Modelo de Cobertura en Redes Inal

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Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada
en Radiosidadpor Refinamiento Progresivo
Universidad de Oviedo Departamento de
Informática
Tesis Doctoral

• D. Néstor García Fernández
• Director Dr. D. Juan Manuel Cueva Lovelle

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Modelos
Introducción

• Representaciones simplificadas de la realidad por
  medio de un conjunto de restricciones e hipótesis
• Se usan para explicar patrones de comportamiento
  que se observan en el mundo real
• Los modelos se consideran aceptables en base a
• si pueden explicar y predecir comportamientos
• si son consistentes con otros conocimientos
  contrastados
• Cuando se obtienen nuevos datos son susceptibles
  de ser revisados o descartados

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Redes Inalámbricas
Introducción

• Evolución
• 1997 - 802.11
• 1999 - 802.11b - 802.11a
• 2002 - 802.11g
• 2006 - 802.11n
• 2005/? - WiMax

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Uso de Radiosidad
Introducción

• Utilizada inicialmente para simulación de
  transferencias de calor radiante entre
  superficies
• Posteriormente se adaptó para simulación de
  iluminación
• En esta tesis se utiliza por primera vez para
  simulación de cobertura en redes inalámbricas

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Modelos INDOOR
Estudio de Modelos de Propagación

• INDOOR vs OUTDOOR
• Las distancias cubiertas son mucho más pequeñas
• El componente variable del entorno es mucho mayor
• Importancia de un buen modelo
• Predecir el tamaño de las áreas que se pueden
  cubrir con un único AP.
• Planificar la ubicación de las celdas de modo
  que, aún utilizando la misma frecuencia, no se
  interfieran ni causen errores

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Propagación en el Espacio Libre
Estudio de Modelos de Propagación

• Ecuación de Friis
• Expresada como pérdida de trayecto, con ganancias
  unitarias, y conocida la pérdida a una distancia
  de referencia d0

PL (d) PL(d0) 20 log (d/d0)
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Log-Normal Shadowing Path-Loss Model
Estudio de Modelos de Propagación
PL (d) PL (d0) 10n log(d/d0) Xs

• n variable de pérdida de trayecto
• PL(d0) pérdida a distancia de referencia
• Xs desviación típica de muestras de calibración

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Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en
COST 231
Estudio de Modelos de Propagación
L LFS Lc ?kwi Lwi n ((n2)/(n1) - b) Lf

• LFS perdida en espacio libre entre transmisor y
  receptor
• Lc constante de perdida
• kwi número de paredes de tipo i penetradas
• n número de suelos penetrados
• Lwi perdida debida a muro de tipo i
• Lf perdida entre suelos adyacentes
• b parámetro empírico

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Linear Path Attenuation Model
Estudio de Modelos de Propagación

• PLFS Pérdida en espacio libre
• a coeficiente de atenuación lineal (calibrado)
• d distancia entre transmisor y receptor
• Ejemplo a0.47 dB/m en ambiente de oficinas

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Dual Slope-Model
Estudio de Modelos de Propagación

• dBR distancia de ruptura
• ? longitud de onda
• n1 exponente de path loss antes de dBR (PLDS1)
• n2 exponente de path loss después de dBR (PLDS2)
• a0 diferencia entre PLDS y PLFS a la distancia
  de 1 metro

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Keenan-Motley Model
Estudio de Modelos de Propagación

• PLM path loss medido a 1 metro.
• PLFS path loss en espacio libre, incluyendo
  pérdidas por penetración a través de
  suelos/techos.
• KF número de suelos/techos penetrados

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Multi-Wall Model
Estudio de Modelos de Propagación

• PL1 path loss a 1 metro
• af factor de atenuación de suelos
• aw factor de atenuación de muros
• nf número de suelos atravesados
• nw número de muros atravesados

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Fundamentales
Objetivos

• Uso de radiosidad por refinamiento progresivo
  para calcular intensidades de señal debidas a
  reflexiones de las señales emitidas
• Uso de modelos geométricos de entornos reales
  tridimensionales sin mucho nivel de detalle
• Obtención de niveles de cobertura para el diseño
  de redes inalámbricas en interiores

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Complementarios
Objetivos

• Combinación de señales reflejadas con algún otro
  método de propagación directa
• Coste computacional aceptable
• Prototipo
• Interactivo
• Resultados en diferentes vistas
• Calibrado con datos de campo
• Comparativas con datos reales

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Resumen del Diseño
Diseño del Modelo

• Utiliza un modelo geométrico tridimensional que
  incluye las características radioeléctricas de
  los materiales
• Se usa algún modelo de propagación para calcular
  la pérdida de señal en el aire (Log-Normal
  Shadowing Path Loss Model)
• Se ajusta el modelo en base a medidas de campo
  que tienen en cuenta factores no considerados
  explícitamente (calibrado)
• Se tienen en cuenta el tipo y número de
  obstáculos atravesados por la señal, en base a
  sus características radioeléctricas
• Se usa Radiosidad por Refinamiento Progresivo
  para el cálculo de las señales reflejadas
• Se pueden combinar las señales reflejadas con las
  señales propagadas directamente

