Enlaces de Larga Distancia Materiales de entrenamiento para instructores de redes inalámbricas

version 1.4 by Carlo @ 2011-03-18

Metas ‣ Entender los retos de ingeniería que plantea la construcción de enlaces de larga distancia.

‣ Darse cuenta de las limitaciones de los enlaces inalámbricos de larga distancia.

‣ Aprender la metodología para la alineación de antenas a distancia.

‣ Examinar ejemplos reales de redes inalámbricas de muy larga distancia.

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Requisitos para Enlaces de Larga Distancia Para un enlace de larga distancia exitoso se debe:

‣ ‣

Simular el enlace y realizar el ”site survey”. Usar estructuras adecuadas para colocar las antenas de manera que la Zona de Fresnel y la curvatura de la tierra puedan ser despejadas.

‣

Elegir equipo especializado, o modificar equipos para distancia corta y transformarlos en equipos de larga distancia.

‣

Utilizar técnicas apropiadas de alineamiento de antenas.

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Paso 1: !Simule el enlace!

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Simular el enlace en Radio Mobile es absolutamente necesario para enlaces de muy larga distancia para comprobar, en primer lugar, que el enlace sea posible. Unas pocas horas de tiempo de simulación pueden ahorrar muchos días de esfuerzo. Vea la clase sobre Radio Mobile para más información

Paso 2: Realice el site survey

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Una vez que haya localizado las posibles ubicaciones para le enlace, realice un site survey físico. ¿Hay electricidad en el sitio? ¿Tiene un acceso difícil? ¿Se pueden obtener los permisos para llevar el equipo hasta allá? De nuevo, vea la clase sobre Radio Mobiley, para más información.

Paso 3:¿Dónde montar el equipo?

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¿Hay estructuras de montaje adecuadas (edificios, torres) y disponibles? Si es así, ¿cuál es la altura de la estructura que le van a permitir usar? ¿Es esta altura suficiente para obviar obstáculos y tener una Zona de Fresnel despejada?

Paso 4: Seleccione y prepare su equipo de larga distancia ‣ El equipo debería escogerse tratando de maximizar el nivel de la señal disponible en ambos extremos del enlace. ‣ Las antenas externas son imprescindibles para enlaces de larga distancia. ‣ Además de las consideraciones de presupuesto, hay asuntos de protocolo que hay que examinar (como tiempo de reconocimiento, nodo escondido y otros problemas de acceso).

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A pesar de que los equipos estándar son normalmente preferibles, para enlaces de larga distancia, los equipos estándar “modificados” o incluso soluciones privativas pueden ser la mejor opción para una aplicación determinada. Tenga en cuenta las condiciones locales, la disponibilidad de soporte, las piezas de repuesto y otros detalles por el estilo, cuando elija el equipo.

Maximizando el presupuesto de potencia ‣ Aumente la ganancia de la antena en uno o ambos lados del enlace. ‣ Aumente la potencia de transmisión en ambos lados del enlace. ‣ Use radios más sensibles (nivel mínimo utilizable de señal recibida más bajo) en ambos lados del enlace. Pérdida de trayecto

‣ Reduzca pérdidas de línea de transmisión usando cables más cortos o de mejor calidad. 8

Esta gráfica muestra el nivel de potencia en cada punto del enlace inalámbrico. El transmisor proporciona cierta cantidad de potencia. Una pequeña porción de ella se pierde en la atenuación entre el transmisor y la antena. La antena enfoca la potencia y proporciona una ganancia. En este punto la potencia tiene el valor máximo posible para el enlace. Este valor se denomina PIRE (Potencia Irradiada Isotrópica Equivalente) Tenemos además las pérdidas en el trayecto, compuestas de las pérdidas en el espacio libre y de las pérdidas ambientales que aumentan con la distancia entre los extremos del enlace. La antena receptora proporciona alguna ganancia adicional. Ahora tenemos la pequeña pérdida entre la antena receptora y el radio receptor producida por el cable de antena. Si la cantidad de potencia recibida en el extremo lejano es mayor que la sensibilidad del radio, tenemos un enlace viable.

Consideraciones prácticas para el presupuesto del enlace ‣ Regulaciones legales sobre la PIRE máxima ‣ Radios de alta potencia y gran sensibilidad son a menudo (pero no siempre) más caros. ‣ Los amplificadores son muy caros y casi nunca son una buena idea. ‣ Las antenas de alta ganancia (parabólicas) suelen ser más grandes, más caras y difíciles de transportar.

