Ac as de las XV Jo nadas
de Ingenie ía Telemá ica
(JITEL 2021),
A Co uña (España),
27-29 de oc ub e de 2021.
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T´
ecnicas de op imizaci´
on de edes Wi-Fi
cen adas en el clien e
Luis C uz-Pi isa, Jose Manuel Gimenez-Guzmana, I an Ma sa-Maes ea,
Susel Fe nandeza, Ma ino Tejedo -Rome ob
aDepa amen o de Au om´
a ica, bDepa amen o de F´
ısica y Ma em´
a icas
Uni e sidad de Alcal´
a
Escuela Poli ´
ecnica Supe io , Campus Uni e si a io, 28805 Alcal´
a de Hena es (Mad id), Spain.
{luis.c uz,josem.gimenez,i an.ma sa,susel. e nandez,ma ino. ejedo }@uah.es
Aunque las edes de comunicaci´
on ienen como ob-
je i o p incipal do a de conec i idad y p opo ciona
se icios a los usua ios inales, el papel que ienen
es os en su dise˜
no y con igu aci´
on es es imonial. En
la capa del n´
ucleo y dis ibuci´
on de las edes pa ece
azonable que sea as´
ı. Sin emba go, en la capa de ac-
ceso y, especialmen e en edes de acceso inal´
amb ico
donde las acciones de los usua ios al e an de o ma
sus ancial la p opia ed, no lo es an o. La hip´
o esis
p incipal de es e abajo es que el dise˜
no, ges i´
on y
con igu aci´
on de edes de acceso inal´
amb ico cen-
adas en los usua ios puede p opo ciona mejo es
soluciones espec o a los esquemas ac uales. En con-
c e o se p opond ´
a un algo i mo gen´
e ico pa a la
asignaci´
on de canales ´
op ima en e pun os de acceso.
Pos e io men e, se aplica ´
an ´
ecnicas cen adas en
los clien es como son la easignaci´
on de clien es a
di e en es pun os de acceso y la desconexi´
on empo al
de clien es conc e os. Los expe imen os mues an que
dichas ´
ecnicas pe mi en mejo a sensiblemen e el
endimien o.
Palab as Cla e—Wi-Fi, op imizaci´
on, asignaci´
on de
canales, algo i mo gen´
e ico, usua ios
I. INTRODUCCI ´
ON
En las dos ´
ul imas d´
ecadas, las edes de acceso locales
inal´
amb icas han e olucionado la mane a en la que los
usua ios se conec an a In e ne . En e es as edes, des acan
las basadas en la amilia de p o ocolos IEEE 802.11,
come cialmen e conocidas como edes Wi-Fi. Aunque las
edes Wi-Fi disponen de a ios modos de uncionamien o,
el m´
as popula es el modo in aes uc u a. En dicho modo,
las edes cons an de dos ipos de disposi i os de ed:
pun os de acceso (AP) y es aciones (STA). Ejemplos de
STA son o denado es, el´
e onos, able as, e c. En el modo
in aes uc u a, cada STA se asocia a un de e minado AP y
odas sus comunicaciones con el es o de la ed se ealizan
a a ´
es de dicho AP. Po ese mo i o, com´
unmen e se
indica que las STA son clien es de los APs.
La cada ez mayo demanda de se icios de ed y
coexis encia de edes inal´
amb icas y usua ios que com-
pa en una misma banda de ecuencias del espec o a-
dioel´
ec ico ha p o ocado que el dise˜
no y ope aci´
on de
las edes Wi-Fi sea un p oblema al que la comunidad
cien ´
ı ica deba a ende . As´
ı pues, la casi o alidad de los
abajos elacionados con las edes Wi-Fi ponen el oco
en los APs. Sin emba go, es e abajo pa e de la hip´
o esis
de que, si los clien es inales son las STAs, es as deben
ene un papel m´
as ele an e en el uncionamien o de la
ed. Es habi ual que se asuma que las STAs se asocien al
AP del cual eciben una mayo po encia de se˜
nal ecibida,
siendo pocos los abajos que no hacen dicha suposici´
on.
