Universidad del Quindío, Programa de Ingeniería Electrónica 2011 1

Resumen— Wi-Fi (siglas del inglés Wireless-Fidelity) es

un conjunto de estándares para redes inalámbricas basados en las especificaciones IEEE 802.11. Fue creado para ser utilizado en redes locales inalámbricas, sin embargo es frecuente que en la actualidad también se utilice para acceder a Internet. Teniendo en cuenta las falencias a nivel de comunicaciones que tienen algunas zonas del departamento del Quindío debido a su ubicación geográfica y distancia a la que se encuentran de la capital surge la necesidad de hacer un diseño de una red W-Fi para prestar el servicio de internet en la localidad de Córdoba. En este trabajo se plantea hacer el diseño de la red con su respectiva infraestructura y costos totales para cumplir con requerimientos mínimos que permitan prestar el servicio de conexión a la web y contribuir al desarrollo de la población del municipio.

Palabras Claves—Conexión, Diseño, Infraestructura.

Abstract—Wi-Fi (Wireless-English acronym Fidelity) is a set of standards for wireless networks based on IEEE 802.11. It was created to be used in wireless LANs, but is now often also used for Internet access. Given the shortcomings at the level of communication that some areas of the department of Quindío due to its geographical location and distance to the capital are the need arises to design W Fi network to provide service internet in the town of Cordoba. This paper aims to bring the design of the network infrastructure and their respective total cost to meet minimum requirements as to provide connecting service to the site and contribute to the development of the municipality.

Index Terms—Connection, Design, Infrastructure.

I. INTRODUCCION

AS condiciones de vida, la educación y la interacción con el mundo son factores que evolucionan cada vez más con la web, así como el intercambio de información,

capacitaciones y un sin fin de oportunidades que cada día nacen de forma virtual. Dentro del proyecto se encuentra la solución al problema de conexión a internet que tiene el municipio de Córdoba Quindío con sus determinados estudios de dimensionamiento, infraestructura, requerimientos y costos para una futura puesta en marcha del mismo contribuyendo así con desarrollo de la Región e integrando adecuadamente tecnologías de telecomunicación e informática para desarrollar una solución que cumpla con los requerimientos mínimos de los usuarios de la localidad y extender la cobertura del servicio donde empresas proveedoras de dicho servicio no llegan o éste es de pésima calidad.

II. FUNDAMENTOS TEORICOS PARA EL DISEÑO

A. COMUNICACION INALÁMBRICA

Es la comunicación en la que sus extremos (emisor/receptor) no se encuentran unidos por un medio de propagación físico, sino que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas a través del espacio. En este sentido, los dispositivos físicos sólo están presentes en los emisores y receptores de la señal, entre los cuales encontramos: antenas, computadoras portátiles, PDA, teléfonos móviles, etc. Para que exista un exitoso intercambio de datos en cuanto al servicio de internet se refiere la comunicación inalámbrica requiere de estudios basados en modelos estadísticos para un uso eficiente del ancho de banda del servicio hasta los usuarios finales, además de que el diseño se ajuste a las necesidades reales del usuario promedio y determinar cuál sea el modelo más adecuado para dimensionar el escenario de la red [2].

Diseño de una Red Wi-Fi de interés Social para Córdoba Quindío

Ramírez Gutiérrez Julián Adolfo, Cardona Puerta Oscar Eduardo, Osorio Guevara Nathalia Andrea jaramirez@uniquindio.edu.co, oskr1115@hotmail.com, nati_osorio18@hotmail.com

L

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B. MODELADO DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES

Para modelar un sistema de comunicaciones es necesario utilizar procesos estadísticos con los que se analicen muestras del comportamiento de los usuarios de un sistema determinado. En la elaboración del diseño es necesario procesar muestras extraídas de los usuarios donde se evalúen jornadas de conexión, tipo de aplicaciones web a usar, hora pico del sistema y el número total de usuarios dentro de la red para analizar el comportamiento del sistema en la peor hora de conexión “hora pico”, donde se evalúan los parámetros necesarios para el dimensionamiento del ancho de banda del canal para suministrar servicio a los usuarios finales, el bloqueo del sistema, la espera en cola para la atención de un usuario y el tiempo del mismo [12].

III. DESARROLLO DEL DISEÑO

Debido a que en el proyecto se encuentran varios puntos específicos para la solución que se plantea de suministrar el servicio de internet a la comunidad de Córdoba la elaboración del diseño se dividió en tres etapas.

