WNDW: Studi kasus: Sambungan Jarak Jauh 802.11

Studi kasus: Sambungan Jarak Jauh 802.11

Terima kasih kepada topografi yang baik, Venezuela sudah ada sambungan WLAN jarak jauh, seperti sambungan 70 km yang dioperasikan oleh Fundacite Mérida antara Pico Espejo dan Canagua. Untuk menguji batas dari teknologi ini, perlu untuk menemukan sebuah line of sight yang saling berhadapan tanpa halangan dengan kliring minimal 60% dari zona Fresnel pertama. Sambil melihat daerah di Venezuela, dalam pencarian wilayah ketinggian, saya pertama terfokus pada daerah Guayana. Meskipun banyak tanah yang tinggi yang ditemukan, khususnya yang terkenal "tepuys" (mesa tinggi dengan dinding curam), selalu ada kendala di lapangan.

Perhatian saya dialihkan ke Andes, yang memiliki derajat kemiringan lereng tinggi (naik tiba-tiba dari dataran) terbukti memadai untuk tugas. Untuk beberapa tahun, saya telah melakukan perjalanan melalui kawasan-kawasan yang jarang penduduknya karena minat saya untuk bersepeda gunung. Dalam hati saya, saya mencatat berbagai tempat yang cocok untuk komunikasi jarak jauh.

Pico del Aguila adalah tempat yang sangat baik. Ia mempunyai ketinggian 4200 m dan sekitar dua jam dengan kendaraan dari kota kelahiran saya Mérida. Untuk ujung yang lain, akhirnya saya letakan di kota El Baúl, di negara bagian Cojedes. Menggunakan free software Radio Mobile (tersedia di http://www.cplus.org/rmw/english1.html), saya menemukan bahwa tidak ada halangan pada zona Fresnel pertama (sepanjang 280 km) antara Pico del Aguila dan El Baúl .

Rencana Aksi

Setelah puas dengan keberadaan lintasan yang cocok, kami melihat peralatan yang diperlukan untuk mencapai tujuan. Kami telah menggunakan card Orinoco untuk beberapa tahun. Dengan daya pancar 15 dBm dan ambang batas penerimaan -84 dBm, mereka cukup kuat dan dapat dipercaya. Free Space Loss untuk jarak 282 km adalah 149 dB. Jadi, kita perlu 30 dBi antena pada kedua sisi itupun hanya menyisakan sedikit margin untuk rugi-rugi lainnya.

Di sisi lain, router wireless populer Linksys WRT54G menjalankan Linux. Komunitas Open Source telah menulis beberapa versi firmware yang memungkinkan untuk penyesuaian setiap parameter transmisi. Khususnya, firmware OpenWRT memungkinkan penyesuaian waktu acknowledge dari lapisan MAC, serta daya output. Firmware lain, DD-WRT, memiliki antarmuka GUI yang sangat nyaman dan utilitas site survey. Selain itu, Linksys dapat diletakan lebih dekat ke antena daripada sebuah laptop. Jadi, kami memutuskan untuk menggunakan sepasang kotak ini. Satu dikonfigurasi sebagai sebuah AP (akses point) dan lain sebagai klien. WRT54G yang dapat beroperasi dengan daya pancar 100 mW dengan linearitas yang baik, dan bahkan dapat di naikan hingga 200 mW. Tetapi pada daya tinggi, sangat tidak linear dan menghasilkan sinyal spurious / palsu / bayangan, yang seharusnya di hindari. Walaupun ini adalah peralatan kelas konsumen bukan operator telekomunikasi dan cukup murah, setelah bertahun-tahun menggunakannya, kami merasa yakin bahwa peralatan tersebut dapat digunakan untuk mencapai tujuan. Tentu saja, kami menyimpan cadangan untuk berjaga-jaga.

Dengan menetapkan daya pancar ke 100 mW (20 dBm), kami dapat memperoleh keuntungan 5dB dibandingkan dengan kartu Orinoco. Oleh karena itu, kami menetap untuk sepasang WRT54Gs.

