Domingo, 27 Junio 2021 00:00

Expansión de una red inalámbrica IEEE-802.11 proyecto Camacho.net (IEEE-Bolivia)

Abstracto—El estándar IEEE-802.11, tiene como principal propósito ayudar a la implementación de redes inalámbricas de área local, con enlaces de metros hasta kilómetros de distancia, con altas tasas de capacidad de transmisión, en bandas libres.

El programa HTC (Humanitarian technology challenges) del IEEE, apoyo un proyecto en Bolivia para la implementación de una red inalámbrica de larga distancia que ayude a interconectar centros de salud de la Provincia Camacho.

Ahora el proyecto está en una segunda fase donde se realizara la expansión de la Red ya existente, por lo cual es necesario hacer un diseño a nivel de Radiofrecuencia considerando los nuevos puntos a interconectar.

Índice de términos—WiFi, IEEE-802.11, radioenlaces, Provincia Camacho, ISM,

 I. NOMENCLATURA

Si es necesario, una lista de nomenclatura debería preceder a la introducción.

II. INTRODUCCIÓN

En la Provincia Camacho del departamento de La Paz, aun el acceso a infraestructuras de telecomunicaciones móviles es deficiente puesto que solo se tiene un operador en varios pueblos de la zona, considerando que la zona vive particularmente de la agricultura, el bajo poder adquisitivo, la bajo cantidad de pobladores en los municipios de la provincia y la dificultad que resulta la implementación de radio bases debido a la topografía, etc.

Debido a esto el HTC-IEEE en el año 2012 hace un estudio de factibilidad de varias tecnologías como VSAT, WIMAX, entre otros, pero se decide implantar el proyecto utilizando la tecnología IEEE-802.11, interconectando en algunos centros de salud, postas de salud y la gerencia de Red N 3, con el acceso y el intercambio de voz, video y datos.

Para la expansión de la red se pretende presentar un diseño de la red con la estándar IEEE-802.11n, para mejorar las capacidades de transmisión, y ampliar los servicios ofrecidos antenteriormente.

ESTÁNDAR IEEE

La familia IEEE 802.11 constituye una serie de especificaciones para la tecnología de redes inalámbricas (WLAN). Estas especificaciones están orientadas a nivel de la capa física y la subcapa MAC del modelo OSI, para adaptarlas a los requerimientos especiales de las WLAN pero ofreciendo la misma interfaz para capas superiores, manteniendo así la interoperabilidad.

La primera versión del estándar 802.11 fue aprobado en 1997 por la IEEE tras varios años de desarrollo y en la que se definían 3 opciones para la capa física (PHY): infrarrojo, FHSS y DSSS, soportando tasas de datos de 1 y 2 Mbps en la banda de 2,4 GHz. [1]

CAPA FISICA

El nivel físico es el encargado de conectar la capa MAC con el medio físico (en este caso inalámbrico) por donde se transmiten las señales. Sus principales funciones son:

1.Dar información a la capa MAC sobre la ocupación del medio, es decir, si hay alguna señal en la misma frecuencia en la que queremos transmitir.

2.Transmitir las tramas al medio utilizando las distintas opciones de modulación.

3.Intercambiar las tramas con la capa MAC

CAPA ENLACE

En el nivel de capa de enlace se trabaja en dos sub capas, las cuales son:

1. La subcapa MAC (Media Access Control), donde se especifica el protocolo de acceso al medio propiamente dicho, así como una serie de peculiaridades propias de redes inalámbricas como son el envío de acuses de recibo (ACK), la posibilidad de realizar fragmentación de las tramas y los mecanismos de encriptación para dar confidencialidad a los datos transmitidos.

2. La subcapa LLC (Logical Link Control), que ofrece un servicio de transporte único para todas las tecnologías [2]

IEEE-802.11 A

El estándar IEEE 802.11a también fue aprobado en el año 1999, aunque los productos de esta tecnología salieron más tarde que los del 802.11b, debido a que su realización fue más complicada.

Está basada en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), tecnología que explicaremos con mayor detalle en siguientes capítulos, ya que es utilizada también en la capa física del estándar 802.11n.

La tecnología permite conseguir velocidades de transmisión hasta los 54Mbps en la banda de 5Ghz. El hecho de operar en una banda diferente que el estándar 802.11b, provoca que los productos de dichas tecnologías no sean compatibles entre sí.

