Wi-Fi de largo alcance

El Wi-Fi de largo alcance se utiliza para conexiones de redes informáticas punto a punto no reguladas y de bajo coste , como alternativa a otras redes inalámbricas fijas , redes celulares o acceso a Internet por satélite .

Las redes Wi-Fi tienen un alcance limitado por la frecuencia, la potencia de transmisión, el tipo de antena, la ubicación en la que se utilizan y el entorno. ^[1] Un enrutador inalámbrico típico en una disposición punto a multipunto en interiores que utiliza 802.11n y una antena estándar puede tener un alcance de 50 metros (160 pies) o menos. Las disposiciones punto a punto en exteriores , mediante el uso de antenas direccionales , se pueden extender con muchos kilómetros entre estaciones.

Desde el desarrollo del estándar de radio IEEE 802.11 (comercializado bajo la marca Wi-Fi ), la tecnología se ha vuelto notablemente menos costosa y ha logrado velocidades de bits más altas . El Wi-Fi de largo alcance, especialmente en la banda de 2,4 GHz (a medida que las bandas de 5,8 GHz de alcance más corto y mayor velocidad de bits se convierten en alternativas populares a las conexiones LAN por cable), ha proliferado con dispositivos especializados. Si bien los puntos de acceso Wi-Fi son omnipresentes en las áreas urbanas, algunas áreas rurales utilizan transceptores de largo alcance más potentes como alternativas a las aplicaciones celulares ( GSM , CDMA ) o inalámbricas fijas ( Motorola Canopy y otras de 900 MHz). Las principales desventajas de 2,4 GHz frente a estas opciones de frecuencia más baja son:

• Mala penetración de la señal: las conexiones de 2,4 GHz están limitadas a la línea de visión o a obstáculos blandos;
• alcance mucho menor – los teléfonos celulares GSM o CDMA pueden conectarse de manera confiable a distancias de > 16 km (10 mi); el alcance del GSM, impuesto por los parámetros del acceso múltiple por división de tiempo , está establecido en 35 km (22 mi);
• Pocos proveedores de servicios admiten comercialmente conexiones Wi-Fi de larga distancia.

A pesar de la falta de proveedores de servicios comerciales, las aplicaciones de Wi-Fi de largo alcance han surgido en todo el mundo. También se ha utilizado en ensayos experimentales en el mundo en desarrollo para conectar comunidades separadas por una geografía difícil con pocas o ninguna otra opción de conectividad. Algunos beneficios de usar Wi-Fi de largo alcance para estas aplicaciones incluyen:

• espectro sin licencia – evitar negociaciones con los proveedores de telecomunicaciones actuales, gobiernos u otros; ^{[ dudoso – discutir ]}
• Antenas más pequeñas, más simples y más económicas: las antenas de 2,4 GHz tienen menos de la mitad del tamaño de las antenas de 900 MHz de potencia comparable y requieren menos protección contra rayos;
• disponibilidad de software libre probado como OpenWrt , DD-WRT , Tomato que funciona incluso en enrutadores antiguos ( WRT54G , por ejemplo) y hace que modos como WDS , OLSR , etc., estén disponibles para todos, incluidos modelos de reparto de ingresos para puntos de acceso.

Las organizaciones sin fines de lucro que operan instalaciones extendidas, como los servicios forestales, también hacen un uso extensivo de Wi-Fi de largo alcance para ampliar o reemplazar tecnologías de comunicaciones más antiguas, como transceptores de ondas cortas o microondas en bandas autorizadas.

