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

Presentación del tema: "D. Néstor García Fernández Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva Lovelle"— Transcripción de la presentación:

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

2  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido  Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras Marzo de 2006

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 Se ha diseñado un modelo, que como representación simplificada de la realidad, permita explicar el comportamiento de la propagación de señales radioeléctricas en interiores. Como modelo que es, no se trata de calificarlo como correcto o incorrecto, sino que se va intentar justificar su validez al considerar aceptable la forma en que puede explicar y predecir el comportamiento de las señales radioeléctricas, y verificar que es consistente con otros conocimientos contrastados. Además, tampoco se puede considerar como definitivo, y es susceptible de ser revisado o descartado si se obtienen nuevos datos que lo contradicen. Marzo de 2006

4 Redes Inalámbricas Evolución 1997 - 802.11 1999 - 802.11b - 802.11a
Introducción Redes Inalámbricas Evolución b a g n 2005/? - WiMax Es un modelo de propagación en redes inalámbricas, y en particular en redes que utilizan el estándar b o g. En este tipo de redes, por el tipo de propagación y por la limitaciones en uso del espectro radioeléctrico impuestas por las autoridades de comunicaciones, existe una limitación en el número de canales simultáneos que pueden recibirse en un determinado punto. Si no se configuran correctamente los puntos de acceso, puede darse el caso de que se produzcan interferencias entre ellos, y que la señal se degrade y se pierda la conexión, o que disminuya la velocidad de conexión y el rendimiento. La forma de situar los puntos de acceso se debe hacer de forma que no se reciba señal de más de 3 puntos de acceso simultáneamente. Marzo de 2006

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 primera vez para simulación de cobertura en redes inalámbricas La técnica de radiosidad se utilizó inicialmente en termodinámica para la simulación de transferencias de calor. Posteriormente se adaptó para la simulación de iluminación, pudiendo usarse de forma complementaria a Ray-Tracing En esta tesis se utiliza por primera vez (en lo que se ha podido comprobar) para la simulación de cobertura en redes inalámbricas, con la posibilidad de ser utilizada de forma complementaria a algún modelo de propagación directa. Marzo de 2006

6  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras  Se han estudiado diversos modelos de propagación que se van a presentan brevemente. La mayoría de ellos, se han implementado en el prototipo para compararlos con el nuevo modelo presentado Marzo de 2006

7 Modelos INDOOR INDOOR vs OUTDOOR Importancia de un buen modelo
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 La mayor parte de los modelos de propagación existentes son modelos de exteriores o OUTDOOR. Esto es normal si tenemos en cuenta que las comunicaciones por radio llevan utilizándose muchos años. Y se amplió su estudio con la aparición de la televisión. Las necesidades de comunicación en ambos sentidos provocada por la telefonía móvil también ha generado numerosos estudios sobre el tema. Las comunicaciones INDOOR empiezan a tener una gran expansión con la aparición de la telefonía móvil, y sobre todo con la aparición de redes locales inalámbricas. El estudio de propagación en interiores tiene un componente variable dependiente del entorno que influye notablemente en la propagación. Por otra parte es importante realizar una buena planificación ya que como las distancias cubiertas con un único punto de acceso son relativamente pequeñas, y más en interiores; es habitual colocar varios puntos de acceso, y hay que planificar su ubicación teniendo en cuenta que no debe haber más de tres puntos de acceso de los que se detecte señal simultáneamente. Marzo de 2006

8 Propagación en el Espacio Libre
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 La propagación en el espacio libre se calcula utilizando la ecuación de Friis. Habitualmente los modelos de propagación se expresan como pérdidas de trayecto y en el caso de la propagación en el espacio libre, se utiliza en otros modelos de propagación. Inicialmente fue el modelo de propagación que se pensaba utilizar en el nuevo modelo diseñado para la propagación por el aire, es decir, hasta alcanzar los obstáculos. PL (d) = PL(d0) + 20 log (d/d0) Marzo de 2006