IEEE-802.11 B

El estándar IEEE 802.11b fue ratificado el año 1999, basándose en la técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e introduciendo el esquema de codificación CCK (Complementary Code Keying)

La velocidad de transmisión máxima es de 11Mbps, utilizando el mismo método de acceso CSMA/CA definido en el estándar original. Trabaja en la banda ISM de 2,4 Ghz. (Chávez, 2009)

IEEE-802.11 N

El estándar 802.11n fue ratificado por la organización IEEE el 11 de septiembre de 2009, operando en las bandas de 2.4 y 5 GHz, aunque se espera que opere preferentemente en la segunda debido a que la primera está más ocupada.

Este estándar incorpora un ancho de banda de los canales de 40MHz, la tecnología MIMO, además de otras mejoras a nivel físico y MAC.

  • Las tasas de datos en 802.11n son significativamente mejores sobre las conseguidas por 802.11a y 802.11g, fundamentalmente por el uso de la multiplexación espacial (MIMO) y el uso de canales de 40 MHz.
  • También se incluyen mejoras como el protocolo de dirección inversa que proporciona una mejora de rendimiento bajo ciertos tipos tráficos y la utilización de un espacio inter-trama más pequeño (RIFS)
  • Esta mejora se consigue inherentemente mediante el incremento de la diversidad espacial dado por la utilización de múltiples antenas. Otras opciones que nos brindan robustez son el uso de la codificación STBC (Space-Time Block Coding) y un nuevo código de canal LDPC (Low Density Parity Code), entre otros más.
  • Finalmente, debido al gran crecimiento de la utilización de dispositivos móviles, se introduce una nueva técnica de acceso al canal llamado PSMP (Power-Save Multi-Poll), la cual permite soportar eficientemente un mayor número de estaciones.

MIMO

El estándar especifica la facilidad de utilizar un sistema MIMO con dos flujos espaciales en transmisión y dos en recepción (2x2), esto significa que se utilizan dos antenas con dos cadenas de transmisión y dos cadenas de recepción, ambos flujos espaciales se multiplexan a través del enlace radio; la Red de Telecomunicaciones que este trabajo expone utiliza un sistema MIMO 2x2.

Sin embargo un sistema MIMO facilita el uso de varios flujos espaciales (ver Ilustración 1: Sistema MIMO)

La ventaja de utilizar un sistema MIMO frente a un sistema SISO es que este saca provecho del multitrayecto, disminuyendo el número de bits incorrectamente recibidos (Bit Error Ratio – BER). Además, usar STBC mejora la relación señal a ruido (Signal to Noise Ratio – SNR). [3]

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III. DISEÑO DE LA RED

A nivel físico el estándar IEEE 802.11, no señala limitantes más que el presupuesto de potencia, pero consideraremos varios parámetros para tener un estudio óptimo de diseño de gabinete.

POTENCIA DE RECEPCION

En los enlaces IEEE 802.11n de largas distancias, como el que describe en este trabajo, se necesita obtener un valor de potencia de recepción que se encuentre por encima de la sensibilidad del receptor.

En la siguiente ecuación de balance de enlace se muestra la relación que tiene este valor con la potencia de transmisión, las ganancias de antenas y las pérdidas en el enlace.

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PERDIDA DE PROPAGACIÓN

Las pérdidas de propagación son difíciles de calcular de forma analítica porque dependen de muchos factores del entorno (relieve, tipo de cobertura del suelo, obstáculos, condiciones atmosféricas, etc.), pero la ‘Fórmula de Friis’ proporciona una primera aproximación aceptable cuando hay línea de vista y suficiente despegamiento de la primera zona de Fresnel.

No obstante, hay otros modelos más complejos para obtener aproximaciones mejores dependiendo del tipo de entorno y de la banda de frecuencias de trabajo.

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Esta es una expresión teórica y se empleara solo si se cumple la condición de la existencia de LoS (Line of Sight). Se necesita además despejar por lo menos en un 60% de la primera zona de Fresnel y se considera la no existencia de efectos adversos como el multitrayecto. 