‣ Las antenas de alta ganancia son difíciles de alinear a larga distancia y presentan más resistencia al viento. 9

En un mundo perfecto, usaríamos las antenas de ganancia más alta con los radios más poderosos y sensibles. Pero algunas consideraciones prácticas lo impiden. Los amplificadores introducen un punto adicional de falla, podrían violar la potencia máxima permitida localmente y añaden ruido a la recepción, así que deberían evitarse. Hay transmisores de alta potencia disponibles en el mercado que ofrecen hasta 1 W de potencia de salida y que podrían usarse en lugar de amplificadores. En general, es mejor usar antenas de alta ganancia que potencias de salida altas. Una ganancia más grande de la antena puede ayudar tanto a la transmisión como a la recepción, lo que tiene un doble impacto sobre el presupuesto del enlace.

Problemas de temporización El método de acceso al medio de 802.11 prevé un tiempo de espera por el acuse de recibo de las tramas (ACK) muy corto. A distancias mayores de unos 15 km, el tiempo de propagación de las ondas electromagnéticas se hace significativo, por lo que es necesario incrementar el valor del tiempo de espera por encima del estándar. !Se requiere 1 ms para que las ondas de radio viajen 300 km! Algunas tarjetas y drivers (como los de Atheros) permiten el ajuste de la temporización, y con esto, comunicaciones a muy largas distancias. WiMAX y algunos protocolos privativos (como Mikrotik Nstreme, o Ubiquiti AirMAX) usan TDMA para evitar estos problemas de excesivos retardos de los ACK. 10

Hay muy poco tiempo para que los nodos confirmen que las tramas de 802.11 han sido recibidas correctamente. Los tiempos de confirmación de recepción estándar de un ACK suponen que el cliente más lejano en una red está cuando mucho, a unos cientos de metros de distancia. Si la confirmación no se ha recibido antes de que el temporizador del ACK haya expirado, las tramas se retransmiten. Dada que la velocidad de la luz y todas las ondas electromagnéticas es finita, esto limita el rango efectivo de una red para un tiempo de recepción de ACK dado. Los enlaces a gran distancia son posibles, pero se van a producirse muchas retransmisiones, con lo que se reduce el caudal total. Al cambiar el tiempo de espera por los ACK se puede sintonizar la red WiFi para permitir distancias mucho más grandes, aunque todavía habrá reducción del caudal pero menos significativa. Usando un protocolo que no dependa del tiempo de espera por los ACK (como Mikrotik Nstreme, Ubiquiti AirMAX) , se puede evitar este problema completamente. Pero note que estos dispositivos, aunque usan hardware WiFi, ya no cumplen con ninguno de los estándares. 802.11 Recérdese que todas las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz.

CSMA vs. TDMA WiFi usa Carrier Sense Multiple Access (CSMA) para evitar colisiones de transmisión. Antes de que un nodo transmita, debe primero escuchar si hay transmisiones de otros radios. El nodo puede transmitir sólo cuando el canal se desocupa. Otras tecnologías (como WiMAX, Nstreme, y AirMAX) usan en cambio Time Division Multiple Access (TDMA). TDMA divide el acceso a un canal determinado en varias ranuras de tiempo, y le asigna estas ranuras a cada nodo en la red. Cada nodo transmite solamente en su ranura asignada, evitando de esta manera las colisiones.

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CSMA y TDMA son métodos de acceso al medio completamente diferentes. Algunas tecnologías como AirMAX o Nstreme, pueden usar hardware WiFi 802.11, pero el protocolo no es compatible con WiFi estándar. TDMA en particular, es bastante apropiado para enlaces punto a punto, donde no hay ranuras de tiempo desperdiciadas. Para aplicaciones punto a multipunto en distancias cortas, CSMA es más eficiente. TDMA también proporciona Calidad de Servicio (QoS) inherente ya que el tiempo máximo para que una estación gane acceso al medio está limitado.

Tasa de transmisión vs. distancia en 802.11

Tasa de transmisión vs. distancia para transferencia de un archivo FTP simulado con NS2 From Distance Limits in IEEE 802.11 for Rural Networks in Developing Countries by Javier Simo, Andres Martinez, Carlos Figuera and Joaquin Seoane 12

Sin cambios en el protocolo estándar 802.11, el caudal cae abruptamente al incrementarse la distancia entre los nodos.

