Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada en Radiosidad

por Refinamiento Progresivo

D. Néstor García Fernández

Director: Dr. D. Juan Manuel Cueva Lovelle

Universidad de Oviedo – Departamento de Informática

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 2

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 3

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

Introducción

Marzo de 2006 4

Evolución– 1997 - 802.11– 1999 - 802.11b

- 802.11a

– 2002 - 802.11g– 2006 - 802.11n– 2005/? - WiMax

Redes Inalámbricas

Introducción

Marzo de 2006 5

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

Introducción

Marzo de 2006 6

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 7

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

Estudio de Modelos de Propagación

Marzo de 2006 8

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

Estudio de Modelos de Propagación

LdGGP

dP yttr 22

2

)4()(

PL (d) = PL(d0) + 20 log (d/d0)

Marzo de 2006 9

Log-Normal Shadowing Path-Loss Model

• n: variable de pérdida de trayecto• PL(d0): pérdida a distancia de referencia • Xσ: desviación típica de muestras de calibración

Estudio de Modelos de Propagación

PL (d) = PL (d0) + 10n log(d/d0) + Xσ

Marzo de 2006 10

Modelo de Pérdida de Trayecto INDOOR basado en COST 231

• LFS = perdida en espacio libre entre transmisor y receptor• Lc = constante de perdida• kwi = número de paredes de tipo i penetradas• n = número de suelos penetrados• Lwi = perdida debida a muro de tipo i• Lf = perdida entre suelos adyacentes• b = parámetro empírico

Estudio de Modelos de Propagación

L = LFS + Lc + ∑kwi Lwi + n ((n+2)/(n+1) - b) * Lf

Marzo de 2006 11

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

Estudio de Modelos de Propagación

adPLdPL FS

Marzo de 2006 12

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

Estudio de Modelos de Propagación

011410 adLogndPLDS

BRBRDSDS d

dLogndPLdPL 212 10

Marzo de 2006 13

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

Estudio de Modelos de Propagación

FSFMKM PLkdnLogPLdPL 10

Marzo de 2006 14

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

Estudio de Modelos de Propagación

wwffMW anandLogPLPL 201

Marzo de 2006 15

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 16

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

Objetivos

Marzo de 2006 17

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

Objetivos

Marzo de 2006 18

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 19

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

Diseño del Modelo

Marzo de 2006 20

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)

Diseño del Modelo

Marzo de 2006 21

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

Diseño del Modelo

Marzo de 2006 22

Propagación con Obstáculos– Detección de los obstáculos (colisiones con

triángulos del mallado)– Aplicación de las pérdidas estimadas por

penetración en el material del obstáculo

Diseño del Modelo

TIPO DE OBSTÁCULO PERDIDA

Espacio abierto 0 dB

Ventana (tintado no metálico) 3 dB

Ventana (tintado metálico) 5-8 dB

Muros finos 5-8 dB

Muros medios de madera 10 dB

Muros gruesos 15-20 dB

Muros muy gruesos 20-25 dB

Suelo / Techo grueso 15-20 dB

Suelo / Techo muy grueso 20-25 dB

Objeto On dBColisión 1

n/2 dBColisión 2

n/2 dB

EMISOR RECEPTOR

Marzo de 2006 23

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)

Diseño del Modelo

P2 NO refleja

Vnormal (P1)

P2

Vnormal (P2)

EMISOR

P1

P1 SI refleja

Marzo de 2006 24

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)

Diseño del Modelo

Marzo de 2006 25

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

Diseño del Modelo

jtodaparaBFBBadebidaB kiijj

kj

ki

kj

)()()()1(

Ai

inicialreflejadaEnergíaparcheemitidaEnergíadBiaConvergenc 10log10

Marzo de 2006 26

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 27

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

Prototipo

Marzo de 2006 28

Utilización del Prototipo

Prototipo

Medidas de

Campo

Informaciónde

Configuración

3DStudio

Modelo Planta 0

Modelo Planta 1

Modelo Planta n

...

