,,,eeesss qqquuu Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica “Diseño de una red de área local inalámbrica” Tesis Presentada en Opción al Titulo Académico de Master en Telemática Maestría de Telemática Autora: Ing.Arelys Ramos Fleites Tutores: Dr. Francisco Herrera Fernández Mcs. David Beltrán Casanova Santa Clara, Cuba 2007 “Año 49 de la Revolución” Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica Tesis de Maestría “Diseño de una Red de Área Local Inalámbrica” Autora: Ing. Arelys Ramos Fleites. Tutores: DR. Francisco Herrera Fernández. Profesor Titular del Departamento de Automática Facultad de Ingeniería Eléctrica. e-mail: herrera@uclv.edu.cu MSc. David Beltrán Casanova Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. e-mail: dbeltranc@uclv.edu.cu Santa Clara Curso 2007-2008 “Año 49 de la Revolución" Hago constar que el presente trabajo en Opción al Titulo Académico de Master en Telemática fue realizada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de Maestría en Telemática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. Firma de la Autora Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma de la Autora Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica IV TAREAS TÉCNICAS Las tareas a realizar en este trabajo son: • Revisión y estudio bibliográfico sobre la actualidad de las redes inalámbricas en el mundo y la radio propagación. • Revisión del equipamiento más usado en el mundo para instalar redes inalámbricas particularizando el que se comercializa en Cuba. • Visita a instituciones y organizaciones donde hay soluciones inalámbricas, las cuales sirven como casos de estudio. • Definir y caracterizar el tipo de tecnología a usar para lograr la calidad del enlace • Confección del proyecto de diseño del radio enlace para unir las áreas de Eléctrica- Jardín Botánico. • Definir proyecto del sistema de tierra en el área del Jardín Botánico para garantizar la durabilidad de los equipos de radio y la red contra las descargas eléctricas. • Definición del sistema de administración del enlace. • Hacer estudios del tráfico para enlaces que tengan las mismas características que el diseñado en este trabajo. Firma de la Autora Firma del Tutor V RESUMEN Se realizó el diseño de una red inalámbrica de área local, con el objetivo de enlazar sitios que están fuera de una red, para dar solución a los problemas de interconexión a lugares de difícil instalación de una infraestructura cableada. El objeto de aplicación de los resultados de esta tesis lo constituye el enlace inalámbrico entre el Jardín Botánico y la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UCLV, logrando de esta forma adicionar una nueva área a la red de computadoras de este centro de estudios. Se tuvo en cuenta para el diseño la distancia entre los puntos a enlazar, la altura a la que deben estar las antenas, de forma tal que no se vea afectada la zona libre de Fresnel. Se definió todo el equipamiento necesario y se hizo el diseño del radio enlace para el mismo de forma tal que cumpliera los requisitos técnicos normados. Para la realización de este trabajo se revisaron diferentes documentos y se tomó como caso de estudio un enlace con las mismas características de equipamiento y tipo de enlace que existe en la Empresa de Construcción y Mantenimiento de la Industria Eléctrica (ECIE) de Santa Clara, básicamente en lo relacionado con la administración y el tráfico en el enlace. Finalmente se presenta el correspondiente proyecto técnico del sistema de aterramiento contra descargas eléctricas. TABLA DE CONTENIDOS VI TABLA DE CONTENIDOS TAREAS TÉCNICAS ......................................................................................................... IV  RESUMEN ............................................................................................................................ V  INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1  Organización del informe ................................................................................................... 3  Capitulo I. Aspectos teóricos sobre redes WLAN y Radio propagación. ............................... 4  1.1 Ventajas y desventajas de las redes de área local inalámbricas ................................... 4  1.1.1  Componentes de una red Wireless ...................................................................... 5  1.2 Topología de redes WLAN ........................................................................................... 7  1.2.1 Topología ad-hoc ................................................................................................... 7  1.2.2 Topología infraestructura ....................................................................................... 8  1.2.3  Enlace entre varias LAN ..................................................................................... 9  1.3 Estándares Inalámbricos ............................................................................................... 9  1.3.1 Estándares IEEE .................................................................................................... 9  1.4  Tecnologías en WLAN ......................................................................................... 13  1.4.1 Espectro extendido (SS) ...................................................................................... 13  1.4.1.1 Espectro Extendido por Secuencia Directa (DSSS) ..................................... 13  1.4.1.2 Espectro extendido por salto de frecuencia (FHSS) ..................................... 14  1.4.2 Otras tecnologías de radio de redes WLAN ....................................................... 14  1.4.2.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) ............ 14  1.4.2.2 Conmutación de Códigos Complementarios (CCK) ................................... 15  1.4.2.3 Conmutación de Códigos Complementarios/Mutliplexación por División de Frecuencias Ortogonales (CCK/OFDM) .................................................................. 16  1.4.2.4 Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC) ........................ 16  1.5 Bandas de Frecuencia ................................................................................................ 16  TABLA DE CONTENIDOS VII 1.6  Acceso al medio .................................................................................................... 17  1.6.1  Función de Coordinación Distribuida ............................................................... 18  1.7 Radiopropagación ....................................................................................................... 19  1.7.1. Conceptos ................................................................................................................ 19  1.8 Mecanismos de propagación ....................................................................................... 21  1.8.1 Reflexión, Refracción y Absorción ..................................................................... 22  1.8.2 Interferencia, ruido y distorsión ........................................................................... 22  1.9 Análisis de las características de un radioenlace. ....................................................... 23  1.10 Tipos de antenas ........................................................................................................ 24  1.10.1 Antenas Direccionales ....................................................................................... 24  1.10.2 Antenas Omnidireccionales ............................................................................... 25  1.10.3 Antenas Sectoriales ............................................................................................ 26  1.11 Sensibilidad del receptor ........................................................................................... 26  1.11.1 Relación señal a ruido ........................................................................................ 26  1.11.2 Margen ............................................................................................................... 26  1.12 Seguridad en redes WLAN ....................................................................................... 27  Capítulo II. DISEÑO DEL ENLACE ................................................................................... 33  2.1 Situación de la red UCLV .......................................................................................... 33  2.1.1 Análisis del entorno para enlazar la red con infraestructura cableada ................. 35  2.1.2 Enlace inalámbrico ......................................................................................... 36  2.2 Diseño del enlace inalámbrico .................................................................................... 36  2.2.1 Demostración de tierra plana ............................................................................... 36  2.2.2 Distancia entre los puntos. ................................................................................... 37  2.2.3 Altura de los Equipos ........................................................................................... 40  TABLA DE CONTENIDOS VIII 2.2.4 Determinación de la primera zona de Fresnel ..................................................... 40  2.3 Oferta del equipamiento .............................................................................................. 41  Mercado Mundial .......................................................................................................... 42  Oferta en Cuba .............................................................................................................. 42  2.4 Selección del equipamiento ........................................................................................ 43  2.5 Características del K-BEST ........................................................................................ 44  Series BL 3 000-3010, BL3200 .................................................................................... 44  Datos del K-BEST BL-3201 802.11 b/g Outdoor radio ............................................... 45  2.6 Análisis económico ..................................................................................................... 47  2.7 Conclusiones .............................................................................................................. 48  Capítulo III Consideraciones técnicas generales para la puesta en marcha del enlace. ........ 49  3.1 Sistema de tierra del Jardín Botánico. ........................................................................ 49  3.1.2 Proyecto de diseño. .............................................................................................. 49  3.2 Utilitario de administración para el KBEST ............................................................... 52  3.3 Monitoreo y Gestión del Enlace. ................................................................................ 67  3.5 Soluciones alternativas de respaldo ante situaciones que comprometen la continuidad de los servicios de la red. .................................................................................................. 69  CONCLUSIONES ................................................................................................................ 71  RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 72  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 73  ANEXOS .............................................................................................................................. 78  GLOSARIO .......................................................................................................................... 