Comparación del uso del espectro no licenciado Materiales de apoyo para entrenadores en redes inalámbricas

Esta clase de 40 minutos es sobre el espectro no licenciado, específicamente las bandas ISM de 2.4 GHz y 5.8 GHz. Version 1.0 by Ermanno, @2010-06-16 Version 1.5 by Rob, @2010-06-17

Metas ‣ Examinar los asuntos relacionados con el uso de un medio compartido como el espectro de radio no licenciado (específicamente la banda ISM de 2.4 GHz) ‣ Identificar las fuentes más comunes de interferencia cuando se opera una red WiFi ‣ Presentar herramientas de software y hardware que puedan ayudar a identificar las fuentes de interferencia.

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Compartiendo el aire Estas consideraciones son importantes de recordar cuando se usan instrumentos que se operan utilizando espectro no licenciado.

‣ Todos los dispositivos deben compartir el ancho de banda de radio disponible.

‣ Los dispositivos que usan protocolos diferentes no se reconocen entre sí

‣ Esta competencia resulta en contiendas, re-inicios, ruido, pérdida de paquetes, retrasos, o estática.

‣ El efecto y la cantidad de interferencia depende de cúal es el uso que se le da al espectro. 3

Diferentes tipos de dispositivos usan diferentes protocolos que a menudo se ignoran entre sí. En lugar de tratar de cooperar y “compartir el aire”, los diferentes dispositivos pueden tratar de transmitir todos a la vez causando todo tipo de problemas. Una analogía en este punto es útil: Esta presentación se hace posible porque todos estamos de acuerdo en un protocolo común: Ustedes están de acuerdo en “cederme la palabra” para presentar el material de clase. Al final de la presentación, ustedes pueden plantear preguntas y podemos discutir el material, pero sólo si estamos de acuerdo en que una sola persona habla cada vez. Cuando la clase termina, el protocolo se abandona y todos podemos comenzar a hablar entre nosotros a la vez, lo que hace difícil la comunicación con el grupo total. En el mundo inalámbrico, podemos tener un AP WiFi que “habla” 802.11. Puede haber otro dispositivo que hable en su propio protocolo, por ejemplo “protocolo de teléfono inalámbrico”. Ambos dispositivos están tratando de usar las mismas frecuencias, pero no hablan el mismo protocolo, lo que resulta en una interferencia no deseada.

Espectro Electromagnético

Approximate range forWiFi WiFi rango de frecuencias 4

Esta imagen representa el espectro electromagnético completo. Comprende desde ondas de radio de muy bajas frecuencias, a la izquierda, hasta las frecuencias muy altas de los rayos X y gamma, a la derecha. En el medio, hay una región pequeña que representa la luz visible. En la totalidad del espectro electromagnético, el rango de frecuencias que podemos percibir con nuestros ojos es muy pequeño. Podemos observar que a cada lado de la luz visible tenemos la radiación infrarroja y la ultravioleta. Pero el área que nos interesa es el pequeño rango de frecuencias usado por los equipos WiFi. Es la franja delgada en el extremo inferior del rango de las microondas. El límite entre “radio” y “microondas” no está definido claramente, de hecho es común llamar “radios” a los transceptores de microondas.

Canales 802.11

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¿Cómo usan los dispositivos 802.11 WiFi el espectro de radio disponible? Los dispositivos WiFi pueden funcionar a frecuencias desde los 2.4 GHz hasta los 2.48 GHz. El protocolo 802.11 secciona este trozo completo del espectro en varios canales discretos. Cada canal tiene 22 MHz de ancho, y la separación entre canales es de 5 MHz. Se puede observar que con este plan de frecuencias los canales se superponen entre sí. El canal 2 se sobrepone al canal 1, el canal 3 se sobrepone al 2, etc. El canal 14 tiene una separación más grande y es legal sólo en Japón.

Canales que no se solapan: 1, 6, 11

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Se puede elegir el uso de canales que no se solapen para nada. Si usted opera equipos 802.11 en canales que no se solapen, estos no van a interferirse entre sí. Por ejemplo, los canales 1, 6 y 11 no se solapan entre sí.

Otros canales que no se solapan

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Por supuesto, no tenemos que usar solo los canales 1, 6 y 11. Se pueden usar los canales 2, 7 y 12, ó, los canales 3, 8, y 13. Pero asegúrese de que usted tiene el derecho para transmitir en un determinado canal antes de transmitir. El uso de los canales superiores no está garantizado en todos los países. Por ejemplo, en los EEUU, los equipos no licenciados no pueden pasar del canal 11.

