Planificación de una red inalámbrica para estaciones meteorológicas en el
valle de Latacunga
David Rivas1,*, Mónica Huerta1, 2, Fabricio Pérez1, Mayra Erazo1 y Roger Clotet1, 2
1
Dpto. Electrónica y Eléctrica, Universidad de las Fuerzas Armadas – Latacunga- Ecuador
2
Grupo de redes y Telemática Aplicada, Universidad Simón Bolívar, Caracas – Venezuela
*Autor corresponsal: [email protected]
RESUMEN
Diseñar una red inalámbrica de largo alcance utilizando la tecnología WiFi para ofrecer diversos servicios a comunidades remotas como lo son tele-educación, telemedicina y monitoreo remoto de estaciones meteorológicas. Con este proyecto se pretende brindar conectividad entre las estaciones meteorológicas ubicadas en distintas locaciones del valle de Latacunga en la provincia de Cotopaxi. Además de realizar un estudio comparativo entre los estándares de comunicación 802.11 b/g/n. Para realizar el diseño se utilizó el simulador Radio Mobile, que es software libre y se realizó un análisis espectral de la zona. Se determinó la estabilidad de los enlaces, constatando el estándar 802.11 n supera a sus predecesores, llegando a tener velocidades pico 54Mbps, en condiciones climatológicas óptimas. Con la implementación de este proyecto se obtiene mayor agilidad en el procesamiento de la información generada en las estaciones meteorológicas implementando monitoreo en tiempo real, almacenamiento y procesamiento de datos en la estación central, dejando las visitas in situ a al cumplimiento del programas de mantenimiento preventivo y/o correctivo.
INTRODUCCIÓN
En el año 2011 el Gobierno del Ecuador propone la implementación de fuentes de energía alternativas para contribuir al ahorro energético. Es por ello que se requieren realizar estudios de potenciales energéticos en zonas específicas, ya que solo se cuenta con información global (TECH4CDM, 2013). El problema que se presenta en estos estudios es el monitoreo de los potenciales energéticos en las zonas rurales ya que estas no cuenta con una infraestructura de telecomunicaciones adecuada que permitan proporcionar información en tiempo real.
Diversos estudios han analizado las condiciones climáticas y las infraestructuras para desplegar una red de comunicaciones, en zonas rurales, utilizando redes inalámbricas (Raman, 2007; Sudhahar, 2010; Sheth, 2007; Kameswari, 2006; Siris 2012). También se han realizado estudios enfocados en analizar la reducción de los costos de instalación (Kora, 2011). Chaoyang (2010) realiza un trabajo sobre mediciones de la variación de temperatura en varias ciudades de China. Moore (2000) diseña e implementa una red de medidores de precipitaciones en el Reino Unido utilizando tecnología de radio frecuencia, con sus consiguientes limitaciones: no tener comunicación multipunto y bajo ancho de banda. Varios autores han realizado enlaces WiFi de larga distancia en zonas rurales (Kameswari, 2006; Flickenger, 2008; Patra, 2007), entre ellos destaca el trabajo realizado por la Universidad de los Andes en Venezuela donde se estableció un enlace de 382 km desde el pico el Águila a Platillon (Flickenger, 2008).
La región de Cotopaxi presenta características apropiadas para establecer ubicaciones de fuentes de energías alternativas. Pero presenta dificultad en el acceso a las zonas óptimas.
Adicionalmente no dispone de infraestructura de telecomunicaciones, lo que no permite tener información en tiempo real.
El objetivo de este proyecto es diseñar e implementar una red inalámbrica para estaciones meteorológicas, basándose en el estándar de comunicación 802.11 modificado para largas distancias. Este despliegue permitirá tener información en tiempo real de cada uno de los emplazamientos seleccionados. Toda la información estará almacenada en un centro de monitoreo y control, generando de esta manera una base de datos referente a los fenómenos climáticos de la zona de estudio.
Redes Inalámbricas de Banda Ancha
La conexión de banda ancha inalámbrica orientada a la transmisión de datos, a través de los puntos de acceso WiFi se han masificado gracias a la reducción significativa de costos de esta tecnología, la liberación del uso de estas bandas y la incorporación en los computadores personales de un circuito integrado que aporta las facilidades de radiocomunicación WiFi, basada en los estándares 802.11 b/g/n de la IEEE (Kidwai, 2008; Yousuf, 2011).
