UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJALa Universidad Catlica de Loja

ESCUELA DE ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES MODALIDAD PRESENCIAL

ANLISIS DE ESTNDARES 802.11e y 802.11n PARA LARGAS DISTANCIAS

TESIS DE GRADO PREVIA A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERA EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES

AUTORES:AGILA GARCA RICARDO DAVID SNCHEZ HERRERA JIMMY FRANCISCO

ING. LUDEA GONZLEZ PATRICIA JEANNETH

LOJA - ECUADOR 2009

CERTIFICACIN: ACEPTACIN PROYECTO DE FIN DE CARRERA

Loja, 30 de septiembre de 2009

Ing. Patricia Jeanneth Ludea Gonzlez Escuela de Electrnica y Telecomunicaciones - GESE

Dejo constancia de haber revisado y estar de acuerdo con el proyecto de fin de carrera, titulado: " ANLISIS DE ESTNDARES 802.11e y 802.11n PARA LARGAS DISTANCIAS".

Presentado por:

Ricardo David Agila Garca Jimmy Francisco Snchez Herrera

Particular que comunico para los fines legales pertinentes.

---------------------------------------Ing. Patricia Jeanneth Ludea Gonzlez

i

CESIN DE DERECHOS

Ricardo David Agila Garca y Jimmy Francisco Snchez Herrera, declaramos ser los autores del presente trabajo y eximimos expresamente a la Universidad Tcnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o de acciones legales. Adicionalmente declaramos conocer y aceptar la disposicin del Art. 67 del Estatuto Orgnico de la Universidad Tcnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos cientficos o tcnicos y tesis de grado que se realicen a travs o con el apoyo financiero, acadmico o institucional (operativos) de la Universidad

Los Autores

Ricardo D. Agila G

.. Jimmy F. Snchez H.

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AUTORA

Las ideas, opiniones, conclusiones, recomendaciones y ms contenidos expuestos en el presente informe de tesis son de absoluta responsabilidad de los autores.

Ricardo D. Agila G

.. Jimmy F. Snchez H.

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INTRODUCCINUno de los estndares cuyo uso est ms extendido es el IEEE1 802.11 en sus diferentes versiones que define la interface de radio para redes inalmbricas de rea local, resultando la tecnologa IEEE 802.11 muy prometedora para el transporte de datos debido a factores tales como: el bajo costo, el uso de bandas sin licencia y su flexibilidad. Sin embargo, las aplicaciones en tiempo real como la voz sobre IP (VoIP) y videoconferencia, exigen ciertas garantas de calidad de servicio (QoS) en trminos de ancho de banda, retardo mximo y prdida de paquetes, para lo cual el nuevo estndar IEEE 802.11e da soporte de QoS a nivel MAC a enlaces WiFi. Por otro lado, los reducidos anchos de banda junto con la necesidad de aplicar tcnicas para combatir las interferencias de otras tecnologas con las que comparte la banda, solo consigue obtener velocidades tericas de transmisin limitadas, con valores mximos de 54 Mbps. Desde este punto se ha continuado realizando mejoras al estndar, en donde el estndar IEEE 802.11n es la solucin. Sin embargo los estndares 802.11e y 802.11n, no se los ha diseado para que funcionen como una solucin conjunta a los distintos requerimientos de comunicacin, de forma tal que en el presente proyecto se realizar diferentes anlisis comparativos para ver que estndar ofrece mejores prestaciones de comunicacin segn la circunstancia a la que se los someta y el trfico que est cursando por el canal. Todas las mejoras introducidas tienen un denominador comn, el afn de transmitir mayor cantidad de informacin, lo ms lejos, en el menor tiempo y/o con la mejor calidad posible, conscientes de la importancia de la gestin de calidad de servicio en la era multimedia, al igual la necesidad de poder transmitir datos con rangos de velocidad elevados, es por ella que para incrementar la velocidad de transmisin es necesario bien aumentar el ancho de banda o bien aumentar la eficiencia espectral.

1

Institute of Electrical and Electronics Engineers - The Official Site - http://www.ieee.org/portal/site

iv

En primera instancia se realizar un anlisis de las prestaciones de los estndares, e indagar los parmetros que permiten obtener elevadas velocidades de transmisin mejorando el throughput en las transmisiones inalmbricas, as

como el comportamiento frente a los diferentes flujos de trfico. Valindose de software de simulacin, sobre todo aquellos que sean libres para modificar su cdigo, es decir de cdigo abierto LINUX, se podr disear un modelo del enlace y llevar a trmino experiencias con l, con la finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias dentro de los lmites impuestos en el estndar 802.11. Como parmetro final se realizan grficas independientes de throughput, paquetes enviados y perdidos, con el fin de demostrar el comportamiento de cada estndar frente al trfico y escenarios desarrollados en esta investigacin.

v

OBJETIVOS

Objetivo General Realizar un estudio terico de los estndares 802.11e y 802.11n; y ofrecer un anlisis comparativo que ser sustentado mediante un software de simulacin.

Objetivos Especficos Realizar el estudio terico de los estndares de inters con el fin de obtener conocimiento de su estructura, funcionamiento, y atributos para posteriores simulaciones.

Analizar mediante NS2 las diferentes prestaciones de los estndares 802.11e y 802.11n referente a throughput, paquetes recibidos, y paquetes perdidos, en dos escenarios diferentes.

Analizar a partir de las simulaciones los estndares con lo que se podr determinar la eficiencia que presentan en largas distancias, en primera instancia se analizar cada estndar por separado, y en lo posterior se proceder a compararlos.

vi

DEDICATORIA

Con mucho cario a mi padre Juan Agila, a mi madre Raquel Garca, y a mis hermanos. Ricardo Agila

A mis padres Jos Snchez y Mara Herrera que con su esfuerzo hacen posible que su hijo lleve a cabo esta tesis. Familiares que siempre han estado conmigo para extender su mano y anhelaban ver mi superacin profesional. Jimmy Snchez

vii

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar quiero agradecer a Dios, por su gua y proteccin en cada uno de mis actos. Adems, por la salud que me ha otorgado para poder continuar en mis propsitos de vida Agradezco a mis padres y hermanos por su apoyo en mis estudios tanto financiero como emocional, y por su tutela para formarme como una persona til para la sociedad. Ricardo Agila

A Dios quien me ha guiado en todo este tiempo y ha sido la luz en mi caminar. Sea a l toda la Gloria y Honra. Y a mis padres quienes pusieron toda su confianza y son la razn de ser lo que soy. Con amor. Jimmy Snchez

viii

TABLA DE CONTENIDOCESIN DE DERECHOS ........................................................................................... i AUTORA ....................................................................................................................ii INTRODUCCIN ....................................................................................................... iii OBJETIVOS ............................................................................................................... v DEDICATORIA...........................................................................................................vi AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... vii TABLA DE CONTENIDO ......................................................................................... viii LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................xi LISTA DE TABLAS .................................................................................................. xiii 1 CAPITULO 1: ESTNDAR IEEE 802.11 ............................................................ 1 1.1 IEEE 802.11 MAC........................................................................................ 2 IEEE 802.11 MAC - Nivel de Enlace .................................................... 2 Funcin de Coordinacin Distribuida DCF ........................................ 4 Funcin de Coordinacin Centralizada PCF ..................................... 6 Limitaciones de PCF para el soporte de QoS ...................................... 8

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 2

CAPITULO 2: NORMA 802.11e.......................................................................... 9 2.1 Caractersticas IEEE 802.11e...................................................................... 9 IEEE 802.11e MAC - Nivel de Enlace .................................................. 9 Acceso a canal mejorado - EDCA ...................................................... 11

2.1.1 2.1.2

ix

2.1.3 3

Acceso a canal controlado - HCCA .................................................... 14

CAPITULO 3: NORMA 802.11n........................................................................ 15 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 Caractersticas de Estndar 802.11n ................................................. 15 MIMO (Multiple Input Multiple Output) [6] ........................................ 16 Tcnicas de throughput alto PHY: ...................................................... 18 Tcnicas para mejora de MAC: .......................................................... 24

4

CAPITULO 4: DEFINICIN DE ESCENARIOS DE PRUEBA .......................... 27 4.1 Configuracin para estndar 802.11e ...................................................... 33 Anlisis de trfico perteneciente a diferentes grupos Diffserv:

4.1.1

priorizacin........................................................................................................ 33 4.2 Configuracin para estndar 802.11n ....................................................... 34 Anlisis de trfico y Throughput. ........................................................ 34

4.2.1 5

CAPITULO 5: VALIDACIN DE LOS ESTNDARES MEDIANTE

SIMULACIN ........................................................................................................... 35 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6 Simulacin de estndar 802.11e 2 Nodos .............................................. 35 Simulacin de estndar 802.11e 3 Nodos .............................................. 40 Simulacin de estndar 802.11n 2 Nodos .............................................. 44 Simulacin de estndar 802.11n - 3 nodos ............................................... 49 Comparacin one channel - two channel .................................................. 53 Anlisis comparativo entre estndar 802.11e y 802.11n ........................... 54

RECOMENDACIONES ..................................................................................... 59

x

ABREVIATURAS ..................................................................................................... 61 GLOSARIO .............................................................................................................. 63 REFERENCIAS........................................................................................................ 64 ANEXO A: INSTALACIN DE NS2 ......................................................................... 65 ANEXO B: PATCH PARA 802.11n [12] .................................................................. 67 ANEXO C: SCRIPT UTILIZADO PARA SIMULACIN 802.11e .............................. 69 ANEXO D: SCRIPT UTILIZADO PARA SIMULACIN 802.11n .............................. 72 ANEXO E: SCRIPT PARA GENERAR GENSTATS.AWK [11] ................................ 76 ANEXO F. DATOS OBTENIDOS MEDIANTE GENSTATAS.AWK ......................... 80

xi

LISTA DE FIGURASFigura 1-1 Problemtica RTS/CTS. [2] ................................................................................ 3 Figura 1-2 Capas de la torre TCP/IP definidas por el estndar 802.11 [2] ........................ 4 Figura 1-3 Modelo de funcionamiento de DCF [2].............................................................. 5 Figura 1-4 Ejemplo de funcionamiento de DCF ................................................................. 6 Figura 1-5 Esquema de funcionamiento de periodos de contienda ................................. 7 Figura 2-1 Esquema de funcionamiento HCF................................................................... 10 Figura 2-2 Modelo de funcionamiento de capa Mac 802.11e .......................................... 12 Figura 2-3 Comparacin de modelo de funcionamiento en 802.11 y 802.11e................ 13 Figura 3-1 Esquema de canal MIMO MN ......................................................................... 16 Figura 3-2 Esquema MRC .................................................................................................. 19 Figura 3-3 Tcnica STBC ................................................................................................... 21 Figura 3-4 Sistema bsico de MIMO con SDM ................................................................. 21 Figura 3-5 Tcnica con SDM .............................................................................................. 22 Figura 3-6 Esquema bsico SDM ...................................................................................... 22 Figura 3-7 Canales definidos para la banda de 2,4 GHz [7]............................................. 23 Figura 3-8 Periodo de guarda en OFDM ........................................................................... 23 Figura 3-9 Esquema de agregacin de tramas................................................................. 25 Figura 4-1 Arquitectura de funcionamiento en NS2......................................................... 28 Figura 4-2 Flujograma de Scripts ...................................................................................... 30 Figura 4-3 Esquema maestro-esclavo .............................................................................. 32

