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Cuentos de las torres- Capítulo 4: Variables en una instalación Metropolitana

23 de Octubre de 2015

El sistema inalámbrico municipal sujeto a bajo presupuesto está listo para su instalación. Hemos identificado los 2,5 km2 ideales de cobertura. Las farolas se ubican a 7,60 metros, a una distancia entre sí de 200 metros, con electricidad todo el tiempo.


No hay árboles, y las casas, de madera, miden poco más de seis metros. Nadie en la zona posee microondas o routers Wi-Fi de interior. Vamos a llamar a este lugar TriadLand, mi ciudad de fantasía. Mi fantasía, mi nombre. El objetivo para los primeros 2,5 km2 es obtener cobertura de interior absoluta hacia una computadora portátil. Veamos si es realista.


Primero, hace falta calcular la distancia ideal en la que una computadora portátil puede conectarse a un AP, por lo que necesitamos datos técnicos del AP, la antena, y la tarjeta Wi-Fi de la computadora portátil. El AP que usaremos para este diseño es un producto de Ubiquiti: Bullet M2 HP (http://www.ubnt.com/bulletm). La antena es un diseño omnidireccional de 15dBi (testeada cerca de 14dBi), colineal y de polaridad vertical vendida por L-Com (http://www.l-com.com/productfamily.aspx?id=6414). Las especificaciones de la computadora portátil tendrán que ser una conjetura, ya que han de variar. Usaremos 15dBm para potencia de salida, y un alcance de antena de 1dBi para todas las estimaciones. Asumo que la sensibilidad del receptor es la misma que la dep AP. Aunque el Bullet 2M HP tiene certificación únicamente para antenas de 6dBi, anteriormente abordé este tema y tal combinación estará de acuerdo a las normas de la Comisión Federal de Comunicaciones en el transcurso de las próximas semanas.


Algunos lectores perspicaces observarán que el firmware incluido en esta radio no soporta una red mallada, aunque sí soporta WDS. En pocas palabras, cada AP tendrá que conocer la dirección MAC del AP antes y después. Este dato debía ingresarse de forma manual en cada AP. WDS luego crea una conexión tipo layer 2 entre cada AP. Al utilizar WDS en lugar de una red mallada, se pierden dos cuestiones: Primero, si hay una falla en la radio, hay una falla en la ruta, en cuyo caso no hay opción de recuperación salvo ir hasta el lugar y reemplazar el AP. Sin embargo, también es posible conectarse al siguiente AP de forma inalámbrica y realizar una desviación o bypass manual. Segundo, el sistema no brinda ningún tipo de equilibrio de carga. No todos los sistemas mesh obran así, de todas maneras. También tenemos una ruta de actualización, en el caso de que haya grupos de usuarios de banda ancha alta, pero de esto hablaremos más adelante.


El punto de entrada/salida debe ubicarse de modo tal que se minimicen los números de saltos. Tendremos una caída utilizable TCP/IP de 50 Mbps a alrededor de 10 Mbps en cuatro saltos (lo sé: no parece una cuenta acertada, pero está limitada por el procesador, no por el ancho de banda). Más adelante hablaré de una actualización que brinda un salto adicional y expande el primer salto a 100 Mbps o más. Tengan presente que el UDP es mucho más alto.


El montaje de esta combinación de AP y antena requiere de algo de ingenio en cuanto a soporte y energía. En la actualidad estoy trabajando en una versión simplificada de montaje. La antena viene con un perno “U” para un poste vertical de hasta 60 cm. La radio simplemente se atornilla a la parte inferior. Se requieren 12-24 voltios CC. Es interesante observar que el tema de la energía es propicio si se quiere utilizar una aplicación de energía solar. Sin embargo, precisa de una alimentación a través de Ethernet (PoE, según sus siglas en inglés) que, aunque valga menos de USD 10, no está diseñado para montaje en el exterior, además de ser de 110 V. Si las radios se instalan en postes horizontales, la instalación del sistema necesitará de soportes adicionales. El problema de la energía necesitará de una caja Nema a fin de aislar el conversor AC/DC, además de un adaptador de energía Metropole, o bien un electricista puede montar un tomacorrientes eléctrico en el interior del poste.


Una fórmula clara para calcular el balance del enlace es (potencia de salida del AP) + (alcance de la antena en dBi) + (sensibilidad del receptor a la velocidad necesaria). La ecuación de pérdida de señal nos indica qué vamos a perder en el nivel de señal en la distancia, o la Pérdida de señal = (20 x Log10 (frecuencia en MHz)) +( 20xLog10 (distancia en millas)) +36,6. Ya que todas las conexiones son de corto alcance, LOS o NLOS, y muy por debajo de los 10 GHz, podemos dejar de lado muchas otras variables que normalmente se tendrían en cuenta para cálculos de mayor alcance y frecuencia. Entonces, ¿cuál es la máxima distancia que podemos lograr entre dos AP y mantener una frecuencia de modulación máxima con un nivel de potencia que se equipare con una computadora portátil?