88  1 INTRODUCCIÓN Las comunicaciones vía radio, han experimentado un gran auge en nuestros días, debido a los cambios constantes en las características físicas y funcionales de los equipos utilizados para este tipo de comunicación. Las redes inalámbricas usan el aire como medio de transmisión y se han convertido en una variante muy necesaria para unir lugares donde es imposible llegar con redes cableadas. Al igual que las redes con cables LAN, WAN, MAN, existen redes inalámbricas WLAN (WLAN, Wireless Local Area Networks), WPAN, WWAN/WMAN. Ejemplo de estas redes lo constituyen los estándares IEEE 802.11, Bluetooht (802.15.1), Home RF, HiperLan, MobileFi (802.20), WiMax (802.16), ZigBee (soportada sobre la base de 802.15.4), entre otros. El origen de las Redes de Área Local Inalámbricas data de 1979, cuando el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE. Institute of Electrical and Electronic Engineer) publicó los resultados de un experimento realizado por ingenieros de la IBM (International Business Machine) en Suiza. En mayo de 1985 la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, Federal Communications Comission), asignó las bandas Médicas, Científicas e Industriales (ISM, Industrial, Scientific and Medical). En 1990 se forma el comité IEEE 802.11, con la tarea de generar normas para las WLAN y no es hasta el año 1997 que se ratifica la especificación 802.11 original como la norma para las WLAN. Los países punteros en redes WLAN son los Estados Unidos, países miembros de la Unión Europea, Australia y Japón, todos del mundo desarrollado. Cuba, como otros tantos países en vías de desarrollo, ha asumido el reto de las redes WLAN; y ya varias empresas e instituciones se han sumado al empleo de las mismas .En la zona central del país podemos citar como algunos ejemplos la OBE, Cayería Norte de Villa Clara, Radio Cuba, Etecsa, Copextel, Movitel, Cubalse, Sepsa, ECIE y con este trabajo comienza la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) a introducir este nuevo tipo de tecnología y hacerla extensiva a la mayor parte del campus universitario. Este trabajo surge porque existen áreas dentro de la universidad que no se pueden unir a la estructura central de la red, conocida comúnmente como backbone, porque las condiciones geográficas del terreno y en algunos casos la lejanía del área central, no lo INTRODUCCION 2 permiten y están actualmente privados de todos los servicios que brinda la red UCLV, constituye esto sin dudas un problema técnico al estar alejados de todo el proceso de informatización en que esta inmerso el país, incluyendo todas sus universidades. Además este proyecto constituye un punto de partida en la aplicación de enlaces inalámbricos en la Universidad Central. Particularmente en la UCLV, se justifica el proyecto, ya que el campus universitario es muy extenso, y hay lugares que por las condiciones geográficas del terreno, es imposible llegar con el enlace por fibra óptica. De ahí la necesidad de buscar otras variantes en la instalación de las redes de comunicaciones, para lograr llevar a todas las áreas universitarias los servicios con que cuenta la red y que hoy están totalmente incomunicadas o en la mayoría de los casos usan, en sólo una máquina, una línea telefónica conmutada, para lograr al menos el servicio de correo electrónico. Con el diseño que propone este trabajo se logrará enlazar de manera inalámbrica a la red UCLV el Centro de Investigación ubicado dentro del Jardín Botánico, que tiene determinado grado de complejidad debido a las características geográficas de la zona. La solución a los anteriores problemas contribuirá a elevar el nivel científico técnico del personal que allí labora y al desarrollo tecnológico de la universidad, y constituye claramente un objetivo de desarrollo de este trabajo. Los resultados alcanzados pueden ser de conocimiento de todos los interesados en el tema, constituyendo una metodología que sirve de guía para trabajos futuros en este aspecto de las Telecomunicaciones. Objetivo general: Diseñar una red inalámbrica en la Universidad para enlazar las áreas que hoy están fuera de la red, en específico el Jardín Botánico, y de esta manera contribuir al completamiento de la red de computadoras de la UCLV. Objetivos específicos: • Un estudio sobre la definición de redes inalámbricas y sus diferentes estándares y características, incluyendo lo relacionado con la protección eléctrica. • Tener la concepción del diseño teórico de un enlace inalámbrico. INTRODUCCION 3 • Un estudio sobre el equipamiento que se comercializa en el mundo para instalar redes inalámbricas y obtener definiciones, según las condiciones cubanas y cumpliendo los requerimientos técnicos, que proporcionen un enlace estable y con velocidades aceptables de transferencia de los datos. • Obtener un campo de pruebas experimentales que permita estudiar otras alternativas de diseño de este tipo de redes. Entre los principales resultados alcanzados en este trabajo se tienen: • Diseño completo de un enlace inalámbrico punto a punto, que soluciona el enlace entre el Jardín Botánico y la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UCLV. • Una metodología que sirva de guía para diseño del tipo de red WLAN trabajado en esta tesis. Organización del informe En el capítulo uno, se realiza un estudio de las redes inalámbricas de área local, las ventajas que presenta frente a las estructuras cableadas, los componentes que la integran, las distintas topologías que pueden ser configuradas, los estándares, la seguridad y el acceso al medio. Se definen algunos conceptos relacionados con la radio propagación entre ellos el cálculo de la zona de Fresnel, las definiciones de reflexión, difracción, interferencia y ruido, tipos de antenas entre otros, que ayudan a entender el funcionamiento completo de un enlace de radio y que proporcionan actualidad de las redes inalámbricas en el mundo. En el capítulo dos, se realiza un análisis de la red UCLV y se exponen las deficiencias de la misma, se analizan las alternativas para la interconexión del Centro de Investigación del Jardín Botánico, se estudian las ofertas del mercado mundial y nacional para la obtención de los equipos del enlace y se realiza el diseño del enlace inalámbrico. El capitulo tres se refiere a las características técnicas correspondientes a la puesta en marcha del enlace analizando el sistema de puesta a tierra, detalles administrativos para la configuración del equipo de radio a utilizar, haciendo particular énfasis en el estudio de tráfico y estabilidad del enlace. 4 Capitulo I. Aspectos teóricos sobre redes WLAN y Radio propagación. Las Redes de Área Local Inalámbricas, conocidas por sus siglas WLAN o por Wi-Fi1, es un sistema flexible de transmisión de datos, que utiliza como medio de transmisión el aire. Este sistema está implementado como una extensión o una alternativa de una red LAN cableada dentro de un edificio o de un campus. Están diseñadas, para proveer acceso a redes de diferentes localizaciones entre dispositivos de conmutación y como su medio de propagación es el aire se hace necesario en esta primera parte del trabajo abordar algunos ideas teóricas acerca de la radiopropagación de las ondas a través de los medios reales, analizando las soluciones compatibles con las condiciones de contornos que el medio impone usando las ecuaciones de Maxwell como base matemática para diseñar cualquier enlace inalámbrico, incluyendo elementos principales como la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor y las perdidas en la transmisión .Se abordan también otros términos que caracterizan a un enlace de radio importantes para su comprensión. 1.1 Ventajas y desventajas de las redes de área local inalámbricas En los últimos años, las WLAN han ido ganando gran popularidad, la cual se incrementa según aumentan sus prestaciones, se originan nuevas aplicaciones y disminuyen los costos de infraestructura. Las WLAN, permiten a sus usuarios acceder a información y recursos en tiempo real, sin necesidad de estar físicamente conectados a un determinado lugar. Un usuario dentro de una red inalámbrica, puede transmitir y recibir voz, datos y vídeo dentro de edificios, entre edificios o campus universitarios e inclusive, sobre áreas metropolitanas. Estas redes tienen una serie de ventajas sobre una red fija, convirtiéndolas así, en una alternativa viable para dar solución a los problemas de interconexión de redes. Una de las ventajas es la movilidad, pues las redes inalámbricas posibilitan que los usuarios de una LAN, tengan acceso a la información en tiempo real, en cualquier lugar en el que están 1 Wireless Fidelity es el nombre comercial que reciben las redes WLAN del estándar IEEE 802.11. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 5 desplegadas. Otra de las mejorías que presentan las WLAN, son la simplicidad y rapidez en la instalación, eliminando la necesidad de utilizar cables. Además proporcionan flexibilidad en la instalación, permitiendo a la red llegar a puntos donde el acceso es difícil para una LAN cableada. A lo anterior se suma el costo total de la inversión a largo plazo en toda la instalación de una WLAN es menor que en una red LAN cableada. Estos sistemas son más escalables en comparación con las redes de cable, porque se pueden configurar en diversas topologías para cumplir con las necesidades de las instalaciones y aplicaciones específicas. Las configuraciones, son muy fáciles de cambiar y además resulta muy fácil la incorporación de nuevos usuarios a la red (DLINK Latinoamérica, 2004). Otra de las ventajas las redes WLAN, es la movilidad, que es la posibilidad que tiene un usuario de moverse de un punto de acceso a otro dentro de la misma tecnología, es decir, puntos de acceso bajo el mismo estándar. (Novakovik, 2004). La Estética es también una de las ventajas de las redes Inalámbricas pues no usan estructuras cableadas que afean los interiores de edificios. La provisionalidad: si se va a instalar una red provisional esta es la mejor opción, por ejemplo en ferias, oficinas temporales o crecimientos urgentes de una red ya establecida y la robustez pues en ciertos entornos como fábricas con elevada humedad, agentes químicos agresivos, calor, etc. las instalaciones cableadas pueden sufrir una rápida degradación o ser inviables. Pero no todo son ventajas, hay una serie de parámetros en los que las redes cableadas ofrecen mayores prestaciones que las inalámbricas. La velocidad binaria es mucho mayor, obteniéndose velocidades máximas del orden de los Gbits, frente a 54 Mbps en una WLAN 802.11g compartidos entre varios usuarios. (Proakis, 2001) 1.1.1 Componentes de una red Wireless Una estación inalámbrica, es una Computadora Personal (PC, Personal Computer) o una Laptop con una Tarjeta de Red Inalámbrica (NIC, Network Interface Card) con una antena que permite el intercambio de información. Esta tarjeta realiza las funciones de las tarjetas de red ethernet, adaptando las tramas ethernet que genera el PC, a las tramas del estándar inalámbrico y viceversa. Puntos de Acceso (Access Point) CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 6 Este dispositivo nos permite conectar la red cableada a los clientes de la red inalámbrica; su función es convertir los datos que llegan por la interface UTP a señales de radio y viceversa en las instalaciones con AP internos y externos de corto alcance (en los internos la distancia máxima es de 40m a la redonda). Los puntos de acceso suelen disponer de dos antenas, una interfaz LAN RJ-45 10/100 Mbps para conectividad WAN y, en la mayoría de los casos, un puerto de consola para su configuración inicial. Generalmente también disponen de varias entradas de red LAN 10/100 al tener integrado un hub o un switch. Ver Anexo I. Los AP, pueden enlazarse de tres formas: punto a punto, punto a multipunto y redes malladas. El enlace punto a punto, une dos redes LAN a través del modo puente entre dos redes finales, el enlace punto a multipunto, conecta múltiples redes alambradas con el empleo del modo puente multipunto, y las redes malladas están formadas por APs conectados punto a punto, para que queden enlazados en forma de malla (Leyva, 2005: 13). Tarjetas cliente Este dispositivo permite conectar las computadoras clientes móviles a la red inalámbrica. Contiene integrada