UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE
DEPARTAMENTO DE EL´ECTRICA Y ELECTR´ONICA
COMUNICACIONES INAL´AMBRICAS
INFORME D...
Un ejemplo de tecnolog´ıas que se han venido desarrollando constantemente son las
comunicaciones inal´ambricas, puntualmen...
3. Desarrollo
3.1. Materiales y M´etodos
Para determinar el comportamiento de los usuarios, en el campus Sangolqu´ı (Figu-...
versiones anteriores. [3, 4, 5]. Un an´alisis m´as detallado y con m´as caracter´ısticas para
profundizar en el tema se pu...
Con la tabla de Erlang B obtenemos el n´umero de canales (Ec. 2)
C(A; PB) = # canales (2)
C(A = 64,5 Er; PB = 0,01 %) = 80...
4. Simulaci´on
4.1. Ubicaci´on de los AP
Para definir la ubicaci´on exacta de cada AP necesitamos analizar el mapa de nuest...
Figura 6: (a)APs propuestos en el ´area de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE
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AP Latitud Longitud Altura (msnm)
Bloque A 0◦
18’52” S 78◦
26’44” O 2495
Bloque B 0◦
18’50” S 78◦
26’44” O 2496
MED 0◦
18’...
Esto se puede comprobar con las simulaciones presentadas en las Figura 8. en donde
se indican los valores de las distancia...
3. En la tesis de la universidad t´ecnica de Vilnius Gediminas se encontr´o que el est´andar
802.11n puede trabajar a 5,8 ...
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Planificación de una red con tecnología inalámbrica para la ESPE

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Planificación de una red con tecnología inalámbrica para la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE usando tecnología WiFi acorde con el estándar IEEE 802.11n

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Planificación de una red con tecnología inalámbrica para la ESPE

  1. 1. UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE DEPARTAMENTO DE EL´ECTRICA Y ELECTR´ONICA COMUNICACIONES INAL´AMBRICAS INFORME DEL TRABAJO BIMESTRAL N.- 1: PLANIFICACI´ON DE UNA RED CON TECNOLOG´IA INAL´AMBRICA PARA LA ESPE M. J. Ch´avez, R. M. Cruz, R. S. Mart´ınez, D. J. Saltos 29 de septiembre de 2013 Resumen Debido al reducido n´umero de equipos(PCs) y puntos de acceso(al´ambricos e inal´ambricos) para satisfacer las necesidades acad´emicas de todos los estudiantes del campus Sangolqu´ı de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, es necesario brindar un servicio de datos inal´ambrico eficiente, mejor distribuido y de mayor cobertura. Para ello se planific´o y dise˜n´o una red inal´ambrica utilizando la tecnolog´ıa WiFi, conforme con el est´andar IEEE 802.11n. Se inici´o identificando los par´ametros y m´etricas principales con la finalidad de realizar los c´alculos radioel´ectricos para sistemas inal´ambricos de banda ancha. Esto se hizo a trav´es de encuestas en el campus Sangolqu´ı, determinando un porcentaje de fiabilidad del 95 % y un margen de error del 8 %. Se logr´o un dise˜no con 18 AP, distribuidos en sectores acorde al nivel de concu- rrencia, los mismos que cubren la mayor parte del campus, brindando el servicio de internet requerido. Palabras Clave: Wifi, IEEE 802.11n, tr´afico, canales, par´ametros de transmi- si´on, ancho de banda. 1. Introducci´on Para el beneficio de los estudiantes, es necesario que la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE implemente y vaya a la par con el avance de la tecnolog´ıa que se desarro- lla constantemente, brind´andonos herramientas m´as ´utiles y sofisticadas para contribuir con investigaciones y proyectos que ayuden al crecimiento de la sociedad en la que nos encontramos. 1
