DEPARTAMENTO DE ELCTRICA Y ELECTRNICA CARRERA DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WMAN MEDIANTE EL ESTÁNDAR IEEE 802. 11 g MODIFICADO PARA ENLACES DE LARGO ALCANCE” RAMIRO PAUL ARIAS MALDONADO GINO ESTEBAN GAVILANES GUERRERO SANGOLQUÍ – ECUADOR 2013

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

OBJETIVO GENERAL • Diseñar e implementar la red en las sedes de la ESPE mediante el estándar IEEE 802. 11 g, modificado para enlaces de largo alcance, que garantice el desempeño de tráfico de voz y datos, así como la Qo. S para un enlace superior a 50 Km.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS (i) Analizar protocolos de enrutamiento adecuados para enlaces Wi. Fi de larga distancia en el entorno de simulación ns-3. Establecer la capacidad de los enlaces de acuerdo a las necesidades de cada sitio. Establecer los parámetros necesarios de la capa MAC de IEEE 802. 11 g para obtener Wi. LD. Establecer la factibilidad de diseño de la red en las sedes ESPE.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS (ii) Diseñar la red sedes ESPE mediante Radio Mobile y ns-3 para determinar la factibilidad de implementación. 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. 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.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA • A • B • C 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. Wi. LD; 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 (Pt. P) como punto a multipunto (Pt. MP) de varias decenas de kilómetros. Para esto se ha recurrido a la modificación del Ack. Time. Out y Slot. Time (tiempo entre tramas) para conseguir una distancia mayor que la establecida por el estándar 802. 11. Mediante software se puede cambiar los tiempos anteriores, necesarios para enlaces de larga distancia.

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

MATERIALES Y MÉTODOS Figura. Compact Flash Tipo I Dimensiones: Largo: 36. 4 mm Ancho: 42. 8 mm Espesor: 3. 3 mm Figura. Antena HG 2424 G Características: Frecuencia: 2400 -2500 MHz Ganancia: 24 d. Bi Impedancia: 50 Ohm Figura. POE Pines RJ 45: Positivo 4, 5 Negativo 7, 8 Figura. Conectores: Pigtail y tipo n

TARJETA INALÁMBRICA SR 2 Características: Especificación del Procesador: Atheros, sexta generación, AR 5213 Radio de operación: IEEE 802. 11 b / g, en 2, 4 GHz Interface: 32 bit, mini-PCI, tipo IIIA Voltaje de operación: 3. 3 VDC Figura. SR 2 Super Range 2 Puertos para antena: U. Fl (principal), MMCX (secundaria) Rango de temperatura: -40 C a 80 C Seguridad: 802. 11 i, AES-CCM y TKIP Encryption, 802. 1 x, 64/128/152 bit WEP Tasas de Datos: 1 Mbps, 2 Mbps, 5. 5 Mbps, 6 Mbps, 9 Mbps, 11 Mpbs, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36 Mbps, 48 Mbps, 54 Mbps Ancho de banda del canal: 5 MHz / 10 MHz / 20 MHz / 40 MHz Potencia de TX: 26 d. Bm, /-1 d. B Consumo máximo de corriente: 1. 10 A, /-100 m. A Soporte para sistema operativo: Linux madwifi, Windows. XP, Windows 2000

PARÁMETROS DE LA CAPA MAC Tabla. Parámetros de IEEE 802. 11 g con PHY ERP-OFDM Nombre del Parametro PLCPHeader PLCPPreamble δ ACKTimeout SIFS Slot. Time DIFS Valor 4µs 16 µs SIFS+ACK+Slot. Time+2δ 10 µs 9µs 28 µs El Acktimeout se define en el texto del estándar como el tiempo en que la estación transmisora espera 6 µs CTS Clear To Send, listo para enviar, la estación verifica si el canal está siendo ocupado, si no lo está transmite. distancias, es 2δ. Distancia/c Tiempo de extensión de la señal. (Presente al final de todo paquete 802. 11 g. ) Slot time en enlaces de largas la llegada del ACK una vez que ha terminado la transmisión de un paquete.

VALORES MODIFICADOS DE LA CAPA MAC PARA LA RED Wi. LD ESPE Tabla. Valores de ACKTimeout, Slot. Time y CTSTimeout calculados para cada enlace de la red Wi. LD Enlace Distancia [m] Tiempo de Propagacion Slot Time [µs] ACKTimeout CTSTimeout [µs] ESPE Sangolquí - Atacazo 19954 66. 5 133 193 IASA I - Atacazo 23379 77. 9 156 216 Atacazo - Guango 61536 205 410 470 Atacazo - Bombolí 64919 216 433 493 IASA II - Bombolí 22528 75. 1 150 210 ESPE Latacunga - Guango 13051 43. 5 87. 0 147