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Figura 4-4 Esquema maestro-repetidor-esclavo .............................................................. 32 Figura 5-1 Simulacin en NS2 de 802.11e 2 nodos ....................................................... 36 Figura 5-2 Throughput normalizado vs distancia (802.11e 2 nodos) .......................... 37 Figura 5-3 Paquetes recibidos vs distancia (802.11e 2 nodos) .................................... 38 Figura 5-4 Paquetes perdidos vs. Distancia (802.11e 2 nodos) ................................... 39 Figura 5-5 Simulacin en NS2 de 802.11e 3 nodos ....................................................... 40 Figura 5-6 Throughput normalizado vs distancia (802.11e 3 nodos) .......................... 41 Figura 5-7 Paquetes recibidos vs distancia (802.11e 3 nodos) .................................... 42 Figura 5-8 Paquetes perdidos vs distancia (802.11e 3 nodos) .................................... 43 Figura 5-9 Simulacin en NS2 de 802.11n - 2 nodos ....................................................... 45 Figura 5-10 Throughput normalizado vs distancia (802.11n - 2 nodos) ......................... 46 Figura 5-11 Paquetes Recibidos vs Distancia (802.11n - 2 nodos) ................................. 47 Figura 5-12 Paquetes Perdidos vs Distancia (802.11n - 2 nodos) .................................. 48 Figura 5-13 Simulacin en NS2 de 802.11n - 3 nodos ..................................................... 49 Figura 5-14 Throughput Normalizado vs Distancia (802.11n - 3 nodos) ........................ 50 Figura 5-15 Paquetes Recibidos vs Distancia (802.11n - 3 nodos) ................................. 51 Figura 5-16 Paquetes Perdidos vs Distancia (802.11n - 3 nodos) .................................. 52 Figura 5-17 Throughput generado por uno y dos canales (802.11n).............................. 53 Figura 5-18 Comparacin de throughput entre estndar 802.11e y 802.11n ................. 55 Figura 5-19 Comparacin de paquetes perdidos entre estndar 802.11e y 802.11n ..... 56

xiii

LISTA DE TABLASTabla 1-1 Grupo de trabajo dentro de 802.11 [1] ............................................................... 1 Tabla 2-1 Mapeo de Prioridad de usuario a Categora de Acceso. [5] ........................... 11 Tabla 3-1 Caractersticas de los protocolos 802.11......................................................... 16 Tabla 3-2 Portadoras en 802.11 [5] ................................................................................... 24 Tabla 4-1 Parmetros de configuracin [5] ...................................................................... 31 Tabla 4-2 Flujo de informacin transmitida ..................................................................... 32 Tabla 4-3 Caractersticas de los escenarios .................................................................... 33 Tabla 4-4 Configuracin de las colas de acceso con priorizacin ................................. 34 Tabla 5-1 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11e 2 nodos............................ 35 Tabla 5-2 Datos del trfico................................................................................................. 36 Tabla 5-3 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11e 3 nodos............................ 40 Tabla 5-4 Distancias en simulacin de 3 nodos .............................................................. 41 Tabla 5-5 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11n - 2 nodos [10] ..................... 44 Tabla 5-6 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11n - 3 nodos ............................ 49 Tabla 5-7 Comparacin de throughput one - two channel .............................................. 54 Tabla F- 1 Datos de estndar 802.11n (2 nodos).......80 Tabla F- 2 Datos de estndar 802.11n (3 nodos).......81 Tabla F- 3 Datos de estndar 802.11e (2 nodos).......82 Tabla F- 4 Datos de estndar 802.11e (2 nodos)....83 Tabla F- 5 Datos de estndar 802.11e (3 nodos)....84

xiv

Tabla F- 6 Datos de estndar 802.11n (3 nodos)..85

1

1 CAPITULO 1: ESTNDAR IEEE 802.11El protocolo IEEE 802.11 es un estndar de comunicaciones del IEEE que define la capa fsica y de enlace para una transmisin inalmbrica. El estndar original fue publicado por el IEEE en 1997, y es conocido como IEEE 802.11-1997, dos aos ms tarde se actualizara dando lugar al IEEE 802.11-1999 Este estndar permita unas velocidades de transferencia desde 1 hasta 2 Mbps, y trabajaba en la banda ISM (Industrial Scientific Medical) a una frecuencia de 2,4 GHz en la que no se precisa licencia. Existen diferentes grupos de trabajo dentro de 802.11 promovidos por el IEEE que trabajan en sub-estndares del mismo. Se puede comprobar las principales caractersticas en la tabla 1-1. Tabla 1-1 Grupo de trabajo dentro de 802.11 [1]Grupo de trabajo IEEE 802,11a IEEE 802,11b IEEE 802,11d IEEE 802,11e IEEE 802,11f IEEE 802,11g IEEE 802,11h IEEE 802,11i IEEE 802.11j IEEE 802.11k IEEE 802.11n IEEE 802.11p IEEE 802.11r IEEE 802.11s IEEE 802.11t IEEE 802.11u IEEE 802.11v Tasas de hasta 54 Mbps en 5 GHz Mejoras sobre la norma 802,11 para tasas de hasta 11 Mbps Itinerancia internacional Mejoras para el soporte de calidad de servicio Protocolo para la comunicacin entre puntos de acceso Tasas de hasta 54 Mbps en 2,4 GHz (compatible con 802,11b) Trabaja en 5 GHz y propone extensiones para la compatibilidad con Europa Mejoras en seguridad Extensiones para Japn Medidas en los recursos radio Mejoras en velocidades de transmisin Uso de 802.11 en vehculos Itinerancia rpida Redes GRID inalmbricas Prediccin de rendimiento en redes inalmbricas Uso conjunto con otras redes no-802 Gestin de redes inalmbricas Caractersticas

2

1.1 1.1.1

IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC - Nivel de Enlace Dentro del modelo TCP/IP (Protocolo de control de transmisin/Protocolo de

Internet), la capa de acceso al medio en 802.11 se encarga de proporcionar un servicio de datos fiable a sus usuarios y al mismo tiempo permitir un acceso equitativo al medio inalmbrico compartido. Para la descripcin de esta capa se considerar un servicio bsico compuesto por un punto de acceso y diferentes estaciones asociadas al mismo. Para proporcionar un acceso fiable, el estndar 802.11 define un protocolo para el intercambio de tramas de informacin. La secuencia mnima en este intercambio consiste en el envo de una trama de informacin del origen al destino y un asentimiento (ACK - Acknowledgment) enviado por el destino, en el caso de que la primera trama haya sido recibida correctamente. Cada vez que TCP recibe un ACK, la ventana del emisor permite enviar un nuevo fragmento, si un segmento no llega al receptor o llega con errores, el receptor no enviar ACK. Los siguientes segmentos que enve el emisor (hasta su tamao de ventana mximo) se almacenarn en el buffer del receptor pero ste enviar ACK de la secuencia previa al paquete errneo. El emisor tiene especificado un tiempo de espera de ACK para cada segmento, conocido como ACK Timeout, que debe ser calculado, de forma que: Sea lo suficientemente grande para evitar que los retardos en la red no provoquen reenvo innecesario por retardos en el envo del ACK. Sea lo suficientemente pequeo para que no haya periodos de inactividad en el envo de datos en la red. Si el ACK no llega, porque no se recibi la trama o porque el ACK Timeout se agot, se procede con el reenvo del primer segmento sin ACK en la ventana del emisor. Para evitar reenvos intiles, se espera al ACK del reenvo, as se ver que hay que continuar con otro segmento distinto del siguiente en espera.

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Adems todas las tramas a nivel MAC incorporan un campo de control de errores (FCS - Frame Check Sequence) que es comprobado en cada recepcin. Si el campo de control falla, la trama es reenviada. Aunque este mecanismo consume cierto ancho de banda, permite hacer frente a los posibles errores provocados por el medio inalmbrico. Adicionalmente, a este mecanismo bsico de intercambio de tramas, existe una alternativa que proporciona una mayor robustez al protocolo y permite afrontar el problema de los nodos ocultos. Este mecanismo es conocido por las siglas de las tramas que utiliza, RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send). Una estacin que estuviera haciendo uso de este mecanismo debera mandar una trama RTS al destino antes de transmitir cualquier trama de datos (MSDU MAC Service Data Unit). Una vez que el destino recibe esta trama correctamente entonces debe responder con otra trama llamada CTS. A partir de este momento la fuente puede comenzar a mandar las tramas MSDU (ver figura 1-1).

Figura 1-1 Problemtica RTS/CTS. [2]

Todas las tramas, incluidas las RTS y CTS, contienen informacin sobre la duracin de la transmisin MSDU/ACK. De forma que, basndose en esta informacin, todas las estaciones presentes pueden actualizar un contador interno llamado NAV (Network Allocation Vector) y retrasar cualquier transmisin hasta que el contador expire. Aunque una estacin oculta no pueda escuchar la trama RTS enviada por la fuente, ser capaz de recibir la trama CTS con la que responde el destino de forma que pueda actualizar el contador NAV adecuadamente. Este mecanismo protege la comunicacin entre estaciones frente a transmisiones inesperadas de estaciones ocultas.

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El estndar 802.11 define dos funciones para el acceso al canal: Funcin de Coordinacin Distribuida (DCF Distributed Coordination Function) y Funcin de Coordinacin Centralizada (PCF Point Coordination Function). Se puede apreciar su posicin dentro de la torre TCP/IP en la figura 1-2. A continuacin se describir ambas opciones.

Figura 1-2 Capas de la torre TCP/IP definidas por el estndar 802.11 [2]

1.1.2

Funcin de Coordinacin Distribuida DCF DCF proporciona un acceso compartido al medio entre dispositivos con la

misma capa fsica mediante el uso de un protocolo basado en Acceso Mltiple con Deteccin de Portadora (CSMA Carrier Sense Multiple Access) con evasin de colisiones (CA Collision Avoidance). Todas las estaciones deben incluir obligatoriamente este mecanismo, a diferencia del mecanismo PCF que es opcional. La deteccin de portadora se realiza a travs de mecanismos fsicos y virtuales. La deteccin fsica implica que cualquier estacin antes de intentar una transmisin debe realizar una lectura de las condiciones del canal y comprobar que el medio est vaco por un periodo de tiempo (IFS Inter Frame Space). La duracin de este periodo vara, la utilizada justo antes de una transmisin en condiciones normales es llamada DIFS (IFS de funcin de coordinacin distribuida). Cuando existen peticiones de transmisiones pendientes y el medio se encuentra ocupado la estacin esperara hasta que el medio se encuentre vaco por un periodo DIFS. Entonces la estacin escoge un nmero aleatorio entre un rango determinado dependiendo del estndar y usar ese valor como espera adicional

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antes de transmitir. El rango para elegir esta espera aleatoria es llamado Ventana de Contienda (CW Contention Window), que vara de acuerdo con el nmero de retransmisiones previas. Si se detecta que el medio pasa a estar ocupado durante el periodo de espera, el contador se detiene, y se reanudar una vez el medio vuelva a estar vaco despus del periodo DIFS. En la figura 1-3 se puede comprobar el modelo de funcionamiento del mecanismo DCF.