  2. 2. Un ejemplo de tecnolog´ıas que se han venido desarrollando constantemente son las comunicaciones inal´ambricas, puntualmente, el est´andar IEEE 802.11 que hace referencia a conectividad WiFi. Desde la publicaci´on del est´andar original, en 1997, se ha ido reali- zando modificaciones, adaptaciones y seguridades con el fin de brindar un mejor servicio en beneficio de los usuarios. [1, 2] Detr´as de la planificaci´on de una red radioel´ectrica se encuentra la teor´ıa del teletr´afi- co, herramienta que nos permite realizar un dimensionamiento adecuado para obtener el mejor desempe˜no de la red. En nuestro trabajo vamos a abordar los m´etodos planteados inicialmente en la Sec- ci´on 3, incluida tambi´en la sectorizaci´on propuesta en base al comportamiento de los usuarios. En la Secci´on 4 simulamos nuestra propuesta en el software Radio Mobile, es- pecificando ubicaciones y caracter´ısticas de los equipos a utilizarce, y en la Secci´on 5 presentamos las conclusiones y recomendaciones obtenidas de la realizaci´on de este tra- bajo. 2. Objetivos 1. General Planificar y dise˜nar una red inal´ambrica con tecnolog´ıa WiFi, acorde al est´andar IEEE 802.11, mediante criterios de dise˜no y herramientas de simulaci´on para brin- dar acceso a internet a toda la comunidad polit´ecnica del campus Sangolqu´ı de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE. 2. Espec´ıficos Realizar el alcance y an´alisis en base a encuestas para determinar el com- portamiento de los usuarios del servicio de internet inal´ambrico en el campus Sangolqu´ı. Definir los par´ametros de c´alculo para el dimensionamiento de la red inal´ambri- ca de banda ancha. Elegir entre las diferentes variantes del est´andar IEEE 802.11 para que exista un mejor acople a nuestro escenario de trabajo. Identificar y definir los equipos a usarse para la implementaci´on de la red inal´ambrica de internet. Simular el dise˜no realizado con el software adecuado para visualizar el funcio- namiento de la red inal´ambrica. 2
  3. 3. 3. Desarrollo 3.1. Materiales y M´etodos Para determinar el comportamiento de los usuarios, en el campus Sangolqu´ı (Figu- ra 3.), que aproximadamente es de 6000 (estudiantes de pregrado, modalidad presencial, horario matutino, donde existe mayor afluencia de gente; el cual es el peor de los escena- rios), procedemos a realizar encuestas, para lo cual, teniendo un porcentaje de fiabilidad del 95 % y un margen de error de 8 %, resulta que el n´umero de encuestas a realizar es de 149. Para esto, nos apoyamos en la herramienta Drive de Google. Como podemos observar en la Figura 1. la HC (Hora Cargada) es de 11:00 a 12:00 y la ubicaci´on de mayor concurrencia de usuarios es en los edificios (Bloques A, B, C, D, G, H), como se puede apreciar en la Figura 2. Figura 1: Resultados de la 1ra. pregunta de la encuesta Figura 2: Resultados de la 2da. pregunta de la encuesta Adem´as el software que se utiliza para la simulaci´on es Radio Mobile, el mismo que fue seleccionado por que es software libre y las limitaciones como tal son suficientes para nuestra propuesta de dise˜no. Para nuestro dise˜no escogemos el est´andar IEEE 802.11n ya que en teor´ıa incrementa el ancho de banda propuesto por 802.11g (54Mbps) a 300 o 600 Mbps dependiendo del ancho del canal y su uso y una tasa de troughput de 74 Mbps, ampliando el rango de cobertura a 70m en lugares cerrados, adem´as presenta mayor inmunidad al multitrayecto con la adopci´on de la tecnolog´ıa MIMO lo que nos permite mayor cobertura en relaci´on a redes indoor. Otras ventajas de este est´andar es que puede coexistir con redes que usan 3