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Modelo Geométrico Tridimensional
Diseño del Modelo

• Relación de objetos del entorno
• Situación geométrica
• Vértices, caras, material de composición
• Descomposición de las caras en triángulos
  (mallado)
• Relación de materiales con sus propiedades
  radioeléctricas
• Atenuación
• Reflectividad
• Relación de puntos de acceso
• Posición
• Características de radiación (potencia de
  emisión, ganancia de la antena, directividad de
  la señal,...)
• Relación de Parches (triángulos del mallado)
• Relación de Sensores (sólo uno en cada posición)

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Calibrado del Modelo
Diseño del Modelo

• Propagación en el Aire
• Log-Normal Shadowing Path Loss Model
• Medidas en LOS (lóbulo principal)
• PL(d0)
• Medidas para obtener parámetros n y Xs
• n media de las variables de pérdida calculadas
  en cada medición de calibrado
• Xs desviación típica de las desviaciones entre
  los cálculos con n calculada y los datos de campo
• Tiene en cuenta factores de propagación en el
  entorno no considerados explícitamente
• Medidas en NLOS para ajustar pérdidas por
  penetración

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Propagación con Obstáculos
Diseño del Modelo

• Detección de los obstáculos (colisiones con
  triángulos del mallado)
• Aplicación de las pérdidas estimadas por
  penetración en el material del obstáculo

TIPO DE OBSTÁCULO PERDIDA
Espacio abierto 0 dB
Ventana (tintado no metálico) 3 dB
Ventana (tintado metálico) 5-8 dB
Muros finos 5-8 dB
Muros medios de madera 10 dB
Muros gruesos 15-20 dB
Muros muy gruesos 20-25 dB
Suelo / Techo grueso 15-20 dB
Suelo / Techo muy grueso 20-25 dB
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Radiosidad por Refinamiento Progresivo - I
Diseño del Modelo

• Se cumple la ley de conservación de la energía
• Energía reflejada inicial (sólo energía de APs)
• Se cargan de energía sólo los parches que
  reflejan
• Todas las superficies son difusores ideales
• Se refleja un porcentaje de la señal incidente no
  penetrada (reflectividad)

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Radiosidad por Refinamiento Progresivo - II
Diseño del Modelo

• Se toma como referencia el centro del parche y en
  los cálculos de propagación se tienen en cuenta
  las distancias acumuladas
• Se tienen en cuenta los factores de forma para
  calcular la cantidad (porcentaje) de energía
  emitida a cada parche
• En iteraciones sucesivas se dispara energía a los
  parches para su realimentación (y a los sensores)

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Radiosidad por Refinamiento Progresivo - III
Diseño del Modelo

• Se cargan parches con energía de AP
• Se dispara la energía del parche más cargado al
  resto
• Se repite hasta que se cumpla la convergencia

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Prototipo Zona WiFi
Prototipo

• Predicción de cobertura en diversos modelos de
  propagación inicialmente sólo el modelo
  propuesto en la tesis
• Introducción de medidas de cobertura reales
• Visualización gráfica y exportación de cobertura
  en cada modelo implementado
• Comparativas entre todos los modelos y medidas
  reales

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Utilización del Prototipo
Prototipo
3DStudio
Modelo Planta 0
Modelo Planta 1
Modelo Planta n
...
SimulaciónCompleta
Prototipo ZonaWiFi
Medidas de Campo
InformacióndeConfiguración
MedidasManuales
Imágenesen ficheros
Cobertura en cada sensor/modelo predicción
VisualizaciónPantalla
Cobertura en cada sensor medido/modelo predicción
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Configuración
Prototipo
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Puntos de Acceso
Prototipo
31
Simulaciones
Prototipo
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Visualización y Análisis de Resultados
Prototipo
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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Casos de Prueba Teóricos
Pruebas y Resultados

• Comparativas con resultados teóricos
• Excepto Multitrayecto y Conjunta
• Realizadas en escenarios diversos (No Reales)
• Suelo cuadrado sin obstáculos
• Claustro
• Pasillos
• Varias plantas
• Realizadas con variaciones de las configuraciones
• Características de los materiales
• Parámetros de propagación
• Puntos de acceso
• El prototipo realiza los cálculos y responde
  correctamente en los distintos entornos y a
  variaciones en las configuraciones

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Calibración
Pruebas y Resultados

• Medidas de campo en línea de visión
• Permiten ajustar la propagación por el aire en el
  modelo de propagación directa y multitrayecto
• Se obtienen los parámetros n y Xs
• Medidas de campo para obtener atenuación de muros

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Casos de Prueba Reales
Pruebas y Resultados

