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45SISTEMAS& TELEMÁTICA

Fecha de recepción: 25-07-2005 Fecha de aceptación: 18-11-2005

Análisis, modelamiento y simulaciónde redes enmalladas basadas

en el estándar 802.16-2004

Roberto Bustamante Miller PhD.Laboratorio de Investigación en Sistemas Inalámbricos (LISI), Grupo GEST

Universidad de los [email protected]

Roberto Carlos Hincapié Reyes MSc.Grupo de investigación, desarrollo y aplicación en Telecomunicaciones e

Informática GidatiUniversidad Pontificia Bolivariana

[email protected]

ABSTRACTThe following article is a presenta-tion of mesh networks based on IEEEStandard 802.16-2004. Though it pro-vides a general description of thisstandard, it also includes specific cha-racteristics of mesh networks.

It also discusses technology issuesassociated with existing gaps foundin the above mentioned standardwhich have not yet been resolved. Italso describes typical problems ofmesh networks which hinder imple-mentation of these kinds of networ-ks besed on this or any other stan-dard.

The last section of this paper presentsinformation on the progress being

made as the result of the joint effortof the universities involved in thisproject, including the conclusionsthat heve been drawn so far.

KEY WORDSMesh Networks, Wimax, 802.16, Si-mulation, Modeling

RESUMENEl siguiente artículo es una presen-tación de las redes enmalladas basa-das en el estándar 802.16-2004 de laIEEE, describiendo característicasgenerales de este estándar y las es-pecíficas que provee para las redesenmalladas. Se muestran los proble-mas que afronta la tecnología, repre-

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sentados en los temas abiertos quedeja el estándar y que aún falta porresolver, así como los problemas in-herentes a las redes enmalladas quedificultan su implementación basa-das en este o cualquier otro estándar.

El artículo termina presentando eldesarrollo que se está haciendo demanera conjunta por las universida-

des involucradas en el proyecto y lasconclusiones derivadas hasta el mo-mento.

PALABRAS CLAVERedes enmalladas, Wimax, 802.16,simulación, modelamiento.

Clasificación Colciencias: A


1. INTRODUCCIÓNEl acceso de los usuarios a redes debanda ancha, orientadas a la trans-misión de datos, se ha vuelto unanecesidad apremiante para las em-presas de telecomunicaciones. Diver-sas modalidades de acceso como lasredes DSL y HFC, basadas en redesfijas alambradas, son una soluciónválida en las zonas que son cubiertaspor estas redes. Sin embargo, en lasregiones que no cuentan con esta in-fraestructura de comunicación, losaccesos inalámbricos son una granalternativa.

Dentro de las soluciones inalámbri-cas aparece el estándar 802.16,1 queofrece soluciones a los problemas depropagación en ambientes rurales, adistancias considerables y con anchosde banda grandes. Este estándar pro-vee un amplio rango de solucionespara sistemas que van desde confi-guraciones punto multipunto hastaconfiguraciones enmalladas, desdesistemas basados en portadora únicahasta basados en múltiples portado-ras y que incluyen rangos de modu-lación y codificación de acuerdo conlas condiciones del canal.2,3,4

Dentro del estándar se eligió traba-jar sobre las llamadas redes enma-lladas, las cuales presentan un con-junto de propiedades deseables comola robustez y la capacidad de exten-der la cobertura de redes fijas o ina-lámbricas, apoyadas en una estaciónbase, hacia usuarios remotos que nopueden acceder a ellas directamentepor causa de obstáculos, distancia ocarencia de infraestructura.

El trabajo con este tipo de redes in-volucra un conjunto de aspectos téc-nicos que es necesario resolver, comoel dimensionamiento de las redes, por

la falta de ecuaciones o modelos quepermitan obtener la solución másóptima ante cierta necesidad. Másaún, no se cuenta con despliegues deesta tecnología en el modo enmalla-do que permita entender el funciona-miento y tomar mediciones que ayu-den a construir un modelo. Por estoes necesario plantear modelos teóri-cos y basados en simulación para en-tender su operación y ayudar en elplanteamiento de modelos equivalen-tes del sistema.

