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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WMAN MEDIANTE EL ESTÁNDAR IEEE 802.11g MODIFICADO PARA ENLACES DE LARGO ALCANCE DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.

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2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WMAN MEDIANTE EL ESTÁNDAR IEEE g MODIFICADO PARA ENLACES DE LARGO ALCANCE DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA RAMIRO PAUL ARIAS MALDONADO GINO ESTEBAN GAVILANES GUERRERO SANGOLQUÍ – ECUADOR 2013

3 CONTENIDOS Objetivos 1 Planteamiento del problema 2 Materiales y métodos 3 Diseño y simulación de la red 4 Implementación 5 Resultados obtenidos 6 Conclusiones y recomendaciones 7

4 OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar la red en las sedes de la ESPE mediante el estándar IEEE g, modificado para enlaces de largo alcance, que garantice el desempeño de tráfico de voz y datos, así como la QoS para un enlace superior a 50 Km.

5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS (i) Analizar protocolos de enrutamiento adecuados para enlaces WiFi de larga distancia en el entorno de simulación ns-3. Establecer los parámetros necesarios de la capa MAC de IEEE g para obtener WiLD. Establecer la factibilidad de diseño de la red en las sedes ESPE. Establecer la capacidad de los enlaces de acuerdo a las necesidades de cada sitio.

6 OBJETIVOS ESPECÍFICOS (ii) Diseñar la red sedes ESPE mediante Radio Mobile y ns-3 para determinar la factibilidad de implementación. Analizar los parámetros del rendimiento del canal mediante la simulación del ns-3 para determinar la factibilidad de interconectar las sedes de la Escuela Politécnica del Ejército. Implementar un enlace superior a 50 Km que garantizará tráfico de voz y datos. Analizar los parámetros obtenidos mediante D-ITG en la implementación a fin de verificar y evaluar la eficiencia del canal en un enlace superior a 50 Km.

7 A En países en vías de desarrollo es frecuente que zonas rurales de gran extensión carezcan por completo de infraestructuras de telecomunicación. Esto supone un obstáculo para el desarrollo y la calidad de vida de las personas. B WiLD; con sus indudables ventajas de costo, uso de frecuencias libres de licencia y gran ancho de banda permite realizar, en zonas rurales, enlaces tanto punto a punto (PtP) como punto a multipunto (PtMP) de varias decenas de kilómetros. C Para esto se ha recurrido a la modificación del AckTimeOut y SlotTime (tiempo entre tramas) para conseguir una distancia mayor que la establecida por el estándar Mediante software se puede cambiar los tiempos anteriores, necesarios para enlaces de larga distancia. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

8 MATERIALES Y MÉTODOS La tarjeta Alix 3d3 permite la instalación del sistema operativo LINUX, con el cual se modifican los parámetros de la capa MAC. Para obtener enlaces de larga distancia. Características tarjeta Alix - Bajo costo - Tamaño: 10 x 16 cm - Resistente condiciones meteorológicas adversas - Slot Compact Flash - Interfaces inalámbricas (PCMCIA, CardBus y mini- PCI) - Interfaz Ethernet - POE 12VDC - Driver para LINUX - Consumo de Potencia: 5W - No requiere ventilación Figura. Alix 3d3

9 MATERIALES Y MÉTODOS Dimensiones: Largo: 36.4 mm Ancho: 42.8mm Espesor: 3.3mm Figura. Compact Flash Tipo I Pines RJ45: Positivo 4, 5 Negativo 7, 8 Figura. POE Características: Frecuencia: MHz Ganancia: 24 dBi Impedancia: 50 Ohm Figura. Antena HG2424G Figura. Conectores: Pigtail y tipo n