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LA RED Planificación Direccionamiento IP Simulaciones Esquema de la red Wi. LD ESPE

ESQUEMA DE LA RED WILD ESPE Figura. Esquema de la red Wi. LD ESPE

PLANIFICACIÓN (i) Tabla. Coordenadas Sedes ESPE Código Nodo Ubicación Altura [m] Base 1 ESPE Sangolquí 00º 18’ 50. 5’’S 78º 26’ 43’’W 2510 Base 2 ESPE Latacunga 00º 55’ 57’’S 78º 36’ 35’’W 2894. 5 Base 3 IASA I 00º 23’ 35’’S 78º 24’ 52’’W 2759 Base 4 IASA II 00º 24’ 44’’S 79º 18’ 32’’W 290 Tabla. Coordenadas Repetidores red Wi. LD Código Nodo Ubicación Altura [m] Rp 1 Atacazo 00º 21’ 22. 2’’S 78º 37’ 9. 1’’W 4474 Rp 2 Bombolí 00º 14’ 48. 2’’S 79º 11’ 31. 30’’W 600. 3 Rp 3 Guango 00º 53’ 45’’S 78º 30’ 6. 00’’W 3964

PLANIFICACIÓN (ii) Tabla. Análisis del Nivel de recepción para la red Wi. LD ESPE Distancia Pérdidas por Nivel de Sensibilidad [m] Propagación [d. B] Recepción [d. B] [d. Bm] ESPE - Atacazo 19954 126. 00 -56. 00 -96 VERDADERO IASA I - Atacazo 23379 127. 37 -57. 37 -96 VERDADERO Atacazo - Guango 61536 135. 78 -65. 78 -96 VERDADERO Atacazo - Bombolí 64919 136. 24 -66. 24 -96 VERDADERO IASA II - Bombolí 22528 127. 05 -57. 05 -96 VERDADERO ESPE Latacunga - Guango 13051 122. 31 -52. 31 -96 VERDADERO ENLACE Comparación

DIRECCIONAMIENTO IP Tabla. Asignación de direcciones IP a las interfaces de las tarjetas para las estaciones Estación Wifi 0 (CM 9) # HOST Wifi 1 (SR 2) ISP ESPE Sangolquí 10. 0. 6. 1/24 254 192. 168. 10. 168/27 192. 188. 58. 35/24 ESPE Latacunga 10. 0. 1. 1/25 126 192. 168. 10. 164/27 - IASA I 10. 0. 7. 1/26 62 192. 168. 10. 166/27 - IASA II 10. 0. 0. 1/27 30 192. 168. 10. 171/27 - Tabla. Asignación de direcciones IP a las interfaces de las tarjetas para los repetidores Repetidor Wifi 0 (SR 2) Wifi 1 (SR 2) Eth 0 Atacazo Alix n 1 192. 168. 10. 170/27 192. 168. 10. 167/27 16. 0. 0. 5/24 Atacazo Alix n 2 192. 168. 10. 161/27 192. 168. 10. 165/27 16. 0. 0. 6/24 Guango 192. 168. 10. 162/27 192. 168. 10. 163/27 - Bombolí 192. 168. 10. 169/27 192. 168. 10. 172/27 -

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

SIMULACIÓN EN NS-3 Figura. Resultado de la simulación enlace Atacazo-Guango 2 Mbps Figura. Resultado de la simulación enlace Atacazo-Guango 5. 5 Mbps y 6 Mbps

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 Wi. LD ESPE

CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS Figura. Router con tarjeta Alix mkfs. ext 2 /dev/sdb 1 1. Formateo de Compact Flash. iwconfig ath 0 txpower 16 d. Bm 2. Instalación de Linux Voyage One. 3. Configuración de la capa Física de la Tarjeta Alix. . /usr/local/sbin/voyage. update 5. Configuración de parámetros de la capa MAC. echo 470 > /proc/sys/dev/wifi 1/slottime echo 470 > /proc/sys/dev/wifi 1/ctstimeout echo 410 > /acktimeoute 4. Asignación de direcciones IP a las interfaces. vi etc/network/interfaces

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

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

RESULTADOS Figura. Prueba 1 Figura. Prueba 2

CONCLUSIONES • Al realizar las simulaciones en el software ns-3 en las distintas tasas de transmisión que define el estándar IEEE 802. 11 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 Wi. LD ESPE, al ajustar los parámetros de la capa MAC del estándar IEEE 802. 11 g, se ajusta la conexión de la red Wi. LD, 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 802. 11 g, se observó que tiene buenas prestaciones a bajas velocidades ya que se consigue estabilidad. Pero existe la limitación al bridar servicios con Vo. IP ya que el delay no debe superar los 150 ms de acuerdo a la recomendación ITU-T G. 114.

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.

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.

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 Wi. LD 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.

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.

GRACIAS