MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN
REDES 802.11ac UTILIZANDO PROGRAMACIÓN
MULTI – OBJETIVO
Héctor Manuel Herrera Herrera
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones
Énfasis en Teleinformática
Bogotá, Colombia noviembre de 2018
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Tesis para optar el título de Magister en Ciencias de la Información y las
Comunicaciones
Héctor Manuel Herrera Herrera
Director
Octavio José Salcedo Parra. PhD. Ingeniería, PhD en Estudios Políticos.
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones
Énfasis en Teleinformática
Bogotá, Colombia noviembre de 2018
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TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ......................................................................................................................... 6
PALABRAS CLAVE ........................................................................................................... 6
ABSTRACT ....................................................................................................................... 7
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... 8
LISTA DE TABLAS .......................................................................................................... 12
GLOSARIO ...................................................................................................................... 13
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 16
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ........................................................................... 17
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 17
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 18
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................... 18
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 18
1.3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 19
1.4 RESULTADOS ESPERADOS ........................................................................... 20
2. MARCO REFERENCIAL .......................................................................................... 21
2.1 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................... 21
2.1.1 REDES INALAMBRICAS ................................................................................. 21
2.1.1.1 REDES INALAMBRICAS DE AREA LOCAL (WLAN) 802.11 ........................ 23
2.1.1.2 DEFINICIÓN ESTANDAR IEEE 802.11 Y EVOLUCIÓN ............................... 25
2.1.4 REDES INALAMBRICAS (WLAN) ESTÁNDAR IEEE 802.11ac ....................... 29
2.1.4.1 MEJORAS EN LA CAPA FISICA REDES 802.11ac ...................................... 31
2.1.5 PROGRAMACIÓN MATEMATICA MULTI-OBJETIVO ..................................... 36
2.1.5.1 OPTIMIZACIÓN MULTI OBJETIVO .............................................................. 37
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2.2 MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 38
2.2.1 RENDIMIENTO EN REDES DE TELECOMUNICACIONES 802.11................. 38
2.2.2 INVESTIGACIÓN EFICIENCIA EN LAS REDES WLAN 802.11ac ................... 40
2.2.3 INVESTIGACIÓN CONFIABILIDAD REDES WLAN 802.11ac ......................... 44
2.2.4 INVESTIGACIÓN PREVIA MODELOS DE RENDIMIENTO EN REDES WLAN
802.11ac CADENAS DE MARKOV........................................................................... 46
2.2.5 INVESTIGACIÓN PREVIA MODELO DE RENDIMIENTO EN REDES WLAN
802.11ac ALGORITMO DE HORMIGA ..................................................................... 52
2.3 ESTADO DEL ARTE .............................................................................................. 53
3. PROPUESTA MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE LA RED WLAN 802.11AC ........... 56
3.1 MODELAMIENTO DE EFICIENCIA DE LA RED 802.11ac..................................... 56
3.1.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR ........................................................... 57
3.1.2 MODELO MATEMATICO ................................................................................. 60
3.2 MODELAMIENTO CONFIABILIDAD DE LA RED 802.11ac ................................... 64
3.2.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR ........................................................... 64
3.2.2 MODELO MATEMATICO ................................................................................. 65
3.3 MODELAMIENTO OPTIMIZACIÓN de rendimiento LA RED 802.11ac .............. 67
3.3.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR ...................................................... 67
3.3.2 MODELO MATEMATICO ........................................................................... 68
4. HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ........................................................................ 69
4.1 GNS3 ..................................................................................................................... 69
4.2 MATLAB ................................................................................................................. 70
5. DESARROLLO SIMULACIÓN DE LA RED WLAN 802.11ac PROPUESTA ............. 71
5.1 TOPOLOGIA DE RED ............................................................................................ 71
5.2 SIMULACIÓN DE LA TOPOLOGIA DE RED EN EL SOFTWARE DE SIMULACIÓN
GNS3 ........................................................................................................................... 72
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5.3 ANALISIS SIMULACIÓN DE CONFIABILIDAD ...................................................... 73
5.4 ANALISIS SIMULACIÓN DE COBERTURA (AP) ................................................... 76
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................... 78
6.1 EFICIENCIA DE LA RED WLAN 802.11ac ............................................................. 78
6.2 CONFIABILIDAD DE LA RED WLAN 802.11ac...................................................... 84
6.3 ANALISIS DEL MODELO PROPUESTO PARA REDES WLAN 802.11ac ............. 90
7. CONCLUSIONES, TRABAJOS FUTUROS Y APORTES DE LA INVESTIGACIÓN . 92
7.1 CONCLUSIONES ................................................................................................... 92
7.2 TRABAJOS FUTUROS .......................................................................................... 94
7.3 APORTES A LA INVESTIGACIÓN ......................................................................... 95
8. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 97
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RESUMEN
Se propone desarrollar un modelo que permita encontrar una mejor forma de evaluar la
calidad de servicio en las redes inalámbricas 802.11ac, usando Programación matemática
Multi–Objetivo. Con esto los ingenieros que trabajan en diseño o administrando redes
inalámbricas, podrán tener una herramienta para verificar la eficiencia y confiabilidad de la
de las redes WLAN que trabajen con tecnología 802.11ac.
Durante el desarrollo del modelo propuesto para análisis del rendimiento de las redes
inalámbricas, se observaran las principales características y parámetros en las redes que
utilizan la tecnología 802.11ac, obteniendo dos funciones objetivos con sus respectivas
restricciones como lo son: la eficiencia y confiabilidad que nos brinda la mejora de esta
tecnología inalámbrica.
El modelo se validará con modelos teóricos investigados anteriormente para la avaluación
de la calidad de servicio suministrada en redes inalámbricas con tecnología 802.11ac,
donde se podrá verificar la mejora del estándar 802.11ac frente a su antecesor (802.11n),
además de tener un modelo que nos permite optimizar estos recursos (eficiencia y
confiabilidad), logrando analizar el rendimiento de las redes inalámbricas antes, durante y
después del diseño.
PALABRAS CLAVE
Programación matemática multi – objetivo, modelos de optimización, redes inalámbricas,
programación matemática, eficiencia y confiabilidad.
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ABSTRACT
It is proposed to develop a method to find a better way to evaluate the Quality of service in
802.11ac wireless networks using Multi - Objective Mathematical Programming. With this,
engineers working in network design, may have a tool to verify the efficiency and reliability
of the 802.11ac protocol in their designs.
During the development of the proposed model for analysis of the performance of wireless
networks, we will observe the main characteristics and parameters in the 802.11ac
networks, where we will focus on two objective functions with their respective restrictions as
they are: the efficiency and reliability that gives us the improvement of this wireless
technology.
The model will be validated with previously obtained models for the evaluation of the quality
of service provided in wireless networks with 802.11n and 802.11ac technology, where the
improvement of the 802.11ac standard can be verified against its predecessor (802.11n),
besides having a Model that allows us to optimize these resources (efficiency and reliability)
thanks to the analysis of the performance of wireless networks that we can perform before,
during and after the design.
keywords: Multi - objective optimization, wireless networks, mathematical programming
efficiency and performance.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arquitectura básica de una red WPAN Fuente:
https://sites.google.com/site/redesinalambricas3/tipos-de-redes-inalambricas/bluetooth . 21
Figura 2 Arquitectura básica de una red WLAN 802.11 Fuente:
http://www.accoladewireless.com/solutions/wireless-networking/wireless-lan-wifi-wlan/ .. 22
Figura 3 Arquitectura básica de una red WMAN Fuente:
https://tododeredesinalambricas.wordpress.com/wireless-metropolitan-area-network-
wman/ .............................................................................................................................. 23
Figura 4 Arquitectura básica de una red Fuente:
http://redesaradillas.blogspot.com.co/2015/08/ ................................................................ 23
Figura 5 Arquitectura de una WLAN 802.11 (a) Red inalámbrica con un AP (b) Red ad hoc
Fuente: Libro Redes de computadoras de tanenbaum 4ta edición español ..................... 24
Figura 6 Arquitectura redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente: Libro Redes de
computadoras de tanenbaum 4ta edición español ........................................................... 25
Figura 7 Arquitectura capa física redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente:
https://es.slideshare.net/h_gonzalezc/red-de-comunicaciones-12657813 ........................ 25
Figura 8 Grafica codificación con salto en frecuencia Fuente:
https://radiosyculturalibre.com.ar/biblioteca/REDES/WIRELESS/curso%20wlan/Tutoriales/
manual_redes_inalambricas.pdf ...................................................................................... 26
Figura 9 Método de codificación del canal por DSSS Fuente:
https://es.wikipedia.org/wiki/Acceso_m%C3%BAltiple_por_divisi%C3%B3n_de_c%C3%B3
digo#/media/File:Generation_of_CDMA.jpg ..................................................................... 28
Figura 10 Arquitectura capa enlace de datos redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente:
https://es.slideshare.net/h_gonzalezc/red-de-comunicaciones-12657813 ........................ 28
Figura 11 Pila de protocolos 802.11 Fuente: Libro Redes de computadoras de tanenbaum
4ta edición español .......................................................................................................... 31
Figura 12 Diseño de canales redes WLAN 802.11 Fuente: Estudio de las técnicas de
Beamforming en el estándar 802.11ac ............................................................................ 32
Figura 13 Comparación de modulaciones 64-QAM y 256-QAM Fuente: Estudio de las
técnicas de Beamforming en el estándar 802.11ac .......................................................... 33
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Figura 14 Trama 802.11ac Fuente: Estudio de las técnicas de Beamforming en el estándar
802.11ac .......................................................................................................................... 34
Figura 15 Técnica Beamforming en redes 802.11ac Fuente: Estudio de las técnicas de
Beamforming en el estándar 802.11ac ............................................................................ 36
Figura 16 Comparación de la capacidad del sistema normalizada por el ancho de banda de
160 MHz (TXOP = 3mg, número de flujos = 8, índice VTH-MCS = 8) Fuente: Efficient Multi-
User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs ................................. 41
Figura 18 Uso de recursos de frecuencia con MU (Multi-Usuario)-MC (Multi-Canal) Fuente:
Efficient Multi-User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs ........... 42
Figura 19 Modelo propuesto técnica MU (Multi Usuario)-MC (Multi Canal) en el estándar
802.11ac Fuente: Efficient Multi-User Transmission Technique with Frequency Division for
WLANs ............................................................................................................................ 42
Figura 20 Mejora la eficiencia espectral en las redes 802.11ac Fuente: Multi-hop Multi-AP
Multi-channel Cooperation for High Efficiency WLAN ....................................................... 43
Figura 21 Metodo propuesto por (Yinghong Ma, 2016) utilizar tecnica MU-MC Fuente:
Efficient Multi-User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs ........... 43
Figura 22 Ejemplo de funcionamiento con ancho de banda dinámico Fuente: Efficient Multi-
User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs ................................. 45
Figura 23 Definición política de bloques ACK (BA) la cual permite transmisión de varias
tramas de datos antes de devolver un ACK Fuente: MASTaR: MAC Protocol for Access
Points in Simultaneous Transmit and Receive Mode ....................................................... 45
Figura 24 Ejemplo función Multi-interfaces protocolo SCTP Fuente: Performance Evaluation
of Stream Control Transport Protocol over IEEE 802.11ac Networks ............................... 46
Figura 25. Modelo propuesto Cadenas de Markov para el estándar 802.11ac con una AP y
protocolo TXOP Fuente: Performance analysis of the txop sharing mechanism in the vht
ieee 802.11ac wlans ........................................................................................................ 50
Figura 26 Variación del rendimiento según la probabilidad de compartir CA, obtenidos en el
análisis del paper Fuente: Performance analysis of the txop sharing mechanism in the vht
ieee 802.11ac wlans ........................................................................................................ 51
Figura 27. Ruta más óptima modelo propuesto en Fuente: IEEE 802.11e EDCA Networks:
Modeling Differentiation and Optimization ........................................................................ 52
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Figura 28 Plano red inalámbrica propuesta con tecnología 802.11ac, Edificio Suarez copete
de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas ....................................................... 61
Figura 29 Interpolación AP1 y AP3 .................................................................................. 62
Figura 30 Interpolación AP2 y AP3 .................................................................................. 62
Figura 31 Interpolación AP2 y AP3 .................................................................................. 63
Figura 32 Arquitectura de una red inalámbrica en GNS3 Fuente:
https://iloo.wordpress.com/2009/07/28/gns3-simulador-grafico-de-redes/ tomada el
04/08/2017 ....................................................................................................................... 70
Figura 33 Entorno grafico de Matlab Fuente:
https://en.wikipedia.org/wiki/MATLAB#/media/File:MATLAB_R2013a_Win8_screenshot.pn
g ...................................................................................................................................... 71
Figura 34 Topología de red WLAN (802.11) Fuente: Autor ............................................ 71
Figura 35 Edificio Suarez Copete Universidad Distrital, donde se evaluará el modelo por
medio de simuladores Fuente: Autor ............................................................................... 72
Figura 36 Configuración protocolo de información de encaminamiento (RIP) y prueba de
conexión de extremo a extremo en GNS3 protocolo 8002.11 .......................................... 72
Figura 37 Análisis del protocolo RIP e ICMP en Wiresshark Fuente: Autor ...................... 73
Figura 38 Configuración y análisis Método de encolamiento FIFO configurado en GNS3
Fuente: Autor ................................................................................................................... 74
Figura 39 Configuración y análisis Método de encolamiento PQ Fuente: Autor .............. 75
Figura 40 Cobertura de la red WLAN utilizando tecnología 802.11ac Fuente: Autor ........ 77
Figura 41 Ubicación de los puntos de acceso propuesto en el estudio de cobertura para el
edificio Suarez Copete de la universidad Distrital Fuente: Autor ...................................... 80
Figura 42 Interpolación de los Access point (APs), Restricciones para poder evaluar el
modelo en la red inalámbrica propuesta que trabaja con tecnología 802.11ac en el edificio
Suarez copete.................................................................................................................. 80
Figura 43 Modelo de optimización propuesto de eficiencia (Cobertura) validado por el
software LINGO Fuente: Autor ......................................................................................... 81
Figura 44 Restricciones de ubicación de los puntos de acceso (APs) para su óptima
cobertura Fuente: Autor ................................................................................................... 82
Figura 45 Solución obtenida del modelo propuesto en el software matemático LINGO, del
área de cobertura del edificio Suarez Copete de la Universidad Distrital Fuente: Autor ... 82
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Figura 46 Zonas donde se deben ubicar los puntos de acceso (APs) que utilizan tecnología
802.11ac, para garantizar una óptima cobertura en las tres zonas del edificio Suarez Copete
de la Universidad Distrital Fuente: Autor .......................................................................... 83
Figura 47 Resultado de optimización utilizando el modelo propuesto para la eficiencia
(Cobertura) Fuente: Autor ................................................................................................ 83
Figura 48. Tasas de transferencia redes WLAN 802.11ac, tomadas desde portátil core I3
con Windows 10. Fuente: Autor ....................................................................................... 86
Figura 49 Validación modelo propuesto confiabilidad Fuente: Autor ................................ 87
Figura 50 Solución obtenida con el software LINGO Fuente: Autor ................................. 88
Figura 51 Valores obtenidos en el modelo propuesto Fuente: 802.11ac .......................... 89
Figura 52 Comparación de rendimiento tecnologías 802.11n y 802.11ac Fuente: Autor .. 94
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Tabla rango de frecuencias centrales empleadas en FHSS Fuente:
https://radiosyculturalibre.com.ar/biblioteca/REDES/WIRELESS/curso%20wlan/Tutoriales/
manual_redes_inalambricas.pdf 27
Tabla 2 Evolución del Estándar IEEE 802.11 Fuente:
http://tavoberry.com/osi/estndares_wifi.html 29
Tabla 3 Especificaciones estándar 802.11ac y diferencias entre los protocolos 802.11n y
802.11ac Fuente: Autor 30
Tabla 4 Comparación de distintas velocidades obtenidas con estándares WLAN Fuente:
Estudio de las técnicas de Beamforming en el estándar 802.11ac 35
Tabla 5 Parámetros del modelo analítico redes inalámbricas 802.11ac Fuente: Performance
analysis of the txop sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans 48
Tabla 6 Características redes inalámbrica 802.11ac PHY y MAC (parámetros utilizados en
la resolución numérica y la simulación propuesta en (Mohand Yazid, 2014)) Fuente:
Performance analysis of the txop sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans 51
Tabla 7 Descripción del modelo de cobertura propuesto Fuente: Autor 61
Tabla 8 Descripción del modelo de confiabilidad propuesto Fuente: Autor 67
Tabla 9 Ventajas y Desventajas Métodos de encolamiento FIFO y PQ Fuente: Autor 76
Tabla 10 Ubicación de los puntos de acceso propuesto en el estudio de cobertura para el
edificio Suarez Copete de la universidad Distrital, restricciones de las zonas que puede
cubrir cada Access Point (APs) Fuente: Autor 80
Tabla 11 Resultado de optimización utilizando el modelo propuesto para la eficiencia
(Cobertura) Fuente: Autor 84
Tabla 12 Capacidad de los puntos de acceso Fuente: Autor 87
Tabla 13 Descarga teórica de un terminal móvil utilizando tecnología 802.11ac Fuente:
Autor 87
Tabla 14 Resultado de comparación trabajos relacionados con el modelo propuesto Fuente:
Autor 93
Tabla 15 Comparación de rendimiento tecnologías 802.11n y 802.11ac Fuente: Autor 94
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GLOSARIO
Ancho de banda: La capacidad de transportar datos de una red, usado como un indicador
de velocidad. Por ejemplo, un enlace Ethernet es capaz de mover 10 millones de bits de
datos por segundo. Un enlace Fast Ethernet puede mover 100 millones de bits de datos por
segundo, o sea, 10 veces más ancho de banda.
Backbone: Parte de una red que actúa como el camino primario para mover el tráfico entre
redes, en vez de dentro de una red.
Cliente: Un terminal (Celular, computador, Tablet entre otros) en red que comparte
“servicios” con otros terminales. Estos servicios están guardados dentro o administrados
por un servidor.
