Simulación de la Red Inalámbrica de Banda Ancha con Tecnología WiMAX para el Estado de Colima Stalin X. CARAGUAY RAMÍREZ Facultad de Telemática, Universidad de Colima Colima, Colima C.P. 28040, México Luis E. ROSAS Facultad de Telemática, Universidad de Colima Colima, Colima C.P. 28040, México Raúl T. AQUINO Facultad de Telemática, Universidad de Colima Colima, Colima C.P. 28040, México Omar ÁLVAREZ Facultad de Telemática, Universidad de Colima Colima, Colima C.P. 28040, México

RESUMEN El presente trabajo describe el uso e implementación de la tecnología WiMAX para crear una red de datos descentralizada WAN para el Estado de Colima. Se utiliza el software de simulación propietario OPNET versión 16.0 para crear diferentes escenarios que simulan la caída real de enlaces, de esta forma obtener de manera confiable los resultados del comportamiento de la red ante diferentes circunstancias. Palabras Claves: WiMAX, Estándar IEEE 802.16, OPNET. 1.

Actualmente WiFi (Wireless Fideliti) es la tecnología más usada para la conexión de redes sin el uso de cables. La tecnología WiFi no solamente permite la movilidad del usuario en su área de trabajo, también está siendo utilizada en lugares públicos en los cuales se crean sitios de dispersión para ofrecer a los usuarios un ancho de banda para acceso a Internet [2]. WiMAX 802.16 - Worldwide Interoperability for Microwave Access - Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas es un estándar IEEE para la transmisión de datos de forma inalámbrica.

INTRODUCCIÓN

En los últimos años la necesidad para comunicarse sin la ayuda de cables ha dado lugar al nacimiento de nuevas tecnologías inalámbricas, específicamente nos referimos a la tecnología WiFi o también conocido como el estándar 802.11 [1].

WiMAX transforma las señales de voz y datos en ondas de radio dentro de la banda de frecuencias de 2.5 a 3.5 GHz. Se basa en Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales OFDM, posee capacidad para transmitir datos a una tasa de hasta 75 Mbps. Este estándar soporta niveles de servicio (SLAs) y calidad de servicio (QoS) [3].

2.

METODOLOGÍA

OPNET - Optimized Network Engineering Tools – es una herramienta de simulación propietaria orientada a las comunicaciones de datos. Ésta herramienta permite al usuario acceder directamente al código fuente de los elementos que conforman los escenarios de simulación [4].

De la misma manera se debe definir la topología de red y la arquitectura a emplear en la creación de los modelos. Existen 3 escenarios, inicialmente el primer entorno de trabajo se lo denomina escenario ideal, adicionalmente se implementa dos ambientes que simulan la caída de enlaces.

Para el desarrollo del presente trabajo se realizan cronológicamente las siguientes actividades, definición del problema, construcción del modelo, simulación y análisis de resultados. El problema surge de la necesidad de comunicar a través de una red de datos los diferentes sitios que intervienen en el Estado de Colima. El Estado de Colima se divide en 3 Jurisdicciones; Colima, Tecoman y Manzanillo respectivamente; cada una de las cuales cuenta con varios usuarios.

Figura 1. Estado de Colima

La figura 1 muestra el escenario real actual del Estado de Colima. Cada jurisdicción opera por separado, independientemente una de otra, es decir no existe una red de datos que comunique estas tres ubicaciones geográficamente distantes. Una vez identificado el problema empieza la etapa de construcción del modelo de red, momento en el cual es importante contar con una clara descripción de los servicios que utilizan los nodos clientes ubicados en cada jurisdicción.

Figura 2. Topología de red – escenario ideal

En la figura 2 se muestra el escenario ideal de la red, el objetivo de este escenario es comparar el tráfico que fluye en cada enlace que conecta la Jurisdicción 3 Manzanillo con los demás elementos de la red. En este ambiente de trabajo se implementa la tecnología WiMAX, creando un anillo backbone principal que interconecta las 3 ciudades: Colima, Tecoman y Manzanillo, adicionalmente se crean conexiones a internet desde cada jurisdicción. El diseño garantiza a cada ciudad la disponibilidad continua de acceso a los datos, por lo tanto cada jurisdicción cuenta con conexión directa hacia las demás a través del anillo backbone principal y/o a través de internet, es decir existen enlaces redundantes que aseguran la calidad de la red ante cualquier contingencia. El tráfico generado en los escenarios se distribuye a través de la red mediante los enlaces mencionados. El modelo de red tiene definido 3 tipos de aplicaciones: HTTP, FTP y MAIL, las cuales a más de originar tráfico pesado interno en cada jurisdicción generan paquetes que fluyen entre ciudades diferentes.