• Etapa 1, Radio Enlace Córdoba-Barcelona

• Etapa 2, Dimensionamiento del Ancho de Banda del sistema

• Etapa 3, Diseño de la red Diseño Radio Enlace Barcelona-Córdoba Para hacer el diseño del radioenlace es necesario hacer dos saltos dado a que no hay línea de vista directa entre el corregimiento de Barcelona y el municipio de Córdoba debido a que entre ambas localidades hay un cerro de grandes magnitudes llamado “El Alto del Oso” en la vereda Travesías perteneciente a Córdoba.

Fig.1. Línea de vista entre emisor Barcelona y receptor Fca. La Divisa

Fig.2. Línea de vista entre emisor Fca. La divisa y receptor Córdoba

Teniendo los puntos estrategicos se procede a simular en el Radio Mobile para evaluar las condiciones del escenario

Fig.3. Ubicación de los enlaces en el Radio Mobile

Con respeto a los resultados obtenidos con la simulación, teniendo en cuenta las condiciones de la topología del terreno y el escenario en el que se va a realizar el diseño se concluye que el punto escogido para la elaboración del enlace de las dos localidades es el que más se ajusta a los requerimientos ofreciendo una amplia línea de vista a su alrededor como se muestra en numerales anteriores, distancia con respecto a una asistencia técnica oportuna, vías y suministros de energía lo que contribuye a la viabilidad del proyecto. Requerimientos de Ancho de Banda Para obtener los datos necesarios para obtener el ancho de banda que necesita el sistema, se realiza una encuesta, con el fin de conocer algunos aspectos de los usuarios que usan la red, además de determinar qué cosas representarían una carga para el buen desempeño de la red a la hora de distribuir el servicio [1], [7], [12].

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Las características que buscan dar a conocer la encuesta son:

1. Estimar número de usuarios con computador o dispositivos que tengan conexión Wi-Fi.

2. Estimar las horas picos del sistema y número de usuarios en ese intervalo.

3. Observar la mayor utilidad que le darían al internet. 4. Proponer grado de aceptación, con el fin que el

internet proporcione un buen grado de servicio (QoS), contemplando el crecimiento que tendrá el sistema a futuro.

Equipos Número de Equipos

Casas 214

C.E.J.M.C 55

Alcaldía Municipal 21

Comité de Cafeteros 15

Hospital 12

Teléfonos 107 Total Equipos 424

Tabla 1. Total de equipos con conexión inalámbrica en el municipio

De acuerdo a los datos anteriores se llega a la siguiente grafica donde se nota la intensidad de tráfico en la hora pico durante el día

Fig.4. Número de Usuarios conectados a la web durante el día

Del análisis anterior se puede sacar como conclusión que las horas donde hay más tráfico en la red son de 2:00pm a 3:00pm con 83 usuarios conectados que equivale a un 19,57% de la población total siendo este el horario pico del sistema.

Dimensionamiento del Ancho de Banda Método de Teoría de Colas (Teórico Práctico) Para tener un estimado del Ancho de Banda necesario en el sistema durante la hora pico se hizo una prueba por un lapso de tiempo de 60 minutos en la red WUQ_QRD de la Universidad del Quindío en un (1) equipo portátil simulando la conexión de un usuario promedio debido que esta red se ajusta a las necesidades administrativas porque cuenta con los filtros, velocidad y restricciones necesarias para utilizar como modelo para nuestro diseño del servicio. Inicialmente se hizo una captura de los paquetes con el software Wireshark en modo promiscuo para obtener los resultados durante este tiempo del comportamiento de las ráfagas que se obtienen con la opción IO Graphs y para localizar posteriormente el tiempo de duración y el tiempo entre inicios de las mismas. En total se capturaron 160.802 datos con una duración de 3550,279 segundos.

Fig.5. Picos de tráfico muestreado

Los datos que están la primera columna corresponden a los paquetes y la segunda columna corresponde al tiempo de duración de cada paquete. Teniendo en cuenta los resultados de los análisis del tráfico con el Wireshark se observan que:

Especificaciones

Resultados

Promedio del tráfico generado por

los picos más altos

0.195Mbits/segundo

Tiempo promedio de duración por sesión

59.10 minutos

Tabla 2. Resultados del mayor pico en la muestra

A continuación se realiza un análisis para encontrar el tamaño del ancho de banda del Backbone que permita atender el mayor porcentaje de las solicitudes de conexión de los usuarios, en la hora pico del sistema por medio de las ráfagas más altas que presenta el comportamiento del sistema durante dicha hora por lo que se procede a simular con Matlab y con la herramienta de comunicaciones dfittool para dimensionar el ancho de banda necesario del sistema.