Po ejemplo, en [1] se iene en cuen a la asociaci´
on STA-
AP de mane a conjun a con la asignaci´
on del canal en el
que ope a cada pun o de acceso. De hecho, la asignaci´
on
o selecci´
on del canal en el que ope a cada AP ha sido
p o usamen e es udiada, po la complejidad del p oblema y
el impac o que iene en las p es aciones de la ed. En [2] se
ecogen los p incipales es ue zo ealizados en es e campo,
clasi icando las ´
ecnicas en dos ca ego ´
ıas: cen alizadas y
no coo dinadas. No obs an e, desde la publicaci´
on de dicho
es ado del a e, han apa ecido nume osas apo aciones a
es e p oblema [3], [4], [5], [6]. Pese a los nume osos
es udios, la asignaci´
on de canales en edes Wi-Fi no es
un p oblema esuel o dada su complejidad. Una de las
uen es de esa complejidad en la asignaci´
on de canales
Wi-Fi es el hecho de que los canales adyacen es en los
que puede ope a un AP se solapan pa cialmen e en e s´
ı.
Es e abajo se cen a en la asignaci´
on de canales en
edes Wi-Fi en modo in aes uc u a d´
andole un mayo
p o agonismo al clien e inal, siendo sus p incipales con-
ibuciones las siguien es:
1) P opues a de un algo i mo gen´
e ico pa a conoce
las p es aciones m´
aximas que puede o ece una ed
Wi-Fi median e una selecci´
on ´
op ima de canal.
2) Es udio y e aluaci´
on de ´
ecnicas de asignaci´
on de
241
C uz-Pi is, Gimenez-Guzman, Ma sa-Maes e, Fe nandez, Tejedo -Rome o, 2021.
canales ´
op ima cuando se pe mi e que las STAs no
se asocian au om´
a icamen e al AP del que eciben
una mayo po encia de se˜
nal sino al que maximiza
el endimien o de la ed.
3) Adicionalmen e, ambi´
en se con empla la opci´
on
de ealiza una desconexi´
on selec i a de STAs de
mane a empo al pa a que as´
ı, ac uando de man-
e a solida ia empo almen e, o as STAs de la ed
puedan mejo a su endimien o.
La es uc u a del abajo se indica a con inuaci´
on. La
siguien e secci´
on desc ibe las ´
ecnicas de op imizaci´
on
basadas en los clien es, mien as que las secciones III
y IV se cen an en la desc ipci´
on de los expe imen os y
esul ados. Finalmen e, la secci´
on V concluye el abajo y
de ine las p ´
oximas l´
ıneas de es udio.
II. T ´
ECNICAS DE OPTIMIZACI ´
ON CENTRADAS
EN LOS CLIENTES
Dado que la posibilidad de con igu a has a x
pa ´
ame os en ynodos de cada escena io inal´
amb ico es un
p oblema combina o io de ipo NP-ha d [7], las soluciones
con un en oque cen alizado y basada en me aheu ´
ıs icas
son muy ecuen es. El uso de algo i mos e olu i os,
especialmen e gen´
e icos, en es e con ex o no es nue o. En
[8] los au o es buscan ubicaciones ´
op imas pa a desplega
pun os de acceso con el obje i o de man ene unos ni eles
m´
ınimos de se˜
nal en odo la zona.
En es e abajo se ha ealizado un en oque di e en e
pa iendo de ubicaciones ya ijadas y a iando la asig-
naci´
on de canales que u ilizada cada pun o de acceso. En
la secci´
on A se mues a el algo i mo gen´
e ico dise˜
nado
con es e in. Pos e io men e, en las secciones B y C se
explica ´
an, de o ma esumida, dos ´
ecnicas pa a a ia
las con igu aciones de la ed inal´
amb ica cen adas en los
clien es.