Site Survey Pico del Águila

Gambar 11.26: Pemandangan dari sambungan 280 km. Danau Maracaibo di sebelah ke Barat, dan Tanjung Paraguaná di utara Utara.

Gambar 11.27: Peta dan profil dari usulan path antara Pico Aguila, dan bukit Morrocoy, di dekat kota El Baúl.

Gambar 11.28: Rincian propagasi dari sambungan 280 km.

Pada tanggal 15 Januari 2006, saya pergi ke Pico Águila untuk memeriksa situs yang telah cocok berdasarkan perhitungan Radio Mobile. Azimut yang menuju El Baúl adalah 86 °, tetapi karena deklinasi magnetis adalah 8° 16, antenna kami harus mengarah ke arah magnetis 94 °. Sayangnya, saat saya melihat ke arah 94 °, saya menemukan halangan line of sight yang tidak pernah ditunjukkan oleh perangkat lunak, karena keterbatasan resolusi ketinggian peta digital gratis yang tersedia.

Saya mengendarai mountain bike saya unuk beberapa jam memeriksa kawasan sekitar untuk mencari path ke arah Timur yang terbuka. Beberapa tempat yang menjanjikan diidentifikasi, untuk masing-masing tempat saya ambil foto dan mencatat koordinat GPS untuk kemudian memproses dengan software Radio Mobile. Ini menyebabkan saya memperbaiki pilihan path, sehingga memperoleh sebuah gambar seperti pada Gambar 11.26 menggunakan Google Earth.

Profile Radio yang di peroleh dari Radio Mobile ditampilkan dalam Gambar 11.27.

Detail sambungan wireless yang ditampilkan dalam Gambar 11.28.

Dalam rangka untuk mencapai margin yang wajar 12 dB untuk sambungan tersebut, kami memerlukan penguatan antena setidaknya 30 dBi di masing-masing ujung.

Antena

Gambar 11.29: Reflektor offset fed 2,4 m dengan antena 12 dBi di fokusnya, melihat 14 ° ke bawah. Elevasi sebenarnya adalah 8° ke atas.

Antenna berpenguatan tinggi untuk band 2.4 GHz tidak tersedia di Venezuela. Biaya impor sangat besar, sehingga kami memutuskan untuk mendaur ulang bekas reflektor parabola (sebelumnya digunakan untuk layanan satelit) dan diganti dengan satu feed yang dirancang untuk 2,4 GHz. Kami membuktikan dengan konsep parabola 80 cm. Penguatan terlalu rendah, sehingga kami mencoba sebuah reflector 2,4m dengan offset fed. Reflector ini menawarkan cukup banyak penguatan, walaupun dengan beberapa kesulitan untuk mengarahkan beam yang hanya 3,5°. Offset 22,5° berarti bahwa parabola akan tampak seperti mengarah ke bawah padahal sebetulnya mengarah horizontal.

Beberapa tes yang dilakukan menggunakan berbagai antenna kaleng dan 12 dBi Yagi sebagai feed. Kami mengarahkan antena di base stasion dari jaringan nirkabel universitas yang berlokasi 11 km pada gunung 3.500 m. Lokasi percobaan berada pada ketinggian 2000 m sehingga sudut elevasinya adalah 8°. Karena menggunakan offset feed, parabola kami arahkan 14° ke bawah, seperti dapat dilihat dalam gambar berikut:

Kami mampu membuat sambungan dengan base stasion di Aguada, tetapi upaya kami untuk mengukur penguatan dari setup menggunakan Netstumbler tidak berhasil. Ada terlalu banyak fluktuasi pada daya yang diterima pada trafik yang hidup.

Untuk pengukuran yang lebih berarti dari penguatan, kami memerlukan sebuah sinyal generator dan spektrum analyser. Instrumen-instrumen ini juga diperlukan untuk perjalanan di lapangan untuk meluruskan antena yang benar.

