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Secretos de los puntos de acceso inalámbrico parte 2: Los secretos del 802.11n

16 de Octubre de 2015
Los secretos del 802.11n

Es hora de dar un paso atrás y hablar sobre los secretos no difundidos de 802.11n, ya que tiene su impacto en las expectativas del diseño. He aquí una sorpresa aun mayor: el procesador y el firmware del AP afectan el desempeño de la radio. Por ejemplo, el fabricante del AP dice tener 300 Mbps. Eso es modulación, no rendimiento (throughput) real. Además, tal cifra se redondea para arriba partiendo del número real ubicado entre 270-288 Mbps, dependiendo de lo que se conoce como el ‘esquema de guarda’ (cuyo concepto no está comprendido en este artículo y me genera varios dolores de cabeza).

Tengan en cuenta que muchas de las radios 802.11n tienen conectores Ethernet de 100 Mbps, pues los fabricantes están al tanto de que la comunicación es semidúplex. El puerto Ethernet es dúplex completo, por lo que consideran 100 Mbps hacia arriba y 100 Mbps hacia abajo: en total, 200 Mbps, no 200-300 Mbps en una dirección. Strike uno.

El segundo problema es que solo es posible lograr 300 Mbps mediante canales con un ancho de 40 MHz, lo que funciona de maravillas en una sala de estar hasta los 15 metros, pero no así cuando el AP está sujeto a un poste de luz con 200 hogares a la redonda. En el mejor de los casos, ya es difícil de por sí llegar a los 150 metros en 2.5 GHz y obtener frecuencias de modulación en teoría máximos con un canal de 40 MHz de ancho. Los AP multi-radio por lo general utilizan, por este motivo, las bandas de 5 GHz para enlaces de retorno o backhaul, lo que significa que la banda ancha de 2.4 GHz realmente utilizable es 20 MHz, que se traduce en 150 Mbps. Strike dos.

La banda de 5.8 GHz es la más usada en canales de 40 MHz. Es posible utilizar de 5.1 GHz a 5.3 GHz con algunos fabricantes, pero la PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) sufre una baja considerable. Sin embargo, por 150 metros y nada de vegetación, lo anterior parece razonable. No debería, en principio, existir mucha interferencia en esas bandas. Por supuesto, muchas de las radios ya ubicadas en esas bandas son instaladas por un WISP local. Si bien la mayoría de los WISP son conocedores del tema y tienen sus asuntos en regla, existen unos pocos que desconocen por completo la normativa, o bien transmiten ilegalmente de forma intencional, debido a la congestión en la banda de 5.8 GHz. Algunos fabricantes tienen equipos certificados en esas bandas, pero debido a su PIRE limitada, tales equipos no son tan populares. Además, la mayoría de las computadoras portátiles y teléfonos inteligentes no funcionan en la banda 5.8 GHz (nota: La estación base Airport Extreme, de Apple, junto con los últimos modelos de iMac y Mac Book Pro, sí soportan 5.8 GHz).

Supongamos que no hay interferencia en cualquiera de las bandas con un canal de 40 MHz de ancho. La pregunta siguiente será hasta qué distancia podremos mantener el nivel de modulación de 300 Mbps. Y aquí yace el segundo problema. Como dice un gran amigo: “entre velocidad, distancia, confiabilidad, y costo, solo es posible elegir tres”. Las primeras dos son las de mayor importancia. Para el caso de la radio, la frase debería ser: “entre velocidad y distancia, solo se puede elegir una”. En pocas palabras, para obtener una frecuencia de modulación de 300 Mbps, la sensitividad del receptor merma a alrededor de 72 y -74dBm, y la potencia de salida de la radio cae desde los famosos 26-30dBm a alrededor de 24-26dBm o menos en el caso de equipos al aire libre, y 15-18dBm para equipos minoristas de entre USD 30 y USD 200. A fin de obtener la mágica velocidad de 300 Mbps en un patrón de cobertura de 360 grados desde una única radio con antena omnidireccional, debería existir una línea de visión absoluta, nada de interferencia, y una distancia máxima de 150 metros o menos con el canal de 40 MHz. La mayoría de los fabricantes de AP multiradio recomiendan antenas
direccionales, pero se podría argumentar que esto le gana al concepto de arquitectura integralo de mesh ubicua. Strike tres.

