CAPITULO III - Tesis Electrónicas UACh
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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica “ANÁLISIS TÉCNICO Y FINANCIERO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA CONECTIVIDAD A NTERNET EN LA ESCUELA RURAL DE MISIÓN SAN JUAN DE LA COSTA” Tesis para optar al título de: Ingeniero Electrónico Profesor Patrocinante: Sr. Franklin Castro Rojas. Ingeniero Electrónico Licenciado en Ciencias de la Ingeniería WILSON MARCELO ANDRÉS INOSTROZA ORTIZ VALDIVIA – CHILE 2013 AGRADECIMIENTOS En estos momentos en el cual estoy terminando una etapa muy importante en mi vida, y la cual me costó mucho concluir, y muchas personas pensaban que no iba a terminar o que no me importaba, porque tengo una forma muy rara de demostrar las cosas, que a veces la gente piensa que las cosas no me importan cuando en realidad son muy importantes para mí. Para comenzar quiero agradecer a Dios por darme esa fortaleza en esos momentos difíciles donde la fe fue un gran aliado para seguir adelante y poder terminar con mi proceso de formación. Mis padres que siempre están ahí para apoyarme y darme fuerza en todos los proyecto que me he propuesto en la vida hasta ahora y sé que lo van a seguir haciendo, para ellos este gran logro, que se estarán muy orgullosos de mí. A mi señora, con la cual hemos vivido junto todo este proceso y me ha contenido en los momentos difíciles que he pasado para llegar a este final, que de seguro nos brindara frutos como familia, por haber tenido la paciencia de aguantarme en esos momentos de stress donde no era una buena compañía. Mi hijo Agustín que aún es pequeño, pero que entendía que a veces su papá no podía jugar con él porque tenía que estudiar y el cual me ayudo con el proceso de mediciones en terreno que tuve hacer para el trabajo de titulación, y del cual me pregunta cuándo vamos a ir al campo a instalar las antenas. A los profesores de la Carrera de Ingeniería Electrónica, que fueron parte fundamental de este proceso y que me dieron los consejos necesarios para poder seguir adelante, tanto académicos como personales ya que con el pasar de los años, ya no solo eran unos profesores para mí, sino más bien un amigo con los cuales podía contar, dentro de los cuales incluyo a Ximena que me tuvo paciencia hasta último minuto. No quiero dejar mencionar a mis amigos que igual me motivaron para que pudiera terminar con este proceso y con los cuales pasamos buenos momentos tanto con los que estudiamos como con los que no eran compañeros de carrera, de los cuales no daré nombre para que no se me escape ninguno y después me estén cobrando sentimientos. A todo el anteriormente mencionado Don Wilson le da muchas gracias. INDICE Tabla de contenido CAPITULO I: Conceptos Generales para el diseño de redes inalámbricas .......13 1.1 Conceptos básicos de antenas y propagación. ..........................................................13 1.1.1 Antenas.................................................................................................................................13 1.1.2 Propagación..........................................................................................................................14 1.1.3 Zona de Fresnel. ...................................................................................................................18 1.1.4 Potencia. ...............................................................................................................................20 1.1.5 Decibeles. .............................................................................................................................20 1.1.6 Calculo simplificado de un radio enlace. .............................................................................21 CAPITULO II: Especificaciones de equipos. ......................................................................24 2.1 Tecnología SKYPILOT. ....................................................................................................24 2.2 Dispositivos de la familia SkyPilot. ..............................................................................24 2.2.1 SkyGateway. ........................................................................................................................24 2.2.2 SkyExtender. ........................................................................................................................25 2.2.3 SkyConnectors. ....................................................................................................................26 2.3 Estructura Física de los dispositivos SkyPilot. .........................................................27 2.4 Topologías de red. ................................................................................................................30 2.5 Administración y gestión de la red SkyPilot. ............................................................31 2.6 Arquitectura SyncMesh. ....................................................................................................32 2.6.1 Creación y Descubrimiento automático del enlace. .............................................................32 2.6.3 Optimización del enlace. ......................................................................................................34 2.6.3 Optimización de la Ruta. ......................................................................................................35 2.6.4 Administración del tráfico....................................................................................................38 2.6.5 Coordinación de la Capacidad..............................................................................................40 CAPITULO III: Análisis Técnico del Proyecto ...................................................44 3.1 Descripción del Proyecto.......................................................................................................44 3.2 Diseño de Radio Enlace. ........................................................................................................45 3.2.1 Punto Geográficos para obtener Línea Vista...............................................................................45 3.3 Calculo de las Perdidas y Viabilidad del Sistema. ......................................................50 3.3.1 Pérdidas por atenuación del espacio libre (Lbf). .........................................................................50 3.3.2 Pérdidas totales fijas (Ptf). ...................................................................................................50 3.3.3 Ganancia total del sistema (Gts)...........................................................................................51 3.3.4 Pérdida neta del sistema. ......................................................................................................51 3.3.5 Nivel de potencia media recibida (Npr). ..............................................................................52 3.3.6 Margen sobre el desvanecimiento (FM)...............................................................................52 3.3.7 Confiabilidad del sistema. ....................................................................................................52 CAPITULO IV: Análisis costos de Implementación.......................................................54 4.1 Costo de los Equipos. ..............................................................................................................54 4.2 Costos de Implementación. ...................................................................................................54 4.2.1 Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyConnector Outdoor. ..................................54 4.2.2 Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyGateway. ....................................................55 4.3 Costo de Arriendo por Sitios de Antenas........................................................................56 4.4 Costo del Servicio de Internet. ........................................................................................56 CAPITULO V: Estudio Legal. ....................................................................................................59 5.1 Regulación. ..................................................................................................................................59 CONCLUSIONES .............................................................................................................................62 BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................63 Contenido de Figuras. Figura 1 – Ilustración de Propagación..........................................................................................................14 Figura 2 – Desvanecimiento de la señal o fading.........................................................................................15 Figura 3 – Leyes fundamentales de la reflexión...........................................................................................16 Figura 4 – Difracción en la cima de una montaña........................................................................................16 Figura 5 – Rayo refractado que atraviesa tres medios diferentes.................................................................17 Figura 6 – Dispersión de un prisma. ............................................................................................................18 Figura 7 – Elipsoide de Fresnel....................................................................................................................19 