Existen tres servidores: HTTP, FTP y MAIL, a los cuales cada ciudad puede acceder directamente a través de su conexión a internet, si falla este enlace, las jurisdicciones pueden acceder a los servidores a través de cualquiera de los enlaces activos restantes.

Figura 4. Escenario de prueba 2

La figura 4 muestra el segundo escenario de prueba en el cual se elimina la conexión directa a internet desde la jurisdicción 3 Manzanillo, el objetivo de este entorno es analizar por dónde fluye el tráfico en estas circunstancias. Figura 3. Arquitectura de red

La figura 3 muestra la arquitectura de la red en una jurisdicción, existen nodos suscriptores (sitios) que desempeñan el rol de clientes o usuarios de la estación base (BS), la misma que se conecta a un router del cual se derivan 3 enlaces: salida a internet y conexión directa a las dos ciudades restantes. La arquitectura es similar en las tres jurisdicciones y se distribuye de la siguiente manera: Jurisdicción 1: 1 radio base con 31 sitios. Jurisdicción 2: 1 radio base con 25 sitios. Jurisdicción 3: 1 radio base con 12 sitios. Para la construcción de los escenarios se utilizan los siguientes dispositivos desarrollados por OPNET: Clientes: wimax workstation. Estaciones Base: wimax_bs_router. Routers: ethernet4_slip8_gtwy. Servidores: ppp_server. Enlaces a internet: ppp_ds3 Enlace anillo backbone: ppp_ds3 Enlace BS – router: ppp_ds3 Una vez construido el modelo de red se modifica el escenario ideal y se crean 2 ambientes de prueba que simulan la caída de enlaces.

Figura 5. Escenario de prueba 3

La figura 5 muestra el tercer escenario de prueba en el cual se elimina la conexión directa entre la jurisdicción 3 Manzanillo y la jurisdicción 1 Colima, el objetivo de este entorno es analizar cómo se comporta la red en estas circunstancias. Se ejecuta la simulación especificando un tiempo de 2 horas de duración en cada escenario. 3.

RESULTADOS

Escenario Ideal Al simular el escenario ideal, los resultados que se obtienen son los siguientes: En la etapa de análisis de resultados se analizan los siguientes parámetros:

Rendimiento expresado en paquetes por segundo, retraso expresado en segundos y porcentaje de la utilización del enlace.

Figura 9. Retardo enlace Manzanillo - Tecoman

Figura 6. Rendimiento enlace Manzanillo - Colima

Las graficas reflejan que el acceso a los servidores y el tráfico que generan los nodos clientes de la jurisdicción 3 tampoco fluye por el enlace Manzanillo – Tecoman, razón por la cual el rendimiento (figura 8) = 0.0005 y retardo (figura 9) = 0.00003 son prácticamente nulos. Ahora se analiza la conexión directa a internet de la jurisdicción 3 Manzanillo y se obtiene los siguientes resultados:

Figura 7. Retardo enlace Manzanillo - Colima

Las gráficas muestran que el acceso a los servidores y el tráfico que generan los nodos clientes de la jurisdicción 3 no fluye por el enlace Manzanillo – Colima, razón por la cual el rendimiento (figura 6) = 0.0004 y retardo (figura 7) = 0.000043 son prácticamente nulos.

Figura 10. Rendimiento enlace Manzanillo – internet

Los valores que se mencionan son los obtenidos al final de la simulación (2 horas). Ahora se analiza el enlace Manzanillo – Tecoman y se obtiene los siguientes resultados:

Figura 11. Retardo enlace Manzanillo - internet

Figura 8. Rendimiento enlace Manzanillo - Tecoman

Efectivamente, el acceso a los servidores y todo el tráfico que generan los nodos clientes de la jurisdicción 3 fluye por el enlace directo a internet, por lo tanto el rendimiento (figura 10) = 3.36 y retardo (figura 11) = 0.001 aumentan con respecto a los enlaces anteriores.

