.
La caracterización de un entorno VLC afín al estudio que se pretende realizar.
El análisis de mecanismos computacionales que sirvan de base a las simulaciones a realizar.
La creación de programas para realizar las simulaciones de la red VLC.
La evaluación de los resultados obtenidos en las simulaciones.
Firma del Autor Firma del Tutor
viii
RESUMEN
Las comunicaciones por luz visible (VLC), como una alternativa novedosa y prometedora a los actuales sistemas de comunicaciones inalámbricas basadas en radiofrecuencia, suponen un amplio campo a explorar e investigar. En este trabajo se estudia un entorno VLC de interior con múltiples puntos de acceso (AP), donde la decisión de handover (HO) se realiza evaluando un determinado margen que representa el valor de histéresis que se utiliza para evitar HOs innecesarios y el mecanismo de cooperación se lleva a cabo para garantizar un umbral mínimo de relación señal a ruido (SINR). Las simulaciones se realizaron mediante el uso del modelo de punto de ruta aleatorio y el método Monte Carlo, demostrando los beneficios de la cooperación en cuanto a la SINR y la capacidad del canal en el entorno considerado. Además quedó evidenciada la relación de compromiso entre elevar el margen de HO para reducir el costo del mismo y la capacidad del canal.
ix TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ... iv
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTOS ... vi
TAREA TÉCNICA ... vii
RESUMEN ... viii
INTRODUCCIÓN ... 1
Organización del informe ... 3
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES SOBRE REDES VLC, HANDOVER Y TRANSMISIÓN MULTIPUNTO COORDINADA ... 4
1.1 Comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) ... 4
1.2 Comunicación por luz visible (VLC) ... 5
1.3 Estructura básica de un sistema VLC ... 6
1.3.1 Emisor VLC ... 6
1.3.2 Receptor VLC ... 7
1.4 IEEE 802.15.7 para VLC ... 8
1.5 Handover ... 9
1.6 Transmisión multipunto coordinada ... 9
1.6.1 Transmisión multipunto coordinada como una alternativa al handover ... 10
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS ... 11
2.1 Materiales utilizados ... 11
2.1.1 Dispositivos de cómputo ... 11
2.1.2 Herramientas de cómputo ... 11
x
2.2 Escenario de simulación ... 12
2.3 Modelo del canal ... 13
2.4 Cálculo de la capacidad del canal ... 15
2.5 Algoritmo de handover y transmisión multipunto coordinada ... 15
2.6 Modelo de movilidad aleatoria ... 15
2.7 Método Monte Carlo ... 16
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 18
3.1 Parámetros de simulación ... 18
3.2 Comparación de la potencia recibida, la interferencia y la relación señal a ruido obtenidas sin CoMP y con CoMP ... 19
3.3 Variación del margen de handover ... 21
3.4 Impacto del uso de CoMP en la capacidad del canal ... 23
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 25
Conclusiones ... 25
Recomendaciones ... 26
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 27
INTRODUCCIÓN
1
INTRODUCCIÓN
Los actuales sistemas de comunicaciones inalámbricas se enfrentan a un rápido crecimiento exponencial de dispositivos inalámbricos, lo que demanda una mayor velocidad de datos y cobertura de servicio [1], y con ello, que el espectro de radiofrecuencia (RF) actual resulte escaso para satisfacer dicha demanda. Esto ha motivado a la comunidad científica a buscar alternativas para la comunicación inalámbrica.
Una solución para llenar el vacío existente en las actuales comunicaciones inalámbricas basadas en RF es la comunicación por luz visible (VLC) [2]. De forma general, la VLC es una técnica alternativa de acceso inalámbrico de corto alcance que implica la iluminación para la comunicación y se basa en el principio de la modulación de los diodos emisores de luz (LED) a velocidades muy altas que no son perceptible para el ojo humano [3].
La VLC surge como una tecnología prometedora y complementaria a su homóloga de RF, debido a sus amplios anchos de banda, la inexistencia de interferencias electromagnéticas, su alta seguridad, eficiencia energética, etc [4]. Otra ventaja importante de VLC es que, a diferencia de otras tecnologías de comunicación inalámbrica, no tiene riesgos identificados para la salud, es decir, no hay riesgos distintos de los sistemas de iluminación actuales [5].
En los primeros años, los trabajos sobre VLC se limitaban a enlaces punto a punto, llegando, luego de extensos estudios, a una estandarización de VLC para aplicaciones de corto alcance.
En estudios recientes se considera que cada LED de una red VLC actúa como punto de acceso (AP), dando servicio a múltiples usuarios dentro de su cobertura [1]. Una cuestión crítica en los sistemas con múltiples APs es el handover (HO), proceso que permite a un usuario mantener su conectividad de red cuando se desplaza de un AP a otro [6].
