Introducción a las redes inalámbricas

Una red inalámbrica es una red de comunicación que utiliza capas de protocolos, incluidas la capa física (PHY), de aplicación, de control de acceso al medio (MAC) y de señales de radiofrecuencia (RF), para transmitir y recibir datos entre dispositivos en un canal inalámbrico. Las redes inalámbricas se caracterizan por tener nodos y enlaces, que representan las conexiones entre dichos nodos.

El diseño de una red inalámbrica conlleva varios desafíos, como cobertura y alcance, interferencia, capacidad y ancho de banda, calidad de servicio (QoS) y escalabilidad. Para afrontar estos retos, los equipos de ingeniería deben configurar arquitecturas de redes inalámbricas, diseñar protocolos operativos y de planificación, y garantizar que se cumplan indicadores clave de rendimiento (KPI) tales como tasa de transferencia, latencia y tasa de errores de paquetes.

Puede utilizar MATLAB^® para explorar el espacio de la red inalámbrica, simulando y analizando componentes de una red inalámbrica, tales como:

• Topologías de redes inalámbricas
• Nodos inalámbricos con pilas de protocolos
• Algoritmos de MAC que incluyen planificación de recursos, priorización de tráfico y QoS
• Ubicación de nodos y su movilidad
• Distorsiones y modelos de canal

Topologías de redes inalámbricas

Comprender la topología de una red inalámbrica es importante para establecer la distribución de los nodos dentro de una red. Describe tanto la estructura física de los nodos como las rutas que siguen los datos entre ellos.

MATLAB permite simular y analizar diferentes tipos de topologías, tales como:

1. Topología en estrella: Arquitectura de punto a punto en la que los nodos se comunican directamente con un punto de acceso central.
2. Topología de malla: Arquitectura de par a par en la que cada nodo de la red está interconectado con varios nodos.
3. Malla híbrida: Combinación de topologías en estrella y de malla. Suele incluir un punto de acceso conectado a los nodos de malla.

La elección de topología depende de factores tales como el propósito de la red, su escalabilidad y las características de rendimiento deseadas.

A grandes rasgos, las redes inalámbricas se pueden categorizar en dos tipos: homogéneas y heterogéneas. Estos términos hacen referencia a la composición y las características de la infraestructura de red y dispositivos conectados a ella. Una red inalámbrica homogénea consta de nodos que usan la misma tecnología de acceso, como una red solamente compuesta de componentes WLAN. Por otro lado, una red inalámbrica heterogénea integra varias tecnologías de acceso, como una combinación de WLAN, Bluetooth^® y 5G.

Nodos en una red inalámbrica

Cada nodo de una red inalámbrica tiene su propia pila de protocolos, que consta del conjunto de protocolos de red y capas de software que utiliza para comunicarse y participar en la red. Aunque cada pila de protocolos puede variar según la norma de comunicación específica que esté utilizando, suelen adherirse a la estructura fundamental proporcionada por el modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI).

Puede utilizar 5G Toolbox™, WLAN Toolbox™ y Bluetooth Toolbox™ para modelar redes a través de una pila de protocolos de modelo de referencia OSI, lo que mejorará aún más su comprensión de las diversas funcionalidades realizadas en diferentes capas.

Por ejemplo, la pila dentro de los nodos de una red de comunicación 5G se puede modelar de la siguiente manera:

La pila de protocolos permite que el nodo gestione diversas tareas y responsabilidades en diferentes capas de la arquitectura de red. Se basa en el modelo OSI, un marco conceptual que estandariza las funciones e interacciones de diferentes protocolos y sistemas en una red. Cada nodo de comunicación opera sus diversas funcionalidades realizadas en diferentes capas.

A continuación, encontrará una visión general de las distintas capas de pila de protocolos OSI y la función que desempeña cada capa:

• Capa física: Se encarga de tareas de modulación, codificación, transmisión y recepción de ondas de radio.
• Capa de enlace de datos: Gestiona acceso a canales, control de acceso al medio (MAC), y detección y corrección de errores.
• Capa de red: Se centra en enrutar y reenviar paquetes de datos entre diferentes nodos de la red. Gestiona tareas de direccionamiento IP, protocolos de enrutamiento y gestión de la congestión de red.
• Capa de transporte: Gestiona tareas de segmentación, control de flujo y recuperación de errores. En esta capa se utilizan los protocolos TCP (Protocolo de control de transmisión) y UDP (Protocolo de datagramas de usuario).
• Capa de sesión: Gestiona la sincronización de sesiones, los puntos de control y la recuperación.
• Capa de presentación: Garantiza que los datos se intercambien entre aplicaciones en un formato que ambas partes puedan entender.
• Capa de aplicación: Capa en la que las aplicaciones y servicios de usuario interactúan con la red. Incluye protocolos HTTP, FTP y SMTP.
  

