Voz sobre la red Inalámbrica de Área Local de la UCLV

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Voz sobre la red Inalámbrica de Área Local de la UCLV Autor: Saidel Pérez Valdés. Tutor: Dr. Félix Álvarez Paliza. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Voz sobre la red Inalámbrica de Área Local de la UCLV Autor: Saidel Pérez Valdés E-mail: [email protected]. Tutor: Dr. Félix Álvarez Paliza Profesor Titular Departamento de Telecomunicaciones Facultad de Eléctrica E-mail: [email protected]. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones, 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 del Autor 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 del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Aprendí que no se puede dar marcha atrás, que la esencia de la vida es ir. hacia adelante. La vida, en realidad, es una calle de sentido único” Agatha Christie.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres por su apoyo incondicional en todo este tiempo. A mi hermano que me transmitió consejos y confianza..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres que estuvieron en todo momento conmigo en los momentos difíciles y lo buenos, A mi hermano que siempre me supo darme aliento, A mis tíos que siempre compartieron en todo lo referente a la materia de la carrera y me dieron energía para seguir adelante, A mis amigos de la Universidad, A los profesores que tuve durante todo este tiempo, A todas aquellas personas que de una forma u otra hicieron posible que este sueño se hiciera realidad..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Determinar los estándares de WLAN más utilizados y sus facilidades para la transmisión de voz. Caracterizar la red WLAN de la UCLV Definir el tipo de servicio de voz que se desea prestar en la Red UCLV Determinar las áreas donde se va a prestar el servicio, los patrones de tráfico y la movilidad. Diseñar propuestas de servicio de VoWI-FI para la UCLV con diferentes escenarios Evaluar el desempeño de la red WLAN con el servicio de voz.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En este trabajo se desarrolla una propuesta para la transmisión de voz de calidad en la Red Inalámbrica (WLAN) de la UCLV. Para ello se determinaron los estándares de Redes Inalámbricas (WLAN) más utilizados y sus facilidades para la transmisión de voz. En especial se hizo una caracterización de la Red la red WLAN de la UCLV, para definir el tipo de servicio de voz a prestar en la Red UCLV. Por lo que se determinaron las áreas donde se prestará el servicio, los patrones de tráfico y la movilidad. Desarrollándose diferentes propuestas de servicio de VoWI-FI para la UCLV con diferentes escenarios. La evaluación del desempeño de la red WLAN con el servicio de voz se hizo mediante el empleo de la herramienta de modelación y simulación OPNET Modeler..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Capítulo 1. Voz sobre Redes inalámbricas de Área Local (WLAN) ...................................... 4 1.1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas de Área local (VoWI-FI) ............ 4. 1.2 Redes Inalámbricas de Área Local ............................................................................... 5 1.3 Estándar IEEE 802.11 ................................................................................................... 7 1.4 Control de acceso al medio ........................................................................................... 7 1.5 Aspectos técnicos de IEEE 802.11 ............................................................................... 8 1.5.1 Capa Física (802.11 PHY) ..................................................................................... 8 1.5.2 Capa enlace (802.11 MAC) ................................................................................... 9 1.6 Despliegues de IEEE 802.11 ...................................................................................... 10 1.6.1 IEEE 802.11b ....................................................................................................... 11 1.6.2 IEEE 802.11a ....................................................................................................... 11 1.6.3 IEEE 802.11g ....................................................................................................... 12 1.6.4 IEEE 802.11n ....................................................................................................... 14.

(10) vii 1.6.5 IEEE 802.11 ac .................................................................................................... 15 1.7 Disponibilidad de espectro y canales no superpuestos ............................................... 16 1.8 Disponibilidad de canales de IEEE 802.11b y 802.11g .............................................. 16 1.9 Disponibilidad de canales de IEEE 802.11a ............................................................... 17 1.9.1 Capa Física IEEE 802.11a ................................................................................... 18 1.9.2 Despliegue de VoWLAN con IEEE 802.11a....................................................... 18 1.10 Disponibilidad de Canales en IEEE 802.11n. ........................................................... 20 1.11 Disponibilidad de Canales en IEEE 802.11ac .......................................................... 22 1.12 Transmisión de la Voz .............................................................................................. 23 1.12.1 Voz sobre IP inalámbrica (VoWIP) ................................................................... 23 1.12.2 Características de la Voz.................................................................................... 26 1.13 CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPITULO ................................................ 26 Capítulo 2. Diseño de VoWI-FI en el campus de la UCLV. ................................................ 28 2.1 Estructura física de la red cableada de la UCLV ........................................................ 28 2.2 Características de la red WLAN de la UCLV............................................................. 29 2.3 Infraestructura de una Red WLAN ............................................................................. 31 2.3.1. Densidad WLAN ................................................................................................ 31 2.3.2 Área de cobertura WLAN .................................................................................... 32 2.4 Capacidad de voz sobre WIFI ..................................................................................... 32 2.4.1 Aumentar la capacidad de WLAN ....................................................................... 34 2.5 Tipo de Servicio de Voz ............................................................................................. 35 2.6. Patrones de Tráfico y Movilidad .......................................................................... 36. 2.7. Áreas donde se prestara el servicio ....................................................................... 38. 2.8 Colocación de los Puntos de Acceso .......................................................................... 39.

(11) viii 2.9 Propuesta de red para soportar servicio VoWI-FI ...................................................... 40 2.10 Seguridad en WIFI .................................................................................................... 42 2.11 CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPITULO ................................................ 42 Capítulo 3. Evaluación del Desempeño de Voz sobre WLAN en el campus de la UCLV. . 44 3.1Modelación y Simulación de la red WLAN de la UCLV ............................................ 44 3.2Tecnología seleccionada en la Simulación .................................................................. 46 3.3 Parámetros de Medición ............................................................................................. 46 3.3.1 Escenario Actual del campus UCLV ................................................................... 46 3.4 Escenario WLAN FIE ................................................................................................. 51 3.4.1 Simulación IEEE 802.11 g................................................................................... 51 3.4.2 Simulación IEEE 802.11 n................................................................................... 55 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 59 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 61 ANEXOS .............................................................................................................................. 63.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Hoy en día las tecnologías de redes de comunicaciones y computadoras han cambiado el mundo de la información con sus avances, las empresas, centros de investigación, hospitales, ferrocarriles, universidades, no son ajenos a su empleo que les permiten ahorrar tiempo, dinero y esfuerzo en el manejo de información. Las redes han evolucionado y las Redes de Área Local inalámbricas, son un ejemplo de esto, estas redes son una alternativa que complementan las redes cableadas. Las redes WLAN o WI-FI en conjunto con la Telefonía IP, se han unido para crear una nueva y poderosa aplicación la Voz sobre WI-FI, esta tecnología ha probado ser una alternativa viable y económica a las redes tradicionales de voz basadas en la conmutación de circuitos. En este mundo IP particularmente en Redes LAN, la amplia disponibilidad del ancho de banda y el alto grado de control sobre las condiciones del tráfico ayudan a garantizar que la voz y los datos puedan coexistir dentro de una misma red. Al contrario de las redes alambradas, una red inalámbrica depende de señales de RF (radio frecuencia) estas señales son de vital importancia para una buena disponibilidad y alta calidad en el servicio, así las aplicaciones como la voz sobre WIFI (VoWI-FI) se llevan a cabo con un buen desempeño. Considerando los elementos expuestos se ha tomado la decisión de elaborar un trabajo donde queden plasmado una serie de criterios acerca de voz sobre WLAN, que permitan elegir un diseño óptimo para implementar una red (VoWI-FI) en La Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, de alta densidad y calidad. Por las cuestiones antes expuestas nos proponemos darle solución al siguiente problema; siendo:.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. ¿Como implementar el servicio de voz sobre WIFI en la UCLV?, con el objetivo general; de: Desarrollar una propuesta para la transmisión de voz de calidad en la Red Inalámbrica (WLAN) de la UCLV. De este objetivo se derivan los objetivos específicos. Determinar los estándares de WLAN más utilizados y sus facilidades para la transmisión de voz. Caracterizar la red WLAN de la UCLV. Definir el tipo de servicio de voz que se desea prestar en la Red UCLV Determinar las áreas donde se va a prestar el servicio, los patrones de tráfico y la movilidad. Diseñar propuestas de servicio de VoWI-FI para la UCLV con diferentes escenarios Evaluar el desempeño de la red WLAN con el servicio de voz. Para darle solución a estos objetivos, durante la investigación se les dará respuesta a las siguientes interrogantes científicas. ¿Cuáles son las principales características que presentan las redes WLAN y el servicio de voz? ¿Qué características tienen estas redes que la hacen diferentes a las redes tradicionales de voz basadas en la conmutación de circuitos? ¿Cómo enfrentar el diseño o actualización de una red WLAN con servicio de voz de calidad para alta densidad de usuarios? ¿Cómo lograr un buen desempeño de la red, con calidad de servicio y alta densidad de usuarios?. El informe está estructurado de la siguiente forma. CAPÍTULO I: Voz sobre Redes inalámbricas de Área local (WLAN) CAPÍTULO II: Diseño de (VoWI-FI) en el campus de la UCLV. CAPÍTULO III. Evaluación del Desempeño de Voz sobre WLAN en el campus de la UCLV. Conclusiones.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Recomendaciones Referencias Bibliográficas Anexos. A continuación se describen brevemente el contenido de cada capítulo. Capítulo I: Esta dedicado a los estándares de la IEEE 802.11 y cada una de sus características, para prestar servicio de voz sobre WIFI. Capitulo II: Se dedica al diseño de una red para en el servicio de VoWI-FI y analiza las características de la red actual inalámbrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Capitulo III: Esta dedicado a mostrar diferentes escenarios con la implementación del servicio de VoWI-FI..