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Umbral de 5000 bits (paquetes de 625 bytes)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

4 Histograma tiempo de duracion entre Ráfagas

Fig.6. Histograma entre tiempo de duración con 5000bits.

0 5 10 15 20 250

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000Histograma entre tiempo de inicio de Ráfagas

Fig.7. Histograma entre tiempo de inicio con 5000bits.

Teneindo los histogramas se usa la herramienta dfittool de Matlab para observar graficamentre a que tipo de distribucion se asimila el comportamiento de los datos, como se puede observar el tipo de ditribucion a la que se aproxima el tiempo de duracion de las rafagas y el tiempo entre inicio de las mismas es exponencial, distribucion que esta represntada por la linea roja de las siguiente figura

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

10

20

30

40

50

Data

Den

sity

t de duracion

Exponencial

Fig.8. Comportamiento exponencial del tiempo de duración

El resultado que arroja el dfittool de Matlab correspondiente a la distribución exponencial del tiempo de duración de las ráfagas de tráfico es; mu: 0.0238799, proceso que se mostrará más adelante para calcular los elementos necesarios para estimar el tráfico de la red.

0 5 10 15 200

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Data

Den

sity

t entre inicios

Exponencial

Fig.9. Comportamiento exponencial del tiempo entre inicios

Utilizando la Teoría de Colas y de acuerdo con los resultados arrojados anteriormente con la función dfittool se calcula:

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Ahora con los resultados ya obtenidos y lo mencionado acerca de las Erlang B y Erlang C se procede a hacer la simulación mediante la ecuación de recurrencia utilizando los siguientes datos:

Para hacer el dimensionamiento del ancho de banda con los datos estadísticos obtenidos del estudio de la red se halla la probabilidad de bloqueo representada por Erlang B, la probabilidad de espera en cola representada por Erlang C por lo que con estas probabilidades se procederá a dimensionar de la manera más aproximada el ancho de banda necesario para suministrar a la red en la hora pico y poder atender a los usuarios de la forma más eficiente, además de estimar la probabilidad e bloqueo lo más pequeña posible variando el número de canales para atender a los usuarios y todo ello implementado en un código en Matlab usando la multiplexación estadística. El número de canales para calcular el ancho de banda para el sistema se halla de manera que el Erlang B sea lo más pequeño posible, en este caso el valor con él se aproximó de manera más exacta fue con 47 canales (servidores) con los que arrojó un Erlang B de 0,0926 Por lo que tenemos como resultado lo siguiente:

Tabla 3. Resultados de la simulación en Matlab

Ahora se calcula el ancho de banda total para el sistema para los 86 usuarios en la hora pico:

BW= (# canales) (Tamaño del canal en Kbps) BW= (47) (512Kbps)

BW= 24,06Mbps

Con base en lo anterior se concluye que con un ancho de banda de 24,06Mbps es necesario para cubrir las necesidades de los usuarios en la hora pico teniendo en cuenta que el tamaño del canal es de 512Kbps, tamaño que se fijó desde el principio debido a que se usó como modelo de diseño la red de la Universidad del Quindío. Otra forma de corroborar este ancho de banda es la simulación del numeral 5.5 hecha en el Opnet, dado a que se asemeja mucho al obtenido en este método de Teoría de Colas por lo que se presume es el más indicado para dimensionar el ancho de banda total del sistema a diferencia del Top Down y la prueba de Sniffer mostradas en los apartados anteriores. Teniendo que la Probabilidad de Bloqueo:

Eb=9,26%

QoS=90,70

Es de resaltar que al variar el número de canales del sistema Erlang B varía de forma aleatoria y en base a las pruebas que se llevaron a cabo el Erlang B más reducido fue el equivalente a 9.26%. Teniendo en cuenta que el número de canales es 47 y el de usuarios totales es de 424 tendríamos un Reúso de 47:424 por lo que el reúso total del sistema seria aproximadamente de 1:10. Dadas las anteriores condiciones y teniendo en cuenta que este es el modelo más aproximado debido al amplio análisis estadístico para modelar el ancho de banda necesario se concluye que se usara un BW de 24,06Mbps. Diseño de la Red Wi-Fi dentro del Municipio Para hacer el diseño de la red dentro del municipio de Córdoba es necesario de una simulación precisa que permita observar de la manera más exacta la cobertura del sistema Wi-Fi dentro del municipio previniendo áreas de mal servicio, agujeros de cobertura y baja respuesta a la señal. Para hacer la simulación de la cobertura Wi-Fi en el municipio fue necesario dividir en tres zonas el perímetro urbano del municipio debido su extensión