la parte de radio y el procesamiento de las señales a bits de datos. Puentes (bridge) Este dispositivo nos permite conectar lugares remotos a larga distancia con alcance máximo de 40 KM. En él se encuentra el transmisor de radio y el procesamiento de las señales a bits de datos. Puentes de grupos de trabajo (Workgroup Bridge) Este dispositivo nos permite conectar rápidamente a un grupo de 8 computadoras conectadas por cable a un puente de grupo de trabajo mediante un enlace inalámbrico con un punto de acceso, facilitándonos la conectividad al backbone de la red LAN. Pasarela Wireless La función de una pasarela es gestionar de forma centralizada y homogénea una política de acceso, autenticación (Radius, Kerberos, certificados digitales, LDAP), cifrado y Calidad de Servicio, aplicando esta política a múltiples puntos de acceso muchas veces incompatibles entre sí. Es el que se encarga de la interoperabilidad entre puntos de acceso, CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 7 para que se puedan comunicar los AP de varias tecnologías de forma transparente, un punto de acceso puede ser una pasarela para comunicar a los demás. Conmutadores inalámbricos Al igual que en las redes LAN, también existen conmutadores de red para inalámbricos, que monitorizan las ondas de radio midiendo el rendimiento en tiempo real y reajustando las potencias de emisión para equilibrar la carga y evitar puntos ciegos. Incluso el software que incluyen permite importar los planos del edificio y situar los puntos de acceso en base a los cálculos de propagación por la base de datos de materiales, situando visualmente los accesos no autorizados mediante triangulación de los puntos de acceso. Antenas Este dispositivo nos permite transmitir y recibir las señales de radio y las envían a los puntos de acceso y los puentes para transformarlas en bits de datos. Dependiendo del alcance es la antena a utilizar. Servidores de control de acceso Funcionan como un sistema servidor centralizado y pueden controlar la autenticación, autorización y contabilidad (AAA) de los usuarios que acceden a los recursos corporativos a través de la red. 1.2 Topología de redes WLAN La utilización de una red WLAN, depende de las necesidades de los consumidores y de las condiciones existente en el lugar. Las redes inalámbricas, se construyen utilizando dos topologías básicas. Estas topologías se pueden clasificar de distintas formas: administradas y no administradas, hosted y peer-to-peer, infraestructura y ad-hoc (Fout, Barkley y Lee, 2007). 1.2.1 Topología ad-hoc Una topología ad-hoc está formada por los dispositivos inalámbricos mismos, equipados con la correspondiente tarjeta adaptadora para comunicaciones inalámbricas, sin punto de acceso (Fig. 1.1) y son muy sencillas de implementar. Tienen integradas mecanismos de CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 8 usuario y de seguridad y típicamente no requieren de administración. Cada estación, mantiene una lista de usuarios de grupo y contraseña de grupo. Figura 1.1. Ejemplos de topología Ad-hoc. Ad-hoc es una configuración muy flexible, que no requiere un número elevado de terminales. (Calderón y Quintero, 2004). 1.2.2 Topología infraestructura Esta topología, amplía una red cableada existente a dispositivos inalámbricos, a través, de un punto de acceso, actuando como controlador central para la red inalámbrica (Fig. 1.2). La infraestructura utiliza el concepto de celda. Una celda, podría entenderse, como el área en la que una señal radioeléctrica es efectiva. A pesar, que en el caso de las redes inalámbricas esta celda suele tener un tamaño reducido, mediante el uso de varias fuentes de emisión, es posible combinar celdas para cubrir de forma casi total un área más extensa. Un único punto de acceso puede soportar un pequeño grupo de usuarios. Esta topología aumenta el alcance de la red y permite la movilidad (García Fernández, 2005). Figura 1.2. Ejemplos de Topología Infraestructura. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 9 1.2.3 Enlace entre varias LAN Esta configuración, se utiliza cuando se necesitan conectar dos o más redes de área local que están separadas, ya sea en edificios o instituciones, las cuales no se puedan unir por la vía cableada. Para ello es necesario el uso de antenas direccionales u omnidireccionales, las cuales tienen el objetivo de enlazar las redes de área local situadas geográficamente en sitios distintos. 1.3 Estándares Inalámbricos Las redes WLAN cumplen con los estándares genéricos aplicables al mundo de las LAN cableadas (IEEE 802.3 o estándares equivalentes) pero necesitan una normativa específica adicional, que defina el uso y acceso de los recursos radioeléctricos. Varios organismos internacionales han desarrollado una amplia actividad en la estandarización de normativas de WLAN y han generado un gran número de estándares. Entre ellos podemos citar el IEEE que ha realizado una serie de estándares 802.11 y sus variantes; y en Europa el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI, European Telecomunication Standard Institute) que con sus actividades en HiperLAN-BRAN (Broadband Radio Access Networks) ha desarrollado estándares como Hiperlan tipo 1 y tipo 2, así como Hiperacces e Hiperlink. De esta manera se pueden diferenciar entre dos tipos de redes WLAN, las procedentes de IEEE y de ETSI. 1.3.1 Estándares IEEE Como todos los estándares IEEE 802, el IEEE 802.11 centra su funcionamiento en las dos capas inferiores del modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open System Interconection): el Nível Físico (PHY, PhysicLayer) y el Nivel de Enlace de Datos (DLL, Data Link Layer), este último se subdivide en la capa de Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Access Control) y Control del Enlace de Datos (DLC, Data Link Layer), estas capas regulan la conexión vía radio. La norma IEEE 802.11, se divide en estándares desarrollados por grupos de trabajo independientes, los cuales se identifican por medio de letras agregadas tras la última cifra. Cada vez que surge la necesidad de nuevas técnicas para solucionar un determinado CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 10 problema, el IEEE crea un nuevo grupo de trabajo incluido en el 802.11 e identificado por una nueva letra. (Luther, 2005). • IEEE 802.11 Legacy: La versión original del estándar IEEE 802.11 fue publicada en 1997, especifica dos velocidades de transmisión teóricas de 1 y 2 Mbps que se transmiten por señales infrarrojas (IR) en la banda ISM a 2,4 GHz. La señal IR sigue siendo parte del estándar, pero no hay implementaciones disponibles. El estándar original también define el protocolo de Múltiple Acceso por Detección de Portadora / Evitando Colisiones (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Acces/Colission Avoidance) como método de acceso y utiliza como técnicas de RF Espectro Extendido por Salto de Frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) y Espectro Extendido de Secuencia Directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum). • IEEE 802.11a: Se aprobó en 1999 por el IEEE y en el año 2001 hizo su aparición en el mercado. El estándar IEEE 802.11a, también conocido como Wi-Fi , utiliza el mismo juego de protocolos de base que el estándar original y opera en la banda de 5 Ghz. Utiliza Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) como tecnología de radio. Esta norma tiene 12 canales no solapados, 8 para red inalámbrica y 4 para conexiones punto a punto. No puede interoperar con equipos del estándar IEEE 802.11b, sólo si se dispone de equipos que implementen ambos estándares. El alcance del sistema es pequeño en entornos cerrados, lo que implica tener que montar más AP. Algunos fabricantes ofrecen híbridos 802.11a/b, aunque estos productos lo que tienen realmente son las dos extensiones implementadas. (Geier, 2002) • IEEE 802.11b: Este define los niveles físico y de acceso al medio. Es una extensión del 802.11 para WLAN empresariales. Ratificado en 1999. Utiliza como técnica de radio DSSS y Conmutación de Códigos Convolucionales (CCK, Complementary Code Keying). Tiene una velocidad máxima de transmisión de 11 Mbps y utiliza el método de acceso CSMA/CA. El estándar IEEE 802.11b funciona en la banda de 2.4 GHz. Debido al espacio ocupado por la codificación del protocolo CSMA/CA, en la práctica, la velocidad máxima de transmisión de este estándar es de aproximadamente 5.9 Mbps sobre Protocolo de Control de Transporte (TCP, Transport Control Protocol) y 7.1 Mbps sobre Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, User Datagrama Protocol). Las velocidades de datos son CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 11 de 11 Mbps, 5.5 Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps. Ofrece una mejor penetración a través de las paredes y otros obstáculos, al igual que mayor distancia de operación en la oficina, en el hogar y en otros entornos encerrados. • IEEE 802.11c: Especifica métodos para la conmutación inalámbrica, o lo que es lo mismo, métodos para conectar diferentes tipos de redes mediante redes inalámbricas (Luther, 2005). • IEEE 802.11d: Es un complemento al nivel MAC en la familia IEEE 802.11, permitiendo así, el uso a escala mundial de este estándar en las redes WLAN. Se refiere a las diferencias regionales en tecnologías, relacionadas con el número y disponibilidad de canales en las distintas regiones del mundo y los niveles de potencia aceptables para los dispositivos de los usuarios. • IEEE 802.11e: Fue publicado por el IEEE en noviembre de 2005. Su objetivo es introducir nuevos mecanismos a nivel de capa MAC para soportar los servicios que requieren garantías de Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service). Es un sistema eficiente de gestión de la energía de especial utilidad en teléfonos VoIP portátiles y otros dispositivos que funcionan con baterías (Fernández, 2007). • IEEE 802.11f: Especifica un Protocolo Entre Puntos de Acceso (IAPP, Inter- Access Point Protocol) para la comunicación entre estos, independientemente de los proveedores y la marca de los productos.. • IEEE 802.11g: Se ratificó en junio de 2003. Este utiliza la banda de 2.4 GHz al igual que el estándar IEEE 802.11b pero opera a una velocidad teórica máxima de 54 Mbps. Utiliza las tecnologías de radio: DSSS y OFDM. Es compatible con el estándar IEEE 802.11b y utiliza las mismas frecuencias; sin embargo, en redes bajo este estándar, la presencia de nodos bajo el estándar IEEE 802.11b, reduce significativamente la velocidad de transmisión. • IEEE 802.11h: Está destinado a resolver problemas derivados de la coexistencia de las redes 802.11 con sistemas de Radares y Satélites en la banda de los 5 GHz. • IEEE 802.11i: Estándar que se encarga de la seguridad mediante la encriptación avanzada y procedimientos de autentificación, según los requerimientos de alta privacidad CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 12 que sean solicitados. Es equivalente al protocolo Acceso Protegido Wi-Fi 2 (WPA2, Wi-Fi Protected Access) y es aplicable a los estándares IEEE 802.11a, IEEE 802.11b e IEEE 802.11g. Proporciona una alternativa a la Privacidad Equivalente Cableada (WEP, Wireless Equivalent Privacy) con nuevos métodos de encriptación y procedimientos de autentificación. Una parte clave de 802.11i la constituye IEEE 802.1x que explicaremos mas adelante. • IEEE 802.11j: Está destinada a la interoperatividad entre el estándar IEEE 802.11a e HiperLAN. Existen otros estándares en evolución que completan la norma. (Fernández G. E. 2007) Resumen Estándares IEEE 802.11 802.11a - Transmisión de Datos en la Banda de 5GHz 802.11b - Transmisión de Datos en la Banda de 2.4GHz .Hasta 11 mbps. 802.11e - QoS - Calidad de Servicio 802.11g - Transmisión de Datos Adicional Banda 2.4 GHz. Hasta 54mbps 802.11h - Espectro y Potencia en Europa - Banda 5 GHz 802.11i - Mejoras en Seguridad WIFI (WPA/WPA2) 802.11k - Mediciones y Gestión de RF en WIFI 802.11n - Transmisión de Datos - Altas Velocidades 802.11p - WAVE (WIFI en vehículos) 802.11r - Fast Roaming 802.11s - Redes Mesh / Wifi Municipal 802.11u - Internetworking con otras Redes 802.11v - Access Points, Gestión de Clientes (MIB) 802.11x- Seguridad, cifrado y encriptación 802.11w - Seguridad de Paquetes de administración. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 13 1.4 Tecnologías en WLAN Las WLAN, hacen uso de las ondas electromagnéticas para transmitir información de un punto a otro sin la existencia de conexiones físicas. Existen varias posibilidades empleadas en las WLAN para lograr esa transmisión. Una de ellas es por ondas infrarrojas (Infra Red), pero este método se limita a la línea de vista o a distancias cortas, y la otra es por ondas de radio frecuencia (RF), que son más usadas debido a que poseen más poder de penetración a través de los objetos que las IR. Las WLAN emplea la tecnología de Espectro Extendido (SS, Spread Spectrum) para modular las ondas de RF. 1.4.1 Espectro extendido (SS) Esta técnica está estipulada por la FCC con el objetivo de minimizar la interferencia, tiene potencia de transmisión máxima de 1 watt y opera en al banda ISM. La tecnología de SS, consiste en difundir la señal de información a lo largo del ancho de banda disponible, es decir, en vez de concentrar la energía de las señales alrededor de una portadora concreta, lo que se hace es repartirla, por toda la banda disponible. Este ancho de banda total se comparte con el resto de usuarios que trabajan en la misma banda de frecuencia. El receptor del espectro extendido usa el conocimiento de cómo se hizo para comprimir la señal recibida y recuperar la señal de dato original. Proporciona gran robustez con respecto a la interferencia y al desvanecimiento resultante de la propagación de multitrayecto. Esta técnica tiene a su vez dos variantes: Salto de Frecuencia (FHSS) y Secuencia Directa (DSSS). 1.4.1.1 Espectro Extendido por Secuencia Directa (DSSS) En este método el flujo de bits de entrada se multiplica por una señal de frecuencia mayor, basada, en una función de propagación determinada. El flujo de datos original, puede ser entonces recobrado en el extremo receptor, correlacionándolo con la función de propagación conocida. Esta técnica, consiste en la generación de un patrón de bits redundante llamado señal de chip para cada uno de los bits que componen la señal de información y la posterior modulación de la señal resultante mediante una portadora de RF. En el receptor es necesario realizar el proceso inverso para obtener la señal de información original. (Bates, 2003) CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 14 1.4.1.2 Espectro extendido por salto de frecuencia (FHSS) Este método es una técnica en la cual los dispositivos receptores y emisores se mueven sincrónicamente en un patrón determinado de una frecuencia a otra, brincando ambos al mismo tiempo y en la misma frecuencia predeterminada. Como en el método de secuencia directa, los datos deben ser reconstruidos en base del patrón de salto de frecuencia. Este método es viable para las redes inalámbricas, pero la asignación actual de las bandas ISM no es adecuada, debido a la competencia con otros dispositivos, como por ejemplo las bandas de 2.4 y 5.8 MHz que son utilizadas por hornos de Microondas. 1.4.2 Otras tecnologías de radio de redes WLAN Las WLAN no sólo utilizan las técnicas de espectro extendido, sino que también emplean: OFDM, CCK, CCK/OFDM y la Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC, Packet Binary Code Convolutional); las dos primeras son de carácter obligatorio, mientras que las dos restantes son opcionales. 1.4.2.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) El sistema de multiplexación por división de frecuencias ortogonales, consiste, en enviar la información sobre un múltiplex de muchas portadoras “adecuadamente espaciadas” en frecuencia (Álvarez et al., 2005:181). La información puede ser modulada por la Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM, Cuadratura Amplitud Modulation) o en PSK. La ortogonalidad, posibilita que el espaciamiento entre portadoras sea óptimo, evitando la interferencia entre sí. Este espaciamiento consiste, en que la separación espectral entre portadoras consecutivas, sea siempre la misma e igual al inverso del período de símbolo. La utilización de las portadoras ortogonales permite por un lado lograr la identificación y el desvanecimiento selectivo y por otro obtener una mayor eficiencia espectral. La tecnología OFDM, permite además, eliminar la Interferencia Inter Símbolos (ISI, Inter Symbol Interference) y reduce la diafonía (efecto de cruce de líneas) durante la transmisión de la señal, maneja muy bien el ruido y los cambios de impedancia. Como ventaja, simplifica el problema de propagación multitrayecto. La utilizan específicamente los estándares IEEE 802.11a e IEEE 802.11g y 802.11b. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 15 En el caso del estándar IEEE 802.11a, las señales de datos son divididas en 52 subportadoras, separadas para proveer velocidades de transmisión de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, ó 54Mbps. Para cada una de las subportadoras se utilizan técnicas de modulación como: BPSK, QPSK y QAM, en dependencia de la tasa de transmisión de los datos seleccionados como se puede apreciar en la tabla 1.1. Tabla 1.1. Modulación y Codificación para razones de datos OFDM. Razones de datos (Mbps) Modulación Razón de Código Códigos de Bit por Subportadora Códigos de Bit por símbolo OFDM Datos de Bit por Símbolo OFDM 6 BPSK 1/2 1 48 24 9 BPSK 3/4 1 48 36 12 QPSK 1/2 2 96 48 18 QPSK 3/4 2 96 72 24 16 QAM 1/2 4 192 96 36 16 QAM 3/4 4 192 144 48 64 QAM 1/2 6 288 192 54 64 QAM 3/4 6 288 216 Fuente: CommsDesign En el caso de la norma IEEE 802.11g, la técnica OFDM cambia a la frecuencia a 2.4 GHz. 1.4.2.2 Conmutación de Códigos Complementarios (CCK) Es un sistema de una sola portadora, donde todos los datos son transmitidos por la modulación de una sola frecuencia de radio o portadora. Constituye una variante a la modulación por conmutación de M alternativas ortogonales (M-ary orthogonal keying) y se basa en una constelación de portadoras fase y cuadratura, utilizando símbolos complejos. Es un método de codificación o la forma básica de modulación de la técnica DSSS usado en el estándar 802.11b para velocidades de 5.5 y 11 Mbps. CCK, consiste en 64 símbolos de 8 chips de codificación modulados con DQPSK, comparado con la codificación de Barker que usa solo uno. Los bits de datos son codificados de forma diferente para las velocidades de 5.5 Mbps y 11 Mbps. Para la primera, 4 bits de datos son enlazados con una palabra de código, mientras que para la segunda son de 8 bits de datos. Cuando se utiliza CCK, el preámbulo/cabecera y la carga son transmitidos empleando CCK (Sotolongo y Poveda, 2006). CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 16 1.4.2.3 Conmutación de Códigos Complementarios/Mutliplexación por División de Frecuencias Ortogonales (CCK/OFDM) Constituye un método híbrido de codificación de espectro extendido. Está diseñado para facilitar el uso de las formas de onda de OFDM soportando compatibilidad con CCK. Además transmite el Preámbulo/Cabecera en una sola frecuencia de radio mediante CCK y la carga en múltiples frecuencias por medio de OFDM. Este híbrido representa una opción en el estándar IEEE 802.11g que esta diseñado para evitar colisiones con las redes 802.11b que utilizan el método CCK. Cuando se opera en la presencia de dispositivos Wi-Fi existentes, la cabecera CCK es transmitida para alertar a todos los dispositivos, que la transmisión está por empezar y para informar a estos dispositivos de la duración de la misma. La carga puede ser transmitida a una razón mucho mayor usando OFDM. 1.4.2.4 Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC) Es una solución de simple portadora apoyada por Texas Instruments (TI). Emplea una señal de constelación más compleja 8-PSK comparada con la BPSK/ QPSK utilizada por CCK. Posee una estructura de codificación convolucional en comparación con la estructura de codificación de bloque utilizada en CCK. Así, el mecanismo de decodificación, es completamente diferente. Al igual que CCK/OFDM, PBCC, se describe como un híbrido, utilizando CCK para transmitir la porción Preámbulo/Cabecera de cada paquete y PBCC para transmitir la carga. La máxima razón de datos que incluye PBCC para el estándar 802.11g, es de 33Mbps. Se debe señalar que PBCC fue incluido como un elemento optativo del estándar original IEEE 802.11b (Zyrem, 2001). 1.5 Bandas de Frecuencia Las redes inalámbricas de área local hacen uso de las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical). Estas son bandas asignadas por Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT), están reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industriales, científicas y médicas, y su uso está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Las bandas ISM están definidas en los rangos de 902–928 MHz CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 17 (banda 915 MHz), 2.4–2.4835 GHz (banda 2.4 GHz), y 5.725–5.85 GHz (banda 5.8 GHz) (Fig. 1.5). Las WLAN utilizan las dos últimas que se encuentran en el espectro de Muy Alta Frecuencia (VHF, Very High Frequency) y Súper Alta Frecuencia (SHF, Super High Frequency) respectivamente. (Sklar, 1998) En EE.UU. también está definida una banda de uso libre en 5 GHz, la banda Infraestructura de Información Nacional Sin Licencia (UNII, Unlicenced National Information Infrastructure). En Europa, esta banda está sometida a restricciones para evitar interferencias con otros sistemas de radio. La banda UNII está formada por tres sub-bandas, UNII1 (5.15 - 5.25 GHz), UNII2 (5.25 - 5.35 GHz) y UNII3 (5.725 - 5.825 GHz) (Fig. 1.3). El ancho de banda total disponible en la banda de 5 GHz es mayor que en la banda de 2,4 GHz (300 MHz por 83,5 MHz). Figura 1.3. Bandas de frecuencias para WLAN. 1.6 Acceso al medio El acceso es clave para la tecnología que se sustenta en el entorno de radio, por ser un medio compartido, al que todos los usuarios deben acceder. Los mecanismos de acceso se implementan sobre la capa MAC, de la capa de enlace. La capa MAC de IEEE 802.11 controla el acceso ordenado al medio mediante dos técnicas; la Función de Coordinación Distribuida (DCF, Distributed Coordination Function) y la Función de Coordinación Puntual (PCF, Point Coordination Function) (Redes de Acceso de Banda Ancha) Andueza Unanua, Angel M. 2003) ( Bates, 2003) CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 18 1.6.1 Función de Coordinación Distribuida La función de coordinación se define, como la funcionalidad que determina, cuándo una estación dentro de BSS está autorizada para transmitir y cuándo está habilitada para recibir unidades de datos de protocolo por el medio inalámbrico (León-García y Widjaja, 2005). Se encuentra en el nivel inferior del subnivel MAC y su funcionamiento se basa en técnicas de acceso aleatorias de contención por el medio. Utiliza como protocolo de acceso al medio MACA (Multi Access Collision Avoidance), que no es más, que CSMA/CA con RTS (Request to send) y CTS (Clear to send), ésta es una variante del CSMA/CA. • CSMA/CA: Cuando un nodo recibe un paquete a transmitir, primero escucha para asegurarse de que ningún otro está transmitiendo. Si el canal está despejado entonces transmite, si no, elige un factor aleatorio de retraso (random back-off) que determina el tiempo que debe esperar para poder transmitir. El nodo transmisor decrementará su contador de retraso durante los periodos en los que el canal esta libre. Cuando el contador de retraso alcanza el valor cero, el nodo transmite el paquete (Bates, 2003). CSMA/CA en un entorno inalámbrico presenta dos problemas principales, el de los nodos ocultos cuando una estación cree que el canal está libre, pero está ocupado por otro nodo que no oye, y el de nodos expuestos cuando una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre pues el nodo al que oye no le interferiría para transmitir a otro destino. MACA: Cuando se desea transmitir de una estación a otra primero se envía un paquete RTS a la otra, este paquete contiene el tamaño de la trama de datos que quiere transmitir. Si la otra estación acepta, responde con un paquete CTS que contiene una copia del tamaño de la trama de datos que le quiere transmitir la primera estación. Entonces, la primera estación esta libre para transmitir, y envía su trama e inicia su temporizador de espera del paquete de acuse de recibo, que le indicará que su trama fue recibida satisfactoriamente. Cuando la segunda estación recibe la trama de datos correctamente, le responde el acuse de recibo. 