(15) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 4. Capítulo 1. Voz sobre Redes inalámbricas de Área Local (WLAN) 1.1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas de Área local (VoWI-FI). La voz sobre Redes Inalámbricas es el uso de una red de banda ancha inalámbrica según los estándares IEEE1 802.11 para la conversación vocal. En esencia, es VoIP sobre una red WiFi. En la mayoría de los casos, la red Wi-Fi y los componentes de la voz que apoyan el sistema de la voz son privados. Este servicio también es conocido como voz sobre WLAN (VoWLAN) que sirve para enviar información hablada a través de una red inalámbrica. La tecnología VoWLAN también se denomina por las siglas: VoWI-Fi o Wi-Fi VoIP, porque utiliza datos transmitidos a través de redes inalámbricas de área local e Internet. La tecnología VoWLAN requiere de una red inalámbrica bien configurada, generalmente un PDA o un terminal Wi-Fi, similar a un teléfono móvil en apariencia y funciones. Al igual que ocurre con las tecnologías VoIP, VoWLAN puede contribuir a reducir costes porque las llamadas se pueden realizar internamente a través de la red de datos o externamente a través de Internet. Los costes de telefonía móvil pueden reducirse considerablemente o incluso eliminarse por completo. Las llamadas sobre WIFI son actualmente desconocidas en nuestro país, sin embargo en otros países es algo en lo que ya se está trabajando sobre ello, esta tecnología permite hacer llamadas a cualquier teléfono sobre redes WIFI. La tecnología a la cual se hace referencia en la presente investigación será denominada como llamadas sobre WIFI en redes de área local, esta no es precisamente de llamadas de voz sobre el protocolo IP, es decir, sobre Internet, estas son llamadas que se realizan localmente dentro de una red inalámbrica de área local, llamadas dentro de una empresa, universidades. La cual permite que utilicemos una conexión inalámbrica de tipo WIFI para. 1. IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

(16) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 5. solucionar problemas de cobertura de la red móvil de nuestro operador de telecomunicaciones. Es decir, gracias a ella el usuario puede realizar una llamada normal valiéndose de la cobertura de una red WIFI, en lugar de tener como requisito el acceso por cobertura a una red móvil. Entre las ventajas, además de las ya mencionadas, los usuarios, sin aplicaciones, sin software añadido y sin necesidad de modificar el hardware de un teléfono inteligente, con el uso de los dispositivos móviles de última generación, pueden hacer uso de esta tecnología, entre ellos, los nuevos iPhone 6 de Apple con el sistema operativo iOS, los últimos modelos de Samsung y otros fabricantes con sistemas operativos móvil de Google, Android, etc. Como dato curioso, esta tecnología permite, además de hacer llamadas, enviar y recibir los mensajes de tipo SMS. (Ngo, 2014) 1.2 Redes Inalámbricas de Área Local En sus inicios, las aplicaciones de las redes inalámbricas fueron confinadas a industrias y grandes almacenes. Hoy en día, las redes Inalámbricas de área local (WLAN) son instaladas en universidades, oficinas, hogares y hasta en espacios públicos. Las redes WLANs típicamente consisten de computadoras portátiles o de escritorio que se conectan a dispositivos fijos llamados puntos de acceso (Access Point, AP) vía señales de radio o infrarrojo. Las implementaciones de las redes WLANs abarcan todas las modalidades posibles desde las redes PANs (Personal Area Networks), redes MANs (Metropolitan Area Network), hasta las redes WANs (Wide Area Networks). Las redes PANs son redes inalámbricas de corto alcance, generalmente para uso en interiores a pocos metros. Mientras que las redes inalámbricas tipo WAN y MAN consisten en torres y antenas que transmiten ondas de radio o usan tecnología de microondas para conectar redes de área local, utilizando enlaces punto-punto y punto-multipunto, en la Figura 1.1 se muestra los estándares de acuerdo a su cobertura.(Guerrero, 2007).

(17) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 6. Figura.1.1 Cobertura de Tecnología Inalámbrica Estas redes se diferencian de las convencionales principalmente en la “Capa Física” y la “Capa de Enlace de Datos”, según el modelo de referencia OSI. La capa física indica como son enviados los bits de una estación a otra. La capa de Enlace de Datos (denominada MAC), se encarga de describir como se empacan y verifican los bits de modo que no tengan errores. Las demás capas forman los protocolos o utilizan puentes, enrutadores o compuertas para conectarse. Los dos métodos para remplazar la capa física en una red inalámbrica son la transmisión de Radio Frecuencia y la Luz Infrarroja. Las redes inalámbricas están diseñadas para operar en rangos de frecuencia de carácter libre, lo que da lugar a unos costos de uso mucho menores que las redes basadas en sistemas celulares. El uso de un espacio de frecuencias de carácter libre también supone un aumento en los posibles riesgos de seguridad de la red y la aparición de interferencias. La inversión inicial requerida para el hardware de una WLAN puede ser más alta que el coste de equipamientos de una LAN cableada, pero si se plantea un estudio a largo plazo, los beneficios son más altos ante entornos dinámicos que requieran flexibilidad a cambios frecuentes y escalabilidad reflejada en los sistemas WLANs. Éstos pueden ser configurados en una variedad de topologías fácilmente cambiadas desde redes punto a punto adecuadas para un pequeño número de usuarios, a redes de infraestructuras enteras de miles de usuarios que permiten Roaming sobre una amplia área. (Yaagoubi, 2012).