Sambil menunggu peralatan yang diperlukan, kami mencari antena untuk digunakan di ujung yang lain, dan juga mengarahkan sistem yang sesuai dengan pancaran radio yang sempit. Pada bulan Februari 2006, saya bepergian ke Trieste untuk mengambil bagian dalam acara tahunan pelatihan nirkabel yang selalu saya hadiri sejak tahun 1996. Pada saat disana, saya menceritakan proyek tersebut ke rekan saya Carlo Fonda, yang segera tertarik dan bersemangat untuk berpartisipasi.

Kerja sama Sekolah Networking Amerika Latin s (EsLaRed) dan Abdus Salam Internasional Center untuk Fisika Teoretis (ICTP) telah dilakukan sejak 1992, ketika Jaringan Sekolah pertama diadakan di Mérida dengan dukungan ICTP. Sejak itu, anggota kedua lembaga telah bekerjasama dalam beberapa kegiatan. Beberapa ini termasuk sekolah pelatihan tahunan tentang jaringan nirkabel (di organized oleh ICTP) dan yang lain tentang jaringan komputer (yang diselenggarakan oleh EsLaRed) yang disediakan di beberapa negara di seluruh Amerika Latin. Dengan demikian, tidak sulit untuk meyakinkan Dr Sandro Radicella, kepala dari Laboratorium Aeronomy dan Propagasi Radio di ICTP, untuk mendukung perjalanan Carlo Fonda di awal April ke Venezuela untuk berpartisipasi dalam percobaan. Kembali di rumah, saya menemukan parabolic mesh 2,75 m dengan fed di tengah di rumah tetangga. Bapak Ismael Santos meminjamkan antenna tersebut untuk percobaan.

Gambar 11.30 menunjukkan pembongkaran mesh reflektor.

Gambar 11,30: Carlo dan Ermanno membongkar antene parabola yang dipinjamkan oleh Bapak Ismael Santos.

Kami mengubah feed untuk 2,4 GHz, dan mengarahkan ke sebuah sinyal generator yang berada di atas tangga sekitar 30 m jauh. Dengan spektrum analisa, kami mengukur bahwa maksimum sinyal terletak di fokus. Kami juga menentukan boresight untuk kedua antenna baik center fed maupun offset antenna. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 11.31:

Gambar 11.31: Mencari fokus dari antena dengan 2,4 GHz feed

Kami juga dibandingkan kekuatan sinyal yang diterima dengan output dari sebuah antena komersial 24 dBi. Ini menunjukkan perbedaan 8 dB, yang menyebabkan kami percaya bahwa penguatan keseluruhan antena adalah 32 dBi. Tentu saja, terdapat beberapa ketidakpastian tentang nilai ini. Kami telah menerima sinyal yang di pantulkan, tetapi nilainya sesuai dengan perhitungan dari dimensi antena.

El Baúl situs survey

Setelah kami puas dengan fungsi dan arah dari kedua antena, kami memutuskan untuk melakukan site survey ke ujung dari sambungan El Baúl. Carlo Fonda, Gaya Fior dan Ermanno Pietrosemoli mencapai lokasi pada 8 April. Hari berikutnya, kami menemukan bukit (selatan kota) dengan dua menara telekomunikasi dari dua operator selular dan satu milik walikota El Baúl. Bukit Morrocoy sekitar 75 m di atas wilayah sekitarnya, sekitar 125 m di atas permukaan laut. Memberikan pemandangan tanpa halangan ke arah El Aguila. Ada jalan setapak ke puncak, yang harus kami lalui untuk tujuan kami, mengingat berat antena.

Melakukan percobaan

Gambar 11.32: Peta Pico del Águila dan sekitarnya dengan truk Bronco.

Pada hari Rabu 12 April, Javier Triviño dan Ermanno Pietrosemoli pergi ke arah Baúl dengan antena offset yang dimuat di atas sebuah truk four-wheel drive. Pagi 13 April, antenna kami instal di arahkan dengan arah kompas 276 °, mengingat ada deklinasi 8 ° dan oleh karena itu Azimut yang benar adalah 268 °.

Pada saat yang sama, tim lain (terdiri dari Carlo Fonda dan Gaya Fior dari ICTP, dengan bantuan dari Franco Bellarosa, Lourdes Pietrosemoli dan José Triviño) menuju ke area yang pernah di survey sebelumnya di kawasan Pico del Aguila dalam truk Bronco yang membawa mesh antenna 2,7 m.