Se presentan algunos apartes del es-tándar 802.16-2004, necesarios paraentender el trabajo desarrollado, pos-teriormente varios conceptos de lasredes enmalladas, los modelos de si-mulación que se están desarrollandoy finalmente algunas conclusiones.

2. ESTÁNDAR 802.16-2004El grupo de trabajo IEEE 802.16,1 hacreado un nuevo estándar para acce-so inalámbrico de alta velocidad ybajo costo, con facilidad de implanta-ción y que provee una solución esca-lable al problema de extender las re-des fijas hacia usuarios remotos. Losenlaces basados en este estándar cu-bren distancias tan grandes como sie-te kilómetros, con velocidades alrede-dor de los 70 Mbps, en condicionesóptimas como la presencia de líneade vista.

Más allá de crear accesos a usuariospor medio de un simple salto inalám-brico, la tecnología puede ser utiliza-da para crear soluciones de backhaulde área amplia. Cuando la soluciónse despliega en modo enmallado nosolamente incrementa la coberturasino que provee menores costos deinstalación, un más rápido desplieguey opciones de reconfiguración.


La primera versión del estándar, co-nocida como la 802.16, presentó lascondiciones necesarias a nivel de ca-pas PHY & MAC para el desplieguede redes en topología punto multipun-to, con frecuencias superiores a los 11GHz y por lo tanto con requerimien-tos de línea de vista. Este sistemautiliza una modulación de portadoraúnica de ancho de banda grande.

La primera revisión corresponde al802.16a, el cual modifica las condi-ciones anteriores y permite operacio-nes con frecuencias menores a 11 GHze incluye los modos de operación sinlínea de vista y la modulación con latecnología OFDM.5

Una revisión final de este estándarcorrespondió a la llamada 802.16-2004 u 802.16d, la cual resume losconceptos establecidos en las versio-nes anteriores y determina cuatro ti-pos de tecnologías físicas orientadasa portadora única SC (Single Carrier)y a múltiples portadoras (OFDM).Define adicionalmente el modo deoperación punto multipunto PMP yel modo de operación enmallado.

El estándar de la IEEE define los flu-jos de señalización y los formatos delos mensajes necesarios para el esta-blecimiento y mantenimiento de laconexión en los modos de operacióndescritos anteriormente, sin embar-go deja abiertos ciertos aspectos comoel diseño y operación de los algorit-mos de planificación o Schedulingalgorithms. Se dejó el trabajo de de-sarrollarlos a los fabricantes de equi-pos, lo cual quizás agregue niveles decompetencia entre ellos.

El estándar plantea un sistema físicoorientado a la transmisión de señalesde banda ancha a gran velocidad enambientes rurales o urbanos. Estas

señales experimentan problemascomo la multitrayectoria6 que ocasio-na una distorsión en el tiempo de laseñal por cuenta de las diversas com-ponentes que llegan al receptor conretardos variables unas respecto deotras. Este problema hace que las com-ponentes de frecuencia de la señalsean tratadas de forma diferente, alcontrario de los canales de banda an-gosta, donde el efecto del canal es elmismo en todas las frecuencias. Elestándar define técnicas como el au-mento de los tiempos de duración delos símbolos por medio de su descom-posición en múltiples portadoras comoes el caso del OFDM. Adicionalmentese definen mecanismos como el tiem-po de guarda, para mitigar el proble-ma de la interferencia intersimbólicay mecanismos de modulación y codifi-cación adaptativas, para permitiracondicionar la comunicación al esta-do de atenuación del canal y lograrmayor rapidez o mayor robustez, se-gún sea la necesidad.

La capa MAC del estándar es orien-tada a la conexión aunque transporteinformación de protocolos de capassuperiores que no sean orientados ala conexión. Se compone de una sub-capa superior de convergencia queadapta la información de protocolos dered a las unidades de datos de la capaMAC inferior. La subcapa de conver-gencia está especificada para recibirdatos de redes basadas en IP y ATM,pero el estándar permite la inclusiónfutura de más tipos de datos.