Interferencia de canales adyacentes

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¿Qué pasa si usted no puede escoger, y tiene que operar equipos WiFi 802.11 en canales que se solapan? El área más oscura en el centro representa la zona en donde los canales 6 y 7 se solapan. Si los canales estñan siendo usados por dispositivos que no son 802.11 (como teléfonos sin hilos o transmisores de video) es mejor utilizar el espacio entre los canales ocupados. Sin embargo, si los tres canales que no se solapan están siendo usados por dispositivos 802.11 y Ud. debe añadir otro AP, es mejor utilizar EXACTAMENTE la misma frecuencia central de uno de los canales ocupados. El caudal se verá disminuido, pero el mecanismo de acceso al medio forzará a uno de los AP a cederle el campo al que ya está transmitiendo con lo que habrá menos reintentos de transmisión. Si en cambio se escoge un canal intermedio, hay más riesgo que el mecanismo de diferimiento de transmisión cuando se detecta el canal como ocupado no funcione adecuadamente resultando en más reintentos y por ende menor caudal efectivo.

Interferencia de canales no adyacentes

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Si usted escoge canales que estén muy separados, por ejemplo, separados por cuatro canales, se puede observar que el rango de frecuencias que se solapan es mucho menor. Esto causa una interferencia mucho menor. En el mejor de los casos, usted debería escoger sólo canales que no se solapen.

Otros dispositivo que operan a 2.4 GHz ¿Qué dispositivos comunes operan a 2.4 GHz? • Redes 802.11 b/g Dispositivo Bluetooth • Teléfonos inalámbricos • Video senders • Monitores de bebés

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¿Cuáles son los otros dispositivos de 2.4 GHz que podrían interferir con nuestras redes 802.11? Bueno, obviamente hay otras redes 802.11 que quedan fuera de nuestro control. Puede ser que alguien en un edificio cercano esté usando una red WiFi que cause interferencia. Los dispositivos Bluetooth operan en la misma banda. Por ejemplo, cuando un teléfono celular le envía una foto a su laptop, esto podría potencialmente interferir con su red 802.11. Los teléfonos inalámbricos son famosos por causar problemas. Los teléfonos inalámbricos usan mucha potencia y canales muy anchos que pueden causar interferencia. Finalmente, hay dispositivos como transmisores de televisión y monitores de bebés que usan canales muy anchos a 2.4 GHz. Estos pueden causar gran cantidad de interferencia en sus redes.

Bluetooth: salto de frecuencias

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Podemos comparar como cada uno de estos dispositivos usa de manera característica el espectro disponible para entender mejor como interfieren entre ellos. Aquí tenemos los canales para 802.11 de las diapositivas anteriores. Las formas azules representan cómo se vería una señal Bluetooth en este mismo conjunto de frecuencias. Bluetooth usa una tecnología que se llama salto de frecuencia. En lugar de escoger un solo canal discreto, Bluetooth divide el espectro en muchas franjas pequeñas y “salta” entre ellas muy rápidamente. Solamente necesita usar unos pocos MHz a la vez, pero la frecuencia puede estar en todo el rango disponible y cambia rápidamente en el tiempo. Es poco probable que Bluetooth ahogue por completo una red WiFi, pero puede usar alguna interferencia con muchos canales diferentes a la vez.

Teléfonos inalámbricos: canales más anchos

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Luego, tenemos los teléfonos inalámbricos. Los teléfonos inalámbricos tienden a usar mucha potencia y en consecuencia su señal se desparrama por toda la banda de 2.4 GHz y pueden causar interferencia en varios canales simultáneamente. Cuando un teléfono inalámbrico esté transmitiendo, puede causar interferencia en varios canales de 802.11

Video senders: máxima interferencia

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Finalmente, tenemos el video sender, que se parece a los teléfonos inalámbricos, pero usa canales incluso más anchos y pueden ser más aún más potentes, con potencias de transmisión de 1 o 2 W. Normalmente se usan con cámaras de seguridad o monitores de bebés que pueden ser recibidos en un rango muy amplio. Pero como la señal de video transporta mucha información, hace uso de canales anchos.Y, puesto que están enviando video, transmiten continuamente, así que son los peores enemigos. Los video senders pueden fácilmente descalabrar redes WiFi vecinas y causar interferencia para muchos otros dispositivos de 2.4 GHz.

