Unidad 17 Enlaces de Larga Distancia Autor: Ermanno Pietrosemoli Fundación EsLaRed

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar2 Contenidos Introducción ¿Qué se necesita para un enlace de larga distancia? Alineación de Antenas La banda de 5 GHz Tiempos de propagación Conclusiones

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar3 Introducción Tecnología WiFi Tecnologías inalámbricas Radioenlaces de microondas analógicos 1980 (velocidades bajas) 1995 (11 km) 2006 (279 km) 2007 (382 km)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar4 Mejorar el Presupuesto de Potencia Modificar los parámetros afectados por el tiempo de propagación Modificar el método de acceso al medio ¿Qué se necesita para un enlace de larga distancia?

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar5 Disminuir las pérdidas en los cables de antena Mejorar la sensibilidad del receptor ¿Cómo mejorar el presupuesto de potencia? Aumentar la potencia de transmisión Aumentar la ganancia de las antenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar6 Supondremos que ya se han optimizado los otros aspectos y nos concentraremos en: Aumentar la ganancia de las antenas Esto implica un haz más estrecho y por ende más dedicación a las técnicas de alineación de las antenas ¿Cómo mejorar el presupuesto de potencia?

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar7 Alineación de antenas Consideraciones Básicas: Cuando podemos ver el otro extremo del enlace Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace Kit de alineación de de bajo costo

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar8 Para alinear las antenas se requieren dos equipos de trabajo, uno en cada extremo del enlace y dotados de algún medio de comunicación como teléfono celular o radio de dos vías. Alineación de antenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar9 Radio de dos vías o teléfono celular Laptop dotado de software que permita medir la intensidad de la señal recibida Radios WiFi que se van a utilizar en el enlace con sus cables (pigtail) y antenas Alineación de antenas Herramientas aconsejadas: Network Stumbler es un programa que permite para medir la potencia de la señal recibida

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar10 Inclinómetro para medir el ángulo de elevación (no indispensable) En caso de que la instalación se deba realizar a cierta altura, arnés y correa de seguridad para sujetarse a la torre o mástil Casco de seguridad, guantes y lentes oscuros Alineación de antenas Herramientas aconsejadas: Binóculo o largavista (no indispensable) Inclinómetro

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar11 Alineación de antenas Preparación: Antes de ir al campo, es imprescindible configurar los dos extremos del enlace y comprobar que se comunican exitosamente Probar el software que utilizaremos para medir la intensidad de la señal recibida Verificar que se pueden transferir archivos desde una máquina conectada en un extremo a la conectada en el otro Verificar que llevamos todos los conectores (comprobar el género), desviadores de rayos, cables, antenas y elementos de sujeción

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar12 Alineación de antenas Alineación Visual Marco Zennaro y Tomas Krag Instalar las antenas en sus estructuras de soporte en ambos extremos Alinearlas visualmente y luego conectarlas a sus respectivos radios. Una vez que se reciba la señal en el otro extremo, optimizar la alineación rotando horizontalmente la antena transmisora lentamente mientras se mide la señal recibida

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar13 Alineación de antenas: Procedimiento Optimización de la alineación trabajando un extremo a la vez: Dejando fija la antena en el punto A, rote lentamente la antena en el punto B, primero en una dirección y luego en otra, observando la intensidad de la señal recibida. Cuando se alcance el máximo, fije la antena en B. Repita el procedimiento dejando ahora la antena B fija y rotando la antena A hasta obtener un máximo. Aprete la tuerca de sujeción de la antena A. A veces es necesario iterar el procedimiento.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar14 Alineación de antenas Alineación Visual Javier Triviño Repetir el procedimiento con el ángulo de elevación, si las alturas de los dos puntos son muy diferentes. Una vez que la antena transmisora esté correctamente alineada, la dejamos fija Procedemos a repetir el procedimiento con la antena receptora

