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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN NODOINALAMBRICO PARA EL BARRIO GALICIA

RICBOscar Julian Castañeda Linares, 20111273003, Carlos Alberto Carrión, 20102273018

Abstract—El proyecto pretende aportar ampliación de cober-tura a la red inalámbrica comunitaria de Ciudad Bolívar,con este fin el nodo inalámbrico para el barrio Galicia es lacontribución de este trabajo, que consiste en equipamiento detelecomunicaciones básico y de bajo costo, el cual constituye lacélula básica de la red. A la hora de implementación de estenodo se deberán tener en cuenta los estándares utilizados paralos demás la RICB..

Index Terms—Antenas, Redes en malla, redes inalámbricas,Nodos, Transmisión.

I. INTRODUCTION

Como es claro que este proyecto pertenece a un trabajomucho más grande, empezaremos con definir este. La RedInalámbrica Comunitaria de Bogotá RICB es la unión deesfuerzos de diferentes sectores académicos y civiles, que através de un acuerdo de voluntades desarrollan escenariosque usan la implementación, investigación y desarrollo detecnologías libres para la intervención en sectores socialesnecesitados, que conlleve a transformaciones que mejorenel libre acceso, buen uso y apropiación de las TIC para elmejoramiento de las competencias personales y colectivas enesta temáticas y las que se puedan desprender de ellas.

La RICB es una red de datos libre que aunque esimpulsada y apoyada por diversos sectores académicos,civiles y ciudadanos individuales, es entregada para el usoy usufructo de las comunidades beneficiadas, con base aacuerdos de buen uso y ejercicios pedagógicos que permitanla apropiación de las tecnologías libres; por lo tanto es unared ciudadana sin dueño particular.

Como esta red se encuentra diseñada en topología demalla, la estructura básica de la misma son los NODOS y portanto el montaje de este contribuye al fortalecimiento de laRed Inalámbrica Comunitaria de Bogotá y se ha constituidopara que actúe como un nodo cliente con servicios propiosabiertos a la comunidad.

El nodo a implementar mediante este proyecto estaráubicado en el barrio Galicia segundo sector. Específicamenteen el colegio Distrital Cundinamarca. Y tendrá conexión conlos demás nodos que se encuentren en el sector

II. OBJETIVOS

A. General

Diseñar e implementar un nodo inalámbrico en el ColegioDistrital Cundinamarca del barrio Galicia como ampliación decubrimiento para la Red inalámbrica Comunitaria de ciudadBolívar, bajo las exigencias y planeación de la RICB

B. Específicos

• Realizar el esquema de ubicación de los equipos detrasmisión teniendo en cuenta parámetros como altura,características físicas del terreno, radio de cobertura yenlace hacia otros nodos.

• Detectar, Desarrollar e implementar una aplicación webteniendo en cuenta los requerimientos de la institución.

• Implementar el hardware necesario para generar la trans-misión inalámbrica con tecnología WIFI

• Realizar un estudio de tráfico, ganancias, pérdidas dela señal con el fin de optimizar los resultados de latransmisión en nuestro nodo.

• Establecer comunicación con el nodo más cercano JACBarrio Galicia II Sector

• Orientar y capacitar al personal asignado por lainstitución para la gestión, operación y soporte básicotanto del nodo como de su contenido.

III. MARCO TEORICO

A. Red de Computadoras

La fusión de las computadoras y las comunicaciones hatenido una influencia profunda en la manera en que estánorganizados los sistemas computacionales. Actualmente, elconcepto de “centro de cómputo” como un espacio ampliocon una computadora grande a la que los usuarios llevabansu trabajo a procesar es totalmente obsoleto. El modeloantiguo de una sola computadora que realiza todas las tareascomputacionales de una empresa ha sido reemplazado porotro en el que un gran número de computadoras separadaspero interconectadas hacen el trabajo. Estos sistemas sedenominan redes de computadoras.