Figura 8 – Zona de Fresnel LOS. .................................................................................................................20 Figura 9 – Dispositivo SkyGetway. .............................................................................................................25 Figura 10 – Dispositivos SkyExtenders. ......................................................................................................25 Figura 11 – SkyConnectors Outdoor............................................................................................................26 Figura 12 – SkyConnector Indoor. ...............................................................................................................27 Figura 13 – Componente de un SkyExtender / SkyGeteway. ......................................................................27 Figura 14 – Componentes de un SkyConnector...........................................................................................28 Figura 15 – Power Inyector (POE)...............................................................................................................29 Figura 16 – Topologías de una red SkyPilot. ...............................................................................................30 Figura 17 – Capas de la arquitectura SyncMesh SkyPilot. ..........................................................................32 Figura 18 – Autenticación de dispositivos SkyPilot. ...................................................................................33 Figura 19 – Niveles de Modulaciones de SkyPilot. .....................................................................................35 Figura 20 – RSSI vs Nivel de modulación SkyPilot. ...................................................................................35 Figura 21 – Costos para los enlaces de los SkyGateway. ............................................................................36 Figura 22 – Costos para enlaces de los SkyExtenders. ................................................................................37 Figura 23 – Ejemplo de selección de rutas en una red SkyPilot. .................................................................37 Figura 24 – Valores EtherType. ...................................................................................................................39 Figura 25 – Tipos de protocolos...................................................................................................................39 Figura 26 – Puertos y protocolos..................................................................................................................39 Figura 27 – VLANs en una red SkyPilot. ....................................................................................................40 Figura 28 – Control y Priorización de paquetes. ..........................................................................................41 Figura 29 – Ubicación de coordenadas enlace directo Osorno – Colegio....................................................45 Figura 30 – Vista en Radio mobile enlace Osorno – Colegio. .....................................................................46 Figura 31 – Vista Radio Mobile enlace Osorno - Repetidora ......................................................................47 Figura 32 – Vista Radio Mobile Repetidor – Colegio..................................................................................47 Figura 33 – Ubicación geográfica en Google Earth del enlace. ...................................................................48 Figura 34 – Vista en terreno desde la Repetidora hacia Osorno. .................................................................48 Figura 35 – Vista en terreno Repetidora hacia Colegio. ..............................................................................49 Figura 36 – Vista en Terreno del colegio. ....................................................................................................49 Contenido de Tablas. Tabla 1 – Precio de los equipos Sky Pilot. ..................................................................................................54 Tabla 2 – Costos de implementación SkyConnector....................................................................................54 Tabla 3 – Costos de implementación de SkyGateway. ................................................................................55 Tabla 4 – Costo de arriendo de terrenos.......................................................................................................56 Tabla 5 – Costos de Servicios de internet. ...................................................................................................57 Tabla 6 – Costos del proyecto a 5 años........................................................................................................57 Tabla 7 – Comparación del costo mensual del proyecto con otra empresa..................................................57 RESUMEN El trabajo de tesis consta de una reseña técnica literaria, correspondiente al tema de Radio Enlaces, a través de Radio Frecuencias, un desarrollo del cálculo para ver la factibilidad técnica de la implementación de dicho enlace y sus costos asociados para su posterior implementación, al igual que la regulación existente para la misma. La estructura del trabajo se divide en cinco capítulos, de los cuales se enunciara una breve reseña de lo abordado en cada uno de ellos. En el primer capítulo se describe los conceptos básicos que se deben tener presente para el diseño de un Radio Enlace. El capítulo II, consta de las especificaciones técnicas de los equipos que se van a utilizar para el enlace. En el capítulo III se realizar el diseño del enlace, utilizando el google earth y el programa radio mobile para esto y también se realizó el cálculo para verificar la factibilidad del enlace. El capítulo IV especifica los costos asociados para poder llevar acabo el enlace, en el cual se detalla cada uno de estos. En capítulo V entrega la información sobre la reglamentación existente en el país para poder realizar un enlace. Para terminar con el trabajo de tesis se muestran las conclusiones obtenidas tras la realización del mismo. ABSTRACT The thesis consists of a literature review technique, relevant to the topic of radio links, through Radio Frequency, a development of the calculation to see the technical feasibility of implementing such a link and its associated costs for subsequent implementation, as the existing regulations for the same. The structure of the paper is divided into five chapters, of which a brief overview of what addressed in each enunciating. In the first chapter the basic concepts that should be present for the design of a radio link is described. Chapter II consists of technical equipment to be used for binding specifications. Chapter III will make the link design using the google earth program and Radio mobile for this and the calculation was also performed to verify the feasibility of the link. Chapter IV specifies the associated costs to carry out the link, which is detailed in each of these. In Chapter V delivers information on existing regulations in the country in order to make a link. To end the thesis conclusions obtained after the completion thereof is. OBJETIVOS GENERALES Analizar aspectos técnicos y financieros para la implementación de conectividad digital en la escuela rural de Misión San Juan de la Costa, para apoyar el aprendizaje de los alumnos en las aulas y mantenerlos actualizados en diversas temáticas de interés. OBJETIVOS ESPECIFICOS Definir técnicamente la factibilidad de realizar un enlace de Radiofrecuencia para la conexión a internet en la zona rural de San Juan de la Costa, considerando su dificultad geográfica. Proyectar el costo financiero que implica la implementación de esta tecnología. Evaluar la importancia social del proyecto. Generar una nueva herramienta de aprendizaje a través del internet, para los alumnos de dicho establecimiento. INTRODUCCION Con el desarrollo de la tesis, se pretende acercar a niños y niñas de una zona rural ubicada a 29 Km. de la ciudad Osorno, al mundo de internet, abriendo de esta manera nuevos caminos para el aprendizaje, además de actualizar a los docentes otorgando nuevas herramientas de apoyo para su importante labor en relación a la educación formal de este grupo de estudiantes, cuyas edades fluctúan entre los 5 y 13 años. Misión San Juan de la Costa es una zona rural que a pesar de no estar tan lejos de la ciudad de Osorno, no cuenta con conexión a internet, ni telefónica, debido a su compleja geografía, ya que se encuentra en las faldas de la cordillera de la costa. CAPITULO I Conceptos Generales para el diseño de redes inalámbricas CAPITULO I: Conceptos Generales para el diseño de redes inalámbricas Los conceptos presentados a continuación son esencialmente los que serán usados en el diseño de redes inalámbricas. Las consideraciones teóricas a desarrollar correspondientes a enlaces de microondas se presentan en el siguiente orden: las comunes tanto a enlaces de microondas analógicos como digitales, las correspondientes a enlaces de microondas analógicos y los concernientes a enlaces de microondas digitales. 1.1Conceptos básicos de antenas y propagación. 1.1.1 Antenas. Es un dispositivo generalmente metálico utilizado para recibir o emitir energía electromagnética. En el proceso de comunicación las antenas transforman la energía eléctrica en ondas electromagnéticas y viceversa. 