Figura 1-3 Modelo de funcionamiento de DCF [2]

La evasin de colisin se consigue a travs del mecanismo de deteccin de portadora virtual. Cada estacin mantiene un contador interno llamado NAV que indica cuando el medio se encuentra ocupado. El valor de la duracin se incluye en cada trama transmitida por cada estacin, el cual indica cunto tiempo durar la transmisin, incluyendo los ACK y fragmentos. Todas las estaciones que se encuentren prximas reciben esta trama y usan este valor para actualizar su contador NAV. De forma que cuando una estacin quiere comenzar una transmisin, en primer lugar comprueba que el contador NAV est a cero. Una vez que una estacin consigue acceso al medio a travs de contienda, esta puede transmitir la trama de informacin MSDU. Entonces espera por un periodo de tiempo llamado SIFS (IFS corto) por sus siglas en ingls, para transmitir el ACK. La duracin del periodo SIFS es ms corta que en el caso de DIFS, lo que proporciona a la trama de ACK la mayor prioridad para acceder al medio. De esta manera se asegura que ninguna otra estacin podr comenzar una transmisin antes que el ACK. Si este no es recibido justo despus de un periodo SIFS, se intenta una retransmisin hasta que el nmero de retransmisin supere determinado umbral o el tiempo de vida de la MSDU expire, en este caso la trama de informacin MSDU sera descartada.

6

Las tramas de informacin pueden ser fragmentadas para aumentar las probabilidades de xito en la transmisin. Sin embargo, dado que cada fragmento MSDU debe ser asentido individualmente, la fragmentacin aumenta

considerablemente la sobrecarga para la MSDU. En la figura 1-4 se puede ver un ejemplo del mecanismo de acceso DCF.

Figura 1-4 Ejemplo de funcionamiento de DCF

1.1.3

Funcin de Coordinacin Centralizada PCF El PCF est diseado para ofrecer soporte de servicios con restricciones

temporales (soporte de calidad de servicio). Un nuevo elemento llamado punto de coordinacin (PC Point Coordinator) ser el responsable de priorizar el acceso al medio de determinadas estaciones, y estar situado en el punto de acceso. El estndar 802.11 define dos periodos de tiempo entre el envo de dos mensajes de sealizacin de envo de trfico (DTIM Delivery Traffic Indication Message): el periodo de contienda (CP) y el periodo libre de contienda (CFP). En general, el punto de acceso manda de forma peridica tramas de beacon, aunque estas tramas pueden ser retrasadas si el medio est ocupado, y transportan informacin de red y sincronizacin. Las tramas de beacon (B) son usadas por el PC para indicar el comienzo del CFP. En la figura 1-5 se puede comprobar cmo se alternan los periodos CFP y CP.

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Figura 1-5 Esquema de funcionamiento de periodos de contienda

Durante

el CP todas las estaciones compiten por el medio usando el

mecanismo DCF. Durante el CFP, el punto de acceso clasifica las transmisiones hacia o desde determinadas estaciones usando un mecanismo de sondeo. No existe contienda entre las estaciones durante el ciclo CFP. Este periodo comienza cuando el punto de acceso consigue acceso al medio mediante el uso de un espacio de tiempo PIFS (IFS de funcin de coordinacin centralizada) a la llegada de una trama de beacon. El tiempo PIFS es ms corto que DIFS, pero mayor que SIFS, y de esta forma PCF logra mayor prioridad que DCF para el acceso pero no interrumpe ninguna comunicacin DCF existente. Una vez que PCF consigue el acceso al medio se utiliza el periodo de tiempo SIFS para el intercambio de tramas durante el ciclo CFP. El sistema de sondeo comienza cuando el PC enva una trama CF-Poll a una de las posibles estaciones. Si el PC tiene alguna trama pendiente de envo, este podra utilizar una trama de datos incorporando una trama CF-Poll. La estacin sondeada puede responder con datos junto a una trama CF-ACK, o simplemente con una trama CF-ACK si no desea enviar ms informacin. Una vez que el intercambio de tramas con una estacin termina, el PC enva el CF-Poll a otra estacin que estuviese en la lista de estaciones sondeables. Cuando el PC ha terminado con todas las estaciones de la lista, o una vez que la duracin del CFP ha expirado, el PC transmite por difusin una trama CF-End anunciando el final del ciclo CFP. Cuando llega una trama de beacon el contador NAV de todas las estaciones se inicializa al valor mximo, para proteger el ciclo CFP de transmisiones no deseadas. Entonces, el punto de acceso transmite por difusin la duracin del ciclo CFP en la trama de beacon, y el contador NAV se actualiza adecuadamente.

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Cuando finaliza el ciclo CFP, todas las estaciones inicializan su contador NAV a cero cuando reciben la trama CF-End, o cuando la duracin del CFP termina. Desde entonces hasta la siguiente trama DTIM todas las estaciones compiten por el medio usando DCF. Este modo de funcionamiento permite que en una misma red coexistan estaciones con soporte PCF y DCF. 1.1.4 Limitaciones de PCF para el soporte de QoS Existen diferentes problemas con el mecanismo de acceso PCF que han llevado al grupo de trabajo 802.11 a proponer mejoras para el soporte de calidad de servicio. Entre muchas otras cabe destacar retardos impredecibles de las tramas de beacon y periodos de transmisin de duracin desconocida de las estaciones en el periodo de contienda (CP). El punto de coordinacin es el responsable del envo de las tramas de beacon a intervalos de tiempo regulares TBTT (Target Beacon Transmission Time). Sin embargo, esta trama solo puede transmitirse cuando el medio ha sido detectado como vaco por un periodo PIFS. Segn el estndar 802.11 las estaciones pueden empezar sus transmisiones incluso si la trama MSDU enviada no est acabada antes de la llegada del TBTT. En funcin de si el medio est vaco u ocupado durante TBTT, se podra producir un retardo de la trama de beacon. El retraso provocado de esta forma sobre TBTT fijar el retardo de la transmisin de MSDUs que tienen que ser enviadas en el ciclo CFP. Este hecho podra afectar severamente a la calidad de servicio ya que introduce un retardo impredecible en cada ciclo CFP. En el peor de los casos se podran llegar a alcanzar retardos de algunos milisegundos. Otro problema adicional con el mecanismo PCF es que el tiempo de transmisin de las estaciones en el periodo CP es desconocido. Una estacin que ha sido sondeada por el punto de coordinacin tiene la posibilidad de enviar una MSDU que podra ser fragmentada y de una longitud arbitraria, hasta un mximo de 2304 bytes.

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22.1

CAPITULO 2: NORMA 802.11e

Caractersticas IEEE 802.11e Vistos los problemas que presentaba el estndar IEEE 802.11 para el

soporte de calidad de servicio, el IEEE decidi crear un grupo que estudie en mayor profundidad este tema e indique posibles modificaciones sobre 802.11 para lograr cierto nivel de calidad de servicio. Para describir estas novedades se ver en primer lugar la nomenclatura. Estas mejoras distinguen entre estaciones con soporte de calidad de servicio (QSTA QoS Enhanced Station) y aquellas que no lo soportan (STA), punto de acceso con soporte de calidad de servicio (QAP) y sin soporte (AP). Dentro de 802.11e se puede distinguir bsicamente dos grupos funcionales. Se tratara de las funciones de acceso al canal, y la gestin de especificacin de trfico (TSPEC). 2.1.1 IEEE 802.11e MAC - Nivel de Enlace La extensin 802.11e define una nueva funcin de coordinacin llamada funcin de coordinacin hbrida (HCF Hybrid Coordination Function), la cual se emplea para el conjunto de servicios bsicos con soporte de QoS (QBSS). La funcin HCF define dos modos de operacin: Acceso a canal distribuido mejorado (EDCA Enhanced Distributed Channel Access) que consiste en una funcin de acceso al canal basada en contienda, la cual funciona de forma concurrente junto al segundo modo de operacin, llamado Acceso a canal controlado HCF (HCCA - HCF Controlled Channel Access) que se basa en un mecanismo de sondeo controlado por el coordinador hbrido (HC Hybrid Coordinator). Este punto coordinador se encuentra situado junto al QAP. Ambas funciones de acceso mejoran o extienden la funcionalidad de los mtodos de acceso originales (DCF y PCF). La primera funcin de acceso, EDCA, fue diseada para soportar la priorizacin de trficos, tal como hace Diffserv [3], mientras que HCCA soporta trfico parametrizado, de la misma forma que Intserv.

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El concepto bsico de estas funciones de acceso a canal es la oportunidad de transmisin (TXOP Transmisin Opportunity). Un TXOP es un intervalo de tiempo limitado durante el cual una QSTA puede transmitir una serie de tramas. El periodo TXOP se define a travs de un tiempo de inicio y una duracin mxima. Si el periodo TXOP se obtiene usando el acceso a canal basado en contienda entonces recibir el nombre de EDCA-TXOP. Si por el contrario se obtiene a travs de HCCA se conocer como HCCA-TXOP. La duracin del periodo EDCA-TXOP se controla a travs del QAP y se transmite al resto de estaciones QSTA en las tramas de beacon junto con otros parmetros relacionados con EDCA. La duracin del periodo HCCA-TXOP se transmite a las estaciones QSTA directamente por el HC como parte de la trama QoS CF-Poll, la cual garantiza el periodo HCCA-TXOP (ver Figura 2-1).