INTRODUCCIÓN
2 En la literatura se han dedicado varios estudios al HO en sistemas VLC, aunque en la mayoría se consideran redes heterogéneas (VLC-RF) [4], [7]–[11] y redes vehiculares [2], [12], [13];
quedando rezagadas las investigaciones dedicadas a redes VLC puras no vehiculares. En [3]
realizan un interesante estudio de HO en un sistema VLC puro con transmisión multipunto coordinada (CoMP), donde las decisiones de HO y CoMP se llevan a cabo de forma conjunta basándose en la intensidad de la señal recibida por el usuario, utilizando un determinado margen de handover (HOM), y demostrando un mejor desempeño del sistema mediante simulaciones. Sin embargo, limitan la CoMP a solo 2 APs y mantienen un margen de handover constante.
Basados en un entorno VLC similar al de [3], en esta investigación se pretende estudiar qué ocurre con varios valores de HOM y más de 2 APs realizando CoMP, para así analizar su impacto en la capacidad del canal.
Como problema de investigación se tiene la siguiente interrogante:
¿Qué implicación tiene en la capacidad del canal la CoMP de más de 2 APs y el empleo de diferentes valores de HOM?
Como interrogantes científicas se pueden plantear las siguientes:
¿Qué aspectos se deben tener en cuenta al definir un entorno VLC acorde al estudio que se desea realizar?
¿Qué parámetros de las redes VLC están estandarizados internacionalmente?
¿Cómo realizar simulaciones de redes VLC?
¿Cómo comparar los resultados de las simulaciones para obtener información precisa de las misma?
Objetivo general:
Analizar el comportamiento de la capacidad del canal en un sistema VLC a partir de estudiar las implicaciones que tiene el uso CoMP entre varios APs para reducir la cantidad de HOs y el empleo de diferentes valores de HOM.
Objetivos específicos:
Definir un entorno VLC que posibilite llevar a cabo el estudio en cuestión.
INTRODUCCIÓN
3
Establecer parámetros para la simulación que cumplan con los estándares internacionales.
Realizar simulaciones de la red VLC en estudio.
Analizar y comparar los resultados de las simulaciones mediante el empleo de gráficas e imágenes.
Organización del informe
El informe de la investigación estará compuesto de introducción, capitulario, conclusiones y referencias bibliográficas. Los temas que se abordarán en cada capítulo, se exponen a continuación.
CAPÍTULO 1: Se dedicará a las bases teóricas generales asociadas al proyecto, dígase:
principios básicos de VLC, mecanismos de HO, CoMP.
CAPÍTULO 2: Se dedicará a la descripción de los materiales y métodos usados en la investigación.
CAPÍTULO 3: Se utilizará para expresar los resultados de las simulaciones y realizar un análisis de los mismos.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
4
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES SOBRE REDES VLC, HANDOVER Y TRANSMISIÓN MULTIPUNTO COORDINADA
En este capítulo se exponen las particularidades de las comunicaciones ópticas inalámbricas, con un mayor enfoque en las comunicaciones por luz visibles; además se definen los conceptos de handover y transmisión multipunto coordinada.
1.1 Comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC)
Las OWC hacen uso del dominio óptico en el espectro electromagnético, incluyendo los infrarrojos (IR), la luz visible (VL) y la luz ultravioleta (UV) como se muestra en la Figura 1.1. El uso de estas bandas para las comunicaciones ofrece una serie de características únicas y atractivas, como un ancho de banda casi ilimitado, alta escalabilidad y reconfigurabilidad, alta eficiencia energética, robustez frente a interferencia electromagnética, ausencia de desvanecimiento inducido por el canal, bajo coste de instalación y un alto grado de confinamiento espacial que aporta una reutilización prácticamente ilimitada y una seguridad física inherente [14], [15]. Además, como OWC opera en el espectro no regulado no es necesario pagar una licencia, siendo una solución rentable.
El término OWC se refiere a cualquier transmisión óptica en un medio no guiado, aunque sus variaciones basadas en la frecuencia de funcionamiento pueden tener un uso diferente.
Los sistemas OWC terrestres punto a punto, también conocidos como sistemas ópticos de espacio libre, operan en las frecuencias cercanas al IR (750 - 1600 nm); los que trabajan en la banda visible (390-750 nm), se denominan comúnmente comunicación por luz visible (VLC); y los sistemas que operan en el espectro UV ciego al sol (200-280 nm), forman parte de la comunicación ultravioleta [14].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
5
O W C
Longitud de onda [m]
Frecuencia [Hz]
Figura 1.1. Espectro electromagnético [14].
