Xoves, 25 Abril 2019
MONOGRÁFICO: Redes Wifi - Consideraciones generales PDF Imprimir Correo-e
CAJON DE SASTRE - Cajon de sastre
Escrito por Tomás Simal   
Sábado, 12 Febreiro 2011 12:38
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MONOGRÁFICO: Redes Wifi
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2  Consideraciones generales

Las redes Wi-Fi son redes inalámbricas, por tanto redes vía radio, con todo lo que ello implica respecto a frecuencias, interferencias, influencia del entorno, etc. Esto nos obliga a recapacitar sobre las implicaciones que ello tiene, tanto en la manera de funcionar como en las limitaciones y problemas que de ello pueden surgir.

La primera consecuencia de esto es que los clientes no están claramente definidos, ni en número, ni en situación, lo cual provoca la necesidad de una gestión de éstos. Será necesario autentificarlos, notificarles parámetros de funcionamiento como el canal a utilizar, etc. Así mismo al ser un medio compartido (aquí cada cliente comparte el aire, no tiene un cable independiente cada uno) es necesario tener un mecanismo que ordene su funcionamiento y acceso al medio, para evitar en lo posible las colisiones, situación en que uno o más equipos transmiten a la vez, interfiriéndose entre ellos e invalidando la comunicación, y en el caso de que éstas sucedan, proveer los mecanismos para solventar la incidencia. Todo ello es realizado de forma transparente para el usuario, pero tiene un coste total: una reducción de la velocidad de transmisión.

Para el control de la transmisión se utilizan dos protocolos complementarios: CSMA/CA y RTS/CTS.

El mecanismo definido en el CSMA/CA es una adaptación del CSMA/CD utilizado en las redes Ethernet, pero modificado para tener en cuenta la limitación de las comunicaciones por radiofrecuencia según la cual una estación transmitiendo no puede detectar una colisión con otra transmisión simultánea. El algoritmo dicta que un equipo que desea transmitir, antes de hacerlo ha de escuchar para comprobar si ya existe otra estación enviando datos. En caso de no ser así podrá transmitir, pero si ya hubiera algún equipo transmitiendo deberá esperar un tiempo aleatorio y transcurrido este, volver a comprobar si el medio esta ocupado por otra transmisión. Este algoritmo presenta varios problemas. Uno es que existe la posibilidad de que dos o mas equipos comprueben a la vez si se esta transmitiendo y al detectar que el canal esta libre, empiecen a emitir de forma simultanea. Este problema deberá ser solucionado por protocolos superiores como TCP que se encargarán de detectar pérdidas de información y pedir la retransmisión de esta. Así mismo, al ser el tiempo de espera, cuando se detecta el canal ocupado, tomado de forma aleatoria se consigue paliar en parte el problema de la concurrencia de equipos al comprobar el uso del canal. Otro es el problema conocido como “terminal oculto”, que se muestra en la siguiente ilustración.

Este problema se produce cuando, estando los terminales “A”, “B” y “S” en la misma celda, cuya cobertura esta mostrada en azul, un terminal “A” tiene visibilidad de otro terminal “B” pero no de un terminal “S”, como se ve por su área de cobertura mostrada en verde. Un caso típico en el que puede pasar esto es que se encuentren en fila por lo que la distancia de “A” a “B” sea relativamente corta, pero la de “A” a “S” suficientemente larga como para que no se detecten, pero sin embargo “B” al estar a mitad de camino si tenga recepción de “S”, cuya área de cobertura se muestra en rojo. Esta situación también puede suceder por elementos arquitectónicos que impidan la visibilidad entre “A” y “S”, pero si permitan la comunicación entre “S” y “B” y entre “A” y “B”.