10 TARJETA INALÁMBRICA SR2 Características: Especificación del Procesador: Atheros, sexta generación, AR5213 Radio de operación: IEEE b / g, en 2,4 GHz Interface: 32 bit, mini-PCI, tipo IIIA Voltaje de operación: 3.3VDC Puertos para antena: U. Fl (principal), MMCX (secundaria) Rango de temperatura: -40C a 80C Seguridad: i, AES-CCM y TKIP Encryption, 802.1x, 64/128/152bit WEP Tasas de Datos: 1Mbps, 2Mbps, 5.5Mbps, 6Mbps, 9Mbps, 11Mpbs, 12 Mbps, 18Mbps, 24Mbps, 36Mbps, 48Mbps, 54Mbps Ancho de banda del canal: 5MHz / 10MHz / 20MHz / 40 MHz Potencia de TX: 26dBm, /-1dB Consumo máximo de corriente: 1.10A, /-100mA Soporte para sistema operativo: Linux madwifi, WindowsXP, Windows2000 Figura. SR2 Super Range 2

11 El Acktimeout se define en el texto del estándar como el tiempo en que la estación transmisora espera la llegada del ACK una vez que ha terminado la transmisión de un paquete. PARÁMETROS DE LA CAPA MAC Tabla. Parámetros de IEEE g con PHY ERP-OFDM Nombre del ParametroValor PLCPHeader4µs PLCPPreamble16 µs δDistancia/c ACKTimeoutSIFS+ACK+SlotTime+2δ SIFS10 µs SlotTime9µs DIFS28 µs Tiempo de extensión de la señal. (Presente al final de todo paquete g.)6 µs CTS Clear To Send, listo para enviar, la estación verifica si el canal está siendo ocupado, si no lo está transmite. Slot time en enlaces de largas distancias, es 2 δ.

12 VALORES MODIFICADOS DE LA CAPA MAC PARA LA RED WiLD ESPE Enlace Distancia [m] Tiempo de Propagacion [µs] Slot Time [µs] ACKTimeout [µs] CTSTimeout [µs] ESPE Sangolquí - Atacazo IASA I - Atacazo Atacazo - Guango Atacazo - Bombolí IASA II - Bombolí ESPE Latacunga - Guango Tabla. Valores de ACKTimeout, SlotTime y CTSTimeout calculados para cada enlace de la red WiLD

13 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LA RED Planificación Direccionamiento IP Simulaciones Esquema de la red WiLD ESPE

14 ESQUEMA DE LA RED WILD ESPE Figura. Esquema de la red WiLD ESPE

15 PLANIFICACIÓN (i) CódigoNodoUbicaciónAltura [m] Base1ESPE Sangolquí00º1850.5S 78º2643W2510 Base2ESPE Latacunga00º5557S 78º3635W Base3IASA I00º2335S 78º2452W2759 Base4IASA II00º2444S 79º1832W290 CódigoNodoUbicaciónAltura [m] Rp1Atacazo00º2122.2S 78º379.1W4474 Rp2Bombolí00º1448.2S 79º W600.3 Rp3Guango00º5345S 78º306.00W3964 Tabla. Coordenadas Sedes ESPE Tabla. Coordenadas Repetidores red WiLD

16 PLANIFICACIÓN (ii) ENLACE Distancia [m] Pérdidas por Propagación [dB] Nivel de Recepción [dB] Sensibilidad [dBm] Comparación ESPE - Atacazo VERDADERO IASA I - Atacazo VERDADERO Atacazo - Guango VERDADERO Atacazo - Bombolí VERDADERO IASA II - Bombolí VERDADERO ESPE Latacunga - Guango VERDADERO Tabla. Análisis del Nivel de recepción para la red WiLD ESPE

17 DIRECCIONAMIENTO IP EstaciónWifi0 (CM9)# HOSTWifi1 (SR2) ISP ESPE Sangolquí / / /24 ESPE Latacunga / /27- IASA I / /27- IASA II / /27- RepetidorWifi0 (SR2)Wifi1 (SR2)Eth0 Atacazo Alix n / / /24 Atacazo Alix n / / /24 Guango / /27- Bombolí / /27- Tabla. Asignación de direcciones IP a las interfaces de las tarjetas para las estaciones Tabla. Asignación de direcciones IP a las interfaces de las tarjetas para los repetidores