1.2 Comunicación por luz visible (VLC)
VLC ofrece un ancho de banda 1000 veces mayor que el de las comunicaciones por radiofrecuencia (RF). Además, el espectro de VL no está regulado, por lo que el coste de la tecnología se reduce considerablemente. El enorme espectro disponible permite a la VLC alcanzar velocidades de datos muy elevadas, que actualmente pueden llegar a algunas decenas de Gb/s. Otras ventajas importante de VLC es que, a diferencia de otras tecnologías de comunicación inalámbrica, la VLC es segura para la salud humana y no afecta la funcionalidad de los sistemas electrónicos altamente sensibles, por lo que puede implementarse en lugares con restricciones de radiofrecuencia (por ejemplo, aviones hospitales, plantas químicas o nucleares). Además, VLC es eficiente desde el punto de vista energético, ya que no utiliza energía adicional para transmisión de datos, la misma luz se utiliza tanto para iluminación y como portadora de los datos.
En VLC la capacidad de transmisión de datos se consigue gracias a la rápida conmutación de diodos emisores de luz (LED), como función adicional a la iluminación. De este modo, los datos se transmiten sobre la potencia instantánea de la luz, a velocidades imperceptibles para el ojo humano. Al basarse principalmente en la infraestructura de iluminación ya existente, la VLC tiene el potencial de proporcionar comunicaciones inalámbricas de alta velocidad allí donde haya iluminación artificial, tanto en interiores como en exteriores. En la actualidad, el principal ámbito de aplicación previsto para la tecnología VLC es proporcionar enlaces de
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
6 alta velocidad de datos para conexiones rápidas a Internet o para la transmisión rápida de datos. Los investigadores han realizado importantes esfuerzos en este ámbito, lo que ha permitido a VLC obtener resultados impresionantes en un periodo relativamente corto [2].
1.3 Estructura básica de un sistema VLC
Un sistema VLC consta de un transmisor, generalmente un LED que emite luz incoherente, por lo que se realiza una modulación de intensidad (IM) donde la señal transmitida se modula en la potencia óptica instantánea del LED. Dado que IM cambia la potencia instantánea del LED, la detección directa (DD) es el único método factible de conversión descendente. DD utiliza un fotodiodo para convertir la potencia de la señal óptica incidente en una corriente proporcional. La frecuencia de modulación se mantiene lo suficientemente alta como para evitar el parpadeo, ya que puede tener efectos adversos para la salud [16]. El transmisor y el receptor están físicamente separados el uno del otro, pero conectados a través del canal VLC [2]. En la Figura 1.2 se ilustra un ejemplo de un sistema VLC interior.
Figura 1.2. Sistema VLC en una habitación interior [Elaboración propia].
1.3.1 Emisor VLC
El emisor VLC transforma la información en mensajes que pueden ser transmitidos por el medio utilizando luz visible. El propósito del emisor VLC es proporcionar simultáneamente iluminación y transmitir datos. Sin embargo, la transmisión de datos no debe afectar de ninguna manera a las funciones de iluminación o señalización. Por esta razón, el emisor VLC
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
7 debe utilizar la misma potencia óptica o, si la aplicación lo requiere, permitir la atenuación de la luz. Además, el emisor VLC no debe inducir ningún parpadeo perceptible [17].
Un componente central del emisor VLC es el codificador que convierte los datos en un mensaje modulado. El codificador ordena la conmutación de los LED en función de la información binaria y la velocidad de datos requerida. Los datos binarios se convierten en un haz de luz modulado. En el caso más sencillo, los datos se modulan mediante On-Off Keying, pero también se pueden utilizar técnicas de modulación más complejas. En la Figura 1.3 se encuentra representado el esquema de un emisor VLC.
Conversión binaria de
datos
Codificación de datos
Señal de comando Construcción
de la trama
Figura 1.3. Esquema genérico de un emisor VLC [2].
Los parámetros del emisor VLC están limitados principalmente por las características de los LEDs. La tasa de datos (es decir, la frecuencia de transmisión) depende de la capacidad de conmutación de los LED, mientras que el área de servicio del emisor depende de la potencia de transmisión y del patrón de iluminación (es decir, del ángulo de emisión) [18].
1.3.2 Receptor VLC
El receptor VLC se utiliza para extraer los datos del haz de luz modulado y transformar la luz en una señal eléctrica que será demodulada y decodificada por el módulo decodificador integrado. Las características del receptor VLC influyen en las prestaciones de los del sistema VLC, determinando el alcance de la comunicación y la resistencia a las interferencias.
