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AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE SINAL EM UMA REDE EM MALHA SEM FIO BASEADA NO PADRÃO 802.11a
Rafael B. Scarselli 1, Ed´ Wilson T. Ferreira 2, Ruy de Oliveira 3, Valtemir E. do Nascimento4, Ailton Akira Shinoda 5, Rothschild A. Antunes 6
1 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected] 2 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
3 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected] 4 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
5 UNESP, Ilha Solteira, Brasil, [email protected] IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
Resumo: Este artigo apresenta estudo dos efeitos de variação de sinal com diferentes antenas utilizando ferramentas e protocolos de código aberto em uma rede em malha sem fio instalada em Cuiabá. São apresentados resultados de análise de nível de sinal e largura de banda que demonstram a viabilidade da rede.
Palavras-Chave: Redes em Malha, Antenas e Propagação, Teste de Desempenho.
1. INTRODUÇÃO
As redes de computadores têm apresentado crescimento significativo nos últimos anos, sobretudo as redes sem fio. É provável que a diminuição significativa dos preços dos equipamentos tenha contribuído para esta proliferação. Além do modelo tradicional, com a existência de pontos de acesso, esta rede também suporta um modelo sob demanda ou ad hoc, como apresentado em [1] e [2].
Os dispositivos que compõe uma rede ad hoc realizam o encaminhamento de pacotes dos nós vizinhos, tornando-se uma rede cooperativa, e disponibilizando diversos caminhos para um mesmo destino. Em alguns casos, mesmo que determinados nós deixem de funcionar, é possível que os pacotes alcancem seu destino, pois outros nós poderão suprir o roteamento que deveria ter sido executado pelos nós que deixaram de funcionar. Mesmo com estas características, a instalação e configuração destas redes são relativamente simples e rápida, por este motivo, pode ser utilizada para atender necessidades efêmeras, ou prover conectividade para acesso à Internet para uma determinada região.
A topologia em malha, sem mobilidade de nós tem tornado-se objeto de estudos de vários pesquisadores como [3], [4] e [5]. Nesta topologia, os nós são espalhados por uma região e é permitido certo crescimento da rede, com a simples adição de novos nós. Esta topologia permite a existência de alguma mobilidade dos nós, porém o alcance ou a cobertura da rede será de acordo com o ambiente físico, existência de barreiras, e dos modelos de rádio utilizados.
As redes em malha sem fio têm sido bastante utilizadas para prover acesso à Internet, principalmente em região onde existe deficiência de serviços prestados por operadoras de telecomunicações, como mostrado em [6] e [7]. Enquanto este último mostra a implantação para atendimento à cidade de Tiradentes, MG, o primeiro apresenta a possibilidade de ampliação da cobertura da rede e o baixo custo dos equipamentos como as principais vantagens que incentivam a implantação de redes em malha sem fio.
A proposta deste trabalho é apresentar uma avaliação de rede em malha sem fio para provimento de acesso à Internet. Para isso, implantou-se uma rede na região central da cidade de Cuiabá, chamada Rede Stormesh. Utilizaram-se diversos aplicativos para geração, monitoramento e análise de dados. Resultados significativos de diferença no nível de sinal entre os nós foram apresentados quando do uso de diferentes configurações de antenas. Em relação às medições de tráfego da rede, observou-se que as diferenças de nível de sinal apresentaram pouca variação na largura de banda.
2. TRABALHOS RELACIONADOS
Existe variedade de produtos comerciais na área de redes em malha no mercado, como por exemplo, a tecnologia da Cisco [4] que foi implantada na cidade de Tiradentes. Pelo fato da cidade ser patrimônio histórico pela UNESCO, não era possível a instalação de uma torre para instalação de rádios e antenas.
Uma proposta de protótipo de rede foi apresentada pelo MIT (Massachusetts Institute of Tecnology) através da rede Roofnet [8], onde os nós da rede eram compostos por computador de usuários equipado com duas interfaces de rede, uma rede sem fio 802.11b acoplada a uma antena omnidirecional de 8dbi, instalada no topo dos edifícios, e outra interface de rede local para conexão de computadores. Nesta implementação foi utilizada o protocolo de roteamento SrcRR, que é baseado no DSR (Dynamic Source Routing) [1].
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Avaliação do Nível de Sinal em uma Rede em Malha sem Fio Baseada no Padrão 802.11aRafael B. Scarselli, Ed' Wilson T. Ferreira, Ruy de Oliveira, Valtemir E. do Nascimento, Ailton Akira Shinoda, Rothschild A. Antunes
A UFF (Universidade Federal Fluminense) [9] com um grupo de pesquisa desenvolveu um trabalho com redes em malha sem fio para prover acesso gratuito à internet nos arredores da Universidade Federal Fluminense. Foi desenvolvido um kit de acesso à rede [3] de baixo custo composto de um roteador sem fio no padrão 802.11b com firmware OpenWRT [10] instalado, uma antena omni direcional de 18dbi, cabo para conectar a antena ao roteador, cabo UTP para conectar ao computador cliente e módulo PoE para fornecer energia ao rádio pelo cabo UTP.
