Vol. 3, No. 1, (Enero 2019), 59-68 ISSN 2550-6730
Recibido: 22/11/2018
Aceptado: 27/01/2019
Wifi para comunicaciones de largo alcance con tecnología TDMA
David Fernando Peñarrieta Bravo
Gobierno Autónomo Descentralizado Municipal del Cantón Junín, Manabí, Ecuador
davidfernando57@hotmail.com
RESUMEN
Las redes WiFi de larga distancia cada vez son más utilizadas para proporcionar conectividad a internet
en países en vía de desarrollo. En esta región, proporcionar soporte para aplicaciones en tiempo real
es considerado un requisito importante. Este documento estudia del estándar 802.11n su rendimiento
en enlaces WiFi para largas distancias, utilizando TDMA (acceso múltiple por división de tiempo)
como método de censado al medio. Para ello se utilizó Network Simulator (ns-3) en escenarios donde se
configuraba el sistema de modulación y codificación (MCS) y la distancia. Los resultados experimentales
del (Throughput, latency, jitter y losses) demuestran que entre mayor sea la distancia, el rendimiento de
la tasa de transmisión de datos disminuye, de igual forma la latencia, el jitter y los paquetes perdidos se
incrementan, estos resultados son directamente proporcional a la distancia del enlace.
PALABRAS CLAVE: WiFi larga distanci, 802.11n, TDMA, ns-3.
ABSTRACT Long-distance WiFi networks are increasingly used to provide Internet connectivity in
developing countries. In this region, providing support for applications in real time is considered an
important requirement. This document studies its 802.11n standard performance in WiFi links for long
distances, using TDMA (time division multiple access) as a method of census to the environment. For
this, Network Simulator (ns-3) was used in scenarios where the modulation and coding system (MCS) and
distance were configured. The experimental results of (Throughput, latency, jitter and losses) show that
the greater the distance, the performance of the data transmission rate decreases, likewise the latency,
jitter and lost packets increase, these results are directly proportional to the distance of the link.
KEYWORDS: WiFi Long Distance, 802.11n, TDMA, ns-3.
1. Introducción
En la actualidad han quedado atrás los días en que el acceso a internet se considera un lujo reservado
para los habitantes de las zonas urbanas. Las entidades de telecomunicaciones como la ITU, ONG’s y
los gobiernos a través de los ministerios del ramo, se han dado cuenta de la importancia de proporcionar
conectividad para la población rural con el objetivo de brindar mejores condiciones de vida y un mayor
acceso a dicho servicio. Varias regiones especialmente en las zonas rurales, requieren soluciones de comu-
nicaciones de red de bajo costo. Las conexiones tradicionales basadas en telefonía convencional, telefonía
móvil, por satélite o fibra, han demostrado ser una propuesta costosa, especialmente en regiones de baja
densidad de población y de bajos ingresos. La norma generalizada para redes WLAN, IEEE 802.11b,
funciona en la banda de frecuencia de 2,4 GHz, es uno de los estándares inalámbricos más populares. Las
operaciones sin licencia en la banda de frecuencia ICM y una variedad de productos de hardware dispo-
nibles a bajo costo; IEEE 802.11 hacen de WiFi una atractiva y económica alternativa de comunicación
en áreas alejadas a las ciudades. Sin embargo, las redes WiFi trabajan por defecto con el protocolo de
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censado al medio CSMA/CA, que resulta ser poco adecuado para enlaces de larga distancia ya que son
muy poco fiables debido a factores tales como el desvanecimiento de la señal y la interferencia, lo que
limita el rendimiento global de la red. En esta investigación se propone utilizar el protocolo TDMA como
una alternativa a CSMA/CA, para ello se realizaron varias pruebas de simulación de rendimiento del
enlace, mediante el software ns3.
INFORMACIÓN PRELIMINAR
IEEE 802.11n
Los estándares inalámbricos de la familia IEEE 802.11 regulan la velocidad y el tipo de transmisión de
datos por ondas de radio. IEEE 802.11n fue publicado en el año 2009[1], opera en las bandas 2.4 y 5
GHz, frecuencia sin licencia, que está disponible en la mayoría de los países del mundo. La velocidad
de transmisión del estándar 802.11n alcanza nominalmente los 600 Mbps[1], para ello utiliza técnicas
de transmisión MIMO-OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal con múltiples entra-
das y salidas) para permitir una comunicación de alto rendimiento, duplica el canal con respecto a sus
antecesores, obteniendo 300 Mbps y 600Mbps, utilizando un canal de 20 MHz en el primer caso y 40
MHz en el segundo caso[1]. El estándar 802.11n trabaja tanto en la banda de 2.4 GHz y ser compatible
con 802.11 b/g, así como en la de 5 GHz con 802.11a. El modo de operación PCO (Phased Coexistence
Operation) le permite al estándar 802.11n cambiar dinámicamente el canal de operación de 40 MHz a
20 MHz[1], mientras se comunica con una antena WiFi 802.11 a/b/g o un dispositivo 802.11n, lo cual se
traduce en compatibilidad retroactiva con los estándares antecesores de acuerdo a la frecuencia permitida.
