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Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo
Tercera Edición Una guía práctica para planificar y construir infraestructuras de telecomunicaciones de bajo costo.
wndw.net Capítulo 11 Estudios de Casos. Páginas 347-360
WiFi para largas distancias
Gracias a una topografía favorable, Venezuela ya posee algunos enlaces WLAN de larga distancia, como el de 70 km operado por Fundacite Mérida entre Pico Espejo y Canaguá. Para probar los límites de esta tecnología, es necesario encontrar encontrar un trayecto con línea de vista ininterrumpida y despeje de al menos el 60% de la primera zona de Fresnel. Examinando el terreno en Venezuela en búsqueda de un recorrido con altas elevaciones en los extremos y tierras bajas en el ínterin, me enfoqué primero en la región de Guayana, en la que abundan las elevaciones, en particular los famosos “tepuys” (altas mesetas de paredes verticales), pero siempre había obstáculos en el terreno intermedio. Mi atención se concentró entonces en los Andes, cuyas fuertes pendientes (que se alzan abruptamente desde los llanos) demostraron ser idóneas para el propósito. Durante muchos años, he estado recorriendo las zonas escasamente pobladas gracias a mi pasión por la bicicleta de montaña, manteniéndome ojo avizor sobre la viabilidad de posibles enlaces de larga distancia. El pico del Águila tiene condiciones muy favorables para establecer una estación. Tiene una altura de 4200 m y está a unas dos horas en automóvil de mi residencia en la ciudad de Mérida. Para el otro extremo, luego de examinar muchas posibilidades, finalmente escogí la población de El Baúl, en el estado Cojedes. Usando el software gratuito Radio Mobile (disponible en www.cplus.org/rmw) encontré que no había obstrucción de la primera zona de Fresnel en el tramo de 280 km entre Pico del Águila y el Baúl.
Plan de Acción
Una vez satisfechos con la existencia de una trayectoria adecuada, pasamos a escoger el equipo necesario para alcanzar nuestra meta. Hemos estado usando tarjetas Orinoco desde hace muchos años. Con una potencia de salida de 15 dBm y umbral de recepción
de -84 dBm, son robustas y confiables. La pérdida en el espacio libre a 280 km es de 149 dB, por lo que necesitaríamos antenas de 30 dBi en ambos extremos y aún así el margen para compensar otras pérdidas sería muy reducido. Por otra parte, el popular enrutador inalámbrico Linksys WRT54G está basado en Linux. La comunidad del software de fuente abierta ha producido varias versiones de firmware que permiten modificar todos los parámetros de transmisión de este dispositivo. En particular, el firmware OpenWRT permite modificar el tiempo de espera de los reconocimientos (ACK) de la capa de acceso al medio, así como la potencia de transmisión. Otro firmware, DD-WRT, tiene una interfaz gráfica y ofrece facilidades para prospección de sitios. Además, el Linksys se puede colocar más cerca de la antena que un laptop, disminuyendo así las pérdidas en el cable de RF, así que decidimos usar una par de estos enrutadores, uno configurado como AP (Access Point) y el otro como cliente. El WRT54G puede ser operado a 100 mW con buena linealidad, e inclusive llevado a 200 mW, pero a este último valor se generan señales espurias que deben ser evitadas. Aunque este dispositivo es muy económico y no pretende ser un equipo profesional, lo hemos utilizado por varios años y confiamos que podía servir para nuestros propósitos. Por supuesto, teníamos un par de repuesto para cualquier eventualidad. Colocando la potencia de salida a100 mW (20dBm) podíamos obtener una ventaja de 5 dB comparado con las tarjetas Orinoco, por lo que nos decidimos por un par de WRT54G.
Prospección del sitio de Pico del Águila
El 15 de enero de 2006, visité el Pico del Águila para revisar el sitio que según el Radio Mobile era viable. El acimut hacia El Baúl es de 86°, pero puesto que la declinación magnética es de 8°16´, nuestra antena debería apuntarse a un rumbo magnético de 94°. Desafortunadamente, cuando examiné esa dirección, me encontré con que la línea de vista estaba obstruida por un obstáculo que no había sido detectado por el software, debido a la limitada resolución de los mapas digitales de elevación gratuitos que estaba utilizando. Recorrí el área circundante durante varias horas en mi bicicleta de montaña, buscando una trayectoria sin obstrucción hacia el este. Logré identificar varios sitios prometedores y para cada uno de ellos tomé fotos y registré las coordenadas con el GPS para luego procesarlos con el software Radio Mobile. Esto me llevó a refinar mi selección de la trayectoria, resultando la que se muestra en la Figura 11.33 usando Google Earth.
