Análisis de Redes Heterogéneas y Optimización de Handovers

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1 Universidad de Buenos Aires Tesis de Ingeniería Análisis de Redes Heterogéneas y Optimización de Handovers Autor: Juan Antonio Monetti Supervisores: Dr. German Castignani Alberto Dams En cumplimiento de los requerimientos para obtener el título de Ingeniero en Informática Departamento de Computación - Universidad de Buenos Aires 15 de junio de 2014

2 UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Resumen La utilización de smartphones y tablets se encuentra en un constante crecimiento en los últimos años, y los usuarios de estos dispositivos requieren altas velocidades de transferencia de datos en situaciones de movilidad. Para satisfacer esta necesidad, y debido a la saturación de las redes de celulares, múltiples tecnologías deben ser combinadas, para así proveer una conexión no solo continua, sino que también con la mejor performance. Actualmente, la creciente disponibilidad de puntos de acceso a redes Wi-Fi en ambientes urbanos y suburbanos, hace que sea la tecnología ideal para complementar a las redes de celulares. En la presente tesis de grado, se caracterizan los despliegues heterogéneos de redes en la ciudad de Luxemburgo para escenarios móviles, se analiza la continuidad de la conexión cuando un usuario se encuentra moviendo a distintas velocidades en un ambiente heterogéneo, y se evalúan las distintas redes presentes en la ciudad para luego determinar su complementariedad.

3 Agradecimientos Agradezco a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires, que me ha dado la posibilidad de crecer tanto a nivel profesional como personal. A la Universidad de Luxemburgo, que me abrió las puertas para realizar esta tesis en sus laboratorios de investigación. Un agradecimiento especial a Germán Castignani, quien me dio la oportunidad de realizar esta experiencia, y me acompañó durante el desarrollo de la misma, siempre fue una ayuda tanto personal como profesional, sin duda una gran persona que deja muy bien representada a la UBA en el extranjero. A Alberto Dams, quien me brindó una gran ayuda desde el principio para poder realizar todos los trámites necesarios para cumplir con esta tesis y me acompañó en su desarrollo. A todos los que se tomaron un tiempo para ayudarme, o darme aliento en este trabajo: Rosella, Emi, Julio, Nacho, Garry, Gastón, Cami, Migue, Seba, Tano, Nahue, Mili y muchos otros. A todos mis amigos de Neuquén, que a pesar de estar lejos siempre se siente su apoyo: Marcos, Boro, Migue, Tomi W, Cami, Jere, Tomi B, Poly, Rama y Diego. A toda la gente que me acompañó en el tiempo que estuve en Luxemburgo: Lata, Raoul, Jennifer, Aineas, Higo, Giorgos, Lena, Carlos y muchos más. A todas los compañeros y amigos de la facultad, que me acompañaron durante todo esta etapa. Especialmente a toda mi familia. A mis padres Martha y Alejandro, que me apoyaron incondicionalmente, y les debo todo lo que soy. A mis hermanos Rosella y Emiliano que siempre estuvieron presentes a lo largo de estos años. A mis abuelos, Antonieta, Carmen y Roberto, y por supuesto a Carlos, quien hoy a pesar de no estar siempre estuvo y estará, y a mis tíos y primos. ii

4 Índice general Título Resumen Agradecimientos Contenidos Lista de Figuras Lista de Tablas i i ii iii v vii 1. Introducción 1 2. Estado del Arte Redes IEEE Estándar IEEE Evolución del Estándar IEEE Redes de Celulares Primera Generación (1G) Segunda Generación (2G) Tercera Generación (3G) Cuarta Generación (4G) Codicación de Canales en el estándar IEEE Componentes de Red Arquitectura Área de Servicio Básico Conjunto de Servicios Extendido Movilidad Movilidad horizontal Movilidad vertical Handover Redes Comunitarias Trabajos Relacionados Previos Estudio de Redes Inalámbricas Estudio de Redes Comunitarias Redes Inalámbricas Complementarias iii

5 Contenidos iv 3. Topologías en Luxemburgo Hotcity Despliegue Red de uso en interiores Red de uso en exteriores Ancho de banda de la red Distribución de Canales e Interferencia Redes 2G/3G/4G LuxGSM Tango Orange Plataforma de Medición y Diseño de Pruebas Plataforma de medición Wi2Me Adaptación de Wi2Me Diseño de pruebas Análisis de tecnologías heterogéneas Análisis de performance en escenarios pedestres Rendimiento de las conexiones Características de Despliegue Potencia Recibida Soporte de Movilidad Movilidad Vehicular en Redes de Hotspot Tecnologías de Redes Complementarias y Ooading Cierre del trabajo y Conclusiones Resumen Conclusiones Trabajo basado en la Tesis Bibliografía 78 ANEXO: paper presentado en el congreso IEEE/IFIP Wireless Days

6 Índice de guras 2.1. Estándar IEEE 802 y el modelo OSI Arquitectura GSM Arquitectura WCDMA3G Distribución de energía en un canal Canales sin superposición (802.11b) Distribución de energía e interferencia Canales sin superposición (802.11g) Canales sin superposición (802.11n) Componentes básicos de una red (802.11) IEEE BSS: modo Ad-Hoc IEEE BSS: modo Infrastuctura Extended Service Set Proceso de handover entre BSS Despliegue de Redes Comunitarias Arquitectura de Hotcity Despliegue Hotcity Distribución de Canales: Centro (Hotcity) Probabilidad de encontrar al menos un AP en un canal dado: Centro (Hotcity) Separación entre canales en uso (Hotcity) Número de AP transmitiendo en el mismo canal (Hotcity) Interferencia Inter-canal: Centro (todas las redes) Interferencia Intra-canal: Centro (todas las redes) Distribución de Canales: Gasperich (Hotcity) Probabilidad de encontrar al menos un AP en un canal dado: Gasperich (Hotcity) Separación entre canales en uso: Gasperich (Hotcity) Número de AP transmitiendo en el mismo canal: Gasperich (Hotcity) Interferencia Inter-canal: Gasperich (todas las redes) Interferencia Intra-canal: Gasperich (todas las redes) Red de telefonía Celular: LuxGSM Red de telefonía Celular: Tango Red de telefonía Celular: Tango Red de telefonía Celular: Orange Red de telefonía Celular: Orange Flujo principal Wi2Me (CN) v

7 Lista de Figuras vi 4.2. Flujo principal Wi2Me (Celular) Portal cautivo Hotcity Kirchberg Despliegue Hotcity: Centro. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique) Ruta Área Céntrica Despliegue Hotcity: Gasperich. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique) Ruta Área Residencial Número de handover por conexión Duración y Distancia de las conexiones Número de APs por escaneo Cobertura Wi-Fi en el Área Céntrica y Residencial Cobertura Wi-Fi en el Área Céntrica y Residencial FDA Potencia Recibida durante el escaneo Duración y Distancia de la Conexión: Vehicular FDA Potencia Recibida para Vehicular y Peatonal FDA Timeout de Desconexión FDA Intensidad de Señal Recibida en Desconexión Eventos de conexión en el área residencial Disponibilidad de AP en el centro de la ciudad Distribución de la potencia recibida

8 Índice de cuadros 3.1. Rendimiento de la conexión de múltiples usuarios Resultados Generales: Movilidad Peatonal Rendimiento de las conexiones Resultados generales: Movilidad Vehicular vii

9 Capítulo 1 Introducción La utilización de smartphones y tablets se encuentra en un constante crecimiento en los últimos años, y debido a la proliferación de los mismos, se prevé que la mayor cantidad de teléfonos móviles serán smartphones (considerando que el 89 % de la población Europea tiene uno o más teléfonos móviles) y la venta de tablets superará probablemente la venta dispositivos de escritorio[1]. Este tipo de dispositivos posee un conjunto de interfaces inalámbricas tales como Bluetooth, UMTS/LTE, WiMAX y/o Wi-Fi entre otras. Estas interfaces de comunicación permiten tener acceso a redes en todo momento y en todo lugar[2]. Los usuarios de estos dispositivos requieren altas velocidades de transferencia de datos se pronostica que para el año 2014 el tráco promedio de un usuario medio será de 7 GB mensuales[3] en situaciones de movilidad a distintas velocidades (peatonal, vehicular, etc.). Para satisfacer esta necesidad, múltiples tecnologías deben ser combinadas, para así proveer una conexión no solo continua, sino que también con la mejor performance. Entre estas tecnologías, IEEE (Wi-Fi), y los accesos celulares de ancho de banda 2G/3G/4G son las más populares. En particular, Wi-Fi se ha convertido en la tecnología más utilizada para las redes inalámbricas de área local (WLAN), debido a su bajo costo, alto rendimiento y fácil despliegue y puesta en funcionamiento. Recientemente, con el n de cubrir las necesidades mencionadas anteriormente, y con la saturación de redes de celulares, se comenzó a investigar el uso de tecnologías de redes complementarias generalmente la tecnología Wi-Fi para el tráco de datos originalmente enviados/recibidos mediante conexiones celulares, metodología conocida como Ooading[4]. Actualmente, la creciente disponibilidad de puntos de acceso (AP) a redes Wi-Fi en ambientes urbanos y suburbanos, hace que sea la tecnología ideal para complementar a 1

10 Capítulo 1. Introducción 2 las redes de celulares. Es posible identicar dos implementaciones de redes Wi-Fi que han sido desarrolladas crecientemente en los últimos tiempos. La primera, las redes de tipo Hotspot comercial o commercial Hotspot Network (HN), la cual está basada en APs especialmente diseñados para uso en el exterior, son desarrolladas generalmente por empresas privadas o instituciones públicas y su objetivo principal es el de proveer acceso a Internet de manera onerosa o gratuita. La segunda, es un paradigma conocido como Redes Comunitarias o Community Networks (CN) en la cual los usuarios de un mismo proveedor de internet (ISP) pueden acceder a los APs de otros usuarios del mismo proveedor. Los APs pertenecientes a las CN son dispositivos desplegados en el interior de edicios, ocinas o vivienda de los usuarios/suscriptores de internet cableada residencial (ADSL, Cable, Fibra). En HN, los APs se implementan en una única red IP (Network IP), la cual puede estar conectada a múltiples ISPs, y permite que diferentes ISPs puedan proveer acceso a la red a través de una única infraestructura. Por otro lado, en las CNs cada AP está conectado a la red del proveedor directamente a través de un enlace como puede ser ADSL, Fibra óptica, etc. Lo que hace que sean diferentes redes IP en cada punto de acceso. Con las crecientes necesidades de los usuarios y con la creciente disponibilidad de tecnologías complementarias para el uso de la metodología de ooading, nos encontramos con el paradigma Always Best Connected (ABC[2]), el cual hace referencia a que no solo se pretende estar siempre conectado, sino que se debe hacerlo con la mejor opción disponible. Por lo cual, entra en juego como realizar una transferencia entre los diferentes puntos de acceso a la red. El proceso por el cual un usuario móvil(ms) se transere manteniendo un enlace activo desde una AP hacia otro se lo llama handover. En este proceso también se abarca la búsqueda y elección del AP al cual se transere. En el presente, no hay una integración eciente de redes heterogéneas. En el común de los casos, un usuario conectado a una estación de una Red de Celulares no puede realizar ooading de manera automática y transparente (sin perder conectividad), o realizar un handover vertical a una CN o HN hacia una red celular o vice-versa. En los últimos tiempos, ha habido un esfuerzo en el desarrollo de protocolos de manejo de redes heterogéneas, como IEEE u y 3GPP Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF)[5]. Estos protocolos tienen como objetivo facilitar la búsqueda y selección, integrando redes privadas, públicas y Hotspots, utilizando múltiples interfaces de red. El presente trabajo tiene tres objetivos principales. Primero, caracterizar los despliegues heterogéneos de redes en la ciudad de Luxemburgo para escenarios móviles. Con tal propósito se determinarán dos escenarios con distintas características, uno en el centro

11 Capítulo 1. Introducción 3 de la ciudad, la cual presenta las características típicas de una zona urbana, y el barrio de Gasperich, área residencial de Luxemburgo. Segundo, el de analizar la eciencia de los handover cuando un usuario se encuentra moviendo a distintas velocidades (peatonal, vehicular). Tercero, una vez que se haya evaluado las distintas redes presentes en la ciudad, determinar la complementariedad de las mismas. La Tesis se organiza de la manera siguiente: en el Capítulo 2, se presenta el Estado del Arte respecto a las tecnologías estudiadas y conceptos relevantes para la realización del trabajo. En el Capítulo 3, se analizarán las Topologías presentes en la Ciudad de Luxemburgo. El Capítulo 4 introducirá la aplicación Wi2Me la cual recolecta estadísticas y proporciona conexión automática a redes para plataformas Android[6], y se expondrán las modicaciones realizadas para adaptar su uso a la ciudad de Luxemburgo. Por último en este Capítulo se propondrán los escenarios y pruebas a realizar con la aplicación. En el Capítulo 5, se analizarán las redes heterogéneas y su complementaridad. Finalmente, en el Capítulo 6 se exponen las conclusiones sobre el trabajo.

12 Capítulo 2 Estado del Arte En este capítulo se presenta el Estado del Arte respecto a las tecnologías estudiadas y conceptos relevantes para la realización del trabajo. Primero se introducirá las tecnologías de redes IEEE , 3G y 4G. Luego, se explicará la importancia de la movilidad y los procesos de handover. En tercer lugar se presentará el concepto de Redes Comunitarias, y por último, se explicaran trabajos previamente realizados que tengan relación con el tema que se estudia en esta Tesis Redes IEEE En esta sección se dará una introducción a las redes del estándar IEEE más comúnmente conocidas como redes Wi-Fi, y abarcarán las tecnologías de telefonía celular 3G y 4G Estándar IEEE El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, The Institute of Electrical and Electronics Engineers), es una asociación profesional dedicada a la estandarización, entre otras cosas. El IEEE y sus miembros inspiran una comunidad global a través de sus publicaciones, conferencias, estándares tecnológicos y actividades profesionales y educativas. La familia de estándares IEEE 802, elaborados por el IEEE, agrupa especicaciones que tratan sobre diversos aspectos de redes de área local (LAN, Local Area Network) y redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network). 4

13 Capítulo 2. Estado del Arte 5 IEEE , es el estándar perteneciente a la familia de estándares IEEE 802 que trata los aspectos referentes a la implementación redes LAN Inalámbricas (WLAN, Wireless Local Area Network). Dene un conjunto de especicaciones para el uso de los niveles inferiores del modelo OSI 1 (Open Systems Interconnection Model), la capa física y la capa de enlace de datos. Comercialmente se lo identica con la marca registrada Wi-Fi, es una de las soluciones más utilizadas para redes de área local y se encuentra en constante evolución. Esto se debe a que desde la perspectiva del usuario funciona exactamente como una red Ethernet LAN, pero ofrece una característica fundamental: el medio de transmisión entre dos dispositivos es el aire. En la Figura 2.1, se muestra la familia de estándares 802 y su distribución en las capas inferiores del modelo OSI. La capa de enlace de datos es subdividida por IEEE 802 en las subcapas de control de enlace lógico (LLC, Logical Link Control) y control de acceso al medio (MAC, Media Access Control). Figura 2.1: Estándar IEEE 802 y el modelo OSI. (Basado en (Matthew Gast, 2005)). Entre los estándares presentes en la familia IEEE 802, el estándar aborda el uso de la subcapa de Control de enlace lógico (LLC) y ofrece una interfaz uniforme para la capa superior (capa de red), que permitirá, una independencia de dicha capa con los protocolos y tecnología utilizados en la subcapa de acceso al medio (MAC) y en la capa física (PHY). 1

14 Capítulo 2. Estado del Arte 6 IEEE dene el protocolo CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision detection), protocolo de acceso al medio para redes Ethernet cableadas, modicaciones y especicaciones físicas para lograr redes Ethernet a velocidades de 10 Mbps, 1 Gbps y 10 Gbps en cable de par trenzado; redes Ethernet ópticas pasivas (EPON) y tecnología Power over Ethernet (PoE). El estándar IEEE dene la arquitectura de las redes LAN en conguración de anillo (Ring), con método de paso de testigo (Token), como control de acceso al medio. IEEE , estándar que trata los aspectos referentes a la implementación de redes del tipo WLAN, dene aspectos de la capa física y de la subcapa MAC. Desde su creación ha sufrido diversas modicaciones especialmente en las especicaciones físicas. En la Sección se profundizará en la evolución de este estándar Evolución del Estándar IEEE El estándar IEEE fue inicialmente publicado en el año 1997 por el IEEE, y desde entonces recibió diversas modicaciones. En su primera versión sólo ofrecía soporte para velocidades de hasta 2 Mbps en la banda de frecuencia no licenciada de 2.4 GHz utilizando modulación FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) o DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum). Esta primera versión del protocolo es considerada como el fundamento del estándar IEEE para redes WLAN, y ha denido muchos de los conceptos aún vigentes hoy en día bajo los nuevos estándares. Pero el bajo rango de alcance de la señal, bajas velocidades de transferencia comparada con Ethernet cableada y el costo elevado de los equipos de esta tecnología emergente hizo que inicialmente el estándar no tuviera mucha aceptación. En el año 1999, con el lanzamiento simultáneo de las especicaciones a y b, la creación de la Wi-FI Alliance y la marca registrada Wi-Fi, fue cuando la tecnología comenzó a penetrar en el entorno corporativo y hogareño. IEEE a y IEEE b IEEE a utiliza el espectro de frecuencias de los 5 GHz y una modulación OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), y gracias a esto ofrece velocidades de transferencias de un máximo teórico de 54 Mbps. En lo que respecta al rango de alcance, debido a que las ondas en frecuencias de los 5 Ghz sufren de mayor atenuación que en las frecuencias de 2.4 GHz (mayor disipación de energía en la distancia y menor penetración en paredes), no introdujo mejoras inicialmente. El protocolo fue adoptado principalmente en entornos corporativos.