1.1.1.1 Parámetros de una antena. a) Diagrama de radiación Es una representación de la potencia de la señal transmitida en función del ángulo espacial. Aquellas antenas que tienen la capacidad de irradiar ondas electromagnéticas con la misma capacidad y magnitud en todas las direcciones en un solo plano se las conoce como antenas omnidireccionales; aquellas antenas que irradian la onda electromagnética en una sola dirección se las denomina antenas directivas. b) Ganancia Es la intensidad de radiación que produce una antena en una dirección determinada, con respecto a la intensidad de radiación que produce una antena de referencia o ideal denominada antena isotrópica (que irradia o recibe energía uniforme en todas las direcciones, sirve como referencia propiedades direccionales de las antenas reales), en el mismo punto y bajo las mismas condiciones. Se mide en dBi o dBd (0 dBd es igual a 2,14 dBi). 13 c) Polarización La polarización de la antena se refiere a la orientación del campo eléctrico emitido por la antena. Normalmente, dos antenas que forman un enlace entre sí deben fijarse a la misma polarización. Una antena puede polarizarse en forma lineal (horizontal o vertical), en forma elíptica, o en forma circular. Si el campo eléctrico permanece en la dirección vertical durante toda la trayectoria de una onda electromagnética, la antena está polarizada verticalmente; si la antena irradia una onda electromagnética en donde el campo eléctrico permanece en dirección horizontal, se dice que la antena está polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico gira en un patrón elíptico, se dice que la antena está polarizada elípticamente; y si el campo eléctrico gira en un patrón circular, se dice que la antena está polarizada circularmente. Figura 1 – Ilustración de Propagación. d) EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) Equivalente a PIRE (Potencia Isotrópica Irradiada Efectiva). Es la máxima potencia irradiada, esto equivale a la suma de la potencia transmitida y la ganancia de la antena menos la pérdida de cables y acoplamiento. 1.1.2 Propagación. Principales fenómenos que afectan a las ondas electromagnéticas: a) Desvanecimiento (fading) Se refiere a las variaciones de la intensidad de la señal recibida, provocadas por cambios en el medio (cambios atmosféricos como lluvia) o por las diferentes trayectorias tomadas por las señales 14 (multitrayectoria) que causan interferencia. El receptor recibirá varias señales con diferentes fases que pueden sumarse, restarse o anularse, estos cambios provocarán que la amplitud de la señal se incremente o se desvanezca. Figura 2 – Desvanecimiento de la señal o fading. b) Absorción Cuando las ondas electromagnéticas atraviesan algún material durante su trayectoria, se produce una pérdida en la potencia de las mismas, ésta decrece de manera exponencial. Los materiales más absorbentes son el metal y el agua (lluvia, niebla, vapor y nubes bajas). La absorción en las OEM es una atmosfera normal depende de su frecuencia y es relativamente insignificante bajo los 10 GHz. c) Reflexión Una onda de radio es reflejada cuando entra en materiales de superficie reflectora, como son el metal y el agua, en el caso de la reflexión el ángulo con el cual una onda incide en una superficie será igual al ángulo con el cual es desviado (ángulo de reflexión). 15 Como consecuencia de la reflexión se produce la multitrayectoria, ésta se genera cuando una onda electromagnética incide en los obstáculos y se generan múltiples copias de la señal viajando en diferentes direcciones y con retardos variables. Figura 3 – Leyes fundamentales de la reflexión. d) Difracción Es el comportamiento de una onda cuando choca contra los bordes de un obstáculo y dan la impresión de doblarse; esto se explica ya que cada punto de un obstáculo genera un nuevo frente de ondas, el nuevo frente puede rodear un obstáculo. Es proporcional a la longitud de onda, las ondas más largas se difractan más, dando la impresión de voltear la esquina. Figura 4 – Difracción en la cima de una montaña. 16 e) Refracción Cuando una onda electromagnética pasa de un medio con una densidad a otro de densidad diferente, cambia de velocidad y en consecuencia de dirección, en el límite de los dos medios. En la figura 5 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios tipos distintos de superficies. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado. Figura 5 – Rayo refractado que atraviesa tres medios diferentes. El grado de flexión o refracción que hay en la interface entre dos materiales de distintas densidades es bastante predecible, y depende del índice de refracción de cada material. El índice de refracción no es más que la relación de la velocidad de propagación de la luz en el tiempo vacio entre la velocidad de propagación de la luz en determinado material, es decir: = Donde IR es el índice de refractividad, Vp es la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre (adimensional) y Vm es la velocidad de propagación de la luz en determinado material. f) Interferencia Existen varios tipos de interferencia. La interferencia constructiva se da cuando los dos crestas de dos ondas coinciden, por lo tanto se suman. La interferencia destructiva se da cuando una cresta de una onda coincide con un valle de otra onda y se anulan entre sí. En redes inalámbricas la interferencia es considerada como 17 alteraciones provocadas por otras redes o fuentes de microondas. Las técnicas de modulación y el uso de canales múltiples ayudan a disminuir la interferencia. g) Dispersión Fenómeno en el cual la dirección, frecuencia o polarización de onda es cambiada cuando la onda encuentra discontinuidades en el medio, o interactúa con el material a nivel atómico o molecular. Figura 6 – Dispersión de un prisma. 1.1.3 Zona de Fresnel. De acuerdo con el principio de Huygens, cada elemento del frente de onda produce un frente de onda secundario, teniendo en la antena receptora infinidad de frentes de onda incidiendo los cuales se suman o resta de acuerdo a su fase relativa (función de la diferencia de caminos recorridos). El efecto queda determinado por una familia de elipsoides alrededor del rayo directo denominadas elipsoides de Fresnel, (Ver figura 7). 18 Figura 7 – Elipsoide de Fresnel. El radio de la primera zona de Fresnel se puede calcular como: = 1 2 La teoría de zona de Fresnel simplemente se preocupa de la línea desde un Tx (transmisor) a un Rx (receptor) y al espacio alrededor de esa línea que tiene como destino el Rx. Algunas ondas viajan directamente desde Tx hasta Rx, mientras otras lo hacen en trayectorias indirectas. Consecuentemente, su trayecto es más largo, introduciendo un desplazamiento de fase entre los rayos directos e indirectos. Siempre que el desplazamiento de fase es de una longitud de onda completa, se obtiene una interferencia constructiva: las señales se suman óptimamente. Tomando este enfoque y haciendo cálculos, nos encontramos con que hay zonas anulares alrededor de la línea directa de Tx a Rx que contribuyen a que la señal llegue. Hay que tener en cuenta que existen muchas zonas de Fresnel, pero solo nos interesa la zona uno. Si ésta fuera bloqueada por ejemplo un edificio o una montaña, (Ver figura 8 ), la señal que llegue al destino, en este caso Rx, será atenuada. Entonces cuando se planean los enlaces hay que preocuparse o cerciorarse que la zona uno de Fresnel esté libre de obstáculos. En la práctica se trabaja hasta con un 60 % de la zona de Fresnel despejada. 19 Figura 8 – Zona de Fresnel LOS. La primera zona de Fresnel puede ser calculada como: = 17,31 × 1 2 × Donde r es el radio de la zona 1 en metros, d1 y d2 son las distancias desde el obstáculo a los extremos del enlace en metros, y f es la frecuencia en MHz. 1.1.4 Potencia. El campo eléctrico se mide en V/m (diferencia de potencial por metro), la potencia contenida en él es proporcional al campo eléctrico al cuadrado. En la práctica, medimos la potencia por medio de algún tipo de receptor, por ejemplo, una antena y un voltímetro, un medidor de potencia, un osciloscopio, o inclusive una tarjeta inalámbrica y un computador portátil. La potencia es proporcional al cuadrado del voltaje de la señal. 1.1.5 Decibeles. El decibelio es una unidad que sirve para la comparación de niveles de potencia o tensión en acústica y electricidad. La sensación de nuestros oídos debida a las ondas sonoras es aproximadamente proporcional 20 al logaritmo de la energía de la onda sonora y no es proporcional a la magnitud de dicha energía. Por esta razón, se emplea una unidad logarítmica para aproximarse a la respuesta del oído. El decibelio representa una relación de dos niveles de potencia que suelen referirse a las ganancias o pérdidas debidas a un amplificador o a otro dispositivo. El decibelio se define por: = 10 Donde P0 es la potencia de salida, PI la potencia de entrada y el número de decibelios. Cuando es positivo hay una ganancia, de lo contrario hay una pérdida. 