Precauciones y aspectos a considerar en la planificación y despliegue radio de una red WLAN para garantizar su éxito

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1 Precauciones y aspectos a considerar en la planificación y despliegue radio de una red WLAN para garantizar su éxito D. José Ignacio Alonso Montes. Catedrático de Universidad. Dpto. Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, 22 de Enero de

2 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

3 Protocolos IEEE 802.x 7 APLICACIÓN 6 PRESENTACIÓN 5 SESIÓN La familia de protocolos IEEE 802.x 4 TRANSPORTE 3 RED ENLACE DE DATOS LLC CONTROL DE ENLACE LÓGICO MAC (CONTROL DE ACCESO AL MEDIO FÍSICO IEEE Ethernet y Fast Ethernet IEEE (LLC Control de Enlace Lógico) IEEE Token Bus IEEE Token Ring IEEE DQDB IEEE Ethernet Isócrono IEEE Redes Inalámbricas IEEE Radio Fija

4 Protocolos IEEE ENLACE DE DATOS LLC -CONTROL DE ENLACE LÓGICO- MAC -CONTROL DE ACCESO AL MEDIO- Como en cualquiera de los protocolos 802.x, el protocolo cubre las capas Física y MAC -Medium Access Control-. El estándar define un único MAC que interacciona con varias capas físicas. Función de Coordinación Centralizada Función de Coordinación Distribuida CSMA / CA 1 FÍSICO FHSS Saltos de Frecuencia DSSS Secuencia Directa IEEE ; 2 Mb/s Banda de 2,4 GHz IR Infrarrojos OFDM MDF Ortogonal IEEE a 6-54 Mb/s Banda 5.x GHz HR-DSSS Secuencia Directa IEEE b 5,5; 11 Mb/s Banda 2,4 GHz OFDM MDF Ortogonal IEEE g 6-54 Mb/s Banda 2,4 GHz

5 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

6 Principales estándares IEEE Estándar IEEE Finalización Frecuencia Velocidad máxima Throughpyt típico Interfaz aire Disponibilidad Comercial Otros aspectos IEEE b IEEE g IEEE a IEEE h Junio GHz ISM 2.4 GHz ISM 2 Mbps 11 Mbps 1 Mbps 5.5 Mbps SS-FH / SS- DS Superado por el b SS-DS > 900 productos 2.4 GHz ISM 11 Mbps / 54 Mbps 5.5 Mbps / 34 Mbps SS-DS / OFDM Disponible en el mercado 5 GHz 5 GHz 54 Mbps 54 Mbps 34 Mbps 34 Mbps OFDM Disponible en el mercado Uso en Europa con limitaciones OFDM Los protocolos IEEE proveen seguridad mediante dos atributos: Autentificación y Cifrado. Los Puntos de Acceso IEEE actuales vienen equipados con capacidad de Autentificación y Cifrado según el algoritmo WEP (Wired Equivalent Privacy). Mejoras de éste protocolo están disponibles desde Agosto 2003: WPA (Wireless Protected Access) Existen nuevos estándares bajo desarrollo: IEEE i: Mejora de la efectividad del WEP. IEEE e: Calidad de Servicio (QoS) y Aplicaciones multimedia DCA / Control de potencia (para facilitar su uso en Europa)

7 Capa física b Velocidad de Datos del IEEE b Velocidad Longitud de Código Modulación Vel. de Símbolo Bits/Símb. 1 Mbps 11 (Secuencia Barker) BPSK 1 MSps 1 2 Mbps 11 (Secuencia Barker) QPSK 1 MSps Mbps 8 (CCK) QPSK MSps 4 11 Mbps 8 (CCK) QPSK MSps 8 Espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS)

8 Canalización: b y a Tres canales DSSS sin solapamiento (EUROPA) 30 MHz 30 MHz Europa: 13 canales Separación entre: Canales: 5 MHz. Canales sin solapamiento: 30 MHz. Canales (1, 7, 13) Para multiceldas se utilizan canales sin solapamiento. 2,4 GHz 2,412 GHz 2,442 GHz 2,472 GHz 2,4835 GHz Canal 1 Canal 7 Canal 13 Estándar b Estándar a El g tiene el mismo espectro, con canales separados 30 MHz en la banda de 2.4 GHz.