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar15 Alineación de antenas: falso máximo Patrón de radiación de una antena Algunas antenas tienen lóbulos laterales significativos que nos pueden inducir a error Para asegurarnos de que efectivamente estamos alineando con el lóbulo principal, efectuaremos un barrido muy amplio que intersecte varios lóbulos Cotejar también la intensidad de la señal recibida con la predicha por los cálculos

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar16 Ajuste de Elevación Ajuste de Azimut Alineación de antenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar17 Alineación de antenas Además de lo anterior, necesitaremos: Brújula (son mejores las que marcan también el rumbo recíproco), de la mejor calidad que podamos conseguir, o un teodolito de los utilizados por topográfos Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace:

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar18 Alineación de antenas Dispositivo GPS, altamente recomendable y no demasiado costoso hoy en día El software Radio Mobile descrito en la unidad de simulación de redes en exteriores o equivalente Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace:

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar19 Rumbo Magnético y Rumbo geográfico Recuerde que los mapas indican siempre el rumbo geográfico o verdadero, pero en el campo, para alinear la antena, tendrá que utilizar el rumbo magnético.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar20 Declinación Magnética La declinación varía con el lugar y con el tiempo Los GPS indican tanto el rumbo magnético como el rumbo geográfico La declinación se puede obtener de la página: El polo magnético está desplazado respecto al polo geográfico Brújula y Mojón de cartografía nacional El Baúl, Venezuela

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar21 Alineación de antenas Los mejores mapas que podamos conseguir de la zona, preferiblemente con elevaciones o curvas de nivel El programa Google Earth nos permite calcular el rumbo entre los extremos y ver muchos detalles topográficos Mapa de Google Earth Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace:

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar22 Un cordel de varios metros para estimar mejor la dirección a la que apunta la antena, ayuda a determinar la alineación y a alejar la brújula de objetos ferromagnéticos que puedan alterar su lectura. Alineación de antenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar23 Alineación de antenas Utilización de instrumentos para alinear las antenas Antena de 30 dBi FSL= km Analizado r HP 8594E PIRE= 56 dBm G. de Señales HP 8648C Fc= 2400 MHz Amp. 500 mW Pr = -66 dBm Span = 10 MHz 1 dB de pérdida en cable 1 dB de pérdida en cable Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace:

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar24 Utilizar un generador de señales en un extremo y un analizador de espectros en el otro. El generador de señales produce un tono dentro de la banda de interés que será detectado por el analizador de espectros en el otro extremo. Se alinean las antenas hasta maximizar la señal recibida. Alineación de antenas Tono recibido a 382 km Cuando NO podemos ver el otro extremo del enlace:

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar25 Alineación de antenas: Analizador de bajo costo WiSpy al rescate: Dispositivo USB de bajo costo Carlo Fonda del ICTP le soldó un “pigtail” lo que permite conectarlo a una antena externa y emular un analizador de espectro

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar26 Alineación de antenas Google Ayuda: Transmisores analógicos de video que trabajan en la banda de 2,4 GHz Video sender: ✔ Trabaja en la banda de 2,4 GHz, ✔ Permite seleccionar 8 frecuencias distintas ✔ Tiene una potencia de salida de 1 W Video sender y generador de señales

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar27 Alineación de antenas Generador de señales económico Intensidad de la señal generada por el video sender, 30,11 dBm a la frecuencia de 2450 Mhz. Las dos bandas laterales están 22 dB por debajo de la portadora por lo que no afectan el proceso de alineación Analizador de espectros

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar28 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación Usar el modo ad hoc, en el cual no se espera ACK Aumentar el tiempo de espera por el ACK Modificar el mecanismo de acceso al medio, instruyendo al transmisor que no espera un ACK.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar29 Alineación de antenas: Software para alinear antenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar30 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación – Grupo TIER Disminuición del rendimiento con la distancia en enlaces WiFi Fuente: WiLDNet: High performance WiFi-based Long Distance (WiLD) Networks, Sonesh SuranaTIER, UC Berkeley, 2007.Community Wireless Summit, May 18, 2007, Loyola College, Columbia, MD