A. Asignaci´
on de canales basada en un algo i mo
gen´
e ico
En una ed Wi-Fi enemos un conjun o de npun os
de acceso (APi) a los que se les debe asigna un canal
(chj) de en e los mdisponibles en el conjun o CH. Pa a
el caso de la banda de 2.4 GHz, m= 11. Teniendo en
cuen a es o, se de ine el indi iduo del algo i mo gen´
e ico
como la sucesi´
on de canales asignados a cada APs, es
deci , I= [ch1, ch2, . . . , chn]donde chx∈CH y cada
gen se co esponde con un APi. Po an o, la longi ud del
indi iduo se ´
an(n´
ume o de APs de la ed).
Los ope ado es de inidos pa a es e GA se mues as a
con inuaci´
on:
•Gene aci´
on de la poblaci´
on inicial: Pa a cada gen
que compone cada indi iduo se le asigna de o ma
alea o io un alo del conjun o CH.
•Ope ado de c uce: Dados dos indi iduos (pad e 1 y
pad e 2), se gene a un ec o de la misma longi ud de
los indi iduos o mado po unos y ce os. El hijo es el
esul ado de oma los alo es de las posiciones donde
es e ec o ale ce o del pad e 1 y en las posiciones
que iene el alo uno del pad e 2.
•Ope ado de mu aci´
on: Se e al´
ua cada gen del indi-
iduo y con una p obabilidad Pmse asigna a ese gen
un nue o alo del conjun o CH.
•Funci´
on de e aluaci´
on: Rep esen a la u ilidad o al de
la ed. Se de alla en la secci´
on III.A.
B. Reasignaci´
on de clien es (CR)
En el modo de uncionamien o pasi o de la edes Wi-Fi,
las STA (clien es) escuchan espe ando la llegada de balizas
gene adas po los APs. En es as balizas, cada AP p opo -
ciona in o maci´
on ela i a a sus modos de uncionamien o
e iden i icaci´
on. En el caso de que una STA enga a ias
al e na i as pa a conec a se a una misma ed, de o ma
gene alizada, inicia el p oceso de conexi´
on al AP que le
o ece la se˜
nal con mayo po encia.
Pa iendo de la hip´
o esis de que pa a edes muy densas
es e ipo de asignaci´
on puede no se la mejo opci´
on, se
dise˜
na una me odolog´
ıa de easignaci´
on de clien e a AP
que sigue los siguien es pasos:
1) Desde el pun o de is a de cada STA se es ablecen
los APs que es ´
an en su adio de cobe u a.
2) Cada STA e al´
ua la calidad de su conexi´
on en
base al pa ´
ame o RSSI (Recei ed Signal S eng h
Indica o ).
3) Se es ablece un alo umb al con la calidad m´
ınima
deseable pa a cada STA.
4) Cada STA que iene iene una conexi´
on con un alo
de RSSI in e io al umb al, se desconec a del AP
ac ual y es ablece una conexi´
on con el siguien e AP
m´
as p ´
oximo (con mejo alo de po encia).
5) Se e al´
ua el nue o alo de u ilidad de ese nodo.
Si es mejo , la conexi´
on se hace pe manen e, si
empeo a, el algo i mo p ueba con el siguien e AP.
C. Desconexi´
on selec i a de clien es (SD)
En si uaciones donde el n´
ume o de STA es muy nu-
me oso y hay un al o g ado de in e e encias, el alo de
RSSI de cada STA suele se bajo. Es o a ec a di ec a-
men e a la calidad de la conexi´
on, llegando incluso a la
deg adaci´
on del se icio sea al que pudie a se equi alen e
a que una STA no es u ie a asociado a su AP. De es a
si uaci´
on se plan ea la hip´
o esis de que los clien es puedan
elegi pe iodos de iempo de inac i idad, donde e i a ´
ıan
ealiza cualquie ipo de emisi´
on y, po an o, deja ´
ıan de
ac ua como se˜
nales in e e en es sob e el es o. Si adem´
as,
es a desconexi´
on selec i a se ealiza po g upos, la u ilidad
o al de la ed pod ´
ıa aumen a p e isiblemen e.