  4. 4. versiones anteriores. [3, 4, 5]. Un an´alisis m´as detallado y con m´as caracter´ısticas para profundizar en el tema se puede encontrar en [6]. Figura 3: Mapa de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE 3.2. Sectorizaci´on Tomando en cuenta las encuestas y la poblaci´on total (6000 habitantes), el 28.19 % es la que se encuentra utilizando el servicio en la HC, lo que representa realmente 1692 usuarios. Para el dimensionamiento de los APs se va a sectorizar de acuerdo al vol´umen de tr´afico y la densidad de usuarios. Otra consideraci´on que se debe mencionar es que el tiempo de utilizaci´on prome- dio del servicio es de media hora (30 min.) que coincide con el tiempo de receso de los estudiantes en la HC. 3.2.1. Edificios Dentro de esta categor´ıa se encuentran los Bloques A, B, C, D, G y H. Igualmente tenemos, en base a las encuestas, que dentro de la HC, los usuarios que utilizan el servicio de internet es del 76.19 %, es decir, 1289 personas. Del n´umero total obtenido se considera que el 60 % est´a presente en el edificio central y el 40 % restante pertenece al edificio de la MED en general. En el edificio central se tiene 774 usuarios en la hora cargada, los cuales fueron divididos en 6 APs, entonces se tiene 129 usuarios/AP. Con los datos obtenidos, se procede a calcular el tr´afico (Ec. 1). A = s · #usuarios tobs [Er] (1) A = 30min.·129 usuarios 60min. = 64,5 Er 4
  5. 5. Con la tabla de Erlang B obtenemos el n´umero de canales (Ec. 2) C(A; PB) = # canales (2) C(A = 64,5 Er; PB = 0,01 %) = 80 canales Los equipos a usarse (Ubiquiti UniFi UAP-Long Range ver Secci´on 4.2) tienen un ancho de banda de 20 MHz, con una velocidad de transmisi´on de 300 Mbps, por lo cual se tiene una tasa de 3.75 Mbps/usuario (1.875 Mbps UP-Link y 1.875 Mbps DOWN-Link). En el edificio de la MED se tiene 515 usuarios en la hora cargada, los cuales fue- ron divididos, como en el edificio central, en 4 APs, entonces se tiene 129 usuarios/AP. Igualmente se puede calcular el tr´afico con la Ec. 1. A = 30min.·129 usuarios 60min. = 64,5 Er Se usa los mismos equipos que en el edificio central ya que el n´umero de canales, usando la Ec. 2. es de 80, entonces, se tiene una tasa de 3.7 Mbps/usuario (1.875 Mbps UP-Link y 1.875 Mbps DOWN-Link). 3.2.2. Biblioteca En este sector, se tiene una poblaci´on de 242 usuarios, los mismos que son divididos en 2 APs, por lo que nos queda 121 usuarios/AP. Calculamos el tr´afico con la Ec. 1. A = 30min.·121 usuarios 60min. = 60,5 Er Usando la Ec. 2. calculamos el n´umero de canales. C(A = 60,5 Er; PB = 0,01 %) = 75 canales Con lo que tenemos una tasa de 4 Mbps/usuario (2 Mbps UP-Link y 2 Mbps DOWN- Link). 3.2.3. Laboratorios Para los laboratorios, como la demanda en la hora cargada y en general no es muy alta, se considera usar 1 AP/laboratorio. Tomando en cuenta que se desea dar cobertura a los laboratorios de Electr´onica y Biotecnolog´ıa (1), Mec´anica (1), Geogr´afica (1) y Civil e Idiomas (1). 3.2.4. Residencias Si bien no se muestran valores de usuarios significativos en la hora cargada, esto no significa que se debe dejar de dar servicio a este sector, ya que a lo largo del d´ıa existen usuarios que se conectan al servicio. Es por eso que se decidi´o proveer de 1 AP/residencia para este sector. 5