Límite en la Capa Física.
IEEE 802.11 utiliza bandas de frecuencias agrupadas en las aplicaciones industriales científicas y médicas
(ICM), pero con niveles de restricción de la potencia de transmisión máxima. Las condiciones se fijan
por país y determinan la distancia máxima alcanzable. En muchas naciones en vías de desarrollo se
aplica la reglamentación norteamericana de la FCC, en el caso de Ecuador a través del Ministerio de
Telecomunicaciones, se creó un documento el cual contiene el plan nacional de frecuencia[2], en la cual
se distribuyó las frecuencias del espectro radioeléctrico del país, siempre observando lo que dictamina el
organismo mundial UIT. Para las bandas de frecuencia contempladas entre 2400-2483.5 MHz en modo
PtP (punto a punto) y punto-multipunto se permite hasta 1000 mW de potencia de transmisión más
6dBi de ganancia de la antena[3]. Otros países son más restrictivos, como es el caso de los europeos. Estas
restricciones marcan el primer límite claro de WiFi para alcanzar comunicaciones en largas distancias.
El segundo aspecto que debe tenerse en consideración es la propagación. Para lograr distancias largas en
esas frecuencias, LOS (línea de vista) es una necesidad. La pérdida exacta de propagación de un enlace
puede calcularse utilizando modelos, son diferentes para las zonas urbanas o rurales. En áreas aisladas,
un modelo irregular del terreno como Longley-Rice[4] debe ser utilizado para tener en cuenta el perfil
del terreno.
El tercer aspecto importante se refiere a la recepción de la señal. En las normas IEEE 802.11a/b/g/n
existen varias velocidades correspondientes a diferentes modulaciones, todas con diferente sensibilidad
del receptor, lo que resulta en diferentes distancias para las diferentes velocidades. Se obtendrán enlaces
más largos con velocidades de transmisión más bajas.
Bloque ACK. 802.11 original, introdujo ACK para confirmar los frames unicast con recepción exitosa;
802.11n mejora las políticas de ACK con 4 esquemas: Nom ACK, implícit ACK, Nom explícit o PSMP
(Power Save Multi-Poll) ACK y BlockACK[5].
MCS en el estándar 802.11n
El canal de desvanecimiento inalámbrico varía con el tiempo, la adaptación del enlace debe ser empleada
para sostener una comunicación confiable y maximizar el rendimiento. El estándar define los protocolos
de control de acceso al medio (MAC) y un gran conjunto de esquemas de modulación y codificación
(MCS) para facilitar este objetivo[1].
MCS (Modulation and Coding Scheme) Sistema de Modulación y Codificación, es un parámetro impor-
tante en la simulación. El estándar 802.11n define un total de 77 MCS[1]. Cada MCS es una combinación
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de una modulación determinada (por ejemplo, BPSK, QPSK, 64-QAM), la tasa de codificación o Coding
Rate (por ejemplo, 1/2, 3/4), el intervalo de guarda o Guard Interval (800ns o 400ns) y el número de se-
cuencias espaciales o Spatial Streams. Todos los puntos de acceso 802.11n, deben soportar como mínimo
desde MCS0 hasta MCS15 y los clientes 802.11n desde MCS0 hasta MCS7. A continuación, se muestra
la Tabla 1 con la combinación de parámetros para cada índice MCS del 0 al 15. Este valor importante
se necesita en la comunicación mediante la tecnología WiFi con el uso del estándar 802.11n.
Tabla 1: Valores de Modulación y Codificación IEEE 802.11n-canal de 20 MHz[1].
WiFi para largas distancias.
Aunque WiFi fue desarrollado para redes de área local, ha demostrado ser rentable para aplicaciones de
larga distancia[6] y el enorme éxito de WiFi ha permitido economías de escala que será difícil de superar
por las tecnologías alternativas como WiMax.
