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Propuesta de mejora con soluciones QoS y an�lisis de Site Survey mediante simulaci�n de dise�os de redes inal�mbricas que presentan problemas radioel�ctricos en universidades

 

Improvement proposal with QoS solutions and Site Survey analysis through simulation of wireless network designs that present radioelectric problems in universities

 

Proposta de melhoria com solu��es de QoS e an�lise de Site Survey atrav�s da simula��o de projetos de redes sem fio que apresentam problemas radioel�tricos em universidades

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: mauricio.moreno@utm.edu.ec

 

Ciencias de la Computaci�n

Art�culo de Investigaci�n

 

�������� *Recibido: 01 de febrero de 2023 *Aceptado: 21 de febrero de 2023 * Publicado: 30 de marzo de 2023

 

        I.            Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

Resumen

Las universidades en el Ecuador, para mantener su permiso de funcionamiento, deben de cumplir con cierto n�mero de indicadores dispuestos por el CACES. Uno de esos indicadores, eval�a la conectividad de libre acceso a internet en las universidades. La implementaci�n de redes inal�mbricas con acceso libre a internet suele tener una alta concentraci�n de usuarios, siendo un tema de inter�s para profesionales en ingenier�a de radiocomunicaciones. El presente documento tiene por objetivo estudiar algunas de las problem�ticas encontradas en la red wifi del campus Lodana de la Universidad T�cnica de Manab�, por ser una red de este tipo. Con este prop�sito, se realizan una serie de estudios de campo pasivos o Site Survey, sobre una red inal�mbrica que se encuentra actualmente en el campus, por tanto, un escenario real y a la vez beneficioso para la universidad. El software profesional Acrylic Wi-Fi HeatMaps que realiza estudios de Site Survey fue utilizado para obtener una estimaci�n de la red actual y proponer 2 dise�os adicionales. Los resultados de los dise�os fueron ingresados en el simulador Opnet, gracias a su gran desempe�o en la representaci�n de datos, siendo aplicado en solo un dise�o, los mecanismos de calidad de servicio.

Palabras Claves: Wlan; QoS; Estudio de Sitio; Radio Frecuencia; EDCA.

 

Abstract

Universities in Ecuador, in order to maintain their operating permit, must comply with a certain number of indicators set by CACES. One of these indicators evaluates the connectivity of free internet access in universities. The implementation of wireless networks with free internet access usually has a high concentration of users, being a topic of interest for professionals in radio communications engineering. This paper aims to study some of the problems encountered in the wifi network of the Lodana campus of the Technical University of Manabi, as it is a network of this type. For this purpose, a series of passive field studies or Site Survey, on a wireless network that is currently on campus, therefore, a real scenario and at the same time beneficial for the university. Acrylic Wi-Fi HeatMaps professional software that performs Site Survey studies was used to obtain an estimate of the current network and propose 2 additional designs. The results of the designs were entered into the Opnet simulator, thanks to its great performance in data representation, being applied in only one design, the quality of service mechanisms.

Keywords: WLAN; QoS; Site Survey; Radio Frequency; EDCA.

 

Resumo

As universidades do Equador, para manter sua licen�a de funcionamento, devem cumprir um certo n�mero de indicadores estabelecidos pelo CACES. Um desses indicadores avalia a conectividade de acesso gratuito � Internet nas universidades. A implanta��o de redes sem fio com acesso gratuito � internet costuma ter alta concentra��o de usu�rios, sendo um tema de interesse para profissionais da engenharia de radiocomunica��es. O objetivo deste documento � estudar alguns dos problemas encontrados na rede Wi-Fi do campus Lodana da Universidade T�cnica de Manab�, por se tratar de uma rede desse tipo. Com esse prop�sito, uma s�rie de estudos de campo passivos ou Site Survey s�o realizados em uma rede sem fio que est� atualmente no campus, portanto, um cen�rio real e ao mesmo tempo ben�fico para a universidade. O software profissional Acrylic Wi-Fi HeatMaps que realiza estudos de Site Survey foi usado para obter uma estimativa da rede atual e propor 2 projetos adicionais. Os resultados dos projetos foram inseridos no simulador Opnet, gra�as ao seu �timo desempenho na representa��o de dados, sendo aplicados em apenas um projeto, os mecanismos de qualidade de servi�o.

Palavras-chave: Wlan; QoS; Levantamento do local; frequ�ncia de r�dio; EDCA.

 

Introducci�n

Actualmente, el vertiginoso desarrollo de la Inform�tica est� avanzado m�s, al generar nuevas tecnolog�as que a menudo llamamos Internet. Este fen�meno mundial se manifiesta en diversas aplicaciones, como Web, Video, VoIP, correo electr�nico, entre otras, y es b�sicamente un medio utilizado para acelerar procesos de comunicaci�n, convirti�ndose en un icono en esta era de globalizaci�n. Lo mismo pasa con las instituciones educativas que no pueden desprenderse del uso de Internet para la implementaci�n de sus actividades. De la misma manera el desarrollo de actividades administrativas, de aprendizaje e investigaci�n no pueden dejar de lado el uso de Internet [1].