1.6.2 Función de Coordinación Puntual CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 19 Es una capacidad opcional que puede ser usada para proveer conexión orientada. Está asociada a las transmisiones libres de contención que utilizan técnicas de acceso deterministas. Está pensada para servicios de tipo sincrónico que no toleran retardos aleatorios en el acceso al medio. La función de PCF, es ejecutada por el punto de coordinación 2 en el punto de acceso dentro de un BSS, gestiona el acceso al medio mediante un proceso centralizado en el AP. Su funcionamiento se basa en ser compatible con el modo DCF. Los métodos de acceso PCF y DCF pueden operar conjuntamente dentro de una misma celda o conjunto básico de servicios. 1.7 Radiopropagación El término de radiopropagación no es más que la propagación de las ondas electromagnéticas vía radio frecuencia. La situación del trayecto de propagación respecto a los obstáculos, las características eléctricas del terreno, las propiedades físicas del medio, la frecuencia y polarización de la onda electromagnética, influyen de manera directa en las características de propagación de las mismas (Hernando, 1995). Según la frecuencia, pueden distinguirse los modos de propagación por: • Onda de Superficie para frecuencias inferiores a 30 MHz. • Onda Ionosférica para frecuencias entre los 3 y los 30MHz. • Onda Espacial para frecuencias superiores a los 30 MHz. • Onda de Dispersión Troposférica. 1.7.1. Conceptos Para el estudio de las redes WLAN, es necesario explicar algunos conceptos, que sientan las bases para el posterior análisis y dimensionamiento de un enlace. Clasificación de los entornos: Se clasifican atendiendo a varios parámetros: • Para medir el rendimiento de una red WLAN es necesario analizar el entorno físico circundante, en cuanto al entrono físico se clasifican en elementos estáticos y dinámicos. 2 Se conoce como nodo organizador o director CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 20 • Por las cualidades del entorno se clasifican: en interior (indoor) o exterior (outdoor). • Con respecto al análisis de la zona de cobertura, este se subdivide en otras áreas de menor tamaño o células, y la clasificación está en dependencia de su radio, existen las macro-células pequeña y extensa, micro-célula y pico-célula. . Zona de Fresnel: Se definen como las formas elípticas o elipsoides (elipse en revolución) que rodean la trayectoria visual entre el emisor y el receptor de una onda electromagnética sin obstrucción. Estas zonas quedan establecidas porque la propagación de las ondas de radio entre los dos puntos, no es en línea recta, debido a consideraciones de dispersión. Las dimensiones de las zonas de Fresnel varían en dependencia de la longitud del recorrido y la frecuencia de la señal. El radio de las zonas de Fresnel se calcula como sigue: 21 21 dd ddn Rn + = λ (1.1) El término n dentro de la expresión, se refiere a una zona determinada, por ejemplo para calcular el radio de la primera zona de Fresnel 1=n . Los términos 1d y 2d se refieren a las distancias del transmisor al obstáculo más crítico, y de este último al receptor (Fig. 1.4). En la expresión la suma de 1d y 2d se refiere la distancia que hay entre los puntos del enlace, que viene representada en la figura por D. Figura 1.4. Primera zona de Fresnel. En la práctica es necesario que al menos el 60% de la primera zona de Fresnel esté libre de obstáculos. La tabla 1.2 muestra los diferentes valores de atenuación en función de la clarencia, que es la distancia de la obstrucción a la línea de visión y se mide en metros, que pueden dificultar la calidad de la señal que se transmite. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 21 Tabla 1.2 Atenuación en función de la clarencia. Finalmente otros parámetros relacionados con este tipo de redes son: LOS (Line-of-sight), línea visual: Es una línea imaginaria que existe entre el transmisor y el receptor de forma tal que ambos se vean. La línea visual que se necesita para tener una conexión inalámbrica óptima, desde el trasmisor hasta el receptor, es más que simplemente una línea delgada, su forma es parecida a un elipsoide. NLOS (Non-Line-of-sight), fuera de la línea visual: Se produce cuando entre el transmisor y el receptor la visibilidad es bloqueada totalmente. OLOS (Obstructed-line-of-sight), línea visual obstruida: Ocurre, cuando parte de la línea visual queda obstruida de forma parcial por un objeto. Para enlaces punto a punto se busca siempre la forma de que operen en condiciones de LOS, con un despeje de la zona de Fresnel de al menos un 60%, en interiores no es necesaria la existencia de líneas de Vista, y pueden operar en condiciones de NLOS lo que los alcances o las velocidades que se logran son menores, ya que las perdidas de propagación aumentan, debido a la degradación del enlace por la no existencia de LOS, lo ideal es que siempre exista LOS, pero pueden operar en cualquiera de las tres condiciones. 1.8 Mecanismos de propagación Las señales electromagnéticas se propagan por medio de varias formas entre una antena transmisora y una receptora. Si el medio en que se propagan fuera totalmente uniforme las ZONAS DE FRESNEL ATENUACION 0.5 zone clear 2 dB 0 (touching) 6 dB 0.5 zone obstructed 10 dB 1.0 zone obstructed 16 dB 1.5 zone obstructed 19.5 dB 2.0 zone obstructed 22 dB 2.5 zone obstructed 24 dB 3.0 zone obstructed 25.5 dB CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 22 ondas, se moverían en línea recta. Para las frecuencias de SHF donde la ionosfera se hace transparente, la propagación en espacio libre es modificada por el suelo (reflexión y difracción) y por la troposfera (refracción, absorción y dispersión). 1.8.1 Reflexión, Refracción y Absorción Primeramente las ondas provenientes de un medio inciden sobre la superficie de otro, parte de la energía de la ondas se refleja (cambio en la dirección de propagación) dentro del primer medio, a la vez que otra parte de la energía es transmitida o refractada (cambio en la dirección de propagación producto de cambio de un medio a otro) en el segundo, y por otro lado una tercera porción se absorbe (cuando las ondas electromagnéticas atraviesan algún material). Mientras los conductores perfectos reflejan toda la señal, otros materiales reflejan sólo parte de la energía de la onda incidente y transmiten el resto. 1.8.2 Interferencia, ruido y distorsión En las redes WLAN el medio en que se transmite, el aire, introduce pérdidas y diferentes tipos de perturbaciones a pesar de que el transmisor y el receptor, unidos a sus antenas hacen posible la comunicación. Entre las perturbaciones se encuentran: interferencia, ruido y distorsión que atentan contra la originalidad de la onda que llega al receptor proveniente del transmisor (Fig. 2.2). Múltiples son las fuentes de ruido, interferencia y distorsión. Interferencia La interferencia es un tipo de perturbación que afecta el buen funcionamiento de un sistema radioeléctrico. Las interferencias según Hernando (1995), se pueden clasificar en dependencia del número de fuentes: en simples, cuando hay una sola señal interferente y en múltiples, cuando existen varias fuentes interferentes. También se distinguen entre interferencia cocanal y de canales adyacentes. (Wang y Poor, 2003) Ruido Es la señal no deseada presente siempre en un sistema eléctrico, influye de manera negativa en la capacidad del receptor limitando la velocidad del enlace, puede ser provocado por fuentes naturales y artificiales. Las fuentes naturales se clasifican en externas e internas al sistema. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 23 • Ruido Natural: Las fuentes de ruido se deben a la radiación producida por elementos naturales: tierra, cielo, considerados como cuerpos negros y los efectos del medio (lluvias, gases atmosféricos sobre esta radiación). • Ruido Artificial o Industrial: Este tipo de ruido aparece como consecuencia de diferentes actividades de carácter industrial, así como la tracción de vehículos, transporte y distribución de energía eléctrica, entre otros. El espectro del ruido artificial disminuye al aumentar la frecuencia. • Ruido Térmico: Este tipo de ruido es producido por el movimiento de las cargas libres en los conductores debido a su agitación térmica, se presenta en amplificadores, atenuadores y en cuadripolos, además, de que puede ser captado por la antena (Matos, 2005). Distorsión Se define la distorsión como la relación de las potencias medias de error y de señal. Es la diferencia entre la señal que entra a un equipo o sistema y la señal de salida de mismo. Puede definirse también como la deformación que sufre una señal tras su paso por un sistema. La distorsión puede ser lineal o no lineal. Para el caso de las redes WLAN, se, manejan los términos de Distorsión por Intermodulación y por Multitrayecto. (Ramos, 2005) Distorsión por Intermodulación: Distorsión no lineal en un sistema, caracterizada por la aparición en la salida de frecuencias que son combinaciones lineales de las frecuencias fundamentales y sus armónicos presentes en la señal de entrada (García Fernández, 2005). • Distorsión por Mulitrayecto: Se produce cuando diversas ondas con variaciones respecto a la original, viajan por múltiples trayectorias hasta llegar al receptor. Para reducir la distorsión conocida como pérdidas por multitrayecto debido a reflexiones se utilizan los sistemas de diversidad. 1.9 Análisis de las características de un radioenlace. Un enlace de radio consta de tres componentes fundamentales: el transmisor, el receptor y el canal aéreo. El transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 24 utilizada para transmitir, el canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital. El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces de microondas es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además, esta distancia debe ser libre de obstáculos en algunos casos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en el trayecto. Un radioenlace está caracterizado por tres elementos básicos: • Energía efectiva emitida o potencia radiada: En ella intervienen la energía emitida o potencia del transmisor, las pérdidas (cables y conectores) y la ganancia de la antena transmisora. • Pérdidas en la propagación: Dependen de las condiciones de propagación. • Sensibilidad efectiva de recepción: Depende de la ganancia de la antena receptora, de las pérdidas en los cables y la sensibilidad del receptor. 1.10 Tipos de antenas Existen diferentes tipos de antenas, cada una de las cuales tiene una aplicación y entorno de uso específico, ofreciendo una capacidad de cobertura determinada. Normalmente, bajo las mismas condiciones del enlace, a medida que la ganancia de una antena se incrementa se alcanzan distancias de cobertura mucho mayores, pero sólo en una dirección determinada. En el Anexo (II, III, IV, V) aparecen figuras de los distintos tipos de antenas (omnidireccionales, sectoriales o directivas). 