En esta situación el terminal “S” puede emitir para enviar información a “B”. Si el terminal “A” así mismo quisiera transmitir, escucharía el canal, y al no tener visibilidad de “S” encontrará el canal vacío y transmitirá. El problema surge del hecho de que “B” sí tiene visibilidad de ambos terminales, así que detectará ambas señales de forma simultánea, que interferirán y harán la comunicación inválida, y lo peor es que ni “A” ni “S” tendrán constancia del problema, así que la situación puede dilatarse en el tiempo indefinidamente.

Para solventar este problema, así como alguno más (por ejemplo la iteración entre clientes 802.11b y 802.11g) se implementó en estas redes Wi-Fi el protocolo RTS/CTS. Es obligatorio para los equipos tener implementado este protocolo, pero no lo es tenerlo activado, aunque por defecto suele estar activo para evitar problemas como el del terminal oculto.

Cuando el protocolo RTS/CTS esta activado, se añade al CSMA/CA, de manera que una vez que el terminal que ha detectado que nadie está transmitiendo, enviará una trama RTS al terminal destino, indicándole que desea transmitir y, entre otros datos, cuanto tiempo (en bytes) durará esa transmisión. Si en terminal destino está en condiciones de recibir la información, responderá con una trama CTS repitiendo así mismo la información que indica cuanto tiempo durará la transmisión. Con este intercambio, se consigue que el canal quede reservado y los demás equipos sepan que han de esperar al menos el tiempo que se indica en las tramas RTS y CTS para poder transmitir ellos, y puesto que tanto emisor como receptor transmiten la información, todos aquellos sistemas que pudieran interferir con esa transmisión recibirán la trama RTS, la CTS o ambas.

Es un error común y fuente de problemas suponer que la velocidad de transmisión que publicita una norma o un producto es la real que alcanzaremos, tal como sucede en el caso de las redes cableadas, si los equipos implicados no presentan alguna limitación de diseño. No es así en el caso de las redes inalámbricas, pues la gestión de la comunicación, mayormente por el control de usuarios y los mecanismos de organización de la transmisión descritos anteriormente, implica que la velocidad de transmisión (ancho de banda) disponible para el usuario ronda el 50% de la velocidad máxima de la red. Esta situación será la ideal, y el rendimiento puede ser incluso menor por limitaciones de los equipos implicados (tanto APs como clientes).

Añadido a ello, aunque los equipos implicados sean capaces de proporcionar la máxima velocidad, hay otros factores como interferencias, reflexiones, etc. que influirán en el rendimiento. Aún siendo el medio ideal, la distancia también influirá en el rendimiento. Dentro del mecanismo de funcionamiento de las redes Wi-Fi se prevé que cuando la potencia baje o el ruido o interferencias aumenten, el cliente sincronizará a una velocidad menor, de manera que el mecanismo de transmisión para esa menor velocidad proporcione mayor inmunidad ante la degradación de la señal. La distancia es uno de esos factores que disminuyen la potencia de la señal, así que dentro de la celda, la velocidad disponible para los clientes disminuye con la distancia, creándose áreas con velocidades decrecientes según sea mayor la distancia al punto de acceso.

En lo sucesivo, al indicar las diferentes velocidades alcanzables según las diferentes normas, se suministra el valor de la máxima velocidad de transmisión alcanzable por los sistemas que a dicha norma se ajusten, que será mayor a la disponible por el usuario tal como se acaba de explicar.

Es necesario considerara así mismo las frecuencias concretas que utilizan los quipos Wi-Fi. Como se comentó en el punto anterior, las redes actuales pueden utilizar las bandas de 2,4 GHz o 5 GHz.

 
La banda de 2,4GHz abarca desde las frecuencias de 2.400 GHz hasta 2.4835 GHz y contiene 13 canales, con un ancho 22 MHz de ancho cada uno, en Europa (pues por la regulación de los organismos que aplican a cada país o región, varia en alguno de los casos, como Estados unidos con 11 canales o Japón con 14). Sin embargo, en contra de lo que suele creerse, no son canales independientes, pues se solapan parcialmente entre ellos, de manera que solo existen tres canales totalmente independientes, el canal uno, el seis y el once.