Existen grupos de investigadores como el Digital Gangetic Plains (DGP)[7] en India, o el Technology and
Infraestructure for Emerging Regions (TIER)[8] en Estados Unidos, que han demostrado que se pueden
realizar enlaces punto a punto (PtP) en varios kilómetros de distancia, usando tecnología WiFi, obte-
niendo prestaciones razonables. Ambas aproximaciones se basan en reemplazar el protocolo de censado
CSMA/CA de la subcapa MAC por TDMA.
TDMA El protocolo TDMA (Time Division Multiple Access) proporciona buenas soluciones a la co-
rrelación de tráfico, colisión, contención y problemas de cambio de canal en la base. También permite a
los clientes compartir el mismo canal de frecuencia, dividiendo la señal en diferentes ranuras de tiempo,
observar Figura 1. Existen muchos protocolos TDMA basados en MAC para redes WiLD (WiFi Long
Distance), algunas propuestas para cubrir diferentes escenarios como (single-hop vs. multi-hop), (cen-
tralizado vs distribuidos), entre otros. Sin embargo, SoftMAC[9], MadMAC[10], FreeMAC[11] y Overlay
MAC capa (OML)[12]; proporcionan una plataforma inicial para el desarrollo de protocolos TDMA
basados en MAC para Redes WiLD.
SoftMAC[9], desarrolló un sistema de software que permite a los investigadores utilizar las tarjetas de red
inalámbrica de productos básicos económicos, para experimentar, fáciles de construir y desplegar capas
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Figura 1: TDMA- División de canal de frecuencia en ranuras de tiempo.
MAC dinámicas experimentales en sistemas linux. MadMAC amplió la idea de SoftMAC e implementó
un sistema single-hop TDMA entre dos nodos con sincronización de tiempo. Varios desafíos de diseño
se dirigieron a mantener la estructura persistente de la ranura y la transmisión continua del paquete.
FreeMAC aprovechó la metodología descrita en SoftMAC e implementó un sistema TDMA de un solo
salto con estrictos requisitos de tiempo y proporcionó un enfoque multicanal. La superposición de la
capa MAC (OML) está diseñada en la parte superior del 802.11 MAC[13] combinando la potencia de
cambiar la capa MAC y la facilidad de modificar sólo las capas superiores. Se centra en la asignación de
ranuras a los nodos de acuerdo con una fair queuing (WFQ) para mejorar la imparcialidad de 802.11.
OML utiliza relojes de sincronización para dividir el tiempo en igual tamaño y luego emplea un algoritmo
distribuido para asignar estas ranuras entre los nodos competidores. Los protocolos MAC basados en
TDMA discutidos anteriormente son genéricos en naturaleza y no están dirigidos a las redes WiLD; sin
embargo, proporcionan el establecimiento del desarrollo de MAC basado en TDMA para redes WiLD.
2P, WiLDNet, JazzyMAC, JaldiMAC[10]; son algunos de los importantes protocolos MAC basados en
TDMA que abordan especialmente los problemas de MAC WiLD.
2. Materiales y Métodos
Es importante indicar que los experimentos realizados se ejecutaron en un ordenador cuyas características
son las siguientes: Hardware (procesador Core I7 de 3.2 GHz, 8GB de memoria RAM, espacio en disco
de 1Tb), en software (el sistema operativo Ubuntu 16.04 y es necesario un compilador para ejecutar el
simulador, en este caso se usó c++ en su versión 4.3).
Para obtener los datos de esta investigación se utilizó un simulador de redes conocido como ns-3, el
mismo que se aborda brevemente, para obtener una idea de cómo funciona y lo que es capaz de realizar.
Ns-3 Es un simulador de redes de eventos discretos dirigidos principalmente para la investigación y el uso
educativo. El proyecto ns-3, iniciado en 2006, es un proyecto de código abierto. Ns-3 ha sido desarrollado
para proporcionar una plataforma abierta y extensible a la red de simulación, para la creación de redes
de investigación y educación. En resumen, ns-3 proporciona modelos de cómo funcionan las redes de
paquetes de datos, suministra un motor de simulación para los usuarios, cuyo compilador es C++ en
su versión 4.3, para llevar a cabo experimentos de simulación. Algunas de las razones para utilizar ns-3
incluyen la realización de estudios que son más difíciles o imposibles de realizar con sistemas reales,
para estudiar el comportamiento del sistema en un entorno altamente controlable, reproducible, y para
aprender acerca de cómo funcionan las redes. Los usuarios tendrán en cuenta que el modelo disponible
en el ns-3 se centra en el modelado de la forma en protocolos de Internet y redes de trabajo.