(18) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 7. 1.3 Estándar IEEE 802.11 El IEEE 802.11 puede considerarse para “Ethernet inalámbrica”. El estándar original 802.11 lanzado en 1997 especifica como método de acceso al medio el conocido como Acceso Múltiple por Detección de Portadora/ Evitando Colisiones más conocido por su siglas CSMA/CA2 (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), parecido al utilizado por Ethernet. Todas las enmiendas del IEEE 802.11 son basadas en el mismo método de acceso. Sin embargo, CSMA/CA es un método de acceso muy ineficaz puesto que sacrifica ancho de banda para asegurar una transmisión confiable de los datos. Esta limitación es inherente a todas las tecnologías CSMA, incluyendo la CSMA/CD utilizada en Ethernet. (Pascual, 2007) 1.4 Control de acceso al medio El control de acceso al medio en redes Ethernet cableadas es el CSMA/CD basado en la detección de colisiones y la subsiguiente retransmisión cuando éstas ocurren. En redes inalámbricas que utilizan la misma frecuencia para transmitir y recibir, es imposible detectar las colisiones en el medio, por lo que el mecanismo de compartición del medio se modifica tratando de limitar las colisiones y usando acuse de recibo (ACK) para indicar la recepción exitosa de una trama. Si el transmisor no recibe el ACK dentro de un tiempo preestablecido, supone que la transmisión no fue exitosa y la reenvía. Este protocolo se conoce como CSMA/CA, donde CA se refiere a (Collision Avoidance), es decir, tratar de evitar las colisiones. Este método no es tan eficiente como el CSMA/CD porque hay que esperar el ACK antes de poder continuar utilizando el canal, y el mismo ACK consume tiempo de transmisión.(Pascual, 2007) Además, para transmisión a grandes distancias el tiempo de espera por el ACK puede ser significativo debido a que las ondas de radio tardan 2ms en ir y volver a una distancia de 300 km. Esencialmente, CSMA/CA utiliza unos tiempos de espera obligatorios de longitud variable entre tramas sucesivas para evitar las colisiones. Estos tiempos se denominan espaciamiento entre tramas, (Interframe Spacing), y su valor depende del estado previo del. 2. CSMA/CA Es un protocolo de control de acceso a redes de bajo nivel que permite que múltiples estaciones utilicen un mismo medio de transmisión..

(19) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 8. canal. Opcionalmente también se pueden utilizar mecanismos de reserva del canal, en una técnica conocida como RTS/CTS (Ready to Send/Clear to Send) que garantiza el acceso al medio a expensas de tiempos de transmisión aún más largos. 1.5 Aspectos técnicos de IEEE 802.11 El estándar IEEE 802.11 para redes LAN inalámbricas incluye una serie de enmiendas. Las enmiendas contemplan principalmente las técnicas de modulación, gama de frecuencia y la calidad del servicio (QoS). Como todos los estándares 802 del IEEE, el IEEE 802.11 cubre las primeras dos capas del modelo de OSI (Open Systems Interconnection), es decir la capa física (L1) y la capa de enlace (L2). En la figura 1.2 se muestran las capas del modelo OSI, con las funciones de cada una.. Figura 1.2 Modelo de Referencia OSI. (Jorge Alberto) 1.5.1 Capa Física (802.11 PHY) La capa física tiene como finalidad transportar correctamente la señal que corresponde a 0 y 1 de los datos que el transmisor desea enviar al receptor. Esta capa se encarga principalmente de la modulación y codificación de los datos. La manera de esparcir la información conduce a diversas técnicas de modulación. Las más comunes de estas técnicas son:. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

(20) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 9. El espectro esparcido por salto de frecuencia (FHSS) se basa en el concepto de transmitir sobre una frecuencia por un tiempo determinado, después aleatoriamente saltar a otra. Por otra parte el transmisor envía al receptor señales de sincronización que contienen la secuencia y la duración de los saltos. En el estándar IEEE 802.11 se utiliza la banda de frecuencia (ISM) que va de los (2,400 2,4835 GHz), la cual es dividida en 79 canales de 1 MHz y el salto se hace cada 300 a 400ms. Los saltos se hacen alrededor de una frecuencia central que corresponde a uno de los 14 canales definidos. Este tipo de modulación no es común en los productos actuales. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) El espectro esparcido por secuencia directa (DSSS) implica que para cada bit de datos, una secuencia de bits (llamada secuencia pseudoaleatoria) debe ser transmitida. Cada bit correspondiente a un 1 es substituido por una secuencia de bits específica y el bit igual a 0 es substituido por su complemento. El estándar de la capa física IEEE 802.11 define una secuencia de 11 bits para representar un “1” y su complemento para representar un “0”. En DSSS, en lugar de esparcir los datos en diferentes frecuencias, cada bit se codifica en una secuencia de impulsos más cortos, llamados chips, de manera que los 11 chips en que se ha dividido cada bit original ocupan el mismo intervalo de tiempo. (Pascual, 2007) OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) La modulación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), en algunas veces llamada modulación multitono discreta (DMT) es una técnica de modulación basada en la idea de multiplexado por división de frecuencia (FDM). En OFDM, un sólo transmisor transmite en muchas frecuencias ortogonales. El término ortogonal se refiere al establecimiento de una relación de fase específica entre las diferentes frecuencias para minimizar la interferencia entre ellas. Una señal OFDM es la suma de un número de subportadoras ortogonales, donde cada subportadoras se modula independientemente usando QAM (modulación de fase y amplitud) o PSK (modulación de fase). 1.5.2 Capa enlace (802.11 MAC) Es la capa de transmisión de datos de 802.11, se compone de dos partes ver en la Figura 1.3: 1. Control lógico del enlace (LLC, Logical Link Control).

(21) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 10. 2. Control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control). Figura.1.3 Capa de enlace. La subcapa LLC de IEEE 802.11 es idéntica a la de IEEE 802.2 permitiendo una compatibilidad con cualquier otra red 802, la cual define la forma en que los datos son transferidos sobre el medio físico, además es la encargada de manejar el control de errores, control de flujo, entramado y direccionamiento de la subcapa MAC mientras que la subcapa MAC presenta cambios sustanciales para adecuarla al medio inalámbrico. La subcapa MAC es común para varios de los estándares IEEE 802.11, en las redes inalámbricas el control de acceso al medio es CSMA/CA es diferente al CSMA/CD de las redes alambradas o cableadas, en las especificaciones MAC del estándar IEEE 802.11existen dos modos de funcionamiento. Función de Coordinación Distribuida (DCF, Distributed Coordination Function). Función de Coordinación Puntual (PCF, Point Coordination Function). 1.6 Despliegues de IEEE 802.11 Las enmiendas más aceptadas de la familia de IEEE 802.11 son actualmente las b, g, a, n. Todas ellas han alcanzado gran aceptación por sus características de transmisión y compatibilidad con productos actuales y con costos accesibles. También existes más estándares que se abordaran a continuación, estos son correcciones, actualizaciones o extensiones de las anteriores. El primer estándar que surge es el IEEE 802.11, el cual sienta las bases tecnológicas para el resto de la familia. No tuvo apenas relevancia por la baja velocidad binaria (bit-rate) alcanzada, cerca de 2 Mbps, y la carencia de mecanismos de seguridad de las.

(22) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 11. comunicaciones, lo que hace que surja el primer estándar con aceptación. (IEEE, 802.11, 1997) 1.6.1 IEEE 802.11b Opera en la banda de los 2,4 GHz y permite alcanzar velocidades binarias teóricas de (5,5 a 11 Mbps) con el empleo de modulación de canal mediante Espectro Extendido de Secuencia Directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) y protección frente a errores bastante robustos, aunque en la práctica es difícil superar un ancho de banda efectivo de 7 Mbps. Un dispositivo basado en IEEE 802.11b puede transmitir hasta 11 Mbps y reducirá automáticamente su tasa de transmisión cuando el receptor empiece a detectar errores, sea debido a la interferencia o a la atenuación del canal, cayendo a 5,5 Mbps, después a 2 Mbps, hasta llegar a 1 Mbps, cuando el canal sea muy ruidoso. Para complementar, incorpora un protocolo de seguridad de las comunicaciones, el Protocolo de Privacidad Equivalente Alambrado, conocido por sus siglas WEP (Wired Equivalent Privacy), aunque el pretencioso nombre no se corresponde a la realidad, pues muy poco después de su publicación se descubrieron importantes defectos que permitían la intrusión en las comunicaciones con escaso esfuerzo y un equipo convencional. (IEEE, 802.11b, 1999) 1.6.2 IEEE 802.11a El IEEE 802.11a funciona en la banda de los 5 GHz y utiliza OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una técnica de modulación que envía múltiples flujos de datos en paralelo sobre señales de radio separadas lo permite una tasa de transmisión máxima de 54 Mbit/s. Usando la selección adaptativa de velocidad, la tasa de datos cae a 54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 y 6 Mbps a medida que se experimentan dificultades en la recepción, 802.11a no es interoperable con 802.11b, porque usan bandas de frecuencia distintas, pero existen equipos que trabajan con ambos estándares (2 radios). La frecuencia de 5 GHz introduce mayor atenuación en la transmisión en exteriores y es también absorbida en mayor grado por paredes y otros objetos, por lo que en general tiene menor alcance que la de 2,4 GHz; debido a que las ondas se atenúan a velocidades mayores, lo que implica instalar más puntos de acceso para cubrir la misma superficie que si se utilizase.