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La definición más clara de una red de computadoras es lade un sistema de comunicaciones, ya que permite comunicarsecon otros usuarios y compartir archivos y periféricos. Esdecir es un sistema de comunicaciones que conecta a variasunidades y que les permite intercambiar información.

Se dice que dos ordenadores están interconectados, si éstosson capaces de intercambiar información. La conexión nonecesita hacerse a través de un hilo de cobre, también puedehacerse mediante el uso de láser, microondas y satélites decomunicación.[1], [2], [3], [4], [5], [6]

1) Topologías de red: La topología se refiere a la forma en que estáninterconectados los distintos equipos (nodos) de unared. Un nodo es un dispositivo activo conectado a la red,como un ordenador o una impresora. Un nodo también puedeser dispositivo o equipo de la red como un concentrador,conmutador o un router.

2) Topologías más usadas: La red en bus: se caracteriza por tener un único canal decomunicaciones al cual se conectan los diferentes dispositivos.

En una red en anillo: cada estación está conectada a lasiguiente y la última está conectada a la primera.

En una red en estrella: las estaciones están conectadasdirectamente a un punto central y todas las comunicacionesse han de hacer necesariamente a través de éste.

En una red en malla: cada nodo está conectado a todos losotros.

En una red en árbol: los nodos están colocados en formade árbol. Desde una visión topológica, la conexión en árbol esparecida a una serie de redes en estrella interconectadas salvoen que no tiene un nodo central.

En una red mixta: se da cualquier combinación de lasanteriores [1], [2], [3], [7], [8]

B. Redes inalámbricas

Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas enesta década es la de poder comunicar computadoras mediantetecnología inalámbrica. La conexión de computadorasmediante Ondas de Radio o Luz Infrarroja, actualmente estásiendo ampliamente investigada. Las Redes Inalámbricasfacilitan la operación en lugares donde la computadora nopuede permanecer en un solo lugar, como en almacenes o enoficinas que se encuentren en varios pisos.

Pero la realidad es que esta tecnología está todavía enpañales y se deben de resolver varios obstáculos técnicosy de regulación antes de que las redes inalámbricas seanutilizadas de una manera general en los sistemas de cómputode la actualidad.

No se espera que las redes inalámbricas lleguen aremplazar a las redes cableadas. Estas ofrecen velocidades

Figure 1. Topologías-1

de transmisión mayores que las logradas con la tecnologíainalámbrica. Mientras que las redes inalámbricas actualesofrecen velocidades de 2 Mbps, las redes cableadas ofrecenvelocidades de 10 Mbps y se espera que alcancen velocidadesde hasta 100 Mbps. Los sistemas de Cable de Fibra Ópticalogran velocidades aún mayores, y pensando en el futuro seespera que las redes inalámbricas alcancen velocidades desolo 10 Mbps.

Sin embargo se pueden mezclar las redes cableadas y lasinalámbricas, y de esta manera generar una "Red Híbrida" ypoder resolver los últimos metros hacia la estación. Se puedeconsiderar que el sistema cableado sea la parte principal yla inalámbrica le proporcione movilidad adicional al equipoy el operador se pueda desplazar con facilidad dentro de unalmacén o una oficina. Existen dos amplias categorías deRedes Inalámbricas:

• De Larga Distancia: Estas son utilizadas para transmitirla información en espacios que pueden variar desde unamisma ciudad o hasta varios países circunvecinos (mejorconocido como Redes de Área Metropolitana MAN); susvelocidades de transmisión son relativamente bajas, de4.8 a 19.2 Kbps.

• De Corta Distancia: Estas son utilizadas principalmenteen redes corporativas cuyas oficinas se encuentran en unoo varios edificios que no se encuentran muy retiradosentre si, con velocidades del orden de 280 Kbps hastalos 2 Mbps.