9 Capacidades 500 Mb/s/red 5 GHz OFDM Europa 18 Mb/s 2.4 GHz OFDM GHz CCK US 12 Mb/s Mb/s (Japón: 4) 3 54 Mb/s (Japón: 4) Japón 4 Mb/s b g a

10 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

11 Tipos de aplicación de redes W-LAN Aplicaciones Privadas Residencial (Home Networking) SoHo y Pymes Redes Corporativas Campus universitarios Aplicaciones Públicas Tiendas, cafés Cobertura de pequeños núcleos de usuarios: Hoteles Acceso rural a Internet Redes libres ciudadanas Cobertura de Hot Spots (aeropuertos, centros de congresos,..)

12 Escenarios Públicos Necesidades de capacidad reducidas: Tiendas, cafés, acceso rural,... Grandes necesidades de capacidad: Hoteles, aeropuertos, estaciones,... Privados Necesidades de capacidad reducidas: home-networking, SOHO (Small office/home office),... Grandes necesidades de capacidad: Redes corporativas. Interiores Tiendas, cafés, hoteles,... Redes corporativas, aeropuertos,... Exteriores Campus, acceso rural, redes ciudadanas, Redes corporativas entre edificios,..) Garantizar la Cobertura Problemático en entornos de interior Garantizar la Capacidad Problemático en redes de alto tráfico Necesidad de un estudio detallado de cada entorno

13 Ejemplo de exteriores Acceso a Internet a embarcaciones de recreo en los puntos de atraque de un puerto deportivo. La zona de interés abarca 15 pantalanes en los que se estima una demanda de 80 conexiones simultáneas. Capacidad disponible por usuario, aproximadamente, como la de una línea ADSL en condición de carga. Capacidad máxima requerida: 256 x 80=20.4 Mbps Capacidad neta por Punto de Acceso: 5.5 Mbps aprox. Se requieren 4 puntos de acceso (20.4 Mbps / 5.5 Mbps)

14 Ejemplo de interiores Acceso a Internet, tipo Hot Spot, en el interior de un hotel. La zona de interés abarca tres plantas con 9 habitaciones cada una y una planta con salas de reuniones, sala de conferencias y cafetería. Capacidad disponible por usuario como la de una línea ADSL en condición de carga. El máximo uso será del 40% de los huéspedes del hotel más 2 usuarios en la sala de conferencias y 4 por salas de reuniones. Un total de 25 usuarios. Capacidad máxima requerida: 256 x 25 = 6.4 Mbps Se requieren, al menos, 2 Puntos de Acceso (6.4 Mbps / 5.5 Mbps) La cobertura no está garantizada y se requiere un análisis detallado. El número de Puntos de Acceso puede crecer significativamente. Planta habitaciones 3 Planta habitaciones 2 Planta habitaciones 1 Planta Baja

15 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

16 Metodología a seguir Especificaciones de la red. Especificación funcional. Arquitectura de Red: Dimensionado. Equipamiento (a refinar tras la planificación radio). Planificación radio. Emplazamientos y composición de las estaciones radio. Cálculo del nivel de Emisiones Radioeléctricas. Generación del Proyecto Técnico. Planos, esquemas, presupuesto de ejecución. Despliegue, certificación y puesta en servicio.

17 Planificación radioléctrica Objetivo. Definir y determinar las estaciones fijas y sus ubicaciones. Calcular las prestaciones esperadas de la red en el área de servicio. Datos de entrada. Dimensionado. Detalles geográficos/topográficos/geométricos de la zona de despliegue. Restricciones de los emplazamientos, disponibilidad de alimentación, red de datos, etc. Restricciones en cuanto a las necesidades de capacidad. Datos de salida. Emplazamientos concretos de las estaciones fijas del sistema, definición de la composición de las estaciones, tipos de antenas, etc. Niveles de señal esperados. Capacidad esperada en condiciones de carga (CIR/MIR) Datos para la conexión a red y tipo de conexión. Cálculo del nivel de emisiones radioeléctricas.

18 Planificación WLAN La planificación debe garantizar el cumplimiento de los requisitos de Cobertura y de Capacidad. Cuando una sola celda no sea suficiente para cumplirlos se debe utilizar una configuración multicelda. Modelo de propagación de doble pendiente. Paso a oclusión de la visión directa: 1Km exteriores y 300m en interiores. La capacidad máxima alcanzable es función de la distancia de propagación. Según aumenta la distancia entre Tx y Rx la SNR empeora y es necesario retransmitir paquetes erróneos o cambiar a una modulación más robusta. Las antenas utilizadas son pasivas. Su ganancia y directividad depende de la geometría.