Otras fuentes de interferencia

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Eso es todo sobre los dispositivos de comunicación. Parece que cada año hay más dispositivos de comunicación que funcionan a 2.4 GHz. Aquí sólo hemos revisado algunos de los más comunes en el mercado hasta este momento. Pero, ¿cuáles son las otras fuentes de interferencia a 2.4 GHz que ni siquiera incluyen dispositivos de comunicación?

Hornos de microndas

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Los hornos de microondas son probablemente la fuente más común de interferencia emanada de un dispositivo que no es de comunicación. Los microondas cocinan alimentos generando grandes cantidades de energía alrededor de los 2.4 GHz. Esta frecuencia no tiene nada que ver con la “frecuencia de resonancia” del agua o del alimento. Esta frecuencia fue escogida cuando el microondas se estaba desarrollando (en la década del 1940), principalmente porque no había otros dispositivos que se usaran para comunicaciones a 2.4 GHz, y porque transformar la corriente casera ordinaria en ondas poderosas de 2.4 GHz, era una tecnología relativamente fácil. Por supuesto, ahora estamos, años más tarde, ¡tratando todos de usar el mismo espectro para comunicaciones! Los hornos de microondas tienen un buen blindaje para evitar la filtración de energía. Obviamente, la gente no quiere cocinarse cuando usan un horno de microondas. Pero estos tienen pequeñas fugas de energía y a pesar de que no es nociva para los humanos, puede interferir con las redes WiFi. Este problema se puede observar mejor en los cafés. Cuando hay un “hotspot” en un café, es común ver como la gente que está allí sentada, usando sus laptops, de repente se queda sin red por tres minutos, luego recuperan la conexión. Luego la red se vuelve a caer por cinco minutos y luego vuelve. Resulta que si en el café se está usando un microondas, y si el AP ha sido instalado cerca de éste, y el microondas es de tipo industrial que se usa bastante, esto va a causar interferencia sin lugar a dudas.

Fuentes de alimentación

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Luego, tenemos fuentes de ruido de banda ancha. Las fuentes de alimentación pueden generar ruido por todo el espectro electromagnético. Las fuentes de alimentación de los PC son una fuente de interferencia electromagnética que puede interferir con las comunicaciones WiFi, especialmente en computadores viejos.

Estaciones de Radar

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Las estaciones de radar son otra fuente de interferencia para redes WiFi y viceversa. Las estaciones de radar que operan a 5 GHz son mucho más comunes que las de 2.4 GHz, lo que significa que si usted va a usar tecnologías 802.11a, o 802.11n puede haber interferencia. Los radares de costa de alrededor de 5 GHz son bastante comunes. ¡Debe asegurarse perfectamente de su derecho a operar equipo inalámbrico en estas frecuencias antes de transmitir! Recuerde que cualquier señal tendrá componentes armónicos a frecuencias que son múltiplos de las frecuencias portadoras especificadas. A pesar de que normalmente los transmisores van a tener filtros para limitar las irradiaciones fuera de banda, si la señal es muy fuerte, los armónicos van a causar una interferencia considerable. Así que averigüe cuál es la frecuencia de operación de los transmisores en su sitio y compruebe si sus múltiplos caen en el rango de los 2.4 a 2.48 GHz.

Otras radios de alta potencia

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Finalmente, los armónicos y las interacciones de campo cercano con otras fuentes de radio de alta potencia pueden causar interferencia. Los transmisores de radio de alta potencia, como antenas de transmisión de radio o televisión pueden interferir con equipo WiFi, aunque no trabajan a 2.4 GHz. Si usted instala su equipo muy cerca de una antena de transmisión de alta potencia, seguro va a encontrar interferencia. Aunque que es posible atenuar esta interferencia usando filtros caros, una mejor idea es reubicar su equipo alejado de esta fuente de alta potencia. Cuando esté colocando un sistema WiFi en una torre que alberga una estación FM, es posible que la estación FM que transmite a unos 100 MHz pueda causar interferencia. Esto ocurre porque los datos se transmiten al WiFi por medio de un cable UTP que transporta señales Ethernet en el mismo rango de frecuencia. Si encuentra este tipo de interferencia podría tratar de usar cables STP (Shielded Twisted Pair) o FTP (Foil Twisted Pair) con su adecuada puesta a tierra para reducir la interferencia de banda base.