Generalmente, los receptores VLC se basan en elementos fotosensibles que tienen ancho de banda y ofrecen la posibilidad de realizar comunicaciones de alta velocidad. El fotodetector suele estar basado en un fotodiodo de silicio con polarización inversa que funciona en modo
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
8 fotoconductor y que genera una corriente proporcional a la luz incidente [19]. Otros elementos de recepción ópticos lo constituyen el concentrador óptico y el filtro óptico, un amplificador, y el circuito de recuperación de la señal (CDR) [20], tal como se muestra en la Figura 1.4.
Filtro óptico
Sistema
óptico Fotodiodo Amplificador Filtros
Punto focal
Reconstrucción de la señal
Decodificación de datos
Figura 1.4. Esquema genérico de un receptor VLC [2].
1.4 IEEE 802.15.7 para VLC
El estándar IEEE 802.15.7 son protocolos que se utilizan para las comunicaciones inalámbricas mediante luz visible. Este define 2 características fundamentales, la capa de acceso al medio (MAC) y la capa física (PHY), con una velocidad de datos que es capaz de soportar audio, vídeo y multimedia.
La MAC proporciona el mecanismo de direccionamiento y control de acceso al canal para varios terminales o dispositivos. El hardware que implementa la capa MAC se refiere al controlador de acceso al medio. Este canal puede proporcionar servicios de comunicación multicast, unicast o broadcast.
Las leyes físicas definen las especificaciones eléctricas y físicas para los dispositivos. Define la relación entre un dispositivo y el medio físico. Un dispositivo transmite datos al medio y otro dispositivo recibe los datos desde el medio basándose en las leyes físicas. Las funciones y servicios de la capa física son el establecimiento del enlace y la terminación de una conexión a un medio de comunicación [20]. El estándar IEEE 802.15.7 presenta tres tipos de
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
9 capa física diferentes, PHY I que opera desde 11,67 a 266,6 kb/s, PHY II de 1,25 a 96 Mb/s y PHY III de 12y 96 Mb/s [21].
1.5 Handover
En una red VLC, debido a la movilidad del usuario, puede producirse un proceso de cambio de un AP a otro. Este proceso se denomina comúnmente como handover (HO), y normalmente requiere una sobrecarga adicional como señalización de control [22]. Los criterios de optimización para el HO equilibran diferentes factores, como el coste monetario, el consumo de energía, el posicionamiento y la calidad de servicio del usuario final. La Figura 1.5 muestra un esquema donde un usuario puede experimentar HO debido a su movimiento dentro del escenario VLC.
Figura 1.5. Escenario donde un usuario puede experimentar handover.
El HO se adoptó inicialmente en los sistemas celulares para evitar desconexiones del servicio por problemas de movilidad. Un HO se inicia tradicionalmente sobre la base de las mediciones de los parámetros físicos, como la intensidad de la señal recibida, proporcionando el mantenimiento del servicio cuando el nivel de potencia de un AP servidor disminuye [5].
Para ello se prefiere un mecanismo de HO sin fisuras que permita mantener la conectividad del servicio sin interrupciones mientras un usuario se desplaza de un AP a otro [22].
1.6 Transmisión multipunto coordinada
La transmisión multipunto coordinada (CoMP) es una técnica empleada para mitigar la degradación de la relación señal a ruido (SNR), dada la interferencia que se produce en las zonas donde converge la cobertura de APs vecinos que usan los mismos recursos de
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
10 frecuencia. CoMP en VLC hereda el concepto de transmisión conjunta empleado en RF [23].
Esta técnica consiste en la transmisión de un mensaje común desde varios APs hacia un mismo usuario, provocando un incremento de la SNR por medio de la cooperación [24].
1.6.1 Transmisión multipunto coordinada como una alternativa al handover
Dada la pequeña área de cobertura de los APs en una red VLC, es muy probable que un usuario en movimiento experimente varios HOs, lo que conduce a una disminución del rendimiento tanto del sistema como de los usuarios debido a la sobrecarga generada por dichos HOs. Además, se experimenta un retardo, ya que el HO consume un tiempo, en promedio, de 30 ms a 300 ms [25].
Una forma de disminuir la sobrecarga del HO es el empleo de CoMP, pues al cooperar múltiples APs se reduce la necesidad de realizar HO y así evitar el costo que implica dicho proceso.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
11
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS
En este capítulo se describen las características de las herramientas utilizadas en la realización de esta investigación. Se caracteriza el escenario ideado para llevar a cabo las simulaciones, así como los modelos empleados, dígase: modelo del canal y modelo de movilidad aleatoria. Además, se expone el algoritmo de decisión de HO y CoMP.
2.1 Materiales utilizados 2.1.1 Dispositivos de cómputo
Para la implementación de los algoritmos de simulación empleados en este proyecto y la confección de este informe se hizo uso en una computadora portátil con sistema operativo Windows 10 Pro de 64 bits, procesador Intel Core i5-6200U a 2.30-2.40GHz, y 8 GB de memoria RAM.