19 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

20 Parámetros más significativos Tx Obstaculo PRx = PTx +GTx+GRx-Lv PRx = Potencia recibida PTx = Potencia transmitida GTx= Ganancia antena Tx GRx= Ganancia antena Rx Lv = Pérdidas del vano Rx 9000 Características del Transmisor Potencia de salida Espectro de transmisión Bit rate /Modulación / Codificación Características del Receptor BER vs Modulación vs Potencia recibida Robustez frente a Interferencias (co-canal / canal adyacente) Sistema Radiante Ganancia de las antenas Directividad de las antenas Características del canal de transmisión Obstáculos parciales, vegetación,... Reflexiones (propagación multitrayecto) Atenuación de las paredes Señales interferentes La potencia recibida debe ser superior al umbral del receptor (nivel de potencia que proporciona el BER mínimo admitido) más un cierto margen de seguridad.

21 Ejemplo de características básicas: Transmisor Transmisor IEEE b (Spread Spectrum - Direct Sequence) Características básicas del transmisor: Potencia de salida: 20 dbm La regulación española limita la PIRE. PIRE = Potencia del transmisor x Ganancia de la antena. Posibilidades de modulación (ver figura): Variable por comando. Cambio automático en función de las características del vano radio. Espectro de salida: La tecnología b utiliza la banda de 2.4 GHz. con un ancho de banda de 22 MHz. Estándar b Velocidad BB Modulación 1 Mbps BPSK 2 Mbps QPSK 5.5 Mbps QPSK 11 Mbps QPSK 0 dbr Espectro Tx b -30 dbr -50 dbr fc-11 MHz fc+11 MHz fc-22 MHz fc fc+22 MHz

22 Ejemplo de características básicas: Receptor Receptor IEEE b (Spread Spectrum - Direct Sequence) Características básicas del receptor: Sensibilidad del Receptor (ver figura) Diferentes técnicas de modulación exigen diferentes SNR para ofrecer un mismo BER (Bit Error Rate). El F (factor de ruido) y el B (ancho de banda) del receptor también influyen en la sensibilidad. Potencia recibida necesaria para un determinado BER. PRx (BER) > KTB + F + SNR (BER). Prestaciones por Modulación Relación S/N (db) SNR 1 Mbps SNR 2 Mbps SNR 5.5 Mbps SNR 11 Mbps El producto típico KTBF para un receptor b es, aproximadamente, - 95 dbm. 0 0, , ,0001 0,001 0,01 0,1 Probabilidad de error

23 Modelo de propagación (I) Una propuesta interesante en WLAN es utilizar un modelo de doble pendiente (equilibrio entre propagación e interferencia) Atenuacion por propagacion dk=1000m Atenuacion por propagacion dk=300m Ejemplo de propagación en exteriores Ejemplo de propagación en interiores Atenuacion en db Espacio libre Obstrucciones Doble pendiente Atenuacion en db Espacio libre Obstrucciones Doble pendiente Distancia en metros Distancia en metros La d k a elegir depende del entorno especifico (interiores, exteriores, clutter, ). Es un parámetro relacionado con la frecuencia y con la altura de las antenas transmisora y receptora sobre el nivel medio de obstrución. Su elección se basa en la experiencia.

24 Modelo de propagación (II) Las pérdidas de propagación L D (db.) en el modelo de doble pendiente vienen dadas por la siguiente expresión: Coeficiente de propagación de espacio libre Distancia de cambio de pendiente o Turning point L ( 2.4GHz) = log ( d ) 20.7 log( d k + L D d ) 33 log d ( d ) + 33 log( d ) k k + L D d > d k Coeficiente de propagación con oclusión parcial Atenuación debida a la difracción d, d K en Km L b a + b log = c + e log ( d ) ( d ) d d d > d k k

25 Atenuación en interiores Atenuación debida a las paredes Tipo de obstáculo Suelo Pared de ladrillos con ventana Pared de oficina Puerta metálica en pared de oficina Puerta metálica en pared de ladrillos Pared de ladrillos cerca de puerta metálica Penetración en un edificio Atenuación (db) L + + ( 2.4GHz) log( d ) + LD pisos = paredes

26 Alcance según tipo de antenas (802.11b) Capacidad (Mbp Capacidad vs distancia b Antena AP 0dBi, Antena adap 0dBi Distancia (m) Capacidad vs distancia b Antena AP 10dBi, Antena adap 15dBi Capacidad (Mbps 2 Aunque técnicamente se 1 puedan alcanzar distancias considerables, la regulación limita la PIRE, y por tanto, el alcance máximo puede ser inferior Capacidad vs distancia b Antena AP 6dBi, Antena adap 12dBi Distancia (m) Capacidad vs distancia b Antena AP 15dBi, Antena adap 20dBi Capacidad (Mbp Capacidad (Mbps Distancia (m) Distancia (m)