15 Capítulo 2. Estado del Arte 7 IEEE b utiliza la banda de frecuencias de los 2.4 GHz al igual que el protocolo en su versión original, y la modulación DSSS, pero extendió la velocidad de transferencia hasta un máximo de 11 Mbps. La especicación IEEE b asociada a la marca registrada Wi-Fi fue el primer protocolo IEEE que logró una adopción masiva por el público en general. Su éxito se debe a la conjunción de factores económicos y técnicos. Las soluciones b ofrecían precios más convenientes que y una velocidad de datos aceptable comparado con Ethernet cableada, pero con la gran ventaja de proporcionar conectividad sin la necesidad de utilizar cables, sino, que utiliza el aire como medio para la transmisión de datos. IEEE g Unos años más tarde, la demanda de mayores velocidades de transferencia impulso la creación del protocolo IEEE g, publicado en el año Al igual que IEEE b, opera en el rango de frecuencias de los 2.4 GHz pero incrementa la velocidad máxima de transferencia hasta los 54 Mbps, utilizando modulación OFDM para lograr ese objetivo. La implementación de este protocolo fue pensado para ser compatible con el estándar b, utilizando modulación CCK (Complementary Code Keying) para las velocidades de 5.5 y 11 Mbps, y DSSS para la velocidades de 1 y 2 Mbps. La adopción por parte del mercado fue rápida, gracias a la compatibilidad con los dispositivos presentes en el mercado, que usaban el protocolo IEEE b, pero con la ventaja de lograr mayor velocidad de transferencia para los dispositivos compatibles con IEEE g. En el año 2007, las especicaciones IEE802.11a, IEE802.11b y IEE802.11g fueron incluidas como parte del estándar IEEE IEEE n Con el n de mejorar el rendimiento de sus antecesores IEEE a y IEE802.11g, en el año 2009 se publica el estándar IEE802.11n. Éste, Incrementa la velocidad de transferencia de datos, llegando hasta 600 Mbps con un alcance de 200 metros. Incorpora el uso de la tecnología MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que provee múltiples antenas transmisoras y receptoras, permitiendo manejar más información en varios ujos de transmisión simultáneos, hasta cuatro como máximo. También MIMO provee SDM (Space-Division Multiplexing), método que multiplexa múltiples ujos de datos independientes, transferidos en simultáneo dentro de un canal espectral de ancho de banda. SDM puede incrementar signicativamente el desempeño de la transmisión

16 Capítulo 2. Estado del Arte 8 al incrementar el número de ujos espaciales. Cada ujo espacial requiere una antena discreta, tanto en el transmisor como el receptor. Además, la tecnología MIMO requiere una cadena de radio frecuencia separada y un convertidor de analógico a digital para cada antena MIMO, lo cual incrementa el costo de implementación. La segunda tecnología que incorpora IEEE n es la denominada Channel Bonding, la cual vincula interfaces de red. Combina dos canales adyacentes dentro de una banda de frecuencias para aumentar el rendimiento entre dos o más dispositivos inalámbricos. La unión de interfaces de red incrementa la cantidad de datos que pueden ser transmitidos. Se utilizan bandas adyacentes de 20 MHz cada una. Actualmente n coexiste con las especicaciones anteriores, siendo g el estándar dominante en la actualidad, pero se pronostica que en un futuro cercano pasará a ser la que domine el mercado. IEEE ac El estándar ac está en la etapa nal de desarrollo, se espera su publicación para el año Este estándar transmite en la banda de los 5 GHz y su objetivo principal es el de aumentar la velocidad de transferencia de datos. El esquema de modulación que se utilizará es OFDM. El tipo de codicación será 256 QAM, que permite una mayor densidad de información. Utilizará la tecnología MIMO, incrementando la cantidad de ujos a ocho, e incorporará la tecnología MU-MIMO (Multi-User MIMO) que hará mejor uso de las antenas del dispositivo emisor. Se logrará una velocidad de transferencia de datos de hasta 500 Mbps para un ujo único y hasta 1.3 Gbps para múltiples ujos transmitidos en simultáneo. IEEE u Es un ajuste al estándar IEEE , con el objetivo de realizar mejoras en el control de acceso al medio para redes de área local inalámbricas (WLAN), trabajando conjuntamente con redes externas. Proporcionar un servicio de detección y selección de redes, mediante la integración de redes privadas, públicas y de distintos tipos de puntos de acceso en dispositivos que permitan múltiples interfaces.

17 Capítulo 2. Estado del Arte Redes de Celulares El uso de las redes de celulares ha crecido en gran medida en los últimos años. Esto se debe a la proliferación de dispositivos celulares y tablets. La cantidad de datos que los usuarios transeren están en constante crecimiento, y las velocidades que necesitan para transferirlos es cada vez mayor. En esta sección se abarcarán las tecnologías utilizadas para la red de celulares y su evolución Primera Generación (1G) La primera generación de teléfonos móviles, comúnmente conocida por la abreviación 1G, provee transmisión de voz. Utiliza modulación analógica y frecuencias alrededor de los 900 MHz. Entre los estándares más utilizados en la tecnología 1G se encuentran AMPS (Advanced Mobile Phone System), NMT (Nordic Mobile Telephone) y TACS (Total Access Communications System). Tecnologías que ya no se utilizan hoy en día Segunda Generación (2G) La segunda generación de teléfonos móviles (2G), introduce los protocolos de telefonía digital, lo cual permite realizar un mayor manejo de llamadas en prácticamente los mismos espectros de radiofrecuencias asignados a la telefonía móvil. El estándar más utilizado es el sistema global para la comunicación móvil (GSM, Global System for Mobile Communication). Usa un espectro de frecuencias de 25 MHz y opera en los 900 MHz y 1800 MHz, con excepción de Norte América, que opera en la banda de los 1900 MHz. En la Figura 2.2 se describe la arquitectura de la red GSM, compuesta por tres partes principales: El subsistema de estaciones base (BSS, Base Station Subsystem). El subsistema de red y conmutación (NSS, Network Subsystem). El sistema de gestión de red (NMS, Network Management System).

18 Capítulo 2. Estado del Arte 10 Figura 2.2: Arquitectura GSM. (Basado en (Lamprópulos A., 2011)) El BSS consiste en una estación tranceptora base, generalmente conocida como célula, que maneja la interfaz entre la red y la estación móvil. Tiene como función principal la de transmitir datos en el formato deseado, codicando, decodicando, encriptando y desencriptando en los casos que sea necesario. La estación controladora base (BSC, Base Station Controller), es la encargada de controlar la estación base, administrando los recursos de radio, handovers, y potencias de transmisión. Existe un centro de conmutación (MSC, Mobile Switching Center), responsable de controlar los elementos del subsistema de red y conmutación. El NMS, es el encargado del despliegue, supervisación, medición, y gestión de la red y sus posibles fallas. La característica de movilidad que otorga la tecnología GSM, se logra mediante la implementación de mecanismos de handover. Durante el tiempo que la estación móvil (MS) no está comunicándose con la estación tranceptora base (BTS, Base Transceiver Station), realiza un escaneo de los canales de radio que no están siendo utilizados, buscando mejores potencias de señal. Luego, cuando la estación móvil se quiere comunicar con la BTS, envía una lista con los canales de radio con las frecuencias de los BTSs vecinas. La estación controladora base de la red, conoce la calidad del enlace entre la estación móvil y la BTS, y también la intensidad de las BTSs vecinas enviadas previamente por el MS. Y dado que también sabe la disponibilidad de canales de las células vecinas, tiene toda la información necesaria para decidir si es conveniente realizar un handover o no.

19 Capítulo 2. Estado del Arte 11 La tecnología GSM, debe lidiar con el rango de frecuencias disponible para la comunicación, para lo cual se utilizan técnicas de acceso al medio. Una de éstas, es la técnica de acceso múltiple por división de frecuencias (FDMA, Frequency Division Multiple Access), que permite dividir el ancho de banda (25 MHz) en 124 frecuencias portadoras de 200 KHz cada una. Luego, cada frecuencia es dividida en ocho intervalos de tiempo utilizando la técnica de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, Time Division Multiple Access), que permite compartir el mismo canal de frecuencia dividiendo la señal en intervalos de tiempo para cada usuario. Por otro lado, emplea acceso múltiple por división de código, conocido con la abreviación CDMAone (Code Division Multiple Access for 2G Networks), usando un espectro ensanchado para dividir el envío en pequeños segmentos digitalizados y codicados para identicar cada llamada. A cada transmisor se le asigna un código para permitir a múltiples usuarios ser multiplexados sobre el mismo canal. Estas tecnologías permiten manejar transmisión de datos tales como Fax o mensajería (SMS, Short Message Service), llegando a un velocidad de transmisión de 9.6 Kbps. Debido a las limitaciones de la tecnología 2G, se desarrolló la denominada tecnología 2.5G, la cual utiliza el servicio general de paquetes vía radio (GPRS, General Paquet Radio Service), una extensión de GSM para la transmisión de datos mediante conmutación de paquetes, logrando una velocidad de transferencia de datos de hasta 114 Kbps (utilizando los ocho segmentos de tiempo disponibles), pero un usuario promedio logra velocidades entre los 20 y 40 Kbps Tercera Generación (3G) La tercera generación de teléfonos móviles surge debido a la necesidad de mayor capacidad, velocidades de transmisión y mejor calidad de servicio (QoS, Quality of Service). La primera tecnología utilizada para satisfacer estos requerimientos es la conocida como tasas de datos mejoradas para la evolución de GSM (EDGE, Enhanced Data rates for GSM Evolution), o GPRS mejorado (EGPRS, Enhanced GPRS). Es una evolución de GPRS, ofrece mayores velocidades de transferencia debido a que puede enviar mayor cantidad de datos en cada segmento GSM. Esto se logra al mejorar la implementación en el esquema de modulación. A pesar de que mejora el rendimiento de la segunda generación, no es considerada parte de la tercera generación dado que no cumple con las especicaciones IMT-2000 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, ya que soporta velocidades de transmisión de datos de hasta 59.2 Kbps, menor a los 200 Kbps requeridos por el estándar.

20 Capítulo 2. Estado del Arte 12 Acceso múltiple por división de código de banda ancha (WCDMA, Wideband Code Division Multiple Access), es la tecnología en la que se basan varios estándares de telefonía móvil de tercera generación. Entre ellos se encuentra el sistema universal de telecomunicaciones móviles (UMTS, Universal Mobile Telecomunication System). El mismo usa un espectro ensanchado por secuencia directa (DS-CDMA, Wideband Direct Sequence CDMA) en la banda de los 5 MHz, y soporta velocidades de transferencia de 384 Kbps para coberturas en áreas extensas y de 2 Mbps para coberturas de áreas locales. Como se puede observar en la Figura 2.3, WCDMA consiste en dos áreas principales: La red de acceso de radio (RAN, Radio Access Network). El núcleo de la red (CN, Core Network). Figura 2.3: Arquitectura WCDMA. (Basado en (Lamprópulos A., 2011)) La red de acceso de radio(ran) incluye todos los dispositivos de radio y transmisión. Entre ellos, la estación base (BS, Base Station) y el Controlador de radio de la red (RNC, Radio Network Controller) son los elementos más importantes. La RAN, es la encargada de recibir y transmitir datos desde el núcleo de la red hacia el dispositivo del usuario (UE, User Equipment), incluyendo la codicación del canal y adaptación de la velocidades utilizadas. El núcleo de la red (CN), es la parte central de la red de telecomunicación, encargado de proveer servicios a los usuarios conectados a la red. Sus componentes principales son, el dominio de conmutación de circuitos (CS, Circuit Switched) y el dominio de conmutación

21 Capítulo 2. Estado del Arte 13 de paquetes (PS, Packet Switched). El CS es el encargado de manejar el tráco en tiempo real y está conectado a la red telefónica conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network), mientras que el PS maneja el resto del tráco y la conexión con la red IP pública. Los componentes principales del CS son: el centro de conmutación móvil (MSC), que es el encargado de controlar las actividades de las llamadas, el registro de ubicación (HLR, Home Location Register), que contiene la base de datos con la información de todos los usuarios y de los servicios que consumen, y la salida de medios (MGW, Media Gateway), encargado de establecer la conexión de las llamadas que entran y salen de la red. Los dos componentes principales del PS son: el Nodo de soporte para servicio de GPRS (SGSN, Serving GPRS Support Node), responsable de las cuestiones de seguridad, gestión de la movilidad y autenticación, y el nodo de soporte de salida de GPRS (GGSN, Gateway GPRS Support Node), que tiene la misma función que el MSC pero para el dominio del PS. CDMA2000, es la evolución del método CDMA utilizado en telefonía móvil de segunda generación. La primera versión, CDMA2000 1X, otorga mayor velocidad de transmisión que la utilizada en la tecnología 2G, llegando a velocidades del orden de los 144 Kbps. La segunda versión, llamada CDMA2000 1XEV-DO, alcanza velocidades de transmisión de hasta 2.4 Mbps. La última versión, CDMA2000 1XEV-DV, combina transmisión de datos y voz en la misma señal portadora, con soporte de QoS para transmisión en tiempo real. HSPA (High Speed Packet Access) es la familia de tecnologías posteriores y complementarias a 3G, conocida con el nombre de tecnologías 3.5G. Entre ellas se encuentra la tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Dichas tecnologías son una evolución de WCDMA manejando velocidades de descarga del orden de los 14 Mbps para la descarga y 5.76 Mbps para la subida. Estas mejoras se deben a la transmisión en canales compartidos utilizando la técnica de modulación 16QAM, a la reducción de largo de los paquetes y a la rápida retransmisión de los mismos Cuarta Generación (4G) 4G es la abreviación para la cuarta generación de teléfonos celulares, está basada en el protocolo IP, y utiliza la metodología de voz sobre IP (VoIP, Voice Over IP).

22 Capítulo 2. Estado del Arte 14 El IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced) es el comité creado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International Intercommunication Union), que denió los requerimientos que debe cumplir una tecnología para ser parte de la cuarta generación de telefonía celular. Entre los requerimientos técnicos que se incluyen, hay uno que es de vital importancia, la velocidad máxima de transferencia de datos, que debe estar entre los 100 Mbps para comunicaciones de movilidad alta y 1 Gbps para casos de baja movilidad. La ITU, dene las características que debe tener una tecnología para ser parte de la cuarta generación, pero también estudia las tecnologías reales existentes en la actualidad, y en el año 2010, declaró que las tecnologías candidatas a ser 4G podrían publicarse como parte de la cuarta generación. Este es el caso del estándar 3GPP LTE (Long Term Evolution), evolución de la norma UMTS (3G), y WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), tecnología que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio.

23 Capítulo 2. Estado del Arte Codicación de Canales en el estándar IEEE En el estándar IEEE se denen las técnicas de codicación DSS (usada en la norma b) y OFMD (usada en g y n). DSS (Direct-sequence spread spectrum), conocido en español como espectro ensanchado por secuencia directa, es uno de las técnicas de codicación de canal en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas radiofónicas que más se utiliza. Utiliza un código de pseudo-ruido para trabajar digitalmente una portadora, de tal forma que aumente el ancho de banda de la transmisión y reduzca la densidad de potencia espectral. La señal resultante tiene un espectro muy parecido al del ruido, de tal forma que a todos los radio-receptores les parecerá ruido, menos al que va dirigida la señal. Dado que el ancho de banda se debe dividir en canales, el estándar dene catorce canales de 5 MHz, comenzando con el canal 1 centrado en los GHz. A pesar de esto, Japón es el único país que utiliza el canal catorce, en el resto de los países se utilizan trece canales excepto en los Estados Unidos que se utilizan once. No es posible utilizar todos los canales sin sufrir interferencia con canales adyacentes, esto se debe a que la mayor parte de la energía es distribuida en 22 MHz de ancho de banda (ver Figura 2.4). Por esta razón es que los canales 1, 6 y 11 son los conocidos como los canales sin superposición (Figura 2.5), y son los usados con más frecuencia. En la Figura 2.6 se muestra la interferencia que se observa al utilizar los canales 1, 6 y 11. Figura 2.4: Distribución de energía en un canal. (Basado en (Castignani G., 2009)) Con respecto a los protocolos g y n, ambos operan en la banda de frecuencias de los 2.4 GHz pero utilizando la modulación OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), es un método de multiplexación por división de frecuencias ortogonales.