9 Log-Normal Shadowing Path-Loss Model
Estudio de Modelos de Propagación Log-Normal Shadowing Path-Loss Model PL (d) = PL (d0) + 10n log(d/d0) + Xσ n: variable de pérdida de trayecto PL(d0): pérdida a distancia de referencia Xσ: desviación típica de muestras de calibración Finalmente se optó por utilizar este modelo para la propagación por el aire por la posibilidad de ser calibrado; y de esta forma, tener en cuenta factores que influyan en la propagación y que no se han tenido en cuenta explícitamente. Como veremos más adelante, en nuestro caso la calibración se debe realizar en LOS. n: es una variable de pérdida de trayecto que depende del tipo de entorno: Edificios con visión directa: 1,6 a 2 Edificios sin visión directa: 2 – 4 Edificios sin visión directa con entre 1 y 3 pisos de separación: 4 a 6 Estableciendo un valor de n=2 y de Xsigma = 0 se corresponde con el modelo de propagación en espacio libre visto en la transparencia anterior Marzo de 2006

10 Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en COST 231
Estudio de Modelos de Propagación Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en COST 231 L = LFS + Lc + ∑kwi Lwi + n ((n+2)/(n+1) - 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 En este modelo se diferencian los tipos de muros que atraviese la señal, pero se considera que el tipo de suelos es único La constante de pérdida Lc se suele fijar a 37 dB Y las pérdidas típicas por suelos y muros son: Lf: suelos típicos 18,3 Lw1: muros internos finos o con muchos huecos 3-4 Lw2: Muros internos ladrillos, pocos huecos 6-9 Marzo de 2006

11 Linear Path Attenuation Model
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 Este modelo no tiene en cuenta ni los muros ni los suelos, por lo que es muy importante ajustar el coeficiente de atenuación lineal para que proporcione resultados aceptables, y posiblemente haya que hacerlo en base a medidas de campo. Marzo de 2006

12 Dual Slope-Model dBR: distancia de ruptura λ: longitud de onda
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 Feuerstein y Beyer fueron los autores de este modelo que sostiene que la señal se comporta de forma diferente a partir de una distancia de ruptura. No está descartado utilizar un criterio similar de punto de ruptura en investigaciones posteriores, no necesariamente referido a una distancia, como en este caso, si no posiblemente referido al número de obstáculos atravesados. En este caso, los exponentes suelen ser de 2 para N1 y 6 ó más para N2 A0: varía entre 0 y 5 dB Marzo de 2006

13 Keenan-Motley Model PLM path loss medido a 1 metro.
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 Este modelo sólo tiene en cuenta el número de suelos atravesados, y no el número de muros Marzo de 2006

14 Multi-Wall Model PL1 path loss a 1 metro
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 En este caso se considera únicamente un tipo de suelo y de muro. Si no se atraviesan ni suelos ni muros, se convierte en el modelo de propagación en el espacio libre con distancia de referencia 1 metro. Marzo de 2006

15  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras  Se van a presentar ahora los objetivos del modelo Marzo de 2006

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 Marzo de 2006

17 Objetivos Complementarios 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 Marzo de 2006

18  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras  Marzo de 2006

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 Marzo de 2006

20 Modelo Geométrico Tridimensional
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) El modelo geométrico tridimensional se importa desde ficheros ASE (ASCII Scene Export), que se generan desde la herramienta de modelado 3DStudio. Incluye situación geométrica de los objetos formados por vértices, caras, material del que están compuestos. Las caras se descomponen en triángulos que forman los parches de emisión. De cada material existente en la escena, se almacena sus características radioeléctricas de atenuación al ser atravesado y de reflectividad como propiedad que indica la cantidad de energía que refleja. También se almacenan los puntos de acceso con su posición y con sus características de emisión: potencia, ganancia de la antena, directividad de la señal,... Cada triángulo de las caras se considera un emisor de energía reflejada. La cobertura se calcula en una red de sensores que se distribuye a lo largo de cada planta. En una misma sólo se considera un sensor en cada posición, situado a una altura que se puede configurar, pero no se considera que haya dos sensores en una misma posición a diferentes alturas. Sí se pueden tener varios sensores si se encuentran en plantas distintas Marzo de 2006

21 Calibrado del Modelo Propagación en el Aire
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 En el modelo se debe utilizar algún modelo de propagación para el cálculo de la señal directa por el aire. En este caso se ha decidido utilizar el Log-Normal Shadowing Path Loss Model por los buenos resultados que aporta si se calibra correctamente. La calibración del modelo de propagación directa permite tener en cuenta factores de propagación (ruido, interferencias,...) que no son considerados explícitamente en el modelo. La calibración del modelo de propagación directa se realiza en base a medidas de campo realizadas en LOS y a la medida de pérdida de trayecto a una distancia de referencia, que por simplicidad se suele hacer a 1 metro. Si se quieren ajustar pérdidas por penetración en los muros del entorno, se pueden realizar medidas de campo para obtener dichos parámetros. Marzo de 2006

