Metodologia para Projeto de Redes Sem Fio Baseada em Medidas de Potência e QoS

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1 Metodologia para Projeto de Redes Sem Fio Baseada em Medidas de Potência e QoS Simone G. C. Fraiha, Josiane C. Rodrigues, Jasmine P. Araújo, Hermínio S. Gomes, Carlos Renato L. Francês, Gervásio P. S. Cavalcante Resumo O uso das redes locais sem fio (WLANs) tem crescido de forma muito rápida nos últimos anos. A utilização da faixa de frequência não licenciada (ISM), entretanto, possibilita o aumento da A presença de interferência provoca problemas de desempenho das redes, afetando os parâmetros que ditam a qualidade de serviço (QoS) da mesma. Neste trabalho é apresentada uma metodologia para projeto de redes sem fio baseada em medidas de potência e QoS. Os resultados obtidos através das medidas foram avaliados usando um qualificador de rede o qual será usado para determinar a área 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. INTRODUÇÃO As redes locais sem fio (Wireless Local Area Networks - WLANs) IEEE.11 têm sido largamente utilizadas nos últimos anos devido à mobilidade, facilidade de configuração e baixo custo de implantação, sendo uma alternativa interessante para indústrias, empresas, entre outras. Essa tecnologia, usualmente, suporta tráfego de dados gerados por aplicações tais como web browsing. Nos últimos anos, entretanto, ela tem sido usada para comunicação de voz, especialmente em escritórios []. 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 telefônica convencional (PSTN). Entretanto, a aplicação VoIP requer que a WLAN seja capaz de suportar especificações de QoS bastante rígidas para a transmissão de voz, como pode ser observado na recomendação G.11 do ITU-T (International Telecommunication Union) e em [5]. Devido a essa sensibilidade de especificação a aplicação VoIP foi utilizada em vários trabalhos [1]-[3] para ser avaliada nos testes realizados. Sendo assim, este também Jasmine P. Araújo, Simone G. C. Fraiha, Hermínio S. Gomes, Carlos Renato L. Francês e Gervásio P. S. Cavalcante, Universidade Federal do Pará (UFPA), Belém, Brasil, s: jasmine@ufpa.br, fraiha@ufpa.br,herminio@ufpa.br,rfrances@ufpa.br, gervasio@ufpa.br Josiane C. Rodrigues: Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM) e Faculdade de Tecnologia da Amazônia (FAZ), Belém, Brasil, josi@ufpa.br faz uso desta aplicação para avaliação dos parâmetros de qualidade. Para tal avaliação, foi realizado um experimento onde dois computadores transferiam chamadas VoIP utilizando o software CallGen33, com três chamadas de um minuto de duração em cada ponto de medição. O computador receptor da chamada VoIP estava conectado a um analisador de protocolos, juntamente com o ponto de acesso (PA). Para gerar mais tráfego na rede, foi implementada uma aplicação 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 aplicação, chamada stresshttp, gerava sessões de transferência http utilizando threads no intervalo de 1 microssegundos. O arquivo transferido tinha o tamanho de 19 Kbytes. Para avaliar o comportamento de alguns parâmetros de QoS (jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS) versus distância, duas situações foram consideradas: a rede sozinha, ou seja, sem interferência e com a presença de outra rede operando na mesma freqüência. Foi então definido um fator de qualificação de rede, denominado Qualificador de Rede (QR) objetivando estabelecer uma metodologia para auxiliar no projeto de implantação de redes sem fio em ambientes indoor. Este trabalho está organizado da seguinte forma: a seção II, apresenta o ambiente onde foram realizadas as medições, a seção III, descreve o procedimento utilizado na medição, a seção IV apresenta os resultados. II. AMBIENTE DE MEDIÇÃO O ambiente utilizado para realizar as medições foi um prédio anexo ao Laboratório de Engenharia