Con es e in se dise˜
na el modo de uncionamien o
SD. Cada STA que iene un alo RSSI in e io a un
de e minado alo , puede ag upa se con o as STA en la
misma si uaci´
on. Es os g upos de STAs deciden in e alos
de iempo en los que pasa an a un modo inac i o. Es e
compo amien o se eplica en e g upos de STA coo di-
nadas. En es a ase de la in es igaci´
on, donde se pe sigue
alida la uncionalidad de es e sis ema, la ges i´
on de las
STA se ealiza de o ma cen alizada.
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T´
ecnicas de op imizaci´
on de edes Wi-Fi cen adas en el clien e
III. EXPERIMENTOS
Pa a aplica las p ime as p uebas sob e las ´
ecnicas
p opues as se han enido que desa olla dos ipos de
elemen os: un modelo pa a la p opagaci´
on de se˜
nales e
in e e encias, y un conjun o de escena ios ep esen a i os
sob e los que ealiza los expe imen os. En es a secci´
on
se mos a ´
an, de o ma esumida, las p opues as ealizadas
en es os sen idos.
A. Modelo de p opagaci´
on e in e e encias
Las edes de comunicaciones son modeladas habi ual-
men e como g a os. Pa a es e p oblema en conc e o se ha
op ado po u iliza dos g a os: el g a o de conec i idad (G)
y el g a o de in e e encias (I). G ep esen a la asociaci´
on
en e los clien es (STA) y los pun os de acceso (AP) de la
ed Wi-Fi basada en in aes uc u a.
Como las in e e encias end ´
an di e en es in ensidades,
I es un g a o ponde ado donde el cos e de cada enlace
ep esen a ese alo . Dados dos nodos xey, uncionando
en los canales iyj, espec i amen e (iyj∈ {1,...,11},
puede se de inida como:
I(x, y) = P +G +G −L−Ploss +ψ+W(i, j),(1)
donde P es la po encia de ansmisi´
on en dBm, G y
G ep esen an la ganancias de las an enas de emisi´
on y
ecepci´
on en dB, L ep esen a las p´
e didas de po encia
debida a los posibles obs ´
aculos en dB y Ploss ep esen a
las p´
e didas de p opagaci´
on en dB (basado en la dis ancia
y al u as de las an enas [9]). Ya que las es aciones y los
pun os de acceso no es ´
an ansmi iendo odo el iempo,
se es able el pa ´
ame o ψcomo el ´
ındice de ac i idad.
Po ´
ul imo, W(i, j) ep esen a la in e e encia en e los
canales iyjdebido a su solapamien o en ecuencia. Los
alo es u ilizados pa a de ini W(i, j)son los ob enidos
en base a expe imen os en [10]. Ya que el uso de edes
basadas en ecuencias de 2.4 GHz son las m´
as habi uales,
y las que po su adio de cobe u a gene an m´
as con lic os,
se ´
a es a banda en la que se cen e el modelo ealizado.
A pa i de los g a os G e I es sencillo ob ene el alo
de SINRi(signal- o-in e e ence-plus-noise a io) como
el cocien e en e la se˜
nal deseada y la suma del es o de
se˜
nales in e e en es que ecibe el nodo i. La u ilidad de
cada nodo (Ui) es un alo en e 0 y 1, ob enido a pa i
de su SINRi al y como se mues a en [11]. La unci´
on
obje i o de es e modelo calcula el alo de u ilidad de
cada nodo y de uel e la suma de u ilidades al que U=
P∀iUi.