*Gráfico creado por Michael Gauthier, publicado en Wikimedia Commons, bajo licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Unported

 

Como se puede apreciar en la gráfica anterior existe un fuerte solapamiento entre canales, quedando resumido éste en la siguiente tabla.

Canal

Frecuencia central

Rango de frecuencia

Canales solapados

1

2.412 GHz

2.401 GHz - 2.423 GHz

2,3,4,5

2

2.417 GHz

2.406 GHz - 2.428 GHz

1,3,4,5,6

3

2.422 GHz

2.411 GHz - 2.433 GHz

1,2,4,5,6,7

4

2.427 GHz

2.416 GHz - 2.438 GHz

1,2,3,5,6,7,8

5

2.432 GHz

2.421 GHz - 2.443 GHz

1,2,3,4,6,7,8,9

6

2.437 GHz

2.426 GHz - 2.448 GHz

2,3,4,5,7,8,9,10

7

2.442 GHz

2.431 GHz - 2.453 GHz

3,4,5,6,8,9,10,11

8

2.447 GHz

2.436 GHz - 2.458 GHz

4,5,6,7,9,10,11,12

9

2.452 GHz

2.441 GHz - 2.463 GHz

5,6,7,8,10,11,12,13

10

2.457 GHz

2.446 GHz -2.468 GHz

6,7,8,9,11,12,13,14

11

2.462 GHz

2.451 GHz - 2.473 GHz

7,8,9,10,12,13,14

12

2.467 GHz

2.456 GHz - 2.468 GHz

8,9,10,11,13,14

13

2.472 GHz

2.461 GHz - 2.483 GHz

9,10,11,12,14

14

2.484 GHz

2.473 GHz - 2.495 GHz

10,11,12,13

 

Recientemente se aprobó una nueva norma, la 802.11n, que permite mayores velocidades de transmisión y puede funcionar en la banda de 2,4 GHz. Es importante conocer que los equipos que funcionan bajo esta norma, consiguen esta mayor velocidad gracias al uso, entre otras estrategias, de canales con un ancho de 40 MHz. El uso de este ancho de banda implica la utilización de dos canales no solapados, como podía ser el 1 y el 6. Por la tabla anterior, vemos que solo quedaría libre sin solapamiento los canales 11 a 13, lo cual podría acomodar sin comparición de frecuencias, algún canal 802.11b o 802.11g pero no otro canal 802.11n.

Esto implica que no hay espacio en la banda de 2,4 GHz para acomodar dos canales de 802.11n que no se solapen. La consecuencia de esta circunstancia será que la existencia de dos o más equipos 802.11n provocará que parte o la totalidad de su canal solape, y por tanto genere y reciba interferencia de los otros equipos, reduciendo el ancho de banda. Así mismo la convivencia de estos equipos con otros Wi-Fi de normas anteriores que funcionen en la misma banda, será compleja, puesto que quedarán pocos canales libres sin solapamiento. Esto no quiere decir que no puedan funcionar conjuntamente, si no que interferirían entre ellos en cuanto exista solapamiento y el rendimiento de la red se reducirá.

En la banda de 2,4 GHz aparece otra circunstancia particular. El lector podrá comprobar que su microondas tiene una frecuencia de trabajo situada en la misma banda de frecuencias (con ligeras variaciones). Esto indica claramente que la frecuencia utilizada por las redes Wi-Fi de esta banda está en la el rango de la resonancia de las moléculas de agua y, tal como ocurre con las generadas por el magnetrón del microondas, será absorbida por todo objeto que contenga este elemento.

Así pues, como norma la señal será fuertemente absorbida por elementos como agua, madera, cartón, plantas, personas o animales, etc. en general, todo aquello que se caliente en un microondas. Esta es una de las razones por las que existe una normativa tan fuerte en la potencia de emisión (100mW), la cual pretende evitar causar daños a los organismos vivos. La otra razón de esta limitación es controlar el alcance de estos sistemas, ya que es una banda de uso libre, con una reducida potencia máxima de emisión se minimizan las interferencias y se permite la convivencia con otros sistemas existentes.