Elétrica e de Computação (LEEC) da Universidade Federal do Pará (UFPA). Essa construção tem dois andares e ainda está em fase de acabamento e, portanto, ainda sem mobílias e pessoas. Suas paredes são construídas de tijolo com janelas de vidro e esquadrias de alumínio em toda a sua extensão, Fig.1, além disso, são usadas divisórias para separar algumas salas. III. METODOLOGIA DE MEDIÇÃO Para se determinar a variação de potência e dos parâmetros de QoS com a distância, foi realizada uma campanha de medição em duas etapas. Na primeira etapa há somente um transmissor (PA T ) presente, na segunda etapa além desse PA existe um segundo transmissor (PA S ) que serve como interferente ao primeiro. As duas etapas da campanha seguem os passos descritos a seguir: 1) Determinação dos pontos de medição e do ponto de acesso - Para realizar as medições, primeiramente, foram determinados os pontos onde as mesmas seriam

2 Após essa primeira fase de medição, 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 direção da rede em estudo, PA S na Fig.. O programa utilizado para gerar tráfego nessa rede foi o Iperf [], que permite especificar o tempo durante o qual o tráfego é gerado. Após a segunda fase de medição, os dados foram tratados e comparados, objetivando definir a variação nos parâmentros estudados em função da presença de uma rede interferente. A seção seguinte apresenta os resultados dessas comparações. Fig. 1. Ambiente de Medição: Fotos externa e internas realizadas. Um total de 1 pontos distribuidos no andar superior e 5 no andar térreo. Neste trabalho somente o andar térreo será considerado. A Fig. ilustra a planta baixa do prédio, com a localização dos pontos de medição e do ponto de acesso do andar térreo (PA T ). A rede originada desse ponto de acesso foi chamada de rede em estudo; ) Conexão da Rede em Estudo - A arquitetura da rede em estudo (que utiliza o canal 7, freqüência central de,ghz) é mostrada na Fig.3, onde o PA T está conectado, através de um cabo de rede, a um analisador de protocolos que, por sua vez, está conectado a um computador. Esse computador foi usado como receptor de chamadas VoIP, realizadas através do CallGen33 []; 3) Geração de tráfego na Rede em Estudo - Um notebook, no primeiro plano na Fig.3, gerava tráfego na rede WLAN. Os arquivos gerados por ele eram enviados para o PA T que o transmitia a um servidor através da rede cabeada; ) Transmissor VoIP - Para transmitir as chamadas VoIP foi usado um outro notebook, localizado sobre um carrinho Fig., que foi posicionado nos vários pontos de medição; 5) Medição de Potência - O carrinho também levava um outro notebook que fazia a medição da potência em cada ponto, através do software Network Stumbler c [7]. Esse outro notebook foi necessário porque o Network Stumbler c, quando está sendo executado, não permite a conexão do computador à rede. Com o procedimento e equipamentos descritos nas etapas 1 a 5, foi realizada a primeira fase da campanha de medição, onde só havia um transmissor no prédio em estudo. Durante a medição, foram armazenados os seguintes parâmetros: potência recebida (através do software Netstumbler c ), distância transmissor-receptor (obtida após o tratamento dos dados, através da localização dos pontos de medição e do ponto de acesso), jitter, atraso de pacotes, perda de pacotes e PMOS (medidos pelo analisador de protocolos). Fig.. Planta baixa do prédio com as localizações dos pontos de medição e dos PAs. Fig. 3. Rede em Estudo. A. Qualificador de Rede - QR IV. RESULTADOS Os padrões de QoS estabelecem valores de referência para seus diversos parâmetros através de recomendações como