18 RADIO MOBILE Figura. Nivel de recepción de la señal para el enlace Atacazo – Guango de la red WiLD ESPE

19 SIMULACIÓN EN NS-3 Figura. Resultado de la simulación enlace Atacazo-Guango 2Mbps Figura. Resultado de la simulación enlace Atacazo-Guango 5.5Mbps y 6Mbps

20 IMPLEMENTACIÓN Configuración de equipos Instalación de equipos en las torres Alineación y corrección de ángulos de apuntamiento Implementación del enlace Atacazo – Guango de la red WiLD ESPE

21 CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS Figura. Router con tarjeta Alix 1. Formateo de Compact Flash. 2. Instalación de Linux Voyage One. 3. Configuración de la capa Física de la Tarjeta Alix. 4. Asignación de direcciones IP a las interfaces. 5. Configuración de parámetros de la capa MAC../usr/local/sbin/voyage.update iwconfig ath0 txpower 16dBm vi etc/network/interfaces echo 470 > /proc/sys/dev/wifi1/slottime echo 470 > /proc/sys/dev/wifi1/ctstimeout echo 410 > /acktimeoute mkfs.ext2 /dev/sdb1

22 INSTALACIÓN DE EQUIPOS EN LAS TORRES Figura. Estación Atacazo Figura. Torre Atacazo Figura. Estación Guango

23 ALINEACIÓN Y CORRECCIÓN DE ÁNGULOS DE APUNTAMIENTO Figura. Brújula, GPS, Leds indicadores de Router Ubiquiti

24 RESULTADOS Figura. Prueba 1 Figura. Prueba 2

25 CONCLUSIONES Al realizar las simulaciones en el software ns-3 en las distintas tasas de transmisión que define el estándar IEEE g en enlaces de larga distancia, se comprobó que para mayores tasas de transmisión hay mayores pérdidas de paquees en el receptor, mientras que para bajas tasas de transmisión las pérdidas disminuyen considerablemente. En las pruebas experimentales del enlace Atacazo – Guango de la red WiLD ESPE, al ajustar los parámetros de la capa MAC del estándar IEEE g, se ajusta la conexión de la red WiLD, pero existe el inconveniente de que no se pueden alcanzar altas tasas de transmisión, debido a que mayores distancias disminuye la velocidad de transmisión, y a su vez se reduce el desempeño del enlace. Una vez que se ha logrado establecer los parámetros correctos de capa MAC para distancias largas con el estándar IEEE g, se observó que tiene buenas prestaciones a bajas velocidades ya que se consigue estabilidad. Pero existe la limitación al bridar servicios con VoIP ya que el delay no debe superar los 150 ms de acuerdo a la recomendación ITU-T G.114. Al realizar las simulaciones en el software ns-3 en las distintas tasas de transmisión que define el estándar IEEE g en enlaces de larga distancia, se comprobó que para mayores tasas de transmisión hay mayores pérdidas de paquees en el receptor, mientras que para bajas tasas de transmisión las pérdidas disminuyen considerablemente. En las pruebas experimentales del enlace Atacazo – Guango de la red WiLD ESPE, al ajustar los parámetros de la capa MAC del estándar IEEE g, se ajusta la conexión de la red WiLD, pero existe el inconveniente de que no se pueden alcanzar altas tasas de transmisión, debido a que mayores distancias disminuye la velocidad de transmisión, y a su vez se reduce el desempeño del enlace. Una vez que se ha logrado establecer los parámetros correctos de capa MAC para distancias largas con el estándar IEEE g, se observó que tiene buenas prestaciones a bajas velocidades ya que se consigue estabilidad. Pero existe la limitación al bridar servicios con VoIP ya que el delay no debe superar los 150 ms de acuerdo a la recomendación ITU-T G.114.