A avaliação apresentada neste artigo é baseada na implementação de uma rede em malha sem fio numa área metropolitana, a Rede Stormesh. Utilizaram-se equipamentos para ambiente externo, sendo desnecessário o uso de caixas herméticas como nos trabalhos relacionados nesta seção. Diferente de outras propostas semelhantes foi adotado o padrão IEEE 802.11a [11], na faixa de 5.8GHz. A escolha destes equipamentos ocorreu pela facilidade de aquisição dos mesmos no mercado local.
3. REDE STORMESH
3.1. Apresentação da proposta
Este trabalho é baseado na rede Stormesh, uma rede em malha sem fio instalado na cidade de Cuiabá. Sendo um ambiente urbano, a região possui alta densidade de prédios, torres de celulares e emissoras de televisão entre outras características encontradas em centros urbanos de médio porte típicos. A temperatura média em Cuiabá é elevada, atingindo 40°C em alguns meses do ano. No verão a cidade é banhada por fortes torrentes de chuva.
Os equipamentos são instalados no topo dos edifícios e interligados a rede interna do usuário através de uma interface ethernet. Atualmente, a rede possui uma conexão com a Internet identificada como Ponto A na Figura 1. A escolha dos pontos de instalação ocorreu com a disponibilização de voluntários que residem na área escolhida para implantação da rede Stormesh.
Figura 1. Localização dos pontos A, B, C e D da rede Stormesh. Fonte: Google Earth.
3.2. Métodos
Para instalação da rede Stormesh, foram utilizados equipamentos de rádio Nanostation5 [12], fabricado pela
empresa Ubiquiti Networks. Estes equipamentos são facilmente encontrados no mercado e possuem baixo custo, cerca de US$ 70,00. Sua estrutura física é preparada para ambiente externo, tornando-se dispensável a utilização de caixas herméticas.
O rádio [12] possui cápsula protetora própria para ambiente externo a prova d´água. Existe uma interface para antena externa e outra para rede UTP o qual também serve de alimentação através de módulo PoE (Power Over Ethernet). A configuração de hardware do equipamento é de 4MB de memória flash e 16MB de memória RAM, com CPU Atheros de 180MHZ.
A adoção do padrão IEEE 802.11a na faixa de freqüência 5.8GHz e modulação OFDM [11] foi necessária em função da saturação do espectro na faixa de 2.4GHz (padrões IEEE 802.11b/g) na região central de Cuiabá.
O roteamento foi configurado para utilizar o OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) [13]. Trata-se de um protocolo pró-ativo e que tem sido utilizado com sucesso em algumas implementações de rede em malha sem fio [3] [5]. Além disso, o OLSR também utiliza a qualidade de enlaces de rádio como métrica no cálculo de rotas.
O firmware disponibilizado pelo fabricante [14] do rádio não implementa o protocolo OLSR e também não permite sua instalação. Para utilização do protocolo de roteamento escolhido optou-se pelo firmware denominado OpenWRT [10]. Trata-se de uma compilação cujo suporte é realizado por uma comunidade de usuários e é baseado em uma distribuição Linux adaptada para dispositivos embarcados sem fio. Além do protocolo de roteamento também foi instalado a aplicação iPerf [15], este software permite a geração e medição de tráfego na rede.
O OpenWRT possui um recurso de configuração de antena chamado Modo Adaptativo. Como cada rádio possui uma antena interna com dupla polarização e também uma antena externa omni direcional, existem várias opções possíveis de configuração de antena. No modo adaptativo, o rádio alterna entre a antena setorial interna e a antena omni externa a fim de obter o melhor nível de sinal para o enlace com os rádios adjacentes.
Como apresentando na Figura 1, o Ponto A, gateway da rede, é o equipamento instalado no topo da caixa d'água do Campus Cuiabá do Instituto Federal de Mato Grosso [16], a 30m do solo, equipamento com uma antena omnidirecional de 12dbi, com 6° de polarização vertical. O Ponto B está instalado no topo de um edifício a 290m de distância do Ponto A e a 50m do solo, porém foi utilizado uma antena omnidirecional de 8dbi com ângulo vertical de propagação de 16°. O Ponto C foi instalado no interior do campus a 80m de distância do Ponto A, a uma altura de 14m do solo e também foi equipado com uma antena omnidirecional de 8dbi. Por fim, o Ponto D, equipado com a mesma antena omnidirecional de 8dbi, está a uma distância de 174m do Ponto A e a 160m do Ponto B, a 55m do solo. Através da Figura 1 é possível observar os prédios onde os rádios foram instalados, a topologia da rede e também a notável diferença de altura entre eles.