Las velocidades de acceso de los equipos WiFi dependen de la distancia al punto de acceso o estación base, potencia aparente radiada y la modulación empleada, entre otros parámetros. Algunas estaciones bases han incorporado la tecnología MIMO (Input
Multiple-Output) (Raychaudhuri, 2012) con el estándar 802.11n, que aumentan el ancho de banda de
transmisión a 300 Mbps hasta 70 metros, en bandas de 2,4 GHz y 5,8 GHz. Cabe señalar que en la mayoría de los países de la región no se requiere autorización para operar en las bandas de 2.400 a 2.483,5 MHz y 5.725 a 5.875 MHz. Una gran cobertura rural con conectividad de banda ancha requerirá, entre otros factores, contar con nuevas bandas de frecuencias de uso libre para WiFi de larga distancia en bandas concesionadas en 2,4 GHz y 5,8 GHz.
Estándar 802.11
El estándar original de 802.11 IEEE especifica dos velocidades de transmisión teóricas de uno y dos megabits por segundo (Mbit/s) que se transmiten por señales infrarrojas (IR). IR sigue siendo parte del estándar. El estándar original también define el protocolo CSMA/CA (Múltiple acceso por detección de portadora evitando colisiones) como método de acceso. Una parte importante de la velocidad de transmisión teórica se utiliza en las necesidades de esta codificación, lo que permite mejorar la calidad de la transmisión, bajo condiciones ambientales diversas. En el estándar 802.11b, que fue el primero de esta familia en alcanzar amplia aceptación entre los consumidores, se corrigieron algunos inconvenientes de la primera versión. En la Tabla 1 se hace una comparación entre las diferentes versiones del estándar 802.11.
Tabla 1 Características del estándar 802.11. (Yousuf, 2011; IEEE, 2012)
Tecnología 802.11 802.11b 802.11ª 802.11g 802.11n
Usos típicos Acceso inalámbrico a Internet
Rango típico -30 m interiores -200 m Exteriores -30 m interiores -200 m Exteriores -15 m interiores -100 m Exteriores -30 m interiores -200 m Exteriores -100 m interiores Tasa de frecuencia Max 2Mbit/s 2,4 GHz sin licencia Max 11Mbit/s 2,4 GHz sin licencia Max 54 Mbit/s 5 GHz sin licencia Max 54 Mbit/s 2,4 GHz sin licencia >100 Mbit/s 2,4 GHz sin licencia
Capa Física FHSS/DSSS DSSS OFDM OFDM OFDM con
múltiples antenas (MIMO) Capa MAC Compatibilidad CSMA/CA n.a CSMA/CA 802.11 CSMA/CA Ninguno CSMA/CA 802.11b CSMA/CA 802.11b Año del estándar 1997 1999 1999 2003 2009 Producto desde 1998 1999 2002 2003 2006
Diseño del sistema
Planificación de red inalámbrica de larga distancia.
La red inalámbrica de larga distancia se diseñó siguiendo recomendaciones de Organismos Nacionales como el Ministerio de Energías Renovables, Municipios, Gobiernos Provinciales, entre otros, pero también atendiendo sugerencias emitidas por pobladores de las zonas a ser estudiadas. Uno de los primeros servicios que se pretende implementar con esta red es la interconexión de estaciones meteorológicas. Para este proyecto se analizaron los emplazamientos de la Provincia de Cotopaxi, así como la planificación de los radio enlaces y de la red de datos.
Emplazamiento
Los emplazamientos que se han seleccionado para realizar las mediciones en este proyecto son los siguientes:
- ESPE Latacunga; ubicado en coordenadas 00º 55` 57``S 78º 36` 35``O, a una altura de 2894,5 metros sobre el nivel del mar, aquí se instalara la central de recepción de datos y procesamiento.
- ESPE Belisario Quevedo; ubicado en coordenadas 00º 59` 47``S 78º 35` 11``O, a una altura de 2745 metros sobre el nivel del mar corresponde al nuevo campus de la ESPE.
- ESPE Sinchaguasin; ubicado en coordenadas 00º 57` 08``S 78º 42` 03,2``O a una altura de 3056 metros sobre el nivel del mar.