ZONAS DE FRESNEL

Las zonas de Fresnel son que se forman sobre la trayectoria que ocupa el haz de microonda entre transmisor y receptor, siendo la más importante la primera zona de Fresnel. La primera zona de Fresnel es la que lleva el 50% de la energía de la señal, por lo que debe mantenerse despejada para tener un enlace estable.

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Fig. 2. Zonas de Fresnel

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ABULTAMIENTO DEBIDO A LA CURVATURA DE LA TIERRA.

Cuando se propaga una onda electromagnética en el aire se presenta una situación particular debido a dos radios de curvatura diferentes: radio de la tierra y radio de la trayectoria del haz electromagnético. Para facilitar el gráfico existen dos opciones:

  • La primera que consiste en considerar la tierra plana y el rayo electromagnético curvo.

La segunda, que consiste en disponer de un rayo recto y la tierra curva. Para efectos de los cálculos a realizarse se considerará la segunda situación en la cual el rayo electromagnético es plano. 

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Fig. 3. Abultamiento por la curvatura terrestre

En donde:

hab: Abultamiento por efecto de la curvatura de la tierra y el factor de refracción atmosférica K [m]

d1: Distancia horizontal desde el transmisor hasta el punto de análisis [km]

d2: Distancia total (d) menos d1[km]

K: Factor de refracción atmosférica

a: Radio promedio de la tierra

A continuación se presenta la geometría de un radio-enlace típico, en donde se muestran todos los parámetros y altura que intervienen en el mismo:

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Fig. 4. Geometría de un radio-enlace típico

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08888

0888

Dónde:

MD: Margen de despeje del radio de la primera zona de Fresnel

MARGEN DE DESVANECIMIENTO

Es sabido que basta con un margen de 10 a 15 dB para establecer la comunicación pero, la experiencia del grupo GTR-PUCP (Grupo de telecomunicaciones Rurales - Pontificia Universidad Católica del Perú) implementando este tipo de enlaces en diferentes zonas, ha demostrado que para contrarrestar los efectos producidos por la atenuación y el multitrayecto en la señal de radio recibida, es preferible tener un margen de 12 a 25 dB.

MD=PRX-Sb (7)

En donde:

MD: Margen de desvanecimiento

PRX : Potencia de recepción

Sb : Sensibilidad de recepción

IV. SIMULACION

Para el diseño se hará uso del Simulador Radio Mobile, en una topología estrella, con enlaces ptp (punto a punto) y ptmp (punto a multipunto) Considerando las ecuaciones de la parte de diseño de red de este paper.

A. Enlace Cerro Janta_Hospital de Escoma

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Fig. 5. Perfil de enlace Cerro Janta-Hospital de Escoma

TABLA I

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-HOSPITAL DE ESCOMA

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B. Enlace Cerro Janta_Posta de salud Challapata

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Fig. 6. Perfil de enlace Cerro Janta-Posta de Salud de Challapata

TABLA II

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-POSTA DE SALUD DE CHALLAPATA

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C. Enlace Cerro Janta_Centro de salud de Humanata

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Fig. 7. Perfil de enlace Cerro Janta-Centro de Salud de Humanata

TABLA III

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CENTRO DE SALUD HUMANATA

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D. Enlace Cerro Janta_Centro de salud de Pacolla

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Fig. 8. Perfil de enlace Cerro Janta-Centro de Salud de Pacolla

TABLA IV

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CENTRO DE SALUD PACOLLA

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E. Enlace Cerro Janta_Cerro Puerto

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Fig. 9. Perfil de enlace Cerro Janta-Cerro Puerto

TABLA V

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CERRO PUERTO

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F. Enlace Cerro Puerto_Centro de salud Puerto Acosta

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Fig. 10. Perfil de enlace Cerro Puerto-Centro de Salud de Puerto Acosta

TABLA VI

PERFIL DE ENLACE CERRO PUERTO-CENTRO DE SALUD DE PUERTO ACOSTA

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Enlace Cerro Calvario_Posta Challapata

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Fig. 11. Perfil de enlace Cerro Calvario-Posta de Salud de Challapata

TABLA VII

PERFIL DE ENLACE CERRO CALVARIO-POSTA DE SALUD DE CHALLAPATA

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G. Enlace Cerro Calvario_Gerencia de Red de Salud

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Fig. 12. Perfil de enlace Cerro Calvario-Gerencia de red

TABLA VIII

PERFIL DE ENLACE CERRO CALVARIO-GERENCIA DE RED

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Cada enlace ptp y ptmp, se tuvo cuidado en obtener un margen de desvanecimiento aceptable y así conseguir niveles de sensibilidad de recepción apto para un radioenlace que cumpla las expectativas de capacidad de tráfico en IEEE-802.11n.