24 Capítulo 2. Estado del Arte 16 Figura 2.5: Canales sin superposición (802.11b). (Basado en (Navas R., 2012)) Figura 2.6: Distribución de energía e interferencia. (Basado en (Castignani G., 2009)) El mismo, consiste en enviar un conjunto de ondas portadoras de diferentes frecuencias, donde cada una transporta información, la cual es modulada en QAM o en PSK. Se utiliza un ancho de canal de unos 20 MHz para el estándar g, y hay cuatro canales sin superposición, que son los canales 1, 5, 9 y 13 (como se muestra en la Figura 2.7). Por otro lado, el estándar n utiliza 40 MHz por canal, por lo cual diere del anterior teniendo 2 canales sin superposición, el canal 3 y el 11 (ilustrado en la Figura 2.8) Figura 2.7: Canales sin superposición (802.11g). (Basado en (Navas R., 2012))

25 Capítulo 2. Estado del Arte 17 Figura 2.8: Canales sin superposición (802.11n). (Basado en (Navas R., 2012)) 2.4. Componentes de Red En las redes pertenecientes al estándar IEEE hay cuatro componentes principales: la estación, los puntos de acceso, el medio de transmisión, y el sistema de distribución. La Figura 2.8 muestra la interacción de los mismos, y en esta sección se dará una idea de la función que cumple cada uno. Figura 2.9: Componentes básicos de una red (802.11)[7]

26 Capítulo 2. Estado del Arte 18 Estación Una estación es cualquier dispositivo con una interfaz de red inalámbrica que cumpla el estándar Como es el caso de los celulares, notebooks, tablets, etc. Punto de Acceso El punto de acceso (AP), es el nexo principal entre el medio de transmisión inalámbrico y el sistema de distribución de la red. Transforma marcos del protocolo a otro tipo para posibilitar la transferencia por el sistema de distribución a través de la red. Medio Inalámbrico El medio físico que permite transportar información de una estación a otra. En el caso del estándar se utiliza como medio de transmisión inalámbrico al aire. Sistema de Distribución Es el denominado backbone o red troncal de la red, componente por el cual es posible prolongar la misma. Su función principal es la de conectar muchos puntos de acceso para formar grandes áreas de cobertura Arquitectura Área de Servicio Básico En una arquitectura LAN inalámbrica, el conjunto de servicios básicos (BSS, Basic Service Set), es el bloque fundamental que representa un conjunto de estaciones que pueden comunicarse entre sí. El área en el que la comunicación es posible se identica como área de servicio básico (BSA, Basic Service Área). Existen dos tipos de BSA, los cuales se describen continuación. BSS Independiente (Modo Ad-Hoc) El primer tipo de BSS que se va a abarcar es el denominado conjunto de servicios básicos independientes (IBSS, Independent Basic Service Set), conocidas con el nombre de redes Ad-Hoc, tienen la particularidad de que no utilizan un punto de acceso para la comunicación, sino que la comunicación entre estaciones se realiza directamente desde la estación origen a la estación destino sin una entidad mediadora. Los nodos que se comunican deben estar en un área en el cual sean visibles entre sí. En general, este tipo de redes se utiliza para redes temporales, por ejemplo en el ámbito de una conferencia. En la Figura 2.10 se modeliza la estructura de una red Ad-Hoc.

27 Capítulo 2. Estado del Arte 19 Figura 2.10: IEEE BSS: modo Ad-Hoc [7] BSS en modo Infraestructura Por otro lado, las redes en modo Infraestructura, en contraste con las IBSS, tienen un punto de acceso que funciona como una entidad que centraliza la comunicación (como se puede ver en la representación de la Figura 2.11). Todo el tráco pasa por medio del punto de acceso mediador, recibe lo que la estación origen quiere transmitir y lo reenvía hacia la estación destino. En este modo, por lo tanto, no es necesario que dos estaciones estén en rango de alcance entre sí, sino que, ambas estén en el rango de alcance del punto de acceso central. En modo infraestructura las estaciones deben asociarse con el punto de acceso central para acceder a los servicio de la red. La asociación es el proceso por el cual una estación se une a una red , y es el proceso análogo a conectar un cable en una red Ethernet. Este proceso es iniciado por la estación que quiere formar parte de la red, y el punto de acceso central es el encargado de aceptar o no a la nueva estación para acceder a los servicios de la red. Todo BSS es identicado por un BSSID (Basic Service Set Identication), en el caso del modo infraestructura, el BSSID coincide con la dirección MAC (48 bits) del punto de acceso. El identicador BSSID compuesto por todos valores binarios 1, es utilizado para la difusión en toda la red (broadcast).

28 Capítulo 2. Estado del Arte 20 Figura 2.11: IEEE BSS: modo Infrastuctura [7] Conjunto de Servicios Extendido Un conjunto de servicios extendido (ESS, Extended Service Set), es una entidad lógica que agrupa varios BSS con el n de lograr un rango de cobertura mayor. Los BSS pueden estar conectados físicamente entre sí por medio de una red troncal (backbone network). Un ESS se identica por medio de un ESSID (Extended Service Set Identication), y todos los puntos de acceso dentro de un mismo ESS deben tener el mismo ESSID, conformando así el nombre de red. Las estaciones dentro de un mismo ESS pueden comunicarse entre sí aunque estén en diferentes BSS, e incluso puedan estar moviéndose entre diferentes BSS. El ESS es la abstracción de mayor nivel que provee el estándar IEEE En la Figura 2.12 se muestra la representación de un conjunto de servicios extendido.

29 Capítulo 2. Estado del Arte 21 Figura 2.12: Extended Service Set. (Basado en (Castignani G., 2009)) 2.6. Movilidad Con el constante crecimiento en el mercado de dispositivos que soportan interfaces inalámbricas (en particular IEEE ), como es el caso de computadoras portátiles, teléfonos celulares y tablets, el concepto de movilidad cobra una vital importancia. La movilidad se entiende como la posibilidad de desplazarse físicamente en un área determinada manteniendo las conexiones existentes. En esta sección, se introducirá al concepto de movilidad, exponiendo las características de los distintos tipos, y el proceso de handover.

30 Capítulo 2. Estado del Arte Movilidad horizontal La movilidad horizontal se da en el caso que el desplazamiento se lleve entre redes de un mismo tipo. Para las redes de la familia perteneciente al estándar IEEE se denen tres tipos de transiciones: Sin Transición: no hay una transición mientras que la estación se mueva dentro del área de cobertura de un BSS. Transición entre BSS: si un ESS contiene más de un punto de acceso, la transición de un AP hacia otro es soportado por el estándar. Dicha conectividad se mantiene a nivel de la subcapa de control de enlace lógico, pero a pesar de esto, no se garantiza la conectividad a niveles superiores. Transición entre ESS: en el caso de que la transición se de entre diferentes ESS, el estándar no soporta nativamente dicha transición. No se mantiene la conectividad nivel de la subcapa de control de enlace lógico, y para niveles superiores la conexión será interrumpida Movilidad vertical La movilidad vertical se da cuando la transición es entre redes de distinto tipo, por ejemplo entre las redes: Ethernet, Bluetooth, WiMAX y 3G. En la actualidad, cobra gran importancia la movilidad vertical en los ambientes de redes heterogéneas, especialmente por la gran disponibilidad de las redes del estándar y 3G. El estándar IEEE trata la cuestión y dene un algoritmo de MIH (Media Independent Handover) y una interfaz común para facilitar las transiciones entre redes de diferente tipo. El protocolo IEEE u-2011 dene una serie de funciones para implementar en las redes orientadas a facilitar la interconexión entre redes de diferentes tipos Handover El proceso por el cual un dispositivo móvil transere su conexión desde un punto de acceso hacia otro manteniendo conectividad se denomina Handover o Hando. En la Figura 2.13 se ilustra un escenario posible en el cual se produce el proceso de handover. A continuación se describe los pasos que sigue un dispositivo móvil al pasar de un BSS a otro.

31 Capítulo 2. Estado del Arte 23 La estación se mueve alejándose del punto de acceso al que está conectado (AP1). Mientras se aleja del AP1, el dispositivo nota la disminución de la señal proveniente del AP1. Se inicia un proceso de escaneo en búsqueda de otros puntos de acceso. El dispositivo decide conectarse al AP2, dado que recibe una mejor señal que la actual proveniente del AP1. Realiza la reautenticación y reasociación para conectarse la estación AP2. Finalizada la reconexión se continúa con el tráco de datos. Figura 2.13: Proceso de handover entre BSS. (Basado en (Castignani G., 2009))

32 Capítulo 2. Estado del Arte Redes Comunitarias La tecnología denida por el estándar IEEE , comúnmente conocida como Wi-Fi, en general es utilizada para redes privadas casas, ocinas, etc., y en redes públicas, como es el caso de las redes de Hotspots, constituida por puntos de acceso distribuidos estratégicamente en diversos lugares de las ciudades hospitales, aeropuertos, bibliotecas, campus universitarios, etc. para proveer Internet inalámbrica. Este tipo de redes generalmente son pagas. Las Redes Comunitarias (CN), representan un sistema que permite a los usuarios tener acceso a Internet sin tener que pagar costos extras. Se basa en la idea de generar una comunidad, en la cual cada usuario de Internet inalámbrica residencial provea conexión a Internet al resto de los usuarios compartiendo su punto de acceso a la red. Esta Comunidad puede ser formada por usuarios que colaboran entre ellos para poder ampliar el área en el cual tienen acceso a Internet, o bien, muchos proveedores de Internet implementan la comunidad para todos los usuarios de sus servicios que quieran participar, donde el proveedor del servicio de Internet otorga un router especial, que puede transmitir múltiples señales. El número de Redes Comunitarias (CN) está creciendo rápidamente, es común encontrarlas en países de Europa y en los Estados Unidos. La primera CN fue implementada por la empresa FON, la cual trabajo en sus comienzos en España, abriendo su primera ocina en la ciudad de Madrid, y en la actualidad ya se pueden encontrar sucursales en Estados Unidos, Reino Unido, Brasil, Alemania y Japón. Con más de 12 millones puntos de acceso llamados Foneras se convirtió en el líder en el rubro. Las Foneras son puntos de acceso a Internet, que transmiten dos señales, una privada para ser usada por el propietario del punto de acceso, y una pública para que pueda ser utilizada por el resto de la comunidad, autenticándose a través de un portal cautivo de la página de FON. En Francia, un porcentaje muy grande de la población posee acceso a Internet. Hay aproximadamente 65 millones de habitantes en el país, de los cuales alrededor de 43 millones son usuarios de Internet. En este contexto las Redes Comunitarias se han convertido en un sistema muy popular para el acceso a redes. FreeWi, SFR WiFi y Bouygues Telecom son algunas de las empresas más importantes proveedoras de Internet en el país, las cuales otorgan routers especiales con los cuales se puede formar parte de una Red Comunitaria. A pesar de que en muchos países de Europa, como es el caso de Francia, las Redes Comunitarias son una realidad, en Luxemburgo, todavía no existen CN para usuarios de un mismo proveedor de Internet. Como se abarcará más adelante en esta Tesis, la ciudad

33 Capítulo 2. Estado del Arte 25 de Luxemburgo posee un potencial muy grande para formar Redes Comunitarias, debido a la gran densidad de puntos de acceso presentes en la ciudad. Figura 2.14: Despliegue de Redes Comunitarias. (Basado en (Castignani G., 2009))

34 Capítulo 2. Estado del Arte Trabajos Relacionados Previos El rendimiento de topologías de Hotspot y Redes Comunitarias han sido evaluadas en diferentes despliegues y bajo diferentes condiciones. En general, estos estudios se enfocan en caracterizar las propiedades del despliegue, la performance que percibe el usuario y la capacidad de estas redes para realizar Ooading de la red de celular en escenarios de redes heterogéneas. En la siguiente sección se introducirán trabajos previamente realizados que tengan relación con el tema que se estudia en esta Tesis Estudio de Redes Inalámbricas En A measurement study of a commercial-grade urban WiFi mesh [8], se realiza un estudio de la red urbana MadMesh, red de gran escala en la ciudad de Madison compuesta por más de 250 puntos de acceso. Luego de realizar un estudio de ocho meses y analizar un gran número de métricas concluyen que el cuello de botella se encuentra en el último tramo de conexión entre el usuario y la red, y no en el backbone de la misma. Aguayo et al. en Architecture and evaluation of an unplanned b mesh network [9] analizan un despliegue en Massachusetts, con el n de determinar la eciencia de una red inalámbrica sin planeamiento (solo se necesita poco esfuerzo para desplegar la topología) para proveer un alto rendimiento en el acceso a Internet. También Aguayo et al. en Link-level measurements from an b mesh network [10], analizan la pérdida de paquetes en una red urbana que cumple con el estándar b de 38 nodos en la ciudad de Massachusetts. Presentando un conjunto de métricas, llegan a la conclusión de que la reexión provocada en el entorno por las ondas de radio es la causa principal de la pérdida de paquetes. Bianchi et al. en b-g link level measurements for an outdoor wireless campus network [11] analizan los errores de la capa de enlace en una red de área local externa en el campus de la Universidad de Roma. Considerando tanto enlaces g como b para las pruebas, llegan a la conclusión que para redes en escenarios de uso externo son más eciente con el uso del protocolo g que con el protocolo b. En Usage patterns in an urban WiFi network [12], Afanasyev et al. realizan un estudio sobre la red Wi-Fi de Google distinguiendo usuarios estáticos de móviles. No se centra en el rendimiento de la red, sino en el uso que se le da a la misma.

35 Capítulo 2. Estado del Arte 27 Por último, se trata la superposición de canales en una red de Wi-Fi en The myth of non-overlapping channels: interference measurements in IEEE [13] por el autor P. Fuxjager et al. Llegando a la conclusión de que los canales llamados non-overlapping channels sufren superposición cuando el despliegue de los puntos de acceso tiene una distribución tal que se pueda encontrar uno a pocos metros de otro Estudio de Redes Comunitarias En los últimos años, el paradigma de Wi-Fi ha cambiado de Hotspot independientes a Redes Comunitarias muy densas como se analiza por M. Manshaei et al. en On wireless social community networks[14] y por X. Ai et al. en Wi-Sh: A Simple, Robust Credit, Based Wi-Fi Community Network[15]. En lugar de de utilizar puntos de acceso dedicados y administrados como en el caso de las redes de Hotspot, las Redes Comunitarias están basadas en compartir puntos de acceso IEE residenciales a través de múltiples SSID (Service Set Identiers). Esto permite a los usuarios subscritos a un determinado proveedor de internet a conectarse a otros puntos de acceso pertenecientes al mismo proveedor de Internet. G. Castignani et al. en Urban, community networks for mobile users: Current deployments and, prospectives[16] y en An evaluation of IEEE community networks deployments[17] caracterizan las Redes Comunitarias presentes en Francia, como es el caso de FON y FreeWi entre otras, analizando el rendimiento percibido por un usuario. Llegan a la conclusión de que para las Redes Comunitarias ofrecidas por los proveedores de internet más importantes se logra una cobertura comparable con la que otorga la red de celulares para la tecnología 3G. De todos modos, el principal inconveniente en el caso de las Redes Comunitarias es que no proporcionan un soporte para realizar Handovers, por ejemplo, aunque un usuario pueda realizar la transición hacia otro punto de acceso luego de que el enlace actual se dé de baja, el usuario sufre una interrupción en el tráco de datos debido a que el traspaso a nivel IP no es soportado. Elianos et al. en Structure and evolution of a large-scale wireless community network [18] también realizan un análisis sobre las Redes Comunitarias, para esto caracteriza la Red Metropolitana Inalámbrica de la ciudad de Atenas, documentando la estructura y la evolución de la misma, enfocándose en el tamaño del despliegue, la complejidad y el servicio que ofrece. Para lograr este objetivo, realizan un escaneo de los puntos de acceso, conectándose e utilizando programas especializados tales como Nmap. E. C. Efstathiou et al. en Stimulating participation in wireless community networks[19] y en Controlled wi- sharing in cities: A decentralized approach relying on indirect reciprocity [20], se propone una Red Comunitaria, donde cada uno de los usuario comparte

36 Capítulo 2. Estado del Arte 28 el ancho de banda con la comunidad. Se describe un esquema en el cual todo miembro de la comunidad provee acceso a Internet gratis a usuarios móviles, y a su vez, tiene el derecho de utilizar la red de Internet de la comunidad cuando al trasladarse no se encuentran en el rango de cobertura de su propio punto de acceso. Este esquema no requiere autenticación con autoridades o identicación centralizada a la comunidad, sino que se autentican cuando consumen el servicio en cada punto de acceso. Primero prueban el esquema por medio de la simulación, para luego desplegarlo evaluando la seguridad y la arquitectura descentralizada para comunicación de voz y transmisión multimedia a lo largo de toda la ciudad. M.H. Manshaei et al. en Evolution and market share of wireless community networks[21] proponen un modelo teórico y estudian su evolución, y la posibilidad de participar en el mercado de Redes Comunitarias comparándolas con la red de Celulares. Llegan a la conclusión de que el modelo puede otorgar la mayoría de los benecios que otorga la red de Celulares o podría ser una opción adecuada en la cual ambas redes cooperen para aumentar el rendimiento Redes Inalámbricas Complementarias La densidad de Redes basadas en Hotspots y la creciente cantidad de Redes Comunitarias desplegadas en la actualidad, conjunto a la saturación de la Red 3G de telefonía celular, impulsaron a crear nuevas técnicas para poder realizar Ooading, por ejemplo, forzando a los usuarios móviles a enviar y recibir datos a por la red Wi-Fi en vez que por la Red 3G en los casos de estar en una zona cubierta por una redes de Hotspot, o Redes Comunitarias. Lee et al. en Mobile data ooading: how much can WiFi deliver?[4] desarrollan un trace-driver (simulador), para estimar la el porcentaje de Ooading posible entre la red 3G y despliegues Wi-Fi en Corea del Sur. El resultado que obtuvieron fue que un usuario puede realizar Ooading en promedio hasta en el 66 % de los casos, o hasta el 80 % si es que el usuario puede demorar la demanda de algunas aplicaciones por más de una hora. B. Han et al. en Cellular trac ooading through opportunistic communications: a case study[22] también desarrollan un trace-driver para evaluar el rendimiento de realizar Ooading en redes 3G, pero en este caso, no solo hacia redes de Wi-Fi, sino que también comunicación peer-to-peer entre usuarios utilizando interfaces IEEE y de Bluetooth. Evaluaron distintos algoritmos para realizar Ooading, reduciendo el traco a través de la red de celular entre un 54 % y un 71 %.

37 Capítulo 2. Estado del Arte 29 A. Doufexi et al. en Hotspot wireless lans to enhance the performance of 3g and beyond cellular networks[23], simulan la cobertura, rendimiento y capacidad de una red compuesta por tecnología 3G combinada con Redes de Hotspot, en un área urbana. Llegando a la conclusión, en términos de capacidad que se soporta más de 1000 nuevas conexiones en un área de 1 km 2 cuando se despliegan 15 WLAN Hotspots junto a la Red 3G. Jian-Wu Zhang and Jia-Rong Xi Hangzhou en A new mobility management scheme for the integrating of wlan and wireless cellular network[24] proponen un nuevo esquema de movilidad basado en la tecnología Mobile IP, con el n de integrar las redes de celulares con las Wi-Fi, reduciendo el tiempo de retardo a la hora de ejecutar un handover.