La subcapa común de la capa MACprovee los servicios de clasificación,empaquetamiento y fragmentación delos paquetes recibidos. La clasificaciónse da en función de flujos de conexión,descritos por medio de un ConnectionIDentifier o CID. Éste determina


completamente las condiciones de lacomunicación como capacidad, modu-lación y codificación utilizadas, tiem-pos de transmisión asignados en latrama de datos y puede contar con me-canismos adicionales de verificaciónde errores como el ARQ.

La capa MAC es responsable del pro-ceso de entrada del nodo a la red, re-gistro del usuario y solicitud del anchode banda necesario para la comunica-ción. En el modo enmallado es adicio-nalmente responsable de conectarsecon los demás nodos del vecindario.

Como se mencionó anteriormente, lacapa MAC tiene la función de reali-zar la negociación de la capacidadasignada a cada conexión y de acuer-do con los requerimientos del tipo detráfico que transporta. Se definen losniveles de calidad de servicio comoUGS, rtPS, nrtPS y BE, de acuerdocon las necesidades de ancho de ban-da y retardo de los usuarios.

De manera complementaria al están-dar, aparece el Wimax Forum,7 quedetermina los aspectos concretos dela implementación de esta tecnología.Este consorcio de empresas se ha en-cargado de crear una metodología deverificación de la interoperabilidad delos equipos de los diferentes fabrican-tes, de una manera similar a la for-ma como opera el WiFi. Se espera quepara finales de 2005 se emitan losprimeros certificados para equipos enla banda de frecuencias de 3.5 GHz,conocidos como la primera ola Wimax.

Existen muchos problemas en el de-sarrollo de la tecnología, como el mo-delamiento y diseño de algoritmos deplanificación, controles de admisión,parámetros de diseño orientados a lagarantía de la calidad de servicio y elaprovechamiento óptimo de los recur-

sos. El problema del dimensiona-miento aún sigue abierto pues depen-de de los algoritmos mencionados.8 Elhecho de ser una tecnología nacientehace imposible realizar muchas prue-bas del funcionamiento del mismo,por lo que su análisis cae en el campode la simulación y el modelamientoteórico de los sistemas.

3. REDES ENMALLADASUna red enmallada es compuesta poruna colección de nodos que se comu-nican entre sí, de manera directa. Sino hay necesidad de una entidad cen-tralizada que los controle,9 el modode operación se conoce como distri-buido, pero puede existir una entidadcentral que administre las condicio-nes de operación de la red, en cuyocaso se conoce como centralizado.

En cualquier caso, la comunicación serealiza entre los nodos directamente ycada nodo puede ser al mismo tiempofuente o destino de los datos o un en-rutador de la información de otro nodo.

En la Figura 1 se muestra un diagra-ma de una red de múltiples saltos, don-de la información es llevada desde unextremo a otro por diferentes nodos.

Figura 1. Red enmallada.

Si los nodos de la red se conectan demanera autónoma, sin configuraciónprevia, se dice que la red opera en


modo ad hoc. Si los nodos tienen mo-vilidad, entonces se conocen como re-des móviles ad hoc o MANET (Mobi-le ad hoc NETwork). Su característi-ca principal es que existe un conti-nuo cambio en la topología de la red,con enlaces que aparecen y desapa-recen de modo permanente.

Las características más relevantes delas redes enmalladas inalámbricasson las siguientes:

• Robustez: La presencia de enla-ces redundantes entre los usua-rios permite que la red se recon-figure automáticamente ante fa-llas.

• Topología dinámica: Se supo-ne que las redes enmalladas tie-nen la capacidad de reaccionarante cambios de la topología dela red. Por lo tanto la topologíacambiante es una condición dediseño necesaria.