Debido a la movilidad y gesti�n de ubicaci�n en diferentes escenarios de despliegue, las redes WLAN (Wireless Local Area Network) o Wifi, gozan de una gran aceptaci�n gracias a que en la actualidad la mayor�a de equipos inteligentes, desde tel�fonos celulares hasta ordenadores port�tiles, presentan m�dulos de transmisi�n/recepci�n que facilitan la conexi�n a este tipo de redes [2]. En este contexto, a partir de la implementaci�n, el est�ndar 802.11 de IEEE^[1] se ha dispuesto como el est�ndar t�cnico mundial para la implementaci�n de redes WLAN.

La comunicaci�n inal�mbrica no se encuentra unida por un medio de difusi�n f�sico. Para [3], esta se genera con modulaciones de ondas electromagn�ticas a trav�s del espacio. Los entornos donde se desempe�a una red WLAN pueden ir desde el uso dom�stico (1 o 2 puntos de acceso de red), hasta redes con una mayor concentraci�n de usuarios tipo empresarial (>3 puntos de acceso de red), las cuales requieren de un dise�o y planificaci�n m�s definida estructuralmente, tal como lo indica [4] y donde su uso se hace m�s indiscutible en instalaciones grandes como, hoteles, centros de convenciones, campus universitarios, donde las redes inal�mbricas deben otorgar un acceso seguro y confiable, no solamente para habitaciones, oficinas, salones de clase y, sino tambi�n en espacios abiertos de libre acceso.

Otro aspecto importante a considerar, es que, al acrecentar el volumen de la red y la cantidad de posibles usuarios, las posibilidades de aumentar el flujo de tr�fico de red de forma abrupta y en tiempo real son m�s probables, atesorando efectos directos sobre el volumen de tr�fico y la distribuci�n de carga [5], [6]. Para [2], [7], otros factores a tener en cuenta en el desarrollo de este tipo de redes es el correcto uso de canales radioel�ctricos, para evitar interferencias, adem�s de la cobertura y la intensidad de la se�al

Esta investigaci�n naci� de la necesidad de conocer algunas problem�ticas que suelen tener las redes WLAN y gracias a la predisposici�n de las autoridades universitarias por conocer la situaci�n real de su red de datos inal�mbrica, para preparase para futuras autoevaluaciones internas en cuanto a conectividad. Para ello, se realiz� un estudio radioel�ctrico en un Campus de la Universidad T�cnica de Manab� (UTM). En la actualidad, este campus cuenta con una red Wifi que presta servicios a un alto volumen de estudiantes, profesores y personal administrativo, tanto en aulas, oficinas y laboratorios docentes y de investigaci�n, como en espacios abiertos. Para la toma de informaci�n se us� un software profesional que permite realizar relevamientos de datos o surveys pasivos [8] e identificar posibles anomal�as electromagn�ticas en la red inal�mbrica de estudio, por tanto, deber�an tenerse en cuenta en maniobras similares.

El presente art�culo est� estructurado de la siguiente manera. Luego de la presente Introducci�n, la secci�n 2 se encarga de revisar brevemente lo que son las wlan junto con los est�ndares 802.11 y 802.11e. A continuaci�n, en la secci�n 3 se describe el entorno de estudio, las herramientas de software utilizadas y la metodolog�a para la recolecci�n de datos. En la secci�n 4 se muestran los resultados y finalmente en la secci�n 5 las conclusiones.

 

�Redes WLAN y el Est�ndar 802.11

a) WLAN

Las redes inal�mbricas de �rea local o WLAN tienen su origen a finales de la d�cada de los a�os 70, cuando trabajadores de IBM^[2] experimentaron en transmisiones con enlaces de infrarrojos en una red local de una f�brica, posterior a esos acontecimientos se utilizaron las microondas y en el a�o de 1985 la FCC^[3] da apertura al uso de un grupo de bandas de uso libre ISM^[4], que favoreci� el desarrollo comercial de las redes inal�mbricas de �rea local. Es descrita por [9], como un medio de transmisi�n de datos, que tiene todas las funcionalidades de las redes LAN^[5] tradicionales, pero que maneja ondas electromagn�ticas en frecuencias libres de 2,4 GHz y 5 GHz conocidas como bandas, facilitando la movilidad de los usuarios y los dispositivos.