38 Capítulo 3 Topologías en Luxemburgo 3.1. Hotcity Luxemburgo ha desplegado una extensa red comercial de Hotspot llamada Hotcity 1, con la cual se ofrece acceso a internet y a otros servicios tanto para uso en interiores como en exteriores. Es una de las redes inalámbricas municipales más extensa de Europa, comprende casi 600 puntos de accesos inalámbricos, que al estar interconectados logran una red que cubre toda la ciudad. (a) Logo comercial (b) Aplicaciones (c) Punto de Acceso 1 https://www.hotcity.lu/en 30

39 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 31 Provee conexión sin cortes, y es parte de la Red Comercial Inalámbrica Ipass[25], red global que permite conectarse a miles de puntos de accesos distribuidos en todo el mundo Despliegue El despliegue de la red Hotcity se basa en aproximadamente 600 puntos de acceso, interconectados, utilizando principalmente como red troncal o backbone a la infraestructura de bra óptica presente en Luxemburgo. Por otro lado, la red Wi-Fi desplegada por Hotcity cuenta con una de las más modernas tecnologías de mallas inalámbricas de Cisco (en la Figura 3.1(c) se ilustra un punto de acceso de la Red Hotcity), la cual utiliza dos sistemas de radio, uno para la interconexión de puntos de acceso utilizando la tecnología a, y el otro para la difusión del protocolo para que las estaciones puedan acceder a la red. Esta tecnología permite un amplio uso de la propia infraestructura de la red ja de la ciudad, y así, trae conectividad a zonas al aire libre a gran escala. En la Figura 3.1 se ilustra la topología desplegada por Hotcity en la ciudad. Figura 3.1: Arquitectura de Hotcity. (Basado en (Castignani G., 2009)) Red de uso en interiores La red inalámbrica para interiores que ofrece Hotcity está presente en el Aeropuerto de la ciudad, en hoteles, ocinas y campings. Ofrece todos los servicios municipales, tales como pago de estacionamiento y búsqueda de espacios libre, pago de autobuses y sus horarios, o avisos de emergencias, y también acceso a internet.

40 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo Red de uso en exteriores La red inalámbrica para exteriores que ofrece Hotcity está desplegada en las principales ciudades del País. Brinda los mismos servicios municipales que la red para uso en interiores, y provee acceso a internet. En la Figura 3.2 se muestra el despliegue de la red para la ciudad de Luxemburgo. El alcance de cada punto de acceso se representa en verde para sus valores más altos, y va tornando a azul para niveles más bajos de potencia. Se pude observar que la red esta presente en la mayoría de los barrios de la ciudad Ancho de banda de la red Con el n de determinar el ancho de banda de la red Hotcity, se realizó una serie de pruebas en distintos puntos de acceso de la red. Se utilizaron 4 smartphones, se midió el ancho de banda máximo por usuario y el ancho de banda total consumido cuando las estaciones estaban conectadas a un mismo punto de acceso. En la Tabla 3.1 se muestran los resultados obtenidos. Número Ancho de banda por Usuario Ancho de banda total de usuarios KB/s KB/s Cuadro 3.1: Rendimiento de la conexión de múltiples usuarios Como se puede observar el ancho de banda se limita a 250KB/s independientemente de la cantidad de usuarios conectados a la misma Distribución de Canales e Interferencia La distribución de los canales de la red Hotcity varía dependiendo de la zona de la ciudad en la cual se encuentre. No es la misma distribución para un área poblada de la ciudad por ejemplo, en la zona céntrica, que en una zona residencial. Para describir la distribución de los canales en dicha red, se analizaron dos zonas de la ciudad de Luxemburgo (basándose en el diseño de pruebas que se abarca en la Sección 4.2), el centro de la ciudad y el barrio de Gasperich.

41 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo Figura 3.2: Despliegue Hotcity. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique ) 33

42 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 34 Centro de la Ciudad La Figura 3.3 muestra la distribución de canales para el área del centro de la ciudad de Luxemburgo, que es el porcentaje de la red que se encuentra transmitiendo señales en cada canal. Los canales más utilizados son: 1, 6 y 11, resultados que se deben al uso de los canales denominados sin superposición. El canal 1 es el más utilizado (más del 35 %), seguidos por el 11 y el 6 utilizados en aproximadamente un 25 %. Figura 3.3: Distribución de Canales: Centro (Hotcity)

43 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 35 La Figura 3.4 ilustra la probabilidad de encontrar por lo menos un punto de acceso emitiendo en un determinado canal. En otras palabras, esta métrica indica, que dado un resultado de escaneo es posible estimar la probabilidad de encontrar por lo menos un punto de acceso transmitiendo en la frecuencia de un determinado canal. Figura 3.4: Probabilidad de encontrar al menos un AP en un canal dado: Centro (Hotcity). Como era de esperar, la probabilidad de encontrar un punto de acceso transmitiendo en los canales 1, 6 y 11, es muy alta, superando en todos los casos el 50 %, y en el caso del canal 1 es mayor al 70 %. Asimismo se observan resultados relevantes para el canal 13, donde la probabilidad de encontrar un punto de acceso transmitiendo en dicho canal es del 20 %. Para el resto de los canales la probabilidad es cercana a cero. Para analizar la interferencia, se observa en la Figura 3.5 la interferencia inter-canal, la cual proviene de calcular por cada escaneo, la distancia entre los canales en los cual se está transmitiendo información desde o hacia un punto de acceso (AP). Es decir, que si como resultado de un escaneo se obtuvieron tres puntos de acceso transmitiendo, uno en el canal 1, otro en el 2 y otro en el 3, se van a computar dos ocurrencias con valor de separación igual a uno (distancia entre los canales 1 y 2, y los canales 2 y 3), y una ocurrencia de valor dos (distancia entre los canales 1 y 3). Luego, se computan todas las ocurrencias y se dividen dichos valores por el número total de separaciones encontradas. En este gráco se puede observar que para casi el 45 % de los casos la distancia entre canales fue 5, y en un 27 % la distancia fue 10. La segunda métrica para analizar interferencia es la llamada intra-canal, la misma se muestra en la Fiugra 3.6. En este caso, por cada escaneo se contabiliza cantidad de puntos

44 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 36 Figura 3.5: Separación entre canales en uso (Hotcity). de acceso diferentes que son encontrados en cada canal y se calcula la probabilidad de que un dado número de APs estén transmitiendo en el mismo canal. Según el gráco, es muy alta la probabilidad de que un solo AP esté transmitiendo en determinado canal (aproximadamente 85 %). Figura 3.6: Número de AP transmitiendo en el mismo canal (Hotcity) Los resultados anteriores evidencian que la distribución de canales presentes en la zona céntrica, están desplegados de tal forma que la interferencia entre las señales de los puntos de acceso de la red Hotcity sea baja.

45 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 37 Por último, se analiza la interferencia que percibe un usuario móvil en el centro de la ciudad. Con tal n, en la Figura 3.7 se muestra la interferencia inter-canal, distancias entre los canales en los cuales se está transmitiendo información. A diferencia de las métricas analizadas anteriormente, ésta incluye todas las redes presentes en la ciudad (no solamente Hotcity). Figura 3.7: Interferencia Inter-canal: Centro (todas las redes). A partir de la última métrica, quedan evidenciadas diferencias importantes con los resultados obtenidos en la Figura 3.5, donde las distancias de 5 y 10 predominaban (atribuyéndose el 85 % de los casos). Cuando se tienen en cuenta todas las redes que un usuario percibe la distribución de las distancias es más uniforme. Se evidencian distancias entre canales menores a 5 en el 46 % de los caso. Repartiéndose de la siguiente manera: en el 10 % la distancia entre canales es 1, en el 16 % es 2, 3 en el 14 %, y 4 en el 6 % de los casos. La distancia de 5, que al considerar solo la red Hotcity ocurría en casi un 45 %, es de 14 %. Y la de 10 es tan solo 9 %, cuando era de 27 % considerando solo la red Hotcity. Con el n de comparar la interferencia intra-canal, la Fiugra 3.8 muestra la cantidad de diferentes puntos de acceso (AP) que son encontrados en cada canal y calcula la probabilidad de que una cantidad dada de puntos de acceso estén transmitiendo en el mismo canal. A diferencia de la Fiugra 3.6, donde se calculaba sobre los puntos de acceso de la red Hotcity exclusivamente, en la nueva métrica se toman en cuenta todas las redes presentes. Al considerar solo la red Hotcity, con 83 % de probabilidad se encontraba un solo punto de acceso transmitiendo en un determinado canal, pero al considerar todas las redes,

46 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 38 Figura 3.8: Interferencia Intra-canal: Centro (todas las redes). solamente en el 35 % de los casos ocurre esto, y se obtiene mayor probabilidad para cantidades mayores de puntos de acceso transmitiendo en un mismo canal, 15 % para el caso de dos puntos de acceso, 13 % para tres, 9 % para cuatro, 7 % para cinco, disminuyendo la probabilidad a medida que se aumenta el número de puntos de acceso. Se debe tener en cuenta que al considerar todas las redes presentes, se escanean un total de 2079 puntos de acceso transmitiendo en la ciudad, de los cuales 85 son de la red Hotcity. Barrio de Gasperich Para analizar la distribución de canales en el barrio de Gasperich se utilizaron las mismas métricas que se usaron para la ciudad de Luxemburgo. En primer lugar, en la Figura 3.9 se muestra el porcentaje de las redes que se encuentran transmitiendo señales en cada canal. A diferencia del centro de la ciudad, donde los canales más utilizados eran el 1, el 6 y el 11, en la zona del barrio de Gasperich, el canal 1 se usa en el 17 % de los caso, y el resto de los canales se utilizan con frecuencias similares (entre 5 % y 10 %). En la Figura 3.10 se observa que dado un resultado de escaneo es posible estimar la probabilidad de encontrar por lo menos un punto de acceso (AP) transmitiendo en el canal 1 en el 44 % de los casos. Con 30 % de probabilidad se encontrará un punto de acceso transmitiendo en el canal 2, y con una probabilidad similar se encontrará en el canal 12. Para resto de los canales la probabilidad baja (con probabilidades cercanas al 20 %).

47 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 39 Figura 3.9: Distribución de Canales: Gasperich (Hotcity) Figura 3.10: Probabilidad de encontrar al menos un AP en un canal dado: Gasperich (Hotcity)

48 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 40 La interferencia inter-canal (gracada en la Figura 3.11), brinda una distribución más uniforme que en el caso de la zona céntrica, con frecuencia entre 5 % y 15 %. Se puede observar valores mayores para las distancias menores a cinco, pero dado la topología del lugar, habrá menor cantidad de puntos de acceso que no pertenecen a la red Hotcity interriendo con la señal. Figura 3.11: Separación entre canales en uso: Gasperich (Hotcity) Al analizar la métrica intra-canal (Fiugra 3.12), notamos que es muy alta la probabilidad de que un solo punto de acceso esté transmitiendo en un determinado canal (más del 90 %). Para terminar de analizar la interferencia que un usuario percibe al transitar por el área de Gasperich, se presentan las métricas iner-canal e intra-canal teniendo en cuenta todas las redes presentes en la zona. En Figura 3.13, se observa que la distancia entre canales se distribuye de manera similar a la que se obtiene para la métrica tomando solo en cuenta la red Hotcity. La modicación más importante es el aumento de la probabilidad para distancias de 5, esto se debe a que los puntos de acceso que no pertenecen a la red Hotcity transmiten en los canales denominados sin superposición, separados por distancias de 5. En la Figura 3.14, se observa la interferencia intra-canal que sufre un usuario al transitar por el barrio de Gasperich. Dicha métrica evidencia un gran porcentaje (40 %) en el cual existen dos puntos de acceso transmitiendo en el mismo canal, a diferencia de la Figura 3.12, donde la frecuencia con la que dos puntos de acceso estén transmitiendo en un mismo canal es cercana al 5 %.

49 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 41 Figura 3.12: Número de AP transmitiendo en el mismo canal: Gasperich (Hotcity) Figura 3.13: Interferencia Inter-canal: Gasperich (todas las redes).

50 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 42 Figura 3.14: Interferencia Intra-canal: Gasperich (todas las redes). Al analizar la interferencia que un usuario percibe en el barrio de Gasperich hay que tener en cuenta la menor densidad de puntos de acceso que presenta esta zona, comparando el área céntrica. En Gasperich se registró un total de 1145 puntos de acceso, de los cuales 59 corresponden a puntos de acceso de la red Hotcity. Esta densidad es la mitad de la que se percibió en el centro, debido a la presencia de un gran número de ocinas y comercios con redes particulares.

51 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo Redes 2G/3G/4G La red de celulares desplegada en Luxemburgo cubre una gran parte del país. En la actualidad hay más de 700 mil subscriptos al servicio teniendo en cuenta las tres empresas proveedoras de telefonía celular presentes en el País (LuxGSM 2, Tango 3 y Orange 4 ) LuxGSM LuxGSM es la empresa de telefonía móvil originaria de Luxemburgo. Con más de 250 mil subscriptos, es la red de mayor extensión del país. Provee las tecnologías GSM, UMTS y HSDPA. Habiendo invertido un importante capital en el despliegue de la red 3G, demoró la incorporación de la tecnología 4G. Y así, es el proveedor que más ha tardado en brindar la tecnología 4G en el país. Recién a nes del año 2013 ha lanzado planes que incluyen el estándar 4G (utilizando la tecnología LTE) en zonas restringidas del país. Figura 3.15: LuxGSM (3G). (Basado en Sensorly Coverage Maps 5 ) La red 3G desplegada por LuxGSM tiene alcance a todas las zonas urbanas del país, cubriendo prácticamente todo Luxemburgo. En la Figura 3.15 se puede observar la cobertura de la red en cercanías del centro de la ciudad. 2 https://www.post.lu/en/particuliers 3 4

52 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo Tango La empresa Tango, perteneciente al grupo Telco Belgacom Group, es la proveedora de la segunda red de telefonía celulares más grande del país. Ofrece servicios desde el año 1998 y provee las tecnologías GSM, UMTS, HSDPA y LTE. Fue la primera empresa en lanzar el servicio de telefonía 4G en Luxemburgo, introduciendo planes con tecnología 4G desde nes del año La red 3G de Tango cubre gran parte del país. En la Figura 3.16 se muestra la cobertura de la red 3G desplegada en cercanías del centro de la ciudad, donde cubre prácticamente por completo el área de la misma. Figura 3.16: Tango (3G). (Basado en Sensorly Coverage Maps 6 ) Por otro lado, la red 4G, actualmente en desarrollo, cubre gran parte del centro de la ciudad, pero no es comparable con el alcance que presenta la red de Tango para la tecnología 3G (como se puede ver en la Figura 3.17).

