Planificación de una red con tecnología inalámbrica para la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE usando tecnología WiFi acorde con el estándar IEEE 802.11n

1. UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE
DEPARTAMENTO DE EL´ECTRICA Y ELECTR´ONICA
COMUNICACIONES INAL´AMBRICAS
INFORME DEL TRABAJO BIMESTRAL N.- 1: PLANIFICACI´ON DE
UNA RED CON TECNOLOG´IA INAL´AMBRICA PARA LA ESPE
M. J. Ch´avez, R. M. Cruz, R. S. Mart´ınez, D. J. Saltos
29 de septiembre de 2013
Resumen
Debido al reducido n´umero de equipos(PCs) y puntos de acceso(al´ambricos e
inal´ambricos) para satisfacer las necesidades acad´emicas de todos los estudiantes del
campus Sangolqu´ı de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, es necesario
brindar un servicio de datos inal´ambrico eficiente, mejor distribuido y de mayor
cobertura. Para ello se planific´o y dise˜n´o una red inal´ambrica utilizando la tecnolog´ıa
WiFi, conforme con el est´andar IEEE 802.11n. Se inici´o identificando los par´ametros
y m´etricas principales con la finalidad de realizar los c´alculos radioel´ectricos para
sistemas inal´ambricos de banda ancha. Esto se hizo a trav´es de encuestas en el
campus Sangolqu´ı, determinando un porcentaje de fiabilidad del 95 % y un margen
de error del 8 %.
Se logr´o un dise˜no con 18 AP, distribuidos en sectores acorde al nivel de concu-
rrencia, los mismos que cubren la mayor parte del campus, brindando el servicio de
internet requerido.
Palabras Clave: Wifi, IEEE 802.11n, tr´afico, canales, par´ametros de transmi-
si´on, ancho de banda.
1. Introducci´on
Para el beneficio de los estudiantes, es necesario que la Universidad de las Fuerzas
Armadas - ESPE implemente y vaya a la par con el avance de la tecnolog´ıa que se desarro-
lla constantemente, brind´andonos herramientas m´as ´utiles y sofisticadas para contribuir
con investigaciones y proyectos que ayuden al crecimiento de la sociedad en la que nos
encontramos.
1

2. Un ejemplo de tecnolog´ıas que se han venido desarrollando constantemente son las
comunicaciones inal´ambricas, puntualmente, el est´andar IEEE 802.11 que hace referencia
a conectividad WiFi. Desde la publicaci´on del est´andar original, en 1997, se ha ido reali-
zando modificaciones, adaptaciones y seguridades con el fin de brindar un mejor servicio
en beneficio de los usuarios. [1, 2]
Detr´as de la planificaci´on de una red radioel´ectrica se encuentra la teor´ıa del teletr´afi-
co, herramienta que nos permite realizar un dimensionamiento adecuado para obtener el
mejor desempe˜no de la red.
En nuestro trabajo vamos a abordar los m´etodos planteados inicialmente en la Sec-
ci´on 3, incluida tambi´en la sectorizaci´on propuesta en base al comportamiento de los
usuarios. En la Secci´on 4 simulamos nuestra propuesta en el software Radio Mobile, es-
pecificando ubicaciones y caracter´ısticas de los equipos a utilizarce, y en la Secci´on 5
presentamos las conclusiones y recomendaciones obtenidas de la realizaci´on de este tra-
bajo.
2. Objetivos
1. General
Planificar y dise˜nar una red inal´ambrica con tecnolog´ıa WiFi, acorde al est´andar
IEEE 802.11, mediante criterios de dise˜no y herramientas de simulaci´on para brin-
dar acceso a internet a toda la comunidad polit´ecnica del campus Sangolqu´ı de la
Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE.
2. Espec´ıficos
Realizar el alcance y an´alisis en base a encuestas para determinar el com-
portamiento de los usuarios del servicio de internet inal´ambrico en el campus
Sangolqu´ı.
Definir los par´ametros de c´alculo para el dimensionamiento de la red inal´ambri-
ca de banda ancha.
Elegir entre las diferentes variantes del est´andar IEEE 802.11 para que exista
un mejor acople a nuestro escenario de trabajo.
Identificar y definir los equipos a usarse para la implementaci´on de la red
inal´ambrica de internet.
Simular el dise˜no realizado con el software adecuado para visualizar el funcio-
namiento de la red inal´ambrica.
