Diseño de redes inalámbricas con Radio Mobile (III)

Bueno, lo primero, mil perdones por tardar tantísimo en seguir escribiendo. Un pico de trabajo...que más bien se podría decir que ha sido una meseta de trabajo, me ha tenido ocupado durante muchísimo tiempo. En otra entrada explicaré tranquilamente en qué (QoS en enlaces WiFi de largo alcance sobre empotrados con GNU/Linux y driver madwifi). Pero ahora vamos a lo que nos ocupaba, ¡al turrón!

En las anteriores entradas (I y II), vimos cómo instalar una máquina virtual sobre una Ubuntu, en la que introdujimos un Windows XP, y que optimizamos para permitirnos instalar nuestro software Radio Mobile. Aprendimos también a descargarnos los mapas SRTM de la región sobre la que queremos diseñar nuestras redes inalámbricas y utilizarlos con Radio Mobile. Hoy trataremos de simular un enlace WiFi de largo alcance y comprobar qué calidad de señal obtendríamos de montar físicamente la red. Es cierto que en este caso jugamos con ventaja, pues la red ya está montada y está claro que funciona, pero aún así, descubriremos en el transcurso de la entrada que en nuestro diseño puede haber errores, y que el diseño no es único, probablemente a cada uno de vosotros os pudiera salir un diseño diferente y puedar ser todos buenos. La selección final vendrá dada también por las condiciones reales que no son emulables con nuestro software (ubicación de las poblaciones, posibilidad de acceso para instalación de repetidores, propiedad colectiva del terreno, negativa de la comunidad...y tantas otras posibilidades que pudieran ser determinantes fuera de lo que es el diseño puro y duro).

Como ya dijimos, vamos a centrar el mapa en un punto de nuestra red que esté situado más o menos a la mitad, para así poder tener una perspectiva de toda nuestra red cuando esté completada. Yo he escogido el Puesto de Salud de Rumi Tuni, así a ojo, cuyas coordenadas son 74º 42' 21.8''O - 1º 47' 39.7''S. Para hacerlo, pinchamos en "Archivo -> Propiedades del mapa", y ahí pulsamos en "Ingresar LAT LON o QRA". Introducimos las coordenadas. Pulsamos sobre la "N" para cambiarla a "S", es decir, en nuestro caso hablaremos de latitud sur, y dejamos la "O" como está pues queremos ingresar una longitud Oeste. Después de introducir las coordenadas, decimos "OK". Ahora introducimos una resolución de 2000 x 2000 pixeles y de altura unos 150 km, aunque ya veremos luego que con ésto no alcanzaremos a cubrir toda la red, pero nos sirve para poder ver la parte central de la red que será la que empecemos diseñando.

Ahora pulsamos "Extraer", y nos debería salir un mapa como éste:

Lo que estáis viendo es el río Napo, al que podéis ver que se le une en la esquina inferior derecha un pequeño afluente que zigzaguea desde muy lejos, ese es el río Curaray, en cuya confluencia con el Napo se encuentra uno de los puntos de la red (San Rafael). El resto de los puntos están en el Napo. Aquí hay que decir que en la realidad, Curaray arriba y muy lejos del resto de la red hay otro punto pero que no está conectado con tecnología WiFi, sino con VHF, y por eso no lo veremos aquí. Si os interesa tener más información de cómo EHAS comunica vía VHF los puntos más aislados, podéis escribirme al correo o buscar vosotros mismos la información en la página de EHAS.

Antes de crear un nodo cliente de la red, vamos a crear las redes y lo que en Radio Mobile se llama "Sistema", que son las propiedades que afectarán a los nodos en general. Para proceder con más limpieza, tenemos que diferenciar entre dos tipos de enlaces, los "Enlaces de distribución", que en la práctica serán los enlaces de los centros y puestos de salud de la región hacia sus torres repetidoras, y los "Enlaces troncales", que serán los enlaces entre las torres con antenas directivas que trasladen los datos entre la red a través de la selva. Para hacernos una idea más real, aquí pongo una foto de una estación cliente típica vista desde su torre y de la parte alta de una estación repetidora (en este caso las fotos son del P.S. de Tempestad, para que le pongáis cara a lo que estáis diseñando).
Estación cliente (la construcción con el techo verde):