53 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 45 Figura 3.17: Tango (4G). (Basado en Sensorly Coverage Maps 7 ) Orange Orange es una empresa Francesa, catalogada como una de las empresas líderes en el mundo en telecomunicaciones. En Luxemburgo provee la tercera red más grande de telefonía móvil, ofreciendo las tecnologías EDGE, UMTS, HSDPA y LTE. Figura 3.18: Orange (3G). (Basado en Sensorly Coverage Maps 8 )

54 Capítulo 3. Topologías en Luxemburgo 46 La red 3G que brinda, cubre la mayor parte del territorio del país. Se observa en la Figura 3.18 que tiene un alcance prácticamente total para áreas cercanas al centro de la ciudad. Ha sido el segundo proveedor en incorporar la tecnología 4G, brindando planes con este servicio desde el año 2013, todavía se encuentra en una etapa de desarrollo de la misma. En el mapa de coberturas de la Figura 3.19, se puede observar el despliegue de la red 4G en cercanías de la ciudad. Figura 3.19: Orange (4G). (Basado en Sensorly Coverage Maps 9 )

55 Capítulo 4 Plataforma de Medición y Diseño de Pruebas En este capítulo se presenta la herramienta utilizada para realizar las mediciones en las redes presentes en la ciudad de Luxemburgo. Se explicará las razones por las cuales se seleccionó la misma y los cambios realizados para adaptar su uso a las redes de la ciudad. Posteriormente, se presentan los escenarios elegidos para realizar pruebas en las topologías presentes en la ciudad, se presentan las áreas seleccionadas y se denen las rutas a seguir en cada escenario, comentando las razones que se tuvieron en cuenta para las elecciones Plataforma de medición Existe un gran número de aplicaciones para celulares que tienen como objetivo descubrir y obtener información de las redes presentes en el ambiente. Entre ellas, las más populares para exploración de redes son: OpenBMap 1, WiGle 2, G-MoN 3, WiFiFoFum 4, RF Signal Tracker 5, Sensorly 6 y Open Signal Maps 7. Éstas, escanean redes de Wi-Fi y de celulares, guardan su posición, y dan la posibilidad de exportar los datos obtenidos en distintos formatos. La mayoría de ellas además permiten visualizar el despliegue de las redes en mapas de GoogleMaps applications/tools/gmon-for-android-2x pn.html

56 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 48 Si bien el escaneo es una de los objetivos del presente trabajo, es fundamental poder conectarse y evaluar el rendimiento de las redes escaneadas. Para ello hay múltiples aplicaciones que se ocupan de esto, como es el caso de Net Tester 8, Droidwidth Trac 9, Network Tester 10 y inetwork Test 11. Estas aplicaciones tienen como principal objetivo el de evaluar el redimiendo de las redes presentes (redes Wi-Fi, redes de celulares o ambas), pero ninguna de ellas orientadas al escaneo de las mismas. Como se mencionó previamente en la Sección 2.8, G. Castignani y A. Lapmropulos et al. han planteado este problema. Wi2Me[6], es la aplicación que desarrollaron con el n de unicar en una aplicación el escaneo y análisis de redes heterogéneas. La misma escanea el entorno en búsqueda de redes Wi-Fi, de celular, y se conecta a ellas para evaluar su rendimiento Wi2Me Wi2Me[6] es la aplicación que cubre la mayoría de los requisitos necesarios para cumplir con los objetivos de este trabajo. Es una herramienta diseñada para el escaneo de redes y análisis del rendimiento de las mismas. Tiene como función principal escanear, conectarse y evaluar Redes Comunitarias y de celulares. Para cumplir con todas las tareas para la que fue creada, la aplicación trabaja de la siguiente manera: Escanea todas las redes presentes en la zona de forma periódica. Geolocaliza el dispositivo celular de forma periódica (para poder identicar la ubicación de las redes escaneadas). Al escanear una Red Comunitaria (CN), se conecta y autentica automáticamente. Al escanear una Red de Celulares, se conecta automáticamente. Realiza carga y descarga de archivos a través de la red a la cual se encuentra conectado, con el n de analizar el rendimiento de la misma. En la Figura 4.1 se presenta el ujo principal de la aplicación para el análisis de Redes Comunitarias. Éste, es un bucle que se repite mientras la aplicación se esté ejecutando. 8 applications/tools/net-tester jnyd.html

57 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 49 Primero, la aplicación realiza un escaneo de las redes presentes en el ambiente (incluyendo redes privadas, públicas y Redes Comunitarias). En caso de encontrar puntos de acceso (APs) emitiendo señales pertenecientes a Redes Comunitarias, los ordena por nivel de potencia, de forma decreciente (quedando como primer AP el de mayor potencia). Luego, obtiene el primer punto de acceso, y se lo evalúa. Esta evaluación consiste en analizar la potencia con la que el AP emite señal, si es mayor al mínimo del umbral establecido (el umbral es un parámetro congurable de Wi2Me), intenta conectarse al mismo. Figura 4.1: Flujo principal Wi2Me (CN). Basado en (Lamprópulos A., 2011) Si la conexión se realiza con éxito, el siguiente paso es la autenticación a la Red Comunitaria con el n de lograr acceso a Internet. Para lograr esto, la aplicación ejecuta un procedimiento de autenticación automática. Dicho proceso tiene lugar en la parte del gráco del ujo principal encuadrada en rojo y señalizada con la etiqueta (1) Autenticación. En la Sección se abarcará en profundidad la forma con la que la aplicación se autentica a la red, y las modicaciones realizadas para adaptarla al uso en la ciudad de Luxemburgo.

58 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 50 Una vez que el dispositivo se encuentra autenticado a la red, se comprueba el estado de la comunicación con el punto de acceso al cual se conectó y con el servidor de pruebas mediante el uso del comando Ping, programa que diagnostica el estado, velocidad y calidad de la red. Luego, para determinar el rendimiento, la aplicación transere datos desde y hacia el servidor, esto se ve reejado en el recuadrado rojo del gráco, señalizado con la etiqueta (2) Transferencia de datos, dentro del mismo encontramos el ujo donde esto se lleva a cabo. Este procedimiento, se basa en el envío y descarga de pequeños archivos de forma incremental, comenzando con un archivo de 50KB, y siguiendo con archivos de tamaños de 100KB, 250KB, 500KB, 1MB hasta llegar a los 2MB. La manera con la que Wi2Me realiza la transferencia de datos, es otro punto importante a tener en cuenta, dado que es un proceso ecaz para analizar el rendimiento de Redes Comunitarias, pero para lograr medir el rendimiento de redes de tipo Hotspot, como es el caso de la red Hotcity, se debe modicar. En la sección Sección se profundizará sobre este tema, y se mencionaran los cambios realizados para su adaptación. Por otro lado, en paralelo al ujo para análisis de Redes Comunitarias, corre un bucle para analizar las redes de celulares. En la Figura 4.2 muestra el mismo, muy similar al ejecutado para Redes Comunitarias, pero con algunas variaciones. Primero, la aplicación realiza una lectura de Beacons, paquetes enviados periódicamente por las redes de celulares informando su presencia, y en caso que la célula transmisora de señal no haya sido evaluada anteriormente, se procede a hacerlo. Una de las principales diferencias del ujo que se ejecuta para analizar redes de celulares, se da en chequear que no se esté analizando una Red Comunitaria, o que no exista la posibilidad de analizar una, antes de proceder. Esto se debe a que Wi2Me prioriza el análisis de redes Wi-Fi sobre las redes de celulares. Una vez que se haya chequeado que no se esté analizando una red Wi-Fi, se procede a realizar una conexión de internet en la red de celulares. Si se logra conectar con éxito, la aplicación empieza con la transmisión de datos. La parte del ujo donde esto se lleva a cabo, se encuentra encuadrada en rojo y señalizada con la etiqueta (2) Transferencia de datos. La forma en la que Wi2Me transere datos para evaluar el rendimiento de redes de celulares, es similar a la usada para el análisis de Redes Comunitarias, pero chequeando que no exista la posibilidad de establecer una conexión a una CN para proceder.

59 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 51 Figura 4.2: Flujo principal Wi2Me (Celular). Basado en (Lamprópulos A., 2011) Adaptación de Wi2Me En esta sección se pretende introducir los cambios necesarios en la aplicación Wi2Me, para adaptar su uso a los despliegues presentes en la ciudad de Luxemburgo. Como se remarco en el ujo principal de Wi2Me, hay dos partes que se deben modicar para poder usar la aplicación con redes de Hotspot: la autenticación y la transferencia de datos.

60 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 52 Autenticación La autenticación a la red Hotcity, al igual que para las Redes Comunitarias se lleva a cabo mediante un portal cautivo. La aplicación debe pasar por este portal para estar conectado y autenticado en la red y así obtener acceso a internet. Wi2Me tiene un proceso de autenticación automática, implementado mediante el uso de Plugins, scripts escritos en el lenguaje javascript que analizan el portal cautivo, completan los datos necesarios y los envían para lograr autenticarse a la red. La aplicación incluye un Plugin por cada Redes Comunitaria que se quiere evaluar, dado que cada proveedor utiliza un portal cautivo diferente. Para poder adaptar el uso de Wi2Me a la ciudad de Luxemburgo, se implementará un Plugin para lograr autenticarse automáticamente a la red Hotcity. Figura 4.3: Portal cautivo Hotcity En la Figura 4.3 se puede ver el portal cautivo de la red Hotcity. A partir del cual se obtiene los datos necesarios para lograr autenticarse a la red, y se escribe el Plugin correspondiente para agregarlo a la aplicación, y así, hacer que este proceso se automatice.

61 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 53 Transmisión de archivos La aplicación Wi2Me está orientada al análisis de Redes Comunitarias (CNs), y basa su análisis de rendimiento en la transferencia de pequeños archivos. Una de las características de las CNs, es que no proporcionan soporte para realizar un handover de manera transparente. Además, los puntos de acceso se encuentran en el interior de viviendas u ocinas, lo que hace que el nivel de potencia que detecta un usuario transitando por la calle sea bajo. Entonces, cuando la aplicación se conecta y autentica exitosamente a la red, se prioriza nalizar con la transmisión de un archivo, aunque éste no sea de gran tamaño. En nuestro caso, se pretende analizar la red Hotcity, que a diferencia de las Redes Comunitarias, presenta un despliegue externo. Los puntos de acceso de esta red se ubican situados en postes sobre la vía pública, y la potencia que percibe un usuario transitando por la calle es más alta que el que recibe desde un punto de acceso perteneciente a una CN. Además, a diferencia de lo que pasa en una CN, en el despliegue de la red Hotcity existe la posibilidad de realizar un handover de manera transparente. Estas diferencias entre las topologías para la cual fue orientada la aplicación (CNs), y la que se pretende analizar en este trabajo, lleva a que se realicen algunas modicaciones para adaptarla. Debido a que existe la posibilidad de realizar un handover con éxito en la red de Hotcity al transmitir un archivo, es conveniente que sea lo sucientemente grande para no nalizar la transmisión en un mismo punto de acceso (como sucede al utilizar la Wi2Me en Redes Comunitarias), y así, dar la posibilidad a que se efectúen handovers. El objetivo que tendrá la aplicación para analizar la red Hotcity, será el de transmitir archivos de gran tamaño, con el n de que nunca se realice una transferencia completa, y que la misma termine forzosamente, cuando no haya sido posible realizar un handover entre puntos de acceso de la red Hotcity con éxito. Para realizar estos cambios, se debe modicar la parte del ujo principal de Wi2Me donde se realiza la transmisión de datos (encuadrado con rojo en la Figura 4.1). Se modica el bucle de transmisión de datos, ya no se realizará un envío incremental de éstos, si no que se realizar una única transferencia. Para lograr esto, dado que Android tiene un límite en la cantidad de memoria que permite usar por aplicación, en vez de cargar un archivo en memoria como hace la aplicación nativa, se generaran bytes desde la misma aplicación para realizar el envío (generando como máximo 20MB). De esta manera, no es necesario cargar archivos en memoria. Para la descarga de datos, se utiliza

62 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 54 un buer de memoria limitado para ir obteniendo lo que llega del servidor, y así, evitar las posibles limitaciones de memoria que presenta la versión de Android utilizada. Al realizar estos cambios, no se continúa con el ujo normal de Wi2Me, en el cual primero se realizan los envíos, y a continuación las descargas de datos. Al modicar la aplicación, se usan archivos de gran tamaño, y al comenzar a transferir datos (descarga o envío), nunca se terminará por completo la transferencia, sino que se dará por nalizada únicamente en caso de darse una desconexión forzada debido no poder realizar un handover con éxito. En consecuencia, el dispositivo se conectará a un punto de acceso, se autenticará y comenzará con el envío de datos. Al disminuir la potencia que percibe el dispositivo, éste intentará realizar a un handover hacia un punto de acceso con mejor potencia, si lo logra seguirá transmitiendo el archivo de manera transparente a través del nuevo punto de acceso, y si no, se produce una desconexión que lleva a la nalización forzada del envío. Como se puede notar, esta secuencia conlleva a que nunca se intente de descargar datos, dado que nunca se completa el envío de los mismos. Para las pruebas realizadas en la ciudad de Luxemburgo, como se describe en la Sección 4.2, se congura un dispositivo celular para realizar solo envíos y otro para realizar únicamente descargas.

63 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas Diseño de pruebas En el Capítulo 3, se describe las topologías de la ciudad, haciendo énfasis en la red de Hotspot Hotcity. En esta sección se abarcará el diseño de las pruebas, describiendo las razones por las cuales se seleccionan los escenarios, que luego, en el Capítulo 5 se usarán para analizar las redes heterogéneas presentes y su complementariedad. En total se eligen tres escenarios de pruebas: Barrio de Kirchberg: pruebas de las modicaciones en la aplicación Wi2Me. Centro de Luxemburgo: análisis de redes heterogéneas y complementariedad en zonas urbanas para usuarios peatonales. Barrio de Gasperich: análisis de redes heterogéneas y complementariedad en zonas residenciales para usuarios peatonales y vehiculares. Barrio de Kirchberg Éste, presenta un pequeño despliegue de la red Hotcity, distribuido en no más de 16 hectáreas, cerca del Laboratorio de la Universidad de Luxemburgo donde se implementaron las modicaciones a la aplicación Wi2Me. Este escenario, a pesar desplegarse en una área reducida, junta las características presentes tanto en un área urbana, como las que se pueden encontrar en una zona residencial. Posee sectores donde se encuentran edicios y ocinas, y otros donde las construcciones son bajas y el transito es reducido. En la Figura 4.4 se observa la distribución de los puntos de acceso de la red Hotcity en este escenario. Dado las características que presenta la zona, fue utilizada para probar el funcionamiento de la aplicación una vez realizados los cambios para adaptar su uso a Luxemburgo. Centro de Luxemburgo El centro de la ciudad de Luxemburgo, tiene las características típicas de una zona urbana, donde se encuentra una gran cantidad de edicios, ocinas y comercios, siendo las calles muy transitadas. En la Figura 4.5(a) se ve la distribución de los puntos de acceso de la red Hotcity para el centro de la ciudad, y en la Figura 4.5(b) se muestra la potencia que éstos emiten. Como se puede observar el despliegue de la red Hotcity presenta una distribución desordenada de los puntos de acceso, debido a la presencia de edicios que se interponen a la señal emitida.

64 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 56 Figura 4.4: Kirchberg. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique) (a) Puntos de Acceso Hotcity (b) Potencias Hotcity Figura 4.5: Despliegue Hotcity: Centro. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique)

65 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 57 Este escenario, es seleccionado ya que permite evaluar la cobertura y el rendimiento de Hotcity y de la red 3G de celulares para usuarios peatonales, y la complementariedad entre los distintos despliegues presentes en la zona. La Figura 4.6, generada con las coordenadas gps recolectadas por la aplicación Wi2Me, muestra la ruta denida para la experimentación. Figura 4.6: Ruta Área Céntrica Barrio de Gasperich El barrio de Gasperich, es una zona residencial de la ciudad de Luxemburgo ubicado a las afueras del núcleo urbano. A diferencia del centro de la ciudad, no hay edicios ni mucho menos ocinas, siendo las viviendas bajas la característica principal del paisaje. En cuanto al tránsito, es reducido y de poco tráco, por lo que es adecuado para realizar pruebas vehiculares. En la Figura 4.7(a) y en la Figura 4.7(b)se puede observar la distribución de los puntos de acceso de la red Hotcity y su alcance. Este escenario es seleccionado para realizar pruebas de cobertura y rendimiento de Hotcity, de la red 3G de celulares para usuarios peatonales y vehiculares, y su complementariedad. En la Figura 4.6, generada con las coordenadas gps recolectadas por la aplicación Wi2Me, se observa la ruta utilizada en el barrio de Gasperich.

66 Capítulo 4. Wi2Me y Diseño de Pruebas 58 (a) Puntos de Acceso Hotcity (b) Potencias Hotcity Figura 4.7: Despliegue Hotcity: Gasperich. (Basado en VDL - Service de la Topographie et de la Géomatique) Figura 4.8: Ruta Área Residencial

67 Capítulo 5 Análisis de tecnologías heterogéneas 5.1. Análisis de performance en escenarios pedestres En esta sección se caracterizará la performance que percibe un usuario que transita caminando por la calle. Se diferenciará la performance obtenida por el usuario accediendo a la red a través de redes de celulares o de la red comercial basada en hotspots desplegada en la ciudad de Luxemburgo (Hotcity). Tal cómo se describe en la sección Diseño de Pruebas 4.2, se establecen dos escenarios para la experimentación. El primero, ubicado en la zona del centro de la ciudad de Luxemburgo (C), y el segundo, en un área residencial, el barrio de Gasperich (R). Se utilizan cuatro dispositivos celulares smartphones para los experimentos: Dispositivo S1: para realizar carga, descarga y escaneo en la red de celulares. Dispositivo S2: para realizar el escaneo de redes Wi-Fi. Dispositivo S3: para subir datos a través de la red Hotcity. Dispositivo S3: para realizar descargas a través de la red Hotcity Rendimiento de las conexiones Para comenzar con el análisis, en la Tabla 5.1 se muestran los resultados generales del experimento para las pruebas de movilidad en escenarios peatonales. En el centro de la ciudad de Luxemburgo (C), el smartphone de escaneo S2, detecta 85 puntos de acceso (APs) a la red Hotcity (HN). El smartphone S4, congurado para 59

68 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 60 Net APs/ Connection Av Th KB/s Pk Th KB/s Cells DL/UL (DL/UL) (DL/UL) C HN / / / Cell / / / R HN / / / Cell / / / Cuadro 5.1: Resultados Generales: Movilidad Peatonal realizar descargas de archivos de gran tamaño, realiza 84 descargas y el smartphone S3, congurado para subir archivos de gran tamaño a Internet, realiza un total de 117 subidas. Hay que tener en cuenta que en la mayoría de las transferencias, las conexiones realizan handover, por lo cual se utilizan múltiples puntos de accesos para descargar o subir archivos, lo cual se profundizará en la sección En total, los dispositivos S3 y S4 se conectaron a 45 puntos de acceso distintos de la red Hotcity. En el área residencial (R), se encontraron un total de 59 puntos de acceso a la red Hotcity. El smartphone S4, realizó 47 conexiones de descarga y con el smartphone S3 se realizaron 50 conexiones para subir datos. En total se conectaron a 45 puntos de acceso distintos. En las dos áreas se observa que el rendimiento obtenido utilizando las redes de celular fue mayor al que se obtuvo al utilizar Hotcity (HN). Esto se debe a que el acceso a Internet a través de HN tiene limitado el ancho de banda como se analizó en la sección 3.1. Luego, se midió la performance de la conexión en términos de duración y distancia recorrida por un usuario peatonal en estos escenarios. En nuestro experimento, no se completó ninguna de las descargas realizadas, y pocas de las transferencias para subir datos fueron efectuadas en su totalidad. La mayoría de las transferencias fallaron debido a que el smartphone no fue capaz de llevar a cabo un handover cuando fue perdiendo potencia de la señal emitida por el punto de acceso al cual se encontraba conectado. Hay que tener en cuenta que el smartphone fue capaz de realizar handover en la mayoría de los casos como se muestra en la Figura 5.1 pero no lo suciente como para completar la descarga de un archivo completo. En la aplicación Wi2Me[6], se conguró el tiempo de timeout en 10 segundos (como se menciona en la sección 5.2), el cual se dene como el tiempo en el cual el dispositivo celular no es capaz de enviar o recibir datos justo antes de un handover, o de una desconexión. Si el dispositivo móvil no puede efectuar un handover en este tiempo se procede a terminar con la conexión actual. En la Tabla 5.2, se puede observar que la mediana de la duración de conexión a la red Hotcity en el centro de la ciudad fue de 96,5 segundos, en el cual el usuario recorre 120,5 metros.