B. Escena ios de p uebas
Las p uebas ealizadas se han lle ado a cabo u ilizando
la dis ibuci´
on de APs (26 en o al) exis en e en la p ime a
plan a de la Escuela Poli ´
ecnica Supe io de la Uni e sidad
de Alcal´
a. Se han gene ado un conjun o de 12 escena ios
di e en es, a iando el n´
ume o de es udian es y sus posi-
ciones ( eniendo en cuen a si se encuen an den o o ue a
de las aulas). Es os escena ios pueden e se en de alle en
abajos an e io es como [3], [5], [7], [6].
En la ig.1 se mues an 3 de los 12 escena ios donde se
pueden ap ecia como los APs (pun os azules) siemp e
Fig. 1. Rep esen aci´
on de es escena ios donde los c´
ı culos azules
ep esen an los pun os de acceso y el es o de c´
ı culos los clien es
(colo eados seg´
un su alo de u ilidad).
es ´
an ubicados en las mismas posiciones, mien as los
clien es ( es o de pun os) a ´
ıan de posici´
on y aumen an
seg´
un el escena io.
C. P uebas ealizadas
La asignaci´
on de canales a cada pun o de acceso ha sido
abo dada en an e io es abajos u ilizando op imizado es
basado en LCCS (Leas Conges ed Channel sea ch), SA
(Simula ed Annealing)[3] y CRO-SL (Co al Ree s Op-
imiza ion wi h Subs a e Laye )[6]. En es e abajo se
in oduce los algo i mos gen´
e icos (GA) como ´
ecnica de
op imizaci´
on base, adem´
as de aplica sob e los mejo es e-
sul ados ob enidos, los m´
e odos de easignaci´
on de clien es
(CR) y desconexi´
on selec i a (SD).
En un p ime conjun o de p uebas se ealiza la op-
imizaci´
on de los canales Wi-Fi pa a los mismos 12
escena ios de an e io es abajos u ilizando el algo i mo
gen´
e ico p opues o en la secci´
on A. Pa a cada uno de los
escena ios ealiza la elecci´
on de canales u ilizando el GA
una p obabilidad de mu aci´
on del 2%. Es os esul ados se
compa a ´
an con los ob enidos po o os m´
e odos.
Un segundo bloque de p uebas se cen a en, a pa i
de la mejo con igu aci´
on de canales ob enidas pa a con
CRO-SL y GA, se aplica de o ma cen aliza una esig-
naci´
on de clien es y una desconexi´
on selec i a, e aluando
el alo de la unci´
on de u ilidad global de cada escena io.
IV. RESULTADOS INICIALES
La abla I compa a la p opues a de u iliza un algo-
i mo gen´
e ico pa a la op imizaci´
on de la asignaci´
on de
canales Wi-Fi en escena ios complejos con los esul ados
ob enidos en abajos an e io es [6]. Los esul ados de la
p opues a mejo an siemp e los ob enidos con LCCS y SA.
Adem´
as, se ap oximan e incluso mejo an en de e minados
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C uz-Pi is, Gimenez-Guzman, Ma sa-Maes e, Fe nandez, Tejedo -Rome o, 2021.
escena ios a los alo es ob enidos con CRO, siendo GA
una ´
ecnica compu acionalmen e menos cos osa.
Tabla I
VALORES DE UTILIDAD M ´
AXIMA OBTENIDOS PARA M ´
ETODO DE
OPTIMIZACI ´
ON DE ASIGNACI ´
ON DE CANALES WI-FI UTILIZADOS.