Ns-3 en enlaces de largas distancias. Para simular enlaces WiFi de largas distancias es necesario
modificar el simulador Ns-3, y esto debe ser de manera integral, existen varios estudios realizados que
describen los pasos a realizar para simular enlaces a grandes distancias con tecnología WiFi. El proyecto
TUCAN3G[14] desarrolló un parche para ns-3, con el fin de simular y analizar el desempeño de los enlaces
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de larga distancia basados en las tecnologías WiFi, conocida como WiFi long distance (WiLD). Varias
secuencias de comandos básicos proporcionan la comprobación de estas tecnologías para su uso en enlaces
de larga distancia. Con el fin de permitir una simulación fiable, algunos cambios se han realizado en los
módulos ns-3, específicamente en los módulos de aplicaciones WiFi. La Tabla 2 muestra las características
y configuraciones principales del script utilizado para las simulaciones mediante ns-3.22 con la mejora
para enlaces WiFi en largas distancias.
Tabla 2: Características y configuraciones principales del script.
El parche se desarrolló originalmente en la versión ns-3.18. Para efectos de esta simulación se lo acopló a
la versión Ns-3.22[16]. La Figura 2 muestra una captura del terminal de Ubuntu en donde se corrrobora
el buen funcionamiento de ns-3.22.
Figura 2: Comprobación de funcionamiento de ns-3.22 en el terminal de ubuntu 16.04.
Pruebas de los enlaces.
Para realizar las simulaciones necesitamos del terminal de Ubuntu, y luego accedemos al directorio
donde está ubicado el archivo ns-allinone-3.22/ns-3.22/scratch/basic-WiLD.cc, el cual contiene el script
y ejecutamos: ./waf - - run la Figura 3 muestra lo indicado.
Para la ejecución de secuencias de comandos c++ de un script en ns-3, es necesario el elemento (. /Waf
- - run). En la Figura 3, se muestran valores de algunas variables necesarias para la obtención de la
simulación.
En la Tabla 3 se explica el uso y alcance de las variables en la ejecución del script.
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Figura 3: Parámetros de simulación de ns-3 basic -WiLD.
Tabla 3: Descripción de las variables usadas en la simulación[15]t.
En esta simulación, se dan los resultados de rendimiento, latencia, jitter y pérdidas en el punto de
saturación para las diferentes distancias consideradas en este documento (3, 5, 10 y 20 km) sin intervalos,
puesto que en estos experimentos, no se consideraron repetidores. El MCS se puede utilizar de 0 a 15,
pero se realizaron simulaciones hasta el índice MCS 7, no se realiza la agregación, su valor es 0 y el
tamaño del paquete a nivel de APP es de 2048 bytes.
Es importante indicar que el parche para largas distancias de ns-3, simula solo con el canal de 20 MHz.
3. Resultados y Discusión
En esta sección se plasman las expresiones dadas en los apartados anteriores para verificar el rendimiento
en la tecnología WiFi 802.11n, utilizando TDMA como método de censado al medio. Como se mencionó
se evaluó el (throughput, latency, jitter y losses); datos recibidos en los diferentes escenarios. Para la
tecnología estudiada IEEE 802.11n, utilizamos la configuración PHY que proporciona los rangos más
largos; es decir, se seleccionó los MCS presentados en la Tabla 1 hasta el índice 7.
En otras palabras se presenta una comparación entre los sistemas de modulación y codificación del
estándar IEEE 802.11n en términos de rendimiento y rangos de transmisión. El escenario de evaluación
consiste en un solo enlace de radio compuesto por dos estaciones (un transmisor y un receptor) que
intercambian tramas de datos con un tamaño de carga útil de 2048 bytes, mediante el protocolo UDP.
El MCS más robusto es considerado para las diferentes especificaciones IEEE 802.11. Específicamente,
con respecto a 802.11n, el MCS7 es tomado en cuenta (usando un ancho de banda de canal de 20MHz,
1 secuencia espacial, usando el intervalo de guarda larga en las transmisiones).
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Desde el terminal de Ubuntu se ejecuta un comando, que contiene los parámetros mínimos para realizar
la simulación (Figura 3), este a su vez activa las instrucciones restantes que contiene el script de la
simulación, mismo que el compilador de c++ ejecuta inmediatamente y las procesa; luego el proyecta
datos en el mismo terminal de Ubuntu. La Figura 4, muestra los datos recibidos luego de la ejecución de
la línea de comando.
La imagen presentada en la Figura 4 corresponde al compilador de ns-3, el cual muestra los resultados
en el terminal de Ubuntu; los paquetes analizados corresponden a los enviados a través del protocolo de
transporte UDP, 65000 es la inyección de data rate, el tiempo de duración de la simulación del enlace es
15 segundos, con un ancho de banda del canal de 20 MHz, datos como el MCS, y la distancia varían de
acuerdo al experimento.