Ethernet: Una tecnología de LAN popular que usa CSMA/CD -detección de colisión- para
mover paquetes entre estaciones de trabajo y corre sobre una variedad de tipos de cable a
10 Mbps. También, llamada 10BaseT.
Fast Ethernet: Usa el mismo método de transmisión que la Ethernet de 10 Mbps -detección
de colisión- pero opera a 100 Mbps -10 veces más rápido-. Fast Ethernet provee una mejora
en la trayectoria mejorando el rendimiento en redes Ethernet congestionadas, por que usa
el mismo cableado, aplicaciones y herramientas de administración de red. Algunas
variaciones incluyen 100Base-FX, 100Base- T4 y 100Base-TX.
Hub: Un dispositivo que provee una conexión cliente y servidores, repitiendo y/o
amplificando la señal entre los dos. Los hubs actúan como concentradores de cableado en
redes basadas en topología estrella.
IEEE: -Institute of Electrical and Electronics Engineers: Instituto de Ingenieros Eléctricos y
Electrónicos. Es una asociación profesional técnica, no lucrativa con más de 400,000
miembros individuales en 150 países. Es la autoridad principal en áreas técnicas abarcando
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desde ingeniería de computadoras, tecnología biomédica y telecomunicaciones, hasta
energía eléctrica, aeroespacial, entre otros.
IEEE 802.X: Conjunto de especificaciones para las redes LAN dictadas por el Instituto de
Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). La mayoría de las redes cableadas cumplen
con la norma 802.3, especificación para las redes Ethernet basadas en CSMA/CD. El
comité 802.11 completó en 1997 un estándar para redes inalámbricas de 1 y 2 Mbps que
tiene una única capa MAC para las siguientes tecnologías de capa física: FHSS, DSSS e
infrarrojo.
Internet: Una red global masiva, interconectando decenas de miles de computadoras y
redes alrededor del mundo y accesible desde cualquier computadora con una conexión por
modem o router.
LAN -Local Area Network- Red de Área Local: Típicamente, una red o grupo de segmentos
de red en un área delimitada conectada por medios de transmisión fisicos.
Micro-celda: Un espacio físico en el que un número de dispositivos inalámbricos puede
comunicarse. Puesto que es posible tener celdas solapadas, así como celdas aisladas, los
límites de una celda están establecidos por alguna regla o convención.
Modem: Dispositivo que permite a un terminal móvil (computador, Tablet, celular)
conectarse a otros terminales móviles y redes usando líneas de teléfono ordinarias. Los
modems “modulan” la señal digital de una computadora en señal análoga para la
transmisión, luego “desmodulan” esa señal análoga de nuevo al lenguaje digital que la
computadora en el otro extremo pueda entender.
Multidifusión: La variación de señal causada cuando las señales de radio toman múltiples
caminos desde el transmisor al receptor.
Paquete: Un bloque de datos con un encabezado, puede indicar el contenido del paquete
y hacia dónde se dirige.
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Punto de Acceso (Access Point): Dispositivo que transporta datos entre una red
inalámbrica y una red alámbrica.
Red Independiente: Una red que provee, normalmente, temporalmente, conectividad
punto a punto sin depender de una infraestructura completa de red.
Infraestructura de Red: Una red inalámbrica centrada alrededor de un punto de acceso.
En este entorno, los puntos de acceso no solamente proporcionan comunicación con la red
cableada, sino que también, median con el tráfico de red con el punto de acceso al que
estén cerca.
Calidad de Servicio (QoS): Es el rendimiento promedio de una red de telefonía,
particularmente el rendimiento visto por los usuarios de la red. Las características que se
tienen en cuanta para medir la calidad de servicio que provee los operadores son:
rendimiento, eficiencia, ancho de banda, retrasos en la transmisión, pérdida de información,
disponibilidad, etc.
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INTRODUCCIÓN
La optimización en el diseño de las redes inalámbricas es una cuestión fundamental en
diversos campos del conocimiento en las comunicaciones, dentro de los cuales se puede
incluir las matemáticas aplicadas, la informática, la ingeniería de tele tráfico, la investigación
y optimización de operaciones (actividades, asignación de recursos, etc). Estos modelos de
red proporcionan una manera útil para resolver diversos problemas del mundo real y son
ampliamente utilizados en diferentes campos como por ejemplo: Telecomunicaciones,
mecatrónica, electrónica, electricidad y mecánica entro otras áreas.
El uso de nuevos enfoques en los análisis de redes es también importante para
investigadores, administradores y diseñadores de redes inalámbricas (WLAN), aplicando
en el área de las telecomunicaciones la intersección común de las matemáticas y la
informática teórica que se ocupa del análisis de algoritmos. Los recientes avances en los
algoritmos evolutivos se centran en la forma de resolver estos problemas prácticos de la
optimización de las redes siguiendo algoritmos estocásticos cuya estrategia de solución se
basa en la búsqueda de modelos, utilizando fenómenos evolutivos naturales como la
herencia genética (Ejemplo: Algoritmo de Hormigas). En este sentido, nos encontramos con
la integración de la teoría de grafos y la optimización combinatoria. En efecto, una gran
cantidad de problemas de optimización en el diseño de redes surgió directamente de la
práctica diaria en la ingeniería y una buena operación, la determinación del camino más
corto (Algoritmo de Dijkstra) en las redes de tráfico en las telecomunicaciones, los flujos
máximos, perdida de paquetes y los problemas de planeación de ruta de determinado
tráfico (paquete de datos) y la planificación de las conexiones en las redes de tráfico.
Por esto se propone el desarrollo de un modelo matemático multi-objetivo para poder
evaluar las redes 802.11ac, donde los administradores de redes van a tener una
herramienta más flexible y confiable para tener una respuesta del comportamiento del
protocolo de comunicación, donde se podrá verificar la calidad de servicio (Qos), que ofrece
cada uno de los proveedores de redes inalámbricas, y se cumplan las características
mínimas del servicio de calidad ofrecido, analizando y evaluando la eficiencia y confiabilidad
en los diseños de redes inalámbricas con el estándar 802.11ac.
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Por tal motivo se presenta esta investigación donde se mostrara un enfoque diferente para
poder evaluar las redes inalámbricas utilizando el protocolo de comunicación 802.11ac, una
herramienta fácil de utilizar, que cualquier ingeniero en comunicaciones o áreas afines sea
capaz de analizar (interpretar) y poder tomar decisiones sobre una red inalámbrica
802.11ac, a la cual desee verificar u optimizar el rendimiento. Para ello en el modelo
propuesto se integran dos parámetros significativos al momento de verificar el rendimiento
de las redes inalámbricas, los cuales son: eficiencia y confiabilidad utilizando programación
matemática multi-objetivo, la cual ha sido muy utilizada en aplicaciones de ingeniería de
teletráfico para predecir, evaluar y optimizar redes inalámbricas desde hace más de una
década.
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El uso de las redes inalámbricas se ha aumentado y actualmente al menos se podrá
encontrar una red instalada en parques, centros comerciales, supermercados, empresas y
en nuestros hogares. Esto se debe principalmente aspectos como la fácil instalación,
movilidad, valor económico atractivo a todo público y a transmisiones en bandas de
frecuencias libres. Sin embargo, comienza a hacerse evidente por parte del usuario la mala
calidad del servicio (Qos). Por esta razón se plantea obtener un modelo de optimización
para evaluar el rendimiento de las redes inalámbricas, como metodología de análisis de las
redes 802.11ac. En donde se analizarán los parámetros más importantes para nuestra
investigación sobre las redes inalámbricas 802.11ac y así poder optimizarlas, tales
aspectos como: la confiabilidad y eficiencia (eficiencia: optimizar el recurso el cual es el
AP (punto de acceso) donde se debe ubicar para tener mayor cobertura, confiabilidad: no
halla perdida de información (menores retardos) son parámetros importantes en la
evaluación, análisis y optimización de rendimiento en las redes inalámbricas.
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Por lo tanto, el presente proyecto consiste en desarrollar un modelamiento de optimización
del rendimiento en redes 802.11ac usando programación multi–objetivo, para brindar un
análisis del comportamiento de las redes inalámbricas teniendo como parámetros de
entrada más de una función objetivo de selección como los son: eficiencia y confiabilidad.
En consecuencia, la pregunta de investigación que se intentará resolver en el contexto de
las redes inalámbricas es la siguiente:
¿En cuánto puede mejorar la programación multi-objetivo la evaluación del desempeño de
las redes inalámbricas 802.11ac, para obtener un modelo de optimización del desempeño
de estas redes inalámbricas?
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un modelo que permita Optimizar el Rendimiento de las Redes 802.11ac
utilizando Programación Matemática Multi – Objetivo.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
➢ Evaluar la información pertinente a eficiencia y confiabilidad, aspectos que son
determinantes en el rendimiento de las Redes Wi-Fi (en este momento usando
tecnología 802.11ac).
➢ Plantear el Modelo de Rendimiento para las redes 802.11ac, que considera la
eficiencia y confiabilidad, entendida como la eficiencia de la red inalámbrica para
transmitir la información de forma correcta.
▪ Eficiencia: Analizará función objetivo cobertura, se analizará la localización
de los AP (puntos de acceso) para optimizar el recurso al máximo.
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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▪ Confiabilidad: Analizara función objetivo enrutamiento, análisis protocolos
que soporta 802.11ac
➢ Validar (Desarrollo de modelos existentes) el conjunto de medidas de eficiencia y
confiabilidad mediante herramientas de simulación Lingo, GNS3, Matlab y
escenarios empíricos.
1.3 JUSTIFICACIÓN
Con la creciente demanda de internet inalámbrico en los últimos años, vemos la importancia
de la calidad de servicio (QoS) ofrecida en la actualidad, para tener un control como usuario
del servicio que nos brindan cada uno de los proveedores de internet móvil, ya que a
medida que crece la demanda, observamos como la eficiencia, confiabilidad y manejo de
tráfico se ven afectados, brindando un mal servicio al usuario final, como lo es, la perdida
de información en el envío y recepción, retardos muy largos en la recepción de paquetes
de información y hasta perdida de la red inalámbrica a la cual se encuentre conectado el
usuario (eficiencia).
Se va a investigar en profundidad las redes LAN inalámbricas, específicamente con la
tecnología 802.11ac, En donde se analizaran los parámetros más importantes dentro de la
investigación sobre las redes inalámbricas y así poder optimizarlas, tales aspectos son: la
confiabilidad y eficiencia (eficiencia: optimizar el recurso el cual es el AP (punto de acceso)
donde se debe ubicar para tener mayor cobertura, confiabilidad: no halla perdida de
información (menores retardos) siendo parámetros importantes en la evaluación, análisis y
optimización de rendimiento en las redes inalámbricas.
Utilizando programación matemática multi-Objetivo, se planteará un modelo de
optimización del rendimiento en las redes inalámbricas 802.11ac, teniendo como funciones
objetivos definidas: la función objetivo eficiencia y la función objetivo confiabilidad, para
nuestro desarrollo del modelo y validación del mismo.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Por esta razón se ve la importancia de desarrollar un nuevo método más eficiente que nos
permita encontrar una mejor forma de evaluar, analizar y optimizar el rendimiento de las
redes inalámbricas utilizando la tecnología 802.11ac, para ello usando programación
matemática multi-objetivo.
1.4 RESULTADOS ESPERADOS
Se entregará en el proyecto de investigación, un modelo de optimización del rendimiento
en las redes inalámbricas 802.11ac, el cual tendrá un impacto a nivel distrital, nacional e
internacional, ya que se pretende hacer una contribución a mejorar los métodos de cómo
se puede evaluar, analizar y optimizar las redes inalámbricas y tener un mejor criterio en el
diseño, implementación u optimización utilizando el protocolo de comunicación 802.11ac.
Además del fortalecimiento en investigación del grupo Internet Inteligente de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas enfocado a la investigación.
En cuanto a los resultados esperados durante el proceso de desarrollo:
➢ Un documento de revisión del estado del arte que evidencia los principales modelos
desarrollados por otros investigadores, validando el modelo planteado en la
investigación con redes inalámbricas 802.11ac y considerando las posibles mejoras
que se podrán obtener con respecto a los modelos comparados en nuestro estado
del arte.
➢ Un modelo de optimización del rendimiento en las redes inalámbricas utilizando el
protocolo de comunicación 802.11ac, para evaluar, analizar y optimizar las redes de
telecomunicaciones que utilicen esta tecnología en sus diseños, mejorando la
eficiencia y confiabilidad de sus redes inalámbricas.
➢ Una validación del modelo de optimización desarrollado por medio de datos
experimentales y simulaciones por medio de herramientas de software para el
análisis de redes inalámbricas utilizando el protocolo 802.11ac.
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO CONCEPTUAL
2.1.1 REDES INALAMBRICAS
Una red inalámbrica es un sistema de comunicación de datos que proporciona una conexión
sin cables entre equipos situados dentro de una misma área de cobertura. Las redes
inalámbricas transmiten (Tx) y reciben (Rx) paquetes de datos a través de ondas
electromagnéticas usando el aire como medio de transmisión, permitiendo tener al usuario
final movilidad en el uso del internet. (Pablo Jara Werchau, 2009), (Peralta, 2014).
Existen diferentes tipos de redes inalámbricas, a continuación, se explicarán:
➢ WPAN (Wireless Personal Area Network, en español Redes de Área Personal
Inalámbricas): Es una red inalámbrica de comunicación de datos entre distintos
dispositivos (móviles, computadoras, impresoras, dispositivos de audio,
electrodomésticos) cercanos al AP (Punto de acceso a internet). Cubren un área del
tamaño de una habitación y permiten la comunicación entre dos dispositivos a baja
velocidad y a una distancia muy corta (pocos metros 2- 5m aproximado). Una de las
soluciones de esta tecnología se conoce con el nombre de Bluetooh, y sirve para
transferencia de datos de poca capacidad y bajas velocidades (Peralta, 2014).
Como se ilustra en la figura 1.
Figura 1 Arquitectura básica de una red WPAN Fuente: https://sites.google.com/site/redesinalambricas3/tipos-
de-redes-inalambricas/bluetooth
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WLAN (Wireless Local Area Network, en español Redes de Área Local Inalámbricas): Es
una red inalámbrica que cubre un área equivalente a la red local de una empresa, con un
alcance aproximado de cien metros. Permite que las terminales (móviles, computadoras,
impresoras, dispositivos de audio, electrodomésticos) que se encuentran dentro del
área de cobertura puedan conectarse entre sí. Una de las tecnologías más utilizadas en la
actualidad por las prestaciones que ofrece frente a sus competidores es WIFI (802.11),
ofreciendo una velocidad de descarga máxima de 54Mbps, con un alcance aproximado de
100 metros. Permite que las terminales que se encuentran dentro del área de cobertura
puedan conectarse entre sí. (Pablo Jara Werchau, 2009) . Como se ilustra en la figura
2.
Figura 2 Arquitectura básica de una red WLAN 802.11 Fuente: http://www.accoladewireless.com/solutions/wireless-networking/wireless-lan-wifi-wlan/
➢ WMAN (Wireless Metropolitan Area Network, en español Redes de Área
Metropolitana Inalámbrica): Permite que las terminales (móviles, computadoras,
impresoras, dispositivos de audio, electrodomésticos) que se encuentran dentro del
área de cobertura puedan conectarse entre sí. Una de las tecnologías de largo
alcance que se ofrece en la actualidad por las prestaciones que ofrece frente a sus
competidores es WIMAX (802.16), ofreciendo una velocidad de descarga máxima
de 75Mbps, con un alcance mayor a las redes WLAN aproximado de 2 a 5km (Pablo
Jara Werchau, 2009) . Como se ilustra en la figura 3.
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Figura 3 Arquitectura básica de una red WMAN Fuente:
https://tododeredesinalambricas.wordpress.com/wireless-metropolitan-area-network-wman/
La mayoría de las redes inalámbricas se enlazan a la red cableada en algún punto para
proporcionar acceso a archivos, bases de datos e Internet (Tanenbaum, 2003).
➢ WWAN (Wireless Wide Area Network, en español Red Inalámbrica de Área
Extensa,): Es una red de computadoras que abarca varias ubicaciones físicas,
dando servicio a una zona, un país e incluso varios continentes. Es cualquier red
que une varias redes locales, WLAN, por lo que sus miembros no están todos en
una misma ubicación física. Las tecnologías más destacadas son GPRS, GSM, LTE
y UMTS (Jaramillo, 2015). Como se observa en la figura 4.
Figura 4 Arquitectura básica de una red Fuente: http://redesaradillas.blogspot.com.co/2015/08/
2.1.1.1 REDES INALAMBRICAS DE AREA LOCAL (WLAN) 802.11
Casi al mismo tiempo que aparecieron las computadoras portátiles, muchas personas
tuvieron el sueño de andar por la oficina y tener movilidad en la conexión a internet de su
computadora. En consecuencia, varios grupos empezaron a trabajar para cumplir con esta
meta. El método más práctico es equipar las computadoras de la oficina y las portátiles con
transmisores y receptores de radio de onda corta que les permitan comunicarse. Este
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trabajo condujo rápidamente a que varias empresas empezaran a comercializar las LANs
inalámbricas. El problema es que no había compatibilidad entre ninguna de ellas. Esta
proliferación de estándares implicaba que una computadora equipada con un radio
(Transmisor (Tx) y Receptor (Rx)) de marca X no funcionara en un cuarto equipado con una
estación de base de marca Y. Finalmente, la industria decidió que un estándar de LAN
inalámbrica sería una buena idea, por lo que al comité del IEEE que estandarizó las LANs
alámbricas se le encargó la tarea de diseñar un estándar para LANs inalámbricas. El
estándar resultante se llamó IEEE 802.11. En la jerga común se le conoce como WiFi que
es el nombre comercial. Es un estándar importante, así que lo llamaremos por su nombre
propio, 802.11 (Tanenbaum, Redes WLAN 802.11, 2003). El estándar propuesto tenía que
trabajar en dos modos:
➢ En presencia de una estación base: Toda la comunicación se hace a través de la
estación base, conocida como AP (Punto de Acceso, del inglés Access Point).
➢ En ausencia de una estación base: Las computadoras pueden enviarse mensajes
entre si directamente. Este modo se llama red ad hoc
En el primer caso, toda la comunicación se hacía a través de la estación base, que en la
terminología del 802.11 se conoce como punto de acceso. En el segundo caso, las
computadoras podrían enviarse mensajes entre sí directamente. Este modo se llama como
red ad hoc. Un ejemplo típico es el de dos o más personas que se encuentran juntas en un
cuarto no equipado con una LAN inalámbrica y cuyas computadoras se comunican entre sí
de manera directa (Tanenbaum, Redes WLAN 802.11, 2003). Los dos modos se ilustran en
la figura 5.
