Modelo de Cobertura en Redes Inalámbricas basada en Radiosidad por Refinamiento Progresivo

1. Universidad de Oviedo – Departamento de Informática Tesis Doctoral Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada en Radiosidadpor Refinamiento Progresivo D. Néstor García Fernández Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva Lovelle

2. Tesis Doctoral Contenido  • Introducción • Estudio de Modelos de Propagación • Objetivos • Diseño del Modelo • Prototipo • Pruebas y Resultados • Conclusiones • Líneas de Investigación Futuras

3. Introducción Modelos • 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

4. Introducción Redes Inalámbricas Evolución • 1997 - 802.11 • 1999 - 802.11b - 802.11a • 2002 - 802.11g • 2006 - 802.11n • 2005/? - WiMax

5. Introducción Uso de Radiosidad • Utilizada inicialmente para simulación de transferencias de calor radiante entre superficies • Posteriormente se adaptó para simulación de iluminación • En esta tesis se utiliza por primeravez para simulación de cobertura en redes inalámbricas

6. Tesis Doctoral Contenido • Introducción • Estudio de Modelos de Propagación • Objetivos • Diseño del Modelo • Prototipo • Pruebas y Resultados • Conclusiones • Líneas de Investigación Futuras 

7. Estudio de Modelos de Propagación Modelos INDOOR 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

8. Estudio de Modelos de Propagación Propagación en el Espacio Libre 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)

9. Estudio de Modelos de Propagación Log-Normal Shadowing Path-Loss Model • n: variable de pérdida de trayecto • PL(d0): pérdida a distancia de referencia • Xσ: desviación típica de muestras de calibración PL (d) = PL (d0) + 10n log(d/d0) + Xσ

10. Estudio de Modelos de Propagación Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en COST 231 • 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 L = LFS + Lc + ∑kwi Lwi + n ((n+2)/(n+1) - b) * Lf

11. Estudio de Modelos de Propagación Linear Path Attenuation Model • PLFS: Pérdida en espacio libre • a: coeficiente de atenuación lineal (calibrado) • d: distancia entre transmisor y receptor Ejemplo: a=0.47 dB/m en ambiente de oficinas

12. Estudio de Modelos de Propagación Dual Slope-Model • dBR: distancia de ruptura • λ: 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

13. Estudio de Modelos de Propagación Keenan-Motley Model • 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

14. Estudio de Modelos de Propagación Multi-Wall Model • 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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16. Objetivos Fundamentales • 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

17. Objetivos Complementarios • Combinaciónde 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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19. Diseño del Modelo Resumen del Diseño • 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

20. Diseño del Modelo Modelo Geométrico Tridimensional • 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)

21. Diseño del Modelo Calibrado 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 Xσ • n: media de las variables de pérdida calculadas en cada medición de calibrado • Xσ:: 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

22. EMISOR RECEPTOR Colisión 2 n/2 dB Objeto O n dB Colisión 1 n/2 dB Diseño del Modelo Propagación con Obstáculos • Detección de los obstáculos (colisiones con triángulos del mallado) • Aplicación de las pérdidas estimadas por penetración en el material del obstáculo

23. Vnormal (P1) Vnormal (P2) P1 SI refleja P2 NO refleja EMISOR P1 P2 Diseño del Modelo Radiosidad por Refinamiento Progresivo - I • 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)

24. Diseño del Modelo Radiosidad por Refinamiento Progresivo - II • 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)

25. Ai Diseño del Modelo Radiosidad por Refinamiento Progresivo - III • 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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27. Prototipo Prototipo Zona WiFi • 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

28. Prototipo Utilización del Prototipo 3DStudio Modelo Planta 0 Modelo Planta 1 Modelo Planta n ... SimulaciónCompleta Prototipo ZonaWiFi Medidas de Campo InformacióndeConfiguración MedidasManuales VisualizaciónPantalla Imágenesen ficheros Cobertura en cada sensor/modelo predicción Cobertura en cada sensor medido/modelo predicción

29. Prototipo Configuración

30. Prototipo Puntos de Acceso

31. Prototipo Simulaciones

32. Prototipo Visualización y Análisis de Resultados

33. Tesis Doctoral Contenido • Introducción • Estudio de Modelos de Propagación • Objetivos • Diseño del Modelo • Prototipo • Pruebas y Resultados • Conclusiones • Líneas de Investigación Futuras 

34. Pruebas y Resultados Casos de Prueba Teóricos • 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

35. Pruebas y Resultados Calibración • 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 Xσ • Medidas de campo para obtener atenuación de muros

36. Pruebas y Resultados Casos de Prueba Reales • Se dispone de las medidas de cobertura reales en el entorno

37. Medidas Reales Propagación Directa Pruebas y Resultados Planta baja: Directa - Reales

38. Medidas Reales Pruebas y Resultados Planta baja: Multitrayecto - Reales Propagación Multitrayecto

39. Medidas Reales Pruebas y Resultados Planta baja: Conjunta - Reales Propagación Conjunta

40. Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta:Comparativas con otros modelos A B C D E F G H J

41. Medidas Reales Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta:Directa - Reales Propagación Directa

42. Medidas Reales Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Multitrayecto - Reales Propagación Multitrayecto

43. Medidas Reales Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta:Conjunta - Reales Propagación Conjunta

44. Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea A A Punto de Acceso

45. Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea B B Punto de Acceso

46. Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea D D Punto de Acceso

47. Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea H H Punto de Acceso

48. Propagación Conjunta Propagación Directa Propagación Multitrayecto Propagación Multi-Wall Propagación Keenan-Motley Propagación Dual-Slope Propagación Linear-Path Pruebas y Resultados Comparativa Total

49. Multi-trayecto Linear-Path Directa Conjunta Pruebas y Resultados Comparativa Total con Medidas Dual-Slope

50. Tesis Doctoral Contenido • Introducción • Estudio de Modelos de Propagación • Objetivos • Diseño del Modelo • Prototipo • Pruebas y Resultados • Conclusiones • Líneas de Investigación Futuras 