Parámetros Resultados

Erlang B (probabilidad de Bloqueo)

0.0926 (9.26%)

Erlang C (probabilidad de Espera)

0.1246 (12.46%)

Tiempo de espera en la cola (formula de Little)

2.98 min

Número de elementos en cola en la hora

pico

0.0021

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Fig.10. Mapa de Cobertura Inalámbrica

Diseño de la Red Para validar el diseño de la red dentro del municipio de Córdoba se uso el Sftware OPNET IT Gurú Academic Edition 9.1 con elementos similares a los que se cotizron para la infraestructura de la red que consta de 4AP 3Com, un router cisco y un servidor en el orden sectorial que se establecio en apartados anteriores para la distribusion del servicio ademas de dos elementos para hacer el analisis del tráfico que genera la red haciendo la simulacion lo mas real posible, el campus que se establecio para la distribucion de

los elementos es de aproximadamente puesto que es

la extencion aproximada del casco urbano de cordoba como se muestra en la rejilla de la figura. Esta simulación se hizo orientada a los 83 de usuarios que estan conectados en la hora pico del sistema según las encuestas que se hicieron en la poblacion, el número y la ubicacion precisa en cada AP tal y como se muestra en la rejilla y usando una topologia de estrella extendida ya que es la que mas se ajusta al diseño de la red por la escalabilidad, facilidades de manejo y distribusion de la red.

En la siguiente figura se muestra la red implementada y cada uno de los AP con su respectivo número usuarios en la hora pico (AP1:10 usuarios, AP2:9 usuarios, AP3:9 usuarios, AP4:55 usuarios) para poder evaluar el comportamiento de la red en cuanto a bloqueo, ancho de banda y comportamiento en la hora pico para de esta manera acercarnos más al desempeño del diseño y validar su funcionamiento.

Fig.11. Topología de la Red

El tiempo que se simuló en el OPNET IT Gurú Acamedic Edition 9.1 que fueron 3600 segundos (1 hora), tiempo en el que transcurrienron un promedio de 333406 eventos, la linea azul representa la velocidad corriente de eventos (251108 eventos/seg) y la linea roja la velocidad media (212148 eventos/seg) con lo que se estima el comportamiento promedio del tráfico en el router durante ese lapso de tiempo. Ahora se procede a observar la carga que tiene el servidor que atiende la red.

Fig.12. Carga atendida por el servido en la hora pico

En la figura 12 se observa que la carga en el servidor es de aproximadamente 26.500.000 bits/seg (26,5Mbps) lo que permite concluir que el servidor está atendiendo un ancho de banda muy aproximado al que se calculó para la hora pico con el modelo de Teoría de colas que fue de 24,06Mbps para atender los 83 usuarios de la hora pico

La validación nos permite observar el comportamiento que tuviese la red cuando está en funcionamiento con los 83 usuarios, corroborando de esta manera el Ancho de Banda que se calculó por medio de la teoría de colas, el retardo en el

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tiempo en que el sistema alcanza su estabilización y los eventos ocurridos por segundo durante los 60 minutos que el sistema está en su máximo funcionamiento Como prueba final en el Opnet se muestreo uno de los Host para ver la carga que el mismo estaba generando en bits/sec.

Fig.13. Carga atendida por el Host 5 en la hora pico

Como se puede ver en la figura 13 la muestra dura los 60 minutos de la hora pico alcanzando en el Host Numero 5 ubicado en el Sector 1 (AP2) una carga aproximada de 125Kbits/sec, rango que es muy similar al que arrojaron los Host muestreados con el Wireshark donde todos los equipos muestreados fueron dentro de la red de la Universidad del Quindío, lo que nos permite concluir que el método de Teoría de Colas es el más apropiado para hacer el análisis del ancho de banda del Backbone y nos acerca más a la realidad del desempeño del diseño. Presupuesto del Diseño

Presupuesto Radio Enlace

$3´050.000

Presupuesto Red $7´681.493

Presupuesto Herramientas

$ 1´737.800

Presupuesto Almacén $1´155.042

Presupuesto Puesta en Marcha

$6´086.902

TOTAL $19´711.237

Tabla 4. Presupuesto Total del Proyecto sin el canon mensual de Internet En el presupuesto mostrado en la tabla 23 no se tiene en cuenta el canon mensual a pagar al proveedor Media Commerce de $7’200.000.