22 Propagación con Obstáculos
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 TIPO DE OBSTÁCULO PERDIDA Espacio abierto 0 dB Ventana (tintado no metálico) 3 dB Ventana (tintado metálico) 5-8 dB Muros finos Muros medios de madera 10 dB Muros gruesos 15-20 dB Muros muy gruesos 20-25 dB Suelo / Techo grueso Suelo / Techo muy grueso Objeto O n dB Colisión 1 n/2 dB Colisión 2 EMISOR RECEPTOR La propagación a través de los obstáculos se basa en el parámetro de atenuación del material del que está compuesto el obstáculo. Para simplificar el algoritmo, se aplica la mitad de la atenuación del material al entrar en el objeto y la otra mitad al salir. Si no se disponen de medidas de campo que definan la atenuación de los materiales, se pueden utilizar valores típicos como los de la tabla mostrada. Marzo de 2006

23 Radiosidad por Refinamiento Progresivo - I
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) P2 NO refleja Vnormal (P1) P2 Vnormal (P2) EMISOR P1 P1 SI refleja Se entiende por energía inicial la energía reflejada por el conjunto de las caras de la escena como consecuencia de la propagación directa de la radiación de los Puntos de Acceso. Inicialmente sólo se cargan de energía aquellos parches que reflejan la señal de algún punto de acceso. Y si reciben energía de varios, se utiliza la de mayor intensidad. Como simplificación se considera que todas las superficies son difusores ideales (lambertianos), es decir que no se tiene en cuenta el ángulo incidente de la señal para reflejarla. De la señal incidente no penetrada se refleja sólo un porcentaje, establecido con el parámetro reflectividad del material del que está compuesto. Marzo de 2006

24 Radiosidad por Refinamiento Progresivo - II
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) También se simplifica la emisión de cada parche considerando que se emite sólo desde el punto central del parche, pero ponderando el área total del parche. La propagación de la señal reflejada se calcula utilizando el mismo modelo de propagación Log-Normal Shadowing Path-Loss Model, pero teniendo en cuenta que la señal tiene su origen en el punto de acceso, por lo que se van acumulando las distancias. La influencia de la energía emitida por un parche en el resto de parches del entorno, se basa en los factores de forma, que definen el porcentaje de la energía que emite un parche, que llega a otro. La realimentación sólo tiene lugar en aquellos parches que reflejan la señal, siguiendo el mismo criterio que con la energía inicial de los puntos de acceso. Marzo de 2006

25 Radiosidad por Refinamiento Progresivo - III
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 Ai Marzo de 2006

26  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras  Marzo de 2006

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 Es una aplicación que permite calcular la cobertura inalámbrica en un entorno utilizando diversos modelos de propagación, incluido por supuesto, el modelo propuesto en esta tesis. 2 versiones: la primera sólo calculaba el modelo propuesto, pero en la segunda se añadieron más modelos de propagación para poder realizar comparaciones entre resultados Adicionalmente a la implementación de otros modelos de propagación, se permite también introducir datos reales de cobertura para compararlos con los resultados obtenidos por el prototipo. El análisis de los resultados se puede hacer visualmente, o basándose en los datos de cobertura calculados que se pueden exportar a fichero para analizarlos por otros métodos. Marzo de 2006