1.10.1 Antenas Direccionales Son capaces de enfocar toda la señal que le aplica la tarjeta o punto de acceso, a una dirección concreta, con mayor o menor grado de directividad en función del modelo y características (Fig. 1.5). Normalmente se usan para establecer enlaces punto a punto o para enlazar con un nodo que tenga una antena Omnidireccional. El ancho del haz, es angosto. Tienen la ganancia alta por lo tanto se utilizan para enlaces a larga distancia. Existen varios CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 25 tipos de antenas direccionales o directivas como son las Yagi, las biquad, las de bocina, las helicoidales, las antenas path, los platos parabólicos, etc. Figura 1.5. Patrón de radiación de una Antena Direccional. 1.10.2 Antenas Omnidireccionales Están diseñadas para proveer un patrón de radiación de 360º (Fig.1.6). Propagan la señal de RF en todas las direcciones en el plano horizontal, aunque tienen un rango limitado en el plano vertical. Figura 1.6. Patrón de radiación de una Antena Omnidireccional. Son las más comunes en WLAN y se utilizan cuando se requiere dotar de cobertura en todas las direcciones. Proporcionan la cobertura más amplia dentro de edificios, pudiendo formar celdas circulares muy poco solapadas a lo largo del edificio. La mayoría de los puntos de acceso estándar disponen de una antena omnidireccional de baja ganancia. Los CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 26 tipos más usados actualmente de antenas omnidireccionales son los dipolos y las de plano de tierra. 1.10.3 Antenas Sectoriales Irradian principalmente en un área específica. El haz puede ser tan amplio como 180 grados, o tan angosto como 60 grados. Las antenas sectoriales se utilizan cuando se necesita conectar lugares distantes y de área extensa. Cubren un ángulo mayor, se que se conoce como sector. Tiene mayor alcance que las antenas omnidireccionales y menor que las direccionales (Ver Anexo V). 1.11 Sensibilidad del receptor Constituye un aspecto importante en el receptor, ya que éste tiene un umbral (treshold) mínimo de energía recibida (en el conector de la tarjeta) para el cual la señal tiene que alcanzar una cierta tasa de transmisión (bit rate). Si la energía de la señal es menor que la máxima tasa de transmisión, entonces, se decrementará el rendimiento, por lo que es mejor el empleo de equipos con un valor de umbral bajo. 1.11.1 Relación señal a ruido La relación señal a ruido (C/N) es la mínima diferencia de potencia que se debe alcanzar entre la señal recibida y el ruido (ruido térmico, ruido industrial debido a los microondas y ruido debido a otra WLAN en la misma banda de frecuencias). Es la que define la calidad de la señal recibida. Se define como el cociente entre la potencia de señal y la potencia de ruido ambas en Watt. La expresión matemática es la siguiente: KTB PNC r=/ (1.2) Donde K es la constante de Boltzman, T la temperatura y B el ancho de Banda 1.11.2 Margen El término de margen ( M ) se introduce para compensar el desvanecimiento y se define por el cociente entre la relación portadora a ruido de operación NC / y 0)/( NC , este último es el valor requerido del diseño para cumplir con una determinada calidad de servicio (QoS ). CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 27 Quedando la expresión de la siguiente forma: ( ) 1 / / 0 ≥= NC NCM (1.3) Un buen radioenlace debe tener de 5 a 17 dB de margen. 1.12 Seguridad en redes WLAN Uno de los problemas más graves a los cuales se enfrenta la tecnología inalámbrica, es la seguridad. Estas redes son inseguras por el medio de transporte que emplean. Desde su creación, 802.11, se han implementado diversos mecanismos básicos de seguridad. (Earte, 2006). A continuación se profundiza en aspectos contenidos dentro de la seguridad en este tipo de redes. 1.12.1 Riesgos de las redes inalámbricas. La topología de estas redes consta de dos elementos claves, las estaciones cliente (STA) y los puntos de acceso (AP). La comunicación puede realizarse directamente entre estaciones cliente o a través del AP. El intercambio de datos sólo es posible cuando existe una autentificación entre el STA y el AP y se produce la asociación entre ellos (un STA pertenece a un AP). Por defecto, el AP transmite señales de gestión periódicas, la STA las recibe e inicia la autentificación mediante el envío de una trama de autentificación. Una vez realizada ésta, la estación cliente envía una trama asociada y el AP responde con otra. (Cors y Pernich, 2006) La utilización del aire como medio de transmisión de datos mediante la propagación de ondas de radio ha proporcionado nuevos riesgos de seguridad. La salida de estas ondas de radio fuera del edificio donde está ubicada la red permite la exposición de los datos a posibles intrusos que podrían obtener información sensible a la empresa y a la seguridad informática de la misma. Sin embargo los asuntos más inmediatos para las comunicaciones inalámbricas son el robo de dispositivos, denegación de servicios, crackers, código malicioso, robo de servicios, y espionaje industrial y externo. Asegurar la confidencialidad, integridad, autenticidad y disponibilidad son los principales objetivos de toda política y práctica de seguridad informática. Posibles ataques y amenazas a una red inalámbrica CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 28 -Espionaje: Este tipo de ataque consiste simplemente en observar el entorno donde se encuentra instalada la red inalámbrica. Sirve para recopilar información y se puede combinar con otros tipos de ataques. -War-Chalking: Se trata de un lenguaje de símbolos utilizado para marcar sobre el terreno la existencia de las redes inalámbricas, de forma que puedan ser utilizadas por aquellos que “pasen por allí”. Es la práctica de dibujar en paredes o aceras una serie de símbolos para indicar a otros la proximidad de un acceso inalámbrico. - War-driving: Es el método más conocido para detectar las redes inalámbricas inseguras. Se realiza habitualmente con un dispositivo móvil, como una notebook o un PDA. El método es realmente simple: el atacante pasea con el dispositivo móvil, y en el momento en que detecta la existencia de la red realiza un análisis de la misma. -Interceptar una señal: El atacante intenta identificar el origen y el destino que posee la información. Es decir, la toma de posesión y el uso del ancho de banda de las WLAN privadas y de los “hotspot” públicos para recopilar información sensible del sistema. -Escuchas e intercepción: El programa monitoriza los datos y determina hacia donde van, de donde vienen y qué son, siempre que haya una tarjeta de red que actúa en “modo promiscuo”. El modo promiscuo es un modo de operación en el que una computadora conectada a una red compartida captura todos los paquetes, incluyendo los paquetes destinados a otras computadoras. -Secuestro y Burla: El atacante falsifica información, un identificador de usuario o una contraseña permitidos por el sistema atacado. Esto lo hace redefiniendo la dirección física o MAC de la tarjeta inalámbrica por una válida (“hijacking”). De esta manera, asocia una dirección IP válida del sistema atacado. La idea es secuestrar la comunicación entre dos sistemas suplantando a uno de ellos, para lo que es necesario estar situado en la ruta de comunicación. Denegación de servicio (DoS) o ataques por inundación: La denegación de servicio sucede cuando un atacante intenta ocupar la mayoría de los recursos disponibles de una red inalámbrica. Impide a los usuarios legítimos de ésta, disponer de dichos servicios o recursos. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 29 1.12.2 Mecanismos de seguridad 1. 12.2.1Autenticación y control de acceso Identificador de Servicios Básicos (SSID, Service Set Identifier): Necesario para establecer una comunicación. El estándar para WLAN, permite dos formas de trabajar con el SSID: Descubrimiento Pasivo, donde el cliente recibe una trama (beacom frame)3 con la información del SSID y donde el AP difunde constantemente unas tramas de información y el Descubrimiento Activo, donde el cliente tiene que conocer el SSID porque el AP no ofrece beacom frame (Alonso, 2006). Este SSID también debe conocerlo la tarjeta de red para poder asociarlo con el AP y así proceder con la transmisión y recepción de datos en la red. Direccionamiento MAC o filtrado de direcciones MAC: Se utiliza para evitar que se conecten clientes no deseados. Muchos AP ofrecen opciones para crear listas blancas de equipos que se pueden conectar en función de la dirección MAC de los clientes. Para ello, en el AP, se añaden las direcciones de las máquinas que serán permitidas en la red. Contraseñas no estáticas (OTP, One Time Password): Contraseña de un solo uso. Esta contraseña tiene como objetivo, dificultar el acceso de usuarios no autorizados a recursos protegidos. La contraseña es utilizada solo una vez, y se genera una contraseña nueva para la próxima. 802.11x: Proporciona un mejor mecanismo en el control y seguridad de acceso. Es un estándar previo para el control de acceso a redes basado en puertos, este proceso, utiliza las características físicas de la infraestructura de las redes interconectadas para autenticar los dispositivos conectados a un puerto LAN. Permite el transporte de tramas de Protocolo de Autenticación Extensible (EAP4, Extensible Authentication Protocol) de los usuarios sobre redes cableadas e inalámbricas. La utilización de este estándar, evita que se asocien usuarios no autorizados con cualquiera de los puntos de acceso de la red. En la arquitectura 3 Tramas cortas transmitidas para proporcionar: reloj (sincronización de tiempos), parámetros de FH o DS, SSID, mapa de indicación de tráfico y tasas de transmisión soportadas 4 Existen múltiples variantes de EAP: EAP-LEAP (Lightweight EAP), EAP- TLS (Transport Layer Security), EAP-TTLS (Tunneling Transport Layer Security) y EAP-PEAP (Protected EAP) CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 30 802.1x además del cliente y el autentificador que suele ser el AP, existe un servidor de autenticación que puede ser un Servidor de Servicio de Usuarios Telefónico de Autenticación Remota (RADIUS, Remote Authentication Dial-In User Service), que intercambiará el nombre y credencial de cada usuario. Es el sistema mas capaz para la autorización y administración de cuentas de usuarios, auditorias y alarmas ya que permite la organización y el mantenimiento de los perfiles de usuarios en una base de datos central que puede ser administrada desde un servidor remoto en la red local cableada existente (Figueroa y Merino, 2004).Para habilitar esta opción le asignamos al punto de acceso una IP y un puerto que debe ser conocido por el servidor Radius. El puerto por defecto es el 1812 y una contraseña de seguridad para el acceso al servidor Radius y por ultimo se habilita una cuenta en el servidor que se nombra Radius account service. El puerto por defecto que se usa es el 1813. Del lado del cliente es necesario también configurar la seguridad y los métodos de autenticación usados por Windows XP que incluye nombre de usuario, contraseñas y certificados. Cifrado o Encriptación Entre los mecanismos que utilizan las WLAN para la encriptación, se encuentra WEP, que utiliza una palabra clave para autenticarse en redes WEP cerradas y para cifrar los mensajes de la comunicación. Este protocolo es implementado sobre la capa MAC, sólo comprime y cifra los datos que se van a transmitir. Se basa en un esquema de cifrado simétrico en el que la misma clave y algoritmo se utilizan, tanto para el cifrado de los datos, como para su descifrado. Permite crear llaves compartidas que tienen que ser conocidas por todas las estaciones que estén conectadas al mismo AP. Estas llaves pueden usar algoritmos de 40 y 128 bits .Las llaves de 40 dígitos pueden usar códigos ASCII de 5 caracteres desde la “A- Z” y “0-9” y hexadecimales de 10 dígitos en el rango de “A-F”, “a-f” y “0-9” (e.j. 11AA22BB33).Las de 128 dígitos pueden usar códigos ASCII de hasta 13 dígitos y hexadecimales de hasta 26 dígitos. Este protocolo permite poner una llave compartida y generar hasta 4 palabras claves. (Caballé, 2005) Con el objetivo de realizar una encriptación más segura surge WPA. Está basado en el estándar IEEE 802.11i y usa una clave en constante rotación, cada paquete de información lleva una clave