No he realizado pruebas de primera mano con la mayoría de los 802.11n nuevos en AP, por lo que quizás alguien que esté leyendo pueda aportar algo valioso y real al respecto. Tampoco voy a entrar en el tema de antenas sectoriales para instalaciones en postes, porque el tamaño de las antenas dificulta su paso a través de la zonificación urbana. Es posible también que la gente del sector de formación de haces me critique, pero, siendo realista, ninguno de los sistemas de formación de haces en 2.4 GHz puede coincidir con una antena sectorial de 70 cm en funcionamiento. Es una simple cuestión de zona de captura física. Sin embargo, las antenas sectoriales más recientes
soportan también multipolaridad, lo que las hace aun más ventajosas.

Aunque en béisbol no exista un cuarto strike, este sí lo es. Las frecuencias de modulación de 300 Mbps son un rendimiento (throughput) en el mundo real de 150 Mbps a través de una radio bajo condiciones absolutamente ideales, lo cual no suele darse en la mayoría de las realidades de la periferia. Sumado a esto, el procesador también funciona como un cuello de botella para el AP. En algunos dispositivos 802.11n, una transferencia directa FTP de una computadora a otra con un canal de 20 MHz de ancho (un escenario mucho más realista) tendrá por resultado una transferencia de alrededor de 35 Mbps.

Si se ponen dos computadoras a cada lado y se realiza la misma transferencia de una computadora a la otra, el throughput aumenta hasta cerca de 60 Mbps con cada secuencia de 30 Mbps aproximadamente. Si se realiza una transferencia de 3×3, el ancho de banda sube a 72 Mbps, y cada unidad cae a alrededor de 24 Mbps. Las demás pruebas que realizamos, hasta llegar a transferencias de 10×10 demostraron máximos de 85 Mbps. Las cifras anteriores son todas señales perfectas en distancias cortas en el laboratorio.

¿Entonces qué pasó?

En síntesis, algunos procesadores/circuitos integrados auxiliares (chipsets) adquieren mayor eficacia con transferencias múltiples de datos, pero se ven bastante limitados por una sola transferencia. Por ejemplo, utilizando un canal de 20 MHz y niveles de modulación MCS7 (65-72 Mbps dependiendo del esquema de guarda) dará por resultado 60 Mbps con un 65 % de sobrecarga del CPU con tráfico de video UDP desde una única cámara. Sin embargo, si esto se cambia a TCP/IP, es posible advertir cómo la frecuencia baja a 35 Mbps y la sobrecarga del procesador del CPU sube drásticamente a 100 %. El experimento anterior se llevó a cabo con un procesador Atheros de 400 MHz y un circuito auxiliar integrado en la radio. Otros fabricantes hacen uso también de los 300 Mbps, pero en realidad agregan el throughput combinado de dos radios, no la frecuencia de transferencia de datos única. Tengan en cuenta que esto no vale para todo producto en el mercado, pero da muestra de la importancia de las pruebas en el mundo real antes de que un diseño se apruebe para determinada aplicación.

Los AP 802.11a/b/g mostraron evidencia de este mismo comportamiento al compararlos con el material de marketing, por lo que no estamos frente a un fenómeno nuevo. En algunos casos, los fabricantes utilizaron cifras de tráfico UDP en lugar del tráfico real TCP/IP. En otros casos, los fabricantes utilizaron canales de 40 MHz para sus especificaciones, las cuales, nuevamente, son irreales para la mayoría de las instalaciones. En muchas ocasiones, cuando se usaron canales e 40 MHz, los CPU llegaron a su límite, por lo que el resultado no fue el doble de la frecuencia de transferencia, sino quizás un 80 % más en un canal de 20 MHz. Por ejemplo, 20 Mbps a 20 MHz se traducía en 35 Mbps a 40 MHz.