3 9 7 Andar Terreo sem rede interferente Pontos Medidos Limiar <= 1% Perda de Pacotes (%) Fig. 5. Perda de pacotes com a distância, sem rede interferente. A Linha tracejada representa o limiar recomentado para a perda. Fig.. 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.11; jitter - ITU-T Y15; perda de pacotes - ITU-T Y.151 e em [9] PMOS (padrão de qualidade de voz). Baseado nesses valores de referência, foram adotados os sequintes valores limiares: atraso de pacotes menor ou igual a 5ms; jitter menor ou igual a 3ms; perda de pacotes menor ou igual a 1%; e PMOS maior ou igual 3. Através desses valores limiares definiu-se um qualificador de rede QR a partir da seguinte relação: A QR = T 1% (1) Sendo A o número de amostras que estão dentro do valor de limiar padronizado pelo ITU-T e T o número total de amostras coletadas. As Figs.5 e apresentam gráficos com os valores de perda de pacotes obtidos para cada distância, com o valor de limiar de 1% representado por uma linha tracejada. O QR foi, então, calculado usando (1). Na Fig.5 foram usados os valores de perda de pacotes quando não havia rede interferente no ambiente e na Fig. quando havia a rede interferente instalada. Observa-se que na presença da rede interferente, a perda de pacotes aumenta consideravelmente, chegando a um valor máximo superior a 5%, enquanto sem interferência esse valor máximo não chega a 1%. É possível observar ainda que existem menos valores de perda de pacotes abaixo do limiar de 1% na presença da interferência, se comparado à situação sem A Tabela I apresenta o valor do qualificador para cada parâmetro medido (jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS) e para cada situação (com e sem a presença da rede interferente). Pode ser observado na Tabela I, que os valores do qualificador apresentam um comportamento esperado, pois, para todos os parâmetros, diminuiu na presença de Isso siginifica, que na presença de interferência, há menor número de amostras com perda de pacotes menor que 1%, menor número de amostras com jitter menor que 3ms, menor número de amostras com atraso de pacotes menor que 5ms e, finalmente, menor número de amostras com PMOS Perda de Pacotes (%) 5 3 Pontos Medidos Limiar <= 1% Andar Terreo com rede interferente Fig.. Perda de pacotes com a distância, com rede interferente. A Linha tracejada representa o limiar recomentado para a perda. maior que 3. TABELA I VALORES DO QUALIFICADOR PARA CADA PARÂMETRO(%) COM E SEM A PRESENÇA DE INTERFRÊNCIA. Situação Jitter Perda Atraso PMOS Sem Interf. 1 9 Com Interf. 9 B. Usando QR Para Determinar o Raio de Cobertura Para se determinar o raio de cobertura do PA foi estipulado um limite inferior de % para QR, ou seja, cada parâmetro medido deve ter % dos valores coletados satisfazendo a padronização ITU-T. Esse limite de % depende da decisão do projetista. A Fig. 7 ilustra que para o parâmetro perda de pacotes no andar térreo, a adoção do limiar de QR em % indica que na presença da rede interferente, o raio de cobertura é de aproximadamente 1m. Sem a presença de interferência, esse raio é superior a m. Portanto, segundo a Fig. 7, até 1m de distância do PA o parâmetro perda de

4 pacotes está mais de % das vezes abaixo do limiar de 1% determinado pelo ITU-T. Esse procedimento foi repetido para todos os parâmetros medidos no andar térreo. Obtendo-se um raio de aproximadamente 15m com interferência e m sem 1 1 Andar Térreo sem interf referencia perda de pacotes QR Perda de Pacotes (%) Andar Terreo X: 1.39 Y: Sem rede interferente Com rede interferente Limiar de qualificação y (m) x (m) Fig.. Visualização da variação percentual da perda de pacotes sem Fig. 7. Raio da célula segundo o qualificador da perda de pacotes. Nas duas situações apresentadas, a metodologia utilizada é dependente do valor do limiar adotado para o qualificador QR, da aplicação que está sendo usada na rede em estudo, da rede interferente e do ambiente. Esse qualificador, portanto, é uma metodologia de análise de projeto que utiliza um site survey com pós-tratamento de dados no MATLAB para gerar regiões de