Para [9], [10] las redes inal�mbricas y en especial las de uso local, son una alternativa r�pida, barata y eficiente de comunicaci�n, que busca ofrecer varias alternativas de uso propiciando flexibilidad, movilidad al momento de conectarse, facilitando la instalaci�n y el ahorro de dinero. Hoy en d�a este esquema de comunicaci�n tiene su protocolo est�ndar que es el IEEE 802.11, a medida que el entorno de la tecnolog�a evoluciona y con ello las necesidades de ancho de banda y cobertura, el est�ndar concede las variantes que se acoplan a estos requerimientos. Por tal raz�n, existe una amplia variedad de dispositivos electr�nicos con muchas funcionalidades atractivas para el usuario que cuentan con conectividad inal�mbrica [9].

b) 802.11

Seg�n lo indica [11], en el a�o 1884 es creada la IEEE, con la misi�n de estandarizar las tendencias tecnol�gicas en el mundo y con alrededor de 370000 miembros en las diferentes �reas de la ingenier�a como: la Electricidad, la Electr�nica, la Computaci�n, las Matem�ticas, la Biomedicina, las Telecomunicaciones entre otras. En las �reas del Networking ha desarrollado muchos est�ndares, el desarrollo de la tecnolog�a Wifi, como se conoce a las redes IEEE 802.11 ya tiene m�s de 28 a�os en desarrollo seg�n nos cuenta [12], enfocados especialmente en las dos capas inferiores del modelo de referencia OSI (Open System Interconnection). Por el a�o 1997 es publicado el est�ndar 802.11, cuyo funcionamiento era dedicado a redes WLAN, donde su protagonismo se centraba en la capa F�sica y Enlace de Datos, del modelo OSI. Las variantes del est�ndar 802.11 se presentan en la tabla siguiente:

 

Tabla 1. Grupos de Tareas de 802.11

 

c) QoS en el est�ndar 802.11e

Las siglas QoS obedecen a Quality of Service que en espa�ol significa calidad de servicio. QoS es un mecanismo que sirve para medir qu� tan bien est� una red y un intento de definir las caracter�sticas y propiedades de un servicio [13]. La QoS se refiere a la capacidad que tiene una red para ofrecer servicios mejorados y planificados en cierto tr�fico de red con el objetivo de tener ancho de banda equitativa o diferenciada, reducir los tiempos de espera, administrar la congesti�n de la red para evitar colisiones, manejar prioridades de clasificaci�n de tr�fico.

Seg�n nos dice [9], en un principio el est�ndar 802.11 no estaba dise�ado para soportar calidad de servicio y solo se limitaba a controlar las colisiones a trav�s de los mecanismos DCF^[6] y PCF^[7]. Posterior a ello con el aumento de requerimientos de m�s dispositivos conectados se hizo notoria la congesti�n de cuellos de botella en las redes inal�mbricas. Lo que condujo al grupo de trabajo [14] a buscar otra forma de aprovisionar QoS en las redes WLAN y estandarizar con un nombre a los dispositivos o estaciones de trabajo compatibles con QoS denominadas QSTA (QoS Station), y las que no son compatibles como nQSTA (non-QoS Station).

Mecanismos de 802.11e

El objetivo principal del grupo de trabajo [14], fue de introducir nuevos mecanismos a nivel de capa MAC^[8] para satisfacer los requerimientos y garant�as de Calidad de Servicio. Para cumplir el objetivo se introdujo una nueva funci�n a la capa MAC llamado Hybrid Coordination Function (HCF) con dos tipos de acceso al medio:

1)      EDCA, Enhanced Distributed Channel Access.

2)      HCCA, HCF Controlled Access.

En este est�ndar se definen cuatro categor�as de acceso al medio (AC).

1)      Background (AC_BK)

2)      Best Effort (AC_BE)

3)      Video (AC_VI)

4)      Voice (AC_VO)

Para conseguir la diferenciaci�n del tr�fico se establecen diferentes tiempos de acceso al medio y diferentes tama�os de la ventana de contenci�n (CW) para cada una de las categor�as.

 

EDCA

Significa acceso mejorado al canal distribuido y es el m�todo m�s acorde a esta investigaci�n por las siguientes razones. Ambos m�todos HCCA como EDCA tienen una base com�n porque dan paso a la priorizaci�n del tr�fico, pero de diferentes formas, por lo tanto, se estuvo de acuerdo con [6] de que el m�todo EDCA es el m�s extendido y obligatorio para los sistemas certificados Wifi y que soportan WMM. Sencillamente porque el m�todo HCCA es menos extendido y es soportado por un n�mero reducido de sistemas.