• Proporcionar cobertura a un gran complejo de oficinas o negocios o campus.
• Establecer enlace punto a punto entre grandes rascacielos u otros edificios de oficinas o aeropuertos.
• Lleve Internet a sitios de construcción o laboratorios de investigación remotos.
• Simplificar las tecnologías de redes mediante la fusión de un pequeño número de tecnologías ampliamente utilizadas relacionadas con Internet, limitando o eliminando las tecnologías heredadas, como la radio de onda corta, para que puedan dedicarse a usos donde realmente se necesitan.
• Lleva Internet a una casa si no se puede conectar el cable/DSL regular en el lugar.
• Lleva Internet a una casa de vacaciones o a una cabaña en una montaña remota o en un lago.
• Lleva Internet a un yate o a un gran buque marítimo.
• Compartir una red Wi-Fi del vecindario .

• Conecte puestos de protección física generalizados, por ejemplo, para forestales, que protegen un área física, sin necesidad de cableado nuevo.
• En las regiones turísticas, completar las zonas sin cobertura de telefonía móvil con cobertura Wi-Fi y garantizar la conectividad para los operadores turísticos locales.
• Reduzca los costos de la infraestructura de red dedicada y mejore la seguridad aplicando encriptación y autenticación modernas.

• Conecte a líderes de opinión críticos, infraestructura como escuelas y estaciones de policía, en una red que las autoridades locales pueden mantener
• Construir una infraestructura resistente con equipos más baratos que una región empobrecida y devastada por la guerra pueda costear, es decir, utilizando tecnología de red de calidad comercial, en lugar de tecnología de red de clase militar, que luego podría quedar en manos de los militares del mundo desarrollado.
• Reducir costos y simplificar/proteger las cadenas de suministro mediante el uso de equipos más baratos y simples que consumen menos combustible y energía de la batería; en general, estas son altas prioridades para las tecnologías comerciales como Wi-Fi, especialmente porque se utilizan en dispositivos móviles.

• En el marco del Proyecto Sísmico Andino en Perú se utilizó una red de sensores sísmicos de largo alcance. Se atravesó un tramo de varios saltos con una longitud total de 320 kilómetros (200 millas) con algunos segmentos de entre 30 y 50 kilómetros (19 y 31 millas). El objetivo era conectar estaciones remotas a la UCLA para recibir datos sísmicos en tiempo real. ^[2]

El proyecto Tecnología e Infraestructura para Regiones Emergentes (TIER) de la Universidad de California en Berkeley , en colaboración con Intel, utiliza una configuración de Wi-Fi modificada para crear enlaces punto a punto de larga distancia para varios de sus proyectos en el mundo en desarrollo. ^[3] Esta técnica, denominada Wi-Fi a Larga Distancia (WiLD), se utiliza para conectar el Hospital Oftalmológico Aravind con varias clínicas periféricas en el estado de Tamil Nadu , India . ^[4] Las distancias varían de cinco a más de quince kilómetros (3-10 millas) con estaciones ubicadas en línea de visión entre sí. Estos enlaces permiten a los especialistas del hospital comunicarse con enfermeras y pacientes en las clínicas a través de videoconferencias. Si el paciente necesita un examen o atención adicional, se puede programar una cita en el hospital. Otra red en Ghana conecta la Universidad de Ghana , campus Legon con sus campus remotos en la Escuela de Medicina de Korlebu y el campus de la ciudad; una extensión adicional contará con enlaces de hasta 80 km (50 mi) de distancia.

El proyecto Tegola de la Universidad de Edimburgo está desarrollando nuevas tecnologías para llevar banda ancha asequible y de alta velocidad a áreas rurales fuera del alcance de la fibra. ^[5] Un anillo de cinco enlaces conecta Knoydart, la costa norte de Loch Hourne y una comunidad remota en Kilbeg con la red de retorno desde el Gaelic College en Skye. Todos los enlaces pasan sobre aguas de marea; su longitud varía de 1 a 20 km/h.+1 ⁄ 2 a 12 millas (2,4 a 19,3 km).