(23) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 12. 802.11b, sin embargo, esto se puede compensar a veces utilizando antenas exteriores de mayor ganancia. (IEEE, 802.11a, 1999) 1.6.3 IEEE 802.11g Compatible con los productos IEEE 802.11b y utilizando la misma frecuencia de trabajo, puede alcanzar velocidades de hasta 54 Mbps soportando modulaciones DSSS y OFDM, consiguiendo las mismas características de propagación que el estándar IEEE 802.11b y manteniendo la fiabilidad de transmisión. El cual propone un protocolo de seguridad más robusto denominado WPA (Wi-Fi Protected Access). Con este estándar ocurrió algo verdaderamente llamativo, ya que los equipos que adoptan la especificación IEEE 802.11g llegaron al mercado antes de la publicación oficial del estándar. Esto se debió en parte a que los equipos ya fabricados para el estándar IEEE 802.11b se podrían adaptar para trabajar sobre el nuevo IEEE 802.11g. (IEEE, 802.11g, 2003) A continuación, en la Figura 1.4 se muestran las tasas de transmisión de las IEEE 802.11a, b y g a diferentes rangos (en pies). En la cual se observa que las señales propagantes en la banda de 5 GHz (802.11a) tienen peores características con respecto al rango de cobertura, es más limitado que en las especificaciones b y g del estándar IEEE 802.11..

(24) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 13. Figura 1.4. Relación alcance-velocidad de las normas IEEE 802.113 En la Tabla 1 se muestra un resumen de lo visto hasta ahora, de los tres estándares (b, g y a).. 3. Estándar. 802.11 a. 802.11 b. 802.11 g. Banda transmisión. 5 GHz. 2.4GHz. 2.4GHz. Máxima razón del canal Ancho de banda. 54Mbps. 11Mbps. 54Mbps. 20MHz. 22MHz. 20MHz. Número de canales sin interferencia Modulación. 23. 3. 3. OFDM. DSSS. OFDM. Broadcom-White Paper iEEE802.11g-The new Mainstream Wireless LAN Standard.

(25) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. Max alcance(metros). 50. 100. 14. 100. Tabla 1. Especificaciones técnicas de estándares 802.11 En la selección de los equipos de voz sobre WLAN es importante localizar dispositivos que puedan operar tanto en la banda de 2,4 GHz (802.11b/g) y 5 GHz (802.11a). La interfaz IEEE 802.11a con 5 GHz proporciona una flexibilidad mucho mayor en la configuración de la red, en primer lugar la banda de los 5 GHz ofrece un potencial de 23 canales no interferentes, mientras que la banda de 2.4 GHz solo son tres. Además en 2.4 GHz los canales podrían ya estar congestionados con tráfico de datos, en la banda de los 5 GHz proporciona una ventana de frecuencia amplia para implementaciones de voz con menos problemas de interferencia y sin impacto en los usuarios de datos de 2.4 GHz. 1.6.4 IEEE 802.11n Con este estándar es que por primera vez se alcanzan velocidades netas de transmisión de más de 100 Mbps por módulo de radio, son más rápidas que las redes LAN Fast-Ethernet; son flexibles, seguras y, gracias a su gran alcance y a su óptima cobertura, proporcionan, además, una señal de excelente calidad incluso a gran distancia. La norma IEEE 802.11n aprovecha muchas de las enmiendas previas pero la gran diferencia es la introducción del concepto de MIMO (Multiple Input, Multiple Output), múltiples entradas múltiples salidas. MIMO implica utilizar varios transmisores y múltiples receptores para aumentar la tasa de transferencia que entre equipos WIFI es de 600 Mbps. Además de la introducción de la tecnología MIMO, el nuevo estándar IEEE 802.11n añade una de las mejoras más significativas a nivel radio para alcanzar velocidades de transmisión elevadas, hablamos del incremento del ancho de banda de canal a 40 MHz. (IEEE, 802.11n, 2009) El ancho de banda del canal es una medida importante para cuantificar la eficacia del radio, conocida como eficiencia espectral y está acotada superiormente por la capacidad de Shannon, la ecuación se muestra a continuación, la cual demuestra la eficiencia máxima que puede alcanzar un canal..

(26) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 15. C = B log2 (1 + S/N) B es el ancho de banda del canal, C es la capacidad del canal (tasa de bits de información bit/s) S es la potencia de la señal útil (W, mW, etc.) N es la potencia del ruido presente en el canal (mW, μW, etc.) 1.6.5 IEEE 802.11 ac A diferencia de los protocolos anteriores que emplean la banda de 2,4 GHz, el nuevo estándar opera en el espectro de 5 GHz, frecuencia que restringe la distancia de transmisión, pero que otorga menor sensibilidad a los obstáculos físicos, con este estándar se podrán crear redes de equipos con un intercambio de información de al menos 1,5 Gbit/s entre ellos. Es decir, una red IEEE 802.11ac podría superar a una red Gigabit Ethernet. El IEEE 802.11ac emplea canales más anchos, de hasta 160 MHz cuatro veces superior al de IEEE 802.11n, con capacidad hasta 8 flujos MIMO cada uno capaz teóricamente de 433 Mbps y una modulación de alta densidad (hasta 256 QAM). En definitiva, los dispositivos IEEE 802.11ac que incorporen ocho antenas, pueden alcanzar altas velocidades de datos. (IEEE, 802.11ac, 2013) En la Figura 1.5 podemos ver una cronología de los estándares inalámbricos. También hay un nuevo estándar IEEE 802.11 ad el cual hace uso de la frecuencia de 60 GHz permitiendo enlaces de corto alcance, es uno de los puntos flojos de esta tecnología, la cual se dice que sea el sustituto del Bluetooth en conexiones ad-hoc cercanas, su uso como red inalámbrica para dar cobertura no tiene sentido, ya que la frecuencia de operación es muy alta y esto hace que el alcance sea muy corto. Por lo tanto, el IEEE 802.11ad estaría especialmente indicado para ordenadores, tabletas, discos de red u otros, que requieran de una elevada transferencia de datos (vídeo en HD, por ejemplo) pero a cortas distancias, asegurando la máxima estabilidad de la conexión, el estándar IEEE 802.11ad, puede llegar a alcanzar los 7Gbps. En la Tabla 2 se muestran un resumen de las características de los estándares IEEE 802.11 n, ac, y ad..

(27) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 16. Figura 1.5. Cronología del estándar 802.11 Tabla 2. Características de los estándares IEEE 802.11 (n, ac, ad). 802.11n. 802.11ac. 802.11ad. Throughput. 600 Mbps. 3.2 Gbps. 7 Gbps. Max Alcance. 70 m. 30 m. Menor de 5 m. Banda Frecuencia. 2.4/5 GHz. 5 GHz. 60 GHz. Antenas. 4x4 MIMO. 8x8 MIMO. 10x10 MIMO. 1.7 Disponibilidad de espectro y canales no superpuestos El número de canales que no se superponen en ocasiones no se tiene en cuenta pero es el principal determinante en la capacidad total del sistema en redes inalámbricas de Área local (LAN), los puntos de acceso (AP) configurados en no solapamiento de canales se pueden agrupar para aumentar la capacidad del sistema. 1.8 Disponibilidad de canales de IEEE 802.11b y 802.11g Los estándares IEEE 802.11b/g para aplicaciones en redes inalámbricas tienen atributos muy valiosos, que son apropiados para muchos entornos de alta densidad, la capacidad de.