 

DiffServ

Seg�n el RFC2475 de S. Blake [15] el modelo Diffserv promueve una soluci�n para brindar calidad de servicio mediante la priorizaci�n del tr�fico. Esta calidad se obtiene mediante la reserva de recursos en los nodos intermedios (AP, routers), haciendo posible el marcado de tr�fico tanto en capa 2 como en capa 3 y permaneciendo constante en la capa de red en una comunicaci�n extremo a extremo. En cuanto al marcado de paquetes este se lo hace mediante la asignaci�n de un c�digo espec�fico llamado DSCP (DiffServ Code Point), para identificar a cada clase de tr�fico. En la actualidad el campo DS (Differentiated Services), tambi�n conocido como ToS (Type of Service) en la cabecera IP (ver figura 1) se utiliza para albergar dos tipos de sub campos, uno es el conocido DSCP utilizando los primeros 6 bits y otro llamado ECN (Explicit Congestion Notification) utilizando los 2 bits restantes, seg�n [16], [17].

 

Figura 1. Trama IP 802.11 y 802.11e � Fuente: elaboraci�n propia.

 

M�todo de investigaci�n

Lugar y momento de la investigaci�n

Esta investigaci�n se realiz� en las facultades de Ingenier�a Agr�cola y Ciencias Veterinarias de la Universidad T�cnica de Manab� ubicadas en la parroquia Lodana del cant�n Santa Ana de la provincia de Manab�. Estas facultades son extensiones de la Universidad en esta localidad. El objeto de esta investigaci�n es la red WLAN de acceso libre en el lugar. La investigaci�n comenz� el 7 de diciembre de 2020.

 

Antecedentes

En el Ecuador, es el CACES^[9], el organismo p�blico t�cnico, con personer�a jur�dica que tiene a su cargo la regulaci�n, planificaci�n y coordinaci�n del sistema de aseguramiento de la calidad de la educaci�n superior; con facultad regulatoria y de gesti�n [18].

Para poder regular a las universidades ecuatorianas este organismo propone el cumplimiento de una serie de indicadores acentuados en un modelo de evaluaci�n concreto para satisfacer con los requerimientos de calidad. Los modelos est�n divididos por criterios y sub-criterios y estos a su vez sustentan su cumplimiento en indicadores. Un indicador particular que est� siempre presente en los modelos de evaluaci�n para las universidades tiene que ver con la conectividad.

El campus Lodana de la Universidad T�cnica de Manab�, ha mantenido el uso de Internet como eje sustancial de sus actividades educativas, docentes y de investigaci�n. La mala calidad de Internet puede obstruir el proceso de ense�anza/aprendizaje, investigaci�n y administraci�n del campus. Un informe del departamento de evaluaci�n de la Universidad T�cnica de Manab� en el a�o 2019 evidenci� la presencia de problemas de conectividad en el campus Lodana (tambi�n conocido extensi�n Santa Ana) descrito en la tabla 2.

 

Tabla 2. Datos de la presencia de cobertura en ambientes de trabajo y esparcimiento, (Elaboraci�n propia)

 

Herramientas y materiales

La realizaci�n de estudios de sitio o site surveys es un paso necesario para el an�lisis, dise�o e implementaci�n profesional de una red inal�mbrica en un ambiente determinado. Por tal motivo, es posible conocer par�metros radioel�ctricos de una red WLAN, como intensidad de se�al de sus canales, bandas de funcionamiento, relaci�n se�al a ruido (SNR), nivel de interferencia, entre otros. Para realizar un surveys, se necesita tener instalada una herramienta de software espec�fica en un equipo terminal, el cual debe contar con un adaptador WiFi que se encarga de registrar, almacenar, analizar y visualizar los datos represent�ndolos a trav�s de mapas de calor y estad�sticas.

La herramienta que se seleccion� para esta investigaci�n es Acrily WiFi en sus versiones Profesional y HeatMaps, con licencia estudiantil. El software Acrylic Wifi (en sus m�dulos Profesional, Heatmaps & Sniffer), est� catalogado entre los 5 mejores software de estudio de redes inal�mbricas seg�n el ranking proporcionado por el sitio web del programa NetSpot^[10] que tambi�n se dedica al estudio de mapas de calor de radio frecuencias. Cabe mencionar que, en esta clase de software, fue muy dif�cil encontrar licencias libres, debido a la gran demanda de uso comercial que existe en el mercado.

Para un correcto escaneo de los datos se adquiri� por el portal web de ebay la antena ALFA AWUS1900, la cual es de largo alcance y puede funcionar tanto en la banda de 2.4Ghz y 5Ghz (ver figura 2), ya que es la antena m�s recomendada por este software y con la cual se obtiene mayor rendimiento en muy poco tiempo al estar clasificada como recomendada^[11].

