Metodologia para Projeto de Redes Sem Fio
Baseada em Medidas de Potˆencia e QoS
Simone G. C. Fraiha, Josiane C. Rodrigues, Jasmine P. Ara´ujo, Herm´ınio S. Gomes, Carlos Renato L. Francˆes,
Gerv´asio P. S. Cavalcante
Resumo— O uso das redes locais sem fio (WLANs) tem crescido
de forma muito r´apida nos ´ultimos anos. A utilizac¸˜ao da faixa de frequˆencia n˜ao licenciada (ISM), entretanto, possibilita o aumento da interferˆencia. A presenc¸a de interferˆencia provoca problemas de desempenho das redes, afetando os parˆametros que ditam a qualidade de servic¸o (QoS) da mesma. Neste trabalho ´e apresentada uma metodologia para projeto de redes sem fio baseada em medidas de potˆencia e QoS. Os resultados obtidos atrav´es das medidas foram avaliados usando um qualificador de rede o qual ser´a usado para determinar a ´area de cobertura do ponto de acesso.
Palavras-Chave— WLAN, QoS, Site Survey
Abstract— The use of the wireless local networks (WLANs) has
been growing in a very fast way in the last years. The use of the not licensed frequency range(ISM), however, comes to make possible the increase of the radio interference. The presence of interference can cause problems of low performance, affecting the quality of service (QoS) parameters. In this paper, a methodology is presented for wireless local network project based in measures of power and QoS parameters. The results obtained through measurements were evaluated using a network qualifier QR which will be used to establish the access point coverage area.
Keywords— WLAN, QoS, Site Survey I. INTRODUC¸ ˜AO
As redes locais sem fio (Wireless Local Area Networks - WLANs) IEEE802.11 tˆem sido largamente utilizadas nos ´ultimos anos devido `a mobilidade, facilidade de configurac¸˜ao e baixo custo de implantac¸˜ao, sendo uma alternativa interes-sante para ind´ustrias, empresas, entre outras. Essa tecnologia, usualmente, suporta tr´afego de dados gerados por aplicac¸˜oes tais como web browsing. Nos ´ultimos anos, entretanto, ela tem sido usada para comunicac¸˜ao de voz, especialmente em escrit´orios [4]. A tecnologia VoIP fornece pacotes de voz sobre o protocolo IP, utilizado na internet, reduzindo significativamente o custo das chamadas quando comparada com as realizadas pela rede telefˆonica convencional (PSTN). Entretanto, a aplicac¸˜ao VoIP requer que a WLAN seja capaz de suportar especificac¸˜oes de QoS bastante r´ıgidas para a trans-miss˜ao de voz, como pode ser observado na recomendac¸˜ao G.114 do ITU-T (International Telecommunication Union) e em [5]. Devido a essa sensibilidade de especificac¸˜ao a aplicac¸˜ao VoIP foi utilizada em v´arios trabalhos [1]-[3] para ser avaliada nos testes realizados. Sendo assim, este tamb´em
Jasmine P. Ara´ujo, Simone G. C. Fraiha, Herm´ınio S. Gomes, Carlos Renato L. Francˆes e Gerv´asio P. S. Cavalcante, Universidade Federal do Par´a (UFPA), Bel´em, Brasil, E-mails: jasmine@ufpa.br, fraiha@ufpa.br,herminio@ufpa.br,rfrances@ufpa.br, gervasio@ufpa.br Josiane C. Rodrigues: Instituto de Estudos Superiores da Amazˆonia (IESAM) e Faculdade de Tecnologia da Amazˆonia (FAZ), Bel´em, Brasil, E-mail: josi@ufpa.br
faz uso desta aplicac¸˜ao para avaliac¸˜ao dos parˆametros de qualidade. Para tal avaliac¸˜ao, foi realizado um experimento onde dois computadores transferiam chamadas VoIP utilizando o software CallGen323, com trˆes chamadas de um minuto de durac¸˜ao em cada ponto de medic¸˜ao. O computador receptor da chamada VoIP estava conectado a um analisador de protocolos, juntamente com o ponto de acesso (PA). Para gerar mais tr´afego na rede, foi implementada uma aplicac¸˜ao em Delphi para transferir um arquivo de um notebook associado a WLAN em estudo, que transferia para um servidor web situado na rede cabeada. Essa aplicac¸˜ao, chamada stresshttp, gerava 4 sess˜oes de transferˆencia http utilizando threads no intervalo de 10 microssegundos. O arquivo transferido tinha o tamanho de 149 Kbytes. Para avaliar o comportamento de alguns parˆametros de QoS (jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS) versus distˆancia, duas situac¸˜oes foram consideradas: a rede sozinha, ou seja, sem interferˆencia e com a presenc¸a de outra rede operando na mesma freq¨uˆencia. Foi ent˜ao definido um fator de qualificac¸˜ao de rede, denominado Qualificador de Rede (QR) objetivando estabelecer uma metodologia para auxiliar no projeto de implantac¸˜ao de redes sem fio em ambientes indoor. Este trabalho est´a organizado da seguinte forma: a sec¸˜ao II, apresenta o ambiente onde foram realizadas as medic¸˜oes, a sec¸˜ao III, descreve o procedimento utilizado na medic¸˜ao, a sec¸˜ao IV apresenta os resultados.