Canales en una red inalámbrica

En una red inalámbrica, un canal se refiere a una porción específica del espectro inalámbrico y al entorno físico asignado para transmitir y recibir señales inalámbricas. Las asignaciones de canales dividen el espectro de frecuencias disponible en bandas más pequeñas. Cada canal opera en una frecuencia central específica y utiliza un ancho de banda, es decir, un rango de frecuencia dentro del espectro inalámbrico. Por ejemplo, en la banda de 2,4 GHz, los canales Wi-Fi^® están espaciados 5 MHz entre sí, mientras que en la banda de 5 GHz, los canales suelen tener 20 MHz o más de ancho.

Los canales representan el entorno en que las distorsiones tales como ruido e interferencias, se agregan a una señal transmitida. Equipos de ingeniería de redes inalámbricas utilizan MATLAB para trabajar en técnicas de compensación y modelado de canales como la corrección de desvío de frecuencia portadora, que mitiga la interferencia y permite la coexistencia entre redes inalámbricas. La interferencia ocurre cuando varios dispositivos inalámbricos operan en el mismo canal o en canales superpuestos, lo que provoca degradación de la señal y reducción del rendimiento. La coexistencia hace referencia a la capacidad de varias redes o dispositivos inalámbricos para operar en el mismo entorno sin causar interferencias significativas entre sí.

Indicadores clave de rendimiento de una red inalámbrica

Cuando se diseñan y optimizan redes inalámbricas, se debe analizar más a fondo el rendimiento (KPI) en nivel de nodo y de red. MATLAB proporciona una plataforma para analizar los KPI, tales como:

• Tasa de transferencia: Cantidad de datos que pueden transmitirse a través de una red inalámbrica en un tiempo determinado.
• Latencia: Intervalo de tiempo entre el inicio de una transferencia de datos y la recepción de la respuesta o acuse de recibo correspondiente.
• Equidad en la asignación de recursos: Distribución equitativa de los recursos de red disponibles entre varios usuarios o dispositivos en una red inalámbrica.
• Uso de los recursos: Eficiencia del uso de recursos medida como el porcentaje de recursos que se utilizan en comparación con el total de recursos disponibles.
• Eficiencia espectral: Cantidad de datos que se pueden transmitir de manera fiable en un ancho de banda o rango de frecuencia determinado.
• Densidad de conexión alcanzable: Capacidad de la red para albergar una gran cantidad de dispositivos o usuarios de manera simultánea.

Simulación de redes inalámbricas con MATLAB

Puede utilizar MATLAB y sus toolboxes de comunicación inalámbrica para modelar, simular y optimizar redes inalámbricas. Estas redes pueden basarse en estándares 5G y WLAN o redes generales ad hoc. La selección del estándar guía aún más el proceso de especificar canales y configurar modelos de tráfico y detalles de protocolos.

Por ejemplo, con MATLAB puede crear una simulación de red simple en menos de 15 líneas de código, incluyendo un flujo de trabajo simplificado con características de nodo. Para ampliar, configurar y personalizar el código, puede:

• Crear una nueva red
• Agregar nodos al simulador
• Interactuar con los nodos
• Planificar acciones que se realizarán durante las simulaciones
• Conectar modelos de canales personalizados

% Simulation durations in terms of 10ms frames
rng('default'); 
numFrameSimulation = 100; 

% Create simulator
networkSimulator = wirelessNetworkSimulator.init(); 

%Create the gNB
gNB = nrGNB(TransmitPower=34, CarrierFrequency=2.6e9, ... 
    ChannelBandwidth=5e6); 

% Create the UEs
uePositions = [300 -400 0; 700 700 0; -1000 500 0; -1000 -500 0]; 
UEs = nrUE(Position=uePositions, TransmitPower=23); 

% Form the NR cell by connecting UEs to gNB
connectUE(gNB, UEs, FullBufferTraffic="on"); 

% Add nodes to the simulator and run the simulation
addNodes(networkSimulator, gNB); 
addNodes(networkSimulator, UEs); 
run(networkSimulator, numFrameSimulation*1e-2); 

% Read performance metrics
gNBStats = statistics(gNB) 
ueStats = statistics(UEs); 

Fragmento de código de MATLAB que implementa una simulación de red inalámbrica utilizando Communications Toolbox Wireless Network Simulation Library.

Wireless Network Simulation Library es un complemento gratuito de Communications Toolbox™ que facilita estas funcionalidades. Proporciona funciones, apps y ejemplos para una simulación de red inalámbrica eficiente y personalizable.