2.1.2 Herramientas de cómputo
Para el desarrollo de las simulaciones se hizo uso del software Matlab en su versión R2015a (8.15.0.197613) . Matlab (abreviatura de Matrix Laboratory) es una plataforma de programación y cálculo numérico utilizada por millones de ingenieros y científicos para analizar datos, desarrollar algoritmos y crear modelos [26].
Las aplicaciones de Matlab se desarrollan en un lenguaje de programación propio, siendo un lenguaje de alto rendimiento para el cálculo técnico. El mismo integra el cálculo, la visualización y la programación en un entorno fácil de usar en el que los problemas y las soluciones se expresan en notación matemática familiar. Usos típicos de Matlab son [27]:
Matemáticas y cálculo.
Desarrollo de algoritmos.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
12
Modelado, simulación y creación de prototipos.
Análisis, exploración y visualización de datos.
Gráficos científicos y de ingeniería.
Desarrollo de aplicaciones, incluida la creación de interfaces gráficas de usuario.
Matlab es un sistema interactivo cuyo elemento de datos básico es una matriz que no requiere acotación. Esto le permite resolver muchos problemas informáticos, especialmente los que tienen formulaciones matriciales y vectoriales, en una fracción del tiempo que llevaría escribir un programa en un lenguaje escalar no interactivo como C o Fortran [28].
2.2 Escenario de simulación
Un punto importante en cualquier trabajo que conlleve simulación de una red es definir un escenario acorde al estudio que se pretende realizar. La Tabla 2.1 muestra un resumen de escenarios VLC de investigaciones anteriores a esta en las que se trata el HO.
En este trabajo se opta por un escenario de simulación como el mostrado en la Figura 2.1, con dimensiones de 5 x 5 x 3.4 m. Se tienen en cuenta 4 APs, dada la necesidad de múltiples emisores para que se puedan dar el HO y la CoMP. En cuanto a los usuarios se considera que hay tantos como APs, posibilitando que exista interferencia entre APs que dan servicio a usuarios diferentes.
5 m
3,4 m
Figura 2.1. Aproximación del escenario ideado para las simulaciones.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
13 Tabla 2.1. Resumen de escenarios VLC en otras investigaciones donde se aborda el tema del handover.
Referencia Modelo del sistema
Objetivo principal Técnicas y características [22]
3 APs y K usuarios = {90, 120, 150}
Diseñar una red VLC cognitiva que distinga usuarios primarios y secundarios
basándose en sus localizaciones.
OFDMA, restricciones cognitivas que garantizan el cumplimiento de ciertos requisitos de iluminación, la movilidad de los usuarios y los requisitos de HO en cada célula.
[3]
16 APs y K usuarios
Comparar el desempeño del algoritmo de HO- CoMP propuesto con el HO duro
convencional.
CoMP, DCO-OFDM, NLOS, las decisiones de HO y COMP se llevan a cabo conjuntamente basándose en la intensidad de la señal recibida.
[5]
3 APs (escenario 1) 9 APs (escenario 2)
Demostrar que el algoritmo de HO es capaz de adaptarse a diferentes
configuraciones de cobertura lumínica.
Mecanismo de HO basado en la intensidad de la señal recibida.
Escenarios con células de iluminación con solapamiento uniforme, células separadas, e híbridos
[29]
16 APs y K usuarios
Proponer señales de control que son usadas para facilitar el proceso de HO.
LOS, diodos láser RYGB EL usuario se conecta con todos los APs a través de señales de tono de control, así, el receptor óptico tiene información sobre todos los APs durante la movilidad del usuario
2.3 Modelo del canal
Dado que en VLC, el intercambio de información se realiza a través de la luz visible y la fase de la luz no puede ser modulada debido a que su longitud de onda es mucho menor que el área del fotodetector (PD), se requiere que la señal transmitida en VLC sea positiva y real.
Además, la intensidad de la luz depende en gran medida de la distancia [30]. Por lo tanto, la señal en el receptor está dominada por la componente de la línea de visión (LOS) [31], siendo considerablemente menores las componentes multitrayectoria. En este trabajo se considera solamente el trayecto LOS, cuya representación del mismo puede apreciarse en la Figura 2.2.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
14
Figura 2.2. Modelo del canal LOS.