O Nanostation5 possui uma antena interna setorial de 14dBi de ganho, sendo 55° o ângulo de polarização
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horizontal e 18° o ângulo de polarização vertical, que também foram utilizadas nos testes de ganho de sinal deste trabalho. Todos os rádios foram instalados com visada direta para o ponto A.
4. AVALIAÇÕES E RESULTADOS
Diversos cenários foram avaliados para verificação de funcionamento da rede, objeto deste estudo, relativos à utilização das antenas:
I. Utilização somente de antenas omni direcional;
II.Ponto A com antena omni direcional e os outros pontos utilizando modo adaptativo; e
III. Todos os rádios em modo adaptativo.
Em todos os cenários foram medidos o nível de sinal entre cada nó da rede e o gateway (Ponto A).
As antenas omnidirecionais possuem ângulo vertical que limita o plano de propagação do sinal, 6° para a antena de 12dbi e 16° para as antenas de 8dbi. Esse efeito não é percebido quando os nós estão no mesmo plano horizontal, ou com pouca variação de altura entre eles, porém, na rede Stormesh, foi percebida perda significativa do sinal, e acredita-se que tenha ocorrido justamente em função desta variação de altura em que os nós estão instalados. Por fim, foi medido a largura de banda entre os nós da rede até o Ponto A. A medição foi realizada através do software iPerf. Estes resultados serão discutidos na seção a seguir.
4.1. Resultados Obtidos
Nos cenários avaliados, como apresentado na seção anterior, foram realizadas medições para avaliar o ganho de sinal na rede Stormesh, em relação ao Ponto A. A Figura 2 mostra um comparativo das três opções de configuração.
Figura 2. Nível de sinal em relação ao ponto A de acordo com as configurações de antenas utilizadas
Pode-se verificar pela Figura 2, através da comparação entre os três cenários avaliados, que o melhor resultado
obtido foi com a utilização do modo adaptativo, com o uso de ambas as antenas: direcional e omnidirecional. Com o modo adaptativo, o software do equipamento realiza medições utilizando as duas antenas, e escolhe a antena que apresentar melhor ganho para realização da transferência dos dados, com isso, torna-se fácil perceber que esta opção apresentou os melhores ganhos de sinal.
Figura 3. Medições comparando as três configurações de antenas quanto à largura de banda passante em relação ao ponto A.
Foi medida também a largura de banda passante disponível nos enlaces de rádio para os usuários. Isso ocorreu nos três cenários de mudanças das antenas e os resultados das medições são apresentados na Figura 3.
As medições foram realizadas através do software iPerf, instalado em todos os nós da rede. O Ponto A foi configurado como servidor e os demais nós da rede, como clientes. Esta medição ocorreu em testes realizados durante 1800 segundos, em diferentes períodos do dia. Os resultados apresentados são oriundos da média aritmética destas medições. É importante ressaltar que ocorreu pouca variação destes valores no decorrer do período observado.
É possível observar pela Figura 3, que a variação da largura de banda, disponível para os usuários, não foi significativa, mesmo ocorrendo grande variação do ganho do sinal, como apresentado na Figura 2. Esse fato demonstra que os equipamentos tem-se comportado de maneira estável, quando a qualidade dos enlaces disponibilizados para os usuários, mesmo com sinais próximos a -74dbm, que é a sensibilidade mínima para o funcionamento com taxa de 54mbps [12]. Acredita-se que tenha ocorrido este fato em função do sinal ter alcançado o ganho mínimo para funcionamento dos equipamentos, não alterando a largura de banda disponível.
Quanto ao ponto D, o resultado obtido de 3,53Mbps de largura de banda, é provável que tenha ocorrido esta redução em função do número de saltos na rede, entre este ponto e o gateway (Ponto A).
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Avaliação do Nível de Sinal em uma Rede em Malha sem Fio Baseada no Padrão 802.11aRafael B. Scarselli, Ed' Wilson T. Ferreira, Ruy de Oliveira, Valtemir E. do Nascimento, Ailton Akira Shinoda, Rothschild A. Antunes
5. CONCLUSÕES
Com a implantação do projeto de rede em malha sem fio, o Stormesh, foi possível demonstrar a viabilidade deste tipo de rede para formação de um backbone apresentando uma largura de banda satisfatória para tráfego de dados, em uma região metropolitana, mesmo com a existência de diversas redes sem fio de provedores comerciais.
Com os resultados obtidos, foi possível concluir que o ganho de sinal, utilizando as diferentes estratégias de configuração de antenas, houve resultado significativo para o modo adaptativo, onde o equipamento utiliza ambas as antenas. Além disso, a altura relativa de cada nó da rede também influenciou o resultado obtido. Isso aconteceu devido ao ângulo de propagação das antenas utilizadas, que irradiam o sinal em determinado plano, ou zona. O melhor cenário para utilização deste tipo de rede acontece quando as antenas estão no mesmo plano horizontal, ou com pouca variação de altura entre elas.