El Nodo “Escondido” Cuando dos clientes están dentro del alcance del mismo AP, pero no el uno del otro, habrá interferencias entre ellas. A esto se le conoce como el problema del nodo escondido. ‣ El problema del nodo escondido se atenúa un poco usando CTS/ RTS (conocido como reservación de canal). ‣ Sin embargo, CTS/RTS implica tiempo adicional para acceso al medio (overhead) por lo que se debe especificar el tamaño máximo de paquete por arriba del cual se usa CTS/RTS. ‣ No es perfecto, pero puede ayudar a costa de disminuir el caudal máximo posible. CTS/RTS debería usarse solo con AP y clientes, no con redes ad hoc.

‣ Sólo relevante en redes punto a multipunto. 13

Antes de la transmisión, los clientes inalámbricos “escuchan” si hay otro tráfico y retrasan la transmisión si hay otros dispositivos usando el canal. Pero este mecanismo trabaja sólo si todos los clientes están al alcance unos de otros. CTS: Clear to Send (Transmisión permitida) RTS: Ready to Send ( listo para transmitir) Cuando los clientes están dentro del alcance del mismo AP, pero no pueden escuchar las transmisiones entre sí, van a transmitir todos a la vez. Esto causa interferencia para el AP. CTS/RTS puede ayudar a solucionar este problema a expensas de añadir más sobrecarga de protocolo. Los nodos escondidos sólo ocurren en redes de medio compartido con más de dos nodos. Usando un protocolo TDMA, o enlaces múltiples punto a punto se pueden evitar completamente los problemas de “nodo escondido”.

Enlaces de larga distancia en el mundo real

Perfil de una prueba de 279 km a 2.4 GHz realizada en Abril de 2006 en Venezuela. 14

Uso de equipos comerciales con 100 mW de potencia de salida. Cambiando el firmware de dotación se pudo variar el tiempo de espera por el acuse de recibo (ACK) lo que hizo el enlace viable, pero con un caudal de sólo 65 kbps. Se usaron antenas parabólicas externas de alta ganancia recicladas del servicio satelital.

Enlaces de larga distancia en el mundo real

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Perfil de pruebas a 382 km en 2.4 GHz realizada en Abril y Agosto de 2007 en Venezuela. 15

En estas pruebas, se usó primero un equipo estándar IEEE802.11b al que se le modificó el tiempo de espera por los ACK con lo que se obtuvo un caudal limitado, pero que sin embargo permitió transmisión de video en tiempo real. Luego se probó otro tipo de firmware desarrollado por el grupo TIER de la Universidad de Berkeley, que implementa TDM (Time Division Duplexing). Este logró un caudal bidireccional de 6 Mbit/s con hardware 802.11b.

382 km

Se probaron tanto la modificación del tiempo de espera por los ACK como la utilización de TDMA. Este último permitió un aumento del caudal en dos órdenes de magnitud 16

Otras estrategias de larga distancia: repetidores En lugar de probar con un enlace de larga distancia único, a menudo se pueden usar repetidores. Los repetidores son nodos que están configurados para retransmitir tráfico que no está destinado al propio nodo. Añadir repetidores reduce la complejidad de planear un enlace muy largo, pero en contrapartida agrega hardware adicional así como mantenimiento y gastos adicionales.

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A mayor frecuencia de operación, más importante es el Requisito de línea de vista. Con un láser o un enlace óptico, se usan frecuencias extremadamente altas. Obviamente, cuando se usa la óptica, la línea de vista es importante: si el haz se bloquea, ¡no hay enlace! La línea de vista es también importante a la frecuencia de microondas, como 5 GHz y 2.4 GHz usados por WiFi. Para aplicaciones en interiores, la línea de vista no es tan importante porque las reflexiones afectan fuertemente la propagación. Pero para aplicaciones de larga distancia, la línea de vista es crucial. Los repetidores pueden usarse para obviar obstáculos que puedan bloquear la ruta de un enlace de larga distancia único.Van a añadir latencia, y si un radio único se usa para ambas direcciones del tráfico reducen el caudal a la mitad. Usar repetidores implica el alto costo de añadir un nodo extra con la correspondiente adquisición del sitio, problemas de costos de alquiler de sitios y de suministro de electricidad, de asegurar los equipos contra robos, y además incrementa los gastos de mantenimiento. Las repetidoras son estaciones de relevo que se instalan únicamente para retransmitir el tráfico para otros nodos. En una red mallada, cada nodo es una repetidora.