 

Figura 2. Antena Alfa AWUS1900 � Fuente: ebay.com

 

Adicional a esto, se necesit� del uso de un servidor iperf el cual se instal� temporalmente en la red de �rea local de las facultades de Ingenier�a Agr�cola y Ciencias Veterinarias, por motivos de que Acrylic Wifi Heatmaps necesita de este servidor para poder escuchar los datos de la red en modo monitor o promiscuo, mientras se realiza el estudio de monitoreo de la red (ver figura 3). El servidor iperf3 tambi�n se puede usar de modo manual bajo la l�nea de comandos de Windows y as� escuchar el tr�fico de red, determinando tasa de transferencias, perdida de paquetes, ancho de banda, jitter, latencia.

 

Figura 3. Esquema con iperf3 � Fuente: elaboraci�n propia.

 

Las herramientas utilizadas en esta investigaci�n, para analizar la red existente en este lugar fueron:

1 laptop (como cliente)

-          S.O. Windows 10 Profesional de 64 bits

-          procesador Intel Core i7 de 8va generaci�n

-          Velocidad de 2,20 GHz

-          16 GB de RAM DDR4

-          disco duro de 125 GB SSD en estado s�lido

-          1 TB de HDD

1 laptop (como servidor iperf3)

-          S.O. Windows 8.1 Profesional de 64 bits

-          Procesador Intel Core i7 de 4ta generaci�n

-          Velocidad de 2.0 GHz

-          6 GB de RAM DDR4

-          1 TB de HDD

1 antena Wifi de largo alcance (conectada al cliente)

-          Modelo ALFA AWUS1900

-          Bandas de 2.4 GHz y 5 GHz

Software

-          Servidor iperf3

-          Acrylic Wifi HeatMaps, Profesional (licencia acad�mica)

-          Simulador OPNET Modeler v17.5. (licencia educativa)

 

Descripci�n de sitios

Para esta investigaci�n se ha seleccionado el espacio dentro del edificio en el cual convergen los servicios inal�mbricos de acceso libre del Campus �Lodana� de la UTM. Este edificio cuenta con un total de 3 pisos. Con los permisos respectivos de las autoridades del campus de la universidad se realiz�, en una primera etapa, un inventario t�cnico de la red inal�mbrica de acceso libre en este edificio, dando como resultado los datos que se detallan en la tabla 3.

 

Tabla 3. N�mero de AP�s instalados, (Elaboraci�n propia)

 

Procedimiento Site Survey

En esta parte de la investigaci�n se revis� y se recolect� informaci�n de las redes inal�mbricas de cada una de las facultades de Ingenier�a Agr�cola y Ciencias Veterinarias de la UTM, donde se hizo especial �nfasis en las redes inal�mbricas de acceso libre con alta concentraci�n de usuarios y que son del inter�s de la universidad. La informaci�n tomada adem�s de los par�metros de calidad de servicio fueron las caracter�sticas f�sicas y l�gicas de los AP�s como la potencia de se�al recibida, la relaci�n se�al a ruido, p�rdida de se�al, frecuencia de canales, entre otros. Esta informaci�n se recab� de forma ordenada aplicando una t�cnica realizada por [19], la cual consisti� en dividir por cuadrantes el espacio de trabajo, obteniendo una precisi�n ordenada de los datos que emanan los AP�s de la red en un determinado cuadrante. Todo esto fue necesario, para conocer el estado actual de la red inal�mbrica y poder tener un dise�o de la misma. Antes de iniciar el proceso Site Survey como tal se analiz� que tipo de herramientas realizan este tipo de procesos, siendo el software Acrylic WiFi el escogido para este procedimiento.

Para que el software tuviese sincronismo con los recorridos y lugares donde se toman las muestras de datos se utilizaron mapas digitalizados del Edificio, est� informaci�n se la ingres� en el software de Acrylic WiFi HeatMaps al momento de crear un nuevo proyecto de survey. Una vez que se carg� el mapa digitalizado, se defini� su escala, tomando un punto en particular que servir� como referencia de la longitud real, las veces que lo indique el software.

La apertura del recorrido se inici� marcando en el software la posici�n actual del operador. A medida que el operador se desplazaba a lo largo de patios, pasillos, aulas y oficinas, deb�a marcar la posici�n en cada punto que signifique un giro o cambio de direcci�n. De esta manera, la herramienta a trav�s de la antena ALFA AWUS1900 sab�a permanentemente la ubicaci�n del operador y que caracter�sticas de informaci�n exist�a en ese punto. Este paso se encuentra en la parte media del proceso de diagn�stico de la red, tal como se aprecia en la figura 5 una vez que se acepta la herramienta de trabajo.