• Ancho de banda limitado:Como el proceso de comunicaciónexige transportar datos de otrosusuarios y la cercanía de unos conotros precisa una coordinación enlos tiempos de transmisión, lasredes enmalladas cuentan conenlaces que usualmente perma-necen en condiciones de conges-tión. Existen esfuerzos importan-tes en el estándar 802.16-2004para mejorar el acceso al medio ylograr mejores desempeños en lared. Las primeras versiones deredes enmalladas basadas en elestándar 802.1114,15 son bastanteineficientes en el aprovechamien-to del espectro.

• Seguridad: La informacióntransmitida se encuentra ex-puesta a la amenaza de viajar a

través de un medio compartido.El estándar define una subcapade seguridad para proteger la in-formación de los usuarios y evi-tar el acceso de usuarios no au-torizados.

• Canales de comunicaciónaleatorios: A diferencia de lasredes fijas, las redes inalámbri-cas cuentan con la incertidumbrepropia de los canales de comuni-cación de radio. La característicacambiante de los mismos hacebastante inciertas las condicionesde comunicación. El estándar de-fine aspectos como la modulacióny codificación adaptativas parahacer frente a este problema.

• Carencia de modelos de di-mensionamiento apropiados:El modelo de capacidad de redesde datos está orientado a deter-minar la capacidad del enlaceante procesos de multiplexaciónde la información de los usuarios.El modelo de capacidad de las re-des enmalladas de múltiples sal-tos es un problema abierto8,10,11,12

Las redes enmalladas proveen, sinembargo, condiciones que permiten elacceso a usuarios en regiones apar-tadas. Hay artículos13 que muestrancómo la capacidad de un usuario au-menta cuando se pueden utilizar sal-tos intermedios para acceder a la es-tación base. A medida que un usua-rio se aleja, la velocidad del canal dis-minuye por cuenta de la reducción delesquema de modulación y el aumen-to de la robustez de la codificaciónpara compensar la disminución de lapotencia recibida. Si este usuario sepuede conectar a la estación base pormedio de dos o más saltos, de menordistancia, se podría contar con enla-


ces de mayor velocidad, aumentandosu capacidad. Este argumento no escompletamente válido si no se tieneen cuenta que al aumentar los usua-rios que acceden de la misma forma,la agregación de tráfico en el nodointermedio hace que la capacidad nopueda incrementarse de la manerapensada. Sin embargo, debe poderseencontrar un punto intermedio quemejore las condiciones respecto a lasolución punto multipunto. Esta es lahipótesis fundamental del trabajo,donde las estaciones base de los sis-temas de acceso serán ubicadas enzonas de alta densidad de usuarios,pero la cobertura de las regiones ale-jadas, puede lograrse por medio demallas que extiendan la cobertura dela celda.

El estándar 802.16-20041 define lasdiferentes tramas, campos y procesosnecesarios para el establecimiento y

operación de las redes enmalladas,así como las condiciones de las tra-mas y subtramas para la comunica-ción. Al contrario del sistema de PMP,no se define una trama de uplink yotra de downlink, sino un conjunto detramas donde los usuarios puedentransmitir, previa asignación de ran-gos de tiempo. Las tramas se dividenen subtramas de control y de datos.Las primeras permiten controlar laoperación de la malla y realizar pro-cesos de solicitud y asignación de ca-pacidad. Las subtramas de datos sondivididas en unidades de tamaño fijo,llamadas minislots, las cuales son launidad de asignación de la capacidada los usuarios. Un usuario puede re-cibir entre 1 y 256 unidades anterio-res, especificando el minislot de ori-gen y la cantidad de minislots asig-nados. En la Figura 2 se muestranalgunos aspectos de estas tramas.

Figura 2. Tramas del modelo enmallado.


Los procesos desarrollados en las re-des enmalladas se pueden dividir entres fundamentalmente, entrada a lared, establecimiento de enlaces y ne-gociación de la capacidad.