Figura 2-1 Esquema de funcionamiento HCF

Como se coment anteriormente, el estndar original IEEE 802.11, obligaba el envi de tramas ACK para cada trama recibida correctamente. En 802.11e estas tramas ACK han pasado a ser opcionales. De esta forma cuando se utiliza una poltica basada en no utilizar asentimientos la capa MAC no deber enviar mensajes ACK por cada trama recibida correctamente. Esto implica que la fiabilidad de este trfico se vera reducida, pero mejora el rendimiento general de la capa, debido a que la trama ACK deja ancho de banda libre, MAC para trfico sensible a retardo, tal como sucede con VoIP donde la informacin tiene valor durante un periodo de tiempo muy corto. La opcin de trabajar sin asentimientos igualmente introduce severos requisitos de tiempo real, ya que por lo contrario es necesario esperar a la trama

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ACK, entonces la siguiente trama a transmitir debe estar preparada en un tiempo SIFS desde el final de la transmisin anterior. 2.1.2 Acceso a canal mejorado - EDCA EDCA es un nuevo mecanismo de acceso, que mejora el original DCF, para proporcionar soporte de calidad de servicio basado en priorizacin de trfico. Esta priorizacin se consigue introduciendo cuatro categoras de acceso (AC Access Category), las cuales permiten el envo de trfico asociado a prioridades de usuario, tal como define el estndar IEEE 802.1D2 [4]. En la tabla 2-1 se resume las prioridades relativas y la tabla de mapeo entre 802.1D y las categoras de acceso 802.11e. Tabla 2-1 Mapeo de Prioridad de usuario a Categora de Acceso. [5]Prioridad Menor ... ... ... ... Prioridad 802.1D 1 2 0 3 4 Descripcin 802.1D Background Best Effort Excellent Effort Carga Controlada ... ... Mayor 5 6 7 Video Voz, Video Sealizacin Red AC_VI AC_VO AC_VO Video Voz Voz Categora de Acceso 802.11e AC_BK AC_BK AC_BE AC_BE AC_VI Descripcin 802.11e Best Effort Best Effort Best Effort Prueba Video Video

Cada categora de acceso dispone de su propia cola de transmisin caracterizada por unos determinados parmetros. La priorizacin entre las diferentes categoras se consigue configurando adecuadamente los parmetros de cada cola de acceso. Se puede ver un esquema de funcionamiento del sistema de categoras de acceso en la figura 2-2. Los parmetros de mayor inters son los siguientes:

2

802.1D es el estndar de IEEE para bridges MAC (puentes MAC), que incluye bridging (tcnica de reenvo de paquetes que usan los switches), el protocolo Spaning Tree y el funcionamiento de redes 802.11

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Nmero de espacio arbitrario entre tramas (AIFSN - Arbitrary Inter-Frame Space Number): corresponde al intervalo mnimo desde que el medio fsico se detecta como vaco hasta que se comienza la transmisin.

Ventana de contienda (CW Contention Window): un nmero aleatorio se escoge en este rango para lanzar el mecanismo de espera (backoff). Lmite de oportunidad de transmisin (TXOP limit): es la duracin mxima durante la cual una QSTA puede transmitir tras haber obtenido el TXOP.

Figura 2-2 Modelo de funcionamiento de capa Mac 802.11e

Cuando los datos llegan al punto de acceso de servicio de informacin MAC (SAPMAC) por sus siglas en ingls, la capa MAC de 802.11e se encarga de clasificar adecuadamente los datos, y enva la MSDU a la cola correspondiente. Entonces los bloques de informacin MSDU de las diferentes colas AC compiten internamente por el EDCA-TXOP. El algoritmo de contienda interno calcula la espera (backoff)

independientemente para cada cola AC, segn los parmetros descritos: AIFSN, CW, y un nmero aleatorio. El mecanismo de espera es similar al de DCF, y la cola con el menor backoff ganar la competicin interna. La cola AC vencedora competira externamente por el acceso al medio inalmbrico. El algoritmo de contienda externo no se ha modificado

significativamente comparado con DCF, excepto que en DCF el backoff y tiempos

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de espera eran fijos para un medio fsico concreto, mientras que en 802.11e stos son variables, y se configuran adecuadamente segn la cola AC correspondiente. A travs de un ajuste adecuado de los parmetros de las colas (AC), el rendimiento del trfico de diferentes colas puede ser ajustado, y se puede lograr la priorizacin de trfico. Esto requiere un punto de coordinacin central (QAP) para mantener un conjunto comn de parmetros en las colas y garantizar as un acceso justo entre las diferentes estaciones que componen la red (QBSS). De igual forma, para lograr ajustar la asimetra existente entre el trfico de subida (QSTA a QAP) y de bajada (QAP a QSTA), un conjunto separado de parmetros EDCA se define exclusivamente para el QAP En la figura 2-3 se compara el nuevo mecanismo de acceso al medio descrito por el estndar 802.11e respecto del tradicional utilizado por el estndar 802.11.

Figura 2-3 Comparacin de modelo de funcionamiento en 802.11 y 802.11e

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2.1.3

Acceso a canal controlado - HCCA HCCA es un componente de HCF que proporciona soporte de calidad de

servicio basado en parametrizacin. Hereda alguna de las reglas de PCF e introduce algunas extensiones. De igual forma que en PCF, HCCA proporciona acceso basado en sondeo al medio inalmbrico; pero, a diferencia del primero, el sondeo QoS puede tener lugar en el periodo CP y la planificacin de paquetes se basa en los perfiles TSPECs admitidos. El principal concepto en HCCA es la fase de acceso controlada (CAP Controlled Access Phase), que consiste en un intervalo de tiempo limitado formado por la concatenacin de TXOPs-HCCA. En este caso el HC es el responsable de la clasificacin y determinacin de los CAP. El punto de coordinacin consigue acceso al medio inalmbrico segn la configuracin de los parmetros de acceso, los cuales se encuentran almacenados en tres variables (MIB). El valor por defecto de estas variables da lugar al intervalo PIFSLo cual proporciona al HC la prioridad ms alta sobre todas las estaciones para el acceso al medio. El estndar IEEE 802.11e introduce una serie de nuevos subtipos de tramas de datos para el soporte de calidad de servicio. Para HCCA-TXOP la trama QoS CF-Poll se usa para garantizar el intervalo TXOP, y entonces comienza la transferencia de datos usando tramas de datos QoS. Las tramas QoS-Null pueden ser utilizadas para terminar el periodo HCCA-TXOP si la estacin no tiene datos que enviar. La gran variedad de tipos de tramas de datos QoS y las reglas de uso asociadas logran aumentar la eficiencia de la capa MAC 802.11e, aunque tambin aumenta la complejidad del clasificador HCCA. En un punto de acceso el nmero de flujos soportados no est limitado por el estndar, aunque si lo estara por los recursos disponibles.

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3 CAPITULO 3: NORMA 802.11nSe han desarrollado varios avances en cuanto a mejora de velocidades de transmisin de datos, as como lograr alcanzar mayor rango de cobertura, es por ello que el IEEE conform un grupo de trabajo 802.11 (TGn) para desarrollar una nueva revisin del estndar 802.11. 3.1.1 Caractersticas de Estndar 802.11n A principios de 2007 se aprob el segundo borrador del estndar 802.11n, conocido como Draft 2.0. En la actualidad ya existen dispositivos adelantados al protocolo y que ofrecen de forma no oficial este estndar (con la promesa de actualizaciones para cumplir el estndar cuando el definitivo estuviera implantado). Ha sufrido una serie de retrasos y el ltimo lo lleva hasta Noviembre de 2009. Habindose aprobado en Enero de 2009 el proyecto 7.0 y que va por buen camino para cumplir las fechas sealadas3. A diferencia de las otras versiones de Wi-Fi, 802.11n puede trabajar en dos bandas de frecuencias: 2,4 GHz (la que emplean 802.11b y 802.11g) y 5 GHz (la que usa 802.11a). Gracias a ello, 802.11n es compatible con dispositivos basados en todas las ediciones anteriores de Wi-Fi, sin embargo no puede funcionar en ambas frecuencias a la vez. En la tabla 3.1 se resumen las principales caractersticas de los productos basados en 802.11 existentes. [5]

3

Status of Project IEEE 802.11n http: //grouper.ieee.org/groups/802/11/Reports/tgn_update.htm

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Tabla 3-1 Caractersticas de los protocolos 802.11

El hecho de que el ancho de banda del canal en 802.11n sea de 40 MHz, el doble a los 20 MHz presentes en otros estndares como 802.11 (a, b, y g), implica haber duplicado la capacidad de la informacin que cursa por un canal. 3.1.2 MIMO (Multiple Input Multiple Output) [6] Es una tcnica que permite utilizar el multitrayecto para incrementar las prestaciones mediante el uso de mltiples antenas de transmisin y recepcin.

Figura 3-1 Esquema de canal MIMO MN

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3.1.2.1 Base de los sistemas MIMO Las altas velocidades de transmisin de los sistemas MIMO obedecen a diversos factores que bien mejoran los esquemas de transmisin, o bien mejoran la fiabilidad del enlace. Ganancia por multiplexacin en el espacio La multiplexacin espacial consiste en la transmisin de flujos de informacin independientes por las diferentes antenas de manera simultnea. El multiplexado de la informacin en M canales se proyecta a aumentar la velocidad global de transmisin de datos en un factor M sin mayores requerimientos de potencia ni ancho de banda, consiguiendo una eficiencia espectral prxima a la capacidad del canal. Es por ello que en la simulacin (Capitulo 5) se realiza la comparacin al tener uno y dos flujos de informacin de manera simultnea. Ganancia por diversidad Al transmitir y recibir por varias antenas simultneamente, se puede mejorar la fiabilidad del enlace, mitigando los desvanecimientos y disminuyendo la probabilidad de error, ello gracias a que MIMO aprovecha el multitrayecto. La ganancia por diversidad en el sistema MIMO representa la mejora en la SNR (Signal Noise Ratio), promediada en el tiempo, con respecto a la SNR del mejor canal SISO (Single Input Single Output). La idea de ganancia por diversidad est unida al concepto de fiabilidad el cual se estudia mejor desde el anlisis de la probabilidad de outage del canal (probabilidad de que la SNR se encuentre por debajo de un cierto nivel umbral que haga que el sistema no est disponible). Por tanto la definicin de ganancia por diversidad est condicionada por el valor mnimo de referencia de la SNR. Ganancia de Array La ganancia de array se obtiene a travs del procesado de las seales en el transmisor y en el receptor. Combinando coherentemente la seal en el transmisor

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o en el receptor se consigue un aumento de la relacin seal a ruido media recibida. 3.1.3 Tcnicas de throughput alto PHY4:

3.1.3.1 Diversidad espacial en recepcin La diversidad espacial en recepcin se desarrolla con el objeto de mitigar los desvanecimientos generados por el efecto multicamino y mejorar la SNR. La diversidad espacial utiliza varias antenas separadas una cierta distancia; cada una de las antenas recibe una rplica de la seal transmitida. Se han desplegado diversas tcnicas para combinar las seales de las antenas receptoras y as obtener una seal en la parte de recepcin de calidad. A continuacin se describen las ms importantes: Diversidad por seleccin (Selection combining) En este esquema slo la seal con mejor SNR se pasa al decodificador. Este algoritmo se usa en receptores simples con pocos requerimientos de procesado. Una variante de este mtodo, selecciona la seal con mayor SNR y la mantiene, sin hacer ms sondeos, hasta que la relacin cae por debajo de un cierto umbral; en este instante se vuelve a seleccionar la seal con mejor SNR recibida Combinacin por razn mxima MRC (Maximal Ratio Combining) La relacin seal a ruido media es equivalente a la SNR media por el nmero de ramas. Con el fin de que el MRC sea eficaz, las antenas de recepcin deben tomar diferentes versiones (distorsionadas por el ruido y la interferencia), de la seal original transmitida. Para lograr esta meta la separacin de las antenas debe ser por lo menos la mitad de una longitud de onda, por ejemplo para un canal de 5 GHz la separacin ser de 3 cm.

4

Capa fsica

19

El MRC pesa las seales recibidas por cada antena y las combina coherentemente para maximizar la SNR de la seal resultante.