II. AMBIENTE DEMEDIC¸ ˜AO
O ambiente utilizado para realizar as medic¸˜oes foi um pr´edio anexo ao Laborat´orio de Engenharia El´etrica e de Computac¸˜ao (LEEC) da Universidade Federal do Par´a (UFPA). Essa construc¸˜ao tem dois andares e ainda est´a em fase de acabamento e, portanto, ainda sem mob´ılias e pessoas. Suas paredes s˜ao constru´ıdas de tijolo com janelas de vidro e esquadrias de alum´ınio em toda a sua extens˜ao, Fig.1, al´em disso, s˜ao usadas divis´orias para separar algumas salas.
III. METODOLOGIA DEMEDIC¸ ˜AO
Para se determinar a variac¸˜ao de potˆencia e dos parˆametros de QoS com a distˆancia, foi realizada uma campanha de medic¸˜ao em duas etapas. Na primeira etapa h´a somente um transmissor (P AT) presente, na segunda etapa al´em desse
PA existe um segundo transmissor (P AS) que serve como
interferente ao primeiro. As duas etapas da campanha seguem os passos descritos a seguir:
1) Determinac¸˜ao dos pontos de medic¸˜ao e do ponto
de acesso - Para realizar as medic¸˜oes, primeiramente,
Fig. 1. Ambiente de Medic¸˜ao: Fotos externa e internas
realizadas. Um total de 21 pontos distribuidos no andar superior e 25 no andar t´erreo. Neste trabalho somente o andar t´erreo ser´a considerado. A Fig.2 ilustra a planta baixa do pr´edio, com a localizac¸˜ao dos pontos de medic¸˜ao e do ponto de acesso do andar t´erreo (P AT).
A rede originada desse ponto de acesso foi chamada de rede em estudo;
2) Conex˜ao da Rede em Estudo - A arquitetura da rede em estudo (que utiliza o canal 7, freq¨uˆencia central de 2,442GHz) ´e mostrada na Fig.3, onde o P AT est´a
conectado, atrav´es de um cabo de rede, a um analisador de protocolos que, por sua vez, est´a conectado a um computador. Esse computador foi usado como receptor de chamadas VoIP, realizadas atrav´es do CallGen323 [6]; 3) Gerac¸˜ao de tr´afego na Rede em Estudo - Um note-book, no primeiro plano na Fig.3, gerava tr´afego na rede WLAN. Os arquivos gerados por ele eram enviados para o P AT que o transmitia a um servidor atrav´es da rede
cabeada;
4) Transmissor VoIP - Para transmitir as chamadas VoIP foi usado um outro notebook, localizado sobre um carrinho Fig.4, que foi posicionado nos v´arios pontos de medic¸˜ao;
5) Medic¸˜ao de Potˆencia - O carrinho tamb´em levava um outro notebook que fazia a medic¸˜ao da potˆencia em cada ponto, atrav´es do software Network Stumbler°c [7].
Esse outro notebook foi necess´ario porque o Network Stumbler°c, quando est´a sendo executado, n˜ao permite a
conex˜ao do computador `a rede.
Com o procedimento e equipamentos descritos nas eta-pas 1 a 5, foi realizada a primeira fase da campanha de medic¸˜ao, onde s´o havia um transmissor no pr´edio em estudo. Durante a medic¸˜ao, foram armazenados os seguintes parˆametros: potˆencia recebida (atrav´es do software Netstumbler°c), distˆancia transmissor-receptor (obtida ap´os o
tratamento dos dados, atrav´es da localizac¸˜ao dos pontos de medic¸˜ao e do ponto de acesso), jitter, atraso de pacotes, perda de pacotes e PMOS (medidos pelo analisador de protocolos).
Ap´os essa primeira fase de medic¸˜ao, um outra rede foi instalada usando o mesmo canal da rede em estudo, devido a isso ela foi chamada de rede interferente. O ponto de acesso dessa rede foi posicionado no andar superior na mesma direc¸˜ao da rede em estudo, P AS na Fig.2. O programa utilizado para
gerar tr´afego nessa rede foi o Iperf [8], que permite especificar o tempo durante o qual o tr´afego ´e gerado. Ap´os a segunda fase de medic¸˜ao, os dados foram tratados e comparados, objetivando definir a variac¸˜ao nos parˆamentros estudados em func¸˜ao da presenc¸a de uma rede interferente. A sec¸˜ao seguinte apresenta os resultados dessas comparac¸˜oes.