Observando el ruido

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¿Cómo se pueden detectar y atenuar estas fuentes de ruido? Desafortunadamente, es muy difícil detectar el ruido directamente usando sólo equipo WiFi. La única indicación que usted va a tener de interferencia es que la red no funciona, o que está lenta y poco confiable. En lugar de usar equipos WiFi para detectar interferencia, necesita usar una herramienta que puede medir directamente la energía. La mejor herramienta para este trabajo es el analizador de espectro.

El analizador de espectros Wi-Spy http://www.metageek.net/

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Un analizador de espectro barato es el Wi-Spy. Es un dispositivo USB de 2.4 GHz que está diseñado para mostrar información acerca de la banda de frecuencia WiFi de 2.4 GHz. Esto lo hace sintonizando un canal estrecho en la banda de 2.4 GHz y midiendo la energía, luego cambiando a otro canal, y así por el estilo, a través de la banda lo más rápido que puede. En este sentido, es un poco como un radio de salto de frecuencia en recepción. Cuando plasma esta información en un gráfico, se puede obtener una idea clara de cómo los distintos dispositivos en su área están usando el espectro 2.4 GHz . Otras versiones del Wi-Spy pueden detectar también señales de 900 MHz y 5 GHz. Hay varios programas gratuitos que funcionan con este dispositivo.

Chanalyzer

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El vendedor suministra un software muy bueno llamado Chanalyzer que sólo funciona en Windows de Microsoft.

Spectools http://www.kismetwireless.net/spectools/

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El proyecto inalámbrico Kismet suministra un paquete llamado Spectools que trabaja con Linux, OS X, y Windows.

EaKiu

http://www.eakiu.com/

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Hay un paquete muy bueno para Mac OS X llamado EaKiu. Además de la presentación estándar que suministran Chanalyzer y Spectools, EaKiu proporciona gráficas 3D en tiempo real de todo lo que está pasando en el tiempo en un rango determinado de frecuencias.

Ubiquiti AirView http://www.ubnt.com/

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Otro analizador de espectro USB es el AirView de Ubiquiti. Tiene características semejantes al Wi-Spy, y es considerablemente más barato. El software Air View está basado en Java y corre en Windows, Mac OS X, y Linux. El AirView viene en modelos de 2.4 GHz y 900 GHz, con o sin conector para antena externa. Los radios Ubiquiti de la serie M (que implementan el protocolo de acceso al medio AirMax basado en TDM además del WiFi), tienen un analizador de espectro ya incluido en la banda de 5GHz que utiliza el mismo software AirView.

Analizadores de espectros Un buen analizador de espectro es a menudo el mejor (y más costoso) instrumento para detectar fuentes de interferencia

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Si tiene alguno disponible, un analizador de espectro convencional le mostrará estas fuentes de ruido. Desafortunadamente, el analizador de espectro tiende a ser caro. Un buen analizador de espectro que opera a 2.4 GHz puede costar desde cientos a miles de dólares.

Usando un analizador de espectros

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Los analizadores de espectro son herramientas complejas, pero la interfaz principal es fácil de leer. El eje Y muestra el nivel de potencia recibida (típicamente en dBm), y el eje X muestra la frecuencia. El analizador muestrea la energía de radio en fragmentos muy pequeños (el ancho de banda muestreado) y sintoniza cada conjunto de frecuencias mostradas especificadas por el “span” Luego traza una línea que muestra el nivel de la potencia recibida para todo el intervalo. La línea puede ser trazada las veces que se quiera para mostrar le lectura instantánea (clear/write), un promedio, o la lectura máxima recibida (max hold). Un marcador (marker) puede insertarse en cualquier punto de la línea para ver información detallada sobre la muestra que nos interesa. En el ejemplo, el marcador muestra el pico de una señal a 2.463 GHz, recibida a -1.6 dBm. La forma particular de una señal de un transmisor que se muestra en un analizador de espectro se usa para verificar cumplimiento con la máscara espectral. Este ejemplo muestra el espectro de un radio de 200mW (23dBm) 802.11b. Para este tipo de radio la máscara espectral necesita que a frecuencias entre 11 y 22 MHz a ambos lados de la frecuencia central del canal, la componente de la señal esté 30 dB por debajo de los valores máximos. Para frecuencias más distanciadas, el valor máximo admitido de las componentes es de 50 dB por debajo del valor en el centro del canal. Ahora veremos algunos ejemplos de cómo usar estos dispositivos para detectar interferencia en sus redes WiFi. COMIENCE LA DEMOSTRACIÓN

Gracias por su atención

Para más detalles sobre los tópicos presentados en esta charla, vaya al libro Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo, de descarga gratuita en varios idiomas en: http://wndw.net/

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