Figura 5 Arquitectura de una WLAN 802.11 (a) Red inalámbrica con un AP (b) Red ad hoc Fuente: Libro
Redes de computadoras de tanenbaum 4ta edición español
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2.1.1.2 DEFINICIÓN ESTANDAR IEEE 802.11 Y EVOLUCIÓN
El estándar IEEE 802.11 es el que define el uso de las dos capas inferiores de la
arquitectura OSI (Física y Enlace de Datos), especificando sus normas de funcionamiento
en una WLAN (Peralta, 2014). Como se ilustra en la figura 6.
Figura 6 Arquitectura redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente: Libro Redes de computadoras de tanenbaum 4ta edición español
Capa física: Medio por el cual se va realizar la comunicación, puede ser un medio alámbrico
o inalámbrico como en el caso de las redes WLAN 802.11 (FHSS y DSSS), en la cual se
profundizará en el trascurso de este documento (Tecnología 802.11ac). En esta capa se
escogen los APs (Puntos de acceso), dependiendo el tipo de tecnología que se desee
implementar en un diseño de redes inalámbricas, brindándonos mejores capacidades de
transmisión y recepción de datos, confiabilidad, eficiencia y mayor cobertura dependiendo
de la tecnología inalámbrica a utilizar. En el caso de la investigación que se va a realizar se
utilizara la tecnología 802.11ac. A continuación, se ilustra la arquitectura de las redes WLAN
802.11 respecto al modelo OSI, ver figura 7.
Figura 7 Arquitectura capa física redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente: https://es.slideshare.net/h_gonzalezc/red-de-comunicaciones-12657813
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➢ FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia, en inglés Frequency Hopping
Spread Spectrum): Consiste en transmitir una parte de la información en una
determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo llamada dwell time e inferior
a 400 ms. Pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue
transmitiendo a otra frecuencia. De esta manera cada tramo de información se va
transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo
(Enrique de miguel ponce, 2000), como se observa en la figura 8.
Figura 8 Grafica codificación con salto en frecuencia Fuente: https://radiosyculturalibre.com.ar/biblioteca/REDES/WIRELESS/curso%20wlan/Tutoriales/manual_redes_inala
mbricas.pdf
El orden en los saltos en frecuencia se determina según una secuencia pseudoaleatoria
almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el receptor deben conocer. Si se
mantiene la sincronización en los saltos de frecuencias se consigue que, aunque en el
tiempo se cambie de canal físico, a nivel lógico se mantiene un solo canal por el que se
realiza la comunicación. Esta técnica también utiliza la zona de los 2.4GHz, la cual organiza
en 79 canales con un ancho de banda de 1MHz cada uno, (Enrique de miguel ponce, 2000).
El estándar IEEE 802.11 define la modulación aplicable en este caso. Se utiliza la
modulación en frecuencia FSK (Frequency Shift Keying), con una velocidad de 1Mbps
ampliable a 2Mbps. En la revisión del estándar, la 802.11b, esta velocidad también ha
aumentado a 11Mbps (Enrique de miguel ponce, 2000). En la siguiente tabla se observa el
rango de frecuencias centrales empleadas en FHSS, tabla 1.
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Tabla 1 Tabla rango de frecuencias centrales empleadas en FHSS Fuente: https://radiosyculturalibre.com.ar/biblioteca/REDES/WIRELESS/curso%20wlan/Tutoriales/manual_redes_inalambricas.pdf
Una transmisión en espectro ensanchado ofrece 3 ventajas principales:
1. Las señales en espectro ensanchado son altamente resistentes al ruido y a
la interferencia.
2. Las señales en espectro ensanchado son difíciles de interceptar. Una transmisión
de este tipo suena como un ruido de corta duración, o como un incremento en el
ruido en cualquier receptor, excepto para el que esté usando la secuencia que fue
usada por el transmisor.
3. Transmisiones en espectro ensanchado pueden compartir una banda de frecuencia
con muchos tipos de transmisiones convencionales con mínima interferencia.
➢ DSSS (Espectro ensanchado por secuencia directa, en inglés Direct sequence
spread spectrum): También conocido en comunicaciones móviles como DS-
CDMA (acceso múltiple por división de código en secuencia directa) ver figura
8, es uno de los métodos de codificación de canal (previa a la modulación)
en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas
radioeléctricas que más se utilizan. Tanto DSSS como FHSS están definidos por
el IEEE en el estándar 802.11 para redes de área local inalámbricas WLAN. Este
esquema de transmisión se emplea, con alguna variación, en
sistemas CDMA asíncronos (como por ejemplo UMTS) (Enrique de miguel ponce,
2000).
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Figura 9 Método de codificación del canal por DSSS Fuente:
https://es.wikipedia.org/wiki/Acceso_m%C3%BAltiple_por_divisi%C3%B3n_de_c%C3%B3digo#/media/File:Generation_of_CDMA.jpg
Capa de enlace: El objetivo de la capa de enlace es conseguir que la información fluya,
libre de errores, entre dos máquinas que estén conectadas directamente (servicio orientado
a la conexión). Para lograr este objetivo tiene que montar bloques de información
(llamados trama en esta capa), dotarles de una dirección de capa de enlace (Dirección
MAC), gestionar la detección o corrección de errores, y ocuparse del “control de flujo” entre
equipos (para evitar que un equipo más rápido desborde a uno más lento). Además está
compuesta por dos subcapas, las cuales son, ver figura 10:
Figura 10 Arquitectura capa enlace de datos redes WLAN 802.11 modelo OSI Fuente:
https://es.slideshare.net/h_gonzalezc/red-de-comunicaciones-12657813
➢ MAC (Control de Acceso al Medio): Se encarga de ver cómo conseguir el medio
para poder transmitir los datos (Peralta, 2014).
➢ LLC (Control Lógico de Enlace): Brinda el servicio a la Capa de Red como si fuera
la Capa de Enlace de Datos tradicional (Modelo OSI) (Peralta, 2014).
A continuación, se mostrará una tabla resumida de la evolución que ha tenido durante los
últimos años el estándar IEEE 802.11. Ver tabla 2.
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EVOLUCIÓN DEL ESTANDAR IEEE 802.11
IEEE 802.11a Opera en la banda de frecuencia de 5 GHz y proporciona velocidades
de hasta 54 Mb/s. Posee un área de cobertura menor y es menos
efectivo al penetrar estructuras edilicias ya que opera en frecuencias
superiores. Los dispositivos que funcionan conforme a este estándar
no son interoperables con los estándares 802.11b y 802.11g que se
describen a continuación.
IEEE 802.11b Opera en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y proporciona
velocidades de hasta 11 Mb/s. Los dispositivos que implementan este
estándar tienen un mayor alcance y pueden penetrar mejor las
estructuras edilicias que los dispositivos basados en 802.11a.
IEEE 802.11g Opera en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y proporciona
velocidades de hasta 54 Mbps. Por lo tanto, los dispositivos que
implementan este estándar operan en la misma radiofrecuencia y
tienen un alcance de hasta 802.11b pero con un ancho de banda de
802.11a.
IEEE 802.11n Opera en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y 5 GHz. Las velocidades
de datos típicas esperadas van de 150 Mb/s a 600 Mb/s, con un
alcance de hasta 70 m. Es compatible con dispositivos 802.11a, b y g
anteriores.
IEEE 802.11ac opera en la banda de 5 GHz y proporciona velocidades de datos que
van de 450 Mb/s a 1,3 Gb/s (1300 Mb/s); es compatible con
dispositivos 802.11a/n.
IEEE 802.11ad También conocido como “WiGig”. Utiliza una solución de Wi-Fi de
triple banda con 2,4 GHz, 5 GHz y 60 GHz, y ofrece velocidades
teóricas de hasta 7 Gb/s.
Tabla 2 Evolución del Estándar IEEE 802.11 Fuente: http://tavoberry.com/osi/estndares_wifi.html
2.1.4 REDES INALAMBRICAS (WLAN) ESTÁNDAR IEEE 802.11ac
El estándar 802.11ac surge como una evolución del estándar 802.11n. A diferencia del
estándar 802.11n, que desarrolló nuevas técnicas para aumentar el rendimiento, el
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estándar 802.11ac utiliza y mejora técnicas ya existentes. Por ejemplo, en lugar de utilizar
MIMO como se venía utilizando anteriormente, para enviar datos a un único usuario,
aparece el concepto de MIMO multiusuario, que permite al AP (Access Point) enviar datos
a múltiples usuarios al mismo tiempo (Jaramillo, 2015). En la Tabla 3 se muestran las
diferencias entre ambos estándares.
802.11n 802.11ac
ANCHO DE BANDA 20 y 40 MHz 20, 40, 80 y 160MHz
FRECUENCIA DE
OPERACIÓN
2.4 GHz o 5GHz 5GHz
BEAMFORMING
No estándar Estándar
CANALES SIN
SOLAPAMIENTO
3 19
FLUJOS ESPECIALES
MIMO
1 HASTA 4 1 HASTA 8 (HASTA 4 POR
USUARIO)
MU-MIMO - 4 CLIENTES MU-MIMO
MODULACIÓN BPSK, QPSK, 16-QAM 64 QAM
64 QAM Y 256 QAM
VELOCIDAD MAXIMA 1
FLUJO (1*1)
150Mbps 433Mbps
VELOCIDAD MAXIMA 1
FLUJO (3*3)
450Mbps 1.3Gbps
Tabla 3 Especificaciones estándar 802.11ac y diferencias entre los protocolos 802.11n y 802.11ac Fuente: Autor
Todos los protocolos 802, incluyendo 802.11 y 802.3 (Ethernet) tienen ciertas similitudes
en su estructura. De hecho, se hizo que 802.11 fuera compatible con Ethernet sobre la capa
de enlace de datos, (Peralta, 2014). Ver figura 11.
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Figura 11 Pila de protocolos 802.11 Fuente: Libro Redes de computadoras de tanenbaum 4ta edición español
La pila de protocolos es la misma para los clientes y APs (Access Point). La capa física
corresponde muy bien con la capa física OSI. La subcapa MAC determina la forma en que
se asigna el canal; es decir, a quien le toca transmitir a continuación. Arriba de dicha
subcapa se encuentra la subcapa LLC, cuya función es ocultar las diferencias entre las
variantes 802 con el fin de que sean imperceptibles en lo que respecta a la capa de red,
pero actualmente lo que hace es identificar el protocolo que se transporta dentro de una
trama 802.11 (por ejemplo, protocolo IP) (Peralta, 2014).
2.1.4.1 MEJORAS EN LA CAPA FISICA REDES 802.11ac El aumento de velocidad en la capa física se produce gracias a 3 factores:
➢ Mayor cantidad de flujos espaciales.
➢ Canales más anchos.
➢ Modulación más eficiente incluyendo más bits en cada unidad de tiempo.
El aumento de los flujos espaciales de 4 a 8 multiplica también por dos el rendimiento del
sistema con respecto a un sistema 802.11n. El número de flujos espaciales no puede ser
mayor que el número de elementos en el array de antena. Si el número de elementos en el
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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array fuera mayor que el número de flujos espaciales, se obtendría una ganancia de
procesado beneficiosa para el sistema debido a que aumenta la SNR en el beamforming
(Jaramillo, 2015).
➢ RADIOCANALES EN EL ESTÁNDAR 802.11AC
Como se ha visto anteriormente, este estándar aporta dos tamaños nuevos de canales, 80
y 160 MHz. Este estándar divide al canal en múltiples subportadoras OFDM, cada una con
un ancho de banda de 312,5 kHz. Se utiliza una subportadora distinta para cada
transmisión. Algunas de estas subportadoras son subportadoras piloto y no se utilizan para
transmitir datos de usuarios, sino que se utilizan para medir el canal.
Todos los dispositivos 802.11ac deben soportar canales de 80 MHz. Adicionalmente,
pueden tener o no la capacidad de soportar canales de 160 MHz o en un único bloque de
160 MHz o en dos bloques de 80 MHz. A continuación, en la Figura 12 se observa el diseño
de los canales en el estándar 802.11ac y las portadoras pilotos que se añaden en la
transmisión. En cada una de las líneas horizontales se presenta el diseño de las
subportadoras OFDM en un tipo de canal (Jaramillo, 2015).
Figura 12 Diseño de canales redes WLAN 802.11 Fuente: Estudio de las técnicas de Beamforming en el
estándar 802.11ac
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Las portadoras pilotos representan una sobrecarga para el canal debido a que son
portadoras que no se pueden utilizar para transmitir datos. Esta pérdida de eficiencia se
hace menos notable a medida que aumenta el ancho del canal.
➢ MODULACIÓN 256-QAM
Con el estándar 802.11ac aparece una nueva modulación, la 256-QAM. Esta modulación
consta de 16 cambios de fase y 16 niveles de amplitud (en lugar de 8 y 8 que presentaba
la modulación 64-QAM). En la Figura 13 se pueden observar ambas modulaciones. Las dos
tienen una apariencia similar pero la 256-QAM tiene muchos más puntos en la constelación.
El aumento de puntos de la constelación sirve para mejorar considerablemente la velocidad
del sistema. En lugar de transmitir 6 bits por cada subportadora, una modulación 256-QAM
transmite 8 bits. Esta modificación aumenta la velocidad en un 30 % con respecto al
estándar 802.11n (Jaramillo, 2015).
Figura 13 Comparación de modulaciones 64-QAM y 256-QAM Fuente: Estudio de las técnicas de
Beamforming en el estándar 802.11ac
➢ TRAMA REDES 802.11ac
Las tramas del nuevo estándar deben ser compatibles con los estándares anteriores,
debido a que un dispositivo 802.11a o 802.11n debe ser capaz de conocer la longitud de la
trama para no transmitir a la vez en ese intervalo de tiempo. La trama en sí es muy similar
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a la del estándar 802.11n, con la diferencia de que en el preámbulo se incluye un campo
para permitir MIMO multiusuario que debe incluir el número de flujos espaciales utilizados
y los múltiples receptores a los que va dirigida la trama (Jaramillo, 2015), como se observa
en la figura 14.
Figura 14 Trama 802.11ac Fuente: Estudio de las técnicas de Beamforming en el estándar 802.11ac
Cada uno de los campos tiene las siguientes funciones:
• L-STF (Non-HT Short Training Field) y L-LTF (Non-HT Long Training Field): Son
una secuencia de 12 símbolos OFDM que sirven para sincronizar los
temporizadores, seleccionar la antena de transmisión, anunciar que va a comenzar
la transmisión.
• L-SIG (Non-HT Signal Field): Es un campo que utilizan los receptores para calcular
el tiempo de transmisión de la trama.
• VHT-SIG-A (VHT Signal A Field) y VHT-SIG-B (VHT Signal B Field): Ambos campos
incluyen atributos de la trama, si es una trama multiusuario, la modulación,
codificación, anchura del canal.
• VHT-STF (VHT Short Training Field): Ayuda al receptor para establecer la ganancia
de recepción y para detectar parámetros repetidos.
• VHT-LTF (VHT Long Training Field): Consiste en una secuencia de símbolos que
configuran la demodulación del resto de la trama, empezando por el campo VHT
Signal B Field. Consta de 1, 2, 4, 6 u 8 símbolos dependiendo del número de flujos
de transmisión. El número de símbolos requeridos se redondea al valor par
inmediatamente superior al número de flujos. Por ejemplo, si se tuvieran 5 flujos se
utilizarían 6 símbolos. También se utiliza para el beamforming.
• Data Field (Este campo contiene los datos a transmitir): En el caso de que este
campo esté vacío, se trata de un paquete NDP, que se utilizará para beamforming.
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➢ VELOCIDAD DE LOS DATOS EN REDES 802.11ac
La velocidad de los datos viene determinada por el ancho de banda del canal, la modulación
elegida, el número de flujos espaciales y el intervalo de guarda.
A continuación, se presenta una tabla comparativa de las distintas velocidades alcanzadas
en los distintos estándares.
TECNOLOGIA 20MHz 40MHz 80MHz 160MHz 802.11b 11Mbps - - -
802.11a/g 54 Mbps - - -
802.11n (1 Flujo espacial)
72 Mbps 150 Mbps - -
802.11ac (1 Flujo espacial)
87 Mbps 200 Mbps 433 Mbps 867 Mbps
802.11n (2 Flujo espacial)
144 Mbps 300 Mbps - -
802.11ac (2 Flujo espacial)
173 Mbps 400 Mbps 867 Mbps 1.7 Gbps
802.11n (3 Flujo espacial)
216 Mbps 450 Mbps - -
802.11ac (3 Flujo espacial)
289 Mbps 600 Mbps 1.3 Gbps 2.3 Gbps
802.11n (4 Flujo espacial)
289 Mbps 600 Mbps - -
802.11ac (4 Flujo espacial)
347 Mbps 800 Mbps 1.7 Gbps 3.5 Gbps
802.11ac (8 Flujo espacial)
693 Mbps 1.6 Gbps 3.4 Gbps 6.9 Gbps
Tabla 4 Comparación de distintas velocidades obtenidas con estándares WLAN Fuente: Estudio de las técnicas de Beamforming en el estándar 802.11ac
➢ BEAMFORMING EN REDES 802.11ac
Otra tecnología de 802.11ac es Beamforming, en lugar de emitir la señal inalámbrica de
forma uniforme alrededor suyo, se dirige directamente al lugar donde se encuentran los
dispositivos conectados. Las mejoras son evidentes en cobertura, rendimiento y fiabilidad,
(Jaramillo, 2015) ver figura 15.
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 15 Técnica Beamforming en redes 802.11ac Fuente: Estudio de las técnicas de Beamforming en el
estándar 802.11ac
2.1.5 PROGRAMACIÓN MATEMATICA MULTI-OBJETIVO
La programación matemática es utilizada para la optimización de un determinado sistema
(Telecomunicaciones, electrónica, control etc.) el cual se refiere a encontrar una o más
soluciones factibles, las cuales corresponden a valores extremos de uno o más objetivos
(Programación matemática). Estos valores extremos de cada función objetivo corresponden
a los valores máximos y/o mínimos que se requieren en un diseño así: calcular el mínimo
costo de fabricación, calcular el máximo índice de confiabilidad, calcular el mínimo valor en
la entrada de un amplificador, calcular la máxima deflexión de un material, etc. Sin embargo,
los problemas de ingeniería han sido considerados asumiendo modelos que no muy
exactos, por lo tanto, en muchos años, la ingeniería ha considerado problemas Mono-
objetivo (GUANCHA, 2010).