Fig. 2. Planta baixa do pr´edio com as localizac¸˜oes dos pontos de medic¸˜ao e dos PAs.
Fig. 3. Rede em Estudo.
IV. RESULTADOS A. Qualificador de Rede - QR
Os padr˜oes de QoS estabelecem valores de referˆencia para seus diversos parˆametros atrav´es de recomendac¸˜oes como
Fig. 4. O carrinho com o notebook rodando o Network NetStumbler(na parte inferior da foto) e o que gerava chamadas VoIP (na parte superior da foto).
seguem: atraso de pacotes - ITU-T G.114; jitter - ITU-T Y1540; perda de pacotes - ITU-T Y.1541 e em [9] PMOS (padr˜ao de qualidade de voz). Baseado nesses valores de referˆencia, foram adotados os sequintes valores limiares: atraso de pacotes menor ou igual a 250ms; jitter menor ou igual a 30ms; perda de pacotes menor ou igual a 1%; e PMOS maior ou igual 3. Atrav´es desses valores limiares definiu-se um qualificador de rede QR a partir da seguinte relac¸˜ao:
QR =
P
A
P
T × 100% (1)
Sendo A o n´umero de amostras que est˜ao dentro do valor de limiar padronizado pelo ITU-T e T o n´umero total de amostras coletadas. As Figs.5 e 6 apresentam gr´aficos com os valores de perda de pacotes obtidos para cada distˆancia, com o valor de limiar de 1% representado por uma linha tracejada. O QR foi, ent˜ao, calculado usando (1). Na Fig.5 foram usados os valores de perda de pacotes quando n˜ao havia rede interferente no ambiente e na Fig.6 quando havia a rede interferente instalada. Observa-se que na presenc¸a da rede interferente, a perda de pacotes aumenta consideravelmente, chegando a um valor m´aximo superior a 25%, enquanto sem interferˆencia esse valor m´aximo n˜ao chega a 10%. ´E poss´ıvel observar ainda que existem menos valores de perda de pacotes abaixo do limiar de 1% na presenc¸a da interferˆencia, se comparado `a situac¸˜ao sem interferˆencia.
A Tabela I apresenta o valor do qualificador para cada parˆametro medido (jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS) e para cada situac¸˜ao (com e sem a presenc¸a da rede interferente). Pode ser observado na Tabela I, que os valores do qualificador apresentam um comportamento esperado, pois, para todos os parˆametros, diminuiu na presenc¸a de inter-ferˆencia. Isso siginifica, que na presenc¸a de interferˆencia, h´a menor n´umero de amostras com perda de pacotes menor que 1%, menor n´umero de amostras com jitter menor que 30ms, menor n´umero de amostras com atraso de pacotes menor que 250ms e, finalmente, menor n´umero de amostras com PMOS
0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 distância (m) Perda de Pacotes (%)
Andar Terreo sem rede interferente
Pontos Medidos Limiar <= 1%
Fig. 5. Perda de pacotes com a distˆancia, sem rede interferente. A Linha tracejada representa o limiar recomentado para a perda.
0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 distância (m) Perda de Pacotes (%)
Andar Terreo com rede interferente
Pontos Medidos Limiar <= 1%
Fig. 6. Perda de pacotes com a distˆancia, com rede interferente. A Linha tracejada representa o limiar recomentado para a perda.
maior que 3.
TABELA I
VALORES DOQUALIFICADOR PARA CADA PARAMETROˆ (%)COM E SEM A
PRESENC¸A DE INTERFRENCIAˆ .
Situac¸˜ao Jitter Perda Atraso PMOS
Sem Interf. 100 64 92 88
Com Interf. 96 44 84 48
B. Usando QR Para Determinar o Raio de Cobertura Para se determinar o raio de cobertura do PA foi estipulado um limite inferior de 60% para QR, ou seja, cada parˆametro medido deve ter 60% dos valores coletados satisfazendo a padronizac¸˜ao ITU-T. Esse limite de 60% depende da decis˜ao do projetista. A Fig. 7 ilustra que para o parˆametro perda de pacotes no andar t´erreo, a adoc¸˜ao do limiar de QR em 60% indica que na presenc¸a da rede interferente, o raio de cobertura ´e de aproximadamente 14m. Sem a presenc¸a de interferˆencia, esse raio ´e superior a 20m. Portanto, segundo a Fig. 7, at´e 14m de distˆancia do PA o parˆametro perda de
pacotes est´a mais de 60% das vezes abaixo do limiar de 1% determinado pelo ITU-T. Esse procedimento foi repetido para todos os parˆametros medidos no andar t´erreo. Obtendo-se um raio de aproximadamente 15m com interferˆencia e 20m sem interferˆencia. 0 5 10 15 20 25 40 50 60 70 80 90 100 X: 14.39 Y: 60 distância (m) QR − Perda de Pacotes (%) Andar Terreo
Sem rede interferente Com rede interferente Limiar de qualificação
Fig. 7. Raio da c´elula segundo o qualificador da perda de pacotes.