27 Problemas de cobertura?? Planificación Multicelda, con múltiples Puntos de Acceso: Área a cubrir es superior al alcance de la tecnología (o existen obstáculos que impiden la cobertura de determinadas zonas). Planificación multicelda con 3 frecuencias Celdas adjuntas deben usar frecuencias diferentes pues el re-uso de una misma frecuencia reduce la capacidad. Si sólo tenemos problemas de cobertura (y no de capacidad) un plan a 3 frecuencias (802.11b) puede ser suficiente para cumplir con nuestros objetivos. En la banda de 2.4 GHz (España) se pueden utilizar 3 frecuencias diferentes sin solape espectral.

28 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

29 Capacidad bruta de pico Capacidad vs Potencia Recibida Capacidad (Mbps) Potencia Recibida Los usuarios se asocian al Punto de Acceso que les ofrece mayor potencia recibida. La capacidad de pico es la que dispone un usuario cuando no comparte con otros los recursos del sistema. A B La capacidad de pico de un usuario depende de su relación S/N, y por tanto, de la potencia recibida (variable con la distancia): Usuario A: 11 Mbps de capacidad de pico C Usuario B: 5.5 Mbps de capacidad de pico Usuario C: 2 Mbps de capacidad de pico Garantizar que el 100% de un área tenga 11 Mbps de capacidad de pico puede exigir la instalación de varios Puntos de Acceso..

30 Capacidad de pico y capacidad en carga A B C La instalación de Puntos de Acceso adicionales puede mejorar la capacidad de pico de algunos usuarios: Usuarios A/C: 11 Mbps de capacidad de pico Usuario B: 5.5 Mbps de capacidad de pico (potencia recibida del AP al que se asocia, aún no es suficiente para disponer de 11 Mbps) La capacidad de pico se relaciona con la potencia recibida desde el AP al que se asocia un usuario: Si los dos AP estuviesen a la misma frecuencia A y C todavía tendrían 11 Mbps de pico. La capacidad en carga es la disponible cuando cada AP tiene un abonado activo. Cuando usamos la misma frecuencia en los dos AP la capacidad en carga se reduce aproximadamente en un 50% debido a que cuando un abonado intenta acceder al canal (CSMA-CA) encontrará que la frecuencia esta ocupada por el abonado del otro AP. Capacidad en carga de A y B: 5.5 Mbps. Capacidad en carga de B : 2.8 Mbps Si queremos garantizar que la capacidad en carga sea semejante a la capacidad de pico hay que utilizar frecuencias diferentes en los dos AP y que no se interfieran entre si.

31 Capacidad total en el área de interés A B C Cuando se finaliza la planificación radio es conveniente conocer el % del área de interés que cumple con los requerimientos del sistema: % de área en función de la capacidad de pico % de área en función de la capacidad en carga Caso de Estudio: Cobertura de un gran espacio de interiores (ver figura) con dos Puntos de Acceso Los dos Puntos de Acceso utilizan la misma frecuencia (caso no recomendable) Capacidad Bruta de Pico 11 Mbps 5.5 Mbps % de área 75% 100% 11 Mbps 5.5 Mbps 2.7 Mbps Capacidad Bruta en Carga 75% 100% Área cercana a los AP donde el AP lejano se recibe con muy bajo nivel % de área

32 Ejemplo de planificación con 2 frecuencias Escenario de Interiores. Recinto delimitado por paredes. Uso de 2 Puntos de Acceso. Antenas omnidireccionales. Considera diagramas de radiación y atenuación de las paredes En todos los puntos del recinto hay nivel de señal para alcanzar 11Mbps. (802.11b)

33 Qué pasa si reutilizamos frecuencias?? Capacidad usando 1 frecuencia (4 Mbps por AP) Capacidad usando 2 frecuencias (11 Mbps por AP) Al usar CSMA-CA si el sistema detecta la existencia de una portadora no transmite para evitar colisiones. Si no se reutilizan frecuencias se disminuye drásticamente la capacidad de transmisión.

34 Problemas de Capacidad?? En ocasiones la capacidad requerida es superior a la que ofrece la tecnología utilizando un simple Punto de Acceso. En estos casos se debe recurrir a una Planificación Multicelda utilizando múltiples Puntos de Acceso. Situación 1: Pocos Puntos de Acceso, no más de 4 Planificación sencilla por no haber reuso de frecuencias. Se asigna un canal distinto a cada punto de acceso. Situación 2: Muchos Puntos de Acceso, más de 4 Interviene el reuso de frecuencias, por lo que la capacidad disponible puede verse seriamente afectada si no se planifica adecuadamente (con herramientas especializadas).