1.1.6 Cálculo simplificado de un radio enlace. Una forma de verificar si un radio enlace funcionará correctamente es mediante el cálculo teórico del balance de potencias, por lo tanto está sujeto a variaciones provocadas por múltiples factores, tales como: ángulo de orientación de las antenas, ruido industrial (hornos a microondas), pérdidas atmosféricas (lluvia, humedad del aire), antena mal orientada, refracciones, reflexiones, dispersiones, etc. Por lo tanto es necesario tomar un suficiente margen de seguridad (5-6 dB o más en distancias grandes). Así pues, se puede utilizar durante la fase inicial de diseño del radio enlace, pero en cualquier caso habrá que realizar las oportunas comprobaciones, medidas y ajustes durante la posterior fase de instalación para asegurar el buen funcionamiento del sistema. Tanto para enlaces punto a punto como para redes punto-multipunto. En ambas situaciones se deberá llevar a cabo un balance del enlace, utilizando para ello la siguiente expresión: ( Donde )= − (dBm) será la potencia recibida, + − + − − (dBm) será la potencia del transmisor, (dB) serán las pérdidas totales en los terminales del transmisor, Gt (dBi) será la ganancia de la antena transmisora, serán las pérdidas básicas de propagación, las pérdidas por penetración en interiores y (dBi) será la ganancia de la antena receptora, (dB) (dB) serán (dB) las pérdidas totales en los terminales del receptor. 21 Potencia transmitida: La potencia del transmisor se expresa habitualmente en unidades lineales (mW, W) o logarítmicas (dBm, dBW). Para la conversión entre magnitudes lineales y logarítmicas se utiliza la siguiente fórmula: ( ) = 10 10 ( ) 0,001 Ganancias de las antenas transmisora y receptora: La ganancia de la antena se proporciona habitualmente en dB isotópicos (dBi), es decir, la ganancia de potencia con respecto a un modelo teórico de antena isotrópica que radia la misma energía en todas las direcciones del espacio. En este caso, se tiene la siguiente fórmula de conversión. ( )= ( ) + 2,14 Pérdidas básicas de propagación en espacio libre: Se trata de las pérdidas de propagación que sufre la señal radioeléctrica en condiciones de espacio libre: sin ningún obstáculo en el camino, es decir, visión directa entre las antenas. En esta magnitud no suelen incluirse otras pérdidas adicionales debidas a lluvia, absorción atmosférica, etc. Estas pérdidas están relacionadas directamente con la distancia del radio enlace y la frecuencia de funcionamiento mediante la siguiente expresión. ( ) = 92,44 + 20 lim ( ) + 20 log ( ) ( ) 22 CAPITULO II ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS 23 CAPITULO II: Especificaciones de equipos. 2.1 Tecnología SKYPILOT. Es una tecnología propietaria inalámbrica mallada de banda ancha, fabricada por la empresa estadounidense SkyPilot Networks Inc. (Santa Clara, California), que permite desarrollar de manera rápida y eficiente redes inalámbricas capaces de soportar servicios tales como: acceso de banda ancha de última milla, telefonía IP (VoIP), vídeo vigilancia, comunicaciones móviles, etc. La tecnología SkyPilot posee características técnicas que permiten hacer frente a los problemas comunes que se presentan en la implementación de soluciones de radiofrecuencia (RF) tales como: interferencia, eficiencia espectral, rango de frecuencias, escalabilidad, capacidad, redundancia y tolerancia a fallos. A diferencia de otros sistemas de banda ancha inalámbrica, la red de banda ancha de SkyPilot es altamente flexible. Puede soportar concurrentemente datos, voz y aplicaciones de video; diferentes usos de las redes y múltiples niveles de servicios. Basado en protocolos sincronizados y en una avanzada conmutación de arreglo de antenas, las soluciones SkyPilot proporcionan una gran escalabilidad y rendimiento para todas las aplicaciones de banda ancha inalámbrica. 2.2 Dispositivos de la familia SkyPilot. 2.2.1 SkyGateway. Provee una interfaz entre la red cableada y la red inalámbrica. Habitualmente se encuentra ubicado en el POP (Punto de Presencia) o en un Datacenter, donde puede acceder fácilmente a la red cableada. Incluye un arreglo avanzado de ocho antenas que provee una cobertura omnidireccional. Puede alcanzar niveles de potencia isótropica radiada equivalente (PIRE) de hasta 28W (44,5 dbm), lo que permite lograr distancias de hasta 16Km. entre los nodos de la red mallada. La red inalámbrica Skypilot requiere al menos de un SkyGateway para su normal funcionamiento, se puede adicionar varios SkyGateways para aumentar la capacidad de la red o proveer redundancia. SkyPilot Networks ofrece, además del SkyGateway Clásico, los modelos SkyGateway DualBand y SkyGateway TriBand, que se diferencian por ofrecer cobertura Wi-Fi (2.4GHz) y cobertura en banda de seguridad pública (4.9GHz). 24 Figura 9 – Dispositivo SkyGetway. 2.2.2 SkyExtender. Funciona como un repetidor que extiende el área de cobertura de un SkyGateway. Incluye un avanzado arreglo de ocho antenas que provee una cobertura omnidireccional. Aumenta la robustez y flexibilidad de una red mallada, mejorando la disponibilidad de una red inalámbrica Skypilot. Para obtener un rendimiento óptimo los dispositivos SkyExtender deben ubicarse en lugares accesibles y elevados tales como: edificios, torres, postes de iluminación pública, vallas y torres de agua. SkyPilot Networks ofrece, además del SkyExtender Clásico, los modelos SkyExtender DualBand y SkyExtender TriBand, que se diferencian por ofrecer cobertura Wi-Fi (2.4GHz) y cobertura en banda de seguridad pública (4.9GHz). Figura 10 – Dispositivos SkyExtenders. 25 2.2.3 SkyConnectors. Provee una interfaz entre la red Ethernet del usuario final y la red inalámbrica. Incluye una antena tipo panel con una ganancia de alrededor de 16.5 dbi y un ancho del haz de 28° en el plano horizontal y 9º en el plano vertical. El enlace inalámbrico puede ser directamente a un SkyGateway o indirectamente a través de un SkyExtender. Existen dos tipos de SkyConnectors: Outdoors: diseñado para instalaciones en exteriores. Deben ser colocados en la parte externa de la edificación o estructura tales como: techos, terrazas. Provee una mejor cobertura que el modelo para interiores. Existen tres tipos de SkyConnector Outdoors: Clásico, Profesional (Pro) y Mini; las diferencias más notables son en lo referente a costos y características técnicas tales como: ganancia de la antena, potencia de transmisión y rangos de frecuencias de operación. Figura 11 – SkyConnectors Outdoor. Indoors: es un dispositivo plug and play que el usuario final puede instalar sin asistencia técnica. Debe ser colocado en lugares en donde se pueda tener línea de vista con el SkyGateway o el SkyExtender, como en el marco de una ventana. 26 Figura 12 – SkyConnector Indoor. 2.3 Estructura Física de los dispositivos SkyPilot. A continuación se indican la estructura de los dispositivos SkyGateway y SkyExtender. Figura 13 – Componente de un SkyExtender / SkyGeteway. Chasis: ligero con forma cilíndrica basado en el estándar NEMA-4X, que permite una fácil instalación en las estructuras existentes tales como torres, edificios, postes de iluminación pública, vallas y torres de agua. 27 Receptor GPS: componente integrado que permite la sincronización exacta de los relojes de todos los elementos de la red mallada. Arreglo de Antenas: avanzado arreglo de ocho antenas sectorizadas con una separación de 45° en el plano horizontal x 6° en el plano vertical; una ganancia de 18 dbi, proporcionando una cobertura de 360°. Son capaces de soportar hasta 28 W PIRE, lo que permite ampliar la cobertura inalámbrica en alrededor de 16Km entre los nodos de la red mallada. Sector Switch: coordina y optimiza la actividad de cada sector del arreglo de antenas de los equipos SkyPilot. System Board: provee un mecanismo para la administración avanzada de enlaces, conectividad al Internet (SkyGateway), funcionalidad con los SkyConnectors (SkyExtender) y un software de enrutamiento. Puerto Ethernet RJ45: proporciona la energía de alimentación (a través del Power Injector) así como la conectividad. A continuación se indica la estructura de los dispositivos SkyConnectors: Figura 14 – Componentes de un SkyConnector. 28 Chasis: SkyConnector Outdoor tiene un chasis ligero basado en el estándar NEMA-4X y es típicamente instalado en paredes, cornisas, o en los techos de los edificios o casas, mientras que el SkyConnector Indoor se puede colocarse en una mesa o instalarse en una ventana. Antena: es de tipo panel con un ancho de haz de 28° en el plano horizontal x 9° en el plano vertical y una ganancia de 16.5 dbi. Proporciona una alta ganancia y mejora la penetración, lo que permite alcanzar distancias en alrededor de los 12km. System Board: proporciona mecanismos para la autenticación de los usuarios finales y acceso a la red mallada. Puerto Ethernet RJ45: proporciona la energía de alimentación (a través del POE Power Over Ethernet) así como la conectividad. Tanto los equipos SkyGateways como los SkyExtenders y los SkyConnectors poseen un Power Inyector (POE) que suministra de corriente eléctrica a los dispositivos SkyPilot a través de Ethernet y a su vez permite la transmisión de datos desde el dispositivo SkyPilot hacia un computador o la red interna. Figura 15 – Power Inyector (POE). 29 2.4 Topologías de red. Se indicará las topologías soportadas por la tecnología SkyPilot, las mismas que se describen a continuación: Punto a punto Punto a multipunto: donde el SkyGateway es instalado en un lugar central; todos los SkyConnectors son colocados alrededor del SkyGateway estableciendo redes compactas, pequeñas fáciles de instalar y mantener. Malla: mediante la utilización de los SkyExtenders la red puede ofrecer varias ventajas en comparación con las otras topologías, como incremento de la cobertura, la capacidad, redundancia y eficiencia del espectro. Figura 16 – Topologías de una red SkyPilot. 