Por lo anterior, en los problemas Multio-objetivo, se presenta una característica en la que
se refleja el hecho de que no existe una única solución ya sea minimizada o maximizada,
sino que existe un conjunto de soluciones que son mejores que las demás, este conjunto
de soluciones son soluciones no dominadas o soluciones que pertenecen al frente de
Pareto o Pareto óptimas. La escogencia de una solución dentro de este conjunto depende
de las características propias del problema a resolver u optimizar un determinado proceso.
Actualmente existen diversidad de métodos de optimización que tratan con múltiples
objetivos y que han sido estudiados y desarrollados por varios autores (GUANCHA, 2010).
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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En el caso de la Optimización, en donde se encuentran metodologías propias como lo es la
Programación Lineal (LP), Programación No Lineal (NLP), Programación Entera (EP),
Programación Dinámica (DP), Programación Multiobjetivo (MP), Flujos de Redes,
Simulación, Teoría de Colas, Teoría de la Decisión y de Juegos (Medina, 2014). La
Optimización consiste en la selección de una alternativa mejor, que las demás alternativas
posibles. Los problemas de Optimización se componen de tres elementos (Medina,
Wireless Network Optimization: Design of a Mathematical Model using Multi – Objective
Programming, 2014), (Medina, 2012):
➢ Función Objetivo
Es la medida cuantitativa del funcionamiento del sistema que se desea optimizar (maximizar
ó minimizar). Como ejemplo llevado al sector de las telecomunicaciones se podría citar,
maximizar el ancho de banda de un canal, maximizar la potencia de un transmisor,
minimizar los costos asociados a un enlace (Medina, 2012).
➢ Variables
Representan las decisiones que se pueden tomar para afectar el valor de la función objetivo.
Desde un punto de vista funcional se pueden clasificar en variables independientes o de
control y variables dependientes o de estado, aunque matemáticamente todas son iguales
(Medina, 2012).
➢ Restricciones
Representan el conjunto de relaciones (expresadas mediante ecuaciones e inecuaciones)
que ciertas variables están forzadas a satisfacer. En este contexto, cuando se resuelve un
problema de optimización lo que se busca es encontrar el valor que deben tomar las
variables de tal forma que satisfaga las restricciones y optimice (maximice o minimice) la
función objetivo (Medina, 2012).
2.1.5.1 OPTIMIZACIÓN MULTI OBJETIVO
El problema de optimización evolutiva Multio-bjetivo puede expresarse formalmente como:
Encontrar el vector:
X = [𝑥1𝑥2, … … . . 𝑥𝑛]
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Que satisfaga las m restricciones de desigualdad:
𝑔𝑖(𝑥) ≤ 0 𝑖 = 1,2,3, … … … 𝑚
Para las p restricciones de igualdad:
ℎ𝑖(𝑥) ≤ 0 𝑖 = 1,2,3, … … … 𝑝
Y optimice la función vectorial:
F(X) = [𝑓1(𝑥), 𝑓2(𝑥), … … . , 𝑓𝑘]𝑇
Para poder determinar qué tan “buena” es una cierta solución, es necesario contar con
algún criterio para evaluarla. Estos criterios se expresan como funciones computables de
las variables de decisión a las que se denomina funciones objetivo.
➢ Tipos de Problemas Multi-objetivo
Existen tres tipos de situaciones que pueden presentarse en un problema multi-objetivo:
➢ Minimizar todas las funciones objetivo
➢ Maximizar todas las funciones objetivo
➢ Minimizar algunas funciones y maximizar otras.
Por cuestiones de simplicidad, normalmente todas las funciones se convierten ya sea a un
problema de maximización o a uno de minimización. Se puede usar la siguiente identidad
para convertir todas las funciones a maximizarse (Medina, 2012) de manera que
correspondan a un problema de minimización:
max 𝑓𝑖(𝑥) = min (−𝑓𝑖(𝑥))
2.2 MARCO TEÓRICO
2.2.1 RENDIMIENTO EN REDES DE TELECOMUNICACIONES 802.11
El Rendimiento de las Redes Telemáticas se puede definir como la cantidad de información
que es transmitida desde un emisor a un receptor sin pérdida por unidad de tiempo
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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(Quintana, 2001)(E. Casilari, 2003) y el rendimiento (troughput) (Agustín Gordillo Yllán,
2008) (DELGADILLO A, GUZMAN V, & MULLER G, 2005) (Medina, 2012) se puede
calcular a partir de una expresión matemática que permite obtener resultados teóricos en
función de valores establecidos y situaciones propuestas para determinar una aproximación
de qué resultados se pueden obtener. El cálculo más sencillo es tener un escenario ideal
en el que se comunica un terminal móvil (TM) y un Access point (AP), no existen
interferencias, el canal está libre de errores y además sólo hay un AP activo. Teniendo en
cuenta lo anterior, el rendimiento podría obtener en la siguiente relación:
𝑇=𝐿𝑝𝐿𝑝𝑅𝑑+ 𝑇𝑐𝑐𝑟𝑡𝑠
Dónde:
𝐿𝑝=𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠
𝑅𝑑=𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑 𝑖𝑛𝑎𝑙á𝑚𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎.
𝑇𝑐𝑐𝑟𝑡𝑠=𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑛 𝑅𝑇𝑆.
El Tiempo de control con RTS está dado por:
𝑇𝑐𝑐𝑟𝑡= 𝐶𝑊𝑚𝑖𝑛
2+4𝑇𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎+4𝑇𝑝𝑙𝑐𝑝𝑙+
𝐴𝐶𝐾+𝐶𝑇𝑆+𝑅𝑇𝑆
𝑅𝑑
Y que depende de los parámetros relacionados en la WLAN que se esté trabajando para la
transferencia de información, tales como:
▪ ACK = Trama MAC de conformación con valor de 14 bytes.
▪ 𝐶𝑊𝑚𝑖𝑛 = Ventana de contienda mínima con un valor de 1213 μs.
▪ CTS = Datos en una trama MAC con un valor de 14 bytes que indican el envío de
información al estar listo.
▪ 𝑇𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎= Tiempo de transmisión, recepción y procesamiento con valor de 1μ.
▪ 𝑇𝑝𝑙𝑐𝑝𝑙 = Opción por defecto para transmisión con valor de 192 μs.
▪ RTS = Datos en una trama MAC para petición de envío con valor de 20 bytes.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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El tamaño del paquete seleccionado corresponde al máximo tamaño que puede tomar un
paquete IP en una red Ethernet. En (José L. Alvarez-Flores, 2006), se realiza el mismo
análisis para obtener la cota superior del rendimiento en redes 802.11, obteniendo:
𝑇=𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒 𝐼𝑃
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑥 𝑒𝑥𝑖𝑡𝑜𝑠𝑎+𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠+𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑜𝑐𝑖𝑜𝑠𝑜
Para obtener la cota superior se obvian las colisiones, lo cual presenta la ventaja de pasar
de análisis probabilístico a uno determinístico, con esto la anterior ecuación se reduce a:
𝑇=𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒 𝐼𝑃
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑥 𝑒𝑥𝑖𝑡𝑜𝑠𝑎+𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑜𝑐𝑖𝑜𝑠𝑜
Esto permite un análisis para un sin número de situaciones en las redes inalámbricas de
área local. Este será el punto de partida del proyecto, en donde se analizará el
comportamiento del rendimiento de la red Inalámbrica (WLAN) desde diferentes variables,
las cuales permitirán realizar una propuesta del modelo multi-objetivo para analizar el
comportamiento de las redes WLAN que utilizan tecnología 802.11ac.
2.2.2 INVESTIGACIÓN EFICIENCIA EN LAS REDES WLAN 802.11ac
Las redes LAN inalámbricas que utilizan el estándar IEEE 802.11ac extienden el ancho de
banda del canal de 20 o 40 MHz (usado por el estándar 802.11n) a 80 o 160 MHz para
aumentar la eficiencia (espectro radioeléctrico) y así poder tener mayores velocidades en
la transmisión de datos. En consecuencia, podría haber estaciones que soportan diferentes
anchos de banda de canal en un área. En el estándar 802.11ac, todas las estaciones que
son miembros del mismo conjunto de servicios básicos (BSS) tienen que operar en el canal
primario, que es un sub-canal común de 20 MHz para propósitos de retro-compatibilidad.
Por otra parte, los canales secundarios, que comprenden anchos de banda de: 40, 80 o
160 MHz junto con el canal primario, se utilizan para Transmitir señales de alto rendimiento
o de muy alto rendimiento a las estaciones (Shoko Shinohara, 2014), ver figura 18.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 16 Comparación de la capacidad del sistema normalizada por el ancho de banda de 160 MHz (TXOP =
3mg, número de flujos = 8, índice VTH-MCS = 8) Fuente: Efficient Multi-User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs
Puesto que habrá estaciones que soportan ancho de banda de canal diferente en el mismo
BSS (Estación de servicios básicos), alguna parte de los recursos de frecuencia pueden
permanecer sin usarse cuando se transmiten señales a estaciones que soportan anchos de
banda estrechos. Por ejemplo, una transmisión de 20 MHz en una BSS (Estación de
servicios básicos) de 80 MHz hace que los recursos de frecuencia de 60 MHz se
desperdicien durante la transmisión lo que degrada la capacidad del sistema. Otro problema
con la expansión en el ancho de banda del canal es que causa más OBSSs (conjuntos de
servicios básicos superpuestos) porque el ancho de banda de frecuencia total disponible
para WLAN es limitado (Shoko Shinohara, 2014). Si algunos APs no utilizan canales de
manera muy efectiva y el número de OBSSs aumenta, el rendimiento del sistema en un
área también se degradará (Yinghong Ma, 2016).
Por esta razón proponen una técnica de transmisión Multi-Usuario Multi-Canal (MU-MC)
para mejorar la eficiencia de las transmisiones de enlace descendente. Esta técnica
permite que un AP transmita tramas a diferentes destinos en diferentes sub-canales (ver
Figura 19). En sistemas WLAN, la multiplexación ortogonal por división de frecuencia
(OFDM) es una técnica de transmisión básica para 802.11a / n / ac, y MU-MC hace uso
flexible de sub-canales para mejorar la eficiencia del espectro (Shoko Shinohara, 2014). El
MU-MC es similar al acceso múltiple de división de frecuencia ortogonal (OFDMA) definido
para LTE y WiMAX que programa destinos para cada bloque de recursos. En WiMAX y
LTE, varias sub-portadoras están agrupadas y consideradas como un bloque de recursos.
Nuestro esquema MU-MC asume el canal convencional de WLAN de 20 MHz como una
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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unidad de recursos de frecuencia para mantener la compatibilidad con sistemas heredados
(Shoko Shinohara, 2014), (Yinghong Ma, 2016).
Figura 17 Uso de recursos de frecuencia con MU (Multi-Usuario)-MC (Multi-Canal) Fuente: Efficient Multi-User
Transmission Technique with Frequency Division for WLANs
Cuando se transmiten cuadros de datos simultáneamente usando la técnica MU (Multi
Usuario)-MC (Multi Canal), debe impedirse la interferencia entre los cuadros de datos. En
el esquema MU (Multi Usuario)-MC (Multi Canal), se asume un canal convencional de 20
MHz definido en el estándar 802.11a como base para un sub-canal de frecuencia. Cuando
se transmiten más de una trama de datos, se asigna una banda de protección de 20 MHz
entre estos dos sub-canales para evitar la interferencia (Yinghong Ma, 2016), ver Figura 20
(b).
Figura 18 Modelo propuesto técnica MU (Multi Usuario)-MC (Multi Canal) en el estándar 802.11ac Fuente: Efficient Multi-User Transmission Technique with Frequency Division for WLANs
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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Usando la técnica MU (Multi Usuario)-MC (Multi Canal) permite un uso flexible del canal y
mejora la eficiencia del espectro (Ver figura 21), no sólo mediante el uso de canales
secundarios, sino también mediante la reducción de la sobrecarga del control de acceso
basado en contención. En las WLAN convencionales, una trama de datos se transmite a un
destino a la vez utilizando el protocolo CSMA / CA (portadora de acceso múltiple de
detección con prevención de colisión). Bajo el protocolo CSMA / CA, un terminal transmisor
debe detectar el canal durante un período especificado para confirmar que no hay
transmisión en curso y esperar un tiempo de retroceso aleatorio antes de iniciar la
transmisión (Yinghong Ma, 2016), ver figura 22. El terminal transmisor necesita repetir el
mismo procedimiento cada vez que inicia la transmisión. Por el contrario, el MU-MC permite
enviar tramas de datos a más de un destino al mismo tiempo y la sobrecarga del control de
acceso puede reducirse.
Figura 19 Mejora la eficiencia espectral en las redes 802.11ac Fuente: Multi-hop Multi-AP Multi-channel
Cooperation for High Efficiency WLAN
Figura 20 Metodo propuesto por (Yinghong Ma, 2016) utilizar tecnica MU-MC Fuente: Efficient Multi-User
Transmission Technique with Frequency Division for WLANs
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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2.2.3 INVESTIGACIÓN CONFIABILIDAD REDES WLAN 802.11ac
La confiabilidad en la transmisión de tramas de datos por MU (Multi-Usuario)-MC (Multi-
Canal) en redes inalámbricas utilizando el estándar 802.11ac, se puede observar gracias a
las nuevas técnicas y protocolos que el AP (Access Point) debe ser capaz reconocer en
cualquier instante, siendo las principales:
➢ Adquirir información de canal disponible en cada estación
➢ Proporcionan protección para la secuencia de trama utilizando el intercambio RTS /
CTS (Solicitar Enviar / Borrar para Enviar)
El 802.11n definió un mecanismo llamado transmisión no duplicada (no-HT), que replica
transmisiones usando una máscara de espectro de 20 MHz en sub-canales adyacentes,
para proteger estaciones heredadas que soportan sólo anchos de banda de 20 MHz y
40MHz. El 802.11ac extendió la transmisión no duplicada HT para soportar canales de 80
y 160 MHz. Suponemos que la transmisión MU(Multi-Usuario)-MC(Multi-Canal) también
tiene capacidad de transmisión no duplicada (no-HT), lo que permite adquisición de
información de canal disponible usando RTS / CTS intercambiando información. Por
ejemplo, cuando un AP (Access Point) transmite una trama de datos a un ancho de banda
de canal de 80 MHz, se transmite una trama RTS en un formato de trama no-HT que se
duplica en cuatro sub-canales adyacentes de 20 MHz y la trama CTS se devuelve sólo
desde sub-canales que recibieron la trama RTS con éxito (operación de ancho de banda
dinámico, ver Figura 23). De esta manera, el AP (Access Point) puede adquirir información
de sub-canal disponible con el vector de asignación de red (NAV). Si hay más de un destino,
el intercambio RTS / CTS se repite para cada destino con un intervalo corto entre espacios
de trama (SIFS) (Shoko Shinohara, 2014).
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 21 Ejemplo de funcionamiento con ancho de banda dinámico Fuente: Efficient Multi-User Transmission
Technique with Frequency Division for WLANs
Bloque explícito ACK
En la política ACK IEEE 802.11 de línea de base, cada trama unicast debe ser reconocida
individualmente. IEEE 802.11e define la política de bloque ACK (BA) que permite que se
transmitan varias tramas de datos antes de que se devuelva un ACK. Con la política BA
explícita, después de enviar un bloque de datos, un originador envía un bloque de solicitud
de ACK (BAR), como se muestra en la Figura 24. El destinatario responde entonces al
cuadro BAR con un marco BA, que indica si cada trama de datos individual se ha recibido
correctamente o no. De esta manera, la política BA explícita hace posible que el transmisor
controle cuando el receptor debe enviar ACK después de recibir los marcos de datos
(Seongwon Kimy, 2016).
Figura 22 Definición política de bloques ACK (BA) la cual permite transmisión de varias tramas de datos antes de devolver un ACK Fuente: MASTaR: MAC Protocol for Access Points in Simultaneous Transmit and Receive
Mode
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Protocolo de transmisión de control de flujo
El protocolo TCP proporciona un rendimiento de transmisión de datos confiable, pero a
menudo resultan retrasos de transmisión de paquetes debido al problema HOL. Además,
el TCP sufre largos retrasos en el restablecimiento del trayecto de transmisión después de
las desconexiones del enlace. SCTP supera algunas de las desventajas de TCP y UDP a
través de la prestación de nuevas funciones, tales como el apoyo a multi-Interfaces. Más
específicamente, SCTP cambia sin interrupciones la interfaz de red utilizada por el extremo
de comunicación a otra red disponible si detecta que la calidad de red actual es baja. Puede
asegurar que no hay desconexión al cambiar de redes y mantener la calidad de servicio de
la comunicación en red (Cheng, 2015), ver figura 25.
Figura 23 Ejemplo función Multi-interfaces protocolo SCTP Fuente: Performance Evaluation of Stream Control Transport Protocol over IEEE 802.11ac Networks
2.2.4 INVESTIGACIÓN PREVIA MODELOS DE RENDIMIENTO EN REDES
WLAN 802.11ac CADENAS DE MARKOV
La teoría de tráfico consiste en la aplicación de modelos matemáticos para explicar la
relación que existe entre la capacidad de una red de comunicaciones, la demanda de
servicio que los usuarios desean y el nivel de desempeño que la red puede alcanzar (Peña,
2011). Como dicha demanda es netamente estadística, se suele representar mediante
algún proceso estocástico adecuado, con lo que se constituyen diferentes Modelos para
poder evaluar el Tráfico en una red inalámbrica (WLAN), por ejemplo del estándar IEEE
802.11. Dado un modelo de tráfico particular, el desempeño de la red se podría predecir,
en principio, aplicando herramientas adecuadas proporcionadas principalmente por la
Teoría de Procesos Estocásticos (Peña, 2011). Los resultados de dicho análisis de
evaluación de rendimiento en las redes son los puntos de partida para el diseño de
mecanismos de control de la red en aspectos tan variados como el control de admisión, el
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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control de flujo y el control de congestión entro otros, para mejorar la calidad de servicio
(Qos) que se le brinda al usuario.
Las cadenas de Markov tienen múltiples aplicaciones en el área de las telecomunicaciones,
ya que a partir de un proceso estocástico se podrá evaluar, optimizar y mejorar la calidad
de servicio (Qos) en la transmisión de datos de una red inalámbrica de área local (WLAN).
