Estudio radioeléctrico y problemáticas en una red WiFi con alta densidad de usuarios

Radio study and problems in a WiFi network with high user density

Jhenifer Orozco & Gustavo Siles

Laboratorio de Radiocomunicaciones
Centro de Investigaciones Ópticas y Energías (CIOE) ]]> Universidad Privada Boliviana (UPB)

jheniferorozco@hotmail.com gustavosiles@upb.edu

Recibido: 7 de septiembre 2018
Aceptado: 2 de noviembre 2018

Resumen: La implementación de redes WiFi que tienen alta densidad de usuarios es tema de interés en ingeniería de radiocomunicaciones. El presente artículo tiene por objetivo estudiar algunas de las problemáticas encontradas en una red de este tipo. Con este propósito, se realizan una serie de surveys pasivos sobre una red WiFi que se encuentra actualmente en operación, por tanto, un escenario real sobre el cual realizar medidas. El software profesional Ekahau Site Survey® fue utilizado para obtener una estimación de potencia, solapamiento de canal y SNR. Los resultados muestran la presencia de solapamiento o interferencia co-canal, tanto en 2.4 GHz como en 5 GHz, situación que degradaría el desempeño de la red.

Palabras clave: WiFi, WLAN, 802.11, radiocomunicaciones

Abstract: The design and implementation of high density WiFi networks is topic of interest in wireless Communications engineering. The present paper aims to study some of the problematics of this kind of networks. With this purpose, a series of passive surveys are carried on an operating campus-based WiFi network, which provides a real evaluation scenario. The professional tool Ekahau Site Survey® has been used in order to obtain estimates of signal strength, channel overlapping and SNR. The results show the presence of co-channel interference or channel overlapping, both at 2.4 GHz and 5 GHz bands, which could lead to a degradation of the network performance.

Keywords: WiFi, WLAN, 802.11, radio Communications

1    Introducción

Las redes inalámbricas de datos son capaces de proporcionar ubicuidad y movilidad a usuarios en diferentes escenarios de despliegue. En este ámbito, las redes WLAN (Wireless Local Area Network) o Wi-Fi, gozan de gran popularidad debido a que una variedad de equipos terminales, como teléfonos celulares, tabletas, ordenadores portátiles, entre otros, cuentan con módulos de transmisión/recepción que les permiten conectarse a este tipo de redes [1]. En este sentido, desde un punto de vista de implementación, el estándar 802.11 del IEEE se ha impuesto como estándar técnico mundial para la implementación de redes WLAN.

Los posibles escenarios de despliegue de una red WLAN pueden ir desde un uso domiciliar, donde típicamente se pueden requerir uno o dos Puntos de Acceso (AP, Access Point), hasta redes con una mayor densidad de usuarios [2], las cuales requieren de un diseño y planificación más detallada. Así, en este segundo grupo se encuentran, por ejemplo, instalaciones para centros de convenciones, campus universitarios, u hoteles, donde las redes Wi-Fi deben proporcionar un acceso confiable y seguro, no solamente en oficinas, salones de clase y habitaciones, sino también en espacios abiertos. Por otro lado, al aumentar las dimensiones de la red y cantidad de posibles usuarios, los servicios que sobre ella se ejecutan pueden variar desde simple navegación web hasta servicios de video en tiempo real, con consecuencias directas sobre el volumen de tráfico y la distribución de carga [3]. Otros factores a tener en cuenta en este tipo de despliegues es la utilización de canales radioeléctricos, interferencia, reutilización de frecuencias, además de la cobertura y la intensidad de la señal.

El presente estudio tiene como objetivo conocer algunas problemáticas en redes WLAN con alta densidad de usuarios. Para ello, se ha realizado un estudio radioeléctrico en el Campus "Julio León Prado" de la Universidad Privada Boliviana (UPB), situado en la ciudad de Cochabamba. En la actualidad, este campus cuenta con una red WiFi que presta servicios a un alto volumen de estudiantes, profesores y personal administrativo, tanto en aulas, oficinas y laboratorios docentes y de investigación, como en espacios abiertos. Para la recolección de datos se ha utilizado un software profesional que permite realizar relevamientos o surveys pasivos [4] e identificar las posibles problemáticas que existen en la red instalada y, por tanto, que deberían tenerse en cuenta en despliegues similares. Para cumplir el objetivo de esta investigación, se ha seleccionado el Edificio principal de aulas del Campus, pues cuenta con una mayor cantidad de APs.

El presente artículo está estructurado de la siguiente manera. Luego de la presente Introducción, la Sección 2 se encarga de revisar brevemente el estándar IEEE 802.11 para redes WLAN. A continuación, en la Sección 3 se describe el escenario de estudio, la herramienta utilizada y la metodología para la recolección de datos. Los resultados se discuten en la Sección 4 y finalmente en la Sección 5 se recogen las conclusiones de este trabajo.

2    Estándar 802.11

El estándar IEEE 802.11 define el uso de los dos niveles inferiores de la arquitectura OSI, vale decir la capa física y de enlace de datos, y sus normas de funcionamiento en una WLAN. Fue publicado por el IEEE en 1997. Trabaja en la banda de frecuencias ISM de 2.4 GHz y define el uso en capa física de FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — a dia de hoy una tecnología obsoleta en sistemas WLAN -, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e Infrarrojo, esta última sin ninguna implementación. Las velocidades de transmisión establecidas son 1 y 2 Mbps. La canalización se realiza según el esquema de la Tabla 1, con canales radioeléctricos de 20 MHz y únicamente 3 canales sin solapamiento [5]. Las especificaciones de este estándar proporcionan la base para los productos con redes inalámbricas que hacen uso de la marca WiFi. A lo largo del tiempo, el estándar IEEE 802.11 ha sido modificado mediante una serie de adendas que han dado lugar a las modalidades que se presentan a continuación.