(28) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 17. penetración de IEEE 802.11b y la alta velocidad de datos que llega hasta 54 Mbps, el estándar IEEE 802.11g es compatible hacia atrás con los estándares IEEE 802.11b, lo que brinda la facilidad de que con un único punto de acceso puedan coexistir los dos estándares, en la Figura 1.6 se ilustra la asignación de los canales. Los canales definidos en el estándar IEEE 802.11b/g son un total de 14, cada canal tiene un ancho de 22 MHz, y la separación entre canales es de 5 MHz. Esto conduce a solapamiento de canalización tal, que las señales de los canales interfieran unos con otros, de 11 canales utilizables, solo hay tres no interferentes, por tanto los canales que no se solapan son: 1,6, y 11 cada uno con 25 MHz de separación. Esta separación entre canales regula el uso y asignación de canales en un entorno de múltiples AP como es el caso de una universidad (cisco 2013).. Figura 1.6. Distribución de los canales en la norma IEEE 802.11b/g. (Cisco, 2010) 1.9 Disponibilidad de canales de IEEE 802.11a El estándar IEEE 802.11a inicialmente ofrecía la ventaja de 12 canales no superpuestos, junto con una tasa de transferencia de datos 54 Mbps y espectro limpio, los recientes cambios normativos han abierto aún más espectro en la banda de frecuencia de 5 GHz, creando el potencial para más de 20 canales que no se superponen, no todos los productos IEEE 802.11a aprovechan los canales disponibles. Sin embargo hay productos que operan sobre un subconjunto de los canales disponible, por ejemplo los que utilizan 8 canales tienen una ventaja significativa sobre la capacidad de los productos IEEE 802.11b/g. (Corporation, 2004).

(29) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 18. 1.9.1 Capa Física IEEE 802.11a El estándar IEEE 802.11a define los requisitos para la capa física (del modelo OSI), que opera en la banda de frecuencia de 5 GHz, con velocidades de datos que van desde 6 Mbps a 54 Mbps. Se utiliza multiplexado por división ortogonal de frecuencia (OFDM), que es un sistema de múltiples portadoras con ancho de banda de 20 MHz, se utilizan 52 subportadoras de 300 KHz cada una aproximadamente, moduladas con BPSK, QPSK, QAM o 64-QAM para proporcionar diferentes velocidades de datos. Los canales básicos de IEEE 802.11a se muestran en la Figura 1.7, también se muestran las frecuencias centrales de cada uno de los canales, el espectro de cada canal es de 10 MHz y la distancia que hay de una línea discontinua a otra es de 20 MHz, con 5 MHz de separación entre canales. El estándar cubre 300 MHz de espectro y soporta 23 canales.. Figura 1.7. Canales en la banda de 5 GHz. (Cisco, 2010) Cuando se opera en la parte no autorizada de la banda de radio de 5 GHz, IEEE 802.11a es inmune a las interferencias los dispositivos que operan en la banda de 2.4 GHz, como hornos de microondas, teléfonos inalámbricos y Bluetooth. Debido a que este estándar opera en un rango de frecuencia diferente, no es compatible con dispositivos inalámbricos que trabajen con el estándar IEEE 802.11b y 802.11g. 1.9.2 Despliegue de VoWLAN con IEEE 802.11a Anteriormente mencionamos que habían más de 20 canales que no se superpone en realidad son 23 los que no se superpone en la banda de 5 GHz, y hablamos de que se utilizaran 8 canales; bueno estos se recomiendan que sean los cuatros inferiores y los cuatros superiores del espectro de 5 GHZ para que sean la base de VoWLAN, y no sean afectados otros.

(30) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 19. canales, por los requisitos de selección dinámica de frecuencia (DFS) y control de potencia transferida (TPC), los cuales pueden afectar negativamente la calidad de las llamadas. La gran diferencia entre 2.4 y 5 GHz, es que el número de quipos en las frecuencias 2.4GHz experimenta más interferencia que 5GHz. El estándar IEEE 802.11g sólo usa la frecuencia 2.4GHz, la mayor parte del mundo lo usa aunque tiene menos opciones de canal con sólo tres de ellos que no se superponen, mientras que la de 5GHz tiene 23 canales que no se superponen ver en la Figura 1.8. Pero los radares y las frecuencias militares son de 5GHz, por lo tanto el dispositivo inalámbrico de 5GHz podría también tener alguna interferencia, y por esto requieren que los equipos inalámbricos que funcionan en 5GHz deben soportar DFS (Dynamic Frequency Selection - Selección Dinámica de Frecuencia) y TPC (Transmitting Power ControlControl de Potencia Transmitida). En resumen podemos decir que la banda de 5GHz tiene un rango más corto comparado con 2.4GHz; y que la frecuencia de 2.4GHz es la ruta más congestionada, los equipos en 2.4GHz sufren mucho más interferencia que los que están en 5GHz. También hay pocos equipos que son capaces de usar el canal de 5GHz. Si hay demasiada interferencia alrededor de sus clientes que soportan 5GHz, se recomienda usar la red inalámbrica de 5GHz, de otro modo sería mejor seleccionar 2.4GHz..

(31) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 20. Figura 1.8. Diferencia de disponibilidad de espectro entre 2.4GHz y 5 GHz 4. 1.10 Disponibilidad de Canales en IEEE 802.11n. Este es un estándar que trabaja en las dos banda, en las frecuencias de 2,4 y 5 GHZ, para la operación en la banda de los 5 GHZ se utilizan dos canales adyacentes de 20 MHz uno de los cuales es designado como canal primario y el otro como canal secundario. Comparado respecto al canal de 2,4 GHz, estas bandas tienen mayor ancho de banda por lo que los canales de 40 MHz son más fáciles de colocar, tiene un total de 11 canales sin interferencia. Por estos motivos, esta banda es la preferida para la operación de los canales de 40 MHz, sobre todo cuando se despliegan una gran cantidad de puntos de acceso. En la figura 1.9 se representa la coexistencia entre los canales de 20 y 40 MHz en la banda de 5 GHz.(Navarrete Chávez, 2009). 4. White Paper: Voice-Over Wi-Fi Capacity Planning.

(32) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 21. Figura. 1.9 Coexistencia en la banda de 5 GHz. (Navarrete Chávez, 2009) En la banda de 2.4GHz la operación es más complicada debido a la limitación del espectro disponible, con la sobreposición de canales y la operabilidad de los dispositivos IEEE 802.11b y 802.11g en esta banda solo hay dos canales sin interferencia. La banda de 2,4 GHz está compuesta por canales espaciados entre sí en 5 MHz la mayor cuestión con la operación de canales de 40 MHz en esta banda es la coexistencia entre BSSs colindantes, en uno o más de estos canales usados. En la figura 1.10 muestran opciones de coexistencia entre canales vecinos de 40 y 20 MHz en los canales 1, 6 y 11.. Figura. 1.10 Coexistencia en la banda de 2,4 GHz. (Navarrete Chávez, 2009) Si el BSS vecino se encuentra en sólo dos de los canales usados, es posible seleccionar los canales primario y secundario de tal forma que el canal primario coincida con uno de los canales usados, y el secundario ocupe el espectro en los canales no utilizados..