En la mayoría de los enrutadores Wi-Fi estándar, los tres estándares, a, b y g, son suficientes. Pero en Wi-Fi de largo alcance, se utilizan tecnologías especiales para aprovechar al máximo una conexión Wi-Fi. El estándar 802.11-2007 agrega modos OFDM de 10 MHz y 5 MHz al estándar 802.11a y extiende el tiempo de protección del prefijo cíclico de 0,8 μs a 3,2 μs, cuadruplicando la protección contra distorsión por trayectos múltiples. Algunos chipsets 802.11a/g comúnmente disponibles admiten el "half-clocking" y el "quarter-clocking" OFDM que se encuentran en el estándar 2007, y los productos de 4,9 GHz y 5,0 GHz están disponibles con anchos de banda de canal de 10 MHz y 5 MHz. Es probable que algunos chipsets 802.11n D.20 también admitan "media frecuencia de reloj" para su uso en anchos de banda de canal de 10 MHz y con el doble del alcance del estándar 802.11n.

En 2008, muchos enrutadores empezaron a utilizar la tecnología 802.11n de forma preliminar . Esta tecnología puede utilizar varias antenas para apuntar a una o más fuentes y aumentar la velocidad. Esto se conoce como MIMO (Multiple Input Multiple Output). En las pruebas, se dijo que el aumento de velocidad solo se producía en distancias cortas en lugar del largo alcance necesario para la mayoría de las configuraciones punto a punto. Por otro lado, el uso de antenas duales con polaridades ortogonales junto con un chipset MIMO 2x2 permite enviar y recibir de forma efectiva dos señales portadoras independientes a lo largo de la misma ruta de larga distancia.

Otra forma de aumentar el alcance es mediante un amplificador de potencia. Estos pequeños dispositivos, conocidos comúnmente como "amplificadores extensores de alcance", suelen suministrar alrededor de 1 ⁄ 2 vatio de potencia a la antena. Estos amplificadores pueden proporcionar más de cinco veces el alcance a una red existente. Cada ganancia de 3 dB duplica la potencia de salida efectiva. Una antena que recibe 1 vatio de potencia y una ganancia de 6 dB tendría una potencia efectiva de 4 vatios.

Las antenas direccionales con formas especiales pueden aumentar el alcance de una transmisión Wi-Fi sin un aumento drástico en la potencia de transmisión. Las antenas de alta ganancia pueden tener muchos diseños, pero todas permiten transmitir un haz de señal estrecho a una distancia mayor que una antena no direccional, anulando a menudo las fuentes de interferencia cercanas. Estas técnicas de " WokFi " suelen producir ganancias de más de 10 dB sobre el sistema desnudo; ^[6] suficiente para rangos de línea de visión (LOS) de varios kilómetros (millas) y mejoras en ubicaciones marginales.

Las implementaciones del protocolo estándar IEEE 802.11 pueden modificarse para que sean más adecuadas para usos punto a punto a larga distancia, con el riesgo de romper la interoperabilidad con otros dispositivos Wi-Fi y sufrir interferencias de transmisores ubicados cerca de la antena. Estos enfoques son utilizados por el proyecto TIER. ^[7]

Además de los niveles de potencia, también es importante saber cómo el protocolo 802.11 reconoce cada trama recibida . Si no se recibe el reconocimiento, la trama se retransmite. De forma predeterminada, la distancia máxima entre el transmisor y el receptor es de 1,6 km (1 mi). En distancias más largas, el retraso forzará las retransmisiones. En el firmware estándar para algunos equipos profesionales como el Cisco Aironet 1200, este parámetro se puede ajustar para un rendimiento óptimo . OpenWrt , DD-WRT y todos los derivados de este también permiten este ajuste. En general, el software de código abierto es muy superior al firmware comercial para todos los propósitos que involucran piratería de protocolos, ya que la filosofía es exponer todas las capacidades del chipset de radio y dejar que el usuario las modifique. Esta estrategia ha sido especialmente efectiva con enrutadores de gama baja como el WRT54G que tenía excelentes características de hardware que el firmware comercial no admitía. En 2011, muchos proveedores todavía solo admitían un subconjunto de las características del conjunto de chips que el firmware de código abierto desbloqueaba, y la mayoría de los proveedores fomentaban activamente el uso de firmware de código abierto para piratear protocolos, en parte para evitar la dificultad de intentar brindar soporte a los usuarios de firmware comercial que intentan esto.