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3. 3. Desarrollo
3.1. Materiales y M´etodos
Para determinar el comportamiento de los usuarios, en el campus Sangolqu´ı (Figu-
ra 3.), que aproximadamente es de 6000 (estudiantes de pregrado, modalidad presencial,
horario matutino, donde existe mayor afluencia de gente; el cual es el peor de los escena-
rios), procedemos a realizar encuestas, para lo cual, teniendo un porcentaje de fiabilidad
del 95 % y un margen de error de 8 %, resulta que el n´umero de encuestas a realizar es de
149. Para esto, nos apoyamos en la herramienta Drive de Google.
Como podemos observar en la Figura 1. la HC (Hora Cargada) es de 11:00 a 12:00 y la
ubicaci´on de mayor concurrencia de usuarios es en los edificios (Bloques A, B, C, D, G,
H), como se puede apreciar en la Figura 2.
Figura 1: Resultados de la 1ra. pregunta de la encuesta
Figura 2: Resultados de la 2da. pregunta de la encuesta
Adem´as el software que se utiliza para la simulaci´on es Radio Mobile, el mismo que
fue seleccionado por que es software libre y las limitaciones como tal son suficientes para
nuestra propuesta de dise˜no.
Para nuestro dise˜no escogemos el est´andar IEEE 802.11n ya que en teor´ıa incrementa
el ancho de banda propuesto por 802.11g (54Mbps) a 300 o 600 Mbps dependiendo del
ancho del canal y su uso y una tasa de troughput de 74 Mbps, ampliando el rango de
cobertura a 70m en lugares cerrados, adem´as presenta mayor inmunidad al multitrayecto
con la adopci´on de la tecnolog´ıa MIMO lo que nos permite mayor cobertura en relaci´on
a redes indoor. Otras ventajas de este est´andar es que puede coexistir con redes que usan
3

4. versiones anteriores. [3, 4, 5]. Un an´alisis m´as detallado y con m´as caracter´ısticas para
profundizar en el tema se puede encontrar en [6].
Figura 3: Mapa de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE
3.2. Sectorizaci´on
Tomando en cuenta las encuestas y la poblaci´on total (6000 habitantes), el 28.19 %
es la que se encuentra utilizando el servicio en la HC, lo que representa realmente 1692
usuarios.
Para el dimensionamiento de los APs se va a sectorizar de acuerdo al vol´umen de
tr´afico y la densidad de usuarios.
Otra consideraci´on que se debe mencionar es que el tiempo de utilizaci´on prome-
dio del servicio es de media hora (30 min.) que coincide con el tiempo de receso de los
estudiantes en la HC.
3.2.1. Edificios
Dentro de esta categor´ıa se encuentran los Bloques A, B, C, D, G y H. Igualmente
tenemos, en base a las encuestas, que dentro de la HC, los usuarios que utilizan el servicio
de internet es del 76.19 %, es decir, 1289 personas. Del n´umero total obtenido se considera
que el 60 % est´a presente en el edificio central y el 40 % restante pertenece al edificio de
la MED en general.
En el edificio central se tiene 774 usuarios en la hora cargada, los cuales fueron
divididos en 6 APs, entonces se tiene 129 usuarios/AP.
Con los datos obtenidos, se procede a calcular el tr´afico (Ec. 1).
A =
s · #usuarios
tobs
[Er] (1)
A = 30min.·129 usuarios
60min.
= 64,5 Er
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5. Con la tabla de Erlang B obtenemos el n´umero de canales (Ec. 2)
C(A; PB) = # canales (2)
C(A = 64,5 Er; PB = 0,01 %) = 80 canales
Los equipos a usarse (Ubiquiti UniFi UAP-Long Range ver Secci´on 4.2) tienen un
ancho de banda de 20 MHz, con una velocidad de transmisi´on de 300 Mbps, por lo cual se
tiene una tasa de 3.75 Mbps/usuario (1.875 Mbps UP-Link y 1.875 Mbps DOWN-Link).
En el edificio de la MED se tiene 515 usuarios en la hora cargada, los cuales fue-
ron divididos, como en el edificio central, en 4 APs, entonces se tiene 129 usuarios/AP.
Igualmente se puede calcular el tr´afico con la Ec. 1.
A = 30min.·129 usuarios
60min.
= 64,5 Er
Se usa los mismos equipos que en el edificio central ya que el n´umero de canales,
usando la Ec. 2. es de 80, entonces, se tiene una tasa de 3.7 Mbps/usuario (1.875 Mbps
UP-Link y 1.875 Mbps DOWN-Link).
3.2.2. Biblioteca
En este sector, se tiene una poblaci´on de 242 usuarios, los mismos que son divididos
en 2 APs, por lo que nos queda 121 usuarios/AP. Calculamos el tr´afico con la Ec. 1.
A = 30min.·121 usuarios
60min.
= 60,5 Er
Usando la Ec. 2. calculamos el n´umero de canales.
C(A = 60,5 Er; PB = 0,01 %) = 75 canales
Con lo que tenemos una tasa de 4 Mbps/usuario (2 Mbps UP-Link y 2 Mbps DOWN-
Link).