Así por medio de modelos se busca mejorar la eficiencia y confiabilidad para este trabajo
con la tecnología 802.11ac.
Proponen en (Mohand Yazid, 2014) un modelo de cadenas de Markov de tiempo discreto
(CMDT), en donde se modela un AP (Access point) el cual trabaja con el protocolo de
comunicación 802.11ac.
➢ Una breve definición matemática de cadenas de Markov:
Si para cada n y 𝑥𝑖, 𝑗 = 0, … … . . , 𝑛 + 1, 𝑠𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎:
𝑃(𝑋𝑛+1 = 𝑥𝑛+1 | 𝑋𝑛 = 𝑥𝑛, … … , 𝑋0 = 𝑥0) = 𝑃(𝑋𝑛+1 = 𝑥𝑛+1 | 𝑋𝑛 = 𝑥𝑛)
➢ Donde se entiende que la probabilidad de predecir el tráfico futuro de una red
inalámbrica (WLAN), se puede analizar y evaluar al conocer el estado actual de la
red por medio de un proceso estocástico, como el ejemplo matemático en la
formula.
Las redes inalámbricas 802.11ac permiten obtener un mayor rendimiento al utilizar el
protocolo TXOP (Oportunidad de transmisión) ya que facilita estimar la probabilidad de
transmisión T[h] para cada una de sus AC[h] (categoría de acceso dada).
Antes de detallar el modelo analítico propuesto en (Mohand Yazid, 2014), comenzamos
presentando una lista de supuestos considerados en el desarrollo de este trabajo. La lista
de parámetros más importantes que tienen en cuenta se especifica en la Tabla 5.
Teniendo en cuenta que Pb [h] es la probabilidad de encontrar el canal ocupado para una
AC [h], y Psh es la probabilidad de compartir un TXOP entre las ACs.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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1. Se supone que la cola de transmisión de cada AC [h], debe estar siempre en estado
no vacío (condiciones de saturación) para alcanzar el rendimiento máximo
alcanzable de una AC [h].
2. La probabilidad de colisión Pc [h] de una AC [h] es constante e independiente del
número de retransmisiones. Eso Es la aproximación clave en el modelo de Bianchi
que verifica la propiedad de Markov en la cadena propuesta.
Parámetros Descripción m[h] Etapa máxima de retroceso de la AC[h]
Wo[h] Ventana de contención mínima de la AC [h]
Wm[h] Ventana de contención maxima de la AC [h]
Wi[h] Tamaño de la ventana de contención en la etapa de retroceso i
TL[h] Numero de AMPDUs en la AC[h] en los XTOP[h]
AMPDU Longitud AMPDU
𝑇𝐴𝑀𝑃𝐷𝑈 Tiempo de transmisión AMPDU
𝑇𝑃𝐻𝑌 Tiempo de la cabecera PHY
𝑇𝐵𝐴 Tiempo de transmisión de un acuse de recibo de bloque
AIFS Tiempo de un espacio entre tramas de arbitraje
SIFS Tiempo de un espacio entre tramas corto
α Tiempo de la señal de propagación Tabla 5 Parámetros del modelo analítico redes inalámbricas 802.11ac Fuente: Performance analysis of the
txop sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans
➢ Probabilidad de transmisión (τ [h]) modelo propuesto
1. Sea 𝑆ℎ(𝑡) el proceso estocástico que representa la etapa de retroceso i (donde i =
0, 1, ..., 𝑚(ℎ)) de la 𝐴𝐶(ℎ) en el tiempo t.
2. Sea 𝐵ℎ(𝑡) el proceso estocástico que representa el contador de tiempo de retroceso
k (donde k = 0, 1, ..., hasta 𝑊𝑖(ℎ)), o el 𝑘𝑡ℎ AMPDU transmitido (k = 0, -1 ,. .., 𝑇𝐿(ℎ)+
1) de la 𝐴𝐶(ℎ) en el tiempo t.
Donde, el 𝑊𝑖(ℎ) y 𝑇𝐿(ℎ) se dan como sigue:
𝑊𝑖(ℎ) = min(𝑊𝑚(ℎ), 2𝑖 ∗ 𝑊0(ℎ))
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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𝑇𝐿(ℎ) =𝑇𝑋𝑂𝑃(ℎ)
𝑇𝑃𝐻𝑌 + 𝑇𝐴𝑀𝑃𝐷𝑈 + 2 ∗ 𝑆𝐼𝐹𝑆 + 𝑇𝐵𝐴 + 2𝛿
En la tabla 5 se describe los parámetros de cada una de las variables que se utilizan en las
ecuaciones propuestas para el modelo de markov propuesto en (Mohand Yazid, 2014).
Una vez que la aproximación clave en el modelo de Bianchi se supone, es posible modelar
el proceso bidimensional [𝑆ℎ(𝑡), 𝐵ℎ(𝑡)] se representa en la cadena de Markov en la Figura
26 (Mohand Yazid, 2014). Una 𝐴𝐶(ℎ) puede estar en estados de retroceso (i, k), o en
transmisión Estados (i, -k). Con la probabilidad (1 - 𝑃𝑏(ℎ)), cuando 𝐴𝐶(ℎ) Decrece su
contador de retroceso también, con la probabilidad 𝑃𝑏(ℎ) (1 - 𝑃𝑠ℎ), el 𝐴𝐶(ℎ) congela su
temporizador de retroceso, y con la probabilidad 𝑃𝑏(ℎ)𝑃𝑠ℎ, el 𝐴𝐶(ℎ) entra inmediatamente
a los estados de transmisión, El canal es compartido. De lo contrario, el 𝐴𝐶(ℎ) debe
decrementar su último temporizador de retroceso antes de acceder a los estados de
transmisión (Mohand Yazid, 2014). Finalmente, con la probabilidad (1 - Pc [h]), la primera
AMPDU se transmite con éxito y el canal está reservado para las otras AMPDU.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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Figura 24. Modelo propuesto Cadenas de Markov para el estándar 802.11ac con una AP y protocolo TXOP
Fuente: Performance analysis of the txop sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans
Se concluye que en esta investigación presentaron un modelo analítico basado en una
cadena de Markov para analizar y evaluar la eficiencia de la transmisión de paquetes,
optimizar el uso del escaso ancho de banda inalámbrico y aumentar la equidad que tienen
los móviles a los canales entre los diferentes CA (Canales de acceso). Utilizando el
mecanismo TXOP incluido en las especificaciones 802.11ac para permitir la transmisión DL
MU-MIMO a nivel MAC. En las gráficas (Ver figura 27) obtenidas en el modelo propuesto
en (Mohand Yazid, 2014) muestran claramente el beneficio de usar el protocolo TXOP
analizar y evaluar las redes inalámbricas 802.11ac, y a partir de este modelo propuesto
mejorar la eficiencia, confiabilidad y rendimiento de las redes WLAN. La Tabla 6 denota la
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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las características de las redes inalámbricas 802.11ac PHY y MAC (parámetros utilizados
en la resolución numérica y la simulación propuesta en (Mohand Yazid, 2014)).
Tabla 6 Características redes inalámbrica 802.11ac PHY y MAC (parámetros utilizados en la resolución numérica y la simulación propuesta en (Mohand Yazid, 2014)) Fuente: Performance analysis of the txop
sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans
Figura 25 Variación del rendimiento según la probabilidad de compartir CA, obtenidos en el análisis del paper
Fuente: Performance analysis of the txop sharing mechanism in the vht ieee 802.11ac wlans
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2.2.5 INVESTIGACIÓN PREVIA MODELO DE RENDIMIENTO EN REDES WLAN
802.11ac ALGORITMO DE HORMIGA
El primer modelo que nos plantean para mejorar, optimizar y evaluar el rendimiento de las
redes LAN inalámbricas utilizando el protocolo de comunicación 802.11ac, es el método de
cadenas de markov de dos dimensiones (Yayu Gao, 2014), ya que se caracteriza por el
comportamiento de retardo de paquetes en cada uno de los nodos que se encuentran
saturados. Suponiendo que cada nodo tiene la misma probabilidad de transmitir en un
tiempo (T) y de tener una colisión (C), la red se encontraría en estado estacionario, en el
cual su funcionamiento se puede obtener resolviendo numéricamente dos ecuaciones no
lineales dependiendo de las variables (T) y (C). Se compara con modelos que utilizan
algoritmos de enrutamiento basado en hormigas, el cual consiste: por donde mayor
cantidad de hormigas transiten dejan una feremona la cual indica la ruta optima que deben
seguir cada uno de los paquetes, esto nos da como resultado, que la probabilidad de que
un paquete se transmita por un nodo que no se encuentre saturado es P(h) = ρ (Yayu Gao,
2014) , ya que después de enviar varios paquetes por cada una de las rutas, estos van
dejando en cada nodo una feremona (Indicador de la capacidad y saturación de los nodos),
y así los demás paquetes sigan la feremona, que menos congestión tuvo para la
transmisión, con esto se logra transmitir, con un buen control de tráfico y con retrasos
mínimos en el envío de la información, obteniendo la ruta optima por medio de este
algoritmo (Aguilar, 20007), ver figura 28.
Con estos dos modelos propuestos en (Aguilar, 20007) y (Zhiqun Hu, 2015), podemos
observar la optimización y mejora en el rendimiento de las redes LAN inalámbricas
utilizando el protocolo de comunicación 802.11ac, logrando mejorar el rendimiento en la
capacidad de transmisión, control y enrutamiento de cada uno de los paquetes transmitidos
por la red.
Figura 26. Ruta más óptima modelo propuesto en Fuente: IEEE 802.11e EDCA Networks: Modeling
Differentiation and Optimization
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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2.3 ESTADO DEL ARTE
Con el aumento del uso de las redes inalámbricas (WLAN) estándar 802.11, han surgido
algunos problemas en el análisis y evaluación, para garantizar que se preste una buena
calidad de servicio (Qos) a los usuarios, como lo son: rendimiento, eficiencia y confiabilidad
en la transmisión de datos debido a la alta demanda que existe en el uso de la
infraestructura de las redes 802.11, por esta razón se ve la necesidad de optimizar los
recursos que tenemos limitados en las redes inalámbricas (Ancho de banda, infraestructura,
espectro radioeléctrico), logrando realizar diseños más eficientes en dichas redes. Los
problemas en las redes WLAN se relacionan a continuación: conectividad (Instante de
tiempo en el que el usuario desee estar conectado), cobertura y estabilidad de la red. La
solución de estos problemas resulta crucial para el rendimiento de la red que se desee
optimizar. Es así como en los últimos años se ha usado la Programación Matemática para
el diseño de redes inalámbricas especialmente en el área de redes de sensores, se tiene el
caso de como en (D. Manjarres, 2013), donde para el diseño de la red inalámbrica se
combinan dos parámetros, los cuales son: distancia y conectividad con algoritmos de
búsquedas armónicas (harmony search) y procedimientos de búsquedas locales, dando
como resultado exactitudes considerables que han superado estudios de estrategias de
evolución y procesos estocásticos utilizado en la optimización de redes. También se ha
trabajado con redes inalámbricas de área local (WLAN) en las cuales se han realizado
estudios para mejorar la calidad de servicio de llamadas multimedia (M. Z. Chowdhury,
2013), donde los servicios de calidad de servicio son más difíciles de controlar. En este
caso se han trabajado simultáneamente dos funciones que eran necesario minimizar por
medio de programación matemática aplicadas en redes: La probabilidad de caída de una
llamada y la probabilidad de una nueva llamada de bloqueo. Los resultados permitieron
obtener un modelo que era capaz de reducir la probabilidad de caída de una llamada junto
con el aumento de la eficiencia en la utilización del ancho de banda.
El modelamiento de las Redes Inalámbricas se propone en (N. Katsuhiro, 2001) un modelo
analítico para TCP en redes inalámbricas teniendo en cuenta aspectos como: la ventana
emergente y retardos en la transmisión de paquetes, aspectos que se relacionan
únicamente con el protocolo que se esté usando, obteniendo como resultado que el diseño
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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de la red inalámbrica (WLAN) depende de las características de implementación, con lo
cual se puede deducir que debieron haber tomado aspectos de la infraestructura para
mejorar su rendimiento. En (NAKANO, 2009) se hace un análisis del tiempo promedio de
espera en la entrega de un mensaje M entre un transmisor T y un Receptor R, realizan un
estudio en términos de conectividad, el cual es un aspecto de la función objetivo: eficiencia
en las redes móviles, los cuales se realizaron por medio de datos simulados. En (A. Barolli,
2011) se realiza un análisis en relación a conectividad, cobertura y estabilidad, donde se
propone un modelo de optimización para redes Mesh, planteando que al trabajar con estas
funciones objetivo se puede lograr optimizar el rendimiento, encontrando que dicha solución
no es del orden polinómico al ser problemas de optimización tipo No-Hard en consecuencia
se utilizan métodos de tipo heurístico en donde la programación Multi-objetivo cobra gran
importancia en la optimización de redes. En este mismo sentido en (A. Farsi, 2012) se
realiza una investigación sobre la planificación de las redes inalámbricas teniendo en cuenta
dos funciones objetivos como lo son: Los puntos de acceso (APs) y la asignación de
canales, nuevamente se ve el uso de la programación Multi–objetivo para el análisis y
evaluación del rendimiento en las redes WLAN.
La combinación de los conceptos de programación matemática y métodos heurísticos
actualmente han permitido dar soluciones a problemas de optimización en redes de
telecomunicaciones, logrando obtener soluciones para mejorar el rendimiento de las redes
inalámbricas de área local. Una buena descripción de algunos tipos de soluciones con
métodos heurísticos se puede ver en (A. Barolli, 2011) en donde se presentan algunos
problemas de optimización en las redes mesh en donde se les da solución utilizando
diferentes métodos heurísticos como: búsqueda local, algoritmos genéticos y Tabu Search,
en lo que se denomina un óptimo apropiado en redes. Por otra parte en (Aixia, 2012) se
utiliza la programación matemática como mecanismos para crear un modelo que permita la
optimización de la construcción de una red vehicular permitiendo optimizar los parámetros
de capacidad máxima y minimización de costos. Esta combinación de programación
matemática y algoritmos genéticos también se puede observar en (T.-Y. Lin, 2012) donde
las funciones objetivos son: asignación de canal y el enrutamiento multicanal que se
presenta en las redes mesh en donde se ha demostrado que son problemas en los cuales
pueden encontrarse más de una función objetivo, los resultados obtenidos pudieron
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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demostrar un aumento de la capacidad de la red. Otro ejemplo del uso de la programación
matemática aplicado ya al caso de redes de sensores en redes inalámbricas se puede
observar en (H. Moungla, 2012) en donde se aplica los criterios de minimizar y/o maximizar
las funciones objetivo, para brindar una solución más eficiente en redes dentro del cuerpo
humano en donde se minimiza el consumo de energía de los sensores y se maximiza la
vida útil de la red.
El tema de calidad de servicio (QoS) va de la mano con el desarrollo de modelos de
optimización en redes WLAN utilizando programación Multi-objetivo, como se observa en
(M. Camelo, 2011) se encuentra el desarrollo de un algoritmo de enrutamiento utilizado para
brindar una mayor Calidad de Servicio (QoS) en la transmisión de paquetes al usuario. En
la investigación realizada en la tesis doctoral presentada por (Luna, 2008), se puede
encontrar un amplio panorama del uso de las técnicas de programación matemática
aplicadas a problemas reales de redes de telecomunicaciones en donde su principal aporte
se ve centrado en la aplicabilidad de los resultados desarrollados sobre optimización de
rendimiento en redes WLAN. Por otra parte, es importante tener presente que en los
problemas que se plantean en la optimización Multi–objetivo se van a encontrar funciones
que se expresan en diferentes unidades y por lo general unas están en conflicto con las
otras, con estas características el conjunto de soluciones factibles que se encuentren será
grande y complejo, estas características que permiten determinar que los métodos
tradicionales de optimización resultan de alguna forma insuficientes o de un costo
computacional muy elevado, por tal razón resulta interesante la búsqueda de una solución
utilizando técnicas menos complejas y que garanticen una adecuada optimización de los
recurso al comprobar algún modelo propuesto.
En (M. Kihl, 2010) realizan una caracterización del tráfico que fluye en internet de acuerdo
al comportamiento de los usuarios, evaluando las características principales de las redes
WLAN, como lo son: tráfico, cobertura y retardos en él envió y entrega de paquetes,
utilizando programación multi-objetivo, sirviendo los datos obtenidos por medio del modelo,
para el diseño y/o administrador de redes inalámbricas de área local, logrando mejorar el
rendimiento o prediciéndolo antes de implementar este tipo de redes.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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3. PROPUESTA MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE LA RED
WLAN 802.11AC
3.1 MODELAMIENTO DE EFICIENCIA DE LA RED 802.11AC
La evaluación y análisis de las redes de área local inalámbricas (WLAN) es algo que ha ido
tomando cada vez mayor importancia, debido a que, con el creciente uso de este tipo de
redes, se observa la disminución de la confiabilidad y eficiencia aspectos importantes para
brindar una calidad de servicio (Qos) adecuada a los usuarios que utilizan este tipo de redes
para servicio de internet (colegios, empresas, universidades, hospitales). Al evaluar y
analizar la función objetivo propuesta de eficiencia (cobertura), y a partir de los resultados
obtenidos se puede optimizar las redes de área local inalámbricas que trabajan con la
tecnología 802.11ac, proponiendo una óptima localización de cada punto de acceso (APs),
la cual permita aprovechar al máximo el radio de cobertura máximo que provee cada punto
de acceso (APs), logrando con menos cantidad de APs garantizar cobertura en la misma
área donde se evalúa y analiza por medio del modelo que se va proponer.
Brindando a los diseñadores y administradores de redes de área local inalámbricas (WLAN)
un modelo matemático de eficiencia para poder: evaluar, analizar y optimizar el rendimiento.
Realizando una constante evaluación y análisis para lograr encontrar fallos y mitigarlos para
prestar una calidad de servicio adecuada a los usuarios.