Existen dos tipos de redes de larga distancia: Redes deConmutación de Paquetes (públicas y privadas) y RedesTelefónicas Celulares. Estas últimas son un medio para

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transmitir información de alto precio. Debido a que losmódems celulares actualmente son más caros y delicadosque los convencionales, ya que requieren circuitos especiales,que permiten mantener la pérdida de señal cuando el circuitose alterna entre una célula y otra. Esta pérdida de señalno es problema para la comunicación de voz debido a queel retraso en la conmutación dura unos cuantos cientos demilisegundos, lo cual no se nota, pero en la transmisión deinformación puede hacer estragos. Otras desventajas de latransmisión celular son:

• La carga de los teléfonos se termina fácilmente.• La transmisión celular se intercepta fácilmente (factor

importante en lo relacionado con la seguridad).• Las velocidades de transmisión son bajas.

Todas estas desventajas hacen que la comunicación celular seutilice poco, o únicamente para archivos muy pequeños comocartas, planos, etc. Pero se espera que con los avances en lacompresión de datos, seguridad y algoritmos de verificaciónde errores se permita que las redes celulares sean una opciónredituable en algunas situaciones.

La otra opción que existe en redes de larga distancia sonlas denominadas: Red Pública De Conmutación De PaquetesPor Radio. Estas redes no tienen problemas de pérdidade señal debido a que su arquitectura está diseñada parasoportar paquetes de datos en lugar de comunicaciones devoz. Las redes privadas de conmutación de paquetes utilizanla misma tecnología que las públicas, pero bajo bandas deradio frecuencias restringidas por la propia organización desus sistemas de cómputo.[2], [7], [9], [10], [11], [12]

C. Las redes inalámbricas Mesh

Las redes inalámbricas malladas, redes acopladas, o redesde malla inalámbricas de infraestructura, para definirlas deuna forma sencilla, son aquellas redes en las que se mezclanlas dos topologías de las redes inalámbricas, la topología Ad-hoc y la topología infraestructura. Básicamente son redes contopología de infraestructura pero que permiten unirse a la reda dispositivos que a pesar de estar fuera del rango de coberturade los puntos de acceso están dentro del rango de cobertura dealguna tarjeta de red (TR) que directamente o indirectamenteestá dentro del rango de cobertura de un punto de acceso (PA).

Permiten que las tarjetas de red se comuniquen entre sí,independientemente del punto de acceso. Esto quiere decirque los dispositivos que actúan como tarjeta de red puedenno mandar directamente sus paquetes al punto de acceso sinoque pueden pasárselos a otras tarjetas de red para que lleguena su destino.

Para que esto sea posible es necesario el contar conun protocolo de enrutamiento que permita transmitir lainformación hasta su destino con el mínimo número de saltos

(Hops en inglés) o con un número que aun no siendo elmínimo sea suficientemente bueno. Es resistente a fallos, puesla caída de un solo nodo no implica la caída de toda la red.

La tecnología mallada siempre depende de otras tecnologíascomplementarias, para el establecimiento de backhaul debidoa que los saltos entre nodos, provoca retardos que se vanañadiendo uno tras otro, de forma que los servicios sensiblesal retardo, como la telefonía IP, no sean viables.

La utilización de Wimax 5,4 Ghz puede ser una soluciónde backhaul, aceptable para fortalecer el alcance de la redmallada, pero en muchos casos supone la renuncia a la banda5,4 Ghz, para dar accesos a usuarios.

Utilizando tecnologías licenciadas (por ejemplo 802.16, enla banda de 3,5Ghz), para la creación del backhaul, es posibleofrecer accesos a los usuarios en 2,4 Ghz y en 5,4Ghz. Estoposibilita que los usuarios dispongan del 80% más de canaleslibres, aumentando el número de usuarios concurrentes en un60-80%.

A modo de ejemplo podemos ver la estructura de una redinalámbrica mallada formada por siete nodos. Se puede verque cada nodo establece una comunicación con todos losdemás nodos.

