Un enfoque en el que todos ganan: maximizar el rendimiento de Wi-Fi utilizando la teoría de juegos

La conectividad se ha vuelto primordial en las sociedades modernas durante las últimas dos décadas. Con el inmenso aumento en la cantidad de computadoras portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes, la mayoría de las personas hoy en día esperan tener acceso a Wi-Fi gratuito en una variedad de espacios públicos y privados. Algunos ejemplos comunes incluyen aeropuertos, restaurantes y bibliotecas, pero incluso los parques, trenes y metros ofrecen Wi-Fi en algunas ciudades.

Sin embargo, la mayoría de los entornos inalámbricos se basan en los estándares WLAN IEEE802.11. Aunque sin duda son una sorprendente hazaña de ingeniería, estos estándares adolecen de problemas inherentes que pueden reducir su rendimiento para todos los usuarios de una red.

Por ejemplo, si un usuario lento se une a una red de área local inalámbrica (WLAN), su velocidad de transmisión lenta puede afectar la tasa de rendimiento de otros usuarios, ya que los usuarios comparten los canales de comunicación del punto de acceso (AP o «enrutador») por turnándose para usarlo. Además, los usuarios también pueden interferir entre sí cuando intentan comunicarse con el AP, lo que afecta negativamente el rendimiento de los demás.

Los científicos han ideado algunas estrategias para intentar minimizar los efectos de estos problemas y mejorar el rendimiento general de los AP. Algunos de estos métodos son cooperativos, lo que significa que el AP puede solicitar a los usuarios que cambien su posición para mejorar el rendimiento del sistema.

Aunque se trata de una estrategia prometedora, muchas técnicas existentes no consideran simultáneamente la interferencia entre los usuarios y la velocidad de transmisión de cada usuario. A su vez, otras técnicas no tienen en cuenta la posibilidad de que algunos usuarios puedan ser fijos, mientras que otros pueden moverse.

Para abordar estas limitaciones, un equipo de investigación que incluye a la profesora asociada Sumiko Miyata del Instituto de Tecnología Shibaura (SIT) ha desarrollado un novedoso método de conexión AP utilizando la teoría de juegos. Su último artículo, escrito por Yu Kato de SIT y coautor de Jiquan Xie y Tutomu Murase de la Universidad de Nagoya, es publicado en el Revista abierta IEEE de la sociedad de las comunicaciones.

La teoría de juegos es una rama de las matemáticas que se ocupa principalmente del análisis de decisiones y la toma de decisiones, especialmente dentro de marcos («juegos») claramente definidos con reglas, posibles acciones y agentes. Generalmente, el objetivo del análisis de la teoría de juegos es identificar estrategias óptimas.

«Para entornos de comunicación inalámbrica donde existen múltiples usuarios y deben ser considerados, la teoría de juegos es una de las teorías más adecuadas para el análisis», explica el Dr. Miyata. «En el enfoque propuesto en nuestro artículo, la posición del usuario que maximiza el rendimiento del sistema se determina utilizando lo que se conoce como ‘juego potencial’, que es un tipo de modelo en la teoría de juegos».

El modelo de juego potencial desarrollado, cuya función objetivo es maximizar el rendimiento del sistema, condensa los incentivos para todos los usuarios en una única función. De esta forma, y ​​a diferencia de los métodos anteriores, se considera el impacto que tiene la posición de los nuevos usuarios que se incorporan a una WLAN sobre los usuarios existentes. Además, el nuevo enfoque también tiene en cuenta la interferencia entre usuarios calculando las probabilidades de colisiones de paquetes.

Los investigadores probaron su estrategia de conexión AP propuesta, que se basaba directamente en su modelo de juego potencial, comparándola con métodos de conexión AP anteriores. Analizaron el rendimiento de AP resultante para cada método en una amplia variedad de escenarios que involucran diferentes posiciones de usuario. De esta manera, demostraron que la estrategia propuesta casi siempre daba como resultado una mejora del rendimiento en comparación con otras técnicas, alcanzando la mejora en el rendimiento del sistema hasta un 6% en algunos casos.

Aunque tener un enrutador que indique a los usuarios nuevos o existentes que se muevan no es factible en todas las situaciones, la estrategia propuesta podría encontrar un hogar en ciertos entornos.

«Nuestro método podría ser una opción potencial para los servicios Wi-Fi en aulas y bibliotecas debido a sus características de ausencia de ubicación y bajo tráfico humano», explica el Dr. Miyata. «El sistema Wi-Fi calcularía las posiciones óptimas de los usuarios en función de sus ubicaciones para mejorar el rendimiento general y animarlos a tomar medidas cooperativas, motivados por el deseo de aumentar también su propio rendimiento».

En general, métodos como el desarrollado en este estudio son importantes, dada la innumerable cantidad de dispositivos habilitados para Wi-Fi presentes en la actualidad.

«Los sistemas AP deben ser eficientes en el uso de sus recursos de red. La técnica propuesta es una tecnología importante para la realización de ciudades inteligentes, donde todo está conectado a Internet», concluye el Dr. Miyata.