Contudo, através da análise do tráfego, foi possível observar que as diferenças de largura de banda foram desprezíveis, mesmo com diferentes níveis de sinal, conforme Figura 2.
Este estudo apresentou uma solução eficaz e de baixo custo para redes metropolitanas e em malha sem fio. Com os resultados aqui obtidos, é possível concluir que, em redes com poucos números de saltos entre os nós, o serviços de acesso à Internet possui boa qualidade, e mais, este tipo de rede, torna-se um bom candidato para disponibilizar outros serviços como VoIP, videoconferência ou Smart Grids [16].
5.1. Trabalhos Futuros
Sugere-se a avaliação de QoS e implementação de VoIP na rede Stormesh. Em continuidade desta pesquisa, pode-se ainda averiguar qual modelo de monitoramento e gerenciamento é o mais adequado para a topologia utilizada. Em relação à segurança sugerem-se avaliar o funcionamento de serviços de segurança, como Sistemas de Detecção de Intrusão na rede, além de outros protocolos de roteamento. Por fim, avaliações de Smart Grids para medições de consumo de energia elétrica também podem ser executadas utilizando a Stormesh.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a professora Rosana Maria da Silva Santos pelas contribuições e também a Fundação de Apoio de Pesquisa do Estado de Mato Grosso (FAPEMAT).
REFERÊNCIAS
[1] D. Johnson, D. Maltz, and J. Broch, “DSR: the dynamic source routing protocol for multihop wireless ad hoc networks”, Ad Hoc Networking, Addison-Wesley Longman Publishing Co., Boston, MA, 2001.
[2] Hauenstein, Carlos Dionísio. Wireless LAN a Grande Questão: 802.11a ou 802.11b? Tese de Mestrado – UFRGS. Dezembro de 2002.
[3] Saade, Débora C. Muchaluat. Albuquerque, Célio V. N. Magalhães, Luiz Claudio Schara. Passos, Diego. Duarte, Jairo. Valle, Rafael. Redes em Malha: Solução de Baixo Custo para Popularização do Acesso à Internet no Brasil. Simpósio Brasileiro de Telecomunicações. Setembro de 2007.
[4] Cisco Wireless Mesh Networking Solution Overview, http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/wireless/ps5679/ps6548/prod_brochure0900aecd8036884a.html. Abril de 2011.
[5] Passos, Diego. Teixeira, Douglas Vidal. Saade, Débora C. Muchaluat. Magalhães, Luiz Claudio Schara. Albuquerque, Célio V. N. Mesh Network Performance Measurements. 5th Internatinal Information and Telecommunications Tecnologies Symposium. Cuiabá, MT, Brasil. 6 a 8 de dezembro de 2006.
[6] Ribeiro Dias, L. Internet Popular, ainda uma promessa. Revista ARede, nº 61. Agosto, 2010.
[7] Tecnologia Cisco Promove Inclusão Digital na histórica cidade de Tiradentes MG, http://www.cisco.com/web/BR/microsites/ps/portugues/downloads/CaseTiradentes.pdf. Abril de 2011.
[8]Aguayo, Daniel. Bicket, John. Biswas, Sanjit. Couto, Douglas S. J. De. Morris, Robert. MIT Roofnet Implementation. Massachusetts Institute of tecnology. Cambridge, MA. Agosto de 2003.
[9] Albuquerque, Célio Vinicius Neves de. Saade, Débora Christina Muchaluat. Passos, Diego Gimenez. Teixeira, Douglas Vidal. Rede Mesh de Acesso Universitário Faixa Larga Sem Fio. RNP, Brasil. Agosto de 2006.
[10] OpenWRT Project. http://openwrt.org/. Abril de 2011.
[11] 802.11a - IEEE Stds 802.11a.1999.
[12] Ubiquiti Networks. Nanostation5 Complete Datasheet. Disponível em: http://www.ubnt.com/downloads/ns5_datasheet.pdf. Abril, 2011.
[13] T. Clausen, P. Jacquet, A Laoiti, P Minet, P. Muhlethaler e A Qayyum, L Viennot, “Optimized Link State Routing Protocol” (OLSR). IETF RFC 3626. Outubro de 2003.
[14] Ubiquiti Networks. AirOS V User´s Guide. Disponível em: http://ubnt.com/wiki/AirOS_5. Abril de 2011.
[15] iPerf Project - http://sourceforge.net/projects/iperf/
[16] Srinivasa Prasanna, G.N. Lakshmi, A. Sumanth, S. Simha, V. Bapat, J. Koomullil, G. Data communication over the smart grid. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2009. ISPLC 2009.
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