completamente diferente a los anteriores. WPA utiliza 802.1x y EAP CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 31 (Enterprise mode) como base de su mecanismo de autentificación, haciendo uso de un servidor RADIUS. Existe un modo de trabajo denominado WPA- PSK (Pre-Shared Key, Llave Pre Compartida) que únicamente requiere una contraseña para acceder al punto de acceso para garantizar mayor seguridad y privacidad en la transmisión de los datos entre la estación y el punto de acceso. Usa una llave pre compartida que no requiere autentificación contra un servidor Radius. Igualmente admite caracteres desde a-z, A-Z, 0-9. La comunicación solo se establece cuando la llave pre compartida es igual a la del dispositivo inalámbrico al que se necesita conectar. WPA (WI-FI Protected Access) realiza la encriptación mediante el Protocolo de Integridad de Clave Temporal (TKIP, Temporal Key Integrity Protocol) donde cada usuario tiene su propia clave de encriptación, puede ser establecida de modo que cambie periódicamente y la Codificación de Integridad del Mensaje (MIC, Message Integrity Code) para distribuir claves dinámicas temporales a los clientes y comprobar la integridad de las tramas recibidas. En el año 2004 aparece WPA2, que es la segunda generación del WPA. Este proporciona encriptación con un fuerte algoritmo llamado Estándar de Encriptación Avanzada (AES, Advanced Encriptation Standard) y está contemplado también en el estándar IEEE 802.11i. Se trata de un algoritmo de cifrado de bloque con claves de 128 bits. Requerirá un hardware potente para realizar sus algoritmos. Para asegurar la integridad y autenticidad de los mensajes, WPA2 utiliza CCMP (Counter-Mode/ Cipher Block Chaining / Message Authentication Code Protocol) en lugar de los códigos MIC .WPA2 incluye soporte no sólo para el modo BSS sino también para el modo IBSS (redes ad-hoc). 1.13 Conclusiones Los aspectos analizados en el capítulo I son la base teórica para el diseño de enlaces inalámbricos. Para ello primeramente es necesario hacer la concepción teórica del enlace para luego escoger el tipo de topología que se va a usar y definir el estándar que cumple con los requerimientos técnicos según la norma IEEE, la banda de frecuencia donde van a operar los equipos de radioenlace, las velocidades y ancho de banda del canal, el mecanismo de acceso al medio que se implementa sobre la capa MAC, las técnicas de modulación de la señal empleadas para lograr la mejor calidad del enlace. CAPÍTULO 1 ASPECTOS TEORICOS 32 En cuanto a las técnicas de radio propagación debemos calcular: la zona de Fresnel, el tipo de antena que es mejor usar según el área de cobertura que se necesita cubrir con el enlace además del cálculo de las potencias en el equipo de transmisión y recepción incluyendo las perdidas en la transmisión y la sensibilidad del receptor. Todos estos aspectos definen posteriormente el tipo de equipamiento a usar y nos garantizan calidad y estabilidad en el enlace diseñado. También se analizaron aspectos muy importantes de seguridad y control de acceso de los usuarios que son necesarios para lograr en el equipo de radio usado la mayor confidencialidad posible en la transmisión de los datos. 33 Capítulo II. DISEÑO DEL ENLACE El diseño de una Red Inalámbrica depende significativamente del objetivo del proyecto. En algunos casos se busca movilidad de los usuarios, o disminuir los costos. Independientemente de cuál sea la motivación, siempre hay que lograr una buena productividad de los usuarios y que la calidad de servicio sea superior a las redes cableadas, si tenemos en cuenta que estas usan como medio compartido el aire para transmitir ondas de RF, y que existen obstáculos e interferencias que afectan la calidad del enlace, de ahí que es de vital importancia para desplegar una red inalámbrica hacer primeramente un estudio del entorno y el terreno, algo que debe hacerse periódicamente pues las condiciones cambian con el tiempo. La finalidad de este estudio es determinar el lugar óptimo de emplazamiento de los puntos de acceso y detectar los obstáculos, que influirán en la calidad de la red. Estos deberán ser tenidos en cuenta al diseñar esa red específica y asegurar una cobertura adecuada a todos los usuarios. Además se debe tener en cuenta la potencia de la señal, las antenas que se utilizan y sus características y las pérdidas que se producen debido a la propagación. 2.1 Situación de la red UCLV El diseño y proyección de la red UCLV data de 1998 y su instalación según la concepción inicial concluyó en mayo del 2000. Todos los tramos que unen el nodo central y los edificios son de fibra óptica multimodo de tipo 62.5/125. En el año 2002 se realiza la segunda expansión de la Red UCLV a las áreas más lejanas del centro de la fibra óptica igualmente usando fibra multimodo de 62.5/125. En esta expansión se beneficiaron las Facultades de Ciencias Agropecuarias y de Construcciones logrando el acceso a la Intranet universitaria. Además se conectaron otras zonas como el SEDER y el Centro de Bioactivos Químicos (CBQ), el Instituto de Biotecnología de las Plantas (Fig. 2.1) y más recientemente se han unido áreas como la Dirección de Transporte, la casa de la FEU, la dirección de Becas y la casa VLIR que patrocina el proyecto que tiene la UCLV con las Universidades Flamencas Belgas y está ubicado en el área de las Antillas. Esta última unión se realizo con fibra monomodo de 9 micras CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 34 La Universidad Central de la Villas cuenta hoy con una gran red de computadoras, con 14 enlaces principales y un total de 7 Km. de fibra óptica. Se brindan los servicios principales de correo electrónico nacional e internacional y acceso a Internet para todos los profesores y estudiantes y tiene una Intranet bien consolidada donde están representadas todas las áreas universitarias. Los usuarios, además acceden a otras aplicaciones y servicios que son vitales para el trabajo docente e investigativo que en la misma se realizan. Figura 2.1. Distribución actual del Backbone de la UCLV. Desde que la Red UCLV fue diseñada quedaron algunos lugares importantes que no se incluyeron principalmente por limitaciones económicas. Con el paso del tiempo ha aumentado la necesidad de que estos lugares queden definitivamente unidos a la red UCLV y aprovechando el desarrollo de las nuevas tecnologías inalámbricas se decide unir el CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 35 centro de Investigación ubicado en el Jardín Botánico con la Facultad de Ingeniería Eléctrica. Centro de Investigación del Jardín Botánico El Jardín Botánico es el único de su tipo en la provincia de Villa Clara, dentro del mismo se encuentra un Centro de Investigación de gran importancia adjunto a la UCLV. La remodelación de este lugar está amparada por el proyecto VLIR en conjunto con el gobierno de Villa Clara. Con este Centro de Investigación se pretende alcanzar el desarrollo de la naturaleza de diferentes especies oriundas de varias latitudes del planeta y un lugar de esparcimiento natural. El Centro de Investigación presenta una pequeña red interna, contando en la actualidad con siete computadoras. Como no se encuentra unida a la red universitaria, no tiene acceso a ninguno de los servicios ofrece la intranet universitaria, ni a los servicios nacionales, ni internacionales de correo e internet. El servicio de correo electrónico se realiza mediante una conexión vía módem, que en estos momentos presenta problemas. 2.1.1 Análisis del entorno para enlazar la red con infraestructura cableada Para conectar este centro a la red de la Universidad la primera alternativa es implementar una infraestructura cableada. El lugar más cercano con el cual se puede enlazar esta subred es la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE), se debe realizar un enlace entre ellos mediante fibra óptica. Para la realización del mismo es necesario analizar las condiciones del terreno entre ambos lugares. El Centro de Investigación es una edificación pequeña de apenas un piso de entre dos y tres metros de altura, se encuentra en una zona baja y rodeado de árboles que lo rebasan. Por su parte la Facultad de Ingeniería Eléctrica es un edificio alto, de cuatro pisos, cado uno de ellos de aproximadamente un poco más de tres metros, que se encuentra en una zona alta de la Universidad, en uno de sus lados la vegetación que existe no rebasa su altura. En línea recta con el Jardín Botánico se observa que el terreno es bastante irregular, aunque no existen grandes elevaciones, presenta altas y bajas, además de varios puntos de mediana vegetación, el terreno en ocasiones se ha utilizado como zona de cultivos. La distancia que existe entre los dos puntos es de 518m según el cálculo que se hizo con el programa Google Earth y que aparece en el Anexo VII. Por otro lado, la carretera que sirve de tránsito para CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 36 el desplazamiento desde la FIE hacia el Jardín Botánico no es uniforme y en sus alrededores presenta zanjas con agua corriente de mediana profundidad. Agregando que los dos centros no se encuentran del mismo lado de esta carretera. Otro aspecto importante es que el lugar donde radica el Centro de Investigación está rodeado de abundante vegetación, con árboles de gran tamaño. Por las características que presenta el trayecto la implementación de una red LAN de infraestructura cableada no es una solución viable, por lo que surge la necesidad de buscar otras alternativas. 2.1.2 Enlace inalámbrico Por el avance que presentan las redes inalámbricas de área local y las ventajas que ofrecen frente a una red con cables, y las limitaciones que tienen estas, se decide adoptar las WLAN para dar solución al problema de la conexión de estos lugares y de esta contribuir al completamiento de la red universitaria y que este Centro de Investigación tenga acceso a todos lo servicios que brinda. Este reto se asume teniendo en cuenta el apoyo que tiene la UCLV con el Proyecto VLIR (Vlaamse Interuniversitaire Raad) de las Universidades Flamencas de Bélgica que se encargan del financiamiento. 2.2 Diseño del enlace inalámbrico Para realizar un diseño correcto de una red WLAN, es necesario analizar una gran variedad de parámetros y pasos a tener en cuenta. Para conectar las redes LAN de la FIE y el Centro de Investigación del Jardín Botánico de manera inalámbrica, se realiza un enlace punto a punto. Estos enlaces se utilizan para conectar dos puntos que se encuentran en lugares diferentes. Se necesita una visión libre de obstáculos de la trayectoria entre los puntos. Se coloca un punto de acceso en el Centro de Investigación y el otro en la FIE. El primer paso para el diseño es demostrar si se cumplen las condiciones de tierra plana. 2.2.1 Demostración de tierra plana 30 )( 80][ MHzf kmd = (2.1) CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 37 Si la distancia que existe entre los puntos a enlazar es menor que 0d , entonces, se cumple la condición de tierra plana. Se pueden hacer los cálculos para los diferentes canales en que se divide la banda de frecuencia en que opera el equipo. Para este se escogió la frecuencia correspondiente al último canal de Estados Unidos (canal 11 MHzf 2462= ) (Ver Anexo VIII), sustituyendo en la expresión el resultado es el siguiente: kmkmd 9426.5 2462 80][ 30 == Como la distancia entre la FIE y el Centro de Investigación es menor que el resultado anterior, entonces se cumple la condición. Estos equipos pueden usar cualquier canal de la banda de frecuencia solo depende del tipo de norma que establece el país donde se instala el enlace. 