1) Protocolos: Hay más de 60 esquemas competentes para elencaminamiento de paquetes a través de redes malladas.Algunos de éstos incluyen:

AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector)B.A.T.M.A.N. (Better Approach to Mobile AdhocNetworking) BMX (Batman eXperimental) BATMAN-ADV (Batman Advance (capa2)) PWRP (Predictive WirelessRouting Protocol) DSR (Dynamic Source Routing) OLSR(Optimized Link State Routing protocol) TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) HSLS (Hazy-Sighted Link State)Babel (a loop-free distance-vector routing protocol)

D. B.A.T.M.A.N. (Better Approach to Mobile AdhocNetworking)

Es un protocolo de ruteo proactivo para Redes Mesh Ad-hoc Inalámbricas [PDF], incluyendo las redes ad-hoc móviles(en inglés MANETs). El protocolo mantiene proactivamenteinformación sobre la existencia de todos los nodos en lamalla, que son accesibles a través de enlaces de comunicaciónde uno o múltiples saltos. La estrategia de B.A.T.M.A.N. esdeterminar para cada destino en la malla un vecino de unsalto, el cual puede ser utilizado como mejor gateway paracomunicarse con el nodo de destino. En estas redes, cadanodo de enrutamiento participa en los datos de reenvío paraotros nodos de forma dinámica y se dice que es útil parasituaciones de emergencia como desastres naturales.

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IV. DESCRIPCION DEL PROCESO

Antes de iniciar con la implementación del nodo deberemosrealizar un estudio en el sitio teniendo en cuenta todas lasestructuras y características físicas del lugar donde sedesea realizar la instalación de la antena trasmisora Antenaomnidireccional, puesto que, estos parámetros nos ayudarana identificar las atenuaciones e interferencias en el punto deemisión.

Posteriormente se realizara el diseño teniendo en cuentalos datos obtenidos anteriormente, y se realizara el montajedel hardware necesario para la puesta en funcionamiento delnodo inalámbrico. Estos equipos se eligieron debido a lasdiferentes experiencias adquiridas de varios grupos que seencargaron de implementar los nodos anteriores de RICB.

Se utilizara una antena omnidireccional por que sirve paraampliar el rango de propagación homogénea del router ylograr así mayor cubrimiento de clientes en un nodo.

Figure 2. Antena omnidireccional de exteriores

En cuanto a especificaciones técnicas se anota su diseñopara exteriores y fijación en mástil, y en parámetros eléctricosse selecciona una alta ganancia de antena: 15 dbi. Esta antenase acopla al router Nanostation 2 mediante un pigtail N-SMAde cable coaxial.

Ubiquiti es una marca de equipamiento inalámbricorelativamente nuevo en el mercado pero se han especializadoen ítems como calidad, adaptabilidad, facilidad y economía.En su amplia gama de productos que van desde robustastarjetas que permiten la interconexión de muchas interfaces

Figure 3. Router Ubiquiti Nanostation 2 y Nanostation Loco 2

inalámbricas hasta pequeños routers listos para la conexiónde una antena externa y un cable de red Rj45 y asíproporcionar una interfaz inalámbrica de bajo costo, pero lacaracterística que sobre sale en la mayoría de sus dispositivosen la opción de adaptabilidad. Por principio usan versionesadaptadas de GNU/Linux pero que han sido restringidasa interfaces gráficas que limitan mucho la imaginación deimplementaciones novedosas como las redes Mesh ad-hoc,sin embargo este hecho y que además usen uno de los Chipsetmás conocidos (la línea Atheros) los han convertido en losdispositivos modernos que más rápido se han podido adaptar amodificaciones de firmware. Además, el servidor en el cual seconfigurar el protocolo de enrutamiento B.A.T.M.A.N.(BetterApproach To Mobile Adhoc Networking). Encargado de elcontrol de tráfico. También se realizar el montaje de unaaplicación de carácter educativo para las clientes que accedanal nodo. Una vez este en nodo este en funcionamiento seefectuaran las medidas que nos muestren la eficiencia delnodo en cuanto a la transmisión

V. ESTADO DEL ARTE

Aunque en la parte física los nodos poseen el mismoequipamiento, se diferencian en su contenido puesto que hahabido ya una explicación del montaje, hablaremos ahorade los aplicativos de algunos nodos que se encuentran enfuncionamiento en la RICB.