Otra dificultad con la sobrecarga del procesador tiene que ver con cuántos paquetes por segundo (PPS) pueden amontonarse y empujar a la vez. El usuario que abre in sitio web, en general, tiene bajo requerimiento de PPS y,por lo tanto, poca sobrecarga del CPU. Ahora bien, apenas se abra una aplicación para compartir archivos, el número de sockets de Internet y PPS puede irse por las nubes. Los AP de bajo costo que buscan manejar este tipo de tráfico por lo general terminan ralentizándose de forma drástica. Si de aumentar de una mejor forma ante la presión de carga se trata, los procesadores más caros y más rápidos, junto con firmware de mejor calidad, hacen la diferencia.

Por algo un AP puede valer USD 100 y otro USD 6100. Los AP más caros utilizarán dos, tres, cuatro o incluso más radios dentro de una única caja de AP.

El resto de los costos tienen el nombre de firmware, herramientas o instrumentos de gestión, y capacidades. Muchas de las unidades al aire libre poseen firmware diseñado para optimizar la calidad de transmisión de video, transferencia de enlace (handoff) rápida entre radios AP con vehículos en movimiento, implementación integral o mesh, formación de haces, SSID múltiples, frecuencia múltiple, bonding o agrupación de canales, y muchas otras tecnologías Wi-Fi de avanzada. Las radios 802.11n son también el punto de partida para una mejor base de especificación.

Volviendo al sistema presupuestario, la comunicación WDS está incorporada en casi todos los circuitos integrados auxiliares y con soporte en el firmware, lo que permite a los AP conectarse entre sí a través de la capa de enlace de datos (Layer 2). Se trata de algo simple, en ocasiones no compatible entre fabricantes, y que quiere de configuración manual con la dirección MAC de cada dispositivo. El mesh firmware, con una configuración básica, encuentra las otras unidades en un área de forma fácil, para luego instalar una capa de enlace de datos (layer 2) y/o una capa de red (layer 3) entre las radios de forma dinámica, como parte de su infraestructura mapeada subyacente. El mesh firmware es siempre exclusivo entre los AP.

El objetivo de Cuentos de las torres es crear un sistema de Wi-Fi municipal expandible y ceñido a cierto presupuesto. Probablemente nunca tenga muchas de las capacidades de los sistemas más caros. El sistema Wi-Fi de cierto presupuesto no ha de soportar, al principio y quizás nunca, una transferencia de enlace o handoff veloz en el caso de vehículos en movimiento, tráfico de video optimizado, o posiblemente varios SSID. Por lo tanto, es de suma importancia entender cuáles son las capacidades antes de tomar una decisión basada en el precio. En algunos casos, la naturaleza económica, su flexibilidad y posibilidad de expansión permiten que la red alcance muchas de las características avanzadas de los AP más caros. En otros casos, tal situación no ha de darse nunca, y el diseño apropiado debería ser Motorola, SkyPilot, Firetide, Tropos, MeshDynamics, Ruckus, BelAir, Meraki, Meru, o cualquier otro producto que satisfaga las necesidades y el presupuesto de la municipalidad.

Todas estas empresas tienen características y beneficios que las hacen ideales para aplicaciones específicas. Yo mismo he diseñado e instalado sistemas utilizando muchos de estos productos.

Sin embargo, el énfasis aquí está puesto en un sistema de arranque que abarque el costo y la potencialidad de expansión de presupuestos muy ajustados. Lo anterior significa que es instalable en zonas donde no es posible justificar el retorno sobre la inversión (RSI) de equipo más caro, y puede proveer Internet a zonas en donde no se justifica tampoco una gran inversión.

El próximo artículo tratará el diseño de instalación de AP en concreto.

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