2.2.2 Distancia entre los puntos. Para saber si la distancia entre los dispositivos es menor que la distancia de alcance máxima del equipo, se tienen en cuenta una serie de parámetros que intervienen en la expresión que se muestra a continuación: )(log20)(log2045,32)( kmdMHzfdBLbf ++= (2.2) Despejando llegamos a )log(2045.32)log(20 fGGPPD xxx TRreqT −−++−= (2.3) Esta ecuación no incluye el valor del margen. La f se refiere a la frecuencia, una vez seleccionada la banda de frecuencia donde trabaja el equipo inalámbrico, es necesario, seleccionar un canal con su respectivo valor de frecuencia, estos valores dependen del país donde se implante la red inalámbrica (Ver Anexo VIII), en esta expresión la frecuencia está en MHz. Los términos G se refieren a las ganancias de las antenas transmisora y receptora, y los términos de P se refieren a las potencias de la antena transmisora y la potencia requerida en el receptor. Como la antena viene integrada en el equipo las pérdidas en los cables son despreciable, entonces la CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 38 potencia que sale del equipo es la de la antena. Otros elementos importantes en la determinación de la distancia son: • la relación señal a ruido • la sensibilidad del receptor • la figura de mérito • el margen • la atenuación en los cables Esta expresión da como resultado la distancia máxima a la que pueden estar las antenas en dependencia de los términos. La distancia que se obtiene está en kilómetros. Los cálculos se realizan para casos límites de frecuencia, potencia del transmisor y sensibilidad del receptor, usando la expresión (2.3) y utilizando: dBWdBmYdBWX 30)()( −= para convertir de dBm a dBW. Para la frecuencia del canal 11 dBHzMHzf 83.67)2462log(20))(log(20 == Potencia del transmisor de 38 dBm (8 dBW) Sensibilidad del receptor de -65 dBm (-95 dBW) y una razón de transmisión de 54 Mbps. dBHzdBidbidBWdBWD 83.6745.321818)95(8)log(20 −−++−−= )17(arg72.38)log(20 dBenMdBD −= 19.12=D Km. Sensibilidad del receptor de -82 dBm (-112 dBW) y una razón de transmisión de 6 Mbps. dBHzdBidBidBWdBWD 83.6745.321818)112(8)log(20 −−++−−= dBdBD 1772.55)log(20 −= 9.86=D Km. Potencia del transmisor de 45 dBm (15 dBW) Sensibilidad del receptor de -65 dBm (-95 dBW) y una razón de transmisión de 54 Mbps. dBHzdBidBidBWdBWD 83.6745.321818)95(15)log(20 −−++−−= CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 39 dBdBD 1772.45)log(20 −= 3.27=D Km. Para la frecuencia del canal 1 dBHzMHzf 65.67)2412log(20))(log(20 == Potencia del transmisor de 38 dBm (8 dBW) Sensibilidad del receptor de -65 dBm (-95 dBm) y una razón de transmisión de 54 Mbps. dBHzdBidbidBWdBWD 65.6745.321818)95(8)log(20 −−++−−= dBdBD 179.38)log(20 −= 44.12=D Km. Sensibilidad del receptor de -82 dBm (-112 dBW) y una razón de transmisión de 6 Mbps. dBHzdBidBidBWdBWD 65.6745.321818)112(8)log(20 −−++−−= dBdBD 1772.55)log(20 −= 3.86=D Km. Potencia del transmisor de 45 dBm (15 dBW) Sensibilidad del receptor de -65 dBm (-95dBW) y una razón de transmisión de 54 Mbps. dBHzdBidBidBWdBWD 65.6745.321818)95(15)log(20 −−++−−= dBdBD 179.45)log(20 −= 86.27=D Km. Los cálculos pueden ser comprobados mediante una hoja de cálculo (Ver Anexo IX). Tabla 2.1 Resultados del cálculo de las distancias Frecuencia Potencia del Tx Sensibilidad Distancia 2412 MHz 38 dBm (8 dBW) -65 dBm (-95 dBW) 12.19 km. -82 dBm (-112 dBW) 86.9 km. 45 dBm (15 dBW) -65 dBm (-95 dBW) 27.3 km. 2462 MHz 38 dBm (8 dBW) -65 dBm (-95 dBW) 12.44 km. -82 dBm (-112 dBW) 86.3 km. 45 dBm (15 dBW) -65 dBm (-95 dBW) 27.86 km. CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 40 Como conclusión la distancia entre los puntos a enlazar está dentro del rango de la distancia de alcance máximo, no existen problemas para que la señal llegue al receptor por falta de cobertura. 2.2.3 Altura de los Equipos Para determinar la altura a la que deben ser colocados los radios en los puntos a enlazar, hay que garantizar que haya línea de vista libre, y que la altura del obstáculo más crítico entre ambos no interfiera dentro el 60% de la primera zona de Fresnel. Se instalará una torre atirantada en el Centro de Investigación por estar ubicado en una zona más baja que la FIE, además porque cuenta con un solo piso. En el tope de esta torre se colocará uno de los equipos de radio para exterior, mientras que en el edificio de la FIE por tener 18m altura (con cuatro pisos) no se utilizará torre atirantada, el otro equipo se soportará en el techo del extremo izquierdo del edificio tendiendo en cuenta que ambos equipos estén en la misma línea de vista. 2.2.4 Determinación de la primera zona de Fresnel El resultado de la primera zona de Fresnel se obtiene aplicando la expresión (1.1), en esta expresión interviene la distancia del obstáculo crítico al transmisor y al receptor. El área donde mayor número de obstáculos críticos existen, que pueden afectar la primera zona de Fresnel es la que rodea el Centro de Investigación, entre los que sobresalen dos Pinos y un árbol de gran tamaño, aunque ninguno sobrepasa los 17 metros de altura y se encuentran a una distancia de 15 metros del equipo de la casa, también existe un grupo de árboles del lado derecho de la vía que conduce al Jardín Botánico, pero estos son de menor tamaño y vistos desde el piso superior del edificio de la FIE no son capaces de obstruir. Para la frecuencia de 2 462 MHz (Canal 11), 122.0 2462 300 ==λ metros. 518 503*15*122.0 =R = 1.33 metros De éste radio el 60% de despeje es 0.798 metros. Para la frecuencia de 2 412 MHz (Canal 1), 2412 300 =λ =0.124 metros CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 41 518 503*15*124.0 =R =1.34 metros De éste radio el 60% de despeje es 0.804 metros. La primera zona de Fresnel debe estar por encima del obstáculo crítico, que en este caso mide alrededor de 17 metros. Como conclusión se propone ubicar una torre a 19 metros del suelo en el Centro de Investigación, en la cual estará el radio de exterior y en la FIE se ubicará el otro sin la utilización de una torre en la azotea a una altura de 18 metros. Con ayuda del MatLab y realizando un estudio del terreno se pudo obtener una estimación del radio de la primera zona de Fresnel (Fig. 2.2). Figura 2.2 Análisis del radio de la zona de Fresnel utilizando MatLab. En el Anexo X se puede observar también la zona de Fresnel calculada por un software Profesional llamado Cobra, utilizado por Copextel Nacional para el diseño de redes inalámbricas. 2.3 Oferta del equipamiento Una vez planteada la solución es necesario seleccionar el equipamiento adecuado, valorando para esto aspectos de costo, interoperabilidad con otras tecnologías que se encuentren funcionando en el lugar aplicable al entorno. Para la adecuada selección se realiza un análisis detallado de las ofertas del mercado mundial y nacional. CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 42 Mercado Mundial En el mercado mundial innumerables son las ofertas que se brindan de puntos de acceso y puntos de acceso con la función de puentes, para exteriores e interiores, tarjetas inalámbricas y antenas que pueden estar integradas o no al punto de acceso (Ver Anexos I, II, III, IV, V). Son varias las empresas, firmas, consorcios, etc. que se dedican a la producción y comercialización de los implementos para redes inalámbricas. Entre estas empresas están: Alvarion, Tsunami, SparkLan, SmartBridge, Lucent, Linksys, Nokia, 3Com, FreeCon, Cisco, KBest entre otros. (Tsunami Quickbridge Wireless Radio Outdoor, 2002). Tabla 2.2. Características de algunos productos inalámbricos para exterior. Wave Access Quick Bridge Breeze Access • Razón de Datos 3.2 Mbps y 1.6 Mbps • Máxima Potencia de Salida 17 dBm • Sensibilidad en el receptor 86dbm QPSK 16QAM 74dbm • Rangos de Operación Antena 3.2Mbps 6Mbps 20 10Km 30Km 16 6Km 24Km 10 3Km 12Km • Tecnología FHSS con modulación 16QAM y QPSK • Banda de Frecuencia de 2.4 GHz • Razón de datos 18 Mbps y 12 Mbps • Potencia de Salida 16 dBm máximo 15 dBm típico • Antena Integrada 20dBi • Máxima Sensibilidad en el receptor: -20 dBm libre de error. • Modo de Operación: Multiplexación por División en el Tiempo • Técnica de Modulación QPSK • Banda de Frecuencia de 5 GHz • Distancia Máxima 10 Km con línea de vista. • Razón de Datos 3 Mbps • Potencia de salida 26 dBm 2 dBm. • Antena 15dB • Sensibilidad 1 Mbps -87 dBm 2 Mbps -81 dBm 3 Mbps -73 dBm • Modo de Operación: Multiplexación por División en el Tiempo • Técnica de Acceso FHSS CSMA/CA • Modulación Multi nivel GFSK • Banda de Frecuencia 2.4GHz Fuente: Lucent Technologies, Proxim y Alvarion (Wave ACCESS NET, 1999; Breeze Access TM II., 2004; MicroAlcarria, 2007) Oferta en Cuba En Cuba la corporación Copextel comercializa equipamiento electrónico de alta tecnología. La empresa tiene como filosofía de trabajo la integración de todas sus tecnologías en forma de un único paquete que comercializa “llave en mano”. Esta modalidad cubre todas las etapas, desde el proyecto inicial, instalación y puesta en marcha, hasta los servicios de post venta y es quien asumirá el montaje y puesta en marcha de este enlace. CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 43 No obstante en Cuba, al igual que en todos los países, existe una reglamentación para la concepción, diseño e instalación de redes inalámbricas, establecida por la Agencia de Control y Supervisión del Ministerio de Informática y Comunicaciones, MIC. En particular los requerimientos técnicos para la selección del correspondiente equipamiento también están normados. A continuación se relacionan los principales: Los equipos a emplear estarán limitados a una potencia de salida máxima de 100 mW y la potencia isótropa radiada equivalente (p.i.r.e) de cualquier instalación no podrá superar los 200 mW. Los equipos que operen en las frecuencias entre 2456 y 2483,5 MHz podrán emplear valores de p.i.r.e superiores, cuando ello se justifique en beneficio de objetivos de interés nacional, atendiendo a la siguiente distribución: Pr = 20 + 10Log(360/D) dBm; donde: D = la anchura del lóbulo principal de la antena entre puntos a –3 dB Pr = p.i.r.e = producto expresado en dB de la potencia suministrada a la antena transmisora multiplicada por la ganancia directiva de la misma relativa a un radiador isotrópico Pr está limitada a un valor máximo de 36 dBm para estos casos. Los equipos que se pretenda se guiarán en los restantes aspectos técnicos por las disposiciones del estándar IEEE 802.11 y sus correspondientes ampliaciones y modificaciones IEEE 802.11b, IEEE 802.11b/cor-1 e IEEE 802.11g, en correspondencia con la modalidad de acceso al espectro y las velocidades máximas de transmisión. 2.4 Selección del equipamiento Después de hacer un estudio de mercado de las diferentes ofertas, en conjunto con la empresa comercializadora Copextel, se decidió usar equipos K-BEST, en específico, la serie BL 3201 procedente de Corea, pues son los que presentan un comportamiento más estable y seguro de los que se importan en estos momentos. Además son los proveedores que mejor garantía proporcionan en cuanto a la entrada de este tipo de equipamiento al país, pues por la situación existente en Cuba con el bloqueo americano está limitada la entrada al CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL ENLACE 44 país de la mayoría de las firmas que comercializan este tipo de tecnología. Este equipo tiene un alcance de hasta de 60 Km según los catálogos del fabricante conectándose en líneas de vista libres, con una antena integrada, pero las velocidades de conexión son bajas del orden de los 2 Mbps aunque en la practica las máximas velocidades se alcanzan hasta los 4 Km aunque pueden variar dependiendo entre otros de factores climáticos. Como la distancia entre el Jardín Botánico y la FIE es menor que la distancia máxima permisible por el equipo, surge la interrogante de si el enlace está sobre diseñado. Desde el punto de vista práctico no existen otras alternativas en cuanto a la selección, por la poca accesibilidad que tienen las empresas cubanas al mercado mundial, pero tiene la ventaja que este equipo puede ser aprovechado en posteriores proyectos inalámbricos en la Universidad. El equipamiento está comprado con todos los accesorios necesarios para ejecutar el enlace. 2.5 Características del K-BEST K-BEST diseña, desarrolla, fabrica y manufactura toda clase de transmisores, receptores y transceptores de Microondas, Radio y Satélit