30 2.5 Administración y gestión de la red SkyPilot. La administración de todos los nodos de la red SkyPilot puede ser realizada a través de la Interfaz de Línea de Comandos (CLI) y/o a través de los sistemas de administración (EMS “Element Management System”) SkyProvision y SkyControl. Se debe aclarar que el SkyProvision EMS soporta todos los parámetros de configuración, mientras el CLI soporta un subconjunto. Se recomienda el uso del SkyProvision y SkyControl para utilizar todo el potencial del sistema SkyPilot. Cada nodo SkyPilot tiene un Agente SNMP. Este Agente permite a un administrador consultar la configuración del sistema, y monitorizar el estado y obtener estadísticas. SNMP proporciona una interfaz predominante sólo de lectura con solo atributos para recargar o para resetear. La recarga causa que el archivo de configuración pueda ser descargado y que cualquier cambio en los parámetros de configuración sea completado. El reseteo causa que el nodo que se reinicia pueda reconectarse a la red. Los nodos SkyPilot soportan el estándar MIB-II, MIBs EtherLike y Bridge, en conjunto con la MIB SkyPilot. Interfaz de Línea de Comandos (CLI): Es una aplicación interactiva en base a texto existente en cada equipo SkyPilot, la misma que permite configurar manualmente el dispositivo, observar información y estado del equipo. Se puede acceder a través de la conexión Ethernet RJ-45 por medio de telnet o por la conexión serial RS-232. La Interfaz de Línea de Comandos permite al operador administrar y monitorear un nodo SkyPilot localmente o remotamente. El CLI soporta un subconjunto de los parámetros de administración habilitados a través de un archivo de configuración. Interfaz Web: Es una aplicación Web que existente en cada dispositivo SkyPilot a partir de la versión del firmware 1.3, que provee las mismas funciones de la interfaz de línea de comandos pero con una interfaz gráfica de fácil uso. SkyProvision: Es un elemento de administración que permite configurar a los dispositivos SkyPilot de la red mallada de forma remota a través de los enlaces inalámbricos. Proporciona una gestión centralizada de la configuración de los dispositivos inalámbricos de la red mallada. Permite la actualización del firmware de los dispositivos SkyPilot a través del medio inalámbrico, así como programar el tiempo en que los dispositivos inalámbricos cambien de un firmware a otro. Establece "perfiles de servicio" en lo concerniente a parámetros de red, seguridad, y calidad de servicio (QoS). Permite respaldar y restaurar la configuración de los dispositivos SkyPilot de la red mallada. 31 SkyControl: Es una aplicación EMS desarrollado por SkyPilot para la administración, gestión, monitoreo y control. Integra el servicio de mapas de Google Earth que provee una visualización dinámica de la red, que ayuda de manera efectiva a la preparación y actualización de los diagramas de red, en base a los datos coordinados de GPS disponibles en los equipos de SkyPilot. 2.6 Arquitectura SyncMesh. La arquitectura SyncMesh especifica la conectividad y operación de la red mallada inalámbrica de la tecnología SkyPilot por medio de seis capas distintas. Las tres capas inferiores optimizan la topología de la red mallada, mientras que, las tres capas superiores optimizan el flujo de tráfico a través de la red mallada. Figura 17 – Capas de la arquitectura SyncMesh SkyPilot. 2.6.1 Creación y Descubrimiento automático del enlace. El motor de Descubrimiento Continuo de Enlace (Continuos Link Discovery Engine, figura 15) usa las funcionalidades del arreglo de ocho antenas para localizar a todos sus nodos vecinos. Cuando un nodo de la red entra en funcionamiento por primera vez, éste busca dinámicamente a través de una lista de frecuencias permitidas usando un algoritmo, llamado Frequency Hunt, el canal más eficiente 32 para inicializar la comunicación. El algoritmo está coordinado a través de mensajes “Hello”; los cuales son emitidos constantemente por los dispositivos del backhaul a cualquier nodo de la red mallada. Cuando un nodo vecino dentro del rango de cobertura recibe un mensaje “Hello” y responde a éste, entonces se procede a realizar la autenticación del nodo para verificar su legitimidad, mediante una negociación handshake. El nodo que comienza la negociación es el que tiene la MAC address más pequeña, para el caso de la Figura 18 será el Nodo A, el cual envía un mensaje “Hello” que contiene su certificado de identificación (todos los nodos SkyPilot tienen instalado un certificado de identificación único, instalado durante su fabricación, éste certificado es parte de una cadena de certificados que han firmados por la entidad certificadora SkyPilot, adicionalmente en cada dispositivo está instalada la llave pública de la entidad certificadora) al nodo B. Figura 18 – Autenticación de dispositivos SkyPilot. Una vez que el nodo B recibe el mensaje “Hello” éste verifica el certificado de identificación (Ca) del nodo A por medio de la llave pública de la entidad certificadora G y genera un número randómico (Rb), al cual se le aplica una doble encripción, la primera con la llave compartida de red “Network Key” (Kn) (es una clave estática configurada por el operador de la red) y la segunda con la llave pública de A (A); se envía un mensaje “Challenge” con el número randómico encriptado (Rb) y el certificado de identificación (Cb) del 33 nodo B. El propósito de la doble encripción es verificar que el nodo A comparte la misma llave de red (Kn) que el nodo B, y asegurarse que solo el nodo A pueda desencriptar este mensaje. El nodo A verifica el cerificado de identificación (Cb) del nodo B por medio de la llave pública de la entidad certificadora (G), desencripta con la llave privada (a) de del nodo A y con la llave de compartida de red (Kn), calcula un número randómico (Ra) y calcula una llave compartida de sesión (Kab) a partir de (Ra), (Rb), encripta (Ra) con la llave compartida de red (Kn), esto es encriptado conjuntamente con (Rb) con la llave pública del nodo B (B); se envía un mensaje “Response Challenge” al nodo B con lo encriptado. El nodo B quien realiza la desencriptación, chequea el Rb y calcula una llave compartida de sesión (Kab) a partir de (Ra), (Rb), encripta (Ra) con la llave pública de A (A); y envía un mensaje “Response” al nodo A. El nodo A desencripta el mensaje “Response” usando la llave privada del nodo A (a) y chequea el (Ra). Si en cualquier paso el protocolo de autenticación falla, el enlace pasará a un estado de autorización fallida y los datos no podrán ser intercambiados. Una vez que el proceso de autenticación (Link Authentication, Figura 18) se ha completado exitosamente; todos los paquetes que pasan a través de estos nodos son encriptados (Link Encryption figura 18) usando llaves de sesión AES (Advance Encryption Estándar) de 128-bits para proteger la confidencialidad de la información; concluidos estos procesos, el enlace es establecido entre los nodos y permite el paso de los datos. 2.6.3 Optimización del enlace. En esta capa de la arquitectura SyncMesh es donde a través del Continuous Link Optimization Engine, figura 17, realmente, se aprovechan las funcionalidades de las antenas direccionales. Los procesos continuos y automáticos de monitoreo del enlace (Link Monitoring) y mantenimiento del enlace (Link Maintenance) mejoran el rendimiento de cada enlace basándose en la tasa de error lo que progresivamente permite un mejor throughput. Además, mediante un algoritmo “re-try” se asegura altas tasas de paquetes recibidos con éxito, independiente de cualquier protocolo IP, sin generar excesivas latencias. Por tanto, la red puede operar a diferentes niveles de modulación, figura 19, permitiendo que cada enlace sea capaz de ajustarse a condiciones variables, tales como: el ruido intermitente, la atenuación de la señal, etc., mientras se mantiene una tasa baja de error y se maximiza el throughput de la red; a éste proceso se lo denomina modulación adaptativa (Adaptive Modulation). 34 Figura 19 – Niveles de Modulaciones de SkyPilot. El nivel de modulación de un enlace generalmente está directamente relacionado con el Indicador de fuerza de señal de recepción, RSSI (Received Signal Strength Indicator), parámetro que indica el nivel de la señal recibida. SkyPilot realizó la transmisión de 10.000 paquetes por cada combinación de modulación y nivel RSSI, en un laboratorio (no se consideró la interferencia ni las reflexiones multicaminos), para enlaces SkyGateway/SkyExtender y SkyExtender/ SkyExtender. Se obtuvo 90% de paquetes recibidos con éxito. El algoritmo de optimización del enlace suele requerir el 95% de paquetes recibidos con éxito para seleccionar el nivel de modulación; considerando estos aspectos se muestran en la figura 20 los niveles de RSSI. Figura 20 – RSSI vs Nivel de modulación SkyPilot. 2.6.3 Optimización de la Ruta. El motor de cálculo de ruta (Route Calculation Engine), usa un algoritmo distribuido que asigna el costo a cada enlace considerando la modulación del enlace y el costo que conlleva ir hacia el nodo destino. La ruta óptima seleccionada es aquella que conlleva el costo más bajo, la cual es elegida como la ruta primaria, el resto de rutas son designadas como rutas alternativas (rutas de respaldo). 