PrototipoZonaWiFi

SimulaciónCompleta

MedidasManuales

Imágenesen ficheros

Cobertura en cada

sensor/modelo predicción

Cobertura en cada sensor

medido/modelo predicción

VisualizaciónPantalla

Marzo de 2006 29

Configuración

Prototipo

Marzo de 2006 30

Puntos de Acceso

Prototipo

Marzo de 2006 31

Simulaciones

Prototipo

Marzo de 2006 32

Visualización y Análisis de Resultados

Prototipo

Planta nº Pos X Pos Y Pos Z Prop. Directa Prop. Multipath Prop. Conjunta Prop. Multi-Wall Linear Path Dual Slope Keenan-Motley Manual0 -18 1,25 -6 -90,18 -82,56 -81,87 -144,67 -57,69 -68,75 -49,18 -800 -18 1,25 -4 -87,94 -77,02 -76,68 -132,43 -57,21 -68,04 -48,94 -770 -18 1,25 -2 -49,79 -67,91 -49,73 -48,29 -56,93 -67,61 -48,79 -670 -18 1,25 -1 -63,76 -75,21 -63,46 -78,25 -56,86 -67,5 -48,76 -720 -18 1,25 0 -62,75 -72,73 -62,33 -72,24 -56,84 -67,48 -48,75 -700 -18 1,25 2 -73,81 -79,76 -72,83 -96,3 -56,96 -67,65 -48,81 -780 -18 1,25 4 -81,97 -83,5 -79,66 -120,46 -57,27 -68,13 -48,97 -74

Marzo de 2006 33

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 34

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

Pruebas y Resultados

Marzo de 2006 35

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

Pruebas y Resultados

Marzo de 2006 36

Casos de Prueba Reales– Se dispone de las medidas de cobertura

reales en el entorno

Pruebas y Resultados

Marzo de 2006 37

Planta baja: Directa - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas RealesPropagación Directa

Marzo de 2006 38

Planta baja: Multitrayecto - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas RealesPropagación Multitrayecto

Marzo de 2006 39

Planta baja: Conjunta - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas RealesPropagación Conjunta

Marzo de 2006 40

Planta bajo-cubierta:Comparativas con otros modelos

Pruebas y Resultados

A

BC

D E F G H J

Marzo de 2006 41

Planta bajo-cubierta:Directa - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas RealesPropagación Directa

Media de las desviaciones 10,7 dB

Media del valor absoluto de las desviaciones 15,9 dB

Marzo de 2006 42

Planta bajo-cubierta: Multitrayecto - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas Reales

Media de las desviaciones 5,83 dB

Media del valor absoluto de las desviaciones 6,36 dB

Propagación Multitrayecto

Marzo de 2006 43

Planta bajo-cubierta: Conjunta - Reales

Pruebas y Resultados

Medidas Reales

Media de las desviaciones 0,53 dB

Media del valor absoluto de las desviaciones 6,3 dB

Propagación Conjunta

Marzo de 2006 44

Planta bajo-cubierta: Línea A

Pruebas y Resultados

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 7,7 3,99 19,7 13,1 11,8 16,4

A

Punto de Acceso

Marzo de 2006 45

Planta bajo-cubierta: Línea B

Pruebas y Resultados

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

B

Punto de Acceso

Marzo de 2006 46

Planta bajo-cubierta: Línea D

Pruebas y Resultados

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 8,51 7,67 34,56 18,6 9,36 25,56

DPunto de Acceso

Marzo de 2006 47

Planta bajo-cubierta: Línea H

Pruebas y 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

HPunto de Acceso

Marzo de 2006 48

Comparativa Total

Pruebas y Resultados

Propagación Directa

Propagación Multitrayecto

Propagación Conjunta

Propagación Dual-Slope

Propagación Keenan-Motley

Propagación Multi-Wall

Propagación Linear-Path

Marzo de 2006 49

Comparativa Total con Medidas

Pruebas y Resultados

Dual-SlopeDirecta

Conjunta

Multi-trayecto Linear-Path

Marzo de 2006 50

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

Marzo de 2006 51

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

Conclusiones

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

Conclusiones

Marzo de 2006 53

Contenido– Introducción– Estudio de Modelos de Propagación– Objetivos– Diseño del Modelo– Prototipo– Pruebas y Resultados– Conclusiones– Líneas de Investigación Futuras

Tesis Doctoral

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

Líneas de Investigación Futuras

Marzo de 2006 55

Publicaciones Derivadas

Publicaciones

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 1-932415-31-9 pp. 24- 31

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)

Modelo de Cobertura en RedesInalámbricas basada en Radiosidad

por Refinamiento Progresivo

D. Néstor García FernándezMarzo 2006

Universidad de Oviedo – Departamento de Informática

Tesis Doctoral

Fin de la Presentación