28 Utilización del Prototipo
3DStudio En primer lugar, se debe obtener el modelo geométrico tridimensional del entorno. El modelo, se genera utilizando la herramienta 3D Studio, en el que se modelan planta por planta, todos los pisos del edificio en el que requiere aplicar el modelo de propagación. Desde el 3DStudio se pueden importar planos de edificios en formatos compatibles, por lo que sería factible realizar pruebas de cobertura en edificios aún sin construir, y así incluir la infraestructura de red inalámbrica en la propia construcción. Una vez modeladas todas las plantas, se exportan en formato ASE (ASCII Scene Export) a ficheros diferentes (uno por cada planta). Desde el prototipo ZonaWiFi, se importa el modelo introduciendo de forma separada cada planta, empezando por la más baja, e introducidas en orden ascendente. Una vez cargados los modelos de las plantas en la herramienta, se procede a configurar los parámetros de la aplicación y de los modelos de propagación, y a situar y configurar los puntos de acceso. Si el entorno es real y se han tomado medidas de campo para calibrar el modelo, se pueden utilizar los resultados para la configuración de los modelos de propagación. En este momento se pueden realizar los cálculos de cobertura en alguno o todos de los modelos de propagación incluidos en el prototipo; y posteriormente, se pasa a analizar los resultados. Se pueden almacenar simulaciones realizadas y volver a cargarlas posteriormente. Si se disponen de medidas de señal tomadas en el entorno, se pueden introducir para que sean consideradas como un modelo de propagación más para realizar comparativas. Los resultados de simulación se muestran en el prototipo en cuanto finaliza la predicción, pero también se pueden exportar a diversos formatos, para su análisis (como imágenes en ficheros o en html, como datos de señal en cada sensor en un fichero de texto con los datos separados por tabuladores, o como datos de señal en los puntos en los que hay señal medida manualmente) Modelo Planta 0 Modelo Planta 1 Modelo Planta n ... Simulación Completa Prototipo ZonaWiFi Medidas de Campo Información de Configuración Medidas Manuales Visualización Pantalla Imágenes en ficheros Cobertura en cada sensor/modelo predicción Cobertura en cada sensor medido/modelo predicción Marzo de 2006

29 Configuración Prototipo Marzo de 2006
Las configuraciones de los modelos de propagación, se realizan a través de las opciones de menús correspondientes, e incluso se pueden calcular los parámetros de propagación directa a partir de un fichero en el que estén por líneas las medidas de calibración en LOS en pares distancia, señal en dBm. Para cada uno de los materiales que se detecten en las escenas cargadas, se pueden configurar la atenuación y la reflectividad. De la radiosidad, se puede definir el área máxima de parche. Este parámetro influye en el número de parches en que se van a descomponer las caras de los objetos, y va a tener gran incidencia en el coste computacional. Si un parche supera el área indicada en este parámetro se dividirá en cuatro triángulos mediante líneas que unan los puntos medios de cada lado. La convergencia es el criterio de parada del algoritmo de radiosidad por refinamiento progresivo. Finalmente se define la densidad de sensores en cada planta, la altura a la que se encuentran y el umbral de sensibilidad para que sea representado en pantalla (distinto del umbral de señal almacenado internamente que llega a -150 dBm = 1·E-15 mW) Marzo de 2006

30 Puntos de Acceso Prototipo Marzo de 2006
Se pueden configurar cualquier número de puntos de acceso, y se mostrará la mejor de las señales recibidas. De cada punto de acceso, se puede ver que además de su posición, se configuran sus características de emisión (potencia y ganancia de la antena), y la directividad de la emisión en todas direcciones (por defecto propagación isotrópica). Una opción útil de cara a situar un punto de acceso real en el sitio correcto, es la de trasladarlo, que va mostrando interactivamente la posición en pantalla (un cubo rojo), por lo que no es necesario calcular las coordenadas de la posición. Marzo de 2006

31 Simulaciones Prototipo Marzo de 2006
Desde el menú de predicciones, o desde iconos de acceso directo, se pueden seleccionar los modelos con los que se quieren realizar las predicciones de cobertura (o realizar la predicción en todos los modelos). Si se selecciona la opción manual, se pueden cargar medidas reales en el prototipo (de una en una, o cargarlas todas desde un fichero) y tratarlas como un modelo más de predicción. Si se comparan, se genera una página html con los datos de los modelos de propagación y las medidas manuales en los puntos en los que hay medidas tomadas. Marzo de 2006

32 Visualización y Análisis de Resultados
Prototipo Visualización y Análisis de Resultados Los resultados de las simulaciones se muestran visualmente en cuanto finalizan los cálculos, pero también se pueden exportar a fichero de texto con los datos de un sensor en cada línea, y separando por tabulaciones las señales obtenidas mediante los modelos que se hayan calculado, incluyendo las medidas manuales si se han introducido. Como el modelo es tridimensional, se pueden realizar todo tipo de movimientos en el punto de vista (giros, acercamientos, etc) Si se selecciona la opción de Ver comparativa, se muestran únicamente los sensores correspondientes a las posiciones en las que existe medida manual introducida, lo que nos permite ver mejor los resultados de los modelos de propagación implementados. Marzo de 2006