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar31 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación Rendimiento en función de la distancia para un enlace WiFi punto a punto. Nótese que al eliminar las esperas por los ACK el rendimiento es independiente de la distancia (curva superior)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar32 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación Los cambios propuestos por el grupo TIER incluyen: Modificaciones al driver 'madwifi' para Atheros con la finalidad de desactivar los ACK y el mecanismo de detección de portadora. Implementación de un nuevo mecanismo de enrutamiento tanto en el kernel como a nivel de usuario, para crear interfaces virtuales y capturar paquetes.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar33 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación Los cambios propuestos por el grupo TIER incluyen: Utilizar un mecanismo de ventana deslizante para confirmar la recepción de grupos de paquetes en lugar de esperar un ACK por cada paquete transmitido. Implementar TDMA, esencialmente introduciendo un nuevo mecanismo de sincronización.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar34 Mecanismo de Acceso al Medio Tiempos de propagación Los cambios propuestos por el grupo TIER incluyen: Instrumentar un sistema selectivo de recuperación de pérdidas usando FEC -Forward Error Correction- para minimizar los errores de transmisión Nosotros pudimos comprobar la efectividad de este enfoque en enlaces de 40, 78 y 279 km, en los cuales pudimos corroborar experimentalmente el rendimiento esperado.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar35 Enlace de 279 km Diagrama de perfil de un enlace de 79 km. El rendimiento con radios a los que se les practicó la modificación TIER fue el esperado.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar36 Alineación de antenas Tiempos de propagación Perfil del enlace de 280 km. El tiempo de propagación ida y vuelta es de 2 ms.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar37 Alineación de antenas Tiempos de propagación Perfil del enlace de 382 km

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar38 La banda de 5 GHz Haga simulaciones con el Radio Mobile para comparar los resultados en ambas bandas. Los factores a considerar son: En el pasado era difícil conseguir dispositivos a con conectores para antena externa.Hoy en día ya se consiguen de varios fabricantes.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar39 Los efectos a considerar son: Las pérdidas en el espacio libre son unos 6 dB mayores en la banda de 5 GHz respecto a la banda de 2,4 GHz. Sin embargo, para la misma dimensión, una antena a 5 tendrá 6 dB más de ganancia que una a 2,4 GHz. Si sustituye las antena en ambos extremos obtendrá un incremento neto de 6 dB en el presupuesto del enlace. La banda de 5 GHz

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar40 Los efectos a considerar son: El tamaño de la zona de Fresnel es menor a 5 GHz por lo que podrá usar mástiles más bajos sobre la misma trayectoria. Las pérdidas en los cables de antena son mayores a 5 GHz. Manténgalos lo más corto posible. La absorción en árboles y la debida a la lluvia también es mayor en esta banda. La banda de 5 GHz

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar41 Los efectos a considerar son: No conozco ningún dispositivo económico que permita medir el espectro a 5 GHz. Si alguien conoce alguno, por favor hagámelo saber La banda de 5 GHz

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar42 Enlace a la frecuencia de 5,8 GHz. Aunque la distancia es sólo de 16 kilómetros, uno de los extremos está a 4765 m de altura y está conectado a una cámara que transmite imágenes del Pico Bolívar, de 5000m de altura. La banda de 5 GHz

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar43 Conclusiones Los cinco principales aspectos que debe recordar de esta unidad pueden sintetizarse en: WiFi es una solución efectiva para enlaces a larga distancia si no tenemos problemas de interferencia. 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. Cuando no vemos el otro extremos debemos usar instrumentos para alinear correctamente las antenas. Los más importantes son: brújula, generador de señales y analizador de espectros. Existen versiones de bajo costo.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar44 Conclusiones Los cinco principales aspectos que debe recordar de esta unidad pueden sintetizarse en: A distancias grandes es necesario modificar el tiempo de espera para los acuses de recibo o trabajar en modo ad hoc. La modificación propuesta por el grupo TIER de la Universidad de Berkeley permite mantener el rendimiento (velocidad neta de transmisión) aun a distancias muy grandes