Se defini� un conjunto de umbrales con los cuales Acrilyc WiFi analiz� y visualiz� los resultados. En la figura 4 podemos ver un ejemplo donde especificamos que con un m�nimo de -75 decibelios puede existir comunicaci�n de nuestros terminales dentro de la red. En este estudio se trabaj� con los siguientes requerimientos:

-          Banda: 2.4 GHz

-          RSSI: -75 dBm (m�nimo)

-          SNR: 20 dB (m�nimo)

-          Round Trip Time: 200 ms (m�ximo)

-          P�rdida de paquetes: 2% (m�ximo)

-          Activar la opci�n QoS

Figura 4. Ajustes de RSSI � Fuente: Elaboraci�n propia.

 

A continuaci�n, en la Figura 5 se muestra un diagrama de los pasos realizados desde el inicio de la investigaci�n, an�lisis de la documentaci�n, la elecci�n de la herramienta de trabajo y la obtenci�n de las caracter�sticas de la red inal�mbrica, como elementos, dise�o y configuraciones que tuvieron lugar en el desarrollo, con lo cual se pudo tener el dise�o de la red actual.

 

Figura 5. Diagrama para recolecci�n la de datos y diagn�stico de las redes - Elaboraci�n propia.

 

Planificaci�n de Dise�os

Despu�s de obtenido el dise�o actual de la red inal�mbrica, la idea fue plantear dos dise�os m�s, con la funci�n predictiva de Acrylic-WiFi HeatMaps, con la idea mejorar posibles falencias en cobertura e interferencias que pudieron haber existido en el primer survey. Esto puede apreciarse en la primera parte del proceso del diagrama de simulaci�n final en la figura 6.

 

Procesos de simulaciones

Para las simulaciones primero se tuvo que indagar en otros trabajos de investigaci�n para conocer que software era el m�s utilizado y que bondades pod�a ofrecer, lo cual se hac�a muy dif�cil. Por tal raz�n se simplific� buscando trabajos de comparaci�n de simuladores lo cual resulto esencial y dentro de esas investigaciones se dio con una publicaci�n, en la cual seg�n [20] los par�metros que m�s definen la elecci�n del mejor simulador para redes de datos, son la curva de aprendizaje y el tipo de licencia. En este contexto se eligi� el software OPNET Modeler en su versi�n Riverved Modeler Academic Edition 17.5, que nos permiti� desarrollar entornos simulados de calidad.

A medida que se obten�a cada dise�o, su informaci�n era ingresada en el simulador Opnet Modeler v17.5, con el fin de comparar el modelo actual con los modelos posteriores. Esto se puede ver a partir del proceso "Ingresar informaci�n a la red�, de la figura 6.

 

Figura 6. Diagrama de simulaci�n final - Elaboraci�n propia

 

El software de Opnet Modeler Academic Edition v17.5 tambi�n permiti� el ingreso de un plano digitalizado, d�ndole un sentido de orientaci�n correcto al momento de la ubicaci�n de los elementos de red, tal como se aprecia en las figuras 15,16,17 de la simulaci�n de dise�os. Una vez implantado el dise�o con los respectivos elementos y configuraciones de red, se establecieron los estad�sticos de medici�n en toda la red general, estos par�metros son el ancho de banda, el retraso, el rendimiento y los paquetes perdidos mediante la aplicaci�n de Opnet Modeler.

Los estad�sticos permitieron evaluar los resultados de las pruebas de rendimiento de la red, basadas en los par�metros de calidad de servicio de los dise�os propuestos para la UTM. Estas lecturas en un principio se pensaron que ser�an testeadas en ambientes reales pero debido a la pandemia mundial que vivi� el planeta los confinamientos impidieron el transcurso normal de la actividad acad�mica en la universidad, por tal raz�n con esta finalidad se utiliz� el software Opnet Modeler para simular este ambiente de redes inal�mbricas.

 

Resultados

Las siguientes etapas de resultados fueron procesadas por el software Acrylic Wi-Fi HeatMaps v4.4 de Tarlogic con licencia acad�mica y el software de simulaci�n Opnet Modeler v17.5 de licencia educativa. Los recorridos realizados en los predios del campus se realizaron en las tres plantas y a trav�s de todos los ambientes tal como lo disponen las evaluaciones a instituciones de educaci�n superior. Los recorridos se realizaron por plantas separadas, en las cuales se detect� 15 AP�s^[12] para la red inal�mbrica de uso p�blico. Como se puede apreciar en la figura 7.

 

Figura 7. Red de acceso p�blico del campus Lodana en las facultades de Agr�cola y Veterinaria- Elaboraci�n propia

 

En cuanto al n�mero de redes detectadas en el �rea se encontr� una red que produc�a una interferencia importante en las dem�s, debido a que el dispositivo ten�a activado la funci�n para trabajar en bandas tanto para 2.4Ghz como 5Ghz, tal como lo indica la siguiente figura 8, en donde se pudo apreciar que la red �VICEDECANATO VETERINARIA� es la que produc�a dicha interferencia al emitir una se�al en 5Ghz.