Cronograma de Despliegue del Diseño La instalación de la infraestructura se tiene estimada para un mes contando con dos técnicos en tiempo completo cumpliendo con un cronograma de la siguiente manera.

Tabla 5. Cronograma de despliegue del Diseño

IV. CONCLUSIONES

Para dimensionar el ancho de banda del sistema es necesario contar con un estudio estadístico minucioso que nos permitía ver el comportamiento de los usuarios desde distintos ángulos según sus necesidades y de esta manera elegir un suministro que cumpla con los requerimientos mínimos de los mismos y dimensionar de la manera más exacta el sistema que se plantea. Debido a las distancias en línea de vista directa que arrojo la simulación del radio enlace desde Barcelona hasta córdoba se concluye que es posible utilizar equipos de bajo costo y alta fidelidad aportando de esta manera a la viabilidad del proyecto en cuanto a presupuesto se refiere sin dejar de lado la calidad en el mismo.

Teniendo las pautas de diseño necesarias para el análisis de tráfico es posible dimensionar de manera adecuada el comportamiento de la hora pico del sistema tanto de forma teórica como en simulación así el ancho de banda necesario para que el sistema cumpla con los requerimientos de los usuarios y no colapse cuando este en pleno funcionamiento. Para dimensionar redes de servicios de internet es necesario utilizar varios métodos de manera que se pueda observar al final del proceso cual se ajusta de manera más adecuada al sistema que se pretende diseñar.

ACTIVIDAD Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4

Instalación de Radio Enlace

Pruebas de Radio Enlace

Tendido de cable en Córdoba

Instalación de Equipos de la red

dentro del municipio

Prueba piloto del funcionamiento de

la red en el municipio

Entrega del Diseño al Municipio

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La elección de la topología de la red se hizo con base en los criterios de diseño de forma tal que fuese flexible a los cambios o modificaciones que puedan presentarse a largo plazo teniendo en cuenta que puede tratarse de posibles inclusiones de usuarios del servicio e inclusive adición de Access point para mayor cobertura o equipos de red que representen una mejoría en el dinamismo del sistema. Según los resultados arrojados por los estudios de diseño del proyecto se concluye que es viable la realización del mismo con fondos del municipio, debido al costo de la infraestructura y utilidad para las entidades y los habitantes de Córdoba además de que con el mismo sería posible dedicar un canal para transmisión de información de entidades del municipio.

REFERENCIAS

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[2] Estándares y protocolos (Marzo 2011). ITU-T, ITU-T Recommendations [Online] http://www.itu.int/en/ITU-T/publications/Pages/recs.aspx

[3] Arcila Gómez Carlos Eduardo, Loaiza Osorio Marilyn Johanna. (2011) Diseño de un Enlace de Telemedicina para el Hospital Universitario San Juan de Dios del Quindío. Universidad del Quindío

[4] Grupo de Telecomunicaciones Rurales-PUCP (2008). Primera Edición[Online] “Redes Inalámbricas para Zonas Rurales” http://gtr.telecom.pucp.edu.pe/

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Distance Networks. [Online] http://www.usenix.org/events/nsdi07/tech/patra.html

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[7] Análisis de Trafico de una Red Loca Universitaria (Febrero 2011)

[8] Diseño, Implementación y Administración de Redes Inalámbricas

para Obtener Máximo valor (2009). [Online] www.motorola.com/BandaAnchaInalambrica

[9] Astaiza H. Evelio, Bermúdez O. Héctor Fabio, Jaramillo R. Martín Felipe, peña R. Pedro Aldemar (2010). Diseño de la Red Inalámbrica de la Escuela de Gastronomía Sena Regional Quindío. [Online] http://www.uniquindio.edu.co/uniquindio/revistadyp/Articulos/5ta%20Edicion/Articulo%20diseno%20de%20la%20red%20inalambrica%20para%20la%20escuela%20de%20gastronomia.pdf

[10] Cisco Packet Tracer (, 22 de septiembre del 2010). [Online]

http://www.cisco.com/web/learning/netacad/course_catalog/Packet

Tracer.html

[11] CISCO. Programa Académico de NETWORKING CCNA3

EXPLORATION

[12] X. Hessebach Serra, J. Altés Bosh “Análisis de redes y sistemas de

Comunicaciones”, Octubre de 2002