3.2.3. Laboratorios
Para los laboratorios, como la demanda en la hora cargada y en general no es muy
alta, se considera usar 1 AP/laboratorio. Tomando en cuenta que se desea dar cobertura
a los laboratorios de Electr´onica y Biotecnolog´ıa (1), Mec´anica (1), Geogr´afica (1) y Civil
e Idiomas (1).
3.2.4. Residencias
Si bien no se muestran valores de usuarios significativos en la hora cargada, esto no
significa que se debe dejar de dar servicio a este sector, ya que a lo largo del d´ıa existen
usuarios que se conectan al servicio. Es por eso que se decidi´o proveer de 1 AP/residencia
para este sector.
5

6. 4. Simulaci´on
4.1. Ubicaci´on de los AP
Para definir la ubicaci´on exacta de cada AP necesitamos analizar el mapa de nuestro
escenario (Figura 3).
Los 18 AP(Figura 4) que fueron calculados para cubrir el ´area de servicio se proponen
como se presenta en la Figura 6.a y acorde a la Tabla 1. para cumplir los requerimientos
de cobertura en la zona, Adem´as se ubican los equipos (antenas) en la parte superior de
los Edificios (terrazas) para que exista l´ınea de vista directa con el servidor principal y
evitar el uso de repetidoras (Figura 6.b).
Figura 4: Caracter´ısticas de los AP
Figura 5: (a)Caracter´ısticas de la antena omnidireccional (b)Caracter´ısticas de las antenas
direccionales
4.2. Caracter´ısticas de Transmisi´on - Recepci´on
Como se mencion´o en la Secci´on 4.1 este dise˜no est´a realizado para no hacer uso de
repetidoras ya que todos los AP tienen linea de vista directa con el servidor principal, por
lo tanto, se utiliza los equipos Ubiquiti UniFi UAP-Long Range (AP) como podemos ver
en la Figura 4. Adem´as pueden trabajar en los modos a, b, g y n del est´andar 802.11 (en
nuestro dise˜no usamos 802.11n). Trabajan en canales de 20 a 40 MHz.
6

7. Figura 6: (a)APs propuestos en el ´area de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE
(b)Cobertura del Servidor Principal de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE
Para la comunicaci´on se utiliz´o: 1 antena omnidireccional Hotspot WiFi Qpao 12o
(Imagen 5.a), y 11 antenas WiFi grilla Nexxt direccionales (Imagen 5.b).
4.3. Planificaci´on y Simulaci´on de la Red
Si bien toda la comunicaci´on interna se realiza en la banda de 2.4 GHz, para evitar
problemas de interferencia utilizamos la banda de 5.8 GHz para la comunicaci´on entre las
antenas de los AP y la antena del servidor.
Se decidi´o instalar cada equipo en una torre de altura = 2 m. Entonces podemos ob-
tener todos los valores para ubicar correctamente en el software Radio Mobile y presentar
la simulaci´on (Figura 6.a). Los datos tabulados se presentan en la Tabla 1.
Se debe tener en cuenta las variaciones que se pueden dar al pasar del dise˜no a la
implementaci´on f´ısica.
Se debe tomar en cuenta considerablemente los costos, estos se presentan en la
Figura 7.
4.4. Caracter´ısticas de Tr´afico
En vista al requerimiento de cobertura de la ESPE y tomando en cuenta las carac-
ter´ısticas de los equipos seleccionados y la ubicaci´on de los APs no se lograr´ıa cubrir toda
el ´area de servicio, sin embargo abarca una gran cobertura y da redundancia. Adem´as
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8. AP Latitud Longitud Altura (msnm)
Bloque A 0◦
18’52” S 78◦
26’44” O 2495
Bloque B 0◦
18’50” S 78◦
26’44” O 2496
MED 0◦
18’48” S 78◦
26’44” O 2496
Edificio Posgrados 0◦
18’46” S 78◦
26’44” O 2499
Lab Electr´onica y Biotecnolog´ıa 0◦
18’46” S 78◦
26’45” O 2494
Lab. Geogr´afica 0◦
18’53.9” S 78◦
26’46.4” O 2487
Lab. Mec´anica 0◦
18’48.4” S 78◦
26’47.9” O 2489
Lab. Civil e Idiomas 0◦
18’47” S 778◦
26’40” O 2503
Biblioteca 0◦
18’50.5” S 78◦
26’38” O 2498
Residencia 1 0◦
18’59” S 78◦
26’35” O 2506
Residencia 2 0◦
19’04” S 78◦
26’34” O 2508
Cuadro 1: Datos de los APs para el ingreso en Radio Mobile
Figura 7: Costos de los equipos
existe uno que servir´a de Gateway que proporcionar´a la puerta de enlace a Internet a
toda la red (Figura 6.b).