El canal analítico basado en LOS es un modelo comúnmente utilizado en varios trabajos de VLC como [30] y [32]. En este la potencia recibida está dada por:
= (0)
es la responsividad del PD y (0) es la ganancia DC del enlace óptico, la cual para el trayecto de la Figura 2.2 se puede expresar como:
(0) =
( + 1)
2 (f) (y)cos(y), 0 ≤ y≤y 0, y >y
Donde = − (2)/ ( ( / )) es el orden de la emisión lambertiana (siendo / el ángulo de semipotencia del emisor), es el área del PD, es la distancia entre el LED y el PD, f es el ángulo de irradiación, y es el ángulo de incidencia, es la ganancia del filtro óptico, y es la anchura del campo de visión del receptor (también conocido como el FOV) y (y) es la ganancia del concentrador óptico:
(y) = (y ), 0 ≤y≤y 0, y >y Donde es el índice refractivo del aire.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
15 2.4 Cálculo de la capacidad del canal
Para hallar la capacidad del canal y por lo tanto la razón de datos, se hace uso de la conocida ecuación de Shannon para la capacidad del canal:
= (1 + )
Donde es el ancho de banda de trasmisión, la cantidad de subportadoras y la relación señal a ruido.
2.5 Algoritmo de handover y transmisión multipunto coordinada
Suponiendo que hay un controlador centralizado que recoge la información sobre la potencia óptica recibida por los usuarios, siendo P_(r,C) y P_(r,s) las potencias de recibidas del AP candidato y AP en servicio, el proceso de HO tiene lugar cuando se cumple que:
, > , +
Donde HOM es el margen de HO y representa el valor de histéresis predefinido que se utiliza para evitar HOs innecesarios. Al llevarse a cabo el HO el AP candidato pasa a ser el nuevo AP en servicio.
Para la decisión de CoMP se establece un determinado umbral mínimo de relación señal a ruido, cuando dicho umbral no se satisface con el servicio de un solo AP se inicia la cooperación con el AP candidato más cercano. En caso de que con la cooperación de dos APs no se cumpla con la condición establecida, pasa a cooperar un tercer AP y así sucesivamente.
2.6 Modelo de movilidad aleatoria
El modelo de punto de ruta aleatorio se ha convertido en un modelo de movilidad de referencia debido a su simplicidad y amplia disponibilidad. En el mismo, al comenzar la simulación, cada nodo móvil selecciona aleatoriamente una ubicación en el campo de simulación como destino, y se desplaza hacia este destino con una velocidad constante elegida uniformemente y al azar. La velocidad y la dirección de un nodo se eligen independientemente de otros nodos. Al llegar al destino, el nodo se detiene durante un tiempo
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
16 definido por el parámetro tiempo de pausa; si el tiempo de pausa es igual a cero, la movilidad es continua. Después de esto, el nodo vuelve a elegir otro destino aleatorio en el campo de simulación y se desplaza hacia él. Todo el proceso se repite una y otra vez hasta que el tiempo de simulación termine [33].
En este trabajo se emplea, para la simulación del movimiento aleatorio de los usuarios, el modelo de movilidad de punto de ruta aleatorio de Mathieu Boutin [34]. En él se pueden definir parámetros como: el campo de simulación, estableciendo los límites del mismo; los intervalos de velocidad, tiempo de pausa, tiempo de desplazamiento y dirección; el tiempo de simulación, el paso de tiempo y la cantidad de nodos móviles. La Figura 2.3 muestra un ejemplo del movimiento aleatorio desempeñado por un nodo móvil haciendo uso del modelo expuesto.
Figura 2.3. Ejemplo de la trayectoria aleatoria seguida por un nodo móvil.
El del modelo de movilidad de Mathieu Boutin permite implementar perfectamente el escenario VLC a estudiar, donde un nodo móvil representa a un usuario, del cual se conoce la posición en cada paso de tiempo. Además, con todos los parámetros que permite variar se pueden generar un sinfín de posibilidades diferentes.
2.7 Método Monte Carlo
El método de Monte Carlo es un método no determinista o estadístico numérico, usado para aproximar expresiones matemáticas complejas y costosas de evaluar con exactitud. Es un
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS
17 procedimiento general para seleccionar muestras aleatorias de una población (finita o infinita) de la que se conoce su distribución de probabilidad mediante números aleatorios [35].
Monte Carlo es un proceso estocástico numérico, es decir, una secuencia de estados cuya evolución viene determinada por sucesos aleatorios, que permite resolver un problema mediante la invención de juegos de azar cuyo comportamiento simula algún fenómeno real gobernado por una distribución de probabilidad o sirve para realizar un cálculo [36].
En esta investigación Monte Carlo se utiliza para la generación de posiciones aleatorias de un usuario en el escenario simulado, con el objetivo de realizar una evaluación del comportamiento de la capacidad del canal dadas las diferentes circunstancias que se pueden generar.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
18
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este capítulo se exponen los parámetros que se tienen en cuenta para las simulaciones y se muestran los resultados obtenidos en las mismas. Además, se analiza el efecto de usar o no CoMP y de la variación del margen de HO, mediante diferentes comparaciones.