3.1 Entrada a la redCuando un nodo aparece en la red,bien sea porque se acerca a su área decobertura o porque es encendido, debebuscar sincronizarse con la red. Estose logra explorando los campos de las

tramas recibidas hasta encontrar unmensaje de configuración llamadoMSH-NCFG. Una vez determinadaslas condiciones de la red, debe elegirun nodo patrocinador o Sponsor, elcual determinará su ingreso o no a lared. Este proceso se muestra en la Fi-gura 3. El proceso incluye la sincroni-zación fina debido a retardos de pro-pagación, asignación de una direcciónIP, configuración adicional del nodo yautorización del ingreso del nodo.

Figura 3. Entrada de un nodo a la red.


3.2 Establecimiento de enlacesCuando el nodo logra su entrada a lared debe establecer enlaces con susvecinos. El nodo escucha permanen-temente los mensajes transmitidos enla red, hasta determinar los vecinosque se encuentran a su alrededor,posteriormente el nodo les envía men-sajes para establecer enlaces conellos. En este caso, entre dos nodosse crea una etiqueta del enlace o LinkID, correspondiente a los ocho bitsinferiores del CID definido anterior-mente. Los nodos negocian la veloci-dad de comunicación y condiciones demodulación y codificación a utilizaren este enlace. Todo el proceso de ne-gociación se realiza por medio de en-cabezados de configuración, transmi-tidos a velocidad y codificación comúny robusta. El proceso de estableci-miento del enlace se muestra en laFigura 4.

3.3 Procesos de planificaciónEste aspecto es dejado como un temaabierto en el estándar. Se definen dosmétodos: centralizado y distribuidocon coordinación y sin ella. En todosellos el estándar define los procesos,campos y señalización para que unnodo pueda solicitar capacidad (Re-quest) y para que se pueda asignaresta capacidad (Grant).

El método centralizado se utilizacuando la variabilidad del tráfico delos nodos es lo suficientemente lentacomo para que se justifique todo elproceso de recolección de las peticio-nes hasta un nodo centralizado y eltiempo necesario para la distribucióndel nuevo esquema de asignación. Eneste caso hay un nodo que conoce elestado de toda la red.

El método distribuido está orientadoa sistemas en los cuales las asigna-

Figura 4. Establecimiento de enlaces entre nodos.


ficación para poder encontrar solucio-nes cerradas a las ecuaciones, comoes el caso de los modelos de capaci-dad de Gupta.10,11,12 Los límites obte-nidos por dichos autores son bastan-te amplios y de poca utilidad en elproceso de diseño en ingeniería. Sonorientados a conocer tendencias delas variables, como por ejemplo paradeterminar la variación de la capaci-dad ante el aumento del número denodos.

Relacionar las ecuaciones obtenidaspor diversos autores puede mostrardiferencias de uno o dos órdenes demagnitud. Es necesario desarrollarmodelos más concretos, que den re-sultados más detallados, aunque im-plique la solución numérica de ecua-ciones.

Finalmente los modelos matemáticosse orientan a definir límites para lacapacidad de la red o para el retardode los paquetes en la misma. No to-man ambos problemas de manera si-multánea.8 En este sentido es nece-sario mencionar que no significa queno se alcancen resultados en ambasdirecciones, sino que pueden obtenerresultados muy concretos en una delas variables, pero muy vagos, am-plios y poco concluyentes en otra deellas. En ese sentido establecen lími-tes, ciertos pero imprácticos. Porejemplo, no tiene sentido hacer unmodelo matemático que prediga quela velocidad de un vehículo de com-bustión de gasolina no puede supe-rar los 50000 m/s. Es una cantidadcierta, pero aún completamente inal-canzable, por lo cual no dice mucho.

En cuanto a las redes enmalladas,uno de los mayores problemas es li-diar con la interferencia producidapor la transmisión de los nodos veci-

ciones de capacidad son cambiadaspermanentemente, sin la posibilidadde esperar mientras se centraliza lainformación. El costo son algoritmoscomputacionales muy complejos,usualmente de órdenes de compleji-dad no polinómicos (NP).8,16

Los algoritmos de planificación sonun tema de investigación abierto puesse necesita el desarrollo de modelossimples que puedan ser aplicados entiempo real en máquinas de baja ca-pacidad computacional, con requeri-mientos de cálculo bajos.