Figura 11.33: Vista del enlace de 280 km. El lago de Maracaibo al oeste y la península de Paraguaná al norte. Los detalles del enlace inalámbrico se muestran en la Figura 11.35.
Figura 11.34: Mapa y perfil del trayecto entre Pico del Águila y el cerro Morrocoy, cerca de El Baúl.
Figura 11.35: Detalles de propagación en el trayecto de 280 km. A fin de obtener un margen razonable de unos 12 dB para el enlace, necesitamos antenas de al menos 30 dBi en cada extremo.
Antenas
En Venezuela no venden antenas de alta ganancia para la banda de 2,4 GHz. Los costos de importación son considerables, así que decidimos reciclar reflectores parabólicos (de los usados anteriormente para recepción satelital) reemplazándole el alimentador por uno de 2.4 GHz. Primeramente probamos la viabilidad con un reflector de 80 cm, la ganancia era demasiado baja, por lo que ensayamos con reflector de 2,4 m de diámetro con alimentación excéntrica. Este ofrecía amplia ganancia, a expensas de alguna dificultad en la alineación del haz de 3,5 °. La alimentación excéntrica desviada en 22,5° hacía que el reflector parecía estar apuntando hacia abajo cuando estaba alineado horizontalmente. Se hicieron varias pruebas utilizando antenas de guía-onda (cantenna) y Yagi de 24 dBi como iluminadores del reflector parabólico. Apuntamos la antena a la estación base de la universidad, a una distancia de 11 km en una montaña de 3500 m de altura. El sitio de prueba está a 2000 m de altura por lo tanto el ángulo de elevación es de 8°. Debido a la iluminación excéntrica, apuntamos el reflector 14° hacia abajo, como se puede apreciar en la siguiente foto:
Figura 11.36: Reflector de 2,4 m con iluminación excéntrica y una antena de 12dBi en su punto focal, mirando 14° hacia abajo. El ángulo real de elevación es de 8° hacia arriba. Logramos conectar con la estación base de la universidad en La Aguada, pero los esfuerzos dirigidos a estimar la ganancia de la antena usando Netstumbler fueron vanos, ya que los niveles de potencia de la señal recibida correspondiente a tráfico normal fluctuaban considerablemente. Para poder realizar una medida razonable de la ganancia, se requiere un generador de señales y un analizador de espectros. Los mismos instrumentos son también necesarios en el trabajo de campo para alinear las antenas adecuadamente. Mientras esperábamos la llegada de estos instrumentos, nos pusimos a buscar la antena a usar en el otro extremo, así como una mejor técnica para alinear las antenas de haz muy estrecho. En febrero de 2006 viajé a Trieste para participar en el evento anual de entrenamiento en redes inalámbricas con el que he estado colaborando desde 1996. Allí le mencioné el proyecto a mi colega Carlo Fonda que enseguida se mostró entusiasta en participar. La colaboración entre la Escuela Latinoamericana de Redes (EsLaRed) y el Abdus Salam International Centre for Theorethical Physics (ICTP) data desde 1992 cuando la primera Escuela Latinoamericana de Redes se realizó en Mérida con el apoyo del ICTP.
Desde entonces, los miembros de ambas instituciones han colaborado en numerosas actividades, incluyendo las Escuelas de Redes Inalámbricas organizadas anualmente por el ICTP y las de Redes de Computadoras organizadas por EsLaRed en diferentes países de Latinoamérica. En consecuencia, no fue difícil persuadir al Profesor Sandro Radicella, jefe del Aeronomy and Radio Propagation Laboratory del ICTP que facilitara el viaje de Carlo Fonda en Abril a Venezuela para que participara en el experimento. De vuelta a casa, conseguí un reflector parabólico de malla con iluminación central en casa de un vecino. Su dueño, el Señor Ismael Santos, amablemente nos prestó la antena para realizar los experimentos. La Figura 11.37 muestra el desmantelado del reflector de malla.
Figura 11.37: Carlo y Ermanno desarmando la antena satelital del Sr. Ismael Santos. Cambiamos el iluminador por uno para 2,4 GHz y apuntamos la antena al generador de señales colocado a unos 30 m. Con el analizador de espectros buscamos el máximo de la señal para establecer la posición óptima para el iluminador. Asimismo establecimos la referencia de alineación tanto para la antena con iluminador excéntrico como para la de foco central, como se muestra en la Figura 11.31.
Figura 11.38: Hallando el foco de la antena con el iluminador de 2,4 GHz También comparamos la potencia de la señal recibida con la de la salida de una antena comercial de 24 dBi apuntada a la misma fuente, mostrando una diferencia de 8 dB, lo que nos permite concluir que la ganancia total de nuestra antena es de unos 32 dBi. Por supuesto que este valor no es muy preciso, pues recibimos también señales reflejadas, pero el valor se corresponde a los cálculos realizados a partir de las dimensiones de la antena.