Figura 3-2 Esquema MRC

Combinacin con misma ganancia EGC (Equal Gain Combining) EGC, es un mtodo similar al MRC. Que presenta una reduccin de rendimiento frente al MRC cuando una de las seales tiene una SNR baja. Dado que todas se pesan igual, la combinacin de las seales degrada la relacin seal a ruido comparada con el caso MRC. De los tres esquemas descritos, el MRC es el que obtiene una SNR ptima, debido a que este mtodo produce una seal con una SNR media igual a la suma de las SNR individuales. 3.1.3.2 Diversidad espacial en transmisin El objetivo tradicional de la diversidad en transmisin es el mismo que en recepcin, reducir los desvanecimientos5. Sin embargo, dada su complejidad, la diversidad en transmisin es un aspecto que ha recibido poca atencin. Por una parte, las seales transmitidas se combinan espacialmente antes de llegar al receptor, por eso es necesario un procesado en transmisin y recepcin para conseguir separar las seales recibidas y conseguir ganancia por diversidad. Si no

5

Debilitamiento que sufre una seal de RF en su camino. http://mx.geocities.com/diexismo73/dicdx.html

20

se dispone de un canal de realimentacin, el transmisor desconoce el estado del canal y no puede adaptar la estrategia de transmisin al estado del canal. Entre estos esquemas destacan las propuestas orientadas a mejorar la fiabilidad del enlace que usan diversidad espacial, codificacin espacio-temporal o las orientadas directamente a aumentar la eficiencia espectral (multiplexado espacial). Codificacin espacio temporal de bloque (STBC) La codificacin espacio temporal tiene como objetivo maximizar la ganancia por diversidad espacial (disminuir la tasa de error media) del canal MIMO mediante la generacin de cdigos espacio temporales adecuados. La codificacin se realiza tanto en el espacio como en el tiempo para introducir correlacin entre seales transmitidas desde varias antenas en diferentes periodos temporales. Esta correlacin espacio-temporal se usa para aprovechar los desvanecimientos del canal MIMO y minimizar errores introducidos por el canal. Se han propuesto diversos esquemas de codificacin espacio temporal el ms sencillo y utilizado es (STBC). Esta codificacin propuesta por Alamouti67

para sistemas 21 y 22 y

generalizada por Tarokh a sistemas MN, es una codificacin espacio temporal de bloque que reduce la complejidad. La codificacin STBC se realiza mapeando un bloque de smbolos de entrada en el dominio temporal y espacial, creando secuencias ortogonales que se transmiten desde antenas diferentes. El receptor est compuesto por una etapa de estimacin de canal, otra de combinacin de las seales (en el dominio del espacio y del tiempo) y finaliza con una etapa de deteccin de mxima verosimilitud. Esta tcnica es fundamentalmente utilizada en condiciones donde el nmero de antenas a transmitir es mayor que las de recepcin (figura 3-3).

6

Siavash Alamouti es un ingeniero iran y un compaero de Intel que es ms conocido por la invencin del llamado espacio Alamouti. http://en.wikipedia.org/wiki/Siavash_Alamouti Vahid Tarokh es un ingeniero elctrico con las contribuciones a las telecomunicaciones, especficamente para el procesamiento de seales para las comunicaciones inalmbricas. http://en.wikipedia.org/wiki/Vahid_Tarokh

7

21

Figura 3-3 Tcnica STBC

En el tratamiento de esta secuencia, de dos smbolos dentro de dos flujos espacio-temporal el receptor es capaz de volver a constituir el flujo de datos

original incluso en presencia de ruido y distorsin de canal. Multiplexado por divisin espacial (SDM) Es la tcnica ms frecuentemente asociada con MIMO. El objetivo del multiplexado espacial, a diferencia de la codificacin espacio-temporal, es maximizar la tasa de transmisin, es decir, la eficiencia espectral. Transmite flujos de informacin independientes por cada antena, ocupando todos ellos el mismo ancho de banda y el mismo slot temporal. En buenas condiciones, un sistema MIMO de dos antenas Tx y Rx duplica la velocidad de transmisin de datos alcanzables en sistemas de una sola antena (SISO).

Figura 3-4 Sistema bsico de MIMO con SDM

22

El

multitrayecto es uno de los aspectos considerados entre los ms ya que ste normalmente es el enemigo del

importantes dentro de MIMO

rendimiento en comunicaciones inalmbricas, pero con MIMO se puede utilizar constructivamente. La lnea de visin, por lo general, da el mejor rendimiento, pero con MIMO proporciona slo tasas de datos de referencia.

Figura 3-5 Tcnica con SDM

Cuando mltiples antenas se consideran, MIMO ofrece ganancias considerables en el rendimiento. Si bien SDM es una tcnica de multiplexacin para aumentar la velocidad de

transmisin de datos, STBC y MRC son la diversidad de tcnicas que mejoran la relacin seal-ruido (figura 3-6).

Figura 3-6 Esquema bsico SDM

3.1.3.3 Canales de 40 MHz El estndar 802 .11n especifica el funcionamiento con canales de 20 MHz, utilizados por 802.11b / g en los 2,4 GHz y 802.11a en la banda de 5 GHz, pero con la diferencia de que existen 2 canales combinados de tal manera que el ancho de

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banda total del canal es de 40 MHz. Como era de esperar, ofrece aproximadamente el doble del rendimiento de un canal de 20 MHz. Sin embargo, mientras que en la banda de 5 GHz los canales se definen como pares de los canales de 20 MHz existentes, no se alinean con los comnmente utilizados en los de 20 MHz en la banda de 2,4 GHz ya que estos canales no son adyacentes. Esto significa que cuando un canal de 40 MHz se utiliza en 2,4 GHz, podra interferir con al menos otro canal de 802.11b/g.

Figura 3-7 Canales definidos para la banda de 2,4 GHz [7]

3.1.3.4 Reduccin del perodo de intervalo de guarda La figura 3-8 muestra la forma el intervalo de guarda que se utiliza en OFDM. El intervalo de guarda previene la interferencia inter-smbolo8.

Figura 3-8 Periodo de guarda en OFDM

8

La interferencia inter-smbolo se produce cuando el retraso entre los distintos caminos al receptor supera el intervalo de guarda, lo que provoca un reflejo del anterior smbolo para interferir con la seal del actual smbolo.

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Normas anteriores utilizan un intervalo de guarda de 800ns. El estndar 802.11n aade una opcin para 400ns, negociado entre el receptor y el transmisor. Para obtener mejoras (menor error) en la decodificacin, el smbolo debe llegar al receptor sin ningn tipo de interferencias o ruido. El facultativo de guarda 400ns en 802.11n se puede utilizar cuando la diferencia entre el camino ms rpido y ms lento de RF es menor que dicho lmite. Dicha reduccin del intervalo de guarda incluye un rpido clculo de prdida, pero en la realidad, reflexiones interiores multitrayecto puede alcanzar con relativa facilidad 400 ns. 3.1.3.5 Ms sub-portadoras. A travs de avances en implementacin, ahora es posible obtener ms subportadoras OFDM (cada sub-portadora permite que mayor nmero de datos sean transmitidos por el canal de RF). Se toma el valor de sub-portadoras usables, ya que las 4 restantes son llamadas sub-portadoras pilotos que tiene (interferencia entre portadoras).Tabla 3-2 Portadoras en 802.11 [5]

como funcin monitorear la ICI

Subportadoras 52 56 114

Usables

Estndar

Ancho de banda (MHz) 20 20 40

48 52 108

802.11 a/g 802.11 n 802.11 n

3.1.4 3.1.4.1

Tcnicas para mejora de MAC: Agregacin de tramas Un cliente AP debe luchar por el medio con cada trama, esto da lugar a

controversia, colisiones en el medio y retrasos backoff y por lo tanto prdida de tiempo, el cual podra usarse para enviar trfico. El estndar 802.11n incorpora

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mecanismos para obtener tramas globales en las estaciones y, por tanto, reducir el nmero de eventos de colisin. Muchos ensayos han demostrado la eficacia de este efecto en anteriores normas adheridas a 802.11. Por ejemplo, en 802.11g, una configuracin puede enviar a una velocidad de 26 Mbps, tramas de 1500 bytes; pero cuando la longitud de la trama se reduce a 256 bytes, el rendimiento disminuye a 12 Mbps. Con agregacin en MAC, una estacin con un nmero de tramas para enviar puede optar por combinar en una trama global (MAC MPDU).

Figura 3-9 Esquema de agregacin de tramas

En un formato A-MSDU9, varias tramas de las capas ms altas se combinan y procesan por la capa MAC como una entidad nica. Cada trama original se convierte en una SUBTRAMA, con sus propios sub-encabezado que contiene las direcciones de origen y destino y la longitud. As, este mtodo puede utilizarse por tramas con diferentes direcciones de origen y destino, pero slo MSDUs de la misma prioridad.

9

Aggregated MSDU

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Con el fin de acomodar las tramas globales MAC, la mxima longitud de trama aceptada por PHY se ha aumentado de 4095 bytes, en las anteriores normas, a 65535 bytes. 3.1.4.2 Mltiple Trfico: ACK en Bloque (MTBA) Normas 802,11 anteriores exigen un ACK de unidifusin para cada trama de datos transmitida. El nuevo bloque de ACK permite un nico ACK para un bloque de paquetes recibidos. Esto es particularmente til para el streaming de vdeo y otras transmisiones de alta velocidad. ste no es a menudo un problema con broadcast video, donde la re-transmisin a menudo no es factible, tomando en cuenta las limitaciones de tiempo de los medios de comunicacin, pero puede ser problemtico para otras aplicaciones en tiempo real. 3.1.4.3 Reduccin de espaciamiento entre-tramas (RIFS) [6] Cuando una estacin (cliente o AP) tiene un nmero de tramas para enviar secuencialmente, es necesaria una pausa entre las mismas. Sin embargo, estas pausas constituyen gastos generales para el conjunto de la red. Antes de 802.11n, la pausa entre tramas transmitidas por la misma estacin se fij en SIFS (single inter-frame spacing). El segundo borrador define un menor espaciamiento, RIFS (reduced inter-frame spacing). RIFS no se puede utilizar para la pausa entre tramas transmitidas por diferentes estaciones, y slo se puede utilizar cuando la estacin est transmitiendo en 802.11n modo HT (high throughput), define a RIFS un intervalo de 2 us, mientras que SIFS es de 16 us.