33  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras  Marzo de 2006

34 Casos de Prueba Teóricos
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 Se han realizado los cálculos teóricos aplicando las fórmulas de los modelos de propagación, para compararlos con los resultados obtenidos por el prototipo. No se han realizado los cálculos teóricos del método multitrayecto (señales reflejadas) por la complejidad del mismo para realizar los cálculos teóricos. Se ha comprobado que los modelos están bien implementados en el prototipo. Los errores que se han detectado son del orden de diezmilésimas de dB, y se deben a errores de redondeo. También se han producido errores en la estimación de si un sensor se encuentra a un lado u otro de un muro (incluso en el interior del muro) debidos a que la estimación en la hoja de cálculo se ha hecho manualmente y la superficie asignada a cada sensor era de 1 metro cuadrado. Se han realizado pruebas de modificación de parámetros de los modelos de propagación, de los materiales, y de los emisores, y en todos los casos el prototipo se ha comportado de acuerdo con los resultados teóricos esperados. Marzo de 2006

35 Calibración Medidas de campo en línea de visión
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 Para la realización de pruebas en casos de entornos reales, se ha realizado la calibración de los modelos en base a las medidas de campo que se muestran en la tabla. Todas las mediciones se han realizado en LOS, aunque en el caso de mayores distancias, se han tenido que realizar las medidas utilizando pasillos, con las consecuencias que puede tener en los efectos que produce en la propagación. Se pueden tomar medidas de campo para evaluar la atenuación en la propagación que producen distintos muros u obstáculos del entorno, o utilizar atenuaciones típicas. Marzo de 2006

36 Pruebas y Resultados Casos de Prueba Reales Se dispone de las medidas de cobertura reales en el entorno Se realizan pruebas en entornos reales, en este caso, se pueden tomar medidas de cobertura reales, y así verificar el modelo propuesto, y también el resto de modelos implementados en el prototipo Marzo de 2006

37 Planta baja: Directa - Reales
Pruebas y Resultados Planta baja: Directa - Reales Propagación Directa Medidas Reales En ésta y las siguientes transparencias, se mostrarán los resultados de las pruebas realizadas por los modelos propuestos en la tesis, comparándolas con los resultados reales medidos en el escenario real El que se muestra es el resultado de la propagación directa. Se utiliza el modelo Log-Normal Shadowing Path-Loss Model calibrado con datos de campo tomados en el entorno, para la propagación por el aire, y se tienen en cuenta los muros atravesados, con sus características de atenuación. Se puede comprobar que los resultados se aproximan a los datos reales. Marzo de 2006

38 Planta baja: Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados Planta baja: Multitrayecto - Reales Propagación Multitrayecto Medidas Reales Éste el es modelo que implementa la radiosidad por refinamiento progresivo. Se comprueba que a poca distancia del punto de acceso, la señal es considerablemente inferior a la señal real. Esto se puede justificar puesto que a corta distancia, la señal directa tiene más peso que las señales reflejadas. Marzo de 2006

39 Planta baja: Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados Planta baja: Conjunta - Reales Propagación Conjunta Medidas Reales Y estos son los resultados de combinar los modelos anteriores, que mejora los resultados de ambos. Marzo de 2006

40 Planta bajo-cubierta: Comparativas con otros modelos
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Comparativas con otros modelos A B C Esta otra prueba se ha realizado en un entorno bastante enrevesado, con muchos muros de diferentes características, y con una geometría complicada. Precisamente por eso, se ha estudiado con más detalle. Se han estudiado los comportamientos en cada una de las líneas comparándolas con datos reales de cobertura y con el resto de modelos de propagación. En primer lugar se van a mostrar los resultados en conjunto, y posteriormente analizaremos los resultados en algunas de las líneas del gráfico D E F G H J Marzo de 2006

41 Planta bajo-cubierta: Directa - Reales
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Directa - Reales Propagación Directa Medidas Reales Media de las desviaciones 10,7 dB Media del valor absoluto de las desviaciones 15,9 dB En el caso de propagación directa, se puede apreciar cómo por las características del entorno, la señal calculada no llega a determinado lugares, en los que sí hay cobertura real. Se muestran en la tabla las desviaciones respecto a los datos reales medidos. Marzo de 2006