Blantyre-Mpingwe-Zomba-Mangochi

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La red de Malawi usa tres sitios repetidores para evitar obstáculos usando enlaces de muy larga distancia. Usa el protocolo full duplex Mikrotik Nstreme en los enlaces de la dorsal.

Paso 5: Alineación de la Antena Para alinear parábolas a larga distancia, comience por alinear la antena hacia la dirección aproximada del extremo remoto. Unos metros de cordel pueden ayudarnos a calcular la dirección hacia la cual apunta una antena grande. Recuerde alejar la brújula de objetos ferrosos en la estructura de montaje de la antena.

Cuando tenga una idea aproximada del rumbo, va a necesitar instrumentos adicionales para alinear correctamente la antena. 19

Alineando antenas

+

=

Las herramientas ideales para alinear antenas son un generador de señales y un analizador de espectro, preferiblemente uno de cada uno en ambos extremos del enlace. Al colocar un generador de señales en un extremo del enlace, y un analizador de espectro en el otro, se puede observar la potencia recibida y ver el efecto, en tiempo real, de mover la antena en varias posiciones. 20

Un analizador de espectro le muestra cómo se afecta el nivel de la señal recibida al cambiar de posición la antena. Conecte el analizador de espectro a la antena en un extremo del enlace, y un generador de señales (puede ser un transmisor de video) al otro. Halle el nivel máximo de la señal recibida mientras hace ajustes pequeños a la posición de la antena. Cuando encuentre el máximo nivel, fije todas las abrazaderas de la antena. Luego, reemplace el equipo de medidas con su equipo de comunicaciones. Un analizador de espectro USB y un generador de señales se incluyen en la caja de herramientas. Úselos para hacer experimentos de alineación de antenas.

Sugerencias para alineación Alinear antenas a distancias muy grandes tiene mucho de arte. Estas sugerencias pueden ayudarle a reducir el tiempo que tarde en alinear la antena “en el punto justo”. ‣ Pruebe todo el equipo de antemano ‣ Lleve equipo de comunicación de respaldo (FRS o equipo de radioaficionados, además de celulares) ‣ Pruebe la señal en ambas direcciones, pero sólo un extremo a la vez. ‣ No toque la antena cuando tome una lectura ‣ No tenga miedo de girar más allá de la mejor señal recibida cuando ajuste la antena. ‣ El ángulo de la antena que corresponde al máximo de señal recibida puede desviarse significativamente de lo esperado, pero confíe en el instrumen. ‣ Cerciórese de que usa la misma polarización en ambos extremos 21

Determine la posición hacia la cual va a dirigir cada antena. Use una brújula en el campo para un alineamiento aproximado cuando el extremo remoto no sea visible. Haga las correcciones pertinentes a la declinación magnética de su sitio. Haga cálculos de la potencia esperada de la señal recibida antes de la alineación de la antena para que sepa cuáles valores de las lecturas de la potencia recibida pueden esperarse. Esto puede hacerse con Radio Mobile o calculando la potencia recibida en términos de la potencia transmitida (la potencia de salida del video sender), de la ganancia de la antena y de la pérdida de espacio libre. Haga un barrido largo de la posición de la antena para estar seguros de que se está mirando al pico del patrón del lóbulo principal de la antena y no al pico del lóbulo lateral.

Requisitos del los Enlaces de Larga Distancia Modificando equipos WiFi de consumidor y dotándolos de antenas externas, se pueden construir enlaces muy efectivos de larga distancia en las bandas exentas de licencia. Estas técnicas se han demostrado en instalaciones en varios países. Son particularmente útiles en áreas de baja densidad de población donde la interferencia causada por otros usuarios del espectro es menos probable. Equipos de bajo costo que implementan TDMA son fabricados por Mikrotik y Ubiquiti.

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Gracias por su atención

Para más detalles sobre los tópicos presentados en esta clase, vaya al libro Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo, de descarga gratuita en varios idiomas en: http://wndw.net/

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Ver el capítulo 8 del libro para más detalles sobre los temas tratados.