35 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

36 Ejemplo de exteriores: Resultados La cobertura no plantea problemas debido a la propagación en exteriores. La capacidad requiere la reutilización de una frecuencia. La separación de los AP que utilizan la misma frecuencia debe optimizarse para minimizar la pérdida de capacidad. Si no se optimiza la capacidad de los 4 PA (con reuso de 1 frecuencia) puede incluso ser inferior a la capacidad de 3 AP (sin reuso de frecuencia). Ubicación Canal AP 1 En el extremo oeste del puerto 13 AP 2 Entre extremo este del puerto y 1er pantalán C 1 AP 3 Entre extremo oeste del puerto y 3er pantalán C 7 AP 4 En el extremo este del puerto 13 AP1 Canal 13 AP2 Canal 1 AP3 Canal 7 AP4 Canal 13 Prestaciones estimadas de la instalación Capacidad bruta total: 35.4 Mbps (integral en el 100% del área) Capacidad neta disponible por usuario en carga: 221 Kbps. Capacidad máxima bruta por usuario: 10.9 Mbps.

37 Ejemplo de Interiores: Resultados La cobertura plantea problemas debido a la alta atenuación de las paredes y de los suelos. El número final de Puntos de Acceso (8) es muy superior al inicialmente considerado. El resultado final de la planificación puede requerir de varias iteraciones hasta garantizar garantizar requisitos de cobertura y de capacidad. Planta Baja: 2 Puntos de Acceso. Niveles de campo: Corte del 90% del área en dbm. Capacidad en carga por Punto de Acceso: corte del 90% del área en 11 Mbps brutos (5.5 Mbps netos). 12,9 m 20,1 m 7 m AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 Planta habitaciones 3 Planta habitaciones 2 Planta habitaciones 1 Habitaciones: 2 AP por planta. Niveles de campo: Corte del 90% del área en dbm. Capacidad en carga por Punto de Acceso: corte del 90% del área en 10.8 Mb brutos (5.4 Mbps netos). AP7 AP8 Planta Baja 14,4m 17,6 m 8 m 11,7 m Canal 1 Canal 7 Canal 13

38 Conexión con la red pública CN300 Access Point CN3000 Access Point & Controller Eth. 10/100 BaseT Ethernet 10BaseT NOC Internet Servers (SMTP, Web/FTP, Radius, DNS/DHCP, VPN, Management..) WLAN CPE Eth. Internet Intranet Router NOC Firewall WLAN AP WLAN CPE

39 Índice Protocolos IEEE para WLAN Prestaciones y limitaciones de los diferentes estándares Posibles escenarios en la planificación radio Diseño. Requisitos a considerar durante la fase de análisis y despliegue Parámetros principales en el cálculo de la cobertura Principales problemas de las redes WLANs Coexistencia con la red cableada Recomendaciones finales y valoración de las distintas soluciones disponibles

40 Valoración de las soluciones disponibles IEEE es un estándar con gran disponibilidad comercial y adecuado para una gran cantidad de aplicaciones: Residencial, SoHo, entornos rurales, Ya existen soluciones g compatibles en muchos casos con b (dual mode) que permitirán un gran incremento de capacidad (54 Mbps). En un futuro próximo estarán disponibles en el mercado dispositivos h que estarán dotados de técnicas de control de la potencia transmitida y de selección dinámica de frecuencia que: Facilitarán la planificación de frecuencias. Permitirán enlaces de hasta 1 W. PIRE., según la legislación española.. Jugarán un papel importante en la redes inalámbricas domésticas.

41 Recomendaciones para la correcta planificación Para una misma potencia transmitida, velocidades bajas de transmisión incrementan el alcance, debido a la fiabilidad en la recepción. En la redes WLANs la anchura de banda es limitada, es esencial, por tanto, un correcta compartición de la capacidad de la red. El problema del acceso múltiple en redes WLANs: El éxito de la transmisión/recepción no es independiente de las otras transmisiones. Es necesario un control de las interferencias, pues de otra manera múltiples transmisiones pueden conducir a colisiones entre las mismas. Desvanecimiento por multitrayecto: Produce una velocidad de transmisión variable que provoca que la conectividad a la red sea intermitente. Necesidad de herramientas de planificación comerciales o de diseño propio. No por usar más Puntos de Acceso se aumenta la capacidad. No olvidar el dimensionado del transporte ( back-haul ) y los aspectos de seguridad.