Empezaremos por decir que la PIRE de una computadora es de 15 dBm, aproximadamente. El balance del enlace entre AP es el siguiente:

802.11N: 15 dBm (salida de radio) + 28 dBi (el alcance de la antena es un resumen de ambos lados) + 74 dBm (velocidad a MCS7, 65 Mbps, para el Bullet M2 HP) = 117 dB

El balance del enlace para computadoras portátiles heredadas (o legacy) es el siguiente:

802.11b/g: 15 dBm (salida de radio) + 15 dBi (el alcance de la antena es un resumen de ambos lados; se asume 1 dBi en la computadora portátil) + 74 dBm (velocidad a 54 Mbps, para el Bullet M2 HP) = 104 dB


La segunda ecuación que se necesita involucra la atenuación del espacio libre. No voy a profundizar en fórmulas, pero el resultado en base a 200 metros fue de -83 dB para computadoras portátiles, lo que significa un nivel de señal esperable de -56 dBm. De un AP a otro, el nivel de señal debería ser de -49 dBm. Por lo tanto, en TriadLand, podríamos instalar AP a 400 metros con señal de sobra a un ancho de banda de 802.11N o 802.11g mientras distribuimos el mismo nivel de señal a ambos lados.


La realidad en una instalación urbana es que a mayor distancia del AP respecto de la calle, mayor cantidad de casas tiene que atravesar la señal. Vamos a suponer que el AP está ubicado en un poste de luz. Las casas de ladrillo, estuco o con perfiles de aluminio, sumado a los árboles, arbustos o casas rodantes, son todos atenuantes de la calidad de la señal. Por lo tanto, en aras de este diseño, vamos a suponer que cada casa agrega cerca de 10 dBm de atenuación a la señal. El Bullet 2M, en su velocidad de conexión más lenta en el modo 802.11N, posee un nivel de sensibilidad mínimo de -96 dBm. Una regla general en cuanto al ruido en 2.4 GHz es de alrededor de -85 dBm, es decir, tenemos -29 dBm de margen de atenuación para realizar una conexión, o cerca de tres casas. Sin embargo, como buscamos una diferencia de 10 dB entre señal y ruido, estamos buscando penetrar dos casas a máxima velocidad y disminuir desde allí.


La atenuación es el mayor problema en un escenario urbano, por lo que la pérdida de señal es de mayor importancia que la distancia. A fin de garantizar conectividad en las ubicaciones menos adecuadas, con árboles y casas de ladrillo, se necesitarán AP cada 20 metros, lo que implica que el cliente no esté a una distancia mayor de 100 metros. Las ciudades como Mountain View, St. Cloud y Scottsdale, entre otras, aprendieron lo anterior de la forma más difícil, luego de haber instalado un sistema con menos AP que los realmente necesarios por cada 2,5 km2. Sumado a esto, tales AP utilizaban 7-9 dBi. Ahora agregamos hasta 6-8 dB de alcance en la antena, lo que debería permitir el acceso a una casa más.


Siendo más realista, ¿cuáles son las opciones? Supongamos que tenemos 16 AP cada 2,5 km2, y todos los clientes son 802.11N. Asumamos también que existen 14 casas por cuadra, y dos cuadras en 400 metros. Los postes de luz se ubican a nueve metros del frente de la casa. La casa más alejada se encuentra a 200 metros, y no tendrá pérdida de señal salvo por los primeros 60 centímetros correspondientes al frente de la casa. En el peor de los casos, los usuarios tendrán que penetrar ocho o más casas en varios ángulos, además de árboles o vehículos que estén en el camino. Si las casas son de ladrillo, estuco, o tienen perfiles de aluminio, es seguro que la señal no las atravesará. En este ambiente, instalamos 25-49 AP. El costo total por la instalación de 16 AP es de USD 10.000 por 2,5 km2. Como se mencionó anteriormente, USD 1.000 mejoran el ancho de banda a 60 Mbps cada 2,5 km2, y 10 Mbps en cuatro saltos. Si se necesita mayor ancho de banda, el costo salta a USD 14.000 por 2,5 km2 por 16 AP, y lleva un caño de 100 Mbps a través de cada AP.


En base a este análisis, es momento ahora de decidir el objetivo de la red. Si se trata de cobertura ubicua, no hay muchas opciones: serán de 25 a 49 AP, o incluso más en el peor de los escenarios. Si bien el costo de cada radio y antena es de USD 200, el costo de instalación con tal número de AP hará que se vaya a alrededor de USD 14.000 – USD 42.000 por 2,5 km2. Estas cifras van un poco en contra de un sistema de presupuesto. Si este tipo de presupuesto estaba entre sus planes, existen cambios adicionales que deben hacerse, por muchos otros motivos de los que hablaremos en futuros artículos.