3.1 Parámetros de simulación
Para efectuar las simulaciones de esta investigación se tuvieron en cuenta una serie de parámetros que se encuentran recogidos en las Tabla 3.1 y Tabla 3.2.
Tabla 3.1. Parámetros del Tx y Rx escogidos para las simulaciones.
Parámetros Valores Unidad
Parámetros del transmisor
Número de APs 4
Potencia eléctrica de cada AP ( ) 10 W
Ángulo de mitad de potencia ( / ) 60 Grados
Ubicación de los APs (x, y) 1- 1.5, 1.5 2- 3.5, 1.5 3- 1.5, 3.5 4- 3.5, 3.5
m
Parámetros del receptor
Área del fotodetector ( ) 10-4 m2
FOV (y ) 60 Grados
Ganancia de filtro óptico ( ) 1
Responsividad del fotodetector ( ) 1 A/W
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
19 Tabla 3.2. Parámetros de la habitación y el sistema escogidos para las simulaciones.
Parámetros Valores Unidad
Parámetros de la habitación
Dimensiones (L x A x H) 5 x 5 x 3.4 m
Parámetros del sistema
Separación vertical entre el Tx y el Rx 2.2 m
Ancho de banda ( ) 20 MHz
Densidad espectral de ruido ( ) 10-22 A2/Hz
Índice refractivo del aire ( ) 1.5
Número de usuarios 4
3.2 Comparación de la potencia recibida, la interferencia y la relación señal a ruido obtenidas sin CoMP y con CoMP
La Figura 3.1 muestra los mapas del nivel de potencia recibido en cada punto del escenario considerado, prescindiendo de CoMP y utilizándola. Como puede apreciarse en la barra de colores de la Figura 3.1 b), la cual representa el rango de valores en los que oscila la potencia recibida en dBm al utilizar CoMP, existe una ligera mejora respecto al rango de la Figura 3.1 a), caso en el cual no se hace uso de la CoMP. Dicha mejora se debe a que, en algunas zonas en las que solo se recibía señal de un AP, con el uso de CoMP, pasan a recibir señal de múltiples APs (2, 3 o 4).
a) b)
Figura 3.1. Nivel de potencia en cada punto a) sin CoMP b) con CoMP.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
20 Con respecto a la interferencia, como se puede observar en la Figura 3.2, el uso de la CoMP provoca una disminución de la misma en comparación con el caso en el que no se emplea CoMP. Este resultado se evidencia en los rangos de valores en los que oscila la interferencia en las Figura 3.2 a) y Figura 3.2 b). La misma se debe al hecho de que, con el uso de CoMP, existen zonas en las que APs que solo aportaban ruido pasan a brindar servicio.
a) b)
Figura 3.2. Nivel de interferencia en cada punto para el caso a) sin CoMP b) con CoMP.
A partir del análisis de los resultados mostrados en las Figura 3.1 y Figura 3.2, es evidente que la relación señal a ruido mejora con el uso de CoMP, debido al incremento de la potencia de la señal recibida y la disminución de la interferencia o ruido. Ello puede corroborarse con los resultados que se muestran en la Figura 3.3, donde, al igual que en los casos anteriores, el rango de valores en los que oscila este indicador es más favorable con el uso de CoMP representado por la Figura 3.3 b).
Una aclaración importante es que para la decisión de realizar CoMP se tuvo en cuenta una condición: garantizar una relación señal a ruido mínima de 4 dB, valor para el cual nunca es necesario efectuar CoMP entre los cuatro APs. Los mapas de cooperación varían según el umbral de señal a ruido que se quiera mantener. Para un umbral superior, sí puede requerirse la cooperación entre todos los APs en alguna región del escenario y, por consiguiente, no existirá ruido dependiente de señal en dicha región.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
21
a) b)
Figura 3.3. Nivel de SINR en cada punto para el caso a) sin CoMP b) con CoMP.
3.3 Variación del margen de handover
Haciendo uso del modelo de movilidad aleatoria expuesto en el epígrafe 2.6, se varió el margen utilizado en el algoritmo de decisión del HO en valores comprendidos entre 0 y 24 dB. Los resultados obtenidos en cuanto al número de HO, producto de esta variación, se encuentran recogidos en la Tabla 3.3, con un total de cuatro simulaciones para cada valor de margen de HO establecido. Para dichas simulaciones se tuvo en cuenta una velocidad constante de desplazamiento de 0.5 m/s, un desplazamiento sin pausa y un tiempo de simulación de 3600 segundos.
Tabla 3.3. Número de HO para diferentes valores del margen.