Figura 4: Valores obtenidos por el compilador de ns3 en la simulación.
Throughput de la simulación.
Se llama throughput a la cantidad de datos que son transmitidos hacia o desde algún punto del enlace
de la red, en este caso WiFi mediante el estándar 802.11n de largo alcance, o también al volumen de
información que fluye en las redes de datos, en los cuales el rendimiento es medido en unidades como
accesos en tiempo. Con este parámetro se puede ver el rendimiento de una conexión.
Se analiza el rendimiento con un tamaño de paquete de 2048 bytes y con la variación de la MSC (Variable
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de Esquema de Modulación y Codificación) desde el índice 0 hasta el 7, y la distancia. La Figura 5 muestra
el comportamiento del rendimiento del enlace en las diferentes pruebas, alterando el valor de MCS y la
distancia.
Figura 5: Throughput en (Mbps) obtenidos en la simulación.
El mejor escenario cuando se simuló fue, con el índice MCS 7, en la cual se obtuvo un rendimiento de 26.5
Mbps, transmitiendo un paquete de tamaño de 2048 bytes en un tiempo estimado de 15 segundos; todo
ello en una distancia de 3 Km. Cuando se incrementa la distancia el throughput del enlace disminuye.
Latencia en la simulación. La latencia es el tiempo que un paquete necesita para ser transmitido
desde el nodo emisor al nodo receptor. De acuerdo a los resultados mostrados en la Figura 6 se aprecia
que se incrementa el retardo en la entrega de paquetes, cuando aumenta la distancia del enlace y el índice
de modulación y codificación es MCS 0.
Figura 6: Valor de latency en microsegundos (us), obtenidos en la simulación.
Jitter en la simulación. Jitter es la variación del retardo que tiene un paquete con respecto a otro,
desde que se envía del nodo origen al nodo destino. Los valores que se obtuvieron en la simulación están
dentro de los parámetros aceptables, todo ello en microsegundos (us). La Figura 7 modela los valores del
jitter de acuerdo a cada una de las distancias y MCS simuladas. Como se demuestra entre mayor es la
distancia el jitter incrementa, pero esta depende del valor del sistema de modulación y codificación que
asignemos, cuando utilizamos MCS 7 se reduce notablemente el jitter.
Pérdidas en la simulación (Losses). Los paquetes perdidos que se presentan en la simulación del
enlace se muestran en la Figura 8, como se ha manifestado en la lectura del jitter, latency estos valores
incrementan en la medida que aumenta la distancia.
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Figura 7: Valores de Jitter (us), obtenidos en la simulación.
Figura 8: Pérdidas del enlace, en la simulación.
4. Conclusiones
En este artículo se demuestra cómo los enlaces Wi-Fi de larga distancia pueden ser desplegados utilizando
tecnologías de bajo costo. Dichos enlaces con tecnología WiFi son una alternativa práctica y económica
para proporcionar conectividad a internet en países que se encuentran en vía de desarrollo. Aún se están
realizando investigaciones para reducir la complejidad de las comunicaciones y determinar la configura-
ción óptima para maximizar el rendimiento y la estabilidad de los enlaces durante largos períodos de
tiempo. Las distancias largas se simulan a menudo en un laboratorio típico introduciendo obstáculos arti-
ficiales o ruido. Ns3 es una herramienta potente para realizar simulaciones de redes inalámbricas de largo
alcance, útil para generar datos, previa la implementación de proyectos con estas características. TDMA
es una tecnología impulsada por marcas privativas, han realizado varias mejoras con respecto al estándar
IEEE 802.11 exclusivamente con en el método oficial de acceso al medio CSMA/CA, demostrando que
pueden trabajar armónicamente con el estándar IEEE 802.11n. El rendimiento del enlace mediante la
simulación en ns-3, varía de acuerdo a la distancia y al valor del método de modulación y codificación
(MCS) empleado, en muchos se acerca a la estimación de la capacidad de transmisión de los valores
nominales presentados por el estándar IEEE 802.11n. Las simulaciones se realizaron con un canal de 20
MHz, en un canal de 40 MHz y MIMO mejorará notablemente el throughput del enlace, lógicamente,
teniendo en consideración la distancia del enlace; en la práctica es posible este comportamiento, ya que
equipos de comunicaciones inalámbricos propietarios como Ubuiquiti, MiKrotik, otros; ofrecen notables
rendimiento con la inclusión del protocolo de censado al medio TDMA.
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