3.4 Otros aspectos de las redesenmalladasEl estándar define conceptos de cali-dad de servicio (relacionados con elancho de banda y el retardo de lospaquetes) con una alta flexibilidadpara las redes PMP basadas en unsolo salto. Sin embargo, el lograr elmismo nivel de desempeño en redesde múltiples saltos es un problemaimportante.

Los modelos matemáticos desarrolla-dos para medir la capacidad de losenlaces se basan en principios comola independencia estadística entre lasdiferentes fuentes de datos que acce-den a una cola de transmisión. Sinembargo, en una red, donde los datosson transmitidos de nodo en nodo, lallegada de los datos a uno de ellos,procedentes de diferentes nodos, sonvariables aleatorias usualmente co-rrelacionadas por haber transitado através de otros nodos comunes en lared. Por ejemplo, nodos utilizados pormuchas rutas en la red, producen re-tardos similares en los paquetes quecirculan a través de ellos.

Otro problema de estos modelos ma-temáticos es la necesidad de simpli-


nos. Se define dentro del estándar queun nodo debe coordinar su transmi-sión con el llamado vecindario exten-dido, compuesto por sus vecinos y losvecinos de ellos. El proceso de diseñobasado en varias capas o cross-layer,campañas de simulación y el desarro-llo de modelos matemáticos y estadís-ticos es necesario para estimar posi-bles soluciones óptimas a estos pro-blemas.

Un aspecto inquietante del proble-ma planteado es que mientras el es-tándar define ciertos aspectos muydetalladamente, quedan otros ele-mentos sin la más mínima defini-ción y se encuentran relacionadosentre sí. Este es el caso de las con-diciones físicas del modelo de trans-misión. Por ejemplo, para una co-municación basada en OFDM enredes enmalladas, se puede calcu-lar que la capacidad equivalentevista por un enlace entre dos nodosestá dada por:

capacidad, se cuenta con modelosmuy simples o poco aplicables, desdeel punto de vista práctico, para esti-mar cuánto debe ser el valor de M.

4. SIMULACIÓN YMODELAMIENTODe acuerdo con los planteamientosanteriores es conveniente desarrollarmodelos detallados en forma mate-mática y de simulación para poderanalizar el comportamiento del sis-tema y adquirir el conocimiento ne-cesario para estimar los procesos deplanificación de redes basadas en estatecnología.

Se conocen trabajos preliminares deotros autores, algunos orientados a lasimulación de la capa física y elOFDM 19,20,21,22,23,24,25 y otros a simula-ciones de la capa MAC, principalmen-te orientados a la evaluación de polí-ticas de planificadores TDMA o a pla-nificadores de paquetes.

En el grupo de trabajo del 802.16, seencuentran esfuerzos orientados almodelamiento de canales como elmodelo Stanford University Interim,el cual es apropiado para terrenossemi urbanos, clasificados para el te-rritorio de Estados Unidos, pero nolo es para terrenos urbanos ni paralas condiciones propias de implanta-ción del sistema en nuestro país.

El modelo depende de las condicionesde la señal, ancho de banda y frecuen-cia. En este sentido, para ser concor-dante con el desarrollo de la tecnolo-gía se debe tener en cuenta que lasbandas que contarán con equipos cer-tificados por el foro Wimax, serán, ensu orden de aparición, en frecuenciasde 3.5 GHz, 2.5 GHz y de 5.8 GHz.En estos rangos de frecuencias sepuede contar con canales de alrede-

Ceq = K N portadoras . CB . CRBW . n

Nfft (1+CP)

Ecuación 1. Capacidad equivalentede un enlace en redes enmalladas.

Donde K es un factor que depende delnúmero M de minislots asignados aun enlace y está dado por:

K = M . CEIL

Ttrama . BW.n

Nm(1+CP)

256

. Nm (1+CP)

Ttrama . BW . n

-7 . MSH_CTRL_LEN

Ecuación 2. Factor de capacidadequivalente.