35 Con la optimización del enlace, los costos del enlace pueden cambiar en el tiempo, esto generalmente ocurre debido a posibles cambios de las condiciones de radio frecuencia. SkyPilot usa re-enrutamiento dinámico para seleccionar automáticamente la ruta óptima cuando los costos del enlace cambian. Si un enlace primario experimenta una degradación del throughput o una falla, el proceso de elección de ruta se activaría inmediatamente, el enlace de respaldo de más bajo costo se convierte en enlace primario; éste proceso se lleva a cabo sin descartar ningún paquete. Cada SkyGateway es el encargado de identificar, asociar el costo y de generar periódicamente mensajes de ruteo con el costo; todos los SkyExtenders y SkyConnectors enlazados reciben estos mensajes y utilizan los datos del costo para seleccionar el enlace de costo más bajo por él cual se puede enviar la información. Costo de Enrutamiento. El Costo de enrutamiento es calculado de la siguiente manera: Un SkyGateway genera un mensaje de ruteo con el costo en base a la figura 21. Figura 21 – Costos para los enlaces de los SkyGateway. Por ejemplo, para determinar el costo total de un enlace para un SkyGateway, se considera un enlace con modulación downstream de 36 Mbps cuyo costo es 13 y un enlace de modulación upstream de 18 Mbps cuyo costo es 14, por lo tanto el costo total para el enlace es 27, otro ejemplo de cálculo del costo total de un enlace para un SkyGateway tomaremos un enlace con modulación downstream de 24 Mbps cuyo costo es 10 y modulación upstream de 24 Mbps cuyo costo es 10, por lo que el costo total de este enlace es 30. Comparando los dos ejemplos anteriores el enlace cuyo costo total es 27 es el primero que será seleccionado. Un SkyExtender selecciona el costo más bajo dado por el SkyGateway. El costo del enlace de un SkyExtender es calculado usando la ecuación: Costo_Total_Enlace= (Costo más bajo_Entrada X) + Costo_Enlace_Saliente El costo total del enlace es la suma del costo más bajo del enlace entrante incrementado en un 10% más el costo del enlace saliente determinado por sus velocidades de downstream y upstream. 36 Figura 22 – Costos para enlaces de los SkyExtenders. Figura 23 – Ejemplo de selección de rutas en una red SkyPilot. La Figura 23 ilustra un ejemplo de selección de rutas en una red de tres SkyExtenders y un SkyGateway. Primeramente el SkyGateway genera y envía mensajes de costo de 23 y 30 hacia los nodos A y B con enlaces con niveles de modulación 36/24 Mbps y 24/24 Mbps respectivamente. El nodo C, recibe dos costos de mensaje, uno desde el nodo A que indica un costo de (23*1.1)+21=47 y desde el nodo B que incida un costo de (30*1.1)+30=63. Éste nodo selecciona la ruta hacia el nodo A, ya que es el de menor costo y almacena la ruta hacia el nodo B como respaldo. Re-enrutamiento. Hay cuatro escenarios por los cuales se realiza una operación de Re-enrutamiento: Una falla en un enlace o en un nodo (SkyGateway/SkyExtender) de la ruta primaria seleccionada. Una falla en un enlace o en un nodo (SkyGateway/SkyExtender) en la ruta activa hacia el SkyGateway. 37 El rendimiento de uno o más enlaces de la ruta activa se han degradado ocasionando reducción de la capacidad y, por lo tanto, incremento en el costo de ruteo. Aparecimiento de una ruta de más bajo costo, típicamente esto sucede cuando se inserta un nuevo nodo (SkyExtender/ SkyGateway) a la red. Un SkyExtender cambiará una ruta de bajo costo solo cuando el costo es al menos 15 unidades más bajo que la ruta primaria. Una falla en un enlace o en un nodo es detectado con la recepción de 3 mensajes “keep-alive” consecutivos de falla. Este tipo de mensajes son transmitidos cada 1.5 segundos. Por lo tanto, se considera un enlace fallido después de 4.5 segundos como máximo. Un SkyExtender que detecta una falla en un enlace busca la ruta alternativa disponible más cercana y de más bajo costo. Esta activación toma aproximadamente 1 segundo. Una vez que la activación es completada satisfactoriamente, el SkyExtender transmite el costo asociado con esta nueva ruta. Si el SkyExtender detecta una falla en un enlace y no tiene rutas alternativas o la activación del enlace asociado falla, entonces éste transmite un mensaje de costo “infinite” y comienza una búsqueda de frecuencia para encontrar otra ruta. 2.6.4 Administración del tráfico. El motor de análisis de paquetes (Packet Analysis Engine, figura 15) emplea un conjunto de reglas (Packet Classification) que le permiten al administrador de la red aplicar control de tráfico (Traffic Shaping) y filtrado de tráfico (Traffic Filtering). El Packet Classification, también permite la creación de Redes Virtuales (VLAN). A través del control de tráfico es posible controlar la velocidad de intercambio de paquetes, ya sea simétricamente, donde las velocidades de upstream y downstream son iguales, o asimétricamente, donde las velocidades de upstream y downstream son diferentes, con lo cual se garantiza una eficiente utilización de la capacidad de la red, en un ambiente compartido y de Multiusuario. El filtrado del tráfico permite a un operador controlar el acceso de los abonados, mejorar la seguridad del sistema y gestionar las direcciones IP. A cada paquete de datos recibido de un SkyConnector o SkyExtender se le examina y aplica uno o múltiples filtros simultáneamente. Se soportan los siguientes filtros: 38 EtherType: Limita el tráfico de datos según un tipo de protocolo. Los valores de EtherType se encuentran especificados por la IEEE en la siguiente página: URL: http://standards.ieee.org/regauth/ethertype/eth.txt. Por ejemplo en la Figura 24, se muestran dos tipos de EtherType. Figura 24 – Valores EtherType. Dirección IP: Limita el tráfico a través de un nodo especificando la IP de origen y/o la IP de destino. Protocolo IP: Limita el tráfico según el tipo de protocolo, especificados por la IANA en el URL: http://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/; por ejemplo la Figura 23 muestra algunos tipos de protocolo IP. Figura 25 – Tipos de protocolos. Puerto: Limita el tráfico al especificar el número de puerto, el cual se asocia a un tipo de protocolo, especificados por la IANA en el URL:http://www.iana.org/assignments/port-numbers/. La Figura 26 muestra un ejemplo de puertos y sus respectivos protocolos. Figura 26 – Puertos y protocolos. 39 Las Redes Virtuales de Área Local VLANs ayudan a limitar el alcance del tráfico broadcast y multicast y facilitan la segmentación del tráfico en el backbone de la red. En el modo de VLAN, cualquier paquete recibido por el SkyConnector o SkyExtender chequea el VLAN ID, estos paquetes son reenviados al SkyGateway, si el ID no es encontrado, el paquete es descartado. Las VLANs proporcionan una seguridad adicional; es decir que dividen el tráfico en diferentes grupos de usuarios, como se observa en la Figura 27. Figura 27 – VLANs en una red SkyPilot. 2.6.5 Coordinación de la Capacidad. El motor de coordinación de capacidad aplica un conjunto de reglas para la priorización del tráfico en la red inalámbrica con el objetivo de robustecer la QoS, maximizar el throughput, minimizar la pérdida de paquetes, la latencia y el jitter especialmente en tráfico de VoIP. Los equipos SkyPilot prioriza y controla los datos recibidos en su interfaz Ethernet basándose en un algoritmo token bucket. Los equipos SkyPilot clasifican todos los paquetes recibidos en concordancia con el perfil de QoS especificado por el administrador de red para cada abonado. El administrador puede designar paquetes que tengan mayor prioridad usando uno de los siguientes criterios: Dirección IP Origen/Destino: puede ser mediante: una sola dirección IP, varias direcciones IP, un rango de direcciones IP o varios rangos de direcciones IP. Esta clasificación puede ser usada para priorizar los paquetes intercambiados entre los abonados y un gateway de voz. ToS (Tipo de Servicio): es un campo de la cabecera IP. Se usa para especificar el tratamiento del paquete durante su transmisión a través de la red. 40 Tipo de protocolo IP: es un campo de la cabecera IP. Se usa para indicar el tipo de protocolo, especificados por la IANA en el URL: http://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/. IEEE 802.1p: es un estándar que proporciona priorización de tráfico a nivel de MAC, que se usa CoS “Clase de Servicio” para enmarcar la prioridad de tramas Ethernet. Existen ocho clases de servicio expresados en tres bits. Al recibir un paquete, el equipo SkyPilot primero clasifica el paquete, posteriormente si hay tokens disponibles para el número de bytes que se desea transmitir, asigna un paquete a la cola de alta o baja prioridad según corresponda, si no hay los tokens suficientes para la transmisión los paquetes son descartados, este proceso se cumple tanto en downstream y upstream, este proceso se muestra la Figura 28. Figura 28 – Control y Priorización de paquetes. 2.6.6 Coordinación de la transmisión. La tecnología SkyPilot implementa una variante sincrónica del estándar IEEE 802.11, que se basa en las características de banda base de 802.11a, incluyendo todos los niveles de modulación OFDM, pero se diferencia de 802.11a por ventajas como: baja latencia, escalabilidad, control de la QoS y eficiencia espectral. 