PDF de programación - Desarrollo de una herramienta de planificación para redes WiMAX

Escuela Politécnica Superior



Departamento de Ingeniería Telemática



Ingeniería de Telecomunicación






PROYECTO FIN DE CARRERA





Desarrollo de una herramienta de planificación para redes

WiMAX.







Autor: Ignacio Prieto Egido

Director: Francisco Javier Simó Reigadas

Tutor: Simon Pickin











Título:

Autor:

Director:





EL TRIBUNAL

Presidente:

Vocal:



Secretario: _





Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día __ de _______
de 20__ en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de
Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de











VOCAL

SECRETARIO













PRESIDENTE

II













III





Agradecimientos







IV













V





Resumen

la

Información y

las Tecnologías de

Las comunidades que habitan en las áreas rurales de países con bajos o medios
ingresos se encuentran muchas veces aisladas de los procesos de desarrollo del país
debido a las deficiencias en las comunicaciones con los núcleos urbanos. En este
escenario
las Comunicaciones (TIC) han
demostrado tener un efecto multiplicador en el desarrollo humano dotando de
conectividad a escuelas, centros de salud, ayuntamientos o telecentros, y mejorando
así la calidad de vida de esas comunidades. Actualmente se está investigando en
soluciones tecnológicas apropiadas y con un coste reducido que permitan ofrecer la
mencionada conectividad. En esta línea la tecnología WiMAX, basada en el estándar
802.16-2009, permite desplegar redes inalámbricas punto-multipunto de largo alcance
empleando bandas libres o licenciadas. Sin embargo el diseño y planificación de este
tipo de redes requiere de un conocimiento detallado del estándar o disponer de
herramientas de diseño que tienen un coste alto en el mercado.

Este estudio se ha desarrollado una herramienta de planificación de redes
WiMAX para bandas libres y de bajo coste. El objetivo ha sido reducir el coste del
diseño y planificación de este tipo de redes, facilitando así su despliegue en países en
desarrollo.

En primer lugar se ha efectuado un estudio del estándar 802.16-2009 y una
revisión bibliográfica sobre el problema del cálculo del throughput y la latencia de un
flujo. A partir de este estudio se ha propuesto un modelo para el cálculo del
throughput basado en el estudio del estándar. También se ha desarrollado un modelo
para el cálculo de la latencia basado en el funcionamiento de los sistemas TDMA y en
el análisis de medidas empíricas mediante un estimador MMSE.

Después se ha llevado a cabo una revisión de herramientas gratuitas de análisis
de radioenlaces que calcularan la SNR y la longitud de los enlaces usando datos sobre
el terreno. Tras comparar estas herramientas se ha decidido trabajar con Radio Mobile
en este proyecto porque dispone de un interfaz gráfico y soporta redes inalámbricas
con decenas de usuarios.

Empleando el

lenguaje JAVA se ha

la herramienta de
planificación de redes WiMAX que aplica los modelos propuestos de cálculo de
throughput y latencia. Esta herramienta lee los datos sobre el enlace (SNR y longitud)
de un fichero exportado de Radio Mobile y distribuye los recursos que ofrece la
tecnología WiMAX en función de los flujos definidos por el usuario.

implementado

Finalmente se ha validado el funcionamiento de la herramienta y los resultados
que proporciona a través de medidas empíricas sobre escenarios de pruebas. El
análisis de estas medidas demuestra que la herramienta desarrollada permite diseñar
y planificar redes WiMAX con un error bajo y acotado.



VI











VII



Índice general



I.

Introducción ................................................................................. 1

1

2

3

4

PRESENTACIÓN ................................................................................................................... 2

MOTIVACIÓN ..................................................................................................................... 3

OBJETIVOS ......................................................................................................................... 5

INTRODUCCIÓN A WIMAX .................................................................................................. 6

4.1

Funciones de la estación base ................................................................................... 7

4.2

Funciones de las estaciones subscriptoras ................................................................ 7

4.3 Modelo de referencia del sistema ............................................................................. 7

4.4

La capa MAC.............................................................................................................. 8

4.5

La capa PHY ............................................................................................................. 11

4.6

Descripción de la trama WiMAX.............................................................................. 16

II.

Metodología y materiales ....................................................... 19

5

6

7

METODOLOGÍA Y PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO ..................................................................... 20

EQUIPAMIENTO ................................................................................................................ 22

HERRAMIENTAS SOFTWARE ................................................................................................. 23

III.

Resultados obtenidos .............................................................. 24

8

PROPUESTA PARA EL CÁLCULO DEL THROUGHPUT Y LA LATENCIA ................................................. 25

8.1 Modelo para el obtener el throughput de cada flujo .............................................. 25

8.2 Modelo para calcular la latencia de cada flujo ....................................................... 27

9

HERRAMIENTA DE ANÁLISIS DE RADIOENLACES ........................................................................ 31

10

HERRAMIENTA DE PLANIFICACIÓN WIMAX............................................................................ 33

10.1 Diagrama de Clases ................................................................................................. 34

10.2

Casos de Uso ........................................................................................................... 36

11

VALIDACIÓN DE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIÓN WIMAX ................................................... 40



11.1 Descripción del escenario de pruebas ..................................................................... 40

11.2 Metodología de validación ...................................................................................... 41

11.3 Diseño de las pruebas .............................................................................................. 43

11.4

Presentación de resultados ..................................................................................... 47

IV.

Conclusiones ............................................................................... 61

12

13

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 62

LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO E INVESTIGACIÓN ....................................................................... 64

V.

Anexos .......................................................................................... 65

ANEXO I. PLANIFICACIÓN Y PRESUPUESTO DEL PROYECTO.............................................................. 66

ANEXO II. COMPARATIVA ENTRE SPLAT Y RADIO MOBILE ............................................................. 70

ANEXO III. ESTUDIO DEL THROUGHPUT EN REDES WIMAX ............................................................ 81

ANEXO IV. REVISIÓN SOBRE LATENCIA EN REDES WIMAX .............................................................. 89

ANEXO V. MANUAL DE USUARIO DE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIÓN ....................................... 94

ANEXO VI. ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS WIMAX ........................................................... 102

VI.

Bibliografía .............................................................................. 105











Índice de Figuras



Figura 1: Modelo de referencia de la arquitectura IEEE 802.16 [21]. .............................. 8

Figura 2: Estructura temporal de un símbolo OFDM [21]. ............................................. 13

Figura 3: Distribución en frecuencia de un símbolo OFDM [21]. ................................... 13

Figura 4: Constelaciones BPSK, QPSK, 16 QAM y 64 QAM [21]. .................................... 15

Figura 5: Estructura entramada WiMAX con TDD [21]. ................................................. 16

Figura 6: Composición de la trama DL PHY PDU [21]. .................................................... 17

Figura 7: Composición del FCH y de las ráfagas de downlink [21]. ................................ 17

Figura 8: Esquema de la subtrama de Uplink [21].......................................................... 18

Figura 9: Modelo de un sistema TDMA .......................................................................... 29

Figura 10: Diagrama de clases de la aplicación de planificación WiMAX....................... 34

Figur