El valor recomendado de margen de desvanecimiento de 12 dB como mínimo, en la tablas de cada radioenlace el margen de desvanecimiento utilizando la ecuación (7), se verifica que es mucho mayor teniendo como un valor mínimo en un punto 16.1dB , lo cual nos ayuda a seleccionar el MSC (Modulation and coding scheme) a utilizarse en los diferentes enlaces y que como mínimo tenemos al MSC12 con un Data rate de 78 Mbps, lo cual es suficiente como para cumplir nuestros requerimientos y además se observa que la mayoría está entre el MSC12 y MSC15.

También se toma en cuenta la diferencia que se hace entre la altura de la torre y la altura a la cual estará ubicada la antena, en especial en los puntos donde tendremos varios radioenlaces.

En los perfiles de los enlaces se puede verificar que se tiene buenos resultados para el funcionamiento de la nuestra red, garantizando que se tiene asegurado el 60% de la primera zona de Fresnel despejada, el margen de potencia recibida puede variar en función de la altura de la antena, y con más razón en una torre donde existen varias antenas y no siempre se puede ubicar cada una de ellas a la altura teóricamente ideal para su radioenlace. Ello es debido a que el origen de la primera zona de Fresnel son todas aquellas señales (la principal más las originadas por difracción), que mantienen su fase entre 0 y π/2.

Por lo tanto, pequeñas variaciones en la altura de la antena pueden cambiar substancialmente las difracciones internas que se originan a lo largo del radioenlace, y en consecuencia empeorar o mejorar el margen de la potencia recibida, y podemos ver que el valor del Margen de despeje es siempre mayor a 100% del primer radio de Fresnel esto por no tener dificultades al momento una implementación.

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Fig. 13. Perfil de radio enlaces completo (Simulación en Radio Mobile)

V. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se ha mostrado el proceso de diseño de una red basada en tecnología WiFi aplicada en este caso a un entorno rural de una zona en desarrollo con enlaces de larga distancia. De esta manera acortar la brecha digital en el área rural en comparación con el área urbana,

Cabe resaltar que el IEEE HTC, tiene una red desplegada en cuatros puntos:

Posta de Salud Challapata

Centro de Salud Chaguaya

Centro de Salud Carabuco

Gerencia de Red de Salud

El aprovechamiento de estos servicios fue de gran impacto en estos centros de salud, para apoyo en consultas, coordinación dentro el sector, etc.

Ahora con el presente trabajo se pretende ofrecer un diseño para expandir esta red a los cuatro municipios de la provincia Camacho, cumpliendo con los requisitos solicitados por el IEEE.

VI. RECONOCIMIENTO

El presente paper conto con el apoyo del IEEE-sección Bolivia, quien otorgo la información acerca de la red actual y su deseo de expansión del mismo.

VII. REFERENCIAS

[1] Carlos Navarrete Chavez, "Evaluación de la tecnología IEEE 802.11n con la plataforma OPNET". Barcelona, España: Universidad Politécnica de Catalunya, mayo 2007

[2] Marc Baños Aixala, “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE802.11b para aplicaciones de voz videos y datos en la cuenta de rio Napo-Perú” Barcelona, España: Universidad Politécnica de Catalunya, junio 2007

[3] Carlos David Guerra Anicama, “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE 802.11n de Telemedicina en el distrito de Balsapuerto con soporte de QoS para teleconsultas”, Madrid, España, 2012

[4] Andrez Marcelo Garrillo, Daniel Leonardo Cervallo. “Diseño de una red inalámbrica para dar servicio a 46 establecimientos educativos cantón Pimampiro en la provincia de Imbaburo”, Ecuador, Enero de 2011.

[5] Telecommunication Development Bureau (1999). Telemedicine and developing countries - lessons learned.