- Centro de Convenciones perteneciente a la Extensión. Illuchi; ubicado en coordenadas 00º 55` 16``S 78º 31` 41``O a una altura de 3388 metros sobre el nivel del mar, correspondiente a los reservorios de agua de la central hidroeléctrica del mismo nombre.
- Collas; ubicada en las coordenadas 00º 53` 56,2``S 78º43` 31``O a una altura de 3640 metros sobre el nivel del mar, sitio idónea para la repetidora principal.
Con la determinación de los emplazamientos, y con la caracterización de cada uno de ellos, se diseñaron los radios enlaces en cada emplazamiento. Para la planificación de los mismos se utilizará el software Radio Mobile, debido a que es un software libre y los mapas se pueden descargar sin ningún costo. Adicionalmente, este simulador pose una alta exactitud de las elevaciones. La planificación se la lleva acabo ubicando los emplazamientos dentro del mapa, cotejando la información de la elevación que entrega el programa con los datos obtenidos con el GPS en campo. En la tabla 2, se observa una comparativa entre los datos obtenidos del GPS y los de Radio Mobile.
Tabla 2. Comparativa Datos GPS con Radio Mobile
Ítem Lugar Datos GPS
[m] Datos Radio Mobile [m] Error [m] Error Porcentual 1 ESPE Latacunga 2727 2894,5 -167,5 6,14%
2 ESPE Belisario Quevedo 2789 2745,3 43,7 1,57%
3 ESPE Sinchaguasin 3023 3056,0 -33,0 1,09%
4 Illuchi 3410 3388,4 21,6 0,63%
5 Collas 3670 3640,8 29,2 0,80%
Como se puede observar en la Tabla 2, el error se encuentra dentro del 2%, solo en el emplazamiento de ESPE Latacunga es mayor. Este error se debe a que el GPS no tiene una buena recepción de señal y no se pueda enganchar al satélite debido a la alta edificación de la zona. Con esta información se selecciona los enlaces más viables; siendo los siguientes los que poseen las mejores características:
- ESPE Latacunga - Collas
- ESPE Belisario Quevedo - Collas - ESPE Sinchaguasin - Illuchi - Illuchi – Collas
Con los enlaces seleccionados se efectuara la simulación de los enlaces en frecuencias de en frecuencias de 2,4 y 5 GHz, como se puede observar en la Figura 1.
Figura 1. Simulación de Radio Enlaces a frecuencia de 2.4 y 5 GHz
Planificación de la red de datos
Con los radio enlaces verificados se planifico la red de datos según el diagrama que se detalla en la Figura 2.
Figura 2. Planificación de la red de datos
RESULTADOS
Alineación de las antenas y determinación de la frecuencia
Con los datos obtenidos en la simulación de la elevación y del azimut, se alinearon las antenas. Utilizando el software Wi-Spy se determinó la mejor frecuencia de trabajo para los enlaces. El Wi-Spy es un analizador de espectro que se conecta mediante USB a un computador. La versión utilizada es Analizador de espectros™ DBx Dual Band (2.4 y 5 GHZ) y Video Sender 2.4G Wireless 1W 12CH, con estos equipos se verificó el espectro radio eléctrico, y se pudo determinar en qué frecuencia, y en que canal, se puede trasmitir, siguiendo el procedimiento descrito en Enlaces (2013). En la Figura 3 podemos observar el espectro de frecuencia en las bandas de 2.4 y 5 GHz.
Como se aprecia en la Figura 3, el espectro para una frecuencia de 2.4GHz se encuentra saturado, por lo que existe la mayor probabilidad de interferencias y el espectro para una frecuencia de 5GHz se encuentra libre, garantizando de esta manera una comunicación sin interferencias.
Capacidad de canal.
Para determinar la capacidad del canal se utilizaron 2 métodos; el primero utilizando las herramientas “Monitoreo” del AirOs, la cual permite mostrar el rendimiento de los enlaces y el tráfico de datos actual de las interfaces LAN, WLAN y PPP. La escala y el rendimiento de procesamiento (throughput) (bps, Kbps, Mbps) cambian dinámicamente según el valor medio de rendimiento. Las estadísticas son actualizadas automáticamente y manualmente. Mientras que el segundo método consistió en utilizar un programa de inyección de tráfico como el
ITG (Distributed Internet Traffic Generator), pero no fue muy efectivo debido a que los terminales debían colocarse a cada extremo de la red, este método es más efectivo al realizar configuraciones de colas o prioridades dentro del canal, realizando pocas mediciones. A continuación se analiza los resultados obtenidos en cada uno de los enlaces, analizando el comportamiento de los estándares 802.11 b/g/n, donde se analiza mediante procesos estadísticos la frecuencia de aparición de cada resultado.