HOM NHO
0 461 455 457 464
6 398 402 397 412
12 350 341 350 335
18 87 85 82 105
24 74 74 73 93
Es apreciable en la Tabla 3.3 que a medida que se aumenta el margen de HO, el número de HO realizados disminuye, lo cual es beneficioso, ya que se reduce el costo de HO, por ejemplo, en cuanto al retardo, como se expone en [25]. Sin embargo, un margen alto de HO
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
22 produce una degradación en la relación señal a ruido, puesto que puede suceder lo que se muestra en la Figura 3.4, donde un usuario bastante alejado del AP en servicio no realiza HO hacia un AP candidato más cercano, dado que no se cumple la condición de HO. Esta degradación de la relación señal a ruido afecta a la capacidad del canal como se muestra en la Figura 3.5
Figura 3.4. Usuario que no realiza handover producto de un elevado margen de handover en el sistema.
Figura 3.5. Función de distribución acumulativa respecto a la capacidad del canal para diferentes márgenes de handover.
La Figura 3.5 contempla la función de distribución acumulativa (CDF) en cuanto a la capacidad del canal para cada valor de margen de HO establecido. La CDF da la probabilidad
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
23 de que la capacidad del canal sea menor o igual a un valor específico. Por ejemplo, en las curvas que representan la capacidad del canal con márgenes de HO de 12 y 24 dB, se puede apreciar que para el 60% de los casos se alcanzan razones de datos aproximadas a 50 y 10 Mbps, respectivamente. Siguiendo este análisis, puede apreciarse que los mejores resultados en cuanto a la capacidad del canal se obtienen con el menor margen de HO.
Por lo anteriormente expuesto, queda en evidencia la relación de compromiso entre el costo de HO y la capacidad del canal al variar el margen de HO.
3.4 Impacto del uso de CoMP en la capacidad del canal
Con el objetivo de evaluar el impacto que tiene el uso de CoMP en la capacidad del canal y determinar si el sistema se beneficia con el empleo de esta técnica, se realizaron las simulaciones correspondientes donde se garantizó un valor mínimo de relación señal a ruido de 4 dB como criterio para la cooperación y se considera acceso múltiple ortogonal (OMA).
Para ello se empleó el método Monte Carlo generando posiciones del usuario aleatorias en 50 000 iteraciones. La Figura 3.6 muestra el resultado comparado con el HO duro para diferentes HOMs.
Figura 3.6. Función de distribución acumulativa respecto a la capacidad del canal incluyendo CoMP.
Es apreciable que para las razones más bajas, la CoMP presenta mejoras incluso respecto al HO de menor margen (la curva de HO de mejor desempeño), ejemplo de eso es que para el
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
24 20 % de los casos existe una mejora de un 45 % aproximadamente al usar CoMP, lo cual es un valor bastante significativo. Queda en evidencia que el uso de CoMP en el escenario propuesto es beneficioso, a pesar de la reducción de ancho de banda que se experimenta cuando hay más de un usuario recibiendo servicio de los APs cooperantes.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
25
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
El entorno VLC propuesto quedó definido de tal forma, que son propicias las condiciones necesarias para las simulaciones en cuanto a número de APs, cantidad de usuarios y existencia de la posibilidad de realizar handover y transmisión multipunto coordinada.
Los parámetros propuestos para las diferentes simulaciones fueron seleccionados teniendo en cuenta las características del escenario objeto de estudio e investigaciones anteriores con escenarios similares. Con estos parámetros establecidos fue posible llevar a cabo las simulaciones propuestas.
La red VLC que quedó conformada sirvió de base para estudiar el comportamiento de distintos parámetros bajo condiciones diferentes. En este sentido, las simulaciones aportaron resultados relevantes en los que primó la relación de compromiso que existe entre diferentes indicadores de calidad.
En el análisis y comparación de varias gráficas e imágenes se destacó el uso de CoMP como una buena alternativa dentro del escenario estudiado, a pesar de algunas condiciones no tan beneficiosos que pueden experimentarse cuando se hace uso de esta técnica en una red VLC con múltiples usuarios.
La función de distribución acumulativa resultó un medio idóneo para comparar los resultados en cuanto a la capacidad del canal, al usar diferentes márgenes de handover; así como el empleo de CoMP contra el handover duro.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
26 Recomendaciones
Sería recomendable para investigaciones futuras estudiar el impacto que tiene la variación del campo de vista del usuario (FOV) en un escenario como el propuesto en este trabajo y bajo las mismas condiciones.
Para aproximar el estudio a un escenario más realista, sería favorable tener en cuenta el movimiento de todos los usuarios y considerar un modelo del canal NLOS para el multitrayecto.
Se recomienda definir un escenario con un mayor número de APs, puesto que supone una propuesta más interesante vinculada al tema de estudio de este trabajo.
ANEXOS
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