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4 CAPITULO 4: DEFINICIN DE ESCENARIOS DE PRUEBAUna de las herramientas ms usadas en investigacin es la simulacin, ello permite estimar el comportamiento de una red en un determinado escenario. En la actualidad, existen implementaciones en varios simuladores de redes: Matlab, Opnet, Omnet ++, Network Simulator, Glomosim, etc. El simulador NS2 [8] es ampliamente utilizado en el campo de la investigacin de redes de comunicacin, ya que es de cdigo abierto, de este modo est en constante evolucin. Su estructura permite obtener una visin global de las redes que facilita la relacin de conceptos de distintas reas como podra ser la propagacin de seales en medios inalmbricos con el desarrollo de nuevos mecanismos de comunicacin. El parche simulador del 802.11e (QoS) para la versin NS 2.28 ha sido desarrollado por University of California. Por tanto se utilizar el mencionado parche [9] para realizar las simulaciones del estndar 802.11e y se lo presenta en al anexo C. Al igual, en el presente proyecto se desarrolla la simulacin del estndar 802.11n (MIMO) bajo la versin NS 2.29 que permitir efectuar las simulaciones adaptando mltiples interfaces y mltiples canales. Para lo cual ser necesario modificar algunos scripts que se dan a conocer en el Anexo E. Para finalizar, se realizar simulaciones de escenarios haciendo uso de 802.11e y se comparar los resultados con los obtenidos en el mismo escenario en 802.11n.

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A continuacin se detalla la arquitectura de funcionamiento de NS, juntamente con sus archivos y extensiones generadas en esta simulacin.

Figura 4-1 Arquitectura de funcionamiento en NS2

El diagrama que se presenta en la figura 4-2 es una representacin del proceso de creacin de los script que se utilizan para las simulaciones de transmisin de datos en los estndares 802.11e y 802.11n. Se inicia con el establecimiento de parmetros generales de la red tales como: tipo de canal, tipo de red, tipo de MAC, modelo de propagacin, nmero de nodos wireless, tiempo de simulacin, y protocolo de enrutamiento. La inicializacin de variables globales cumple con algunos propsitos como crear los archivos .tr y .nam que posteriormente mostraran de manera tabulada y grfica, respectivamente, los datos transmitidos. Se crea el GOD que se lo utiliza para almacenar informacin global sobre el comportamiento de la red de nodos, y que tambin permite configurar el nmero de saltos en la red. Luego se establece los valores de los canales Wi-Fi.

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Paso continuo a este es hacer el llamado a las variables establecidas anteriormente, y la creacin de los nodos, configuraciones, tipo de propagacin, y se toma el valor del canal o canales a utilizar. Se da la posicin de los nodos, tamao de paquetes, tipo de trfico que cursa, y en el caso de 802.11e en este paso se establece las prioridades de cada cola. Se realiza el proceso de enlace de los nodos wireless, quedando por ltimo establecer la finalizacin del trfico de informacin.

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Figura 4-2 Flujograma de Scripts

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Se necesita un entorno que cumpla con los siguientes requisitos: Soporte del estndar 802.11e: de manera que se pueda ajustar los parmetros de acceso como tamao de ventana de contienda y espacio variable entre tramas. Soporte del estndar 802.11n: permita variar los parmetros de velocidades de transmisin de datos, tamao de paquetes y frecuencia de operacin. Calcular el rendimiento de la red: para ello se tendr que medir el caudal efectivo cursado y el retardo que sufren las tramas al transmitirse de una estacin a la otra. Respecto a los parmetros de configuracin a nivel de enlace y de red, provistos por el estndar 802.11e y el estndar 802.11n, se los presenta en la Tabla 4.1.Tabla 4-1 Parmetros de configuracin [5]

a Frecuencia PHY Slot time SIFS PIFS DIFS CW min. CW mx. Prembulo PLCP Header 5 GHz OFDM 52 9 useg 16 useg 25 useg 34 useg 15 1023 20 useg 4 useg

b 2,4 GHz HR/DSSS 20 useg 10 useg 30 useg 50 useg 31 1023 144 useg 88 useg

g 2,4 GHz ERP/OFDM 256 9 o 20 useg 10 useg 19 o 30useg 28 o 50 useg 15 o 31 1023 20 useg

n 2,4/5 GHz MIMO-OFDM 9 useg 16 useg 25 useg 34 useg 15 1023 16 useg 4 useg

Se realiza la simulacin para cada estndar en estudio, teniendo como escenarios 2 y 3 estaciones, con servicios de voz, datos y video, que a continuacin se detallan: El primero de ellos se lo muestra en la figura 4-3, donde se realiza el enlace de manera directa entre las dos estaciones.

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NODO MAESTRO

NODO ESCLAVO

Figura 4-3 Esquema maestro-esclavo

En la figura 4-4 se define un escenario de prueba con 3 nodos, donde el primero de ellos es el nodo maestro, que se comunica con el nodo 3 (esclavo), a travs de un repetidor (nodo 2) para llegar a su destino, nodo esclavo (nodo 3), stos tienen distancias entre 1 Km hasta alcanzar 15 km de separacin entre cada uno de ellos, es decir una distancia mxima de 30 Km entre el primer y tercer nodo.

Figura 4-4 Esquema maestro-repetidor-esclavo

Se toman valores para la simulacin, de tal manera que se sature el canal, todo esto con el fin de poder analizar el entorno de simulacin bajo las peores circunstancias. El tamao total de informacin que va a estar cursando el canal es de 40 MB, ste tamao ser suficiente para poder transmitir voz, datos y video.Tabla 4-2 Flujo de informacin transmitida

Tamao de paquete Total paquetes enviados Tamao total informacin

1500 bytes 26668 40 MB

33

4.1

Configuracin para estndar 802.11e Las caractersticas que se usarn por defecto en los distintos escenarios

considerados para las simulaciones bajo el estndar 802.11e y 802.11n son las siguientes:Tabla 4-3 Caractersticas de los escenarios

Tasa de transmisin Mecanismo RTS/CTS Tamao de trama Prembulo MAC largo Tiempo de slot Retardo de propagacin Intervalo corto entre-tramas (SIFS)

54 Mbps 3000 bytes 1500 bytes 144 bits 10 us. 2 us. 10 us.

Las consideraciones para la transmisin son en un medio ambiente libre de ruido, de manera que el descarte de tramas por ruido queda desestimado, y el anlisis se centra a nivel de enlace, producindose descarte de tramas solo por colisin de paquetes entre estaciones que intenten transmitir al mismo tiempo. Para la realizacin de las simulaciones habr la presencia de trfico de diferentes grupos Diffserv al mismo tiempo, para que obligue a la red a realizar una priorizacin adecuada de los flujos de acuerdo a sus prioridades relativas. 4.1.1 Anlisis de trfico perteneciente a diferentes grupos Diffserv: priorizacin En este anlisis aparecern diferentes tipos de flujo, que se los ubicar de acuerdo a la informacin que transmitan en las diferentes colas. Para la configuracin de las diferentes colas se emplear las especificaciones del estndar IEEE 802.11e. Los parmetros de estudio sern el tamao de la ventana de contienda mnima y el tiempo variable entre tramas. Y se tendr presente el valor de la oportunidad de transmisin TXOP. De forma que se analizar la funcin de priorizacin necesaria ante la presencia de trfico perteneciente a diferentes grupos del modelo de servicios diferenciados en la red de acceso.

34

Tabla 4-4 Configuracin de las colas de acceso con priorizacin

Cola de Acceso AC_VI AC_VO AC_BE AC_BK

CWmin. 7 15 31 31

CWmx. 15 31 1023 1023

AIFSn 2 2 3 7

TXOP 0,003264 0,006016 0* 0*

*El valor 0 hace referencia a que el paquete se transmite si accede al medio 4.2 Configuracin para estndar 802.11n Para el escenario utilizado en 802.11n se opera con valores que puedan ser compatibles con estndares anteriores y de esta manera poder obtener un resultado que sirva para la comparacin, obteniendo ventajas del uno con respecto al otro, con parmetros utilizados tanto en el estndar 802.11e y 802.11n, que se los presenta en la tabla 4-1.

Se realizar la simulacin de un escenario en donde exista nicamente el flujo de datos por un solo canal, es decir lo que brinda en la actualidad estndares como el 802.11 a/b/g, pero simulado bajo las condiciones expuestas anteriormente.

Y la simulacin correspondiente al estndar 802.11n se presenta con el script de dos flujos de datos, bajo la transmisin en dos canales diferentes.

4.2.1

Anlisis de trfico y Throughput. Se genera dos flujos de datos, los cuales estn siendo transmitidos a 54

Mbps, y su cabecera PLCP a 6 Mbps, se han tomado estos valores con el fin de obtener simulaciones bajo los mismos parmetros. Adems, se realizaran simulaciones de dos as como de tres nodos y se variarn distancias en intervalos de 1 Km. Se analizan las prdidas de paquetes en cada tramo, as como paquetes que han llegado satisfactoriamente a su destino, este anlisis se lo realiza tanto para 2 y 3 nodos.

35

5

CAPITULO 5: VALIDACIN DE LOS ESTNDARES MEDIANTE SIMULACIN

5.1

Simulacin de estndar 802.11e 2 Nodos Se ha preparado un escenario en el cual se coloca dos nodos wireless entre

los que se transmite audio, video, prueba de video y datos, cada tipo de trfico tiene 10Mb de informacin, empleando para ello las cuatro colas de acceso al medio que presenta el estndar, los parmetros y las herramientas de simulacin se las lista en la tabla 5.1Tabla 5-1 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11e 2 nodos

Herramienta Simulador Ubuntu

Versin NS2.28 8.04

Distancia mxima 15 Km Nodos Data Rate Basic Rate PLCP Rate 2 54 Mbps 6 Mbps 6 Mbps

La topologa de la red inalambrica se la presenta en la figura 5.1, donde se emplea la herramienta NAM (Network Animator), que es el entorno grfico para NS2, y permite ver y crear simulaciones mediante un entorno secillo y visual, en este caso al enlace se lo realiza desde el nodo etiquetado como 0 (nodo maestro) hacia el nodo 1 (nodo esclavo), las lneas entrecortadas que los unen simboliza la transmisin de paquetes, y las circunferencias que rodean al nodo 1, representan la confirmacin de paquetes recibidos.

36

Figura 5-1 Simulacin en NS2 de 80 5 n 02.11e 2 nod dos

El trfic que se ut co tiliza para lo enlaces en los distint escenar os e tos rios que se opagan bajo el estndar 802.11e se los detalla en la tabla 5.2. El tamao de los r e pro paq quetes para las diferente colas es de 1500 byt es tes, con el m motivo de tra abajar bajo un modo se sa aturacin, por lo tanto c cada tipo de informaci va a con e n ntender por ceder al med y la comu dio unicacin se va a realiza bajo el pe de los ca e ar eor asos accTabla 5-2 Datos del tr 2 fico

Tipo trf fico

de

Pr rioridad

Ca antidad Pa aquetes

d de

Tamao o paquete (Bytes) e 1500 1500 1500 1500

del

Total

de e

trfico

generado (Mb) 10 1 10 1 10 1 10 1

AC_VO A AC_VI A AC_BE A AC_BK A

0 1 2 3

6667 6667 6667 6667

En la fig gura 5.2 se presenta d una mane grfica e comporta de era el amiento del oughput normalizado c con respect a la dist to tancia, las mediciones de dicho s thro thro oughput se realizaron con muestre c eos en salto de un kilometro de s os separacin ent los nodos wireless ha tre s asta llegar a la separaci mxima d prueba de 15Km. n de

37

Adems, se aprecia la manera en la que se otorga el ancho de banda, dependiendo de la informacin que se est transmitiendo, de tal suerte que la mayor cantidad de throughput corresponde tanto a voz como a video, y se le da un nivel inferior al parmetro de prueba de video y a datos. La variacin de nivel que se presenta, es regida tanto por el valor mnimo de la ventana de contienda y el tiempo variable entre tramas. Se presenta un nivel de comunicacin aceptable hasta el kilmetro 10, posterior a ello ocurre una disminucin de throughput, llegando a caer en el kilmetro 14 hasta el 47% de su valor inicial, lo que ocurre por las grandes distancia que se intenta cubrir.

