DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

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1 DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES “ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE SERVICIO DE UNA RED WIMAX EN CONFORMIDAD CON EL ESTÁNDAR IEEE EN ESCENARIOS EXTERIORES.” EDUARDO VACA CANO Jueves, 15 de Marzo de 2018

2 AGENDA Introducción Métodos Configuración de los Enlaces
Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

3 Introducción En la actualidad la tecnología avanza a un ritmo acelerado y con ello se crean nuevas técnicas o recursos para el desarrollo de los sistemas de telecomunicaciones, dentro de ellos tenemos el caso de las redes inalámbricas WiMAX. prestados a través de redes de información

4 Además, surge la necesidad de soportar las mismas aplicaciones que se tiene en una red cableada, dando como resultado la demanda de grandes anchos de banda donde las redes inalámbricas tienen su limitante. prestados a través de redes de información

5 WiMAX es una tecnología novedosa basada en el estándar IEEE 802
WiMAX es una tecnología novedosa basada en el estándar IEEE , para la transmisión inalámbrica de la información de una gran diversidad de aplicaciones utilizando como medio de propagación las microondas de radio, en donde el servicio es obtenido de manera inalámbrica y la cobertura es amplia. El QoS se lo define como la utilización de métodos o técnicas para garantizar la calidad de servicio optima, aplicándolos a una tecnología determinada, como es el caso de WiMAX en donde se relaciona con la aplicación de procedimientos utilizados para cumplir con los requisitos mínimos de métricas como la variación de jitter (𝑗) o la tasa de transmisión, para garantizar un determinado grado de satisfacción de los usuarios.

6 Alrededor de la comunidad científica se han realizado varios trabajos donde se analizan las características de la capa física y MAC que se implementan en el estándar IEEE , también describen la necesidad de garantizar QoS en los entornos inalámbricos mediante el análisis de técnicas de propagación que se emplean en la tecnología WiMAX, otros se centran en los mecanismos que están disponibles en el estándar IEEE para apoyar el QoS y cuya eficacia se evalúa a través de la simulación o a su vez realizan el estudio sobre el uso de patrones para garantizar el desempeño del servicio en WiMAX dentro de un programa de simulación, donde se contemplan el análisis general del desempeño de la primera enmienda al Estándar IEEE para Sistemas de Acceso Inalámbrico de Difusión, Conmutación por Multisalto perteneciente a los estándares IEEE para redes de área local y metropolitana donde se muestra que el desempeño de la red es del 90% en la simulación. PROBLEMA A nuestro entender estos trabajos citados solo estudian de forma teórica sobre la aplicación y simulación del QoS en sistemas WiMAX, por ello no existen trabajos previos en los que se pueda evidenciar un análisis en tiempo real del QoS en un sistema WiMAX.

7 Objetivo General ANALIZAR EL QoS EN UN SISTEMA WiMAX EN CONFORMIDAD CON EL ESTÁNDAR IEEE – 2009 DENTRO DE UNA TOPOLOGÍA DIVERSIFICADA EN ESCENARIOS EXTERIORES donde se profundiza en la forma cómo el estándar realiza la implementación de estos mecanismos mediante un análisis de inyección de tráfico para una obtención de información en tiempo real, de ello se obtienen las métricas de QoS para un estudio detallado, en el cual se observa el desenvolvimiento del sistema frente a diferentes tipos de escenarios, los cuales constan de 1 a 3 saltos respectivamente dentro de la red.

8 AGENDA Métodos Introducción Configuración de los Enlaces
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9 Métodos El lugar de la implantación se lo realizó en la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE. El mismo que se encuentra ubicado en el valle de Los Chillos en Sangolquí, a una distancia de 22 kilómetros al Sur Este del Centro Colonial de Quito, capital de la República del Ecuador, en una altitud de metros sobre el nivel del mar que le otorga un clima andino privilegiado con temperaturas que giran alrededor de los 15°C.

10 Equipos Albentia Systems es el proveedor líder del mercado español en soluciones de acceso inalámbrico de banda ancha. Los equipos utilizados son una Estación Base (BS) modelo ARBA 558-L, una Repetidora (RS) modelo ARBA RTP58-E. CARACTERÍSTICAS Solución inalámbrica punto multipunto OFDM Estándar internacional e interoperable IEEE Bandas licenciadas 3,3/3,5 GHz y libres 5,4/5,8 GHz Más de 200 CPEs por sector Velocidad Hasta 50 Mbps Radios de cobertura hasta 30 km Garantía de QoS Bajo consumo < 4,5W

11 Equipos 4 terminales de usuario marca UNIDATA a los que se conectaron los usuarios finales del servicio, en este caso Laptop’s para realizar las pruebas de campo en tiempo real. CARACTERÍSTICAS Trabaja bajo el Estándar internacional e interoperable IEEE Bandas libres 5,1 hasta 5,8 GHz La velocidad máxima es de 32 Mbps Distancia de conexión en LOS a 15 km de la estación base y para el nearLOS de 3-5 km.