42 Planta bajo-cubierta: Multitrayecto - Reales
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Multitrayecto - Reales Propagación Multitrayecto Medidas Reales Media de las desviaciones 5,83 dB Media del valor absoluto de las desviaciones 6,36 dB En el modelo que implementa la radiosidad, se mejora considerablemente el resultado, incluso aunque se utilizase sin combinarlo con otro de propagación directa, ya se obtendrían unos resultados aceptables. Se sigue apreciando cómo a corta distancia del punto de acceso, los resultados son inferiores a los reales Marzo de 2006

43 Planta bajo-cubierta: Conjunta - Reales
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Conjunta - Reales Propagación Conjunta Medidas Reales Media de las desviaciones 0,53 dB Media del valor absoluto de las desviaciones 6,3 dB Con la combinación de los modelos anteriores, es cuando se obtienen los mejores resultados. En este caso, se observa que a corta distancia del punto de acceso, el modelo produce mejores resultados de los que realmente hay. Marzo de 2006

44 Planta bajo-cubierta: Línea A
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea A A Punto de Acceso Pasamos a estudiar comparativamente los resultados en varias de las líneas de estudio del entorno. Y se comparan con el resto de modelos implementados en el prototipo. Los sensores en este caso, no tienen línea de visión directa con el punto de acceso. El modelo propuesto en la tesis es el que mejor se comporta. 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 3,99 19,7 13,1 11,8 16,4 Marzo de 2006

45 Planta bajo-cubierta: Línea B
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea B B Punto de Acceso Este es el caso de LOS que además pasa por el punto de acceso, por lo que los datos de multitrayecto son inferiores a los datos reales. Al ser un pasillo, se producen variaciones aparentemente anómalas en los datos reales, debidas a los efectos del pasillo en la señal, que no se muestran en ninguno de los modelos. El hecho de que los sensores estén muy cerca del punto de acceso y en LOS hace que los resultados de el modelo Multitrayecto sean peores que el resto. Pero se corrigen al combinar las señales con la propagación directa. 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 Marzo de 2006

46 Planta bajo-cubierta: Línea D
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea D D Punto de Acceso En este caso, el número de muros que atraviesa la señal hace que los modelos que los tienen en cuenta proporcionen unos resultados muy bajos. Y precisamente en este caso es cuando se obtienen los mejores resultados del modelo multitrayecto. Resultados similares se obtienen en las líneas E y F. Se aprecia que los modelos basados únicamente en la distancia dan unas curvas muy planas. 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 7,67 18,6 9,36 25,56 Marzo de 2006

47 Planta bajo-cubierta: Línea H
Pruebas y Resultados Planta bajo-cubierta: Línea H H Punto de Acceso En este caso, se puede apreciar cómo el modelo multi-wall, al tener en cuenta un único tipo de muro, se ajusta peor que la propagación directa, en la que cada muro tiene su propia atenuación. También es el modelo propuesto el que proporciona los mejores resultados. 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 Marzo de 2006

48 Comparativa Total Propagación Directa Propagación Conjunta
Pruebas y Resultados Comparativa Total Propagación Directa Propagación Conjunta Propagación Multitrayecto Propagación Linear-Path Propagación Multi-Wall Propagación Dual-Slope Se aprecia la forma lineal de cobertura calculada por los modelos que no tienen en cuenta los muros. Propagación Keenan-Motley Marzo de 2006

49 Comparativa Total con Medidas
Pruebas y Resultados Comparativa Total con Medidas Multi-trayecto Dual-Slope Linear-Path Directa Conjunta Comparando únicamente con los sensores de las posiciones en las que hay medidas reales, se puede observar cómo el modelo propuesto en la tesis es el que mejor se ajusta a los datos reales de cobertura. Marzo de 2006

50  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras Siguiendo el guión, pasaré a presentas las conclusiones  Marzo de 2006

51 Resultados Destacables
Conclusiones Resultados Destacables 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 Como primer resultado destacable, se considera la reutilización de tecnología ya utilizada y probada en otros campos, en un campo inédito como la propagación de señales de radiofrecuencia en redes inalámbricas. También se utilizan formatos de importación del entorno geométrico 3D utilizados por herramientas existentes y ampliamente difundidas. Y la necesidad de precisión del modelo geométrico no es excesiva, por lo que resulta relativamente fácil modelar cualquier entorno. En el caso de que se disponga de los planos del edificio en formato que sea capaz de importar el 3DStudio, como es el caso de los más utilizados, se pueden utilizar casi directamente, lo que permite incluso planificar el diseño de las redes inalámbricas antes de la construcción del edificio, e incluir las infraestructuras de red en la construcción (alimentación de los puntos de acceso, tomas de red). El modelo puede ser calibrado en base a medidas de campo si existe el entorno, para que se ajuste lo mejor posible a dicho entorno. Lo que permite que las predicciones sean más fiables. Además, las muchas posibilidades de configuración tanto del entorno geométrico, como de los materiales y de los puntos de acceso, permiten representar de forma precisa si se estima necesario en entorno real. Aunque el modelo proporciona resultados aceptables sin demasiada configuración. Finalmente, el coste computacional entra en unos márgenes aceptables, aunque no se puede decir que sea en tiempo real. Marzo de 2006