26 CONCLUSIONES En la implementación del enlace se observó que el rendimiento y recepción de la señal depende de un buen alineamiento y ajuste de los equipos en las torres. La brújula y GPS permiten buscar el azimut con el cual se toma la referencia para realizar el apuntamiento de la antena hacia el otro punto. Es imprescindible que haya línea de vista y despeje de al menos el 60% de la primera zona de Fresnel para garantizar la calidad del enlace. Para enlaces de largas distancias es necesario: modificar el tiempo de espera para los acuses de recibo (ACK), así también el clear to send time out (CTS), y el Slottime en función de la distancia del enlace. En la implementación del enlace se observó que el rendimiento y recepción de la señal depende de un buen alineamiento y ajuste de los equipos en las torres. La brújula y GPS permiten buscar el azimut con el cual se toma la referencia para realizar el apuntamiento de la antena hacia el otro punto. Es imprescindible que haya línea de vista y despeje de al menos el 60% de la primera zona de Fresnel para garantizar la calidad del enlace. Para enlaces de largas distancias es necesario: modificar el tiempo de espera para los acuses de recibo (ACK), así también el clear to send time out (CTS), y el Slottime en función de la distancia del enlace.

27 CONCLUSIONES El protocolo AODV al ser reactivo, no consume recursos de la red por lo tanto no genera una carga en el procesador del router, todo esto es analizado desde el punto de vista de simulación en ns-3.

28 RECOMENDACIONES De acuerdo a las simulaciones en ns-3 se recomienda que la tasa de transmisión adecuada para enlaces de larga distancia debe ser menor o igual 2 Mbps, ya que en dicha tasa de transmisión la pérdida de paquetes se reduce al 0%, mientras que para 5.5 y 6 Mbps la pérdida de paquetes sobre pasa el 50%. El montaje de los equipos en las torres para WiLD y la alineación de las antenas es fundamental, lo que permite un buen nivel de campo electromagnético, por lo que se recomienda realizarlo en un día despejado, lo que permitirá que el enlace se establezca satisfactoriamente y pueda mantenerse ante el efecto de las condiciones climatológicas adversas. De acuerdo a las simulaciones en ns-3 se recomienda que la tasa de transmisión adecuada para enlaces de larga distancia debe ser menor o igual 2 Mbps, ya que en dicha tasa de transmisión la pérdida de paquetes se reduce al 0%, mientras que para 5.5 y 6 Mbps la pérdida de paquetes sobre pasa el 50%. El montaje de los equipos en las torres para WiLD y la alineación de las antenas es fundamental, lo que permite un buen nivel de campo electromagnético, por lo que se recomienda realizarlo en un día despejado, lo que permitirá que el enlace se establezca satisfactoriamente y pueda mantenerse ante el efecto de las condiciones climatológicas adversas.

29 RECOMENDACIONES Con la modificación de los parámetros de la capa MAC, se ha logrado alcanzar largas distancias, por lo tanto se recomienda realizar los cálculos antes de implementar un enlace de distancia superior a los 50 km, así como también la respectiva simulación. Para minimizar las pérdidas en los cables de antena se recomienda, utilizar cables lo más cortos posible o a su vez aumentar la potencia de transmisión con amplificadores de potencia para tener un mejor nivel de recepción de la señal y establecer un enlace más óptimo. Con la modificación de los parámetros de la capa MAC, se ha logrado alcanzar largas distancias, por lo tanto se recomienda realizar los cálculos antes de implementar un enlace de distancia superior a los 50 km, así como también la respectiva simulación. Para minimizar las pérdidas en los cables de antena se recomienda, utilizar cables lo más cortos posible o a su vez aumentar la potencia de transmisión con amplificadores de potencia para tener un mejor nivel de recepción de la señal y establecer un enlace más óptimo.

30 GRACIAS


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