Escena io LCCS SA CRO-SL GA
1 214,05 244,68 251,17 245,73
2 206,91 234,40 241,29 236,98
3 233,19 239,09 249,69 243,43
4 285,93 356,00 365,24 358,44
5 314,16 356,68 377,13 371,56
6 315,63 385,10 375,96 378,26
7 378,83 494,36 512,93 502,39
8 396,42 543,48 556,20 557,11
9 371,06 501,92 507,32 510,07
10 468,93 605,03 598,94 593,04
11 472,61 601,77 636,32 613,75
12 481,65 586,66 616,83 600,61
Pa a analiza las posibles en ajas de los m´
e odos de
easignaci´
on de clien es (CR) y desconexi´
on selec i a (SD)
se han omado como base las con igu aciones ob enidas
con los op imizado es CRO-SL y GA en el paso an e io ,
ya que son los que mejo alo de u ilidad han o ecido. A
pa i de es os escena ios en lo que se hab´
ıa ya es ´
abamos
en alo es m´
aximos, se ha p ocedido a analiza la epe -
cusi´
on que end ´
ıan los m´
e odos CR y SD. Los esul ados
ob enidos pa a odos los escena ios de es udio se mues an
en la abla II.
Tabla II
MEJORAS OBTENIDAS CON LOS M ´
ETODOS DE REASIGNACI ´
ON DE
CLIENTES (CR) Y DESCONEXI ´
ON SELECTIVA (SD).
Escena io CRO-SL GA
OP CR SD OP CR SD
1 251,17 252,43 267,62 245,73 248,17 260,55
2 241,29 241,31 253,48 236,98 237,06 252,74
3 249,69 250,30 259,56 243,43 243,43 250,75
4 365,24 365,24 392,91 358,44 361,33 380,99
5 377,13 378,39 409,72 371,56 373,73 406,41
6 375,96 377,06 414,58 378,26 379,58 415,28
7 512,93 514,14 564,95 502,39 502,60 551,62
8 556,20 558,07 599,20 557,11 558,97 600,85
9 507,32 507,99 557,61 510,07 511,61 555,84
10 598,94 607,28 679,18 593,04 594,52 667,32
11 636,32 637,96 694,78 613,75 617,13 684,80
12 616,83 618,27 696,17 600,61 601,89 682,07
Aunque la con igu aci´
on base de los APs en es os
escena ios es un caso ex emo en el sen ido de que
se ha llegado p e iamen e a unos alo es de u ilidad
muy ele ados con p ocesos de op imizaci´
on in ensi os, se
puede ap ecia como los m´
e odos CR y SD p opo cionan
mejo as sensibles. Pa a el caso de la econexi´
on selec i a
se consiguen mejo as de en e el 0,5% y el 1%. Es as
mejo as no son demasiado g andes, pe o se deben de pone
en el con ex o de un escena io es ´
a ico y muy op imizado.
Po o o lado, la desconexi´
on selec i a de las STA que
iene peo RSSI del escena io p opo ciona mejo as en la
u ilidad global de en o no al 10%, llegando a ene incluso
alo es m´
aximos del 13,56%.
V. TRABAJOS FUTUROS
Nues o obje i o es explo a la posibilidad de aslada
el peso de la con igu aci´
on de una ed Wi-Fi a los clien es,
en e a los mecanismos adicionales cen ados en la
p opia ed. En es e a ´
ıculo se p esen an las p ime as
hip´
o esis y esul ados de nues o abajo en es a l´
ınea,
quedando de mani ies o que es un desa ´
ıo impo an e pe o
con el po encial de se muy uc ´
ı e a. Las ´
ecnicas u i-
lizadas de easignaci´
on y desconexi´
on selec i a de clien es,
aunque lle adas a cabo desde un pun o de is a cen al-
izado, mues an que p opo cionan mejo as sensibles. Los
siguien es pasos de la in es igaci´
on se cen a ´
an en la
aplicaci´
on de es as ´
ecnicas de o ma dis ibuida, a pa i
de la pe cepci´
on de cada clien e.
AGRADECIMIENTOS
Es e abajo ha sido pa cialmen e inanciado po las
ayudas SBPLY/19/180501/000171 de la Jun a de Comu-
nidades de Cas illa-La Mancha y FEDER, y CM/JIN/2019-
031 de la Comunidad de Mad id y la Uni e sidad de
Alcal´
a.
REFERENCIAS
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