52 Conclusiones Generales
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 Como conclusiones: Se ha diseñado un modelo nuevo utilizando una técnica que se usa habitualmente en otras áreas con muy buenos resultados, pero que en lo que se ha podido comprobar, nunca se había utilizado en propagación de señales radioeléctricas. El modelo se puede considerar un modelo válido, puesto que cumple los criterios de validez de modelos en el sentido de que - es capaz de predecir el comportamiento de las señales radioeléctricas - Sus resultados se ajustan a la realidad como se ha podido comprobar mediante las pruebas realizadas en entornos reales - Y es coherente con los conocimientos teóricos contrastados. Además, el modelo mejora los resultados de los otros modelos estudiados. Marzo de 2006

53  Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos
Tesis Doctoral Contenido Introducción Estudio de Modelos de Propagación Objetivos Diseño del Modelo Prototipo Pruebas y Resultados Conclusiones Líneas de Investigación Futuras Respecto a las líneas de investigación que se originan en el trabajo realizado en la tesis...  Marzo de 2006

54 Trabajo y 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 Se plantea el estudio de la influencia de las personas que necesariamente se van a encontrar en los entornos de aplicación de redes inalámbricas. Como seres compuestos de mayoritariamente de agua y por las características de absorción del agua de las señales utilizadas; además del carácter NO estático de las personas, plantean un verdadero problema. Una solución que se suele utilizar pasa por considerar las señales mínimas aceptables más elevadas, para paliar las atenuaciones cuando haya personas en el entorno, pero también se puede pensar en utilizar algún factor posiblemente con cierto componente aleatorio que nos ayude a predecir los resultados. Se ha optado por la utilización de un modelo de propagación en LOS, pero no se descarta la utilización de algún otro modelo; o incluso de la combinación de varios modelos dependiendo de algún parámetro como puede ser la distancia, como en el modelo Dual-Slope, o el número de obstáculos atravesados. Como aplicación inmediata del modelo, se puede plantear el que se pueda descubrir el número y ubicación óptimos de los puntos de acceso, para lograr los objetivos de cobertura deseados. Y como servicio prestado a distintos usuarios se plantea también la implementación como librería que pueda ser invocada, o como servicio remoto que permita a clientes obtener los resultados de la aplicación del modelo de propagación a sus entornos. Puede ser construyendo una aplicación web interactiva, o enviando los resultados en datos o en imágenes. El modelo propuesto se ha estudiado para los estándares b y g, pero se puede adaptar a otros estándares, en algunos casos se puede aplicar adaptando las configuraciones, por ejemplo si se cambian las frecuencias pueden cambiar las atenuaciones de los obstáculos, y eso se podría hacer directamente; pero para otros casos quizá se deba cambiar el modelo de propagación en LOS. En cualquier caso, por su diseño es evidente que sólo es aplicable en entornos en los que tengan importancia las señales reflejadas, pero esto no lo restringe a entornos INDOOR. Por ejemplo, en comunicaciones inalámbricas dentro de las ciudades también puede ser interesante aplicar el modelo diseñado en esta tesis. Marzo de 2006

55 Publicaciones Derivadas
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 pp 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) De momento, las publicaciones derivadas son las que se muestran, pero la tesis se plantea como un punto de partida, no como un destino final. Marzo de 2006

56 D. Néstor García Fernández Marzo 2006
Universidad de Oviedo – Departamento de Informática Tesis Doctoral Modelo de Cobertura en Redes Inalámbricas basada en Radiosidad por Refinamiento Progresivo Fin de la Presentación Y con esto termino la exposición y quedo a su disposición para responder a las cuestiones que deseen plantearme... D. Néstor García Fernández Marzo 2006