Estación repetidora:

Enlace de distribución entre estación cliente y estación repetidora (se puede ver la antena cliente apuntando a la parte alta de la torre, donde está la antena del repetidor apuntando hacia el cliente):

Pues bien, como os imaginaréis, Radio Mobile tiene que tener parametrizadas las antenas que vamos a usar para poder simular los enlaces. El software por defecto trae ya algunas antenas, pero para nuestro caso vamos a usar otras, por lo que necesitaremos de los ficheros *.ant correspondientes a las antenas que queramos probar en nuestros enlaces. En esta red se han usado antenas tipo yagi de 9dBi diseñadas para 2,4GHz para los enlaces entre cliente y repetidor y antenas de grilla de 24dBi que trabajan en la misma frecuencia, pero podéis probar con otras antenas e incluso simular los enlaces en otras frecuencias (para WiFi podéis probar en 5,2 o 5,8GHz que son los otros rangos de frecuencias permitidos) y ver si sería posible establecer los enlaces. Los enlaces en altas frecuencias sufren más atenuación que en bajas frecuencias, y actualmente los drivers inalámbricos para tarjetas que trabajan en esas frecuencias no son del todo estables para largas distancias en linux, pero si queréis probar, ésto es software, haced cuanto os plazca.

En la sección de descargas públicas de la página web de la delegación Carlos III de Ingeniería Sin Fronteras, tenemos unos cuantos de estos ficheros, así que si queréis, podéis descargarlos. Luego los introducís en la carpeta "antenna" de vuestro Radio Mobile (típicamente C:\Radio_Mobile\antenna) y ya podréis usar estas antenas en el programa. Si analizáis el fichero de una antena, veréis que no es muy complejo, es un simple fichero de texto que almacena el diagrama de radiación de la antena escribiendo las ganancias con respecto al azimut y a la elevación haciendo mediciones cada 10º de separación, así que si os habéis fabricado una antena de forma casera y podéis medir su ganancia, ya sabéis que podríais crearos vuestro fichero .ant de la antena personalizada.

Antes de continuar, vamos a terminar de introducir todas las coordenadas de las unidades de nuestras redes. Me he dado cuenta de que en la entrada anterior os puse las coordenadas de las torres repetidoras de cada lugar, pero no de los centros y puestos de salud a los que dan servicio, así que vamos a hacer eso. Os pongo las coordenadas de todas las unidades:

Cabo Pantoja (Torre): 0º58'13,26''S 75º10'29,21''O
Torres Causana (Torre): 1º6'16,53''S 75º0'14,17''O
Tempestad (Torre): 1º17'22,81''S 74º52'27,42''O
Tupac Amaru (Torre): 1º21'46,55''S 74º44'42,89''O
Angoteros (Torre): 1º34'9,54''S 74º36'20,17''O
Campo Serio (Torre): 1º47'35,48''S 74º42'50,09''O
Rumi Tuni (Torre): 2º3'16,22''S 74º26'9,30''O
San Rafael (Torre): 2º22'1,43''S 74º6'42,91''O
Copal Urco (Torre): 2º20'23,41''S 73º47'26,23''O
Santa Clotilde (Torre): 2º29'22,07''S 73º40'41,02''O
Tacsha Curaray (Torre): 2º48'47,46''S 73º32'27,30''O
Cabo Pantoja (CS): 0º58'13,70''S 75º10'29,20''O
Torres Causana (PS): 1º6'16,61''S 75º0'14,48''O
Tempestad (PS): 1º17'21,28''S 74º52'28,94''O
Tupac Amaru (PS): 1º21'46,59''S 74º44'40,85''O
Angoteros (PS): 1º34'11,60''S 74º36'34,51''O
Campo Serio (PS): 1º47'39,70''S 74º42'21,80''O
Rumi Tuni (PS): 2º3'13,40''S 74º26'10,90''O
San Rafael (PS): 2º21'52,39''S 74º6'39,51''O
Copal Urco (PS): 2º20'56,50''S 73º47'23,30''O
Santa Clotilde (CS): 2º29'22,16''S 73º40'39,37''O
Tacsha Curaray (PS): 2º48'48,45''S 73º32'27,26''O

En nuestro esquema sabemos que vamos a tener 2 tipos distintos de estaciones: cliente y repetidor, así que lo primero que vamos a hacer es crear dos sistemas, uno para clientes y otro para repetidores.