Resultados para el Estándar 802.11 b
Desde la Figuras 4 a la 9 se observan las velocidades que se repiten, con mayor frecuencia, en los diferentes enlaces. Las cuales indican una estimación de la velocidad en cada uno de ellos. En la Figura 4a se observa el enlace ESPE Latacunga – Collas con velocidad cerca de los 650 kbps. En la Figura 4b se observa el enlace ESPE Belisario Quevedo –Collas con velocidad cerca de los 600 kbps.
a) b)
Figura 4a) Enlace ESPE Latacunga-Collas y 4b) ESPE Belisario Quevedo – Collas, con 802.11b.
En la Figura 5a se observa el enlace Illuchi – Collas con velocidad cerca de los 500 kbps. En la Figura 5b se observa el enlace ESPE Sinchaguasin - Illuchi con velocidad cerca de los 500 kbps.
Resultados para el Estándar 802.11 g
En la Figura 6a se observa el enlace ESPE Latacunga – Collas con velocidad cerca de los 2 Mbps. En la figura 6b se observa el enlace ESPE Belisario Quevedo – Collas con velocidad cerca de los 2 Mbps.
a) b)
a) b)
Figura 6a) Enlace ESPE Latacunga-Collas y 6b) ESPE Belisario Quevedo – Collas, 802.11g
En la Figura 7a se observa el enlace Illuchi – Collas con velocidad cerca de los 2 Mbps. En la Figura 7b se observa el enlace ESPE Sinchaguasin - Illuchi con velocidad cerca de los 2 Mbps.
a) b)
Figura 7a) Enlace Illuchi-Collas y Figura 7b) ESPE Sinchaguasin – Illuchi con 802.11g
Estándar 802.11 n
En la Figura 8a se observa el enlace ESPE Latacunga – Collas con velocidad cerca de los 12 Mbps. En la Figura 8b se observa el enlace ESPE Belisario Quevedo – Collas con velocidad cerca de los 11.5 Mbps.
En la Figura 9a se observa el enlace Illuchi – Collas con velocidad cerca de los 11 Mbps. En la Figura 9b se observa el enlace ESPE Sinchaguasin - Illuchi con velocidad cerca de los 9 Mbps.
a) b)
a) b)
Figura 9a) Enlace Illuchi-Collas y 9b) ESPE Sinchaguasin – Illuchi con 802.11n
CONCLUSIONES
En este trabajo se diseñaron e implementaron enlaces WIFI de Largo Alcance en la Provincia de Cotopaxi. El desarrollo de redes de datos en la provincia de Cotopaxi, es bajo, pues el índice de penetración de internet en zonas rurales es inferior al 15%, esto se debe a la poca inversión de organismos gubernamentales en esta área de las comunicaciones. El espectro de radioeléctrico, en frecuencia de 2.4GHz, se encuentra saturado en la ciudad de Latacunga, por la presencia de varias redes dentro de la zona urbana. Pero en la frecuencia de 5GHz, se encuentra despejado. Se puede apreciar una mejora en las velocidades de transmisión con el estándar 802.11n debido a sus mejoras en la modulación que se adaptan de mejor manera a este tipo de enlaces, además frecuencia de 5Ghz se encuentra poco utilizada por lo que no existen interferencias. La estabilidad de los enlaces es bueno en todas las versiones, pero el rendimiento del estándar 802.11n supera a su predecesores, llegando a tener velocidades pico 54Mbps, en condiciones climatológicas óptimas. El comportamiento de los enlaces se puede ver afectados por eventos climatológicos, como lluvias, neblina, granizadas y ventiscas, las cuales interfieren con los enlaces y desalinean las antenas Se recomienda realizar un estudio más detallado de la relación de las condiciones climatológicas con respecto a la velocidad del enlace 802.11 b/g/n.