Nas duas situac¸˜oes apresentadas, a metodologia utilizada ´e dependente do valor do limiar adotado para o qualificador QR, da aplicac¸˜ao que est´a sendo usada na rede em estudo, da rede interferente e do ambiente. Esse qualificador, portanto, ´e uma metodologia de an´alise de projeto que utiliza um site survey com p´os-tratamento de dados no MATLAB para gerar regi˜oes de qualidade. Essa metodologia ´e necess´aria porque a an´alise somente da cobertura levaria o usu´ario a experimentar servic¸os sem o padr˜ao de QoS necess´ario `as aplicac¸˜oes, mesmo na presenc¸a de interferˆencia.
C. Visualizac¸˜ao da ´Area de Cobertura
As Figs.8 e 9 apresentam uma ilustrac¸˜ao do comportamento da perda de pacote ao longo do comprimento (x) e da largura (y) do pr´edio onde foram realizadas as medic¸˜oes. Esse comportamento ´e visualizado para as situac¸˜oes da rede sem interferˆencia, Fig.8, e com interferˆencia, Fig.9. As simulac¸˜oes foram realizadas considerando-se a equac¸˜ao de variac¸˜ao per-centual:
∆% =P1−P0
P0 × 100% (2)
Sendo P1 o valor do parˆamento medido e P0 o valor de
referˆencia, no caso da perda de pacotes ´e de 1%. A escala rep-resenta uma quantificac¸˜ao do quanto acima do limite permitido esse parˆametro est´a, por exemplo, quando na escala aparece o valor de 1800 significa que neste ponto h´a uma perda de pacotes 18 vezes maior que o limite de 1% permitido para esse parˆametro.
V. CONCLUSOES˜
Este trabalho apresenta uma metodologia para determinac¸˜ao de ´area de cobertura de um ponto de acesso. Para tanto, uma campanha de medic¸˜ao foi realizada em duas etapas: na primeira etapa foi considerado apenas um transmissor presente
x (m)
y (m)
Andar Térreo sem interf − referencia perda de pacotes
0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Fig. 8. Visualizac¸˜ao da variac¸˜ao percentual da perda de pacotes sem interferˆencia.
x (m)
y (m)
Andar Térreo com interf − referencia perda de pacotes
0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Fig. 9. Visualizac¸˜ao da variac¸˜ao percentual da perda de pacotes com interferˆencia.
no ambiente de medic¸˜ao, na segunda etapa foi instalado um outro transmissor (utilizando a mesma freq¨uˆencia do primeiro) para testar o comportamento da rede na presenc¸a de inter-ferentes. Ap´os o tratamento dos dados medidos (potˆencia, jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS), foi observado que existe uma grande variac¸˜ao desses parˆametros na presenc¸a da rede interferente. Para caracterizar o com-portamento da rede foi apresentado um qualificador de rede atrav´es do qual ´e poss´ıvel determinar a ´area de cobertura de um PA, considerando potˆencia e QoS, considerando uma soluc¸˜ao de projeto com garantia de QoS para redes sem fio onde aplicac¸˜oes sens´ıveis ser˜ao utilizadas.
AGRADECIMENTOS
Aos os alunos de mestrado M´arcio Rodrigues, Bruno Lyra, Felipe Lamar˜ao e Luigi Crispim pela colaborac¸˜ao nas cam-panhas de medic¸˜ao.
REFERENCIASˆ
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M. Lamar˜ao, Nandamudi L. Vijaykumar, Gerv´asio P.S. Cavalcante, and Carlos R.L. Francˆes, ”The Influence of Interference Networks in QoS Parameters in a WLAN 802.11g”, Proceedings of The Fifth International Symposium on Parallel and Distributed Processing and Applications ISPA 2007, pp. 932-945, Vol. 4742, August 2007.
[3] Jasmine P. L. Ara´ujo, Josiane C. Rodrigues, Simone G. C. Fraiha, Herm´ınio S. Gomes, Jacklyn Reis, Nandamudi L. Vijaykumar, Gerv´asio P. S. Cavalcante and Carlos R. L. Francˆes, ”The Influence of Interfer-ence Networks in QoS Parameters in a WLAN 802.11g: a Bayesian Approach”, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers SPIE 2007, Conference Broadband Access Communication Technologies II, pp. 677604-1-677604-12, Vol. 6776, September 2007.
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