THROUGHPUT vs DISTANCIA1.2000 THROUGHPUT NORMALIZADO 1.0000

0.8000

0.6000

AC_VO AC_VI AC_BE AC_BK

0.4000

0.2000

0.0000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

DISTANCIA (m)

Figura 5-2 Throughput normalizado vs distancia (802.11e 2 nodos)

38

Es importante notar el comportamiento que tienen los paquetes que se envan entre los nodos, por tanto se realiza la grfica que establezca los paquetes que se reciben conforme aumente la distancia, y se la presenta en la figura 5.3. Con el comportamiento de los paquetes recibidos se puede notar que se tiene mayor fiabilidad en cuanto a voz y video se refiere, pero con respecto a prueba de video y a datos se tiene mayor cantidad de paquetes perdidos, se tiene un nivel de comunicacin fiable hasta los 10 km aproximadamente.

PAQUETES RECIBIDOS vs DISTANCIA8000 7000 PAQUETES RECIBIDOS 6000 5000AC_VO

4000 3000 2000 1000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

AC_VI AC_BE AC_BK PACKETS SENT

DISTANCIA (m)

Figura 5-3 Paquetes recibidos vs distancia (802.11e 2 nodos)

39

En la figura 5-4 se presenta la manera en la que se pierden los paquetes con respecto al aumento de distancia entre los nodos, tiene mayor cantidad de paquetes perdidos los referentes a datos, con lo que se distingue el bajo nivel de prioridad que a ellos se les otorga, dicho fenmeno se produce debido al poco ancho de banda que se le asigna al intentar transmitir informacin. La cantidad de paquetes que se pierden incrementa de acuerdo a la distancia entre los nodos, de tal forma que en las aproximaciones del kilmetro 15 se pierde el 72% de los paquetes que corresponde a datos.

PAQUETES PERDIDOS vs DISTANCIA8000 7000 PAQUETES PERDIDOS 6000 5000AC_VO

4000 3000 2000 1000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

AC_VI AC_BE AC_BK PACKETS SENT

DISTANCIA (m)

Figura 5-4 Paquetes perdidos vs. Distancia (802.11e 2 nodos)

40

5.2 2

Simulaci in de estn ndar 802.11 3 Nodo 1e osTa abla 5-3 Parm metros utilizado en la simul os lacin 802.11e 3 nodos e

Herramienta Simula ador Ubuntu Distancia m mxima Nodo os Data R Rate Basic R Rate PLCP R Rate

Versin V NS2.28 N 8.04 30 3 Km 3 54 Mbps 6 Mbps 6 Mbps

En la f figura 5.5 se presenta la manera en la que se ubican los nodos wire eless para la siguientes simulacion as nes, el cual consta de tr nodos, en donde el res e nod central cu do umplir las la abores de re epetidor. En el enlace se transmite voz, video, e una seal para prueba de video, y dato utilizando las cuatro colas dispon a a v os o nibles, y se lo realizar en modo de saturacin, l parmet r s los tros empleados para cu umplirlo se det tallan en la ta abla 5.1

Figura 5- Simulacin en NS2 de 80 -5 02.11e 3 nodos

41

Uno de los primeros anlisis que se realiza es el correspondiente al throughput con respecto a la distancia, la separacin entre el nodo maestro con respecto al nodo repetidor va a ir incrementndose de un kilmetro en un kilmetro, y lo propio desde el nodo repetidor hasta el nodo esclavo, hasta llegar a la distancia mxima de separacin entre el maestro y el esclavo de 30 kilmetrosTabla 5-4 Distancias en simulacin de 3 nodos

Maestro - Repetidor Repetidor Esclavo Maestro Esclavo

15 Km 15 Km 30 Km

Conforme se incrementen repetidores se puede alcanzar enlaces de mayor distancia entre maestro y esclavo, de manera tal que ahora se tiene un nivel de throughput aceptable hasta el kilometro 20, en lo posterior el throughput experimenta variaciones en su caudal. Adems es importante notar la diferencia de throughput que cursa en la comunicacin dependiendo del tipo de informacin que se transmite, tal fenmeno se lo presenta en la figura 5.6

THROUGHPUT vs DISTANCIA1.2000 THROUGPUT NORMALIZADO 1.0000

0.8000

0.6000

AC_VO AC_VI AC_BE AC_BK

0.4000

0.2000

0.0000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

DISTANCIA (m)

Figura 5-6 Throughput normalizado vs distancia (802.11e 3 nodos)

42

El comportamiento de los paquetes recibidos versus distancia se los muestra en la figura 5.7, donde se aprecia que la estabilidad de la informacin ofrecida tiene un buen nivel; pero una vez que los paquetes sobrepasan el rea de cobertura estos empiezan a perderse de una manera abrupta, de tal suerte que los paquetes referentes a voz se pierden casi en su totalidad en las cercanas a los 30Km. Por otro lado los paquetes referentes a datos experimentan perdidas en menor cantidad una vez que llegan a un punto crtico, el cual se produce porque el ancho de banda que ellos necesitan es menor a voz o video, entonces como al punto crtico llegan pocos paquetes, el ancho de banda que se les ofrece es suficiente para que puedan realizar su comunicacin

PAQUETES RECIBIDOS vs DISTANCIA8000 7000 PAQUETES RECIBIDOS 6000 5000AC_VO

4000 3000 2000 1000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

AC_VI AC_BE AC_BK PACKETS SENT

DISTANCIA (m)

Figura 5-7 Paquetes recibidos vs distancia (802.11e 3 nodos)

43

En la figura 58 se puede observar la cantidad de paquetes que se pierden conforme aumenta la distancian entre los nodos. Con el uso de un repetidor se tiene que hasta el kilmetro 15 se pierde el 4% de paquetes, mientras que con respecto a los presentados en la figura 5-4 donde la comunicacin entre maestro y esclavo se la realizaba en manera directa, hasta la misma distancia se pierde 37%

PAQUETES PERDIDOS vs DISTANCIA8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000AC_VO AC_VI AC_BE AC_BK PACKETS SENT

PAQUETES PERDIDOS

DISTANCIA (m)

Figura 5-8 Paquetes perdidos vs distancia (802.11e 3 nodos)

44

De tal forma que se puede ratificar con esta grfica la fiabilidad que presenta el estndar para la transmisin tanto de voz como de video, pero solamente dentro de la zona de cobertura, una vez que sale de esta se pierde gran cantidad de informacin y pasa a ofrecer un mejor nivel de fiabilidad las colas que ocupan AC_BE, AC_BK.

5.3

Simulacin de estndar 802.11n 2 NodosTabla 5-5 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11n - 2 nodos [10]

Herramienta Simulador Ubuntu Distancia mxima Nodos Data Rate Basic Rate PLCP Rate

Versin NS2.29 8.04 15 Km 2 54 Mbps 6 Mbps 6 Mbps

La figura 5.9 detalla la simulacin del archivo tesis_n.nam10, la cual consta de dos nodos wireless y como se puede observar la diferencia con el estndar anterior es el flujo de datos, ya que en esta figura se presentan dos flujos de informacin que estan siendo transmitidos de manera simultnea (lineas entre cortadas).

10

Archivo generado por tesis_n.tcl. Ver anexo D

45

Figura 5-9 Simulacin en NS2 de 802.11n - 2 nodos

En la figura 5-10 se puede notar que el nivel de throughput desciende conforme la distancia aumenta. A partir de los 12 Km se nota una pendiente mucho ms inclinada es decir el nivel de throughput desciende de tal manera que se considera hasta este punto un nivel aceptable, debido a que el valor del throughput es aproximadamente el 65% de su valor inicial. A la distancia mxima en esta simulacin, 15 Km se disminuye notablemente el throughput, las causas de aquello son los tiempos de slot time, ack-timeout, que se presentan al existir un mayor retraso debido a que la distancia se aumentado notoriamente, descendiendo el nivel de throughput hasta un 55%.

46

El estndar 802.11n enva el flujo de datos sin importar lo que est cursando por el mismo, es decir no realiza una priorizacin de paquetes.

THROUGHPUT vs DISTANCIA0.800000 0.700000

TROUGHPUT NORMALIZADO

0.600000 0.500000 0.400000 0.300000 0.200000 0.100000 0.000000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

THROUGHPUT

DISTANCIA (m)

Figura 5-10 Throughput normalizado vs distancia (802.11n - 2 nodos)

Estos datos tanto de throughput, como paquetes perdidos y recibidos se obtienen con el script genstat.awk [11] el cual brinda informacin a partir de la traza tesis.tr. En la figura 5-11 se obtienen los datos respectivos de paquetes que han sido recibidos que se encuentran en funcin de la distancia. Los puntos de color rojo son los paquete que se han enviado (26668 exactamente), y en azul se encuentran los paquetes que se reciben a una distancia especifica, se ha creado la simulacin con intervalo de 1 Km, y su mxima distancia es de 15 Km.

47

PAQUETES RECIBIDOS vs DISTANCIA30000

25000

PAQUETES RECIBIDOS

20000PAQUETES RECIBIDOS

15000

PAQUETES ENVIADOS

10000

5000

0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

DISTANCIA (m)

Figura 5-11 Paquetes Recibidos vs Distancia (802.11n - 2 nodos)

Se puede observar el cambio producido especficamente cuando la distancia entre los nodos aumenta, es decir; a mayor distancia los paquetes recibidos disminuyen. Al Kilometro 15 se han recibido un 55% de los paquetes.

48

En la figura 5-12 se detallan los paquetes perdidos al igual en funcin de la distancia, por lo que se pierde mayor nmero conforme los nodos wireless se distancian. El nmero de paquetes perdidos en los primeros 10 Km no son de gran consideracin pero al llegar al Km 12 empiezan a perderse considerablemente. Y a los 15 Km se pierden un 45% de los paquetes enviados.

PAQUETES PERDIDOS vs DISTANCIA30000

25000 PAQUETES PERDIDOS

20000

15000

PAQUETES PERDIDOS PAQUETES ENVIADOS

10000

5000

0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

DISTANCIA (m)

Figura 5-12 Paquetes Perdidos vs Distancia (802.11n - 2 nodos)

49

5.4

Simulacin de estndar 802.11n - 3 nodosTabla 5-6 Parmetros utilizados en la simulacin 802.11n - 3 nodos

Herramienta Simulador Ubuntu Distancia mxima Nodos Data Rate Basic Rate PLCP Rate

Versin NS2.29 8.04 30 Km 3 54 Mbps 6 Mbps 6 Mbps

En la figura 5-13 se muestra la simulacin de tres nodos wireless, los cuales han sido distanciados en intervalos de 1 Km, alcanzando esta vez 30 Km en total ya que como lo muestra la tabla 5-6, la separacin mxima entre ellos es de 15 Km. Existen en la simulacin nodo maestro, repetidor y esclavo.