 

Figura 8. Redes detectadas � Fuente: elaboraci�n propia.

 

A continuaci�n, en la figura 9 se muestra el espectro radioel�ctrico del �rea, donde se pudo apreciar claramente la afectaci�n de la red �VICEDECANATO VETERINARIA�.

 

Figura 9. Interferencia de todo el espectro

radioel�ctrico � Fuente: elaboraci�n propia.

 

Una ventaja del software Acrylic Wi-Fi HeatMaps es que puede eliminar redes en cualquier resultado. Por lo tanto, se comprob� que eliminando la red de 5 GHz de �VICEDECANATO VETERINARIA�, se elimina consigo algo de interferencia en el espacio, como se pudo apreciar en la figura 10.

 

Figura 10. Interferencia del espectro radioel�ctrico sin presencia de redes de 5GHz � Fuente: elaboraci�n propia.

En la figura 10 se comprob� que la interferencia no desaparec�a del todo y es debido a que justo en ese lugar existe un �rbol de gran tama�o (ver figura 7) cuya circunferencia tiene un di�metro mayor a los 70 cm y que seg�n los resultados causa una interferencia importante, adem�s del evidente solapamiento de canales tal como se muestra en la figura 11.

 

Figura 11. Solapamiento de canales � Fuente: elaboraci�n propia.

 

Dise�os

Mediante el estudio de sitio se obtuvo informaci�n de las redes inal�mbricas que se distribuyen en el lugar, obteniendo datos exactos y a partir de ah� elaborar dise�os propuestos que representen el entorno de trabajo de estas redes en el campus. Se obtuvieron 3 dise�os de surveys que posteriormente fueron plasmados en dise�os de red en Opnet Modeler, el dise�o 1 que corresponde al estado actual de la red Wifi, como se puede apreciar en la figura 12.

 

Figura 12. Dise�o 1 de Site Survey � Fuente: elaboraci�n propia.

 

El dise�o 2 comprendi� una mejora en la configuraci�n de los AP�s, adem�s del sentido de orientaci�n de la se�al sin alterar la ubicaci�n de los equipos, como se observa en la figura 13.

 

Figura 13. Dise�o 2 de Site Survey � Fuente: elaboraci�n propia.

 

Y un dise�o 3 (ver figura 14) donde se alter� la ubicaci�n de los equipos inal�mbricos y su configuraci�n que posteriormente ser�a plasmado en Opnet Modeler adicionando mecanismos de QoS.

Figura 14. Dise�o 3 de Site Survey � Fuente: elaboraci�n propia.

 

Resultados de las Simulaciones

Para la simulaci�n de los dise�os en el software Opnet Modeler se consideraron los siguientes escenarios:

Escenario 1:

�         Se plantea el esquema actual de la red inal�mbrica.

�         Se agregan 2 APs en banda de frecuencia de 5 GHz, a modo de generar interferencia, radiando se�al en la mitad del edificio.

�         Se deja por defecto las caracter�sticas de QoS de la red.

 

Figura 15. Dise�o de red para el escenario 1.

Escenario 2:

�         Se reestructura los canales de frecuencia utilizados en los APs de toda la red.

�         Se elimina la red de se�al de 5 GHz.

�         Se deja por defecto las caracter�sticas de QoS de la red.

 

Figura 16. Dise�o de red para el escenario 2.

 

Escenario 3:

�         Se mantiene toda configuraci�n del escenario 2.

�         Se configuran los par�metros de QoS del est�ndar 802.11e.

 

Figura 17. Dise�o de red para el escenario 3.

 

Para [21] siempre resulta complicado encontrar un equilibrio entre las se�ales radioel�ctricas que disipan los APs, ya que el evidente solapamiento de canales en el dise�o 1, hac�an que existan tiempos de espera extensos en la comunicaci�n por parte de los dispositivos. En ese contexto se propusieron cambios en los 2 dise�os posteriores con la certeza de reducir la interferencia. Los cambios se hicieron en la frecuencia de canal, en la potencia emitida, en la orientaci�n de la se�al y en la ubicaci�n de los dispositivos. Es importante mencionar que lo primordial que se elimin� fue la interferencia por bandas continuas de canales inal�mbricos, haciendo que se usara solamente las bandas 1,6,11 extendidas a lo largo de la superficie y altern�ndose entre pisos, de manera que el solapamiento en un punto de bandas similares sea casi inexistente.