(33) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 22. 1.11 Disponibilidad de Canales en IEEE 802.11ac El estándar ac hace uso de la banda de frecuencia 5 GHz, con un rendimiento de 1Gbps, y la compatibilidad con los estándares existentes que utilizan el mismo rango de frecuencia lo hace imprescindible, este estándar cuenta de 3 a 5 canales sin interferencia. El objetivo es que toda la serie de estándares IEEE 802.11 sea compatible con los estándares existentes, que IEEE 802.11ac sea compatible en la capa de control de acceso al medio (MAC) o de enlace de datos y que difiera sólo en las características de la capa física. La capa física de IEEE 802.11ac no más que una extensión de IEEE 802.11n, este nuevo estándar puede alcanzar una velocidad máxima teórica de transferencia de datos 6,93 Mbps empleando un ancho de banda de 160 MHz con 8 flujos espaciales y modulación 256QAM con un intervalo de guarda corto. La Figura 1.11 muestra los nuevos anchos de banda obligatorios del canal, de mayor amplitud, aunque los modos de 160 MHz se incluyen como características opcionales en el estándar IEEE 802.11ac.(Navarrete Chávez, 2009). Figura. 1.11 Asignación de frecuencias de IEEE 802.11ac.

(34) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 23. 1.12 Transmisión de la Voz La convergencia de las redes de telecomunicaciones ha permitido que la voz y los datos puedan convivir utilizando una misma infraestructura, esto se logra gracias al establecimiento de un modelo o sistema que permite empaquetar la voz para que pueda ser transmitida junto con los datos, para lo cual se usan los siguientes protocolos de transporte. UDP: La transmisión se realiza sobre paquetes UDP, pues aunque UDP no ofrece integridad en los datos, el aprovechamiento del ancho de banda es mayor que con TCP. RTP (Real Time Protocol): Maneja los aspectos relativos a la temporización, marcando los paquetes UDP con la información necesaria para la correcta entrega de los mismos en recepción. 1.12.1 Voz sobre IP inalámbrica (VoWIP) Las redes inalámbricas han contribuido para la convergencia entre las redes de voz y datos e inclusive ofreciendo mayores ventajas que las redes cableadas sobre todo en lo que se refiere a costos. Las redes WIFI, al ser una tecnología de capa 2, permite que el tipo de información (voz, datos, video) sea transparente, ya que estas se encapsulan en capas superiores, sin embargo, la voz al ser una aplicación en tiempo real no soporta retardo elevados, por ello, WIFI hace uso de su capa MAC (Media Access Control) que utiliza la funcionalidad PCF, además define esquemas de prioridad basados en los conceptos de calidad de servicio. (YÉPEZ, 2009) Para implementar el servicio de VoIP en redes inalámbricas se deben considerar aspectos que garanticen calidad de voz. •. Codificación: Para que la voz sea transmitida sobre una red IP debe ser digitalizada, para esto se utiliza codificadores de voz los cuales difieren entre sí por los niveles de compresión que ofrecen. Para la selección de un codificador se realiza.

(35) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 24. en base al MOS5. En la Figura 1.12 se muestran los algoritmos de codificación y sus características.. Figura 1.12. Algoritmos de compresión. (Yépez, 2009) Pérdida de tramas: Las tramas VoIP tienen que atravesar una red IP teniendo la posibilidad de que estas se pierdan como resultado de una congestión de red o corrupción de datos. Para el tráfico en tiempo real la retransmisión de tramas perdidas no es práctico pues ocasiona retardos adicionales. Latencia o Retardo: Se define como latencia al tiempo necesario para que un paquete de datos viaje desde la estación origen a la estación destino. Si el retardo introducido por la red es de más de 300 milisegundos, resulta casi imposible tener una conversación fluida. Existen diferentes formas de retardos: - Retardo de Empaquetado: es el tiempo para llenar un paquete de información (carga útil) de la conversación ya codificada y comprimida. - Retardo de Transmisión: es el tiempo requerido para transmitir un paquete IP, es decir está relacionado con la tasa de transmisión.. 5. Parámetro que mide la calidad de la voz, se obtiene mediante una prueba denominada ACR (Absolute Category Rate) que consiste en realizar pruebas de audición a un grupo heterogéneo, quienes califican la calidad entre 1 y 5..

(36) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 25. - Retardo de Propagación: es el tiempo requerido por la señal óptica o eléctrica para viajar a través de un medio de transmisión. - Retardo de Componente: estos retardos son causados por los componentes del sistema de transmisión. El primer deterioro causado por el retardo es el efecto de ECO, este se presenta por diferentes motivos como el pobre acoplamiento entre el dispositivo de escucha y el dispositivo de habla. En la Figura 1.13 se muestra el retardo en una transmisión de paquetes de voz.. Figura 1.13. Retardo en VoIP. (Yépez, 2009) Variaciones del retardo (Jitter) y Almacenamiento (Buffering): La variación del retardo se refiere a la desincronización de la fase de los bits, mientras que el almacenamiento (buffering) es la fluctuación del retardo de tránsito entre los extremos. Debemos considerar que la cantidad de retardo experimentado por cada trama puede diferir, esto es causado por la cantidad de retardo de encolamiento y tiempo de procesamiento que puede variar dependiendo del tráfico de la red. Las variaciones del retardo entre el punto inicial y final de la comunicación deberían ser inferiores de 100mseg, para que sea compensado de manera apropiada..

(37) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. 26. Tránsito (Roaming): Este parámetro garantiza que los usuarios tengan movilidad sin perder la conexión a la red, esto se logra mediante la re-asociación. El tiempo para que un usuario se asocie a un nuevo Access Point varía entre 250 y 500 milisegundos. Después de haber visto los requisitos que garantizan la calidad de la voz, podemos decir que las funciones básicas que debe realizar un sistema de voz son: 1. Digitalización de la voz 2. Paquetización de la voz 3. Enrutamiento de los paquetes 1.12.2 Características de la Voz 1. Disponibilidad continua, por lo que es tentador ofrecerlo por medio de un dispositivo independiente, robusto, fácil de usar y de bajo consumo. 2. Prioridad absoluta, de modo que otras comunicaciones, como la transferencia de correo, acceso a ficheros remotos, web o vídeo no perturben la posibilidad de comunicarse por voz con ningún punto de la red. 3. Calidad de voz comparable o superior a la de la telefonía móvil. 4. Acceso desde la red de VoIP a telefonía convencional, con las llamadas salientes debidamente autorizadas, autenticadas y con la posibilidad de tarificación. 5. Es deseable poder establecer multiconferencias, de modo que varios interlocutores puedan reunirse virtualmente. 1.13 CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPITULO 1. El estándar IEEE 801.11n es el más adecuado, para campus académico, ya que es un estándar que tiene características superiores a otros estándares en cuanto a: -. Razón de Transferencia hasta 600 Mbps. -. Utiliza la técnica de modulación QAM (modulación de amplitud en cuadratura), que transporta dos señales independientes que tienen la misma frecuencia, mediante la modulación de una señal portadora, tanto en amplitud como en fase, y están desfasadas entre sí 90º. Esto favorece el aprovechamiento del ancho de banda disponible..

(38) CAPÍTULO 1. Introducción a la voz sobre Redes inalámbricas. -. 27. También hace uso de la tecnología MIMO (múltiples entradas, múltiples salidas) la cual utiliza varias antenas para la transmisión y recepción de la señal.. 2. Para el diseño de una red inalámbrica, con servicios de alta demanda, como es el caso de voz sobre WIFI, la utilización de la banda 5GHz es más apropiada ya que tiene un total de 23 canales sin solapamiento, y esto permite una mejor colocación de los puntos de acceso. 3. El estándar IEEE 802.11n añade mejoras significativas a nivel de radio para alcanzar velocidades de transmisión elevadas, con el incremento del ancho de banda del canal a 40 MHz. 4. Con el estándar IEEE 802.11ac se alcanzan velocidades de datos de 1GHz, este estándar con el empleo de canales de 160 MHz y 8 flujos espaciales puede alcanzar una máxima velocidad teórica de transferencia de datos 7Gbps..