Aunque se pueden encontrar mode-los muy detallados para calcular la


dor de 5.5 MHz, no canales de 20 MHzcomo aparecen en el estándar y sesuponen de manera general. Este as-pecto es altamente limitante en eldiseño de sistemas basados en el es-tándar 802.16-2004. Se requiere puesestudiar los modelos de propagaciónajustados a las frecuencias y anchosde banda que tendrían los sistemasdesplegados en el país.

Se encuentra múltiple literatura demodelos de canales y sobre todo de losvalores de los parámetros como delayspread, doppler spread, path loss co-efficient, etc. en diferentes escenarios.Un tema de investigación importantees el desarrollo de estos modelos y sulectura y estimación en condicionespropias de nuestras ciudades.

El proceso de modelamiento y simu-lación de sistemas basados en el802.16-2004, requiere un estudio de-tallado de los modelos de propaga-ción, para poder tener en cuenta elaspecto incierto de la propagación enel diseño del sistema. Los simulado-res orientados a paquetes, como elNetwork Simulator 2 (NS2),26 el Om-Net++,27 etc. proveen buenas herra-mientas para la simulación de proto-colos, pero se quedan cortos al mo-mento de simular el canal de propa-gación. Por el contrario, herramien-tas como el ICS Telecom,28 o el EDX,29

son muy buenas en simulación de lapropagación, pero utilizan modelosmuy primitivos para diseño de redesde datos inalámbricas (usualmentemodelos poissonianos, aplicables aredes de voz, pero no a redes de da-tos). Se requiere la unión de simula-dores que integren estas dos fortale-zas para plantear modelos completosque permitan diseños y medidas máscercanos a la realidad de los sistemasmodelados.

Se plantea entonces un trabajo queincluye el modelo de la propagacióndentro del simulador de paquetes.Esto se logra por medio de un con-junto de simulaciones de nivel de en-lace, orientadas a encontrar tablas ocurvas que permitan determinar laprobabilidad de error de un paqueteo una trama transmitida, en funciónde parámetros como la relación señala ruido, la longitud de la trama, lamodulación y codificación utilizadas,el delay spread, etc., como se mues-tra en la Figura 5. En ella se apreciauna curva de probabilidad de errorde paquete en función de la SNR y desu variabilidad (medida por la varia-bilidad del canal, relacionada con fe-nómenos de fading y shadowing).

Figura 5. Curva de PER vs paráme-tros.

El modelo detallado de simulaciónpermitirá trabajar sobre modelosequivalentes de las capas inferioresque ayuden a establecer ideas respec-to al comportamiento del sistema. Losmodelos matemáticos son ajustadosa aspectos concretos del estándar ypor lo tanto aportarán al problema deingeniería relacionado con el diseño,planificación e implantación de estetipo de redes.


5. TRABAJO A DESARROLLAREl trabajo que se está desarrollandoinvolucra estudiantes de doctorado,maestría y pregrado de la UniversidadPontificia Bolivariana en Medellín y ainvestigadores de los grupos GEST yGIDATI de las dos universidades an-teriores. Se está desarrollando un si-mulador en el software de simulaciónNS2, creando una comunidad de tra-bajo alrededor de esta herramienta,reconocida internacionalmente en múl-tiples artículos e investigaciones deprestigiosas universidades.

El proceso incluye el desarrollo de lasentidades de capas PHY & MAC yelementos de información (paqueteso mensajes) para el avance de las si-mulaciones. En el proyecto se ha de-sarrollado un extenso estudio de lasimulación para lograr que las enti-dades creadas sean compatiblescon los demás elementos del sis-tema y se puedan aprovechar lasfuentes de tráfico, agentes y al-goritmos de capas superioresimplementados dentro de la pla-taforma.

El modelo planteado permite te-ner en cuenta diferentes co-nexiones o CID en una mismaentidad MAC, así como la inclu-sión de diversos modelos de pla-nificadores. Esto permite unaestructura que facilitará el de-sarrollo del modelo enmallado yun modelo PMP, con la mismafilosofía del simulador y pormedio de la reutilización de com-ponentes comunes.