69 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas CDF City Residential Vehicular Residential Number of Handovers Figura 5.1: Número de handover por conexión HN-C HN-R CN Mediana de duración (s) Mediana de distancia (m) Cuadro 5.2: Rendimiento de las conexiones Para analizar la performance de las conexiones, en Figura 5.2(a) y en la Figura 5.2(b), se muestra la duración y la distancia recorrida por un usuario caminando tanto en la zona residencial como en el área céntrica de la ciudad de Luxemburgo; también muestran la cantidad de handovers que un dispositivo celular realiza en cada una de las conexiones. Se puede observar como en ambos escenarios, en una conexión que comienza y termina conectándose a un único punto de acceso lo que indica que no se ejecuta ningún handover provee como máximo una duración de 150 segundos permitiendo un desplazamiento de 250 metros. En este caso el usuario caminó por una calle circular que rodeaba al AP, permitiendo que el smartphone esté a lo largo de los 250 metros cubierto por la señal del mismo punto de acceso. Como se puede ver en la Figura 5.2(b), en la zona residencial se efectuaron conexiones con mayores distancias recorridas, y con una mayor cantidad de handovers por conexión. Esto mismo también se puede observar en la Figura 5.1, donde se muestra que para la zona residencial se obtiene normalmente más de dos handovers.

70 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas Distance (m) Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers 6 handovers (a) Duración y Distancia de las conexiones: Centro Distance (m) Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers (b) Duración y Distancia de las conexiones: Residencial Figura 5.2: Duración y Distancia de las conexiones

71 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas Características de Despliegue Para analizar la cobertura de las redes en la ciudad, primero se midió la densidad como el número de puntos de acceso por escaneo. El usuario descubre en mediana 20 APs en el centro de la ciudad, y hasta 14 en el área residencial (R). Estas mediciones incluyen APs de la red de Hotcity, y APs privados. Esta diferencia se debe al gran número de redes comerciales presentes en el área céntrica, las cuales no están presentes en la zona residencial. Con respecto al despliegue de la red Hotcity, como se muestra en el gráco de la Función de Distribución Acumulada (FDA) de la Figura 5.3, un usuario es capaz de descubrir en mediana 2 APs de la red HN por escaneo en el área céntrica, y 3 en la zona residencial. CDF Fritz HN 0.1 Numericable All (HN-Numericable-Fritz) Number of APs per scan (a) Número de APs por scan: Centro CDF Fritz HN 0.1 Numericable All (HN-Numericable-Fritz) Number of APs per scan (b) Número de APs por scan: Residencial Figura 5.3: Número de APs por escaneo

72 Capítulo Análisis de tecnologías heterogeneas 64 Potencia Recibida Se ha medido la potencia que el dispositivo celular recibió al recorrer tanto el área del centro de la ciudad, como la zona residencial. En la Figura 5.4, se muestra el espacio cubierto y la intensidad de la señal recibida (en dbm) en ambos escenarios. Se puede observar distribuciones de potencias homogéneas en ambas áreas, con pocas zonas donde se pueda encontrar baja señale de potencia recibida. (a) HOTCITY: Residencial Figura 5.4: (b) HOTCITY: Centro Cobertura Wi-Fi en el Área Céntrica y Residencial Al igual que para la red Hotcity, se han calculado las potencias provenientes de proveedores de Internet privados, como es el caso de Numericable y Fritz (dos de las empresas proveedoras de Internet más importantes de Luxemburgo). En la Figura 5.5, se muestra el espacio cubierto y la intensidad que proveen estas dos compañías tanto para la zona céntrica como para el área residencial. Se puede observar que para las redes de Fritz y Numericable la intensidad de la señal es siempre menor que la de Hotcity. Hay que tener en cuenta que la infraestructura de Hotcity está basada en APs diseñados para uso en el exterior como se analizó en la Sección 3.1, mientras que Numericable y Fritz están basadas en APs para uso en el interior de edi cios, o cinas o viviendas subscriptas a Internet cableada residencial. Por lo cual la red HN, presenta una distribución ordenada de los APs, mientras que para las otras redes esta distribución es completamente aleatoria. La Función de Distribución Acumulada (FDA) de la máxima potencia recibida proveniente de los puntos de acceso de la red Hotcity como se puede observar en la Figura 5.6 tiene una mediana de potencia de -73 dbm por AP para el área céntrica, y una mediana de -68 dbm para la zona residencial.

73 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 65 (a) Numericable: Residencial (b) Numericable: Centro (c) Fritz: Residencial (d) Fritz: Centro Figura 5.5: Cobertura Wi-Fi en el Área Céntrica y Residencial CDF Fritz (C) Numericable (C) HN (C) Fritz (R) Numericable (R) HN (R) Figura 5.6: Received Power (dbm) -60 FDA Potencia Recibida durante el escaneo -50

74 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas Soporte de Movilidad La movilidad es una de las características principales en las redes para uso exterior como es el caso de Hotcity. Una de sus principales ventajas es el soporte de movilidad, por ejemplo, la autenticación y la dirección IP se mantienen durante un handover hacia un nuevo punto de acceso a través del uso de Wireless LAN Controller[9]. Para el caso de Redes Comunitarias (CN), no existe la posibilidad de moverse de un punto de acceso a otro de forma transparente, aunque sea posible hacer una handover a nivel 2, las conexiones IP son interrumpidas justo después de la transición. Esto se debe a que al conectarse a un punto de acceso de la Red Comunitaria, una nueva dirección IP privada es asignada al dispositivo. Para el caso de de la red Hotcity (HN), como se muestra en la Figura 5.1, el dispositivo fue capaz de realizar hasta 6 handovers durante una misma conexión (por ejemplo descarga o subida de un archivo) durante las pruebas de movilidad peatonales. Se puede observar que números altos de handovers son más comunes en el área residencial. Debido a la mayor densidad de puntos de acceso en esta zona. Como se puede observar en la Figura 5.3, en la zona residencial existe una mayor cantidad de puntos de acceso por escaneo que en el área céntrica Movilidad Vehicular en Redes de Hotspot Como se demostró en la sección anterior, la gran densidad de puntos de acceso a la red Hotcity y la alta intensidad de señal, proveen un acceso a Internet considerablemente bueno para usuarios estáticos y móviles. En esta sección se investigarán los efectos de la movilidad, comparando los resultados que se obtienen para usuarios peatonales y vehiculares. Para las pruebas vehiculares se utilizó un vehículo eléctrico, en el cual el usuario se movió por el área residencial a una velocidad máxima de 40 km/h (25 km/h en promedio) con un tráco uido. Durante este experimento los cuatro smartphones fueron ubicados dentro del auto utilizando soportes para celulares en el parabrisas. La prueba fue realizada durante 1,5 hs en un escenario preestablecido como se explicó en la Sección 4.2 y logró realizar 80 conexiones de descarga (utilizando el dispositivo celular S4) y 48 conexiones para subir archivos (utilizando el S3). Según la Tabla 5.3, al utilizar la red Hotcity se obtienen valores más altos de rendimiento para el caso vehicular que en el peatonal, tanto en el valor máximo como en el promedio, ya sea al descargar o al subir archivos.

75 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 67 Cuadro 5.3: Resultados generales: Movilidad Vehicular Net APs/ Connection Av Th KB/s Pk Th KB/s Cells DL/UL (DL/UL) (DL/UL) R Wi-Fi / / / Cell / / / Como se hizo en los experimentos de movilidad pedestre, también se mide la duración y la distancia que recorre un usuario moviéndose por la red HN en una misma conexión para el caso vehicular, desde que comienza la conexión para realizar una transferencia de datos hasta el momento de la desconexión debido a la perdida de señal Distance (m) Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers 6 handovers 7 handovers 8 handovers 9 handovers 10 handovers 11 handovers Figura 5.7: Duración y Distancia de la Conexión: Vehicular Según la Figura 5.7, un usuario vehicular experimenta distancias más largas sin perder conectividad. Recorre hasta 1350 metros, más que el doble que para los experimentos peatonales. Esto se debe a dos razones. Primero, cuando un usuario se mueve en un vehículo, el dispositivo móvil recibe mayor intensidad de señal transitando por la calle que en el caso de un usuario peatonal que se mueve por la vereda. Dicho fenómeno se puede observar en la Figura 5.8, donde se muestra la Función de Distribución Acumulada (FDA) de la potencia recibida por el usuario, tanto para el peatonal como para el vehicular. Dado que para ambos experimentos se utilizó el mismo hardware, la mayor intensidad recibida para el caso vehicular es posible que se deba al despliegue de la red Hotcity, la cual consiste en APs externos ubicados a cercanía de la calle, por lo cual un usuario circulando por la calle en general no tendrá obstáculos entre el dispositivo móvil y el AP, mientras que un usuario que circula por la vereda, se encontrará obstaculizado por árboles y edicios.

76 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 68 La segunda razón, como se puede ver en la Figura 5.1, es la cantidad de handovers exitosos realizados en los distintos escenarios. En el caso vehicular, un usuario puede realizar en general muchos más handovers antes de perder intensidad de señal y desconectarse, comparando con el escenario peatonal. En este experimento se llega a un máximo de 11 handovers exitosos, mientras que para pedestres se llegó a un máximo de 6 handovers CDF Pedestrian Vehicular Signal Level (-dbm) Figura 5.8: FDA Potencia Recibida para Vehicular y Pedestre Con el n de analizar más a fondo el rendimiento de las conexiones a la red Hotcity para el escenario vehicular y peatonal, se realizó un tercer experimento en el cual se diseñó una única ruta de 700 metros en el área residencial como se ha mencionado previamente en la sección CDF CDF pedestrian CDF vehicular Time (s) Figura 5.9: FDA Timeout de Desconexión En la Figura 5.9, se muestra la distribución del tiempo de timeout para la desconexión (tiempo en el cual el dispositivo no es capaz de enviar o recibir datos justo antes de un handover, o de una desconexión). Al igual que para las pruebas pedestres se conguró el tiempo de timeout en 10 segundos, con el n de limitar el tiempo que se tarda en detectar una desconexión: si el dispositivo móvil no puede efectuar un handover en este tiempo se procede a terminar con la conexión actual.

77 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 69 Podemos observar que en el caso vehicular, el dispositivo celular está menos tiempo sin transmitir datos antes de realizar un handover (por ejemplo, se ve una mediana de 0,3 segundos en el escenario vehicular contra 3,7 segundos en el caso peatonal). Esto se debe a que la velocidad con la que se transita al circular en el vehículo, donde el smartphone esta menos tiempo en muy bajas intensidades de señal, a diferencia de lo que pasa con usuarios peatonales, que pasan mayor cantidad de tiempo recibiendo señales de baja intensidad. Esto es conrmado al analizar la distribución de la intensidad de la potencia recibida por el AP actual justo antes de que ocurra un handover como se puede ver en la Figura En el caso vehicular, el smartphone es capaz de realizar un handover en instensidades mayores de señal, con una mediana de -77 dbm contra -81 dbm en el caso peatonal CDF CDF pedestrian CDF vehicular Signal Level (-dbm) Figura 5.10: FDA Intensidad de Señal Recibida en Desconexión 5.3. Tecnologías de Redes Complementarias y Ooading En esta sección se describirá la complementariedad entre los despliegues de Wi-Fi y de las redes de celulares, con el n de evaluar el potencial de realizar ooading para redes 3G. Con respecto al despliegue de las redes Wi-Fi, se considera otras redes existentes basadas en puntos de acceso privados (APs privados que dan acceso a Internet a casas o comercios). Se tiene en cuenta para el experimento a los proveedores de Internet Fritz y Numericable, que son los dos proveedores con más extensos despliegues en la ciudad de Luxemburgo. Los cuales se utilizan para hipotéticamente complementar la red Hotcity con el n de lograr un acceso a Internet similar al que se obtiene en una Red Comunitaria.

78 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 70 En primera instancia se analiza el escenario residencial de la ciudad. En la Figura 5.11 se muestran los resultados generales del experimento para un usuario peatonal. Se puede observar, que a lo largo del tiempo que duró el experimento, siempre se encuentra disponible una estación base de celulares que soporta HSDA. Por otro lado, el usuario descubre un punto de acceso de la red Hotcity con potencias mayores a -80 dbm el 97,2 % del tiempo, y en el 88,3 % logra acceso a Internet autenticándose automáticamente en la red. 88.3% 96.1% 96.3% 97.2% 100% Elapsed Time (h) Internet Access L3 Connection L2 Connection HN availability 3G availability Figura 5.11: Eventos de conexión en el área residencial Se propone un escenario hipotético en el cual el usuario es capaz de acceder a la Red Comunitaria compuesta por Hotcity y las empresas proveedoras de Internet Fritz y Numericable, las cuales proveen acceso a Internet para uso en el interior, tanto de casas como comercios. Los puntos de acceso tanto de Fritz como de Numericable son dispositivos privados que cumplen con el estándar IEEE compliant, los cuales son utilizados por los usuarios subscriptos a diferentes proveedores para lograr acceso a la red. Con el n de comparar, en la Figura 5.3 se muestra la densidad de puntos de acceso de uso en interiores que son descubierto para las empresas Fritz y Numericable, tanto para el área residencial como para la zona urbana de Luxemburgo. Podemos notar que la densidad de estas redes es menor que la existente para Hotcity, proveyendo al menos un punto de acceso en el 60 % de los casos. Como se observa en las Figuras , Fritz y Numericable proveen una menor cobertura que Hotcity. En cuanto a la potencia, se aprecia que la intensidad de la señal que otorga Fritz es en mediana 79dBm en el área céntrica de la ciudad, y 80dBm en el

79 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 71 área residencial. Para Numericable, los valores obtenidos son menores, midiendo en mediana 83dBm para la zona céntrica y 82dBm para la residencial. Los valores tanto de Fritz como Numericable son considerablemente menores que los que se presentaron anteriormente para el despliegue en el exterior provisto por Hotcity Con el objetivo de analizar la complementariedad espacial de los puntos de acceso, en la Figura 5.12 se muestra la disponibilidad de puntos de acceso a las redes de Hotcity, Fritz y Numericable para el escenario del centro de la ciudad que posean una intensidad de señal superior o igual a -80dBm. Se puede observar que las tres redes se complementan adecuadamente. Por otra parte como se mostró previamente en la Figura 5.3, si consideramos una Red Comunitaria compuesta por estos tres proveedores, la misma proveería en mediana 5 APs para el centro de la ciudad, y 7 APs para la zona residencial. Otro aspecto importante que reeja esta métrica, es la cobertura absoluta del escenario como resultado de complementar las tres redes para la zona residencial. Un usuario que transita por este escenario, siempre tendrá por lo menos un punto de acceso disponible para conectarse. En el centro de la ciudad se, puede observar que la cobertura de HN, la cual provee por lo menos un AP en el 82,8 % del tiempo, se puede mejorar a 88,1 % si se considera la Red Comunitaria propuesta anteriormente. Sin embargo, debido a los niveles bajos de potencia recibida por parte de Fritz y Numericable en mediana 9dBm menor a la de Hotcity, un usuario no puede asumir que obtendrá un rendimiento similar al obtenido al conectarse a un punto de acceso de la red Hotcity. 24.9% 39.7% 82.8% 88.1% Elapsed Time (h) Numericable availability HN availability Fritz availability CN availability Figura 5.12: Disponibilidad de AP en el centro de la ciudad En lo que resta de ésta sección nos enfocaremos en la posibilidad de realizar Ooading para redes 3G. Como se puede ver en la Figura 5.11, incluso cuando una estación base

80 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 72 de celular es siempre visible para un usuario en el escenario del área residencial, puede ocurrir que al recibir potencias menores o al encontrarse con una mayor densidad de usuarios utilizando la red, no obtenga un canal dedicado para la transmisión y no pueda realizar una comunicación de datos de forma adecuada. En los escenarios propuestos, se puede observar en términos de potencia recibida, diferentes distribuciones para la red de Hotcity que para las estaciones bases de celulares. La Figura 5.13 muestra la Función de Distribución Acumulada de la potencia recibida cuando un usuario se encuentra conectado a la Red de Celulares o a la red de Hotcity. CDF Received Power (dbm) Figura 5.13: Distribución de la potencia recibida Cellular HN Si consideramos un mínimo umbral de conectividad (por ejemplo, el mínimo nivel de intensidad con el cual un celular es capaz de transferir datos) de 80dBm para Wi-Fi[16] y 95dBm para 3G[26], podemos observar en la Figura 5.13, que la red HN provee una intensidad de señal más grande o igual al umbral elegido en el 90,9 % de los casos, mientras que al usar la tecnología 3G este porcentaje cae a un 82,2 %. De esta manera, a pesar de que la señal de la red de celular esta siempre disponible, durante los períodos de tiempo en los cuales haya intensidades de señal baja, el dispositivo móvil puede contar con la posibilidad de delegar la transferencia a las redes de la Red Comunitaria (CN), realizando Ooading en esos períodos de tiempo conectándose a la CN. A pesar de que existan varias alternativas que proveen Ooading para redes heterogéneas, hay una necesidad de tener mayor integración de las diferentes tecnologías. En este contexto, surgen ciertas limitaciones. Primero, nuevos mecanismos para tomar la decisión deben ser implementados, por ejemplo, el momento en el cual se debe realizar Ooading y en qué condiciones. Segundo, debido a la existencia de múltiples proveedores de Internet que participan en estos despliegues, es necesario utilizar múltiples procesos de autenticación. Para este caso se puede utilizar frameworks basados en IEEE u[27],

81 Capítulo 5. Análisis de tecnologías heterogeneas 73 protocolos estandarizados para autenticación de dispositivos como EAP-SIM[28] podría proveer procesos de autenticación automática y sin cortes. Tercero, al realizar Ooading hacia un red con diferente dirección IP se afectaría drásticamente las aplicaciones de tiempo real, por ejemplo, aplicaciones que transmiten voz empleando un protocolo IP (VoIP), o descargas continuas de video en el cual el usuario consume el producto al mismo tiempo que se descarga (video streaming), los cuales serán interrumpidos luego de realizar un handover hacia otra red. Con este n, la implementación de un framework que soporte movilidad basado en Mobile IP[29] es una posible solución. En este caso, el uso de múltiples interfaces simultáneamente podría solucionar esta limitación realizando Ooading sobre ciertas aplicaciones que no requieran ujos de tiempo real, y manteniendo en la misma red las aplicaciones que sí lo requieran por el mayor tiempo posible.