Prospección del sitio de El Baúl
Una vez satisfechos con el funcionamiento adecuado y la manera de apuntar ambas antenas, decidimos realizar una visita al otro extremo del enlace previsto. Carlo Fonda, Gaya Fior y Ermanno Pietrosemoli llegamos al sitio el 8 de abril. Al día siguiente encontramos una colina al sur del poblado de El Baúl con dos torres de telecomunicaciones pertenecientes a dos operadores de telefonía celular y una tercera perteneciente a la Alcaldía. Esta colina, llamada Morrocoy, está a 125 m sobre el nivel del mar y unos 75 m sobre el terreno circundante, ofreciendo una ruta sin obstrucción hacia el Pico del Águila. Hay una carretera de tierra, imprescindible para nuestros propósitos, dado el peso de la antena.
Realizando el experimento
El 12 de abril Javier Triviño y Ermanno Pietrosemoli nos desplazamos hacia El Baúl con la antena de iluminación excéntrica cargada en el techo de nuestro vehículo. Temprano en la mañana del 13 instalamos la antena directamente sobre el borde del terreno en la colina de Morrocoy y la apuntamos al rumbo magnético de 276° ya que la declinación magnética es de 8° y por lo tanto el acimut verdadero es de 268°. Al mismo tiempo, el otro equipo compuesto por Carlo Fonda y Gaya Fior del ICTP, con la ayuda de Franco Bellarosa, Lourdes Pietrosemoli y José Triviño, trasladaron la antena mallada de 2,7 m al sitio del Pico del Águila previamente identificado.
Figura 11.39: Vista aérea de la zona del Pico del Águila con foto del vehículo. El mal tiempo es común a 4100 m de altura, el equipo de el Águila pudo instalar y apuntar la antena justo antes que cayera la neblina y el nevisco. La figura 11.40 muestra la antena con el cordel utilizado para apuntar el haz de radio de 3°. El generador de señales se alimentó desde el vehículo mediante un inversor de 12 V DC a 120 V AC. A las once de la mañana el analizador de espectros en el Baúl detectó un tono de -82 dBm a la frecuencia previamente acordada de 2450 MHz. Para asegurarnos de que se trataba realmente de la señal generada en el Águila, le pedí a Carlo que apagara el generador, y la traza del analizador de espectro mostró sólo ruido, confirmando que realmente la señal observada previamente se originaba a unos 280 km de distancia. Luego de volver a encender el generador de señales, realizamos un ajuste fino de elevación y de acimut en ambos extremos. Cuando nos convencimos de haber obtenido la mejor señal posible, Carlo sustituyó el generador de señales por un Linksys WRT54G
configurado como un AP, mientras Javier sustituía el analizador de espectros en nuestro extremo por otro Linksys WRT54G configurado como cliente.
Figura 11.40: Apuntando la antena en El Águila. Enseguida empezamos a recibir “beacons” pero los paquetes ping no hallaban respuesta. Esto era de esperarse, puesto que el tiempo de propagación de la onda de radio sobre un trayecto de 300 km es de 1 ms, por lo que el reconocimiento (ACK) a la transmisión de un paquete tarda al menos 2 ms para llegar al transmisor. Afortunadamente, el firmware OpenWRT permite que se ajuste el tiempo de espera por los ACK. Luego de que Carlo realizó el ajuste para compensar el aumento en tres órdenes de magnitud en el tiempo de propagación respecto a los valores estándar de una conexión WiFi, empezamos a recibir paquetes con retardos totales de unos 5 ms.
Figura 11.41: Instalación de la antena en El Baúl. La antena está apuntando 1° hacia arriba debido a la iluminación desviada en 22,5°.
Figura 11.42: Pantalla del computador de Javier mostrando detalles de la transferencia de archivos desde el computador de Carlo a 280 km de distancia, usando dos enrutadores inalámbricos WRT54G, sin amplificadores. Procedimos entonces a transferir varios archivos .PDF entre las computadoras de Carlo y de Javier. Los resultados se muestran en la Figura 11.42. Nótese que el tiempo de respuesta al ping es de unos pocos milisegundos.
Figura 11.43: Javier Triviño (derecha) y Ermanno Pietrosemoli con la antena en El Baúl.