El último avance en las redes de área local inalámbricas, es la tecnología 802.11ac, prueba
que las conexiones inalámbricas ofrecen un mejor rendimiento que la mayoría de
conexiones alámbricas. Los puntos de acceso de las redes inalámbricas 802.11ac
disponibles desde antes de finales de 2014 son compatibles con una velocidad de datos de
433bps por antena, consiguiendo teóricamente tasas de 1.3Gbps empleando 3 antenas,
superiores a las velocidades ofrecidas por Ethernet más comunes a 100Mbps (Chávez,
2011), (Medina, 2013). Ese aumento en la velocidad tres veces mayor a su predecesor el
802.11n, logrando un mayor rendimiento en el uso de las redes inalámbricas utilizando la
tecnología 802.11ac, donde no se necesitan cables para conectar cada puesto de trabajo
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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(escritorios personales). La reducción de la interferencia y la eficiencia en el uso del
espectro radio eléctrico, optimiza el uso de los puntos de acceso a través de un
posicionamiento adecuado de estos, ya que es uno de los puntos más importantes para
alcanzar un mejor desempeño de las redes inalámbricas en los servicios ofrecidos.
El diseño de estas redes no es algo sencillo, los puntos de acceso (APs) tienen un alcance
determinado y soportan un número limitado de usuarios. Por lo que el diseño de la red debe
tener en cuenta varios parámetros, como: El área en la que se desea prestar servicio, una
estimación de la cantidad de usuarios que se conectaran a la red, los obstáculos presentes
en el lugar de instalación, para poder lograr una buena calidad de servicio (Qos) en el uso
del internet inalámbrico. Todas estas variables tienen una importancia muy grande en el
desempeño de la red ya que pueden causar problemas de interferencia y por consiguiente
reducir la calidad del servicio que se presta (Ludena, 2011), (Galindres, 2010), (Medina,
2013). Un mal diseño puede llevar incluso a problemas de sobredimensión que también
pueden causar una caída en la calidad del servicio (Qos) además de un aumento en los
costos de instalación, mantenimiento y mejoras de la red.
Considerando lo expuesto anteriormente en este apartado se desarrollará un modelo que
permite optimizar la cobertura (posición de los puntos de acceso (APs) para optimizar la
cobertura del estándar) en los diseños de redes inalámbricas 802.11ac, teniendo en cuenta
las características de la tecnología 802.11ac, esta será la función objetivo que permitirá
optimizar la eficiencia de la red.
3.1.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR
Las características más importantes que debemos tener en cuenta en el desarrollo del
modelo de eficiencia propuesto, serán:
1. Tomando como punto de partida las características principales del estándar
802.11ac relacionados en el marco conceptual, se puede concluir que estas redes
soportan diferentes velocidades de transmisión debido al diseño mejorado de los
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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puntos de acceso (APs) que soportan esta tecnología, para reducir la perdida de
paquetes en presencia de interferencias destructivas que reducen los niveles de
potencia de la señal. Con la mejora de las técnicas de modulación para proteger las
señales del ruido, se logra aumentar el alcance de la señal (mayor cobertura).
2. La infraestructura básica de una red inalámbrica está compuesta por un conjunto de
dispositivos móviles (terminales) conectado a un punto llamado Access Point (AP)
el cual se conecta con la red cableada por lo general con tecnología Ethernet. Un
Access Point es básicamente un dispositivo que desempeña las funciones de un
puente inalámbrico para la transmisión de información. Aunque se usan a menudo
las velocidades teóricas de transferencia de datos de 802.11ac, varios efectos sirven
para reducir la capacidad efectiva del estándar, el rendimiento real de una celda
802.11ac tiene velocidades de transmisión entre 200 y 600Mbps aproximadamente,
y estas velocidades pueden disminuir si los usuarios se conectan desde largas
distancias o dependiendo de la cantidad de usuarios que se encuentre conectado a
un mismo Access point (APs).
3. Cuando se tienen grandes distancias entre el transmisor y receptor, se tendrá un
deterioro de la eficiencia debido al aumento en el número de errores en la
transmisión de paquetes BER (bit error rate) creando la necesidad de
retransmisiones. Los sistemas modernos utilizan la configuración de espectro
ensanchado para realizar saltos discretos logrando mejorar las tasas de
transmisiones.
4. El hardware que se utiliza en un diseño de redes inalámbricas 802.11ac, limitara y
dictaran la tasa de transmisión. Si un dispositivo IEEE 802.11n se comunica con uno
IEEE 802.11ac, la tasa no puede ser superior a 200Mbps, a pesar de la habilidad
del dispositivo IEEE 802.11ac de comunicarse a 433Mbps, sin hablar de las
velocidades de transmisión teóricas en los dos estándares mencionados. Como
corresponde para este caso, el rendimiento real será aún menor, aproximadamente
del 50%, el cual sería 216Mbps. Con el hardware WLAN, se debe tomar otra
consideración en cuenta, la cual es la velocidad de procesamiento del computador
que tiene el usuario. Ya que si se tiene un computador con una CPU lenta que no
pueda manejar los 216 Mbps aproximadamente, viendo el rendimiento afectado.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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5. En las redes inalámbricas que utilizan tecnología 802.11ac se verán diferentes tipos
de tecnologías implementadas (configuradas), en este sentido las tecnologías de
espectro ensanchado, OFDM, DSSS y Beamforming (en lugar de emitir la señal
inalámbrica de forma uniforme alrededor suyo, se dirige directamente al lugar
donde se encuentran los dispositivos conectados. Las mejoras son evidentes
en cobertura, rendimiento y fiabilidad (Jaramillo, 2015)) hacen una diferencia
en el rendimiento de las redes inalámbricas 802.11ac.
A partir de las características a considerar, se puede decir que el problema de eficiencia a
solucionar en el diseño y/o administración de las redes inalámbricas de área local que
utilizan tecnología 802.11ac (WLAN), es el de tomar decisiones sobre la cantidad y la
ubicación de los puntos de acceso (APs) en una determinada red de área local inalámbrica
que utiliza tecnología 802.11ac. Ya que la mayoría de diseñadores y/o administradores de
redes inalámbricas (WLAN) se limitan a una simple instalación de un punto de acceso (AP)
en la medida que los vayan necesitando, sin realizar las consideraciones pertinentes para
optimizar la eficiencia (cobertura) en el uso de los puntos de acceso (APs) con los que
cuente en la infraestructura de la red inalámbrica que administre. Sin embargo, la
planificación cuidadosa asegura un alto rendimiento en el uso de del hardware (puntos de
acceso) disminuyendo a un costo mínimo.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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3.1.2 MODELO MATEMATICO
El objetivo principal es garantizar una cobertura de una red de área local inalámbrica
(WLAN) que utilice tecnología 802.11ac, sin tener en cuenta aspectos de interferencia que
se ´puedan presentar entre los puntos de acceso (APs) ubicados en un área determinada,
se puede resolver con un modelo matemático tipo entero, en donde de un conjunto de
posibles optimas ubicaciones de los puntos de acceso (APs) se propondrá aquellas
ubicaciones que garanticen la cobertura del área tratando de optimizar el uso espectro radio
eléctrico. Así que los parámetros a considerar en el modelo propuesto, serán:
➢ La ubicación adecuada de los puntos de acceso (APs), en donde los usuarios de los
terminales móviles tengan servicio de internet inalámbrico.
➢ El número máximo de terminales móviles para cada Access Point (AP), minimizando
el número de APs que se deben instalar en el diseño de redes inalámbricas
802.11ac.
La interacción de estos elementos se da cuando una estación móvil solicita un servicio el
cual será atendido por el punto de acceso (AP) que se encuentre más cercano. Cuando se
establece el enlace entre la estación móvil y el punto de acceso (AP) se entra en una
negociación de la velocidad de transmisión buscando la más alta posible que garantice
calidad de servicio y seguridad en la transmisión.
El modelo propuesto para la eficiencia (cobertura) será:
Número de puntos de acceso en una infraestructura de red inalámbrica:
𝑵𝑷𝑨 = 𝐴𝑝1 + 𝐴𝑝2 + 𝐴𝑝3 + 𝐴𝑝4+. . . 𝐴𝑝𝑛
Minimizar la cantidad de puntos de acceso (APs)
𝑀𝑖𝑛𝑓1(𝑁𝑃𝐴) = ∑ 𝐴𝑝𝑛
𝑛 ∈ 𝐴𝑝
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Depende de:
1. 𝑁𝑃𝐴 ≥ 2 Cantidad de puntos de acceso mínimo para poder utilizar el modelo.
2. 𝐴𝑝𝑛 = 1 El punto de acceso está en uso.
3. 𝐴𝑝𝑛 = 0 El punto de acceso no está en uso.
4. 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑝𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝐴𝑃𝑠 𝑠𝑒𝑎 ≥ 35%
NOMBRE TIPO DE VARIABLE DESCRIPCIÓN
𝐴𝑃 Conjunto Posibles ubicaciones de los
Access Point (APs)
𝑁𝑃𝐴 Entero Número de puntos de
acceso (Aps)
𝐴𝑃𝑛 Binario 1 si el AP esta en uso
0 si no está en uso
Tabla 7 Descripción del modelo de cobertura propuesto Fuente: Autor
Por ejemplo, si se deseara implementar el modelo al edificio Suarez copete de la
Universidad distrital Francisco José de Caldas. Se propone una red inalámbrica la
cual utiliza la tecnología 802.11ac. se observa que con tres Access point (APs)
tenemos una cobertura total del área del edificio Suarez copete, figura 29.
Figura 27 Plano red inalámbrica propuesta con tecnología 802.11ac, Edificio Suarez copete de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Se debe tener en cuenta en la utilización del modelo, el área de cobertura que está
cubriendo cada Access Point (AP) y el solapamiento del área de cobertura entre dos
o más Access point (AP), ver figuras 30, 31 y 32, para aplicar el modelo
correctamente. A esta interpolación o intercepción la llamaremos en nuestro modelo
restricciones.
Figura 28 Interpolación AP1 y AP3
Figura 29 Interpolación AP2 y AP3
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 30 Interpolación AP2 y AP3
Restricciones:
1. Zona 1 (Cubierta por el AP1) Cobertura por: AP1>= 1
2. Zona 2 (Cubierta por el AP2) Cobertura por: AP2>= 1
3. Zona 3 (Cubierta por el AP3) Cobertura por: AP1 + AP2 +AP3 >= 1
En las restricciones se describen las interpolaciones de los Access point (APs) que
trabajan con la tecnología 802.11ac para cubrir una determinada zona, y así en la
herramienta de software LINGO introducimos el modelo con sus restricciones
obteniendo una optimización en el uso de los Access point (APs) en el área a la cual
se está analizando y evaluando la eficiencia de cobertura.
En este capítulo se describió el modelo propuesto de eficiencia, y se dan las pautas
para dar un buen uso al modelo que se propone para optimizar una red inalámbrica
que trabaje con tecnología 802.11ac. más adelante se realizará el análisis y
evaluación del modelo propuesto.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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3.2 MODELAMIENTO CONFIABILIDAD DE LA RED 802.11ac
3.2.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR
En las redes inalámbricas que usan la tecnología 802.11ac, la confiabilidad se encuentra
basada en las siguientes características que permitirán el desarrollo de las funciones
restrictivas del modelo matemático a plantear:
1. La calidad de servicio esto debido a que se debe tener en cuenta que hay
aplicaciones (que funcionan en tiempo real) a las que se les debe garantizar una
calidad de servicio (QoS) adecuado, como, por ejemplo: video llamadas, streaming
y televisión entre otras aplicaciones de red. En este sentido se analiza la topología
dinámica que hace variar constantemente las tablas de encaminamiento, para tener
un óptimo uso y tener una mayor calidad de servicio (QoS) en cada una de las
aplicaciones que utilizan las redes inalámbricas 802.11ac.
2. El tamaño del canal de radio, o ancho de banda, es una medida importante de la
eficiencia del radio. Esto se llama eficiencia espectral y se mide en bits por hertz. La
eficiencia espectral máxima de 802.11b es de un medio de bit por hertz (por ejemplo,
11 Mbps en 22 MHz). 802.11a y 802.11g tienen una eficiencia espectral de máxima
de 2,7 bits por hertz a 54 Mbps. Para 802.11ac existen cuatro opciones, un ancho
de canal de 20 MHz obligatorio, unos de: 40, 80 y 160 MHz como opcional. Con esto
se logra mejorar la confiabilidad de las redes inalámbricas 802.11ac, obteniendo
mayor capacidad para transmitir paquetes y mayores tasas de transferencia,
obteniendo menores retardos y pérdidas de paquetes.
3. Las redes inalámbricas que funcionan bajo el estándar 802.11ac están diseñados
para ser compatibles con todas las versiones anteriores. Un punto de acceso
802.11ac admite dispositivos que funcionen con versiones anteriores como: 802.11
a/b/g/n. A pesar de la gran ventaja al permitir la compatibilidad, también se tiene una
desventaja, ya que si un usuario de una versión anterior se conecta a una celda que
este implementada con el estándar 802.11ac, el resto de usuarios y el punto de
acceso deben indicar la presencia de tráfico con velocidades de datos que sean
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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comprensibles para el usuario con una versión del estándar 802.11ac anterior. Por
ejemplo, para la compatibilidad 802.11ac/b, se observaría en el uso de RTS/CTS a
velocidades inferiores, lo que incrementaría de forma considerable la sobrecarga y
reduzca la capacidad de la celda. Ya que el terminal de versión anterior transmite o
recibe paquetes de información a velocidades de datos inferiores, produciendo una
disminución en la eficiencia en la capacidad de la celda.
3.2.2 MODELO MATEMATICO
De acuerdo a las características a considerar en el apartado anterior y observando las
mejoras realizadas por la tecnología 802.11ac, se propone una solución tipo de agregación
(se enfoca la solución a resolver el problema de cobertura) el modelo de confiabilidad se
puede expresar como un modelo de minimización de los retardos presentados en la
comunicación entre el punto de acceso (AP) y el terminal móvil, pero maximizando la
transmisión de paquetes de las redes inalámbricas 802.11ac entre los puntos de acceso y
terminales móviles en el rango de cobertura de la red. Con esto se lograra mejorar el
rendimiento de la red. Se hace necesario tener conocimiento de los siguientes elementos
que permiten el desarrollo del modelo propuesto de confiabilidad, sintetizando el problema,
se tiene:
➢ Cada punto de acceso AP (n) debe prestar una determinada capacidad de
transmisión y recepción de paquetes.
➢ Cada terminal móvil (m) necesitara una determinada capacidad dependiendo del
tipo de servicio a utilizar
El modelo de confiabilidad será:
El objetivo es hallar un camino P en donde se envíe un flujo de datos que cumpla con
minimizar los retardos y maximice el flujo que se presenta entre el nodo emisor (AP) y
el nodo receptor (en este caso un terminal móvil que se encuentre conectada a dicho AP y
este dentro de su rango de cobertura).
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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∑ 𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚
𝑁
𝑛=1
≤ 𝑅𝑒𝑡𝑀𝑎𝑥𝑁 ∀ 𝑁
Depende de:
1. 𝑹𝒆𝒕𝒏𝒎 Retardo máximo asignado al enlace n,m
(TasadeTransmisióRangoCobertura*DescargaPromedioUsuario/(CapacidadMaximaEnlac
e)).
2. 𝑹𝒆𝒕𝑴𝒂𝒙𝑵 Retardo máximo de un punto de acceso (AP) para un determinado
terminal (Descarga promedio usuario/ CapacidadMaximaEnlace).
3. 𝐶𝐴𝑃𝒏 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐴𝑃) 𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑎
4. 𝐶𝑇𝒎 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 de un punto de acceso (AP.)
∑ 𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚
𝑀
𝑚=1
≤ 𝐶𝑎𝑝𝑇𝑀 ∀ 𝑀
Depende de:
1. 𝑭𝒍𝒖𝒏𝒎 Flujo existente entre los nodos n,m.
2. 𝑪𝒂𝒑𝑻𝑵 Capacidad Máxima de transmisión entre los nodos n,m.
3. 𝐶𝐴𝑃𝒏 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐴𝑃) 𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑎
4. 𝐶𝑇𝒎 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 de un punto de acceso (AP.)
Se obtiene:
min 𝑍(𝑟𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑𝑜) = ∑ ∑ 𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚
𝑀
𝑚=1
𝑁
𝑛=1
= ∑𝑟𝑎𝑡𝑒 ∗ 𝐷𝑒𝑠𝑃𝑟𝑜𝑈𝑠𝑢
𝑀𝑎𝑥𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑁𝑜. 𝑁𝑜𝑑𝑜𝑠
Teniendo en Cuenta:
1. Rate: Tasas de transmisión según rango de cobertura (Mbps)
2. DesProUsu: Descarga promedio de usuario.
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3. MaxCapacidad: Capacidad máxima enlace para cada terminal móvil.
NOMBRE TIPO DE VARIABLE DESCRIPCIÓN
𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚 Entera Flujo existente entre los nodos n,m
𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚 Entera Retardo máximo asignado al enlace
n,m
𝐶𝑎𝑝𝑇𝑛𝑚 Entera Capacidad Máxima de transmisión
entre los nodos n,m
𝐶𝐴𝑃𝑛 Entera Numero de Access point máximo en
el área (A)
𝐶𝑇𝑚 Entera Numero de terminales máximo en el
área (C)
Z(retardo) Entera Función propuesta que minimiza los
retardos y maximiza el flujo
Tabla 8 Descripción del modelo de confiabilidad propuesto Fuente: Autor
Este tipo de modelo propuesto considera no solo la selección de los nodos, sino que
también tiene en cuenta la asignación del flujo de paquetes entre los nodos, el cual es
un modelo multi – objetivo frente a dos objetivos que se encuentran en conflicto (Ruta
óptima para maximizar el flujo y reducir retardos).
3.3 MODELAMIENTO OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO LA RED 802.11AC
3.3.1 CARACTERISTICAS A CONSIDERAR
Tomando en cuenta el desarrollo realizado anteriormente, las características que presentan
las redes inalámbricas 802.11ac y las propiedades de la programación matemática el
modelo de optimización se puede expresar como una función multi-objetivo que permitirá
tener un mayor aprovechamiento de la red, de acuerdo a los aspectos investigados, los
cuales son: eficiencia y confiabilidad.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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El rendimiento de una red inalámbrica se puede expresar como un problema el cual
permitirá:
➢ Encontrar la mejor ubicación de los puntos de acceso (APs) logrando maximizar la
cobertura, minimizando el número de puntos de acceso instalados en un área
determinada.
➢ Minimizar los retardos que se presentan en la transmisión de paquetes entre los
puntos de acceso (APs) y los terminales móviles (TM).