12 AGENDA Configuración de los Enlaces Introducción Métodos
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13 Se subdividió en 3 escenarios, los cuales fueron clasificados de acuerdo con el número de saltos que contiene entre transmisor y receptor.

14 Los enlaces fueron configurados con un RBR tanto en el enlace ascendente (UL del inglés Uplink) como para el enlace descendente (DL del inglés Downlink), como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1. RBR configurada para cada enlace.

15 En el tráfico del canal se utiliza el schedulling UGS para evitar el mecanismo normal de petición-concesión permitiendo que la Estación Base otorgue prioridades automáticas a un flujo UGS. En otras palabras, la latencia que se tiene en la propagación de información dentro de un sistema con una red WiMAX es pequeña (5-40 ms) en comparación con la latencia de un servicio IP (100ms), lo que asegura una baja latencia para brindar QoS a las aplicaciones como Voz sobre IP (VoIP), TV Digital y aplicaciones interactivas en tiempo real garantizando la transmisión de información dentro de cada uno de los enlaces.

16 AGENDA Técnica de Inyección de Tráfico Introducción Métodos Resultados
Configuración de los Enlaces Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

17 Para la obtención de las métricas de desempeño se utilizó una técnica intrusiva de inyección de tráfico mediante el uso del software D-ITG, el cual es una plataforma capaz de producir tráfico a nivel de paquetes, exactamente replicando los procesos estocásticos para representar un típico canal de transmisión. La cantidad de paquetes por segundo a ser inyectados y el tamaño de los paquetes, el cual es de 512 Bytes donde son 4 Bytes de cabecera del protocolo IP y 508 bytes de información estimada para cualquier tipo de aplicación.

18 Donde cada inyección de tráfico tiene una duración de 30 segundos con un muestreo de 1 segundo por muestra, es decir por cada inyección de tráfico se obtuvo 30 muestras de cada métrica de desempeño, con ello se tiende a reducir el error cuadrático medio. Uno de los aspectos importantes que hay que considerar es la sincronización de los relojes de las PC´s, ya que consiste en conseguir que todos los equipos de la red trabajen con una señal de reloj idéntica o lo más parecido en frecuencia y fase, al estar sincronizadas las computadoras se garantiza que no existen valores negativos ni desfasados en la red, de esta forma se asegura que la obtención del valor del 𝛿 entregado por el D-ITG es correcto.

19 Para evaluar el desempeño de los escenarios propuestos se consideran como métricas de desempeño a utilizarse el retardo (𝛿), jitter (𝑗), paquetes perdidos (PP) y el throughput (η), que a partir del mismo se calcula la eficiencia (𝜉) del enlace, ya que dichas métricas son las entregadas por el software D-ITG para poder determinar el desempeño de la red. La cantidad de información entregada con éxito por unidad de tiempo se denomina η, teniendo así la ecuación del cálculo del throughput normalizado ( 𝜂 𝑁 ), como se detalla en la ecuación 1. 𝜂 𝑁 = 𝜂 𝑅𝐵𝑅 (1)

20 Donde el η es dividido para la tasa neta de transmisión (RBR del inglés Raw Bit Rate), por lo tanto, la 𝜉 del canal corresponde al 𝜂 𝑁 en porcentaje, como se observa en la ecuación 2. 𝜉 % = 𝜂 𝑁 𝑥 (2) 𝛿 es la latencia que puede existir dentro de una red en tiempo real, que puede ser producida por la distancia del enlace de comunicación que implica un cierto 𝛿 en la llegada de los mensajes. 𝑗 es la variabilidad del tiempo de ejecución de los paquetes, esto provoca que algunos paquetes lleguen demasiado pronto o tarde para poder entregarlos a tiempo. PP es el porcentaje de información que fue enviada desde el origen al destino, pero nunca llego al mismo.

21 AGENDA Resultados Introducción Métodos Técnica de Inyección de Tráfico
Configuración de los Enlaces Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

22 Resultados A continuación, se muestra las gráficas de los resultados obtenidos de cada uno de los escenarios descritos con anterioridad, puesto que dependiendo del mismo se tiene una variación de configuraciones que influyen en el QoS de la inyección de tráfico mediante el software D-ITG. Donde se realiza un análisis detallado con valores estadísticos sobre el desempeño de cada uno de los enlaces anteriormente mencionados.