• Se dispone de las medidas de cobertura reales en
  el entorno

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Planta baja Directa - Reales
Pruebas y Resultados
38
Planta baja Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados
Propagación Multitrayecto
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Planta baja Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados
Propagación Conjunta
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Planta bajo-cubiertaComparativas con otros
modelos
Pruebas y Resultados
A
B
C
D
E
F
G
H
J
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Planta bajo-cubiertaDirecta - Reales
Pruebas y Resultados
Propagación Directa
Media de las desviaciones 10,7 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 15,9 dB
42
Planta bajo-cubierta Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados
Propagación Multitrayecto
Media de las desviaciones 5,83 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 6,36 dB
43
Planta bajo-cubierta Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados
Propagación Conjunta
Media de las desviaciones 0,53 dB
Media del valor absoluto de las desviaciones 6,3 dB
44
Planta bajo-cubierta Línea A
Pruebas y Resultados
A
Punto de Acceso
Unidades en dB Directa Multi-Trayect Conjunta Multi-Wall Linear-Path Dual-Slope Keenan-Motley
Media desviaciones 0,85 7,7 -0,34 19,07 -12,4 -11,6 -15,92
Media valor absoluto desv. 4,61 7,7 3,99 19,7 13,1 11,8 16,4
45
Planta bajo-cubierta Línea B
Pruebas y Resultados
B
Punto de Acceso
Unidades en dB Directa Multi-Trayect Conjunta Multi-Wall Linear-Path Dual-Slope Keenan-Motley
Media desviaciones -2,4 9,62 -2,63 -3,4 -0,93 -3,52 -3,14
Media valor absoluto desv. 6,09 9,71 6,2 6,44 5,43 6,52 6,3
46
Planta bajo-cubierta Línea D
Pruebas y Resultados
D
Punto de Acceso
Unidades en dB Directa Multi-Trayect Conjunta Multi-Wall Linear-Path Dual-Slope Keenan-Motley
Media desviaciones 21,44 8,51 6,69 34,56 -18,6 -9,36 -25,56
Media valor absoluto desv. 22,22 8,51 7,67 34,56 18,6 9,36 25,56
47
Planta bajo-cubierta Línea H
Pruebas y Resultados
H
Punto de Acceso
Unidades en dB Directa Multi-Trayect Conjunta Multi-Wall Linear-Path Dual-Slope Keenan-Motley
Media desviaciones 2,23 3,93 -2,28 27,39 -15,17 -6,59 -21,64
Media valor absoluto desv. 9,62 4,41 5,80 29,58 15,17 6,61 21,64
48
Comparativa Total
Pruebas y Resultados
49
Comparativa Total con Medidas
Pruebas y Resultados
Dual-Slope
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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Resultados Destacables
Conclusiones

• Reutilización de tecnología (Radiosidad)
  estudiada y utilizada en otros campos
• Uso de modelos geométricos generados por
  herramientas comúnmente utilizadas
• Modelos geométricos no necesariamente muy
  precisos
• Muchas posibilidades de configuración
• Coste computacional aceptable

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Conclusiones Generales
Conclusiones

• Nuevo modelo de cobertura basado en una técnica
  que nunca se había usado en este campo
• Es un modelo válido
• Es capaz de predecir el comportamiento
• Sus resultados se ajustan a la realidad
• Es coherente con los conocimientos teóricos
• El modelo mejora los resultados de los otros
  modelos estudiados

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Contenido
Tesis Doctoral

• Introducción
• Estudio de Modelos de Propagación
• Objetivos
• Diseño del Modelo
• Prototipo
• Pruebas y Resultados
• Conclusiones
• Líneas de Investigación Futuras

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Trabajo y Líneas de Investigación Futuras
Líneas de Investigación Futuras

• Estudio y modelado de la influencia de las
  personas en los entornos de propagación
• Combinación de Modelos de Propagación
• Ubicación automática de puntos de acceso
• Implementación del modelo como librería y/o como
  servicio remoto
• Aplicación del modelo a otros estándares de
  comunicación inalámbrica

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Publicaciones Derivadas
Publicaciones
Néstor García, Juan M. Cueva, Daniel Gayo,
Agustín Cernuda and Juan Ramón García Coverage
Model in Wireless Networks based on Progressive
Refinement Radiosity. International Conference on
Artificial Intelligence IC-AI'04 Las Vegas
(USA) - CSRA Press. ISBN 1-932415-31-9 pp. 24-
31
Néstor García, Juan M. Cueva, Benjamín López and
M. Cándida Luengo Use of Progressive Refinement
Radiosity to Model Wireless Indoor
Propagation. EURASIP Journal on Wireless
Communications and Networking 2006 (pendiente de
aceptación)
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Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada
en Radiosidadpor Refinamiento Progresivo
Universidad de Oviedo Departamento de
Informática
Tesis Doctoral
Fin de la Presentación

• D. Néstor García Fernández
• Marzo 2006