Pinchamos en "Archivo -> Propiedades de redes" o directamente sobre el iconito que veis a la izquierda. Os saldrá un diálogo en el que podréis el nombre de vuestra red y demás asuntos, os pego cómo lo he dejado yo...

Canales de 802.11:
Canal 01: 2.412 Ghz.
Canal 02: 2.417 Ghz.
Canal 03: 2.422 Ghz.
Canal 04: 2.427 Ghz.
Canal 05: 2.432 Ghz.
Canal 06: 2.437 Ghz.
Canal 07: 2.442 Ghz.
Canal 08: 2.447 Ghz.
Canal 09: 2.452 Ghz.
Canal 10: 2.457 Ghz.
Canal 11: 2.462 Ghz.

Ahora la explicación de por qué lo he puesto así:
Necesitamos crear 2 tipos de redes, una para la red troncal, que podamos visualizar completa para ver una perspectiva de la red completa, y otra para las redes difusión, para ver cada estación si enlaza con su repetidor. En estas últimas, como luego querremos poder verlas aisladas una a una, y entre ellas no están enlazadas, creamos una subred para cada estación, mientras que en la troncal, también querremos poder ajustar cada enlace, por lo que introducimos también una red por cada enlace de red troncal.
Todas las redes tienen la misma configuración. Son redes de difusión, a las que le he agregado una pérdida adicional de un 20% por bosque (selva) y estamos en un clima continental sub-tropical.
¿Y por qué he puesto las frecuencias entre 2400 y 2474MHz? pues bien, en 802.11, tenemos los canales útiles que os pongo arriba. Las frecuencias que aparecen son las frecuencias centrales de cada canal, pero luego cada canal tiene un ancho de banda aproximado de 22.5MHz, por lo que usa 11.25MHz por abajo y 11.25MHz por arriba, así que redondeando a la alza diremos que usa 12MHz por arriba y 12MHz por abajo. Si restamos a la frecuencia central del primer canal 12MHz nos quedan 2400MHz (o 2.4GHz) y si sumamos 12MHz a la frecuencia central del último canal nos quedan 2474MHz (o 2.474GHz). El lector avisado se habrá percatado ya de que si el ancho de banda de un canal es de 22.5MHz y los canales tienen una separación de sólo 5MHz entre sí, los canales se solapan. ¡Efectivamente! Por eso decimos que en 802.11 (el estándar de WiFi) tenemos 3 canales no interferentes (el 1, 6 y 11). En realidad, serán canales no interferentes dos canales cualquiera que estén separados 5 canales (25MHz) entre sí, pero si escogemos los canales 1,6 y 11 tendremos 3 canales sin interferencias mientras que cualquier otra combinación sólo nos da 2 canales no interferentes. Ésto de escoger canales no interferentes es bastante importante, pues si dos estaciones están transmitiendo en frecuencias solapadas provocarán colisiones e interferencias entre sí que bajarán nuestra tasa de transferencia, y está claro que cuanto mayor tasa de transferencia tengamos, mejor servicio podremos prestar.

La selección del modelo estadístico accidental viene debida a que en este modelo no se nos solicita % de ubicaciones, y dado que nuestra red será fija, no queremos asegurar servicio en un cierto % de ubicaciones, sino un % de tiempo concreto. Los valores que ahí hay que poner en cada caso para optimizar aún están en estudio, así que los he fijado a los que Radio Mobile trae por defecto.

Lo siguiente que vamos a hacer es crear los distintos sistemas que formarán nuestra red. Os voy a ahorrar la búsqueda en los dispositivos del mercado contándoos lo que hay instalado en esta red. Diferenciamos 3 tipos de sistemas:
- Sistema cliente: los clientes enlazan con la torre a través de un router Linksys transmitiendo a 17dBm que dispone de una antena yagi de 9dBi de ganancia.
- Sistema repetidor (enlace de distribución): es la sección del repetidor que se encarga del enlace con el cliente. Dispone de una tarjeta CM9 transmitiendo a 17dBm y una antena yagi de 9dBi de ganancia.
- Sistema repetidor (enlace troncal): es la sección del repetidor que se encarga del enlace con los repetidores adyacentes. Dispone de una tarjeta inalámbrica Ubiquiti SR2, transmitiendo a 26dBm y una antena de grilla Hyperlink de 24dBi de ganancia.