(39) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 28. Capítulo 2. Diseño de VoWI-FI en el campus de la UCLV. En este capítulo se hace una caracterización de la red WLAN de la Universidad, y de la estructura de la red cableada, se define el tipo de servicio de voz que se desea prestar, las áreas donde prestar el servicio, los patrones de tráfico y la movilidad. También se aborda lo relacionado con la colocación de los puntos de acceso. 2.1 Estructura física de la red cableada de la UCLV La red de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas posee una topología de estrella, la cual tiene enlaces con todo el campus universitario, los enlaces son mediante fibra óptica multimodo (62.5/125μm y 50/125μm) y monomodo (9/125μm), todas las área tienen un par de fibras que llegan directo hasta la Puerta, lugar donde se encuentra el nodo principal, esto permite una redundancia en los enlaces lo que hace que la comunicación sea más confiable. El Switch principal consta de 24 puertos y conecta a todo el backbone de la red a 1Gbps mediante fibra óptica los cuales interconectan todas las subredes del campus universitario, en la Figura 2.1 se muestra el área que ocupa la red. En la cual los centros de comunicación se indican con los círculos de color azul, que son los ubicados en la puerta y en el data center, mientras que los círculos azules son los nodos principales, las líneas indican el tendido de fibra óptica..

(40) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 29. Figura.2.1 Red del campus UCLV. (Fleites, 2015) 2.2 Características de la red WLAN de la UCLV Los puntos de acceso (AP) son los equipos encargados de hacer que las comunicaciones inalámbricas se lleven a cabo con éxito, los mismos en su mayoría disponen de varias antenas, un puerto RJ-45 de 10/100 Mbps y un puerto consola para su configuración inicial, la red de la Universidad “Marta Abreu” de Las Villas cuenta con varios de estos equipos, los cuales son usados tanto para interiores como para exteriores, de diferentes modelos, la norma que predomina es la IEEE 80211 g, la cual tiene una máxima razón de transferencia de 54Mbps y trabaja en la banda de frecuencias de 2,4 GHz. En la actualidad en el centro existen una buena cantidad de estos equipos lo cual propicia que en cada Facultad existan más de un punto de acceso disponible, con los cuales se brindan servicios de correo y de navegación por Internet, etc., además de estos servicios se pretende implementar el servicio.

(41) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 30. de voz en el campus universitario el cual no es disponible en estos momentos, en la Figura 2.2 se muestra el área de cubrimiento inalámbrico en el campus universitario.(Fleites, 2015). Figura 2.2 Área de Cobertura Inalámbrica. (Fleites, 2015) En cuanto al equipamiento con que se cuenta podemos decir que en los últimos tiempos se ha avanzado, con algunos equipos modernos que brinda un mejor rendimiento a la red. El primer enlace inalámbrico punto a punto se estableció en el 2008 entre el Centros de estudios Jardín Botánico y la Facultad de Eléctrica, para este enlace se utilizaron dos equipos de la firma Kbest Modelo 4201 con antena direccional integrada a 18 dbi estos equipos responde a la norma IEEE 802.11 g. Tiempo después se adquirió otro equipo de estas mismas características el cual fue puesto en el edificio del Rectorado que ocuparía casi toda el área central de la Universidad, en estos momentos ese equipo no está disponible a los usuarios ya que el administrador de red del Rectorado no tiene acceso a este dispositivo para su configuración, unido a esto se compraron 80 puntos de acceso de interiores firma Trendnet modelo AP TEW-430APB que sirvió para cubrir casi en su totalidad todas las área Universitarias. Estos equipos responden.

(42) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 31. al estándar IEEE 802.11 b/g con interfaces de 10/100BASE-TX, con conexión Fast Ethernet de 10/100 Mbps a la red cableada y 54 Mbps para la conexión inalámbrica. Además de estos equipos también fueron comprados 17 AP para interiores de la firma TPLinks modelo WR941ND, que usa la norma IEEE 802.11 n y su velocidad inalámbrica puede llegar hasta los 300 Mbps y 8 equipos de la firma Lobometrics Lobo MIMO BMAP 14 y MIURA OSB PRO estos equipos operan en la banda de los 5GHZ y la velocidad asciende hasta 1Gbps, cubren área de 200km, estos equipos tienen alto alcance, seguridad, rendimiento, interoperabilidad y fidelidad se pueden usar para dar cobertura inalámbrica en interiores, para conexiones de exteriores de alto alcance y puede ser usado como puente. 2.3 Infraestructura de una Red WLAN La infraestructura de una red de datos, es la parte más importante de todas nuestras operaciones, dado que si nuestra estructura de medio de transporte es débil y no lo conocemos, por lo tanto nuestra red de datos no puede tener un nivel alto de confiabilidad. Los requisitos básicos para una infraestructura de red WLAN para soportar voz son: densidad y cobertura generalizada. La densidad se refiere a la intensidad de la señal y la generalización se refiere a la cobertura. La velocidad de transmisión en la red y los impactos de intensidad de la señal en los usuarios hace que el número de llamadas simultáneas sobre un punto de acceso sea mayor, el objetivo es proporcionar una señal con fuerza que dará lugar a la utilización más eficiente de la red, los retrasos de transito más cortos y el máximo número de llamadas. (Motorola) 2.3.1. Densidad WLAN Con respecto a la densidad, hay dos factores importantes que caracterizan a las WLANs, medios de comunicación compartidos y modulación adoptada. Los medios de comunicación compartidos significa que todos los dispositivos asociados a un punto de acceso no utilizan en su totalidad el canal de comunicación. Cuanto mayor es la demora que los usuarios experimentan, mayor es el volumen de tráfico de usuarios por el acceso al canal como en cualquier red; un factor clave para el suministro de voz de alta calidad es la cobertura de la señal que da mejor eficiencia a la red y a su vez conduce a reducir las demoras de tránsito. Para voz de.

(43) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 32. calidad de servicio el requisito es proporcionar un retardo de extremo a extremo por debajo de 150mseg. Modulación adoptada significa que el dispositivo WLAN reduce sus tasas de transmisión debido a que la intensidad de la señal disminuye y la relación señalruido (SNR) se degrada. La intensidad de la señal es principalmente un factor que depende de la distancia al punto de acceso y cualquier obstrucción en el camino sería un aspecto que influye en la calidad de la señal. En un medio compartido de red, la modulación adaptativa significa que los transmisores más rápidos y más lentos van a compartir el mismo canal. Es preciso destacar que hay un mejor aprovechamiento del canal si todas las estaciones transmiten a sus velocidades de datos más altas, además los dispositivos con mala calidad de la señal no sólo transmiten a velocidades más bajas sino que tendrán que retransmitir con más frecuencia, creciente demora y eficiencia degradantes. Para que un sistema funcione con una buena calidad hay que tener en consideración que la relación señal-ruido (SNR) sea de 18 a 20 dB. 2.3.2 Área de cobertura WLAN La clave para proporcionar servicios de alta calidad de voz en un diseño de red WLAN es ofrecer una buena potencia de señal en toda el área de cobertura, todo funciona mejor con una señal fuerte. Los dispositivos transmitirán a velocidades de datos más altas, el canal se utilizará de manera más eficiente y habrá un menor número de retransmisiones lo que conduce a una mayor capacidad de las llamadas. La buena calidad de la señal es el resultado del diseño de una red de sonido y una configuración con puntos de acceso suficientes para apoyar el volumen previsto de tráfico de voz. Mantener ese nivel de rendimiento con el tiempo que requiere un sistema de gestión de red que monitoriza los volúmenes de tráfico e identifica las áreas problemáticas antes de que afecten el rendimiento del usuario. 2.4 Capacidad de voz sobre WIFI La capacidad de una red inalámbrica es la máxima cantidad de datos o el número de usuarios que pueden acceder al mismo tiempo a la red. Cuantos más usuarios existan en la.