 

Tabla 4. Distribuci�n de canales por piso para escenarios 2 y 3

 

La configuraci�n de los par�metros de QoS se realizaron solo en el escenario 3, b�sicamente el est�ndar 802.11e. Para ello se inicia por conocer las caracter�sticas PHY del est�ndar 802.11n, donde se tienen los valores t�picos de PHY de ventana de contenci�n m�nima CWmin y PHY de ventana de contenci�n m�xima CWmax:

 

Tabla 5. Valores CW por variantes del est�ndar 802.11 (Fuente: IEEE 802.11-2012)

 

A partir de esto, los par�metros de QoS fueron configurados en los AP, pasando a convertirse en modo QAP por el est�ndar 802.11e con los siguientes valores para los tipos de categor�a de acceso (AC):

 

Tabla 6. Par�metros EDCA configurados en los AP

Figura 18. Configuraci�n de par�metros EDCA en QAP. OPNET

Latencia

Los resultados de latencia de los 3 dise�os de red tuvieron una diferencia bastante considerable sobre todo a ra�z de la configuraci�n de los par�metros de calidad de servicio en los QAP, ya que para el flujo de voz y video los valores iniciales de alrededor de un m�ximo de 290 ms y 300 ms disminuyeron hasta los 120 ms, valor que est� por debajo de los 150 ms, que es el tiempo m�ximo recomendado para aplicaciones en tiempo real dictado por la ITU.

 

Figura 19. Resultados de latencia para tr�fico voz

 

Figura 20. Resultados de latencia para tr�fico de video

 

Tambi�n fue evaluada la latencia en el tr�fico de datos, poniendo de ejemplo el tiempo de respuesta de una p�gina web, donde se comprob� disminuci�n de aproximadamente 9 segundos a 1 segundo, tal como se muestra en la figura 21.

 

Figura 21. Resultados de latencia para tr�fico de datos

Por �ltimo, se evalu� el retardo a nivel de la capa MAC, ya que es donde ocurre el acceso al medio, y con ello las colisiones y problemas debido a los dispositivos conectados a un mismo AP en forma simult�nea, compitiendo en un mismo canal de radio frecuencia.

 

Figura 21. Retardo en el acceso al medio.

 

Ancho de Banda

Para el consumo de ancho de banda, la simulaci�n en el tr�fico transmitido result� mayor en los escenarios donde no hay mecanismo de QoS implementado. Donde se alcanz� valores de 8 Mbps aproximadamente en el escenario actual de la red, frente a un descenso de hasta 7 Mbps, en el escenario 3 con las configuraciones de QoS. Sin embargo, si se revisa la figura 23 de descarte de paquetes, se pudo comprobar que hay una mayor p�rdida de paquetes en el escenario actual de la red, frente a la simulaci�n del escenario 3, donde resulta ser casi nulo.

 

Figura 22. Consumo de ancho de banda total en la interfaz inal�mbrica

 

Perdida de paquetes

Se realizaron las simulaciones de p�rdida de paquetes, donde se mostraron resultados muy importantes, existiendo una gran diferencia entre los 3 escenarios (ver figura 23). El escenario 1 con una p�rdida de datos superior a 2.6 megabit/segundos al cabo de 4 minutos. El escenario 2 mostr� una ca�da de los datos de alrededor de los 0.6 megabit/segundos al cabo de 5 minutos. Por �ltimo, el escenario 3, en el cual se aplic� el mecanismo EDCA, dando lugar a la priorizaci�n del tr�fico de voz y video (configurado en AC3 y AC4) como lo indican las figuras 19 y 20, transmiti� todo lo que pudo mientras permaneci� disponible la capacidad para esa estaci�n; por tanto, la cantidad de retransmisiones de paquetes en el escenario 3 es casi nulo.

 

Figura 23. Descarte de paquetes en la interfaz inal�mbrica

 

Conclusiones

Despu�s de realizada la revisi�n sistem�tica de la bibliograf�a se determin� los beneficios que traer�a implementar una red Wlan con posicionamiento estrat�gico de las se�ales radioel�ctricas y mecanismos de QoS en las redes inal�mbricas de acceso libre en el campus Lodana, enfocando la atenci�n en desarrollar dise�os propuestos para mejorar la red inal�mbrica existente, logrando determinar que la mayor�a de los despliegues de las redes inal�mbricas en dichos entornos, no suelen tener la cultura de dar prioridades al tr�fico, preocup�ndose m�s bien en adquirir cobertura en �reas de servicio y dejando a un lado la calidad.

Es una mejor opci�n si se aplica el escenario 3 propuesto en esta investigaci�n, porque, es el que tiene menor n�mero de colisiones de paquetes, por lo cual el retardo no se ve afectado en relaci�n al resto de escenarios, propiciando que tenga un mejor ancho de banda y un mejor rendimiento.

Por tanto, resulta indispensable realizar correctivos en los despliegues de puntos de acceso en el campus Lodana, usando los canales indicados en los escenarios 2 y 3, para evitar las interferencias asociadas a superposici�n de canales, logrando mejorar la calificaci�n del indicador de conectividad en evaluaciones institucionales o de carreras futuras.

 

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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