Cuaca buruk sangat umum di ketinggian 4.100 m di atas permukaan laut. Tim Aguila berhasil memasang dan mengarahkan antenna mesh sebelum kabut dan hujan es turun. Gambar 11.33 menunjukan antena dan tali yang digunakan untuk mengarahkan pancaran radio 3°.

Daya untuk sinyal generator di ambil dari truk menggunakan inverter 12 VDC ke 120 VAC. Pada jam 11 pagi di El Baúl, kami mampu melihat sinyal -82 dBm yang disepakati di frekuensi 2450 MHz menggunakan spektrum analiser. Untuk memastikan kami telah menemukan sumber yang tepat, kami diminta Carlo untuk menonaktifkan sinyal. Betul, spektrum analiser hanya menunjukan hanya noise saja. Hal ini mengkonfirmasikan bahwa kami benar-benar melihat sinyal yang berasal dari jarak 280 km.

Setelah menyalakan sinyal generator lagi, kami melakukan tuning pada elevasi dan azimut pada kedua sisi. Setelah kami puas bahwa kami telah penerimaan sinyal maksimum, Carlo mengganti sinyal generator dengan Linksys WRT54G wireless router dikonfigurasi sebagai jalur akses. Javier digantikan dengan spektrum analiser di ujung lain dengan WRT54G dikonfigurasi sebagai klien.

Gambar 11.33: Mengarahkan antenna di el Águila.

Sekaligus, kami mulai menerima "beacon" tapi paket ping tidak tembus. Hal ini dapat di mengerti, karena waktu propagasi dari gelombang radio pada sambungan lebih dari 300 km adalah 1 ms. Butuh waktu setidaknya 2 ms untuk sebuah acknowledge untuk mencapai pemancar. Untungnya, OpenWRT firmware memungkinkan untuk menyesuaikan waktu ACK. Setelah Carlo menaikan delay waktu acknowledge menjadi 3 order magnitude di atas standar sambungan Wi-Fi, kami mulai menerima paket dengan penundaan sekitar 5 ms.

Gambar 11.34: Instalasi antenna El Baúl instalasi antena. Elevasi sebenarnya adalah 1 ° ke atas, karena antenna memiliki offset 22,5 °.

Kami meneruskan dengan mentransfer beberapa file PDF antara laptop Carlo dan Javier. Hasil akan ditampilkan dalam Gambar 11.35.

Gambar 11.35: Screenshot dari laptop Javier menampilkan rincian transfer file PDF dari laptop Carlo pada jarak 280 km, menggunakan dua router nirkabel WRT54G, tanpa Amplifier.

Perlu di catat bahwa waktu ping adalah beberapa milidetik.

Gambar 11.36: Javier Triviño (kanan) dan Ermanno Pietrosemoli mengarahkan antenna El Baúl

Gambar 11.37: Carlo Fonda di lokasi Aguila

Mérida, Venezuela, 17 April 2006.

Satu tahun setelah melakukan percobaan ini, kami menemukan waktu dan sumber daya untuk mengulang itu. Kami digunakan antena komersial 30 dBi, dan juga beberapa router wireless yang telah dimodifikasi oleh group TIER yang dipimpin oleh Dr. Eric Brewer dari Berkeley University.

Tujuan dari modifikasi pada WiFi MAC standard adalah agar cocok untuk aplikasi jarak jauh degan cara menggantikan CSMA Media Access Control dengan TDMA. Yang terakhir lebih sesuai untuk sambungan jarak jauh point-to-point karena tidak memerlukan penerimaan ACK. Hal ini menghilangkan kebutuhan untuk menunggu 2ms waktu propagasi round trip pada path 300 km.

Pada tanggal 28 April 2007, sebuah tim dibentuk oleh Javier Triviño, José Torres dan Francisco Torres menginstalasi satu antenna di lokasi El Aguila. Tim lain, terdiri dari Leonardo González V., Leonardo González G., Alejandro González dan Ermanno Pietrosemoli, memasang antenna lainnya di El Baúl.