82 Capítulo 6 Cierre del trabajo y Conclusiones Este capítulo resume todos los aspectos estudiados a lo largo de la tesis y concluye el trabajo realizado Resumen Esta tesis tuvo tres objetivos principales: Caracterizar los despliegues heterogéneos de redes en la ciudad de Luxemburgo para escenarios móviles. Analizar la eciencia de los handovers cuando un usuario se traslada a distintas velocidades (peatonal, vehicular). Determinar la complementariedad de las redes presentes en la ciudad. Con el n de alcanzar estos objetivos se estudió la familia de estándares IEEE 802, particularmente el IEEE (más comúnmente conocido como Wi-Fi), y sus componentes principales: La estación: dispositivo con una interfaz de red inalámbrica que cumpla el estándar El punto de acceso: nexo principal entre el medio de transmisión inalámbrico y el sistema de distribución de la red. El medio inalámbrico: medio físico por el cual se transporta información de una estación a otra (el aire). 74

83 Cierre del trabajo y Conclusiones. 75 El sistema de distribución: red troncal, que conecta puntos de acceso para formar grandes áreas de cobertura. También, se abarcaron las tecnologías utilizadas para redes de celulares y se estudió su evolución. Comenzando por la primera generación de teléfonos celulares (1G), y continuando con la denominada 2G, 3G y por último la 4G. Una vez descripto el estándar IEEE y las tecnologías de celulares, se denió el concepto de movilidad, como la acción de desplazarse físicamente en un área determinada manteniendo las conexiones existentes. La movilidad, debido al constante crecimiento de dispositivos que soportan interfaces inalámbricas (celulares, computadoras portátiles, tablets), cobra vital importancia en la actualidad, y junto a ella surge el concepto de handover, que se lo describió como el proceso por el cual un dispositivo móvil transere su conexión desde un punto de acceso hacia otro manteniendo conectividad. Como último concepto teórico, se denieron las Redes Comunitarias, idea que se basa en generar una comunidad, en la cual cada usuario de Internet inalámbrico residencial provee conexión al resto de los usuarios compartiendo su punto de acceso a la red. Luego de describir los conceptos teóricos principales, se han caracterizado los despliegues heterogéneos presentes en la ciudad de Luxemburgo. Se comenzó con la red comercial de Hotspot Hotcity, y se continuó con las tecnologías de redes de celular presentes en la ciudad. Para ello, el trabajo se enfocó en dos zonas con características diferentes: el centro de la ciudad, con las características típicas de una área urbana (donde se encuentran un gran número de edicios, ocinas y comercios), y el barrio de Gasperich, zona residencial, donde no hay edicios ni ocinas, sino casas de familia. Para el análisis de la red Hotcity se midió: El ancho de banda de la red: limitado por la empresa proveedora a 250KB/s independientemente de la cantidad de usuarios conectados a la misma. La distribución de canales: en el centro de la ciudad se utilizan los denominados canales sin superposición, las frecuencias de transferencia se distribuyen de tal manera que no causan interferencia con otros puntos de acceso de la red Hotcity. En el área residencial, no se utilizan los canales denominados sin superposición, se utilizan los 13 canales con probabilidades similares, pero debido a la ubicación estratégica de los puntos de acceso, no perciben gran interferencia entre sí. Para el análisis de las redes de celulares se estudiaron:

84 Cierre del trabajo y Conclusiones. 76 Las tecnologías usadas en la ciudad: GSM, EDGE, UMTS, HSDPA y LTE. Los proveedores de servicios de telefonía celular: LuxGSM, Tango y Orange. Se determinó que la tecnología que presenta un mayor despliegue en la ciudad de Luxemburgo es la 3G. Presenta una cobertura en casi toda la ciudad y se incluye en los planes de todas las empresas de telefonía móvil de la ciudad. Una vez descriptas las topologías presentes, se presenta la aplicación utilizada como herramienta de medición para realizar este trabajo, la plataforma Wi2Me. Elegida porque a diferencia de la mayoría de las aplicaciones, unica las funciones de escaneo y análisis de redes heterogéneas. Para lograr esto, primero escanea el entorno en búsqueda de redes Wi-Fi y redes de celular, y se conecta a ellas para evaluar su rendimiento. Luego de presentar la plataforma, se mencionan los cambios realizados para poder adaptar su uso a la ciudad de Luxemburgo. Después de haber introducido la herramienta de medición, se detalló el diseño de las pruebas, describiendo las razones por las cuales se seleccionan los escenarios, que luego, fueron utilizado para medir el rendimiento de las redes presentes en la ciudad. Se midió el rendimiento de la red de Hotspot Hotcity, y se analizó su complementariedad con otras redes Wi-Fi presentes en la ciudad con el n de crear hipotéticamente una Red Comunitaria, y además se analizó la red 3G de celulares, evaluando su cobertura y rendimiento Conclusiones Rendimiento de Hotcity: Zona Urbana vs Residencial En el centro de la ciudad, se encontraron un total de 2079 puntos de acceso transmitiendo, de los cuales 85 corresponden a la red Hotcity. Por otro lado, en la zona residencial fueron 1145 los puntos de transmisión encontrados, 59 de la red Hotcity. Para un usuario peatonal que se encuentra en movimiento, al realizar un escaneo del ambiente, en mediana descubrió 20 puntos de acceso transmitiendo en el centro de la ciudad y 14 en el área residencial. Pero al ltrar únicamente las señales de la red Hotcity, en mediana se descubrió 2 puntos de acceso en el centro y 3 en la zona residencial. Esto se debe a la distribución de los mismos, y a la infraestructura presentes en las distintas zonas.

85 Cierre del trabajo y Conclusiones. 77 Se concluyó que tanto la velocidad de transmisión, la probabilidad de realizar un handover con éxito y las distancias recorridas sin perder conectividad son mayores para la zona residencial que para el centro de la ciudad. Rendimiento Hotcity: Vehicular También se llega a la conclusión que el acceso a Internet que percibe un usuario vehicular tiene un mejor rendimiento en término de velocidad, duración de conexión y distancia recorrida, que para un usuario peatonal. Esto se debe a cuatro razones: Mejor intensidad de señal: un usuario vehicular, recibe mayor intensidad de señal transitando por la calle que en el caso de un usuario peatonal que se mueve por la vereda. Manejo de niveles bajos de señal: a velocidades altas, el manejo de niveles bajos de señal es mejor. Cantidad de handovers exitosos: en el caso vehicular, un usuario puede realizar en general muchos más handovers antes de perder intensidad de señal y desconectarse, comparando con el escenario pedestre. Tiempo sin transmitir datos: un usuario vehicular, el dispositivo celular está menos tiempo sin transmitir datos antes de realizar un handover. Al circular a una velocidad mayor el dispositivo celular esta menos tiempo en bajas intensidades de señal. Ooading y Redes Comunitarias Las mediciones de performance indican que debido a la alta disponibilidad, duración de conexión y potencia de señal recibida de la red Hotcity, los usuarios pueden realizar ooading de grandes cantidades de datos desde la red de celulares. Además, esto se puede incrementar si consideramos la posibilidad de extender la red externa de Hotcity con puntos de acceso interiores formando una Red Comunitaria. Al considera una Red Comunitaria compuesta por los proveedores por Hotcity, Fritz y Numericable, la misma provee en mediana 5 puntos de acceso para el centro de la ciudad, y 7 para la zona residencial. Es importante destacar, dado que se logra una cobertura absoluta para la zona residencial (siempre habrá por lo menos un punto de acceso disponible para conectarse), y para el centro de la ciudad se logra una cobertura del 88,1 %.

86 Bibliography Trabajo basado en la Tesis Este trabajo me dio la oportunidad de participar en el equipo de investigación e innovación del Interdisciplinary Centre for Security, Reliability and Trust de la Universidad de Luxemburgo. Participando en la realización del paper titulado A Study of Urban IEEE Hotspot Networks: Towards a Community Access Network"(anexado en el Apéndice A[ 8]), presentado y aceptado en el congreso IEEE/IFIP Wireless Days ssdays.org/'

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90 Anexo 82 A Study of Urban IEEE Hotspot Networks: Towards a Community Access Network German Castignani, Juan Monetti, Nicolas Montavont, Andres Arcia-Moret, Raphael Frank, Thomas Engel University of Luxembourg / SnT - Mines-Telecom / Telecom Bretagne - International Centre for Theoretical Physics (ICTP) - aarcia Institut Abstract With the increasing demand for faster data connectivity, different wireless technologies have been deployed in the last decade, creating a heterogeneous wireless environment. Such wireless diversity is mainly composed of 2G/3G/4G cellular base stations, IEEE hotspots and Community Networks. Previous work suggests that the increasing popularity of IEEE networks would mitigate the overloading of current operator-based cellular deployments. However, the unpredictable characteristics of IEEE deployments and its loose coupling to cellular architectures limit its user performance in terms of throughput and mobility capacity. In this paper, we describe an evaluation study of a commercial-grade hotspot network in the city of Luxembourg, namely HOTCITY. Through a set of experiments, we provide a characterization of the hotspot network and give a set of performance indicators. Finally, we evaluate hotspot networks potential to support cellular offloading through the integration of outdoor hotspots and private access points deployed indoors in a single Community Network. I. ISP1 ISP2 WLAN Controller ISP3 (a) HN Architecture I NTRODUCTION Smartphones and tablets will witness a significant expansion in the next few years. Their penetration rate is continuously increasing, and forecasts indicate that most mobile phones will be smartphones (considering that 89% of the European population has one or more mobile phones [1]) and that tablets will probably surpass desktop device sales in the coming years. These devices come with a set of wireless interfaces (e.g., cellular, Wi-Fi, Bluetooth) to provide network access anywhere and at any time. With these devices, highly-mobile users will access the network and require high data rates. To serve this increasing demand and respond to application heterogeneity, multiple technologies must be combined. Among these technologies, IEEE (Wi-Fi) and 2G/3G/4G cellular networks are the most popular wireless access methods for mobile users. In particular, due to its low cost, high speed and easy deployment, Wi-Fi has become the main wireless access method for wireless local area networks. More recently, due to the saturation of cellular data networks and the proliferation of Wi-Fi hotspots [2], mobile operators are investigating how a Wi-Fi network can be complementary to the cellular network, and how much of traffic can be offloaded to Wi-Fi access points. Today, we can differentiate between two kinds of Wi-Fi deployments. On the one hand, commercial Hotspot Networks (HN) are commonly based on robust Access Points (APs) specifically designed to operate in the open air. They are usually deployed by private companies or public institutions to provide Internet access in public areas. On the other hand, Community Networks (CN) are composed of private residential Wi-Fi APs ISP1 ISP3 ISP2 (b) CN Architecture Fig. 1: Architectures of HN and CN mainly deployed indoors. These APs broadcast several network identifiers, at least one for the private usage of the ADSL line subscriber, and another for shared access among customers of the same ISP. The second network access is usually open and uses HTTP-based authentication to grant Internet access. The typical architectures of HN and CN are depicted in Fig. 1. In HN, the APs commonly belong to a single IP network that may be interconnected to different ISPs. This allows multiple ISPs to provide network access through a single physical infrastructure. On the other hand, in CN, the APs are connected to each ISP network through a broadband link (e.g., ADSL, fibre), which leads to different IP networks at the level of a single AP or ISP. At the present time there is a lack of integration of wireless heterogeneous networks. In a common use-case, a user connected to a highly-loaded cellular base station is not able to automatically and seamlessly offload communications or make a vertical handover to a Wi-Fi HN or CN. Some efforts

91 Anexo 83 have been made to deal with this scenario by supporting internetworking of heterogeneous networks through the implementation of the IEEE u [3] protocol and 3GPP Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) [4]. These protocols aim to facilitate network discovery and selection by integrating private, public and hotspot networks in multiinterface mobile devices. In this paper, we provide a performance evaluation of wireless Internet access for mobile users. We characterize the wireless heterogeneous environment by analyzing the received power level, the coverage rate and the achieved data rate for different technologies. We also study the effect of mobility on the performance. To this end, we developed and used a specific application called Wi2Me [5] which gathers statistics and performs automatic connection with Android smartphones. We considered two environments, one in the city centre and another in a residential area, both in the city of Luxembourg. As we will see, the residential area offers better performance than the city centre, presumably because there are fewer obstacles between APs and users and lower interference. For the Wi-Fi access, we also compare HN and CN from the user perspective. The city of Luxembourg has deployed a large HN, HOTCITY, comprising almost 600 outdoor IEEE APs around the city that are interconnected in a mesh network (using a). For the CN, since none Luxembourg ISP provides CN access, we determine the potential of the most popular ISPs in Luxembourg, i.e., P&T and Visual Online (both using Fritz AP as Wi-Fi platform) and of Numericable to provide CN. We also compare HN performance to CNs studied in France [6]. In the residential areas, we performed further tests under vehicular mobility, to assess the effect of speed on user-perceived performance. Contrary to our preconceptions, vehicular users may expect better performance than pedestrian users. We will see for example that handovers are better managed at higher speed (25 km/h on average), since it forces the smartphone to react faster to changes in topology. In the pedestrian case, the signal level may remain very low without triggering a handover, despite not allowing any data exchange during this time. Also, in the vehicular case, signal level drops more quickly, thus triggering the handover at a more appropriate time. The remainder of this paper is organized as follows. In Section II we introduce related work, then in Section III we present the experimental platform. A comparative study of network access via cellular, HN and CN is given in Section IV. In Section V we focus on the residential area and HN access, and we analyze the impact of vehicular mobility. Then, in Section VI, we consider a CN scenario by merging HN and private deployments and we analyze its potential for cellular data offloading. Finally in Section VII we conclude the paper. II. RELATED WORK The performance of IEEE HN and CN have been evaluated in different deployments under diverse conditions. In general, these studies focused on characterizing the deployment properties, the user-perceived performance and the capacities of those networks for cellular data offloading in a fully heterogeneous scenario. A measurement study of the Madison MadMesh network appears in [7], where the authors evaluate user performance and bandwidth bottlenecks. Bicket et al. [8] analyze the roofnet hotspot deployment in Massachusetts in terms of the mesh architecture and multihop routing performance. Concentrating on the usage of HNs, Afanasyev et al. [9] make a detailed study of the Google Wi-Fi network, by distinguishing between static and nomadic users. However, this study does not focus on user perceived performance but on ISP-based metrics (e.g., usage patterns, network load). In recent years, the Wi-Fi paradigm has been evolving from isolated hotspots to very dense CNs [10] [11]. Instead of using a dedicated and administrated AP deployment as in HNs, CNs are based on sharing residential IEEE access through multiple Service Set Identifiers (SSID). This allows ISP subscribers that share their access to connect to other APs from the same ISP when away from home. Some examples of CNs are FON, FreeWifi or SFR Wi-Fi Public. In our previous work [6] [12] we characterized CNs in France and evaluated their user-perceived performance. We have that CNs from two of the main ISPs provide a ubiquitous access that is comparable to 3G cellular coverage. However, the main drawback of CNs is their lack of handover support, i.e., even if the user can roam to a second AP after the current link goes down, data transfers are interrupted due to unsupported mobility at the IP level. The intensive deployment of HN and CN together with the close-to-saturation condition of 3G networks has spurred network providers to develop new techniques for data offloading, i.e., forcing mobile users to send and receive data over the Wi-Fi interface instead of 3G when HN or CN access is available. Data offloading strategies have been studied and evaluated in the literature. Lee et al. [13] performed trace-driven simulations to estimate the offloading capacity in existing 3G and Wi-Fi deployments in South Korea. The results showed that users can offload on average up to 66 % of the mobile data, or even more than 80 % if the user can delay application data demands by more than one hour. Moreover, Han et al. [14] also performed trace-driven simulations from real-world mobility traces to evaluate the performance of opportunistic data offloading in mobile social networks, which not only includes Wi-Fi hotspot offloading but also peer-to-peer communications between users (using both IEEE and Bluetooth interfaces). In particular, they evaluated different algorithms for offloading target selection, reducing cellular traffic between 54 % and 71 %. III. A. Wi2Me Functionality THE WI2ME PLATFORM In order to characterize the heterogeneous wireless environment and measure user-perceived performance, we developed and used an Android application called Wi2Me [5]. This application was designed to provide fine-grained analysis of heterogeneous networks, including cellular networks, HNs and CNs. Wi2Me has the ability to connect to several Wi-Fi networks by performing automatic authentication to different providers. This feature avoids manual authentication through captive portals, allowing an automatic connection and performance evaluation of those networks. The Wi2Me platform is depicted in Fig. 2. Using Wi2Me, the mobile device gathers 2G/3G/4G base-station information and scans Wi-Fi networks at a regular frequency (in our case every 1 s). If a cellular or Wi-Fi network is available, the mobile device connects to an AP and starts a large file upload or download from a remote server located in our laboratory. During the connection, the