Si tan solo quisiéramos cobertura exterior únicamente a computadoras portátiles en las calles principales, 16 AP sean, probablemente, más que suficientes. Si el objetivo es simplemente cobertura a nivel calle para cámaras o postes de luz y vehículos, entre dos y cuatro AP bastarán. Al eliminar el 100 % de la cobertura para computadoras 802.11g interiores, con su potencia limitada y antenas, el sistema tiene más opciones y el rango de alcance aumenta considerablemente. La cantidad de variables en una instalación metropolitana es tal debido a la física de las frecuencias de microondas, que USD 3.000 por 2,5 km2 en Arizona podrían transformarse en USD 18.000 para la misma superficie en California.


Ahora que conocemos las realidades de la RF, conservemos la idea original y cambiemos las expectativas del sistema para poder movernos dentro de nuestro presupuesto.


1. 100 % de cobertura a nivel calle para cámaras y vehículos de seguridad pública

2. 100 % de cobertura a nivel calle para computadoras portátiles y dispositivos Wi-Fi portátiles (no significa patios traseros y entre medio de las casas).

3. 20-40 % de las ubicaciones residenciales tendrán 100 % de cobertura

4. 20-40 % de las ubicaciones residenciales tendrán cobertura variable dentro de las casas

5. 20-40 % necesitarán de equipo de interior o una instalación exterior profesional de un dispositivo cliente.

6. El sistema soportará equipos heredados o legacy de 802.11g.7. Ancho de banda residencial mínimo de 1 Mbps a 5 Mbps.

7. Ancho de banda residencial mínimo de 1 Mbps a 5 Mbps.

8. Ancho de banda total de 20 Mbps por 2,5 km2 (expandible a 60 Mbps por 2,5 km2 por USD 1.000 adicionales)

9. Expandible a 300 Mbps por 2,5 km2 (por USD 4.000 cada 16 AP).


El segundo problema es la densidad de usuarios. Ya que la mayoría de los AP se limitan a 20-30 usuarios por AP, y cada AP puede cubrir hasta 80 hogares, no hay mayores dificultades. Sin embargo, en algunas ciudades con departamentos, la densidad podría implicar algo de 10.000 personas cada 2,5 km2, lo que podría significar cientos de personas por AP. En caso de que tengan que trabajar en tal escenario, no se preocupen: existe un plan C.


Para eso, tenemos que retomar la idea de ruido que mencionamos anteriormente. En general, se busca que la señal sea al menos 10 dB mejor que el ruido. En TriadLand, la cifra de sonido es de alrededor de -96 dBm. En el mundo real, variará de -65 dBm (malo) a -85 dBm (relativamente bueno). Debido a que el nivel de nuestra señal a 400 metros entre AP con una salida de 15 dBm será de -50 dBm, deberíamos poder lidiar con zonas de ruido aun mayores. Las computadoras portátiles deberían conectarse en LOS a alrededor de -62 dBm a 200 metros.


En algunas zonas del país, y esto es algo que me gusta mucho, los sistemas adaptados podrían distribuir entre 20 Mbps y 50 Mbps a una ubicación residencial o lugar de negocios. En base a algunas cifras que recibí hace unos días, es posible adquirir ancho de banda de Internet por la módica suma de USD 1 mensual por Mbps en los centros de datos locales. Si se vende una velocidad residencial de 10 Mbps a USD 30 y el índice de sobresuscripción es 10-1, la ganancia potencial en un circuito de 1 Gbps es de USD 30.000 mensuales, asumiendo que existe forma de transportarlo a su zona Wi-Fi, Por supuesto que esto presenta muchos costos de capital, además de un nivel de ingeniería y planeamiento importantes para este tipo de flujo de ingresos, pero ahora es posible. Hace cuatro años, era imposible obtener ganancia de algo así. En mi humilde opinión, esto significa que las redes inalámbricas pueden competir directamente con los servicios de cable o DSL.


El diseño resuelve también otro problema de los WISP: si leyeron el último artículo, queda claro que los WISP que utilizan frecuencias sin licencia se están quedando sin ancho de banda. Este diseño acorta la distancia de la radio cliente al AP. En lugar de conectar unos pocos kilómetros y aumentar el riesgo de interferencia, todos los clientes se encuentran a una distancia relativamente corta del AP, por lo que la interferencia se ve reducida. También disminuye la ruta de altitud requerida.


Nuestra red básica está ya definida. El presupuesto está resuelto. Los usuarios en los primeros 2,5 km2 de TriadLand tienen conectividad a la red. Ahora, ¿cómo los conectamos a Internet y llevamos un registro de ellos? Hablaremos de esto en nuestro próximo artículo.






Fuente:  http://www.muniwireless.com/

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