• NODO TALLER DE MIS SUEÑOS: Cursos virtuales através de la plataforma moodle

• ECOPARQUE: Simulacro Preicfes• CEDID SEDE A SIERRA MORENA: Cuestionario De

Selección De Aptitudes.• NODO BARRIO LOS ALPES: Se instaló la plataforma

JOOMLA como eje central de los servicios que seofrecerán en el servidor local del barrio Los Alpes,adicionalmente se nutrió con contenidos de interés para

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la comunidad, se instalo la enciclopedia Wiki pedía quese encontraba en el nodo de bella flor en vista de queeste nodo fue deshabilitado y se puso a disposición de lacomunidad el servicio de aulas virtuales.

• NODO COLEGIO CDA BARRIO JUAN PABLO: PaginaWeb diseñada en Joomla y alojada en un servidor Web(Ubuntu Server), con contenidos de interés social sobre elalcoholismo, el pandillismo, la drogadicción, los desastresnaturales y cómo prevenirlos, información sobre las Tics,información general sobre Ciudad Bolívar y el barrioJuan Pablo, una biblioteca virtual y una serie de cursosvirtuales; todo con el fin de sembrar un granito de arenaen esta comunidad clasificada como una de las zonas másinseguras de la localidad.

• ISPA JERUSALEN: Biblioteca virtual y fonoteca• NODO RLB: Simulador de pruebas de estado ICFES• NODO BARRIO PARAISO MIRADOR: El nodo tiene

un portal con información de la comunidad, informacióngeneral de interés, vídeos para el aprendizaje infantil. Unrepositorio donde se puede colgar archivos, como guíasescolares, cuentos, comunicados de la comunidad etc.Los usuarios se pueden registrar y publicar noticias deinterés para la el barrio. Para el entretenimiento tienejuegos, también tiene acceso a una Wiki pedía que sirvede apoyo escolar y para la comunicación instantánea tieneuna herramienta de chat entre los usuarios registrados.

• IED ARBORIZADORA BAJA: Programa de refuerzo decompetencias básicas. Aula virtual de sistemas

• RODRIGO LARA BONILLA SEDE B:Cuenta con difer-entes lecciones de estudio en las materias de inglés ymatemáticas debido a que estas presentan un nivel pordebajo del promedio teórico de las pruebas de estado,debido a que este proyecto se desarrollo en la sede Bde este colegio en el que solo se cursa educación básicaprimaria, se desarrollaron los contenidos enfocados enniños con edades entre los 7 y los 11 años, categorizandopor niveles de dificultad las materias según el curso actual(Tercero, cuarto o quinto de primaria) del estudiante.

• NODO CEDID SEDE SANTA ROSITA LAS VEGAS:Su contenido principal es un repositorio de aplicacionesdidácticas educativas en áreas como matemáticas,ciencias naturales, geografía, ortografía y cultura generaldirigidas a estudiantes de primaria con el fin de brindaruna herramienta innovadora de aprendizaje; acompañadode servicios de entretenimiento como juegos y estrategiasde comunicación entre la comunidad como lo son losforos y el chat.

VI. CONCLUSIONES

Por su fuerte componente tecnológico, la RICB secaracteriza por realizar investigación aplicada de la aplicaciónde las TIC a ámbitos sociales; basándose principalmenteen los grupos de investigación y grupos académicos que laconforman: Grupo de Investigación GIDENUTAS.

Se adelantan investigaciones aplicadas de: Desarrollo defirmware para sistemas embebidos en routers, simulación

múltiple de protocolos de enrutamiento de redes malla,estudios de radicación, estudios de tráfico, estudiosde Seguridad de la Información, medición de NBI ypenetración de TIC, conceptualización de Brecha Digital eInclusión Digital, tecnologías libres como base de procesoscomunitarios.

REFERENCES

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