qualidade. Essa metodologia é necessária porque a análise somente da cobertura levaria o usuário a experimentar serviços sem o padrão de QoS necessário às aplicações, mesmo na presença de C. Visualização da Área de Cobertura As Figs. e 9 apresentam uma ilustração do comportamento da perda de pacote ao longo do comprimento (x) e da largura (y) do prédio onde foram realizadas as medições. Esse comportamento é visualizado para as situações da rede sem interferência, Fig., e com interferência, Fig.9. As simulações foram realizadas considerando-se a equação de variação percentual: % = P1 P P 1% () Sendo P 1 o valor do parâmento medido e P o valor de referência, no caso da perda de pacotes é de 1%. A escala representa uma quantificação do quanto acima do limite permitido esse parâmetro está, por exemplo, quando na escala aparece o valor de 1 significa que neste ponto há uma perda de pacotes 1 vezes maior que o limite de 1% permitido para esse parâmetro. V. CONCLUSÕES Este trabalho apresenta uma metodologia para determinação de área de cobertura de um ponto de acesso. Para tanto, uma campanha de medição foi realizada em duas etapas: na primeira etapa foi considerado apenas um transmissor presente y (m) 1 1 Andar Térreo com interf referencia perda de pacotes x (m) Fig. 9. Visualização da variação percentual da perda de pacotes com no ambiente de medição, na segunda etapa foi instalado um outro transmissor (utilizando a mesma freqüência do primeiro) para testar o comportamento da rede na presença de interferentes. Após o tratamento dos dados medidos (potência, jitter, perda de pacotes, atraso de pacotes e PMOS), foi observado que existe uma grande variação desses parâmetros na presença da rede interferente. Para caracterizar o comportamento da rede foi apresentado um qualificador de rede através do qual é possível determinar a área de cobertura de um PA, considerando potência e QoS, considerando uma solução de projeto com garantia de QoS para redes sem fio onde aplicações sensíveis serão utilizadas. AGRADECIMENTOS Aos os alunos de mestrado Márcio Rodrigues, Bruno Lyra, Felipe Lamarão e Luigi Crispim pela colaboração nas campanhas de medição. REFERÊNCIAS [1] Jasmine P. L. Araújo, Josiane C. Rodrigues, Simone G. C. Fraiha, Felipe M. Lamarão, Nandamudi L. Vijaykumar, Gervásio P. S. Cavalcante and Carlos R. L. Francês, The Planning Approach for Interference

5 Networks in QoS Parameters in a WLAN.11g, Proceedings of The International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems SPECTS 7, pp. 19-, July 7. [] Jasmine P.L. Araújo, Josiane C. Rodrigues, Simone G.C. Fraiha, Felipe M. Lamarão, Nandamudi L. Vijaykumar, Gervásio P.S. Cavalcante, and Carlos R.L. Francês, The Influence of Interference Networks in QoS Parameters in a WLAN.11g, Proceedings of The Fifth International Symposium on Parallel and Distributed Processing and Applications ISPA 7, pp , Vol. 7, August 7. [3] Jasmine P. L. Araújo, Josiane C. Rodrigues, Simone G. C. Fraiha, Hermínio S. Gomes, Jacklyn Reis, Nandamudi L. Vijaykumar, Gervásio P. S. Cavalcante and Carlos R. L. Francês, The Influence of Interference Networks in QoS Parameters in a WLAN.11g: a Bayesian Approach, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers SPIE 7, Conference Broadband Access Communication Technologies II, pp , Vol. 77, September 7. [] K. Medepalli, P. Gopalakrishnan, D. Famolari and T. Kodama, Voice Capacity of IEEE 11b 11a and 11g Wireless Lans, Globecomm, IEEE Communications Society,. [5] H. Zhai, J. Wang and Y. Fang, Providing Statistical QoS Guarantee for Voice over IP in the IEEE.11 Wireless LANs, IEEE Wireless Communications, February. [] acessed in 15/1/. [7] acessed in 15/1/. [] accessed in 15/1/. [9] I. Cotanis, Speaker Bias in Speech Quality Evaluation over End-to End Communication Links. Wireless Communications and Networking, v., p , March 3.