  6. 6. 4. Simulaci´on 4.1. Ubicaci´on de los AP Para definir la ubicaci´on exacta de cada AP necesitamos analizar el mapa de nuestro escenario (Figura 3). Los 18 AP(Figura 4) que fueron calculados para cubrir el ´area de servicio se proponen como se presenta en la Figura 6.a y acorde a la Tabla 1. para cumplir los requerimientos de cobertura en la zona, Adem´as se ubican los equipos (antenas) en la parte superior de los Edificios (terrazas) para que exista l´ınea de vista directa con el servidor principal y evitar el uso de repetidoras (Figura 6.b). Figura 4: Caracter´ısticas de los AP Figura 5: (a)Caracter´ısticas de la antena omnidireccional (b)Caracter´ısticas de las antenas direccionales 4.2. Caracter´ısticas de Transmisi´on - Recepci´on Como se mencion´o en la Secci´on 4.1 este dise˜no est´a realizado para no hacer uso de repetidoras ya que todos los AP tienen linea de vista directa con el servidor principal, por lo tanto, se utiliza los equipos Ubiquiti UniFi UAP-Long Range (AP) como podemos ver en la Figura 4. Adem´as pueden trabajar en los modos a, b, g y n del est´andar 802.11 (en nuestro dise˜no usamos 802.11n). Trabajan en canales de 20 a 40 MHz. 6
  7. 7. Figura 6: (a)APs propuestos en el ´area de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE (b)Cobertura del Servidor Principal de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE Para la comunicaci´on se utiliz´o: 1 antena omnidireccional Hotspot WiFi Qpao 12o (Imagen 5.a), y 11 antenas WiFi grilla Nexxt direccionales (Imagen 5.b). 4.3. Planificaci´on y Simulaci´on de la Red Si bien toda la comunicaci´on interna se realiza en la banda de 2.4 GHz, para evitar problemas de interferencia utilizamos la banda de 5.8 GHz para la comunicaci´on entre las antenas de los AP y la antena del servidor. Se decidi´o instalar cada equipo en una torre de altura = 2 m. Entonces podemos ob- tener todos los valores para ubicar correctamente en el software Radio Mobile y presentar la simulaci´on (Figura 6.a). Los datos tabulados se presentan en la Tabla 1. Se debe tener en cuenta las variaciones que se pueden dar al pasar del dise˜no a la implementaci´on f´ısica. Se debe tomar en cuenta considerablemente los costos, estos se presentan en la Figura 7. 4.4. Caracter´ısticas de Tr´afico En vista al requerimiento de cobertura de la ESPE y tomando en cuenta las carac- ter´ısticas de los equipos seleccionados y la ubicaci´on de los APs no se lograr´ıa cubrir toda el ´area de servicio, sin embargo abarca una gran cobertura y da redundancia. Adem´as 7
  8. 8. AP Latitud Longitud Altura (msnm) Bloque A 0◦ 18’52” S 78◦ 26’44” O 2495 Bloque B 0◦ 18’50” S 78◦ 26’44” O 2496 MED 0◦ 18’48” S 78◦ 26’44” O 2496 Edificio Posgrados 0◦ 18’46” S 78◦ 26’44” O 2499 Lab Electr´onica y Biotecnolog´ıa 0◦ 18’46” S 78◦ 26’45” O 2494 Lab. Geogr´afica 0◦ 18’53.9” S 78◦ 26’46.4” O 2487 Lab. Mec´anica 0◦ 18’48.4” S 78◦ 26’47.9” O 2489 Lab. Civil e Idiomas 0◦ 18’47” S 778◦ 26’40” O 2503 Biblioteca 0◦ 18’50.5” S 78◦ 26’38” O 2498 Residencia 1 0◦ 18’59” S 78◦ 26’35” O 2506 Residencia 2 0◦ 19’04” S 78◦ 26’34” O 2508 Cuadro 1: Datos de los APs para el ingreso en Radio Mobile Figura 7: Costos de los equipos existe uno que servir´a de Gateway que proporcionar´a la puerta de enlace a Internet a toda la red (Figura 6.b). Ahora bien, para el dise˜no de la red se va a emplear el modelo de propagaci´on de Espacio Libre, entonces se procede a calcular la distancia de cobertura o radio de alcance que tendr´a cada AP con las ecuaciones 3. y 4. PRX = PTX + GATX + GARX − Leb − Lcc (3) PRX = S + MD (4) Reemplazando valores: −94dBm + 40dB = 28dBm + 2 ∗ (2dBi) − 32,4 − 20 ∗ log(d) − 20 ∗ log(2400) − 1dB −54dBm = −69dBm − 20 ∗ log(d) d = 0,17Km 8