[6] Elias Choque Maydana, “Diseño de una red IEEE802.11n, para servicios de voz, video y datos, para la provincia Camacho”, Universidad Mayor de San Andrés, La Paz-Bolivia (2015)

[7] Andrés Martínez, “Evaluación de Impacto del Uso de tecnologías Apropiadas de Comunicación para el Personal Sanitario Rural de Países en Desarrollo”. Universidad Politécnica de Madrid. (2003).

[8] Ricardo Oña Martínez-Albelda. “Evaluación del Impacto en

[9] Salud del Proyecto de Telemedicina EHAS-Napo”, Escuela Técnica superior de ingenieros de telecomunicaciones, Perú (2006)

[10] Juan Manuel Castillo Orihuela, “Diseño de una red inalámbrica de banda ancha para un entorno rural”, Málaga, España. (2008)

[11] Bolaños Caluña Emilio Ivan, “Diseño de la red inalámbrica de área local para los edificios la Tribuna y Villafuerte de petroprocuccion bajo estándar IEEE802.11g y su interconectividad”, Ecuador 2008

[12] Patricia Ludeña. “Estudio de aplicabilidad del estándar 802.11n para redes de larga distancia para entornos rurales en América Latina”. Universidad Rey Juan Carlos, Madrid, (2011)

[13] .Javier Simo. “Modelado y optimización de IEEE 802.11 para su aplicación en el despliegue de redes extensas en zonas rurales aisladas de países en desarrollo”. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Ene 2007.

[14] Oscar Santos Hermosa. “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE 802.11n. Línea de base enfocada a un sistema de videoconferencia para realizar teleconsultas entre centros de salud de comunidades aisladas de la Amazonía peruana". Pontifica Universidad Católica del Perú, de Lima-Perú, 2011

[15] César Viloria Núñez, Jairo Cardona Peña, Carlos Lozano Garzón*, “Análisis comparativo de tecnologías inalámbricas para una solución de servicios de telemedicina” Ingeniería & Desarrollo”. Universidad del Norte., Colombia, 2009

[16] Plan Nacional de Frecuencia, Estado Plurinacional de Bolivia, 2011.

[17] Andrez Marcelo Garrillo y Daniel Leonardo Cervallo.” Diseño de una red inalámbrica para dar servicio a 46 establecimientos educativos cantón Pimampiro en la provincia de Imbaburo, Proyecto de fin de carrera Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones”. Escuela Politécnica Nacional, Ecuador, Enero de 2011.

[18] GTR. “Diseño de red PROYECTO WILLAY CUZCO y EHAS-ALIS, desarrollado por Grupo de telecomunicaciones rurales de la PUCP”, Lima Perú.

Publicaciones periódicas:

[19] Andrés Martínez, “Comunicaciones para salud en países en desarrollo: ¿lujo o necesidad? Cuaderno Internacional de Tecnología para el Desarrollo Humano”,2004

Libros:

[20] Grupo de Telecomunicaciones Rurales Pontificia Universidad Católica del Perú, “REDES INALÁMBRICAS PARA ZONAS RURALES”, Segunda Edición-2011. Perú.

[21] REID Neil, SEIDE Ron, 802.11 (Wi-Fi) Manual de Redes Inalámbricas, McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V. México D.F., 2003. O. Young, "Synthetic structure of industrial plastics," en Plastics, 2a ed., vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15-64.

Reportes técnicos:

[22] Á. Rendón, A. Martínez, M. F. Dulcey, J. Seoane, R. G. Shoemaker, V. Villarroel, D. López, J. Simó. “Rural Telemedicine Infrastructure and Services in the Department of Cauca, Colombia”. Telemedicine and e-Health, vol. 11, no. 4, pp. 451-459, Aug. 2005

[23] Javier Simó, Andrés Martinez, Javier Ramos, Joaquín Seoane. “Modeling and optimizing IEEE 802.11 DCF for long-distances links”. IEEE Transactions on Mobile Computing. 2010

Disertaciones:

[24] J. Hurtado, D. Lozano, G. Méndez. “Diseño y simulación de una red inalámbrica en malla para el transporte de voz en un entorno rural.” Congreso Colombiano de Comunicaciones COLCOM. Popayán, Colombia, 2007

Autor: Ing. Elias B. Choque Maydana
RNI:35979

Maestrante en Telemática Telecomunicaciones, Universidad Católica Boliviana

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