92 Anexo 84 Wi2Me Hotcity Network TABLE I: General Results: Pedestrian Mobility Cellular Network Server Fig. 2: Wi2Me platform Processing and Analysis C R Net APs/ Connection Av Th KB/s Pk Th KB/s Cells DL/UL (DL/UL) (DL/UL) HN / / / Cell / / / HN / / / Cell / / / mobile device stores the evolution of the connection in an internal SQLite database. Once a download or upload has started, either the file is completely transferred and another connection to a different AP may start, or the connection breaks because the smartphone has moved out of range of its AP, and there is no new candidate to perform a handover. When the user ends the experiment, this stops the application and the internal database including scanning results and connection performance is sent to a remote SQL database that aggregates the traces from multiple runs by different users. In [6], we used Wi2Me to analyze the performance of CNs in France. In this paper, we focus on HN deployments, which are typically designed to provide outdoor Internet access, but at the cost of a new network deployment (recall that CN reuse existing private APs to provide a community access). We provide a comparative analysis of these two network access methods in mobile scenarios. B. Platform Setup For the present experiment, we equipped four smartphones (S 1, S 2, S 3 and S 4 ) with the Wi2Me application and the following configuration. S 1 (a Samsung I9000 running Android 2.2) was dedicated to cellular networks: it logged beacon information and triggered data connections to the LUXGSM network when possible (upload a 20 MB file and download a 40 MB file). S 2 (an HTC One XL running Android 4.0.8) was dedicated to Wi-Fi AP scanning only (i.e., it never attempted data connections). The time interval between two consecutive scans was set to 1 s. S 3 and S 4 (both Samsung I9000 smartphones running Android 2.2) connected and automatically authenticated to the HN to perform large file uploads (20 MB) and downloads (40 MB) respectively. All four smartphones were carried at the same time during the experiment, which consisted of two scenarios. Firstly, we considered two walking itineraries in two areas in the city of Luxembourg: the city centre and the Gasperich residential neighbourhood. Fig. 11 shows these areas. Secondly, we considered a vehicular mobility scenario in the residential area in order to analyze the impact of slow and fast mobility patterns on connection performance. The results for the first scenario are presented in Section IV and those from the second in Section V. The city centre is characterized by narrow streets and medium-sized commercial buildings. In contrast, the residential area is composed of low buildings (one or two floors) and wide streets. In both cases, HN APs are deployed outdoors on 5 m tall posts. A map of the location of hotspots is available in [15]. During the pedestrian experiment in the city centre, we walked around randomly for 4.33 h for a total path of km. In the residential area, the pedestrian tests lasted for 2.64 h for a total path of km. TABLE II: Connection Performance of Multiple Users IV. Number Per-user bandwidth Total bandwidth of users KB/s KB/s PERFORMANCE ANALYSIS FOR THE PEDESTRIAN SCENARIO In this section, we characterize the performance perceived by a user walking in a street. We differentiate the performance according to whether the user is using cellular network access or the HN. In our previous study [6], we measured the deployment characteristics and user perceived performance of CNs in France and demonstrated the potential of these networks to provide wireless connectivity for pedestrian users. In the following sections, we also provide a set of metrics to compare the performance of HNs against CNs. A. Connection performance Table I shows the general results of the experiment for the pedestrian mobility scenario. In the city centre area (C) the scanning smartphone S 2 discovered 84 unique HN APs. The smartphone S 4 performed 84 file downloads (i.e., TCP connections) and the smartphone S 3 performed 117 file uploads. Note that most of these connections survived handovers as explained in Section IV-D, so multiple APs were used for each connection. In total, S 3 and S 4 connected to 45 different APs. In the residential area (R), we found 59 HN APs and triggered 47 download and 50 upload connections to 45 different APs. In both areas we observed that the throughput obtained for the cellular connections (i.e., 30 connections in the city centre and 28 connections in the residential area) was greater than that obtained using the HN (e.g., at most 224 KB/s using Wi-Fi against 460 KB/s using 3G in the downlink in the city centre). This is mainly caused by the fact that the Internet access in the HN is bandwidth-limited, i.e., the bottleneck in HN is not in the radio access. To confirm this observation, we measured the maximum per-user and total bandwidth when up to four devices are connected to the same AP. In Table II, we see that the per-user bandwidth is limited to roughly 250 KB/s regardless of the number of devices connected to the same AP. We measured the connection performance in terms of its duration and the distance the mobile user walked during this time. In our experiment, none of the downloads completed (showed 40 MB download), and only a few uploads completed (could successfully upload 20 MB). Most of the connections failed because the smartphone was not able to perform a handover when it was losing signal from its current AP. Note that the smartphone was still capable of performing handovers

93 Anexo 85 as shown in Fig. 5, but it often failed to perform sufficient handovers to complete the data transfer. In Wi2Me, we set a disconnection timer (described in Section V), which triggers a Wi-Fi disconnection when the smartphone is not able to send or receive data packets for 10 s. As stated in Table III, the median duration of a connection to HN in the city centre was 96.5 s and allowed the user to move for m. Note that these values are much higher than those we observed in CNs in France, where the median connection lasted 27.5 s. One reason for this difference is that in CNs, the mobile device address did not survive handovers, i.e., data transfers were not able to continue after changing AP. Another reason for the relatively low connection time in CNs is that APs are deployed indoors, offering a lower signal strength to users (this metric is further investigated in Section IV-C). In order to analyze connection performance, Fig. 6a and 6b show the duration and walked distance for each individual connection. Both figures also indicate the number of handovers that the mobile device experienced during every connection. We observe that in both scenarios, a connection that started and ended with a single AP association (i.e., no handovers were executed) can provide at most a connection duration of 150 s, allowing a displacement of 250 m. Note that this is a particular case where the user circled a single AP meaning that the AP was in the line of sight of the device during a long time. In contrast, Fig. 6b shows that unlike the city centre scenario of Fig. 5, in the residential area the mobile user experienced longer connections much more frequently, since more than two handovers are more commonly triggered during the file transfer. B. Deployment Characteristics In order to analyze the coverage of the HN, we measured the deployment density as the number of APs per scan. We observed that the user discovers a median of 20 APs per scan in the city centre area and up to 14 APs per scan in the residential area. Note that these APs include HNs, CNs and private APs. This difference is due to the high number of commercial facilities that deploy their own networks in the city centre compared to the residential area. Regarding the HN, as shown in the Cumulative Distribution Function (CDF) in Fig. 3, a user is able to discover a median of 2 HN APs per scan in the city centre and 3 HN APs in the residential area. In [6], the user was able to discover a median of between 1 and 2 APs per scan, depending on the ISP (up to 4 APs if the three most important French ISPs are considered). Note also that in Fig. 3 the probability of not finding any HN AP is negligible (i.e., less than 2 % in the city centre and less than 0.5 % in the residential area). This shows a high coverage compared to the CNs described in [6], where this probability was in between 10 % and 20 %. C. Received Power We have measured the received power at the mobile device. In particular, in Fig. 11a and 11d we consider the spatial coverage and received signal strength (in dbm) of the HN in both city centre and residential areas. We observe a roughly homogeneous power distribution for the HN in both areas with only a few zones having low received signal strength. The CDF of the maximum received power from the HN APs during CDF CDF CDF Fritz HN 0.1 Numericable All (HN-Numericable-Fritz) Number of APs per scan (a) Number of AP per scan: City 0.2 Fritz HN 0.1 Numericable All (HN-Numericable-Fritz) Number of APs per scan (b) Number of AP per scan: Residential Fig. 3: AP Density Fritz (C) Numericable (C) HN (C) Fritz (R) Numericable (R) HN (R) Received Power (dbm) Fig. 4: Received power distribution from scanning results scanning (see Fig. 4) shows a median power of 68 dbm (in the residential area) and 73 dbm (in the city centre) for HN. These signal levels are much higher than those measured in French CNs [6], which had a median lower than 80 dbm regardless of the ISP. Note that in CNs, an external antenna was used for the experiment, further widening the gap between HN and CN in terms of received power. Particularly in CNs, the low received signal strength is caused by the completely random placing of the APs, which is at the sole discretion of ISP subscribers, who deploy their networks for optimal indoor coverage. D. Mobility Support Mobility is a main feature in networks that are intended for outdoor usage. One of the main advantages of HNs is their mobility support, i.e., authentication and IP address is maintained during a handover to a new AP due to the usage

94 Anexo 86 1 TABLE III: Connection Performance HN-C HN-R CN [6] Median duration (s) Median distance (m) Distance (m) CDF City Residential Vehicular Residential Number of Handovers Fig. 5: Number of handovers per connection of a Wireless LAN Controller [16] (see Fig. 1a). As we showed in our previous work [6], this is not the case in CN, where even if handovers at layer 2 are possible due to high AP density, IP connections are interrupted just after the AP transition. This is because, when connecting to a CN AP, a private IP address (behind NAT) is typically assigned to the device. For the case of HNs, as illustrated in Fig. 5, the mobile device is able to perform up to six handovers during a single connection (e.g., file upload or download) in a pedestrian mobility pattern. Note that a higher number of handovers is more frequently observed in the residential scenario. This is due to a denser HN AP deployment in the residential area, which provides more APs per scan than in the city centre area (see Fig. 3). In our previous study, we observed that when connected to a CN, while at most two layer 2 handovers are observed, the data download or upload is interrupted after the first handover. V. VEHICULAR MOBILITY IN HOTSPOT NETWORKS As shown in the previous Section, the high density of HN AP and the strong signal strength can provide quite good Internet access for static and mobile users. In this Section, we further investigate mobility effects by comparing pedestrian and vehicular mobility patterns. For the vehicular case, we used an electric vehicle moving around the residential area at a maximum speed of 40 km/h (25 km/h on average) with a fluid traffic flow. During this experiment, the four smartphones were located inside the car using smartphone holders mounted on the windscreen. The user drove continuously along a predefined path for 1.5 h and triggered 80 downlink connections (using S 4 ) and 48 uplink connections (using S 3 ). As shown in Table IV, using the HN we observed higher average and maximum throughput both in download and upload connections in the vehicular than in the pedestrian scenario. As in the pedestrian mobility experiments, we also computed the duration and the distance the user moved for every Wi-Fi connection, from the start to the disconnection due to a signal loss. We observe in Fig. 7 that the mobile user experienced longer distances without loss of connectivity, up to 1350 m, which is more than double than the distances measured for the pedestrian experiments. This occurs mainly due to two Distance (m) Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers 6 handovers (a) Connection Duration and Distance: City Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers (b) Connection Duration and Distance: Residential Fig. 6: Connection Duration and Distance issues that we measured. First, when moving in a vehicle, the mobile device is able to receive a higher signal strength than when walking on the sidewalk. This can be observed in Fig. 9 that shows the CDF of the received signal strength for both mobility scenarios. Given that we used the same hardware for both experiments, this higher signal level may be due to the particular deployment of HN, which consists of external APs located close to the road. Thus, a moving vehicle is more commonly in the line of sight of the device than a pedestrian user who may be behind trees or buildings. Second, we also observed that vehicles are able to perform many more handovers before definitely losing Wi-Fi connectivity and disrupting connections at the application layer. This is illustrated in Fig. 5 showing up to 11 handovers in a vehicular scenario (compared to a maximum of 6 in the pedestrian case). In order to further analyze HN connection performance under vehicular and pedestrian mobility, we performed a third experiment that consisted of a single 700 m path in the residential area, with predefined start and stop points. In particular, Fig. 8 shows the distribution of the disconnection timeout, i.e., the amount of time that the mobile device is not able to send or receive packets just before a handover. This can be considered to be the time for the mobile device to detect a disconnection (and possibly trigger a handover). We configured a timeout of 10 s to limit the effect of disconnection detection on the connection: if the mobile device is not able to perform a handover within these 10 s, we terminate the connection. We observe that for the vehicular case, the mobile device spends

95 Anexo 87 Distance (m) Time (s) No handover 1 handover 2 handovers 3 handovers 4 handovers 5 handovers 6 handovers 7 handovers 8 handovers 9 handovers 10 handovers 11 handovers CDF Pedestrian Vehicular Signal Level (-dbm) Fig. 9: CDF of Received Power for Vehicular and Pedestrian Fig. 7: Connection Duration and Distance: Vehicular 1 CDF CDF pedestrian CDF vehicular Time (s) R Fig. 8: CDF of Disconnection Timeout TABLE IV: General Results: Vehicular Mobility Net APs/ Connection Av Th KB/s Pk Th KB/s Cells DL/UL (DL/UL) (DL/UL) Wi-Fi / / / Cell / / / a lower amount of time without transmitting data before the handover is triggered (i.e., a median of 0.3 s in the vehicular case against 3.7 s for the pedestrian case). This is because, when moving at vehicular speeds, the mobile device is able to spend a lower amount of time at very low signal strength, which is the case for pedestrian mobility. This is confirmed by analyzing the distribution of the received power strength of the current AP just before the handover occurs (see Fig. 10, where we consider the final signal strength value the mobile device was able to measure). In the vehicular case, the device is able to perform handovers at a greater signal strength (i.e., a median of 77 dbm against 81 dbm). VI. NETWORK COMPLEMENTARITY AND OFFLOADING In this section we describe the complementarity of Wi-Fi and cellular deployments in order to evaluate the data offloading potential for 3G networks. Regarding Wi-Fi deployments, we consider other existing hotspot networks based on private APs (i.e., APs belonging to private users to provide Internet access to their home or shop) from two widespread private AP deployments in Luxembourg to complement HN with a CNlike access. A general view of the residential area experiment (moving at pedestrian speed) is shown in Fig. 13. We observe CDF CDF pedestrian CDF vehicular Signal Level (-dbm) Fig. 10: CDF of Received Signal Strength at Disconnection that during the experiment, a cellular base station (supporting HSDPA) is always available. On the other hand, the mobile user is able to discover a HN AP with a received power greater than 80 dbm for the 97.2 % of the time, providing Internet access for the 88.7 % of the time (taking scanning and authentication overhead into account). Note that in our previous study of French CNs [6] the obtained Internet access availability rate was only 53.8 %, which was mainly due to a high number of unsuccessful connections (i.e., failed AP association or HTTP-based authentication) because of the low received power from those APs compared with the HN in Luxembourg. We propose a hypothetical scenario where the mobile user could access a CN composed of HOTCITY outdoor hotspots, Fritz and Numericable indoor APs. Fritz and Numericable APs are private IEEE compliant boxes that are used by Internet subscribers from different ISPs. Recall that Fritz APs are provided by two different Luxembourg ISPs, which use the Fritz platform to provide multiple services to subscribers. For comparison purposes, Fig. 3 shows the density of Fritz and Numericable indoor secured APs, which is much lower than HOTCITY, providing at least one visible AP in roughly 60 % of the cases. Also, as illustrated in Fig. 11, Fritz and Numericable provide lower coverage and signal strength compared to HOTCITY. APs from Fritz provide a median signal strength of 79 dbm in the city centre and 80 dbm in the residential area. For Numericable, these values drop to 83 dbm and 82 dbm respectively, much lower than signal levels from outdoor APs. In order to analyze the spatial complementarity of these APs, Fig. 14 shows the availability of HOTCITY, Fritz and Numericable APs (in the city centre scenario) providing a

96 Anexo 88 (a) HOTCITY Coverage: City Centre (b) Fritz Coverage: City Centre (c) Numericable Coverage: City Centre (d) HOTCITY Coverage: Residential (e) Fritz Coverage: Residential (f) Numericable Coverage: Residential Fig. 11: Wi-Fi Coverage in City Centre and Residential Areas Focusing on data offloading, even if a cellular base station was always discovered during the experiment, a reduced received power or a high density of users may prevent them to access a dedicated channel and perform data communication. In the proposed scenarios, we observe that that in terms of received power, cellular base stations and HN APs show different distributions. Fig. 12 shows the CDF of the received power when being connected to cellular networks and HN. If we consider a minimum connectivity threshold (i.e., the minimum signal strength that allows transferring data) of 80 dbm for Wi-Fi [6] and 95 dbm for 3G [17], we observe in Fig. 12 that HN can provide a signal strength greater or equal than the threshold in 90.9 % of the cases while using cellular, this falls to 82.2 %. Thus, even if cellular signal is always available, during low signal periods, the mobile device can rely on CN networks to offload cellular data by performing brief connections to the CN CDF signal strength greater than or equal to 80 dbm. We observe that the three networks complement each other well. Moreover, as we previously showed in Fig. 3, if we consider a CN as described before, this CN can provide a median of between 5 and 7 APs (depending on the area considered) with full coverage (i.e., the user is always able to discover at least one AP). We observe that the coverage level of HN, which provides at least one AP for the 82.8 % of the time, can be improved to 88.1 % if the previous CN scenario is considered. However, due to the lower received power level measured for Fritz and Numericable (a median 9 dbm lower than HOTCITY), the mobile user cannot assume the performance in terms of throughput to be similar to that of a HN Cellular HN Received Power (dbm) Fig. 12: Received power distribution from connection samples A. Discussion Although if existing heterogeneous networks provide several alternatives to perform data offloading, there is a need for a tighter integration of the different technologies. In this context, a number of limitations arise. First, new decisionmaking mechanisms must be implemented to support offloading decisions, i.e., when to offload cellular data and under which conditions. Second, due to the multi-operator nature of these deployments, multiple authentication processes may be required. Here, a common framework based on IEEE u [3] and standardized protocols for device authentication like EAP-SIM [18] could provide seamless and automatic authentication processes. Third, offloading data to different IP networks will dramatically affect real-time applications (e.g., video streaming, VoIP), which will be interrupted after the

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