El modelo se basa en aprovecharlas funcionalidades de canalesinalámbricos del NS2, pero mo-dificando las condiciones de pro-

pagación y del canal por medio de lainclusión de modelos propios, así comoel desarrollo de toda la entidad MAC.

El NS2 cuenta con un completo desa-rrollo de la capa MAC del 802.11, perotiene pocos elementos en común conla capa MAC del 802.16: sin embar-go su estudio permite entender el fun-cionamiento de la herramienta ymuestra la forma de solucionar pro-blemas concretos del desarrollo. Enla Figura 6 se presenta una versiónsimplificada del modelo a formalizar.

Se planea también encontrar un mo-delo estadístico que permita hallarinformación del sistema y desarrollarprocesos de análisis de desempeñoque ayuden en el proceso de dimen-sionamiento de las redes. Este mode-lo figura en proceso de planteamien-to actualmente.

Figura 6. Modelo de simulación.


6. CONCLUSIONESEl estándar IEEE 802.16-2004 pro-vee una nueva forma de acceso parausuarios a redes inalámbricas conbuenas condiciones de capacidad, dis-tancia de enlaces y costo, que la con-vierten en una tecnología de muy pro-bable aplicación en soluciones de co-bertura en el país, tanto para topolo-gías PMP como enmalladas.

El estándar de la IEEE define aspec-tos concretos de la tecnología como losflujos de señalización y los formatosde los mensajes pero deja sin definirciertos aspectos como el diseño y ope-ración de los algoritmos de planifica-ción y controles de admisión. Estosaspectos abiertos son oportunidadesde investigación.

Las características más relevantesde las redes enmalladas inalámbri-cas son la robustez, la topología di-námica, el ancho de banda limitado,la seguridad, la aleatoriedad de loscanales de comunicación y la faltade modelos de dimensionamientoapropiados.

La solución enmallada incrementa lacobertura de la solución PMP, reducecostos y tiempo de instalación e in-crementa la robustez de la red. Sinembargo, es necesario estudiar aspec-tos como la agregación de tráfico paratener medidas más realistas de lacapacidad y obtener un punto inter-medio que permita extender la capa-cidad de las redes PMP por medio deredes enmalladas.

El estándar define conceptos de cali-dad de servicio con una alta flexibili-dad para las redes PMP basadas enun solo salto. Sin embargo, el lograrel mismo nivel de desempeño en re-des de múltiples saltos es un proble-ma por solucionar.

Las dificultades en el planteamientode modelos matemáticos apropiados,hace que este sea un tema abierto deinvestigación en las redes enmalla-das. Modelos que tomen en cuentaaspectos concretos de la tecnologíason necesarios para los procesos dedimensionamiento de redes basadasen el estándar.

Ante la inexistencia de equipos conlas funcionalidades presentes en elestándar, se requiere el desarrollo demodelos de simulación para compren-der el funcionamiento detallado delsistema.

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15. T. Networks, “802.11 technolo-gies: past, present and future,”2004, pp.

16. G. N. Higginbottom, “Performan-ce evaluation of communicationnetworks”. Boston: Artech House,1998.

CURRÍCULORoberto Bustamante Miller. Inge-

niero Electrónico, graduado en laUniversidad de Surrey, Inglaterra.PhD en Ingeniería Electrónica(Antenas Adaptativas), Universi-dad de Surrey, Inglaterra. Actual-mente es profesor Asociado de laUniversidad de los Andes y direc-tor del Departamento de Ingenie-ría Eléctrica y Electrónica.

Roberto Carlos Hincapié. Ingenie-ro Electrónico y Magíster en Te-lecomunicaciones de la Universi-dad Pontificia Bolivariana. Ac-tualmente es candidato a doctoren Ingeniería, área de Telecomu-nicaciones en la misma Universi-dad, e investigador en el grupoGIDATI.

análisis, modelamiento y simulación de redes enmalladas ...€¦ · 2. estÁndar 802.16-2004 el...

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