Sebuah sambungan yang solid berhasil dibentuk dengan cepat menggunakan router Linksys WRT54G. Hal ini memungkinkan pengiriman video dengan throughput 65 kbps. Dengan router TDMA, throughput yang terukur adalah 3 Mbps di setiap arah. Hal ini menghasilkan total 6 Mbps sebagaimana di prediksi oleh simulasi yang dilakukan di Berkeley.

Dapat kami lakukan lebih baik?

Gambar 11.38: Peta dan profil dari path 380 km.

Gambar 11.39: Tim di el Aguila, José Torres (kiri), Javier Triviño (tengah) dan Francisco Torres (kanan)

Kagum dengan hasil ini, yang telah membuka jalan untuk membuat sambungan jarak jauh broadband yang murah, kedua tim dipindahkan ke lokasi lain sebelumnya diidentifikasi di 382 km dari El Aguila, di tempat disebut Platillón. Platillón adalah 1.500 m di atas permukaan laut dan tidak halangan di zone Fresnel pertama terhadap El Aguila (terletak pada 4200 m di atas permukaan laut). Usulan path ditunjukkan pada Gambar 11.38:

Sekali lagi, sambungan terbentuk dengan cepat menggunakan router Linksys TIER. Sambungan pada Linksys menunjukkan hanya sekitar 1% paket loss, dengan rata-rata round trip time (RTT) hanya 12 ms. Peralatan TIER menunjukkan tidak ada paket loss, dengan waktu propagasi di bawah 1 ms. Hal ini memungkinkan transmisi video, tetapi sambungan tidak stabil. Kami memperhatikan fluktuasi sinyal yang sering memutuskan komunikasi. Namun, jika sinyal yang di terima sekitar -78 dBm, throughput yang di ukut adalah total 6 Mbps bidirectional dengan router TIER yang menerapkan TDMA.

Meskipun tes lebih lanjut harus dilakukan untuk memastikan batas untuk throughput yang stabil, kami yakin bahwa Wi-Fi memiliki potensi besar untuk komunikasi broadband jarak jauh. Hal ini terutama cocok untuk daerah pedesaan karena spektrum tidak ramai dan gangguan tidak menjadi masalah, asalkan ada radio line of sight yang baik.

Ucapan Terima Kasih

Gambar 11.40: Tim di Platillon. Dari kiri ke kanan: Leonardo González V., Leonardo González G., Ermanno Pietrosemoli danAlejandro González.

Kami ingin menyampaikan rasa terima kasih kami kepada Bapak Ismael Santos untuk pinjaman mesh antena yang dipasang di El Aguila dan untuk Eng. Andrés Pietrosemoli untuk penyediaan kontruksi untuk instalasi dan transportasi dari antena. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada pihak Abdus Salam Internasional Center of Fisika Teoretis untuk mendukung perjalanan Carlo Fonda dari Italia ke Venezuela.

Percobaan di tahun 2006 dilakukan oleh Ermanno Pietrosemoli, Javier Triviño dari EsLaRed, Carlo Fonda, dan Gaya Fior dari ICTP. Dengan bantuan Franco dari Bellarosa, Lourdes Pietrosemoli, dan José Triviño. Untuk experimen di tahun 2007, Dr. Eric Brewer dari University Berkeley yang menyediaan wireless router dengan MAC yang dimodifikasi untuk jarak jauh, serta dukungan yang sangat antusias melalui kolaborasi, Sonesh Surana. RedULA, CPTM, Dirección de Pelayanan ULA Universidad de los Andes dan kontribusi Fundacite Mérida untuk percobaan ini. Pekerjaan ini didanai oleh AKI-IDRC.

Referensi

Fundación Escuela Latinoamericana de Redes, Latin American Networking School, http://www.eslared.org.ve/
Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, http://wireless.ictp.it/
OpenWRT Open Source firmware for Linksys, http://openwrt.org/
Fundacite Mérida, http://www.funmrd.gov.ve/

-- Ermanno Pietrosemoli