(44) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 33. red, más datos pueden ser esperados para llevar. Al igual que en las redes telefónicas celulares cuando la cantidad de datos excede la capacidad de la red, los usuarios móviles VoWI-Fi se le caen las llamadas o se bloquean. La mayoría de las implementaciones de WIFI se basan en el estándar IEEE 802.11b, aunque los productos basados en el estándar IEEE 802.11g han ido ganando aceptación debido a la alta tasa de transferencia (54 Mbps) y la compatibilidad con los productos actuales. El estándar IEEE 802.11a ofrece la misma velocidad de transferencia de datos que IEEE 802.11g pero no tiene compatibilidad con versiones anteriores y su interoperabilidad con IEEE 802.11b/g debido a su funcionamiento en la banda frecuencia de 5 GHz, por sus características este estándar ha tenido un crecimiento notable en los últimos años su abundante ancho de banda y espectro despejado son algunas características que lo hacen diferente de los otros estándares. El tema de la disponibilidad del espectro es lo que hace que esta tecnología sea diferente, la cantidad de canales no solapados la ubican como la preferida para aplicaciones de voz en entornos de alta densidad. Debido a que cada AP tiene un ancho de banda máximo, el ancho de banda total se divide con la cantidad de usuarios que utilizan actualmente el AP. Cada nuevo dispositivo inalámbrico que se conecta al AP hace que el total del ancho de banda disponible para cada usuario sea menor. Esto es especialmente importante porque los usuarios agregan ancho de banda con intensivas aplicaciones como VoWI-Fi (Voz sobre WIFI). (Motorola, 2006) Por estas razones de ancho de banda y la creciente demanda es necesario utilizar de manera más eficiente los canales existentes y aprovechar las nuevas frecuencias, estas estrategias ofrecen esperanzas de acercase a los límites del estándar IEEE 802.11n, este es un estándar que la velocidad real de transmisión podría llegar a los 500 Mbps lo que significa que las velocidades teóricas de transmisión serían aún mayores, y debería ser hasta 10 veces más rápida que una red bajo los estándares IEEE 802.11a y 802.11g, y cerca de 40 veces más rápida que una red bajo el estándar IEEE 802.11b..

(45) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 34. 2.4.1 Aumentar la capacidad de WLAN Comúnmente conocido como Gigabit Wi-Fi, el estándar IEEE 802.11ac refina aún más los avances introducidos por IEEE 802.11n, combinándolos para aumentar significativamente la capacidad total de WLAN. Los productos del estándar IEEE 802.11ac con certificación Wi-Fi utilizan velocidades de datos más rápidas, transmisiones empaquetadas de manera más apretada, canales de 5 GHz más limpios y canales más amplios para soportar aplicaciones de muy alto rendimiento, tales como video de alta definición y aplicaciones de voz de alta calidad. En cuanto a las características que presenta el estándar IEEE 802.11ac estas son algunas de sus ventajas con respectos a los otros estándares. Velocidad: Las velocidades de datos de IEEE 802.11n alcanzan un máximo de 450 Mbps a 600 Mbps, utilizando tres a cuatro secuencias espaciales para entregar el tráfico. La primera ola de productos IEEE 802.11ac utiliza los mismos flujos espaciales para alcanzar velocidades de hasta 1,3Gbps. Pero los resultados en el mundo real siguen dependiendo de la capacidad del cliente y la distancia. Por ejemplo, se puede esperar que un teléfono inteligente de un solo flujo, que transmite a 150 Mbps con IEEE 802.11n, llegue a 433 Mbps con IEEE 802.11ac. Debido a que enviar datos más rápidamente requiere un tercio del tiempo aire, 802.11ac podría permitir a los administradores ver un aumento correspondiente en el número máximo de usuarios por AP. Eficiencia espectral: Tanto IEEE 802.11n como IEEE 802.11ac utilizan la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) para enviar datos, pero IEEE 802.11ac puede empacar cuatro veces más datos en cada transmisión. Desafortunadamente, 256-QAM solo funciona en distancias cortas, y por lo tanto solo cuadruplica la capacidad para los clientes dentro de aproximadamente 6 metros. Solamente 5 GHz: A diferencia de IEEE 802.11n, que opera sobre canales elegidos de la banda 2,4 GHz por estar muy llena, como la banda de 5 GHz es menos congestionada, IEEE 802.11ac presta servicios a los clientes solamente en esta banda. Debido a la menor interferencia en 5 GHz y a los avances de ingeniería de radiofrecuencia, es probable que los dispositivos IEEE 802.11ac experimenten una.

(46) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 35. mejor tasa por encima del rango que sus contrapartes 802.11n, nuevamente aumentando la capacidad total de WLAN. Canales más amplios: El estándar IEEE 802.11n duplicó el rendimiento mediante la combinación de dos canales de 20 MHz de amplitud en un canal de 40 MHz. Mientras que los productos IEEE 802.11ac repite esto añadiendo canales de 80 MHz y 160 MHz de amplitud, es necesario destacar que canales más amplios no aumentan el espectro disponible, la banda de 5 GHz es de apenas 1 GHz de ancho.. Por esta razones podemos decir que en este estándar se ve un aumento inmediato en la capacidad WLAN, especialmente cuando es utilizada por los teléfonos inteligentes más recientes, tabletas y portátiles que ahora cuentan con IEEE 802.11ac. Con la utilización de la tecnología MIMO (múltiples entradas, múltiples salidas) aumenta la capacidad del enlace inalámbrico usando varias antenas de transmisión y recepción ver Figura 2.3 por las que se transmiten flujos de datos de forma simultánea.. Figura 2.3 Sistema MIMO con (2 transmisores y 3 receptores). 2.5 Tipo de Servicio de Voz El tipo de servicio que queremos prestar es de voz con calidad en la red WIFI de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas, la calidad de servicio (QoS) es el valor más importante a la hora de dar soporte a aplicaciones exigentes como la VoIP en cuanto a sus características de tiempo real. Las nuevas tecnologías radio que han ido surgiendo en.

(47) CAPÍTULO 2. Diseño de VoWi-FI en el campus de la UCLV. 36. los últimos años han ido incorporando mecanismos para dar soporte a este y otros tipos de tráfico con requisitos de tiempo real, es el caso de las nuevas evoluciones de WIFI como el IEEE 802.11n en su última versión de Septiembre de 2009, y el IEEE 802.11e que está enfocado a la calidad de servicio. Cada servicio, es decir cada tipo de tráfico, tiene necesidades diferentes, por eso es preciso diferenciarlo y aplicarle un tratamiento individual acorde a sus requerimientos, este proceso recibe el nombre de calidad de servicio, esto no solo proporciona la posibilidad de ofrecer datos, voz y video con calidad, si no que aporta herramientas para priorizar tráficos, como es el caso (priorizar Voz, sobre correo o viceversa) o por el origen. En los casos donde el sistema deba transmitir datos sensibles como es el caso de la voz, no es suficiente con disponer de buen ancho de banda, se debe implementar necesariamente QoS. Porque si durante la transmisión de voz, se produce una descarga de datos este podría ocupar todo el ancho de banda disponible, ya que la descarga de datos llevaría menos tiempo, y la red debería sacrificar paquetes de datos en favor de los de voz, pues los datos tienen mecanismos de recuperación y la única consecuencia seria la demora del servicio y no la interrupción de este, si el sacrificio lo realizara el tráfico de voz este si se interrumpiera. 2.6 Patrones de Tráfico y Movilidad Prever los volúmenes de tráfico de una red es difícil, las tendencias a la utilización cambian constantemente, el monitoreo de los patrones de tráfico de una red se realizan a un nivel específico para cada interfaz, el análisis de los patrones de tráfico es un factor complementario dentro de la función de Seguridad Informática. Tráfico VoIP Los paquetes de voz se generan cada 20 ms. El sistema de detección de actividad de voz, envía paquetes de silencio cada 160 ms cuando no hay actividad, si se asume que el Delay del Core de la red es de 100 ms, quedan 150 ms para que la capa MAC haga todos los procedimientos necesarios. VoIP pertenece a la categoría de tráfico conversacional y por lo tanto el retardo debe mantenerse en límites aceptables, el retardo promedio entre boca-oído está en el orden de 250 ms..