Escenario de Prueba 2 Si se elimina la conexión directa a internet desde la jurisdicción 3 Manzanillo y tomando en cuenta que actualmente es la ruta por donde el tráfico fluye, los resultados que se obtienen son los siguientes: Figura 14. Rendimiento enlace Manzanillo - Tecoman

Figura 12. Rendimiento enlace Manzanillo – Colima

Figura 15. Retardo enlace Manzanillo - Tecoman

Efectivamente, todo el tráfico que generan los clientes de la jurisdicción 3 Manzanillo ahora fluye por este enlace, por lo tanto el rendimiento (figura 14) = 3.25 y retardo (figura 15) = 0.001 se incrementan con respecto al mismo enlace del escenario ideal. Figura 13. Retardo enlace Manzanillo – Colima

Las gráficas muestran: en color azul los resultados obtenidos en el escenario ideal y en color rojo los resultados que se obtienen en el actual escenario. El acceso a los servidores y el tráfico que generan los nodos clientes de la jurisdicción 3 no fluye por el enlace Manzanillo – Colima, razón por la cual el rendimiento (figura 12) = 0.0004 y retardo (figura 13) = 0.000040 prácticamente son nulos. En términos generales, se mantienen los mismos resultados con respecto al mismo enlace del escenario ideal.

Escenario de Prueba 3 En el escenario de prueba 3 se elimina el enlace Manzanillo – Colima, simulando así la caída de dos de los tres enlaces que inicialmente Manzanillo tenía. En este ambiente de trabajo notaremos que el tráfico se incrementa aún más en la conexión Manzanillo – Tecoman.

Ahora se analiza el enlace Manzanillo – Tecoman y se obtiene: Figura 16. Rendimiento enlace Manzanillo - Tecoman

4.

CONCLUSIONES

La implementación de infraestructura para una red inalámbrica de banda ancha con tecnología WiMAX para el Estado de Colima no resulta económica, por tal razón es necesario realizar previamente la etapa de planificación y análisis de la red. Figura 17. Retardo enlace Manzanillo - Tecoman

En este trabajo se explica la metodología de simulación de una red inalámbrica de banda ancha utilizando como herramienta de apoyo el software propietario OPNET. El resultado de la simulación muestra el comportamiento de la red. Ante la falla de un enlace principal, el flujo de información se canaliza a través de los enlaces secundarios que dispone cada jurisdicción.

Figura 18. Utilización del canal Manzanillo - Tecoman

Las gráficas muestran: en color azul los resultados obtenidos en el escenario ideal, en color rojo los resultados derivados del escenario de prueba 2 y en color verde los resultados que se obtienen en el actual escenario. Tanto el rendimiento (figura 16) como el retardo (figura 17) aumentan con respecto al mismo enlace del escenario anterior, sin embargo el incremento es mínimo debido a que el enlace Manzanillo – Tecoman además de ser la única salida del tráfico interno que Manzanillo genera ahora transporta información de convergencia de la red debido al enlace caído en este escenario. La utilización del canal Manzanillo – Tecoman (figura 18) varía en los 3 escenarios, inicialmente en condiciones ideales este enlace no refleja utilización (color azul) debido a que el tráfico no fluye por esta conexión; en el escenario de prueba 2 este canal tiene un índice promedio de utilización de 0.045 (color rojo) en contraste con un 0.049 que refleja el escenario actual (color verde).

Es importante implementar enlaces redundantes que permitan el flujo de información en caso de presentarse alguna contingencia en los enlaces principales, garantizando de esta manera la disponibilidad de datos en la red Estatal. La implementación de WiMAX en este escenario es una solución eficaz para solucionar el problema planteado. 5.

REFERENCIAS

[1] IEEE. (1997). 802.11 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. USA: Copyright IEEE. [2] León-García Alberto, W. I. (2002). Redes de Comunicación. Madrid: McGraw-Hill. [3] IEEE. (2004). 802.16 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. USA: Copyright IEEE. [4] OPNET. (s.f.). Application and Network Performance with OPNET | Monitoring, Troubleshooting, Auditing, and Prediction. Recuperado el 25 de 09 de 2010, de http://www.opnet.com/