Figura 11.44: Carlo Fonda en el Águila
Mérida, Venezuela, 17 de abril de 2006
Un año después de haber realizado el experimento descrito, encontramos el tiempo y los recursos para repetirlo, usando antenas comerciales de 30 dBi y un par de enrutadores inalámbricos modificados por el grupo TIER (Telecommunication Infrastructure for Emerging Regions) dirigido por el Dr. Eric Brewer de la universidad de Berkeley. El propósito de la modificación de la capa de acceso al medio estándar de WiFi es hacerla más adecuada para la aplicaciones a grandes distancias reemplazando CSMA (Carrier Sense Multiple Access) por TDMA (Time Division Multiple Access). Este último es más adecuado para enlaces punto a punto de larga distancia puesto que no requiere el uso de reconocimiento de recepción (ACK). Esto elimina la necesidad de esperar los 2 ms de tiempo de propagación ida y vuelta en un trayecto de 300 km. El 28 de Abril de 2007, un equipo formado por Javier Triviño, José Torres y Francisco Torres instalaron una de las antenas en el sitio de El Águila. El otro equipo, compuesto
por Leonardo González V., Leonardo González G., Alejandro González y Ermanno Pietrosemoli, instaló la otra antena en El Baúl. Enseguida se logró establecer un enlace mediante los Linksys WRT54G que permitió transmitir video, con un caudal medido de 65 kbps. Cuando reemplazamos los Linksys por los enrutadores inalámbricos que implementan TDMA, el caudal medido subió a 3 Mbps en cada dirección de tráfico, para un total bidireccional de 6 Mbps, concordando con las simulaciones realizadas en Berkeley.
¿Podemos ir más lejos?
Entusiasmados por estos resultados, que permiten avizorar la factibilidad de enlaces de larga distancia a muy bajo costo, el segundo equipo se desplazó hacia otro sitio previamente identificado a 382 km de El Águila, un lugar llamado Platillón, a 1550 m sobre el nivel del mar, que según la simulación realizada con Radio Mobile, permite despejar la primera zona de Fresnel, tal como se puede apreciar en la Figura 11. 45:
Figura 11. 45: Mapa y perfil del trayecto de 380 km.
De nuevo, se logró rápidamente el enlace tanto con los Linksys como con los enrutadores suministrados por TIER. Los Linksys arrojaron alrededor de 1% de pérdida de paquetes, con un tiempo de propagación ida y vuelta de aproximadamente 12 ms. Los enrutadores TIER no registraron pérdidas de paquetes, con tiempos de propagación de 1 ms, lo que permitió transmisión de video, pero el enlace era inestable, notándose significativas variaciones en la intensidad de la señal recibida que a menudo interrumpían la comunicación. Si embargo, cuando la señal recibida alcanzaba los -78 dBm, el caudal medido fue de 6 Mbps bidireccionales con los enrutadores de TIER que implementan TDMA.
Figura 11.46: El equipo de El Águila, José Torres (izquierda) Javier triviño (centro) y Francisco Torres (derecha). Aunque se requiere realizar otras pruebas para determinar los límites de una tasa de transmisión estable, estamos convencidos de que WiFi tiene un gran potencial para comunicaciones de banda ancha a grandes distancias. Es particularmente adecuado para zonas rurales, donde el espectro no está todavía congestionado y la interferencia no representa un problema, siempre que exista línea de vista despejada.
Reconocimientos
Deseamos expresar nuestra gratitud al Sr. Ismael Santos por prestarnos el reflector mallado utilizado en el Águila y al Ing. Andrés Pietrosemoli por suministrar las uniones para andamios utilizadas para el transporte e instalación de las antenas. También agradecemos al Abdus Salam International Centre of Theorethical Physics por facilitar el viaje de Carlo Fonda de Italia a Venezuela.
Figura 11.47 El equipo de El Platillón, de izquierda a derecha, Leonardo González V, Leonardo González G., Ermanno Pietrosemoli y Alejandro González.
El experimento de 2006 fue realizado por Ermanno Pietrosemoli y Javier Triviño de EsLaRed, Carlo Fonda y Gaya Fior de ICTP, con la ayuada de Franco Bellarosa, Lourdes Pietrosemoli y José Triviño. Para el experimento de 2007, el Dr Eric Brewer de la Universidad de Berkeley suministró los enrutadores inalámbricos con la MAC modificada para largas distancias, así como soporte a través de su colaborador Sonesh Surana. Se agradece también las colaboraciones de RedULa, CPTM (Corporación Parque Tecnológico de Mérida), Dirección de Servicios de la ULA (Universidad de los Andes) y Fundacite Mérida
Referencias
Fundación Escuela Latinoamericana de Redes (EsLaRed) http://www.EsLaRed.org.ve Abdus Salam Interntional Centre for Theorethical Physics http://wireless.ictp.it Firmware libre Open WRT para Linksys http://Open WRT.org Fundacite Mérida http://www.funmrd.gov.ve - Ermanno Pietrosemoli