  9. 9. Esto se puede comprobar con las simulaciones presentadas en las Figura 8. en donde se indican los valores de las distancias alcanzadas y el valor de la zona de Fresnel (en el peor de los escenarios), que es la que nos indica si existe una comunicaci´on buena y confiable. Figura 8: Simulaci´on obtenida en Radio Mobile 5. Conclusiones y Recomendaciones 1. Despu´es de realizar una investigaci´on profunda en diferentes documentos t´ecnicos, tesis de grado, publicaciones acad´emicas etc, se determin´o que el est´andar para im- plementar una red inal´ambrica en la Espe es el 802.11, el cual tiene una velocidad de transmisi´on de 1 a 54 Mbps y dependiendo del est´andar seleccionado seg´un los re- querimientos de la red (a,b,c,ac,d,e,f,n,g), esta velocidad de transmisi´on aumentar´a o disminuir´a. 2. Tomando en cuenta los requerimientos y requisitos que demandaba la implementa- ci´on de una red inal´ambrica en la ESPE, se encontr´o en documentos de la IEEE, dos est´andares del 802.11 que ten´ıan las caracter´ısticas que se necesitaban (802.11n y 802.11g) en cuanto a ancho de banda, y n´umero de canales, sin embargo la velocidad de datos real del usuario final del 802.11n es seis veces la tasa del est´andar 802.11g, motivo por el cual se opt´o finalmente por el est´andar 802.11n para la implementaci´on de la red inal´ambrica. 9
  10. 10. 3. En la tesis de la universidad t´ecnica de Vilnius Gediminas se encontr´o que el est´andar 802.11n puede trabajar a 5,8 Ghz evitando que interfiera con otros sistemas del 802.11, ya que ´esta banda no se encuentra muy saturada en la actualidad como lo est´a la 2,4Ghz, es por este motivo que se aprovecha esta banda para la comunicaci´on entre el servidor principal y las antenas de los puntos de acceso (AP). 4. Seg´un una publicaci´on realizada por la empresa de computadoras hp un dispositivo puede alcanzar el 60 % de la capacidad especificada. Por lo tanto, es m´as probable que un adaptador inal´ambrico 802.11n que puede alcanzar una capacidad m´axima de 300 Mbps, llegue a una capacidad real de 130 Mbps (o menos), ´esto se debe a la degradaci´on de la se˜nal si el dispositivo del cliente est´a demasiado lejos del punto de acceso y si hay interferencias de otros dispositivos en el ´area, como tel´efonos inal´ambricos, esto es muy importante tomar en cuenta en el momento de implemen- taci´on de la red. 5. En el dise˜no de la red inal´ambrica fue necesario utilizar varios puntos de acceso en los sectores donde exist´ıa mayor cantidad de usuarios durante la hora cargada, con la finalidad de proporcionar una mayor velocidad de transmisi´on. 6. En cuanto a los costos el est´andar 802.11n permite armar toda su infraestructura con una mayor cobertura y con un menor n´umero de Access Point lo que implica costos mucho m´as bajos. Referencias [1] W. G. IEEE 802.11 Wireless Local Area Network, “Url: http://grouper.ieee.org/groups/802/11/,” tomado el 27/09/2013. [2] J. M. H. Moya and D. R. Mart´ınez, Comunicaciones en redes WLAN: WiFi, VolP, multimedia, seguridad. Creaciones Copyright, 2005. [3] P. Lude˜na Gonz´alez, “Estudio de aplicabilidad del est´andar 802.11 n para redes de larga distancia para entornos rurales en am´erica latina,” 2011. [4] J. P´erez Bautista, “Deployment and installation of a wireless broadband area network in an urban area,” 2011. [5] M. Barrero Strauch, “Dise˜no de una red tecnol´ogica inal´ambrica para el edificio de laboratorios de pesados de la universidad industrial de santander,” 2008. [6] H. P. Utilizaci´on de los dispositivos inal´ambricos G y N en una red dom´estica, “Url: http://h10025.www1.hp.com/ewfrf/wc/documentcc,” tomado el 28/09/2013. 10

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