41 El motor de coordinación de transmisión emplea una variante de TDD (Time-Division Duplex), que es un método dúplex en el cual las transmisiones del enlace descendente y del enlace ascendente usan la misma frecuencia portadora pero cada sentido ocupa el canal durante un intervalo de tiempo distinto, esto permite sincronizar todas las transmisiones. La sincronización satisfactoria de los equipos requiere de una fuente común de tiempo, por lo que los relojes de los equipos SkyGateway y SkyExtender se sincronizan mediante dispositivos GPS (Sistema de Posicionamiento Global) colocados dentro de sus infraestructuras, de manera que se pueden manejar múltiples conversaciones en el mismo instante de tiempo y a la misma frecuencia. El receptor GPS provee una alta precisión de alrededor de un pulso por segundo (PPS) para la sincronización. Los SkyConnectors se sincronizan a través del intercambio de mensajes con el SkyGateway y SkyExtender cuando se conectan. Cada ranura de tiempo de 1s está dividida en 10 minislots, cada uno con una duración de 100 μs; estos incrementos de tiempo tan pequeños permiten una baja latencia y un bajo jitter. El Sector Switch proporciona la alineación de cada antena sectorial del arreglo de ocho antenas y permite que solo un sector del arreglo de antenas de un nodo (SkyGateway/SkyExtender) esté activo durante un intervalo de tiempo. La conmutación de los sectores se lleva a cabo cada 100 μs. 42 CAPITULO III ANALISIS TECNICO DEL PROYECTO 43 CAPITULO III: Análisis Técnico del Proyecto 3.1 Descripción del Proyecto. Para realizar la selección de los sitios en donde se colocarán los equipos se debe hacer un exhaustivo estudio de mapas y prospección en el lugar, que permita determinar el lugar idóneo para la colocación de los equipos. 1. En los sitios: Ubicación geográfica real (latitud y longitud). Naturaleza del terreno (clima, características eléctricas, etc.). Clima del Terreno. Datos informativos de los dueños de los terrenos. Restricciones de montaje del equipo inalámbrico debido a regulaciones legales. 2. Medios de acceso: Caminos de acceso existentes al terreno. 3. Suministro de energía: Disponibilidad del suministro de energía (eléctrica, eólica, solar). Voltajes y frecuencias de la energía de alimentación. Disposición de sistemas de puestas a tierra. Información sobre regulación del voltaje y las fallas de alimentación. 4. Torres y mástiles: Cimentación de la torre o mástil. Resistencia mecánica de la torre o mástil y capacidad para el montaje de las antenas. 5. Propagación de radio: Confirmación de visibilidad directa. 44 Confirmación de despeje de la primera zona de Fresnel. Confirmación de fuentes que afecten a la propagación de ondas electromagnéticas (interferencias, atenuaciones, etc.). 3.2 Diseño de Radio Enlace. 3.2.1 Punto Geográficos para obtener Línea Vista. Para comenzar se muestra la siguiente tabla, donde se especifica las coordenadas de los puntos a enlazar: Colegio Osorno Latitud Longitud 40°29´20,9" S 73°24´18,4"W 40°33´59,0"S 73°08´18,1"W A continuación de muestran los coordenas en el google earth Figura 29 – Ubicación de coordenadas enlace directo Osorno – Colegio. 45 Se procedió a verificar a través del programa Radio Mobile si se tiene línea vista entre estos puntos, el resultado se muestra en la siguiente imagen Figura 30 – Vista en Radio mobile enlace Osorno – Colegio. Como no existe línea vista entre los puntos, se procedió a buscar un lugar para poder ubicar un repetidor, el cual tenga línea vista con ambos puntos. Una vez obtenido nuestro nuevo punto donde se ubicara el repetidor, las coordenadas para nuestro enlace son las siguientes: Osorno Repetidor Colegio Latitud Longitud 40°33´59,0"S 73°08´18,1"W 40°28´34,9"S 73°23´07.5”W 40°29´20,9" S 73°24´18,4"W Ahora se muestra que existe línea vista entre estos tres puntos a enlazar. 46 Figura 31 – Vista Radio Mobile enlace Osorno - Repetidora Figura 32 – Vista Radio Mobile Repetidor – Colegio. 47 Las coordenadas de nuestro enlace quedan de la siguiente forma visto desde el google earth: Figura 33 – Ubicación geográfica en Google Earth del enlace. Una vez demostrado que se tiene línea vista desde el repetidor hacia los dos puntos, se muestran unas fotografías tomadas desde la ubicación del repetidor a los puntos a enlazar. Figura 34 – Vista en terreno desde la Repetidora hacia Osorno. 48 Figura 35 – Vista en terreno Repetidora hacia Colegio. Figura 36 – Vista en Terreno del colegio. 49 3.3 Cálculo de las Pérdidas y Viabilidad del Sistema. 3.3.1 Pérdidas por atenuación del espacio libre (Lbf). Para calcular las pérdidas en el espacio libre se emplea la siguiente fórmula: = 92.44 + 20 Donde: ( ) + 20 ( ) f = Frecuencia de operación del enlace en GHz. d = Distancia del enlace en Kilómetros. Enlace Osorno – Repetidor (Piutril). (5.8) + 20 1 = 92.44 + 20 (15) = 131.23 Enlace Repetidor (Piutril) – Colegio. 2 = 92.44 + 20 (5.8) + 20 (2.16) = 114.39 3.3.2 Pérdidas totales fijas (Ptf). Para realizar el cálculo de las pérdidas totales fijas (Ptf) es necesario efectuar una sumatoria de todas las pérdidas que se incluyen en el radioenlace tanto en el lado del transmisor como en el receptor de la siguiente manera: = ( )+ ( )+ ( )+ ( ) Donde: Pc (tx) = Perdidas de conectores en el transmisor. Pc (rx) = Perdidas de conectores en el receptor. Pg (tx) = Perdidas de guía de onda en el transmisor. Pg (rx) = Perdidas de guía de onda en el receptor. 50 Para cada punto se estimó que se emplearían 2 conectores y 25 metros de guía de onda, por lo tanto se obtuvo una pérdida total de 0.02 dB en conectores y 1.09 dB en guía de onda para cada base. Realizando la sumatoria establecida se tuvo como resultado: 1 = 1.11 2 = 1.11 Al obtener las pérdidas totales fijas, las pérdidas por atenuación en el espacio libre y pérdida por lluvia se pudieron calcular las pérdidas fijas del sistema (PF) que es la sumatoria de ambas. = 1 = 1.11 2 = 1.11 + + + 131.39 + 7.08 + 114.39 + 7.08 = 139.58 = 122.58 3.3.3 Ganancia total del sistema (Gts). La ganancia total del sistema está dada por la sumatoria de las ganancias de las antenas tanto de transmisión como de recepción. El valor que se utilizó para ambas antenas fue el valor comercial de ganancia 18 dBi, quedando así una ganancia total del sistema en: = 18 = + + 18 = 36 3.3.4 Pérdida neta del sistema. La pérdida neta del sistema en la diferencia existente entre las pérdidas fijas (PF) y la ganancia total del sistema (Gts). = 1 = 139.58 − 36 2 = 122.58 − 36 − = 103.58 = 86.58 51 3.3.5 Nivel de potencia media recibida (Npr). Para calcular el nivel de potencia media recibida (Npr) se tomó el valor de potencia del transmisor a emplear, en este caso 44.5 dBm y se sustrajo el valor obtenido para la pérdida neta del sistema, quedando el siguiente valor: = 1 = 44.5 2 = 44.5 − − 103.58 = −59.08 − 86.58 = −42.08 3.3.6 Margen sobre el desvanecimiento (FM). El margen sobre el desvanecimiento (FM) es la diferencia entre el nivel de potencia media recibida (Npr) y el mínimo umbral de recepción permitido (-90 dBm de acuerdo a las especificaciones técnicas del receptor). = − 1 = −59.08 − (−90 ) = 30.92 2 = −42.08 − (−90) = 47.92 3.3.7 Confiabilidad del sistema. Para calcular la confiabilidad del sistema se debió despejar primeramente el valor de p (probabilidad) de la siguiente ecuación: ( ) = 30 ( ) + 10 (6 ) − 70 − 10 (1 − ) Siendo el factor de rugosidad A = 1 debido a ser un terreno normal y el factor climático B = 0.400. Se obtuvo para la probabilidad un valor de p = 0.9999998284 Para calcular la confiabilidad se empleó la siguiente fórmula: (%) = (1 − ) 100 De donde se obtuvo una confiabilidad del enlace del 99.99998 %. 52 CAPITULO IV ANALISIS DE COSTO DE IMPLEMENTACION 53 CAPITULO IV: Análisis costos de Implementación. Resumen. El siguiente capítulo se realiza un análisis detallado de los costos que implica la realización del enlace desde Osorno hasta el Colegio ubicado en San Juan de la Costa y se compara una empresa de telecomunicaciones que ofrece el servicio. 4.1 Costo de los Equipos. A continuación se muestra una tabla con el detalle del costo de los equipos a utilizar: Tabla 1 – Precio de los equipos Sky Pilot. EQUIPOS SkyGateway VALOR $1.569000 SkyExtender $ 1.206.977 SkyConnector $ 213.277 4.2 Costos de Implementación. 4.2.1 Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyConnector Outdoor. Tabla 2 – Costos de implementación SkyConnector. Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyConnector Outdoor Unidad Costo Unitario Costo Total Instalación de varilla copperweld 2m y cable sólido AWG 10 2 250.000 500.000 Instalación de cable UTP Cat. 5e tipo CN 2 65.000 130.000 Instalación de manguera anillada metálica ½” 2 90.000 180.000 Instalación de mástil galvanizado 4”x 21m 2 350.000 700.000 54 Montaje de SkyConnector Outdoor 2 80.000 160.000 Material Menudo (pernos de expansión ½”, amarras plásticas para exteriores, bornes para cable sólido AWG 10, conectores RJ45 y caja de paso 10x10cm) 1 250.000 250.000 Aprovisionamiento y activación del equipo 2 60.000 120.000 Total 2.040.000 4.2.2 Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyGateway. Tabla 3 – Costos de implementación de SkyGateway. Instalación, aprovisionamiento y activación de SkyGateway Unidad Costo Costo Unitario Total Instalación de malla de tierra ( 4 varillas copperweld 2 m y cable sólido AWG 10) 1 250.000 250.000 Instalación de cable UTP Cat 5e. tipo CN 1 65.000 65.000 Instalación de manguera anillada metálica ½” 1 90.000 90.000 Montaje SkyGateway 1 80.000 80.000 55 Material Menudo (pernos de expansión ½”, amarras plásticas para exteriores, bornes para cable sólido AWG 10, conectores RJ45) 1 250.000 250.000 UPS CDP SMART-1508 1500VA 1 150.000 150.000 Aprovisionamiento y activación del equipo 1 60.000 60.000 Total 945.000 4.3 Costo de Arriendo por Sitios de Antenas. Los costos asociados al arriendo de sitios para la instalación de las antenas, tanto el de Osorno como donde estará ubicado el repetidor son de propiedad de funcionarios del mismo colegio, el de Osorno es de la bibliotecaria del colegio y el del repetidor es de una profesora del colegio, (ambas estudiaron en este mismo), por lo que su disposición es favorable y por lo por tanto se le cancelará una suma anual de cien mil pesos a cada una de ellas, lo que se cancelara al comienzo de cada año y el contrato de arriendo respectivo se firmará por cinco años., Tabla 4 – Costo de arriendo de terrenos. Arriendo Terreno ubicación Antena Valor Anual Osorno 100.000 Repetidor (Piutril) 100.000 Total 4.4 200.000 Costo del Servicio de Internet. Para contratar el plan de internet con el cual se va alimentar el enlace, se cotizó en dos compañías de telecomunicaciones que prestan los servicios y los valores se muestran en la siguiente tabla, no obstante una vez que se implemente el enlace, se recomienda volver a cotizar ya que siempre están saliendo nuevas tarifas. 