Teniendo en cuenta que el modelo que se propone debe servir para ayudar en la toma de
decisiones de los diseñadores y administradores de red, existirán variables que se utilizaran
o no en un momento determinado, dependiendo de los parámetros que sean tenidos en
cuenta por la persona que utilice el modelo, permitiendo con esto un grado de flexibilidad
en su utilización.
3.3.2 MODELO MATEMATICO
El modelo que se propone de la optimización de rendimiento (OptiRendi) a partir de las
investigaciones realizadas consignadas anteriormente, queda de la siguiente manera
planteado:
𝑶𝒑𝒕𝒊𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊 = 𝑪𝒇𝒖𝒏𝒄(𝒄𝒐𝒏𝒇𝒊𝒂𝒃𝒊𝒍𝒊𝒅𝒂𝒅) + 𝑬𝒇𝒖𝒏𝒄 (𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂)
Quedando:
min 𝑓1 = min 𝐸 ∑ 𝐴𝑃𝑛
𝑁
𝑛 ∈𝐴𝑃
min 𝑓2 = min 𝐶 ∑ ∑ 𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚
𝑀
𝑚=1
𝑁
𝑛=1
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
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𝑶𝒑𝒕𝒊𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊 = min 𝑓1 + min 𝑓2
4. HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN
Como parte del proceso de investigación para el desarrollo se indagaron varias opciones
de software para la realización de la simulación, se explican algunas herramientas
encontradas:
4.1 GNS3
Es una aplicación también realizada en Python que usa librerías de Dynagen para crearle
una interfaz gráfica (GUI) para poder visualizar cada uno de los equipos que componen una
red. Sus principales funciones son editar el archivo de texto .net y realizar las operaciones
del CLI hechas por Dynagen y Dynamips. Adicionalmente incorpora la capacidad de simular
PCs.
Dicho de otro modo, GNS3 es un front-end gráfco de Dynamips y Dynagen, los cuales son
las herramientas que realmente permiten la emulación de IOS Cisco. Más, concretamente,
Dynagen ofrece una interfaz de línea de comandos más simple a Dynamips, el cual es en
última instancia, el responsable de la simulación de la IOS. Usando un simple editor de
textos, un usuario podría crear su propio fichero de topología con la red a simular por
Dynagen. Precisamente (Galbán, 2013), GNS3 facilita este proceso creando para ello una
sencilla interfaz gráfica (Ver figura 29 Arquitectura de red Inalámbrica) que abstrae al
usuario de los detalles de configuración del escenario.
Entre las características más importantes, podemos destacar:
▪ Diseño gráfico de topologías de red a emular.
▪ Simulación de una gran variedad de IOS Cisco, JunOS, IPS y frewalls CISCO de
tipo ASA y PIX.
▪ Simulación de redes Ethernet, ATM y switches Frame Relay.
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▪ Conexión de la red simulada a un entorno real.
▪ Captura de paquetes integrada usando Wireshark.
▪ Integración con Qemu y VirtualBox.
Figura 31 Arquitectura de una red inalámbrica en GNS3 Fuente: https://iloo.wordpress.com/2009/07/28/gns3-
simulador-grafico-de-redes/ tomada el 04/08/2017
4.2 MATLAB
La plataforma de MATLAB está optimizada para resolver problemas de ingeniería y
científicos. El lenguaje de MATLAB, basado en matrices, es la forma más natural del
mundo para expresar las matemáticas computacionales. Los gráficos integrados
facilitan la visualización de los datos y la obtención de información a partir de ellos. Una
vasta librería de toolboxes preinstaladas permite empezar a trabajar inmediatamente
con algoritmos esenciales para su dominio. Además esta herramienta permite realizar
análisis y diseños de los sistemas y productos que transforman nuestro mundo.
MATLAB está presente en el desarrollo, análisis y pruebas en sistemas de seguridad
activa de automóviles, naves espaciales interplanetarias, dispositivos de monitorización
de la salud, redes eléctricas inteligentes y redes móviles (MATLAB, 2017), ver figura
29.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|71
Figura 32 Entorno grafico de Matlab Fuente:
https://en.wikipedia.org/wiki/MATLAB#/media/File:MATLAB_R2013a_Win8_screenshot.png
5. DESARROLLO SIMULACIÓN DE LA RED WLAN 802.11AC
PROPUESTA
5.1 TOPOLOGIA DE RED
A continuación, se mostrará la topología de red utilizada para el desarrollo del análisis en
el modelo de optimización propuesto, en el cual constara de dos APs (Access Point) en el
edificio Suarez copete (todo esto por medio de software de simulación y algunas
restricciones que si consideraran en el análisis y evaluación para el óptimo servicio de red
inalámbrica en el edificio Suarez Copete de la Universidad distrital), dos nodos y dos
terminales para su análisis.
Figura 33 Topología de red WLAN (802.11) Fuente: Autor
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|72
Figura 34 Edificio Suarez Copete Universidad Distrital, donde se evaluará el modelo por medio de simuladores
Fuente: Autor
5.2 SIMULACIÓN DE LA TOPOLOGIA DE RED EN EL SOFTWARE DE
SIMULACIÓN GNS3
En la figura 36, se observa la prueba de conexión de extremo a extremo de una red LAN
inalámbrica con el protocolo de comunicación 802.11, con el simulador GNS3, también se
observa la configuración del protocolo Protocolo de Información de Encaminamiento (RIP),
para la comunicación de extremo a extremo.
Figura 35 Configuración protocolo de información de encaminamiento (RIP) y prueba de conexión de extremo a extremo en GNS3 protocolo 8002.11
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|73
En la figura 37, se analiza cómo actúan cada uno de los protocolos configurados por defecto
y los que se deben configurar a través de consola, por ejemplo el protocolo de información
de encaminamiento (RIP), el cual nos garantiza el intercambio de información en el
protocolo de internet (IP), para la transición y recepción de cada uno de nuestros paquetes
de información, el cual se prueba ejecutando el comando ping, para verificar la
comunicación de Access Point (AP) a Access Point (AP), la cual se observa en la imagen.
Se analizan cada uno de los protocolos utilizados para la transmisión de paquetes, los
puertos utilizados, direccionamiento de cada uno de los equipos terminales (ET) y métodos
de encaminamiento que utiliza por defecto el simulador GNS3, el cual es FIFO, el cual
transmite los paquetes según el orden en que vayan llegando al transmisor.
Figura 36 Análisis del protocolo RIP e ICMP en Wiresshark Fuente: Autor
5.3 ANALISIS SIMULACIÓN DE CONFIABILIDAD
A continuación se muestra los métodos de encaminamiento en los cuales se enfocara el
análisis de las redes inalámbricas (WLAN) 802.11ac, los cuales se mencionaron
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|74
anteriormente, siendo los siguientes: Método de encolamiento First In, First Out (FIFO) y
Priority Queueing (PQ).
Como estos métodos de encolamiento influyen un nuestro rendimiento en las redes
inalámbricas y cuáles son los parámetros que considera cada uno de estos métodos, para
determinar la mejora que ofrece implementar cada método en relación con el otro.
Finalmente a partir de los datos obtenidos durante la simulación, se analizara cuál de los
métodos de encolamiento brinda mayor confiabilidad en la transmisión de paquetes,
entendiendo confiabilidad como: escoger ruta más óptima para la transmisión de paquetes,
garantice la transmisión de la información de una forma segura y rápida evitando perdida
de información en las redes inalámbricas (WLAN) 802.11ac.
Figura 37 Configuración y análisis Método de encolamiento FIFO configurado en GNS3 Fuente: Autor
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|75
Figura 38 Configuración y análisis Método de encolamiento PQ Fuente: Autor
En las figuras 38 y 39 se observa los pasos para configurar y analizar los métodos de
encolamiento mencionados, pudiendo observar mediante la simulación las ventajas y
desventajas de cada uno de los métodos las cuales se resumirán en la siguiente tabla:
Método de encolamiento FIFO (First In, First Out)
Ventajas ▪ Minimiza el tiempo de procesamiento,
por tanto, cuando el tráfico es muy
pequeño las transmisiones son muy
eficaces.
Desventajas
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|76
▪ No sensible a retardos, no garantiza
transmisión de videos, voz y paquetes
de datos muy pesados.
▪ Cuando se encuentra mucho tráfico, se
comienzan a perder paquetes, ya que
comienza a descartar después de
determinado tiempo.
Método de encolamiento PQ (Priority Queueing)
Ventajas ▪ Priorización de trafico
▪ Transmisión de voz y video, estos
paquetes tienen mayor prioridad en su
trasmisión.
Desventajas ▪ Cuando hay mucho flujo de datos,
empieza a descartar los paquetes de
menos prioridad.
Tabla 9 Ventajas y Desventajas Métodos de encolamiento FIFO y PQ Fuente: Autor
Se concluye que el método el cual nos garantiza una mayor confiabilidad en la transmisión
de paquetes es el método de encolamiento PQ (Priority Queueing), ya que nos garantiza la
transmisión de paquetes de voz, video y datos, mientras que el método FIFO no garantiza
la transmisión de paquetes de voz y video.
5.4 ANALISIS SIMULACIÓN DE COBERTURA (AP)
Se observa en la figura 40, cual es la cobertura máxima que podría alcanzar el access point
(APs) cuyo estándar de red inalámbrica configurado es el 802.11ac. Evidenciando una
mayor cobertura (ver figura 40) en el área en comparación de la tecnología antecesora
802.11n.Gracias a su mayor eficiencia en el uso del espectro radioeléctrico (tecnología
MIMO), mayores anchos de banda y métodos de modulación, que garantiza una mayor
eficiencia al utilizar access point (APs) con tecnología 802.11ac.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|77
Figura 39 Cobertura de la red WLAN utilizando tecnología 802.11ac Fuente: Autor
Se evidencia que en el área de cobertura hay perturbaciones grandes en una zona urbana
(ver figura 40), esto debido a los obstáculos que pueden encontrarse dentro de una ciudad
grande (Edificios, casa, montañas alrededor, arboles, desniveles en la superficie entre
otros), las cuales afectan la propagación de las ondas electromagnéticas que se envían de
la estación base (hb) al móvil para tener un servicio dentro del rango R=400m en nuestra
simulación. En la figura 40 se observan las perdidas por trayecto dentro del rango de área
analizada en la simulación, se evidencia el área de cubrimiento que se quiere analizar con
el modelo Ukumura-Hata. Se concluye que se tiene un área de cubrimiento aceptable
utilizando la tecnología 802.11ac de las redes WLAN, de lo que se puede observar en la
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|78
simulación de cobertura analizada. Habiendo lugares del área de cubrimiento analizado en
los que no habría cobertura, posiblemente por los obstáculos y perturbaciones del medio
ambiente que pudieran estar afectando la propagación de las ondas electromagnéticas del
Access point (APs).
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En la elaboración de este trabajo se han dado los conceptos teóricos los cuales permitieron
comprender cada una de las características del estándar de red de área local inalámbrico
802.11ac, cuáles fueron las mejoras frente a su antecesor el 802.11n. Porque la importancia
de proponer un modelo de optimización para evaluar y analizar la eficiencia y confiabilidad
utilizando programación matemática multi-objetivo en las redes WLAN con el estándar
802.11ac. Realizando el enfoque en dos funciones objetivo para el desarrollo del modelo
propuesto las cuales fueron: eficiencia y confiabilidad (eficiencia: optimizar el recurso el
cual es el AP (punto de acceso) donde se debe ubicar para tener mayor cobertura,
confiabilidad: no halla perdida de información (menores retardos utilizando algún método
de encolamiento)) son parámetros importantes en la evaluación, análisis y optimización de
rendimiento en las redes inalámbricas.
6.1 EFICIENCIA DE LA RED WLAN 802.11AC
Como se ha planteado en el modelo de eficiencia para las redes inalámbricas de área local
WLAN que utilizan la tecnología 802.11ac, se hace necesario tener conocimiento de los
siguientes elementos que permitieron el desarrollo de un modelo de este tipo, sintetizando
el problema, se tiene:
➢ La ubicación de los puntos de las estaciones móviles y los sitios potenciales para
instalar los puntos de acceso APs.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|79
➢ El número máximo de estaciones móviles para cada Access Point (AP),
minimizando el número de APs que se deben instalar en el diseño de redes
inalámbricas 802.11ac.
El modelo de cobertura propuesto en el capítulo anterior es:
Minimizar la cantidad de Access Point
𝑀𝑖𝑛𝑓1(𝑁𝑃𝐴) = ∑ 𝐴𝑝𝑛
𝑛 ∈ 𝐴𝑝
Depende de:
∑ 𝐴𝑝𝑛 ≥ 2
𝑛 ∈ 𝐴𝑝
Depende de:
1. 𝑁𝑃𝐴 ≥ 2 Cantidad de puntos de acceso mínimo para poder utilizar el modelo.
2. 𝐴𝑝𝑛 = 1 El punto de acceso está en uso.
3. 𝐴𝑝𝑛 = 0 El punto de acceso no está en uso.
4. 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑝𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝐴𝑃𝑠 𝑠𝑒𝑎 ≥ 35%
Los parámetros del modelo propuesto para eficiencia se describen en la tabla 7.
Simulación del modelo propuesto para eficiencia con el software LINGO:
Verificación modelo de cobertura para tres zonas de la universidad distrital (edificio suarez
copete):
ACCESS POINT (APs) ZONA QUE PUEDE CUBRIR
1 1
2 2
3 1,2, 3
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Tabla 10 Ubicación de los puntos de acceso propuesto en el estudio de cobertura para el edificio Suarez Copete de la universidad Distrital, restricciones de las zonas que puede cubrir cada Access Point (APs)
Fuente: Autor
Figura 40 Ubicación de los puntos de acceso propuesto en el estudio de cobertura para el edificio Suarez Copete de la universidad Distrital Fuente: Autor
Figura 41 Interpolación de los Access point (APs), Restricciones para poder evaluar el modelo en la red inalámbrica
propuesta que trabaja con tecnología 802.11ac en el edificio Suarez copete.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Introduciendo esta información en el software LINGO (ver figura 46), se tiene que la función
objetivo de eficiencia, se minimizara la cantidad máxima de Access point (APs) que se
deben instalar en tres zonas posibles que permitan tener una cobertura óptima.
Figura 42 Modelo de optimización propuesto de eficiencia (Cobertura) validado por el software LINGO Fuente:
Autor
Se deben tener en cuenta las zonas de cobertura que puede cubrir cada uno de los Access
point (APs), esas restricciones se colocan a continuación en el modelo propuesto (ver figura
47).
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 43 Restricciones de ubicación de los puntos de acceso (APs) para su óptima cobertura Fuente: Autor
El trabajo se presenta un modelo de solución (ver figura 48) que permite ver la eficiencia de
los algoritmos heurísticos y determinan una solución de tipo global y no local.
Figura 44 Solución obtenida del modelo propuesto en el software matemático LINGO, del área de cobertura
del edificio Suarez Copete de la Universidad Distrital Fuente: Autor
Se observa en la validación del modelo, lo siguiente:
➢ El modelo propuesto optimiza la eficiencia (Cobertura) de la red inalámbrica de área local
(WLAN) 802.11ac
➢ El número de access point (APs) que se necesitan para cubrir las tres zonas de una forma
óptima y garantizar una buena cobertura son dos.
➢ El número de variables (restricciones de cobertura) que se utilizaron para realizar la
comprobación del modelo fueron tres.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Las ubicaciones del Access point (APs) óptima para garantizar una buena cobertura, se
observa en la figura 45.
Figura 45 Zonas donde se deben ubicar los puntos de acceso (APs) que utilizan tecnología 802.11ac, para
garantizar una óptima cobertura en las tres zonas del edificio Suarez Copete de la Universidad Distrital Fuente: Autor
Se observa en la figura 46, que utilizando el modelo de optimización propuesto, se optimiza
el uso de los puntos de acceso (AP), teniendo una óptima ubicación de ellos.
Figura 46 Resultado de optimización utilizando el modelo propuesto para la eficiencia (Cobertura) Fuente:
Autor
Se obtiene una optimización en el uso de los puntos de acceso, pasando de la utilización
de tres (APs) para cubrir tres zonas (se distribuye en tres zonas el edificio Suarez copete,
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|84
ver figura 6) que están distribuidas en el edificio Suarez Copeta para garantizar servicio
internet, a dos puntos de acceso para cubrir las mimas tres zonas, utilizando el modelo
propuesto, ver tabla 11.
Puntos de Acceso (APs) AP1 AP2 AP3
ZONA DE COBERTURA CUBIERTA POR CADA (APs) SIN APLICAR MODELO PROPUESTO
ZONA1 ZONA2 ZONA3
% COBERTURA DE CADA (Aps) SIN APLICAR MODELO PROPUESTO
33,30% 33,30% 33,30%
ZONA DE COBERTURA CUBIERTA POR CADA (APs) APLICANDO MODELO PROPUESTO
ZONA1, ZONA3
ZONA3, ZONA2
-
% COBERTURA DE CADA (Aps) APLICANDO MODELO PROPUESTO
50% 50% -
%OPTIMIZACIÓN DE CADA (APs) 16,70% 16,70% -
Tabla 11 Resultado de optimización utilizando el modelo propuesto para la eficiencia (Cobertura) Fuente: Autor
6.2 CONFIABILIDAD DE LA RED WLAN 802.11AC
Como se ha planteado en el modelo de confiabilidad para las redes inalámbricas de área
local WLAN que utilizan la tecnología 802.11ac, se hace necesario tener conocimiento de
los siguientes elementos que permitieron el desarrollo de un modelo de este tipo,
sintetizando el problema, se tiene:
➢ Cada punto de acceso AP (n) debe prestar una determinada capacidad de
transmisión y recepción de paquetes.
➢ Cada terminal móvil (m) necesitara una determinada capacidad dependiendo del
tipo de servicio a utilizar
El modelo de confiabilidad propuesto anteriormente:
∑ 𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚
𝑁
𝑛=1
≤ 𝑅𝑒𝑡𝑀𝑎𝑥𝑁 ∀ 𝑁
Depende de:
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|85
1. 𝑹𝒆𝒕𝒏𝒎 Retardo máximo asignado al enlace n,m
(TasadeTransmisióRangoCobertura*DescargaPromedioUsuario/(CapacidadMaximaEnlac
e)).
2. 𝑹𝒆𝒕𝑴𝒂𝒙𝑵 Retardo máximo de un punto de acceso (AP) para un determinado
terminal (Descarga promedio usuario/ CapacidadMaximaEnlace).