Otro problema de la banda de 2,4 GHz es que existen multitud de sistemas que emiten en esta banda: teléfonos inalámbricos, dispositivos bluetooth, centrales de alarma inalámbricas, microondas, ratones y cascos inalámbricos, etc. los cuales generan interferencias que reducirán el rendimiento de la comunicación. Se trata de una banda muy saturada, que por su temprana liberalización, ha sido profusamente utilizada por multitud de equipos

La banda de 5GHz fue liberalizada con posterioridad a la de 2,4GHz y aparecieron normas que hacen uso de ella; la 802.11a y, recientemente, la 802.11n.

La banda de 5 GHz ofrece 24 canales no solapados entre sí (aunque con diferencias entre países debido a la normativa diferente en cada región), lo cual es una gran ventaja sobre la banda de 2,4 GHz en la que solo existen tres canales sin solapamiento. Esto permite que sea más fácil evitar las interferencias entre equipos, pues es muy probable la existencia de un canal libre que nos permita la configuración del equipo sin entrar en conflicto con sus vecinos.

Añadido al mayor número de canales disponibles, el menor número de equipos electrónicos existentes que usan esta banda, comparativamente con la banda de los 2,4 GHz, hace que las interferencias sean potencialmente menores, y los puntos de acceso Wi-Fi que operen en esta frecuencia tendrán menos señales compitiendo por la misma porción del espectro.

Sin embargo, la banda de 5 GHz tiene problemas que hacen que su implantación sea mucho menor que la de 2,4 GHz. Por un lado la menor oferta de sistemas que hacen uso de esta banda, lo cual reduce la posibilidad de elección. Por otro lado, el peso del parque de equipos instalados, a los que normalmente se desea seguir dando servicio, y que, en la mayoría de los casos, sería extremadamente costoso substituir. Otro factor es el mayor coste los equipos de 5GHz. Aunque los procesos de fabricación se han ido abaratando, los equipos de radiofrecuencia son, como norma general, más costosos cuanto mayor es la frecuencia a la que trabajan. El consumo así mismo es mayor para equipos que trabajen a frecuencias más altas, lo cual influye en los equipos móviles negativamente, en los que la duración de la batería suele ser un dato crucial, y aunque la diferencia no sea objetivamente significativa, si puede ser decisiva desde el punto de vista publicitario y percepción por el usuario. Por último, la propagación radioeléctrica es más costosa cuanto mayor es la frecuencia, pues la absorción de la señal por el medio se incrementa, lo cual tiene como consecuencia un mayor consumo para un igual alcance, y en la práctica un menor alcance de ésta banda, en campo abierto, comparado con la de 2,4 GHz.

Este último punto es matizado en muchas ocasiones, pues la banda de 5 GHz no presenta la absorción por parte del agua, que sí afecta a la de 2,4 GHz. Así pues en entornos húmedos, lluvia, niebla, arboles, cartón, etc. la absorción será menor y su comportamiento mejor que con la banda de 2,4 GHz.

En un futuro cercano, se prevé que la banda de 5 GHz tome mucha más relevancia debido a las ventajas antes expuestas, y sobre todo a la implantación de 802.11n que hará que el uso de esta banda sea mucho más positivo mostrando claramente sus ventajas.

Una característica general, que afecta a todas las transmisiones inalámbricas, es la reflexión de las ondas. Cualquier elemento metálico actuará como un espejo a las ondas, lo cual tendrá un doble efecto: bloqueará la transmisión y producirá un reflejo.

El bloqueo de la señal deberá ser tenido en cuenta pues podrá crear áreas sin cobertura, y por tanto sin acceso a la red Wi-Fi. Es un efecto fácil de ver y evaluar, aunque en muchas ocasiones no tan fácil de solventar.