56 Tabla 5 – Costos de Servicios de internet. Compañía Prestadora del Servicio Telefónica del Sur Vtr Valor Mensual 2 Megas 13.990 14.990 A continuación se muestra una tabla con los valores totales del proyecto, proyectados a cinco años: Tabla 6 – Costos del proyecto a 5 años. COSTO Implementación Anual Arriendo Terrenos Anual Plan Internet VALOR 5.974.254 1.000.000 839.400 TOTAL 7.813.654 Una vez proyectado los valores a cinco años, se obtiene el valor mensual que se tendrá al respecto y se compara con la cotización hecha con una compañía que puede entregar el servicio de 2 megabytes puesto en el Colegio de Misión San Juan de la Costa, asumiendo ellos todo los costos asociados. Tabla 7 – Comparación del costo mensual del proyecto con otra empresa. Prestadora del Servicio Colegio Valor Mensual 130.226 Entel 345.300 Como se puedo observar, para el colegio es muy rentable invertir en este proyecto ya que el nivel de ahorro al contratarlo con una empresa del rubro es superior al 200%. Si se proyectan los costos de la implementación, comparándolos con el valor comercial ofrecido por la compañía, podemos observar que al cabo de 14 meses ya tenemos recuperada la inversión inicial. 57 CAPITULO V ESTUDIO LEGAL 58 CAPITULO V: Estudio Legal. Resumen. El Estudio Legal, es la parte donde se estudia las diferentes condiciones reglamentarias en que se ve comprometido un proyecto, estas pueden ser con relación a Patentes municipales, licencias, planos reguladores, impuestos, etc. 5.1 Regulación. Fijase la siguiente norma técnica para el uso de la banda de frecuencias 5.725 - 5.850 MHz. Artículo 1º. Destinase la banda de frecuencias 5.725 - 5.850 MHz para la operación de equipos de radiocomunicación del servicio fijo, que se autorice mediante concesiones de servicios públicos o intermedios de telecomunicaciones, según sea solicitado. Artículo 2º. Las características técnicas exigibles a las tecnologías son las siguientes: a) Los equipos que operen en esta banda deben emplear una de las siguientes modalidades: selección dinámica de canales, de espectro ensanchado con Biblioteca del Congreso Nacional de Chile www.leychile.cl - documento generado el 19-Nov-2013 secuencia directa o de espectro ensanchado con saltos de frecuencia u otras modalidades de modulación digital, de modo que en una misma zona geográfica coexistan múltiples usuarios y sistemas. b) En la modalidad de selección dinámica de canales el monitoreo de las frecuencias debe ser permanente, con el fin de elegir la que minimice las interferencias. c) Para la modalidad de espectro ensanchado con secuencia directa u otras de modulación digital, el ancho de banda mínimo debe ser de 500 kHz a 6 dB. d) La modalidad de espectro ensanchado con saltos de frecuencia debe emplear un conjunto de, a lo menos, 75 frecuencias de salto. El ancho de banda máximo de la emisión es de 1 MHz a 20 dB. El tiempo promedio de ocupación de cada una de las frecuencias no debe superar los 0,4 segundos en un período continuo de 30 segundos. e) Para los equipos de espectro ensanchado, el valor máximo de la potencia de alimentación de la antena no debe exceder de 30 dBm y para los equipos que utilicen técnicas de selección dinámica de canales u otras modalidades de modulación digital, esta potencia no debe exceder al menor de los siguientes valores: 30 dBm o 17 dBm + 10 log B (MHz), en que B (MHz) es el ancho de banda a 26 dB. 59 f) La ganancia de las antenas que se utilicen en la operación de la modalidad punto - punto debe ser igual o superior a 6dBi. g) La ganancia de las antenas de las radio estaciones concentradoras, que se utilicen en la modalidad punto - multipunto, podrá ser superior a 6 dBi, siempre que la potencia máxima radiada no sobrepase los 36 dBm. h) En zonas rurales y también para el caso de un enlace punto a punto, entre una zona urbana y un sistema instalado o proyectado para operar en una zona rural, la Subsecretaría de Telecomunicaciones podrá autorizar que se excedan los límites señalados. i) En todos los casos, se deberá emplear la mínima potencia necesaria para establecer los enlaces proyectados y los sistemas radiantes deberán instalarse de modo que tengan una mínima influencia al interior de inmuebles, para facilitar la operación de sistemas de baja potencia. Artículo 3º. Sin perjuicio de lo señalado en la letra a) del artículo precedente, las transmisiones de los equipos de radiocomunicación autorizados en conformidad con esta norma, no deben causar interferencias a los equipos de cobro electrónico automático de peaje que operan en la banda 5.795 - 5.815 MHz, los que tendrán prioridad independientemente de la fecha de su instalación. Por lo tanto, quien provoque interferencias al sistema de cobro electrónico automático de peaje, deberá suspender inmediatamente sus transmisiones hasta subsanar dicha situación, informando a la Subsecretaría de Telecomunicaciones. Artículo 4º. Las concesionarias que utilicen la banda de frecuencias 5.725 - 5.850 MHz, la compartirán sin reclamar protección contra interferencia que produzcan otros usuarios de esta banda, debidamente autorizados, y las aplicaciones industriales, científicas y médicas. Artículo 5º. En caso de eventuales interferencias Biblioteca del Congreso Nacional de Chile www.leychile.cl - documento generado el 19-Nov-2013 entre equipos de radiocomunicación autorizados al amparo de la presente resolución, las respectivas concesionarias deberán coordinarse, directamente entre ellas, para efectos de eliminarlas informando del resultado a la Subsecretaría de Telecomunicaciones. Artículo 6º. Los equipos de radiocomunicación terminales de los sistemas punto - multipunto se podrán ubicar en cualquier parte dentro de la zona de servicio asignada y podrán reubicarse de acuerdo a la demanda, por lo que constituyen radio estaciones móviles para efectos del numeral 2 del inciso segundo del artículo 14º de la Ley General de Telecomunicaciones. Artículo 7º También podrá emplearse la banda, 5.725-5.850 MHz para la operación de equipos empleados en proyectos subsidiables del Fondo de Desarrollo de las Telecomunicaciones, con la excepción 60 de que los límites de potencia serán establecidos caso a caso para cada proyecto, por la Subsecretaría de Telecomunicaciones teniendo especialmente en cuenta lo establecido en el artículo 3º de la presente norma. Artículo 8º. Lo dispuesto en la presente norma, técnica es sin perjuicio de las disposiciones contenidas en la resolución exenta Nº 144, de 1979, modificada por resolución exenta Nº 575, de 2000, ambas de la Subsecretaría de Telecomunicaciones, que regula el uso de aparatos de telecomunicaciones de corto alcance. 61 CONCLUSIONES A través de la medición en terreno con gps para la posterior utilización de los datos en el programa Radio Mobile, se pudo obtener la viabilidad del enlace, por lo que teóricamente el enlace es factible. Una vez comprobado que se puede realizar el enlace teóricamente, se puede concluir que la tecnología usada por los equipos Skypilot es viable para las condiciones del enlace. Con el análisis de costos obtenido se puede concluir, que para el colegio es mucho más rentable invertir en sus propios equipos, hacer su propio enlace, que contratar el servicio puesto en el colegio ya que la diferencia es sustancial y el costo de implementación se paga a corto plazo.. El Colegio también puede ver esto como una inversión ya que se puede ofrecer el servicio de internet a algún colegio cerca u otra institución que necesite de internet en el sector. En el aspecto legal se puede concluir que existe legislación para poder utilizar frecuencias libres y así no tener un gasto más a nuestro proyecto, puesto que la frecuencia que utiliza los equipos es libre y en lo único que limita en el ancho de banda que no puede ser superior a 6 Megabytes, lo que al proyecto no lo perjudica, porque este solo utilizara 2 Megabytes. El establecimiento educacional al disponer de acceso a tecnologías de telecomunicación cuentan con una herramienta útil, que permite acceder en el momento a contenidos en línea y de igual manera actualizados. 62 BIBLIOGRAFIA Roldan David; Huidobro Moya José Manuel, Redes y Servicios de banda ancha Vol. 1. 1d ed., McGraw-Hill Interamericana de España, S.A.U, 2003. David Roldán Martínez, Comunicaciones Inalámbricas. Un Enfoque Aplicado, Editorial RaMa, 2004 Rob Flickenger, O'Reilly Media, Building Wireless Community Networks, 2nd Edition. Matthew Gast, O'Reilly Media, 802.11 Networks: The Definitive Guide, 2nd Edition. http://standards.ieee.org/getieee802/802.11.html http://skypilot.trilliantinc.com http://www.leychile.cl/N?i=184888&f=2013-04-22&p http://www.paramowifix.net/antenas/EnlacesAntenas.html http://www.electronicaestudio.com/rfestudio.htm http://www.digitalstoreperu.com/temas/basico%20wifi.htm http://www.olotwireless.net/catala/antenas.htm http://www.pdf-search-engine.com/inalámbricas-pdf.html http://ares.cnice.mec.es/informes/09/documentos/indice.htm 63