3. 𝐶𝐴𝑃𝒏 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐴𝑃) 𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑎
4. 𝐶𝑇𝒎 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 de un punto de acceso (AP.)
∑ 𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚
𝑀
𝑚=1
≤ 𝐶𝑎𝑝𝑇𝑀 ∀ 𝑀
Depende de:
1. 𝑭𝒍𝒖𝒏𝒎 Flujo existente entre los nodos n,m.
2. 𝑪𝒂𝒑𝑻𝑵 Capacidad Máxima de transmisión entre los nodos n,m.
3. 𝐶𝐴𝑃𝒏 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐴𝑃) 𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑎
4. 𝐶𝑇𝒎 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 de un punto de acceso (AP.)
Se obtiene:
min 𝑍(𝑟𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑𝑜) = ∑ ∑ 𝑅𝑒𝑡𝑛𝑚𝐹𝑙𝑢𝑛𝑚
𝑀
𝑚=1
𝑁
𝑛=1
= ∑𝑟𝑎𝑡𝑒 ∗ 𝐷𝑒𝑠𝑃𝑟𝑜𝑈𝑠𝑢
𝑀𝑎𝑥𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑁𝑜. 𝑁𝑜𝑑𝑜𝑠
Teniendo en Cuenta:
1. Rate: Tasas de transmisión según rango de cobertura (Mbps)
2. DesProUsu: Descarga promedio de usuario.
3. MaxCapacidad: Capacidad máxima enlace para cada terminal móvil.
Los parámetros del modelo propuesto de confiabilidad, se describen en la tabla 8.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|86
Simulación del modelo propuesto para confiabilidad (valores teóricos) con el software
LINGO:
Obtenido el mapa de cobertura figura 46 (Ubicación óptima de los Access Point (APs)), a
partir del modelo propuesto de eficiencia, se tiene una zona definida la cual se analizara de
manera independiente, maximizando los resultados de cada una de las funciones objetivo.
Figura 47. Tasas de transferencia redes WLAN 802.11ac, tomadas desde portátil core I3 con Windows 10. Fuente: Autor
La zona del edificio Suarez Copete de la Universidad Distrital, quedo conformada por dos
puntos de acceso (APs) que brindan la cobertura óptima en el área estudiada. Los APs
trabajaran con tecnología 802.11ac, el cual estará configurada para que exista
interoperabilidad, prestando servicio de internet móvil a los equipos terminales que cuenten
con tecnologías anteriores al analizado y evaluado en el documento. Se trabajara con las
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|87
capacidades teóricas que puede brindar a un promedio de 80 usuarios la tecnología
802.11ac en cada uno de los APs (la capacidad se medirá en Mbps):
Puntos de Acceso (n) Capacidad transmisión (Mbps)
AP1 400
AP2 420
Tabla 12 Capacidad de los puntos de acceso Fuente: Autor
En este estudio, se validara tomando el promedio de tamaño de descarga de tres terminales
móviles (audio, video, datos), los cuales están dado en Mbytes.
Terminal Móvil (m) Descarga promedio (Mbytes/S)
TM1 291
TM2 350
TM3 330
Tabla 13 Descarga teórica de un terminal móvil utilizando tecnología 802.11ac Fuente: Autor
Validando el modelo de confiabilidad en el software LINGO, se obtiene:
Figura 48 Validación modelo propuesto confiabilidad Fuente: Autor
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 49 Solución obtenida con el software LINGO Fuente: Autor
En la figura 48, se observa que después de 66 iteraciones se optimiza el rendimiento de las
redes inalámbricas WLAN utilizando la tecnología 802.11ac, obteniendo como resultado
retardos con un valor decimal de cero, concluyendo que es una muy buena solución en la
optimización de las redes WLAN.
Se observa en la figura 49, los valores (capacidad máxima, cantidad de terminales que
pueden conectarse al tiempo para prestar un óptimo servicio de internet y tiempo de retardo
de transmisión y entrega de paquetes) obtenidos de cada uno de los Acces point (APs) en
la red simulada (propuesta) para la validación del modelo de optimización del rendimiento
propuesto.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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Figura 50 Valores obtenidos en el modelo propuesto Fuente: 802.11ac
Se evidencia la optimización del rendimiento en las redes inalámbricas que utilizan
tecnología 802.11ac, mejorando el tráfico de paquetes en la red propuesta en el edificio
Suarez Copete de la Universidad Distrital. Con esto se valida como el modelo propuesto
mejora el rendimiento de las redes inalámbricas WLAN 802.11ac, en las dos funciones
objetivo las cuales son: eficiencia y confiabilidad de la red. Sirviendo como una herramienta
para diseñadores de redes WLAN y/o administrados, en el análisis y evaluación de las redes
que utilizan la tecnología 802.11ac, para la optimización de rendimiento de este tipo de
redes.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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6.3 ANALISIS DEL MODELO PROPUESTO PARA REDES WLAN
802.11AC
Después de analizar el comportamiento del modelo propuesto en el cual se han tenido en
cuenta dos funciones objetivo con relación al rendimiento de la red de área local inalámbrica
802.11ac, tales como: eficiencia y confiabilidad (eficiencia: optimizar el recurso el cual es
el AP (punto de acceso) donde se debe ubicar para tener mayor cobertura), minimiza el
número de Access point (AP) que se van a instalar o que se encuentran instalados en el
diseño de una red WLAN que utilice la tecnología 802.11ac. Confiabilidad: no halla perdida
de información (menores retardos utilizando algún método de encolamiento), maximiza las
tasas de transmisión que soporta la tecnología 802.11ac.
En relación con el análisis de la eficiencia, se logra evidenciar en la evaluación del modelo
propuesto con el software LINGO, optimiza el uso del recurso AP (access point) logrando
una mayor cobertura al tener una buena ubicación del AP. Permite determinar que si se
presenta una optimización de la red a partir del análisis y evaluación previa del diseño y/o
administración de la red WLAN la cual utiliza tecnología 802.11ac. En esta tecnología la
cobertura es más predecible que su antecesora 802.11n, ya que optimiza el uso del
espectro radio eléctrico gracias a la tecnología implementada por las redes 802.11ac
Beamforming, el cual permite que solo propague ondas de radio, solo donde se encuentra
el terminal (equipo móvil) el cual requiere de acceso a internet por medio de esta tecnología.
La cobertura se puede representar como una serie de círculos que emanan del Access point
(AP), con círculos de mayor tasa de datos más cerca del AP. Sin embargo es importante
tener en cuenta que no es una representación totalmente segura, pero lo suficiente para
propósitos de planeamiento. Principalmente se considera la distancia.
Gracias a las bondades que presenta la tecnología 802.11ac frente a las tecnologías
anteriores, permite que los equipos que trabajen en este esquema consigan mejorar la
confiabilidad de la red por medio de los protocolos de capa de enlace de datos, ya que
pueden desempeñar mejor su trabajo al poder incluir la compatibilidad con 8 antenas y
hasta 8 secuencias espaciales, mensajes de respuesta para ayudar a la tecnología MIMO
y características de agregación de MAC mejoradas, de señal de acuse de recibo en bloque
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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y de enlace directo lo cual garantiza que no halla perdida de paquetes y menos retardos en
la transmisión de datos.
Los trabajos teóricos presentados por (Yayu Gao, 2014) y (Mohand Yazid, 2014) muestran
que el modelo planteado por ellos para determinar el rendimiento de la red utilizando
algoritmos genéticos (Algoritmo de hormiga) basados en cadenas de markov, presentan
resultados satisfactorios al encontrar una solución factible a partir de una sola función
objetivo para evaluar y analizar el rendimiento en las redes WLAN. Al utilizar el modelo
propuesto en este trabajo para optimizar el rendimiento en las redes con tecnología
802.11ac, se logra evidenciar que a partir de dos funciones objetivo se logra un mejor
modelo para evaluar y analizar el rendimiento de las redes inalámbricas de área local, cuyas
funciones propuestas fueron: eficiencia y confiabilidad. La función objetivo eficiencia,
corresponde al análisis realizado de cobertura de un access point (AP) teniendo en cuenta
una localización optima donde se quiera implementar o este implementado el AP, logrando
optimizar el uso de este recurso al máximo en la prestación del servicio de internet móvil en
un área determinada (necesidad del diseño o de los usuarios).
Se puede concluir que los resultados de investigaciones analizadas en capítulos anteriores
de este documento, corresponden a estudios teóricos del rendimiento en las redes
inalámbricas de área local se puede inferir que el modelo de optimización propuesto cumple
con los aspectos planteados al principio de este trabajo, corroborando que al utilizar la
tecnología 802.11ac las respuestas que se esperan del comportamiento de la red
inalámbrica de área local WLAN, viene ampliamente ligada a la configuración, ubicación de
los puntos de acceso y por las características básicas que deben tener los terminales
móviles.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|92
7. CONCLUSIONES, TRABAJOS FUTUROS Y APORTES DE LA
INVESTIGACIÓN
7.1 CONCLUSIONES
Durante la investigación se ha presentado las principales características de las redes
inalámbricas de área local (WLAN) que funcionan con la tecnología 802.11ac, teniendo en
cuenta que esta tecnología es compatible con protocolos previos como: 802.11a/b/g/n,
logrando que usuarios que tengan configurados protocolos anteriores puedan conectarse a
una red 802.11ac.
A partir del incremento vertiginoso en el uso de las redes inalámbricas de área local WLAN,
es necesario tener herramientas matemáticas que permitan optimizar, analizar y evaluar el
rendimiento de las tecnologías (en este trabajo la tecnología 802.11ac) que ofrecen este
tipo de servicio. Por este motivo se desarrolló un modelo el cual detalla las características
más importantes de las redes inalámbricas 802.11ac, con respecto al rendimiento que
puede brindar el estándar en el diseño, administración y/o implementación de una
infraestructura con esta tecnología. Se aplica en el modelo propuesto programación
matemática multi-objetivo, la cual nos permite a partir de dos funciones objetivo, analizar y
evaluar en más detalle el rendimiento de las redes WLAN 802.11ac, en comparación de los
modelos analizados en capítulos anteriores del trabajo que solo utilizan una función objetivo
(ejemplo: algoritmo de hormiga) para analizar y evaluar el rendimiento. Estas funciones
objetivo propuestas para el modelo fueron: eficiencia y confiabilidad, el primero enfocado
en la cobertura (optima localización del access point AP) y el segundo (protocolos que
mejoran la transmisión de datos y minimice los retardos en la transmisión de datos) logrando
una solución más óptima desde el punto de vista: red y usuario. Se plantea en la
investigación un modelo matemático que permita determinar el rendimiento esperado de
una red inalámbrica de área local realizando un análisis holístico, para el cual el tomador
de decisiones puede determinar en un momento dado que bondades (funciones objetivos)
quiere mantener frente a las presentadas con el fin de priorizar unas en relación a las otras
dependiendo de la función a la cual quiera optimizar.
MODELO DE OPTIMIZACIÓN DE RENDIMIENTO EN REDES 802.11ac UTILIZANDO
PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
Página|93
Se concluye que si se tiene en cuenta las consideraciones de diseño y la correcta elección
de las arquitecturas de la red, el Modelo de Optimización en su parte de cobertura utilizando
la tecnología 802.11ac brinda una mayor velocidad y optimización del espectro
radioeléctrico, lo cual permite determinar que el modelo propuesto cobra validez en los
planteamientos realizados y comparados con los trabajos relacionados (ver tabla).
Verificando las ventajas principales que tienen las redes inalámbricas WLAN, las cuales
son: costos bajos en su implementación y la movilidad que ofrece a los clientes. Sin
embargo, si se desea maximizar los beneficios del protocolo de comunicación 802.11ac
aplicando el modelo de Optimización propuesto, es recomendable y necesario diseñar la
red desde un principio con la tecnología 802.11ac. Esto significa tener en cuenta las
características de esta tecnología, como lo es: anchos de banda, frecuencia de operación,
tasas de transferencia y retardos ofrecidos. Lo cual permite brindar los servicios necesarios
para que aquellos Access point (AP) que funcionan con tecnologías antecesoras a la
802.11ac y puedan seguir prestando un servicio óptimo.
COMPARACIÓN TRABAJOS RELACINADOS CON MODELO PROPUESTO
MODELOS
EFICIENCIA RED WLAN
802.11ac, OPTIMIZA
CADA AP
MEJORA LA POSIBLE UBICACIÓN DEL
AP ( OPTIMIZANDO ESPECTRO
RADIELECTRICO)
MODELO PROPUESTO 16% 50%
TRABAJOS RELACIONADOS 10% 15%
Tabla 14 Resultado de comparación trabajos relacionados con el modelo propuesto Fuente: Autor
Finalmente se obtiene una herramienta matemática para los diseñadores y/o
administradores de redes a lo hora de implementar mejoras o nueva infraestructura en
empresas, hospitales, colegios, universidades entre otras entidades. Enfocado este modelo
en la eficiencia y confiabilidad de las redes WLAN que utilizan tecnología 802.11ac,
logrando optimizar el escaso ancho de banda inalámbrico y la cobertura que tienen los
móviles a los canales entre los diferentes CA (Canales de acceso).
En la gráfica y tabla (Ver figura 50 y tabla 14) se observa la mejora del protocolo 802.11ac
respecto a su antecesor 802.11n.
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Figura 51 Comparación de rendimiento tecnologías 802.11n y 802.11ac Fuente: Autor
Velocidad promedio de
datos
Mayor velocidad
de datos Tasa de datos más baja
802.11ac 802.11n 802.11ac 802.11n 802.11ac 802.11n
42% 20% 83% 43% 5% 10%
Tabla 15 Comparación de rendimiento tecnologías 802.11n y 802.11ac Fuente: Autor
7.2 TRABAJOS FUTUROS
Esta investigación realizada en este trabajo sobre el desarrollo de un modelo de
optimización del rendimiento de las redes inalámbricas de área local (WLAN) utilizando la
tecnología 802.11ac, enfocado en programación multi-objetivo para evaluar y analizar las
redes inalámbricas, puede continuar al tratar de mejorar el modelo propuesto. En el modelo
se proponen dos funciones objetivo, con las cuales se va a optimizar, evaluar y analizar el
rendimiento, las cuales fueron: eficiencia y confiabilidad, tomando de cada una de estas
funciones parámetros los cuales se consideraron muy importantes en la administración y/o
diseño de estas redes, por lo anterior podrían proponer un modelo más robusto, el cual
tenga más de dos funciones objetivo (eficiencia y confiabilidad) y en cada una de estas
funciones consideren más características a la hora de mejorar el rendimiento, evaluar y
analizar una red inalámbrica (WLAN). Con esto se garantiza que por medio de más
funciones objetivo, se tendrían en cuenta, parámetros importantes que de pronto en nuestra
propuesta no se tuvieron en consideración y lleguen a proponer un modelo que garantice
una mayor optimización del rendimiento en las redes WLAN que utilizan tecnología
802.11ac.
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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7.3 APORTES A LA INVESTIGACIÓN
Durante el desarrollo de la presente investigación se han podido evidenciar en un ambiente
de simulación y teórico los aportes más significativos en el momento de realizar una
evaluación y análisis en el rendimiento de la tecnología 802.11ac, los cuales se
mencionaran a continuación:
➢ El modelo desarrollado permite a los diseñadores y administradores de redes
inalámbricas de área local (WLAN) que utilizan la tecnología 802.11ac, evaluar,
analizar y optimizar el rendimiento, enfocado en dos funciones objetivo, los cuales
son: eficiencia (ubicación del Access point AP para optimizar la cobertura al máximo
en un área determinada) y confiabilidad (protocolos para mejorar el tráfico de datos).
Determinando la capacidad máxima que pueden llegar a tener los enlaces y
dependiendo de la tecnología de las estaciones móviles, conduce a mejorar el
rendimiento de la red. El modelo es flexible en la medida que se presente un
comportamiento óptimo de la red inalámbrica de área local (WLAN), brindándole al
diseñador o administrador la toma de decisiones y la oportunidad de poder
determinar que debería hacer en alguna situación particular que se presente en la
red.
➢ En la primera fase donde se plantea y desarrolla el estudio para la cobertura de las
redes inalámbricas de área local (WLAN) que trabajan con la tecnología 802.1ac, y
es necesario el análisis frente a tecnologías anteriores como: a/b/g/n dado las
coberturas que manejan, revisando los parámetros reales de propagación y
capacidad del enlace. Es aquí donde la tecnología 802.11ac, tiene la particularidad
de la interoperabilidad para poder operar con tecnologías anteriores. Teniendo en
cuanta la colocación y el número de Access point (AP) que son necesarios para
brindar la mejor cobertura posible en un área determinada por el administrador o
diseñador de la red WLAN utilizando tecnología 802.11ac. se observa en la
simulación del modelo que los valores obtenidos representan una optimización en
la ubicación de los Access point (AP) en cuanto la cobertura de un área determinada
con la tecnología 802.11ac, situación que permite determinar una mejor solución
posible frente a los modelos analizados en capítulos anteriores para el cubrimiento
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PROGRAMACIÓN MULTI – OBJETIVO
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de un área determinado por el diseñador o administrador al cual requiere
implementar redes WLAN con tecnología 802.11ac.
➢ Durante el desarrollo del modelo de optimización se ha realizado un análisis
minucioso del comportamiento de las redes inalámbricas de área local (WLAN)
utilizando la tecnología 802.11ac, teniendo en cuenta elementos que se presentan
en la vida cotidiana al momento de administrar, diseñar e implementar este tipo de
red, se realiza un estudio detallado de las variables (funciones objetivo) para
optimizar el rendimiento, se desarrolla el modelo propuesto y se valida por medio de
software de simulación (LINGO). Logrando que el resultado de la investigación
permite tener un punto de vista más de gestión de cómo se está comportando la
red, ya que al utilizar métodos de solución de programación matemática se facilita
la evaluación y análisis de rendimiento de una red inalámbricas de área local
(WLAN), ya que se basa en unos parámetros ya definidos durante la investigación
como lo es: la eficiencia y confiabilidad de las redes.
➢ Se evidencia en el modelo propuesto en este trabajo, la utilidad como herramienta,
la cual permite de una manera sencilla el mejoramiento del rendimiento de las redes
inalámbricas de área local (WLAN) que utilizan tecnología 802.11ac, al integrar
aspectos tecnológicos con alternativas de toma de decisiones de diseñadores o
administradores de red de acuerdo a las necesidades que se presenten en una
organización (universidad, colegios, centros comerciales, empresas, etc).
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