La fragmentación de paquetes también se puede utilizar para mejorar el rendimiento en condiciones de ruido o congestión. Aunque la fragmentación de paquetes suele considerarse algo malo y, de hecho, añade una gran sobrecarga, reduciendo el rendimiento, a veces es necesaria. Por ejemplo, en una situación de congestión, los tiempos de ping de paquetes de 30 bytes pueden ser excelentes, mientras que los tiempos de ping de paquetes de 1450 bytes pueden ser muy malos con una alta pérdida de paquetes. Dividir el paquete por la mitad, estableciendo el umbral de fragmentación en 750, puede mejorar enormemente el rendimiento. El umbral de fragmentación debe ser una división de la MTU , normalmente 1500, por lo que debería ser 750, 500, 375, etc. Sin embargo, la fragmentación excesiva puede empeorar el problema, ya que el aumento de la sobrecarga aumentará la congestión.

Los métodos que aumentan el alcance de una conexión Wi-Fi también pueden hacerla frágil y volátil, debido a diversos factores, entre ellos:

Los obstáculos son uno de los mayores problemas a la hora de configurar una red Wi-Fi de largo alcance. Los árboles y los bosques atenúan la señal de microondas y las colinas dificultan la propagación de la línea de visión . La lluvia y el follaje húmedo pueden reducir aún más el alcance con cantidades extremas de lluvia.

En una ciudad, los edificios afectarán la integridad, la velocidad y la conectividad. Los marcos de acero y las láminas de metal en las paredes o los techos pueden reflejar parcial o totalmente las señales de radio, lo que provoca pérdida de señal o problemas de transmisión por trayectos múltiples. Las paredes de hormigón o yeso absorben las señales de microondas de forma significativa, lo que reduce la señal total. Los hospitales, con sus cantidades extremas de blindaje, pueden requerir una planificación exhaustiva para producir una red viable.

Cuando las conexiones inalámbricas punto a punto cruzan estuarios o archipiélagos mareales, la interferencia por trayectos múltiples de las reflexiones sobre el agua de las mareas puede ser considerablemente destructiva. ^[8] El proyecto Tegola utiliza una técnica de salto de frecuencia lento para mitigar el desvanecimiento por mareas.

Los hornos microondas en las residencias dominan la banda de 2,4 GHz y causarán "perturbaciones a la hora de comer" del nivel de ruido . Existen muchas otras fuentes de interferencia que se suman y constituyen un obstáculo formidable para permitir el uso a larga distancia en áreas ocupadas. Los teléfonos inalámbricos residenciales, los concentradores USB 3.0, los monitores para bebés, las cámaras inalámbricas, los arrancadores de automóviles a distancia y los productos Bluetooth son todos capaces de transmitir en la banda de 2,4 GHz.

Debido a la naturaleza prevista de la banda de 2,4 GHz, hay muchos usuarios de esta banda, con potencialmente docenas de dispositivos por hogar. Por su propia naturaleza, "largo alcance" connota un sistema de antena que puede detectar muchos de estos dispositivos, que al sumarse producen un nivel de ruido muy alto, por lo que ninguna señal es utilizable, pero aun así se reciben. El objetivo de un sistema de largo alcance es producir un sistema que sobrepase estas señales y/o utilice antenas direccionales para evitar que el receptor "vea" estos dispositivos, reduciendo así el nivel de ruido.

El enlace Wi-Fi sin amplificación más largo es un enlace de 304 km logrado por CISAR (Centro Italiano de Actividades Radioeléctricas). ^[9] Nuevo récord mundial para banda ancha inalámbrica de largo alcance.