23 AGENDA Escenario 1 Introducción Métodos
Configuración de los Enlaces Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

24 Figura 1. 𝛿 del canal en el primer escenario
Figura 1. 𝛿 del canal en el primer escenario. (a) Enlace SS1-BS, (b) Enlace SS4-RS, (c) Enlace BS-RS. Las figuras 1, 2, 3 y 4 se muestran las métricas de desempeño del escenario 1.

25 Figura 2. 𝑗 del canal en el primer escenario
Figura 2. 𝑗 del canal en el primer escenario. (a) Enlace SS1-BS, (b) Enlace SS4-RS, (c) Enlace BS-RS. Figura 3. PP del canal en el primer escenario. (a) Enlace SS1-BS, (b) Enlace SS4-RS, (c) Enlace BS-RS.

26 Figura 4. Parámetros de desempeño del escenario 1
Figura 4. Parámetros de desempeño del escenario 1. (a) 𝜉 del canal SS1-BS, (b) 𝜉 del canal SS4-RS, (c) 𝜉 del canal BS-RS.

27 AGENDA Escenario 2 Introducción Métodos
Configuración de los Enlaces Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

28 Las figuras 5, 6 y 7 se muestran las métricas de desempeño del escenario 2.
Figura 5. Parámetros de desempeño del escenario 2. (a) δ del canal SS1-SS2, (b) δ del canal SS3-SS4, (c) j del canal SS1-SS2, (d) j del canal SS3-SS4.

29 Figura 6. Parámetros de desempeño del escenario 2
Figura 6. Parámetros de desempeño del escenario 2. (a) PP del canal SS1-SS2, (b) PP del canal SS3-SS4. Figura 7. Parámetros de desempeño del escenario 2. (a) 𝜉 del canal SS1-SS2, (b) 𝜉 del canal SS3-SS4.

30 AGENDA Escenario 3 Introducción Métodos
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31 La figura 8 presenta las métricas de desempeño del escenario 3
Figura 8. Parámetros de desempeño en el enlace SS2-SS3. (a) 𝛿 del canal, (b) 𝑗 del canal, (c) PP del canal y (d) 𝜉 del canal.

32 AGENDA Discusión y Conclusiones Introducción Métodos
Configuración de los Enlaces Técnica de Inyección de Tráfico Resultados Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Discusión y Conclusiones

33 Discusión y Conclusiones
Como se puede observar la configuración de los AB asignados para el canal de DL y UL son iguales, se destaca esto puesto que el envío de información depende mucho de ello, ya que si fuera el caso contrario se podría generar cuellos de botella dentro de la transmisión, desembocando a la perdida de información. El retardo de canal en los 3 escenarios no supera los 100 ms que demandan las aplicaciones sobre IP, esto hace que se han más confiables por el mínimo valor de retardo que se obtuvo en las pruebas.

34 El 𝑗 en ambos canales se tiene valores que no superan a los 5
El 𝑗 en ambos canales se tiene valores que no superan a los 5.23 ms en los 3 escenarios, con ello se puede garantizar cualquier tipo de aplicación interactiva, VoIP, y TV Digital, puesto que las mismas demandan un valor máximo de 10 ms. Los PP de cada uno de los enlaces no superan el 1% estandarizado para el óptimo funcionamiento de las aplicaciones de VoIP, es así como se tiene un promedio de DL de 0.48% y UL de 0.54%, lo que significa que todos los escenarios son recomendables para cualquier tipo de aplicación. El 𝜉 del canal en cada uno de los escenarios en promedio bordea el 89.10% en DL y el 89.24% en UL, donde se obtiene un error del 0.84% en DL y del 1% en UL al ser comparado con el valor teórico del 90% de 𝜉 que determina el estándar IEEE – Con ello se garantiza el QoS dentro del sistema implementado.

35 A partir del aporte se concluye que WiMAX posee una 𝜉 del 90% dentro de cada uno de los enlaces y el esquema de QoS implementado, permite garantizar la transmisión de la información sin perdidas de esta, para todas las aplicaciones anteriormente mencionadas. Como un trabajo futuro se podría realizar la reproducción de la misma implantación, pero bajo condiciones climáticas variadas, es decir hacer una comparación del desempeño del sistema en un clima cálido, templado y frio, para comprobar si el sistema dependiendo la condición climática sufre o no alguna afectación.

36 ACEPTADO PARA LA PUBLICACIÓN
“ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE SERVICIO DE UNA RED WIMAX EN CONFORMIDAD CON EL ESTÁNDAR IEEE EN ESCENARIOS EXTERIORES.” ACEPTADO PARA LA PUBLICACIÓN RECI REVISTA IBEROAMERICANA DE LAS CIENCIAS COMPUTACIONALES E INFORMÁTICA EDUARDO VACA CANO