Ahora bien, para el dise˜no de la red se va a emplear el modelo de propagaci´on de
Espacio Libre, entonces se procede a calcular la distancia de cobertura o radio de alcance
que tendr´a cada AP con las ecuaciones 3. y 4.
PRX = PTX + GATX + GARX − Leb − Lcc (3)
PRX = S + MD (4)
Reemplazando valores:
−94dBm + 40dB = 28dBm + 2 ∗ (2dBi) − 32,4 − 20 ∗ log(d) − 20 ∗ log(2400) − 1dB
−54dBm = −69dBm − 20 ∗ log(d)
d = 0,17Km
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9. Esto se puede comprobar con las simulaciones presentadas en las Figura 8. en donde
se indican los valores de las distancias alcanzadas y el valor de la zona de Fresnel (en
el peor de los escenarios), que es la que nos indica si existe una comunicaci´on buena y
confiable.
Figura 8: Simulaci´on obtenida en Radio Mobile
5. Conclusiones y Recomendaciones
1. Despu´es de realizar una investigaci´on profunda en diferentes documentos t´ecnicos,
tesis de grado, publicaciones acad´emicas etc, se determin´o que el est´andar para im-
plementar una red inal´ambrica en la Espe es el 802.11, el cual tiene una velocidad de
transmisi´on de 1 a 54 Mbps y dependiendo del est´andar seleccionado seg´un los re-
querimientos de la red (a,b,c,ac,d,e,f,n,g), esta velocidad de transmisi´on aumentar´a o
disminuir´a.
2. Tomando en cuenta los requerimientos y requisitos que demandaba la implementa-
ci´on de una red inal´ambrica en la ESPE, se encontr´o en documentos de la IEEE, dos
est´andares del 802.11 que ten´ıan las caracter´ısticas que se necesitaban (802.11n y
802.11g) en cuanto a ancho de banda, y n´umero de canales, sin embargo la velocidad
de datos real del usuario final del 802.11n es seis veces la tasa del est´andar 802.11g,
motivo por el cual se opt´o finalmente por el est´andar 802.11n para la implementaci´on
de la red inal´ambrica.
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10. 3. En la tesis de la universidad t´ecnica de Vilnius Gediminas se encontr´o que el est´andar
802.11n puede trabajar a 5,8 Ghz evitando que interfiera con otros sistemas del
802.11, ya que ´esta banda no se encuentra muy saturada en la actualidad como lo
est´a la 2,4Ghz, es por este motivo que se aprovecha esta banda para la comunicaci´on
entre el servidor principal y las antenas de los puntos de acceso (AP).
4. Seg´un una publicaci´on realizada por la empresa de computadoras hp un dispositivo
puede alcanzar el 60 % de la capacidad especificada. Por lo tanto, es m´as probable
que un adaptador inal´ambrico 802.11n que puede alcanzar una capacidad m´axima
de 300 Mbps, llegue a una capacidad real de 130 Mbps (o menos), ´esto se debe a la
degradaci´on de la se˜nal si el dispositivo del cliente est´a demasiado lejos del punto
de acceso y si hay interferencias de otros dispositivos en el ´area, como tel´efonos
inal´ambricos, esto es muy importante tomar en cuenta en el momento de implemen-
taci´on de la red.
5. En el dise˜no de la red inal´ambrica fue necesario utilizar varios puntos de acceso en
los sectores donde exist´ıa mayor cantidad de usuarios durante la hora cargada, con
la finalidad de proporcionar una mayor velocidad de transmisi´on.
6. En cuanto a los costos el est´andar 802.11n permite armar toda su infraestructura
con una mayor cobertura y con un menor n´umero de Access Point lo que implica
costos mucho m´as bajos.
Referencias
[1] W. G. IEEE 802.11 Wireless Local Area Network, “Url:
http://grouper.ieee.org/groups/802/11/,” tomado el 27/09/2013.
[2] J. M. H. Moya and D. R. Mart´ınez, Comunicaciones en redes WLAN: WiFi, VolP,
multimedia, seguridad. Creaciones Copyright, 2005.
[3] P. Lude˜na Gonz´alez, “Estudio de aplicabilidad del est´andar 802.11 n para redes de
larga distancia para entornos rurales en am´erica latina,” 2011.
[4] J. P´erez Bautista, “Deployment and installation of a wireless broadband area network
in an urban area,” 2011.
[5] M. Barrero Strauch, “Dise˜no de una red tecnol´ogica inal´ambrica para el edificio de
laboratorios de pesados de la universidad industrial de santander,” 2008.
[6] H. P. Utilizaci´on de los dispositivos inal´ambricos G y N en una red dom´estica, “Url:
http://h10025.www1.hp.com/ewfrf/wc/documentcc,” tomado el 28/09/2013.
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