• Enlace establecido por primera vez el 7 de mayo de 2016 y el 8 de mayo de 2016
• Parece ser permanente desde Monte Amiata (Toscana) hasta Monte Limbara (Cerdeña).
• Frecuencia: 5765 MHz
• IEEE 802.11a (Wi-Fi), ancho de banda 50 MHz
• Velocidades de datos: hasta 356,33 Mbit/s
• Radio: Radios Ubiquiti Networks AF-5X
• Enrutadores inalámbricos: Ubiquiti airFiber
• Longitud: 304 km (189 mi).
• La antena mide 120 cm (4') con guía de ondas hecha a mano. Se estima que se alcanzarán 35 dBi ^[10]

Otro enlace wifi no amplificado notable es un enlace de 279 km (173 mi) logrado por la Fundación Escuela Latinoamericana de Redes. ^{[3] [11]}

• Enlace Pico del Águila – El Baúl.
• Frecuencia: 2412 MHz
• Enlace establecido en 2006
• IEEE 802.11 (Wi-Fi), canal 1, ancho de banda 22 MHz
• Routers inalámbricos: Linksys WRT54G , firmware OpenWrt en el Águila y firmware DD-WRT en El Baúl.
• Longitud: 279 km (173 mi).
• En ambos extremos se utilizaron antenas parabólicas recicladas del servicio satelital.
• En el sitio El Águila, un reflector de malla de aluminio de 2,74 m (9 pies) de diámetro, alimentado al centro, y en El Baúl, un reflector sólido de fibra de vidrio, alimentado de forma descentrada, de 2,44 por 2,74 m (8 por 9 pies). En ambos extremos, las alimentaciones eran Yagis de 12 dBi .
• Los enrutadores de la serie Linksys WRT54G alimentaron las antenas con cables LMR400 cortos, por lo que la ganancia efectiva de la antena completa se estima en 30 dBi . ^[12]
• Este es el mayor alcance conocido alcanzado con esta tecnología, mejorando un récord anterior de EE. UU. de 201 km (125 mi) logrado el año pasado en EE. UU. La agencia espacial sueca alcanzó 315 km (196 mi), pero utilizando amplificadores de 6 vatios para alcanzar un globo estratosférico elevado . ^[13]

Loreto, en la región selvática del Perú, es la ubicación de la red multisalto basada en Wi-Fi más larga del mundo. Esta red ha sido implementada por el Grupo de Investigación de Telecomunicaciones Rurales de la Pontificia Universidad Católica del Perú (GTR PUCP). La cadena Wi-Fi pasa por muchos pueblos pequeños y toma diecisiete saltos para cubrir toda la distancia. Comienza en el Puesto de Salud de Cabo Pantoja y termina en el centro de Iquitos . Su longitud es de aproximadamente 445 km (277 mi). ^[3] La zona de intervención se estableció en la selva baja con elevaciones por debajo de los 500 metros (1600') sobre el nivel del mar. Es una zona plana y por esta razón GTR PUCP instaló torres con una altura promedio de 80 metros (260').

• El enlace se estableció en 2007. GTR PUCP, el gobierno regional de Loreto y la Vicariato San José de Amazonas están trabajando juntos en el mantenimiento de la red.
• Canales de frecuencia utilizados: 1, 6 y 11, canales 802.11g sin interferencias
• Se utilizaron enrutadores inalámbricos Doodle Labs.
• Se utilizaron antenas L-com.

• Red de área amplia de bajo consumo
• WiMAX
• LoRaWAN
• Zona de Fresnel

Bibliografía

• Enlaces 802.11b de larga distancia: mediciones de rendimiento y experiencia
• Instrucciones: Antena parabólica con alimentador BiQuad
• Construcción de antenas de redes inalámbricas de larga distancia
• Una lista de enlaces WiFi de larga distancia de SeattleWireless
• Mapa de wifi cisar