Estos datos son muy importantes puesto que en función del tipo de emisor que tengamos sabremos cuánta potencia estamos suministrando a su antena, y en función de la antena sabremos cuánta ganancia estamos añadiendo al enlace. Para tener todos estos datos, nos vamos a las hojas de características de las tarjetas inalámbricas, antenas y cables coaxiales que usaremos y veremos la potencia que suministramos a nuestro sistema, las pérdidas en los cables y la ganancia de las antenas para nuestra frecuencia de trabajo de (2.4GHz). Aquí podéis ver las hojas de características:
Tarjeta CM9
Tarjeta SR2
Antenas grilla
Cable coaxial de bajas pérdidas LRM-400

En sudamérica, las normas que rigen sobre la potencia radiada equivalente y demás asuntos técnicos son las mismas que en EEUU. Ésto tiene una ventaja en nuestro caso, y es que en Europa, la PIRE (Potencia Radiada Equivalente) máxima es de 100mW mientras que en EEUU es de 1W. Tener un tope máximo de 1W nos permitirá alcanzar distancias mayores. También tenemos que tener en cuenta los canales en los que es capaz de trabajar nuestra tarjeta inalámbrica para el espectro WiFi de América. Por ejemplo, en la hoja de características de la CM9 vemos que trabaja desde los canales 1 al 11, lo que explica el por qué de que arriba sólo os haya puesto los primeros 11 canales de WiFi. Asimismo, también tendremos en cuenta que si queremos alcanzar distancias muy largas, deberemos escoger una modulación para nuestra señal que sea más robusta frente a errores. Si trabajamos a 6Mbps la modulación será tal que se podrán enviar menos bits por símbolo (la velocidad será inferior), pero habrá menor probabilidad de error, lo cual es bueno en un medio con tantos errores como es un clima tropical con mucha humedad, y además, cuando se trabaja en estas modulaciones las tarjetas inalámbricas tienen mayor sensibilidad (son capaces de demodular señales que llegan con menor potencia) y además transmiten con mayor potencia. Todo esto hará que si queremos llegar a distancias muy largas, lo mejor será establecer una tasa de transferencia de 6 Mbps. Para esta tasa, vemos que la tarjeta SR2 tiene una sensibilidad de -94dBm y una potencia de transmisión de 26dBm. Utilizar la más robusta de las modulaciones tendrá sentido para nuestros enlaces largos, pero para nuestros enlaces cortos (los que sirven la señal desde una torre a un puesto de salud) podremos perfectamente utilizar una tasa de transferencia de 54Mbps (máximo de 802.11g). Así pues, para 54Mbps la tarjeta CM9 (es la que usamos en los enlaces de distribución) tendrá una sensibilidad de -74dBm y una potencia de transmisión.

Bien, conocido ésto, nos pasamos a la pestaña de "Topología". En esta pestaña, símplemente tendremos que asegurarnos de que todas nuestras subredes creadas están visibles y tienen seleccionada topología "Red de datos. Topología estrella (Master/Esclavo)", tal como muestro a continuación...


Con todos estos datos ya podemos rellenar nuestra pestaña de "Sistemas". En nuestro sistema estamos usando 3 tipos de sistemas:

Sistema cliente...
formado por un linksys con antena yagi y unos metros de cable coaxial dependientes de la distribución del puesto o centro de salud.

Sistema repetidor (enlace distribución)...
formado por una tarjeta CM9 con antena yagi y un metro de cable coaxial.

Sistema repetidor (enlace troncal)...
formado por una tarjeta SR2 con antena de grilla hyperlink.