RECONOCIMIENTOS (AGRADECIMIENTOS)
Los autores agradecen al Proyecto Prometeo de la SENESCYT– Ecuador y a la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE Extensión Latacunga por el apoyo financiero para este proyecto.
REFERENCIAS
Chaoyang Sun; Quanqin Shao; Jiyuan Liu; Wenhui Kuang, (2010) "Detection of meteorological stations' underlying surface change based on RS and analysis of its influence on air temperature change in China,"Geoscience and Remote Sensing
Symposium (IGARSS), IEEE International, pp.863,866.
Enlaces de larga distancia (2013), revisado el 30 de septiembre del 2013
http://www.it46.se/courses/wireless/materials/es/17_Enlaces-Larga-Distancia/17_es_enlaces-larga-distancia_guia_v01.pdf.
Flickenger, Rob, Steve Okay, Ermanno Pietrosemoli, Marco Zennaro, and Carlo Fonda (2008). "Very long distance Wi-Fi networks." In Proceedings of the second ACM SIGCOMM workshop on Networked systems for developing regions, pp. 1-6. ACM. IEEE (2012) Standard for Information technology Telecommunications and information
exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements. Kameswari C., Bhaskaran R, Sayandeep S (2006). “Long-distance 802.11b links:
performance measurements and experience” MobiCom '06. The 12th annual international conference on Mobile computing and networking, ACM. NewYork, USA.
Kidwai, A.A.; Fu, C.T.; Sadhwani, R.; Chu Chi, D.; Jensen, J.C.; Taylor, S. (2008), "(Invited) An Ultra-Low Insertion Loss T/R switch fully integrated with 802.11b/g/n transceiver in 90nm CMOS,"Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. RFIC 2008. IEEE, vol., no., pp.313,316, June 17.
Kora, A.D.; Tezo, V.N ( 2011), "Design and implementation of low cost microwave Full Duplex system based on WiFi cards for transmission over long distance,"Advanced
Communication Technology (ICACT), 2011 13th International Conference on, vol., no.,
pp.1331,1334.
Moore (2000), Design of the HYREX raingauge network,» Hydrology and Earth System Sciences, vol. 4, nº 4, pp. 521--530.
Patra, Rabin K., Sergiu Nedevschi, Sonesh Surana, Anmol Sheth, Lakshminarayanan Subramanian, and Eric A. Brewer (2007). "WiLDNet: Design and Implementation of High Performance WiFi Based Long Distance Networks."InNSDI, vol. 1, no. 1, p. 1. Raman, B., Chebrolu, K. (2007). Experiences in using WiFi for Rural Internet in India. IEEE
Communications Magazine, Special Issue on New Directions In Networking Technologies In Emerging Economies .
Raychaudhuri, D.; Mandayam, Narayan B (2012), "Frontiers of Wireless and Mobile Communications,"Proceedings of the IEEE, vol.100, no.4, pp.824,840.
Sheth, A.; Nedevschi, S.; Patra, R.; Surana, S.; Brewer, E.; Subramanian, L.(2007), "Packet Loss Characterization in WiFi-Based Long Distance Networks,"INFOCOM 2007. 26th
IEEE International Conference on Computer Communications. IEEE, vol., no.,
pp.312,320, 6-12.
Siris, V.A.; Tragos, E.Z.; Petroulakis, N.E.(2012), "Experiences with a metropolitan multiradio wireless mesh network: design, performance, and application,"Communications Magazine, IEEE, vol.50, no.7, pp.128,136.
Sudhahar, S.; Vatsalan, D.; Wijethilake, D.; Wickramasinghe, Y.; Arunathilake, S.; Chapman, K.; Seneviratna, G. (2010), "Enhancing Rural Healthcare in Emerging Countries through an eHealth Solution,"eHealth, Telemedicine, and Social Medicine, 2010. ETELEMED '10.
Second International Conference on, vol., no., pp.23,28.
Tech4cdm (2013) http://www.tech4cdm.com/ Consultado 30 de septiembre del 2013
Yousuf, M.A.; Roblin, C., "Tri-band antenna for WLAN IEEE-802.11 a/n, b/g/n and y a Generic Planar Antenna Design approach,"Antennas and Propagation (EUCAP),