La reflexión de señal es un efecto un tanto más complejo de evaluar y solventar. Los puntos de acceso habitualmente emiten omnidireccionalmente, con una cierta polarización en alguno de los sentidos, pero a no ser que estén destinados a algún uso específico (como la unión de edificios, en cuyo caso lo habitual es utilizar antenas direccionales con una mayor ganancia de señal) es deseable que la cobertura sea homogénea en todas direcciones lo cual provoca que el diseño de antenas se realice para que irradien igual en cualquier dirección.

La señal, por tanto, se propagara en dirección al cliente, pero así mismo en el resto de direcciones. Si en esas otras direcciones se encuentra con un material que no sea absorbente, si no que refleje la señal, puede resultar que al cliente le llegue una nueva señal producto de esa reflexión. El problema de dicha señal reflejada es que el camino recorrido no será igual en longitud y por tanto llegara con un cierto retraso con respecto a la señal directa y con un retraso o adelanto con respecto a otras señales reflejadas. El cliente detectara una señal que será la suma de las diversas señales que le llegan, tanto directas como reflejadas. Al estar estas retrasadas unas respecto a las otras, detectará una onda con una forma potencialmente muy diferente a la original. Se ve por tanto que las señales reflejadas se comportan como interferencias influyendo negativamente en el funcionamiento de la red inalámbrica.


El efecto de recibir varias señales, causado por la suma de la señal directa mas las reflejadas se denomina con el termino ingles “multipath” y es un problema común a toda comunicación por radiofrecuencia, pero que el caso de redes Wi-Fi es mas notorio dado que habitualmente son redes que se desarrollan en entornos de interior donde existen gran cantidad de obstáculos tanto arquitectónico como objetos que pueden provocar estas reflexiones.

Con el objeto de evitar este problema la acción más inmediata es buscar una nueva ubicación para el punto de acceso, pues es su situación espacial la que determinara los distintos reflejos y caminos que puede tomar la señal. No hay un método teórico para elegir la ubicación del punto de acceso, puesto que el cálculo de los diferentes caminos es inviable en la práctica y deberá hacerse de forma empírica mediante el proceso de prueba y error, ayudado de alguna herramienta de las que hablaremos en apartados posteriores.

Un sistema que se ha popularizado en los últimos tiempos, y más aun tras la adopción de la norma 802.11n que lo contempla como parte de la norma, es la inclusión de sistemas M.I.M.O. (Multiple Input Multiple Output, o, traducido libremente, sistemas de recepción y emisión múltiple) Estos sistemas disponen de varias antenas (no siempre visibles externamente) que permiten emitir y recibir desde diversos puntos, direcciones,.. lo cual, permite al sistema ser más robusto ante interferencias, rebotes de señal y alcanzar mayores distancias y velocidades.

Es necesario tener en cuenta a que la identificación de elementos metálicos no es siempre tan simple como suele pensarse. Objetos como los cristales tintados (cuyo tinte se suele realizar con plomo, y no es necesario que el cristal sea totalmente oscuro, si no que una ligera coloración no siempre apreciable sin una observación detenida puede ser suficiente para bloquear una gran parte de la señal), muros prefabricados con aislante interior o placas metálicas ocultas, ladrillos confeccionados con barro con un alto contenido metálico, etc. pueden afectar notablemente la propagación de la señal o incluso bloquearla totalmente.

Al respecto de las interferencias, y con carácter general, no propietario en exclusiva de ninguna de las dos bandas, es una fuente muy importante cualquier elemento que pueda provocar una chispa eléctrica, la cual producirá una interferencia de amplio espectro. Así pues motores eléctricos, como los presentes en frigoríficos, fotocopiadoras, aires acondicionados, etc. son en ocasiones fuentes de interferencia, sobre todo en el arranque de estos, máxime si son de baja calidad o están deteriorados con el uso. Así mismo elementos de iluminación como los tubos fluorescentes en mal estado pueden provocar interferencias apreciables.



 

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