Figura 5-13 Simulacin en NS2 de 802.11n - 3 nodos

50

La figura 5-14 muestra el throughput ahora obtenido con tres nodos y como se observa, el nivel de throughput tiende a disminuir a medida que aumenta la distancia. En el punto final es decir a la mayor distancia 30 Km, se nota una cada considerable del throughput, aproximadamente en un 65%. Pero si se compara con la grfica 5-10 se observa que se tiene un enlace de mayor alcance, pues se llega a una mayor distancia, esto debido al uso de un repetidor entre los nodos. A la distancia de 15 Km el nivel de throughput supera el 60%.

THROUGHPUT vs DISTANCIA0.80000 0.70000

TROUGHPUT NORMALIZADO

0.60000

0.50000 0.40000 0.30000 0.20000 0.10000 0.00000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

THROUGHPUT

DISTANCIA (m)

Figura 5-14 Throughput Normalizado vs Distancia (802.11n - 3 nodos)

51

Efectos similares a la simulacin de dos nodos se presentan en la figura 515, para 3 nodos en el cul, los paquetes recibidos disminuyen a mayores distancias. A los 15 Km se recibe el 61% de paquetes, a diferencia de que cuando se tiene 2 nodos ya que se recibe un 55% de paquetes a esta distancia. Y a los 24 Km un 44% de paquetes son recibidos, todo ello gracias a que de por medio existe un repetidor, que permite que el enlace sea ms fiable.

PAQUETES RECIBIDOS vs DISTANCIA30000

25000

PAQUETES RECIBIDOS

20000PAQUETES RECIBIDOS PAQUETES ENVIADOS

15000

10000

5000

0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

DISTANCIA (m)

Figura 5-15 Paquetes Recibidos vs Distancia (802.11n - 3 nodos)

52

Situacin semejante sucede con los paquetes perdidos, tal como lo detalla la figura 5-16. Hasta los 15 Km se obtiene un aproximado del 41% de paquetes que se han perdido, luego de ello es mucho ms evidente la prdida de paquetes. La mitad se pierden a los 19 Km, por lo cual se necesitar tener en cuenta la distancia en la cual las prdidas de paquetes son bastante considerables, llegando hasta el punto de 30 Km donde se han perdido en un 71%.

PAQUETES PERDIDOS vs DISTANCIA30000

25000

PAQUETES PERDIDOS

20000 PAQUETES PERDIDOS PAQUETES ENVIADOS

15000

10000

5000

0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

DISTANCIA (m)

Figura 5-16 Paquetes Perdidos vs Distancia (802.11n - 3 nodos)

53

5.5

Comparacin one channel - two channel En la figura 5-17 se muestra la diferencia que se da al utilizar dos canales

para el flujo de informacin, y se va considerando la importancia del estndar 802.11n debido a que estndares anteriores nicamente utilizan un flujo de informacin por un canal Wi-Fi. Como era de esperar, el Throughput normalizado utilizando dos canales para su propagacin es superior al generado en un solo canal. Es por ello que se han realizado las simulaciones bajo la caracterstica de dos flujos de informacin a travs de dos canales.

THROGHPUT vs DISTANCIA0.8000 0.7000

THROUGHPUT NORMALIZADO

0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 THROUGHPUT ONE CHANNEL THROUGHPUT TWO CHANNEL

DISTANCIA (m)

Figura 5-17 Throughput generado por uno y dos canales (802.11n)

54

Tabla 5-7 Comparacin de throughput one - two channel

DISTANCIA

PAQUETES ENVIADOS 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668 26668

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000

THROUGHPUT NORMALIZADO ONE CHANNEL 0,5532 0,5446 0,5386 0,5319 0,5233 0,5159 0,5083 0,5056 0,5033 0,5022 0,4961 0,4895 0,4736 0,4493 0,4167

THROUGHPUT NORMALIZADO TWO CHANNEL 0,7175 0,7133 0,7054 0,6990 0,6932 0,6857 0,6817 0,6776 0,6733 0,6719 0,6640 0,6541 0,6309 0,5921 0,5490

5.6

Anlisis comparativo entre estndar 802.11e y 802.11n En la figura 5-18 se puede apreciar el throughput de los diferentes tipos de

trfico como lo son: voz, video, datos, prueba de video, analizando el comportamiento que tienen ambos estndares en cuanto al trfico que cursa. La lnea de color marrn indica el throughput generado por el estndar 802.11n y se aprecia que ste es mejor cuando el trfico que cursa es de datos 54%, con respecto a datos de 802.11e 39%.

55

THROUGHPUT vs DISTANCIA1,2000

THROUGHPUT NORMALIZADO

1,0000

0,8000AC_VO 801.11n AC_VI AC_BE AC_BK

0,6000

0,4000

0,2000

0,0000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

DISTANCIA (m)

Figura 5-18 Comparacin de throughput entre estndar 802.11e y 802.11n

Pero sucede lo contrario cuando el trfico que est cursando a travs de la red es de video o voz, ya que para esta situacin el estndar 802.11e se comporta de manera ms eficiente, brindando un nivel de throughput superior a 802.11n, esto se produce debido a que mencionado estndar brinda una priorizacin de trfico.

56

PAQUETES PERDIDOS vs DISTANCIA0,9000 0,8000 0,7000 0,6000

PAQUETES PERIDOS

0,5000AC_VO

0,4000 0,3000 0,2000 0,1000 0,0000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

801.11n AC_VI AC_BE AC_BK

DISTANCIA (m)

Figura 5-19 Comparacin de paquetes perdidos entre estndar 802.11e y 802.11n

En la figura 5-19 se muestra de manera muy clara el nmero de paquetes perdidos entre los estndares en estudio, se representa de color marrn la grfica del estndar 802.11n, la cual tiende a perder menos paquetes cuando el trfico es de datos 32.5% frente al trfico de datos en estndar 802.11e (lnea de color amarillo) 50,6%, a diferencia de lo que sucede cuando el trfico cursado es de video en 802.11e (lnea roja) donde nicamente el 17,4% de paquetes se han perdido.

57

CONCLUSIONES Se ha estudiado que el mecanismo EDCA, como evolucin del IEEE 802.11 DCF, incluye todos los elementos bsicos de DCF como el protocolo CSMA/CA, el mecanismo de backoff o los distintos tiempos IFS, y los complementa con otros nuevos que permiten introducir calidad de servicio en el sistema como son los conceptos de TXOP o AIFS, CWmin, CWmax. Con los resultados de este trabajo se ha corroborado que cada tipo de trfico debe recibir tratamiento diferenciado por parte de la red, aspecto que lo realiza 802.11e, al brindar Calidad de Servicio, de forma tal que al aumentar la carga de la red, el trfico que tiene mayor prioridad puede seguir obteniendo el ancho de banda y retardo solicitados, mientras que el de menor prioridad ve decrementado su rendimiento. Una vez que se analiza el estndar 802.11e sometido a largas distancias (mayor a 10Km) se observa la fiabilidad que se le otorga al trfico correspondiente a voz y a video, otorgndoles una prioridad absoluta, teniendo una eficiencia superior al 37% con respecto a la cola de prueba de video y de datos. Se ha podido demostrar a travs de las simulaciones llevadas a cabo con el estndar 802.11e que es posible ofrecer prioridad absoluta entre los diferentes grupos Diffserv eligiendo una configuracin adecuada segn los parmetros de la red, siendo los parmetros de mayor influencia CWmin y AIFS. Continuando con el anlisis de 802.11e se determina la importancia del empleo de repetidores para conservar la eficiencia de la red a largas distancias, debido a que al hacer un enlace en manera directa entre maestro y esclavo se tiene que el throughput, al kilmetro 15 decrementa en 37% del valor inicial; mientras que al utilizar un repetidor de por medio, hasta el kilmetro 15 el throughput solamente decrece en 4% de su valor inicial, de forma que se puede alcanzar mayores distancias. Al existir un enlace en el cual se dan dos flujos de informacin a travs de dos canales, el nivel de throughput es mayor que el dado por un solo canal. El estndar 802.11n representa un importante adelanto en tecnologa y

rendimiento para redes inalmbricas, ya que ser capaz de ofrecer mayor capacidad (velocidades superiores a 54 Mbps) y mayor alcance como se ha

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demostrado puede llegar hasta los 15 Km con un nivel de aceptable, que las redes WLAN actuales (cientos de metros).

throughput

La distancia entre los nodos wireless es una variable a tomar en consideracin, pues se ha visto reflejado en las simulaciones que a mayor distancia la fiabilidad del enlace disminuye, mediante las diferentes simulaciones obtenidas se puede apreciar lo mencionado.

A mayores distancias entre nodos, se nota un mejor comportamiento en el estndar 802.11n frente al 802.11e cuando el trfico que cursa por 8022.11e es de datos, debido a que el throughput en 802.11n a los 12 kilmetros ha disminuido en un 35%; mientras que el estndar 802.11e un 65%, esto se debe bsicamente a que MIMO aprovecha el multitrayecto, caracterstica que afecta el enlace en otros estndares 802.11.

En el estndar 802.11n se est enviando en una sola comunicacin todos los grupos Diffserv, y ofrece mejor rendimiento comparado frente al trfico de prueba de video y datos que est cursando por una red bajo el estndar 802.11e.

Mediante simulaciones fuera de la presente investigacin se puede inferir que al cursar trfico a travs de estndares anteriores 802.11 a/b/g el throughput se reduce en un 75%.

Al realizar las simulaciones de estndares 802.11n y 802.11e se observa un comportamiento diferente a partir del kilometro 10 hasta el 15 esto debido a que el tiempo de espera se ha agotado, y el slotime no es suficiente como para compensar el tiempo de propagacin en distancias largas.

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6 RECOMENDACIONESLas dificultades para la realizacin del presente documento surgieron entorno al uso del software de simulacin NS2, es por ello que las recomendaciones que se dan, van enfocadas a los requerimientos informticos que se deben tener en cuenta para el correcto funcionamiento de los scripts: tesis_e.tcl y tesis_n.tcl Para la ejecucin del script tesis_e.tcl se debe instalar exclusivamente NS2.28, debido a que en esta versin se puede instalar el parche de simulacin para el modelo EDCF [9] descrito en el estndar 802.11e. Por otro lado, para ejecutar tesis_n.tcl, es necesario tener instalado NS2.29, porque esta versin del simulador es prescindible para instalar el parche 802.11n referente a MIMO. Ahora bien, Ubuntu no permite que las versiones NS2.28 y NS2, 29 puedan subsistir al mismo tiempo en un solo ordenador, por tanto se recomienda instalar y realizar las simulaciones pertinentes con NS2.28, y en lo posterior desinstalarlo y proceder a instalar N2.29 para realizar las respectivas simulaciones.

La instalacin de NS2, se la puede reali