Pero para simplificar este ejemplo, vamos a suponer que el sistema del cliente y el del repetidor para el enlace de distribución fueran el mismo, es decir, que abajo en el puesto de salud no tuviéramos un linksys, sino otra tarjeta CM9 recibiendo. En cualquier caso, quede dicho que para un diseño más exaustivo habría que diferenciar estos dos sistemas. Pongo pantallazos de cómo he rellenado esta pestaña en función de los valores que obtenemos de las hojas de características que os puse arriba.


Sistema Troncal...













Sistema de Distribución...












El siguiente paso es la pestaña "Miembros". Ahora agregaremos cada unidad a la red a la que pertenece. Ésta parte es divertida, consiste en ir diciendo, para la red de distribución de tacsha, los miembros serán tachsa y el PS de tacsha, y así para todos los enlaces de distribución. Luego en los enlaces troncales ir añadiendo para tacsha-santa los miembros tacha curaray y santa clotilde, e indicando correctamente que el sistema que utilizarán será en este caso el sistema troncal, mientras en el anterior era el sistema distribución.
Tendremos que ir unidad a unidad ajustando también la altura de la antena, diciendo que no tome el valor del "Sistema", sino seleccionando "Otro" y estableciendo su valor a mano. Para que probéis, os pongo las alturas de las antenas de cada nodo:

Cabo Pantoja (Torre): 42m
Torres Causana (Torre): 45m
Tempestad (Torre): 60m
Tupac Amaru (Torre): 39m
Angoteros (Torre): 66m
Campo Serio (Torre): 66m
Rumi Tuni (Torre): 90m
San Rafael (Torre): 90m
Copal Urco (Torre): 54m
Santa Clotilde (Torre): 72m
Tacsha Curaray (Torre): 72m
Cabo Pantoja (CS): 3m
Torres Causana (PS): 3m
Tempestad (PS): 3m
Tupac Amaru (PS): 3m
Angoteros (PS): 3m
Campo Serio (PS): 3m
Rumi Tuni (PS): 3m
San Rafael (PS): 3m
Copal Urco (PS): 3m
Santa Clotilde (CS): 3m
Tacsha Curaray (PS): 3m

En cuanto al apuntamiento de las antenas, que ajustamos en "Azimut de Antena", tendremos que ir unidad a unidad diciendo que apunte correctamente a la unidad destino del enlace. Es un poco pesado, pero hay que hacerlo, ya que como tenemos antenas directivas, si no apuntamos bien, nuestro balance de enlace será una birria :). Os pego ejemplos de un enlace troncal y de uno de distribución.

Ejemplo del enlace de distribución de la torre de Tacsha Curaray con su Puesto de Salud:


Torre...













Puesto de Salud...












Ejemplo de enlace troncal entre la torre de Santa Clotilde con la de Copal Urco:


Torre de Santa Clotilde...













Torre de Copal Urco...












Y así a lo tonto, hemos casi llegado al final del diseño de nuestra red, sólo nos queda la pestaña "Estilo", que viene a ser la que nos dice con qué colorines nos pinta las líneas dependiendo de los dBs por encima de la sensibilidad de la tarjeta receptora en cada enlace. Normalmente, y debido a las variaciones que sufre un canal inalámbrico y más en entornos tan húmedos y lluviosos como la selva, diremos a Radio Mobile que nos pinte la línea verde sólo cuando nuestro "Rx Relativo" supere los 20dB, y que se ponga amarilla entre 3 y 20dB, lo que nos hará saber qué enlaces no se pueden conseguir con el diseño actual (línea roja), cuáles se podrían conseguir con ciertos retoques quizás (línea amarilla) y cuáles están bien dimensionados (línea verde). Os pongo un pantallazo de esta configuración...


Finalmente, ya tenemos toda nuestra red configurada, así que pulsamos en "OK" y vemos el resultado. La impresión inicial será...pufffff, ¿aquí no enlaza nada con nada o qué? Jeje, bueno, tranquilos, ésto se debe a que nuestras coordenadas GPS no eran del todo exactas, y habrá que afinarlas, pero no os preocupéis que eso lo haremos en la siguiente entrada. Ya habéis tenido bastante por hoy para llevar tanto tiempo sin currar en Radio Mobile :).

Y nada, a comer muchas verduras. Nos vemos en la siguiente entrada de "Diseño de redes inalámbricas con Radio Mobile".

¡A cuidarse!