2.1 Modalidad 802.11a

La modalidad 802.11a fue publicada en 1999. Utiliza el conjunto de protocolos de base del estándar original 802.11, pero opera en la banda de 5 GHz. Basa su funcionamiento en multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), con un total de 52 subportadoras. Gracias a este sistema de multiplexación se puede alcanzar una velocidad máxima de 54 Mbps. Alternativamente esta modalidad del estándar soporta velocidades de 48, 36, 24, 18, 12, 9 o 6 Mbps. En relación a otras modalidades que operan en 2.4 GHz, la banda de 5 GHz proporciona mayor ancho de banda y 12 canales de 20 MHz sin solapamiento [5].

2.2 Modalidad 802.11b

La modalidad 802.11b fue publicada en 1999 y trabaja en la banda de frecuencias libres ISM de 2.4 GHz. Especifica velocidades de transmisión de 5.5 y 11 Mbps, con HR/DSSS (High Rate/Direct Sequence Spread Spectrum) en capa física y es compatible con el estándar original 802.11 con capa física DSSS. Al trabajar en una frecuencia menor, presenta menores pérdidas de propagación. Por el contrario, esto reduce las velocidades de transmisión respecto a la modalidad 802.11a [5].

2.3 Modalidad 802.11g

La modalidad 802.11g fue publicada en 2003, con la idea de aumentar la velocidad de transmisión sin renunciar a las ventajas de la banda de 2.4 GHz. Esta modalidad, permite transmitir datos hasta una tasa máxima de 54 Mbps, con valores intermedios estandarizados de 1 y 2 Mbps (DSSS), 5.5 y 11 Mbps (CCK, Complementary Code Keying, compatible con HR/DSSS), 6, 12, 24 Mbps (tasas obligatorias con OFDM), 9, 18, 36 y 48 Mbps (OFDM, tasas soportadas, pero no obligatorias) [5].

2.4 802.11n

La modalidad 802.11n fue publicada en 2009 por el IEEE bajo la premisa de mejorar el desempeño del hardware, y alcanzar tasas de transmisión más elevadas a través de la incorporación de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output). En esta tecnología, el uso de múltiples tranceptores y antenas permite establecer varios canales para enviar y recibir datos simultáneamente, mejorando de forma sustancial la señal recibida por el receptor y multiplicándose de esta forma el ancho de banda utilizado (3). La implementación de MIMO constituye un gran avance tecnológico en relación a las modalidades precedentes que trabajaban con un único tranceptor SISO (Single Input Single Output), que es tiende a sufrir con más frecuencia fenómenos multitrayecto en el canal de propagación [5].

Los dispositivos terminales que operan bajo la modalidad 802.lln pueden trabajar en las bandas sin licenciar de 2.4 y 5 GHz, siendo por tanto compatibles con las modalidades 802..1a/b/g. A nivel de capa física trabaja con HT-OFDM (High Throughput OFDM). Los canales ocupan anchos de banda que pueden ser de 20 o 40 MHz, a diferencia de las modalidades predecesoras que implementan únicamente el primero. El uso de canales de 40 MHz en 2.4 GHz da lugar a problemas de solapamiento o a la obligatoriedad de usar un único canal, por lo que en general se implementan en la banda de 5 GHz donde el rango espectral es mucho mayor y no existe posibilidad de solapamiento. El esquema de canalización en 5 GHz se observa en la Tabla 2.

2.5 8021.11ac

La modalidad IEEE 802.11ac fue desarrollada entre el año 2011 y el 2013, y finalmente aprobada el año 2014. Es compatible con modalidades previas del estándar. Los dispositivos que trabajan en esta modalidad lo hacen en 5 GHz y pueden alcanzar tasas máximas de hasta 6.93 Gbps. Esta velocidad depende de varios factores, incluido el número de flujos binarios y antenas implementadas bajo la tecnología MIMO. En cuanto a la canalización, esta modalidad acepta canales de 20 y 40 MHz, e introduce nuevos anchos de banda de 80 y 160 MHz, con esquemas de modulación de alta densidad (256 QAM) [4].

3    Procedimiento de toma de datos

La toma de medidas se realizó en el Campus de Santa Rosa de la Universidad Privada Boliviana (UPB), durante el mes de febrero de 2018. A continuación, se describe brevemente la configuración del equipo de medida, los elementos de entrada requeridos y el procedimiento de recolección de datos.

3.1 Equipamiento

La realización de relevamientos o surveys es un paso imprescindible para el estudio, diseño e implementación profesional de una red WiFi en un determinado entorno. Gracias a ellos es posible determinar parámetros radioeléctricos de una red WLAN, como intensidad de señal de sus canales, relación señal a ruido (SNR), nivel de interferencia, entre otros. Típicamente, se realizan mediante alguna herramienta software instalada en un equipo terminal, el cual cuenta con un adaptador WiFi que se encarga de registrar, almacenar, analizar y visualizar las medidas a través de mapas de calor y estadísticas. En el presente estudio se ha realizado surveys pasivos, es decir aquellos en los que el adaptador WiFi actúa únicamente como un receptor, analizando las señales de radiofrecuencia y paquetes que recibe.

La herramienta que se ha seleccionado para esta investigación es Ekahau Site Survey® (ESS), en su versión Estándar [6]. La licencia de esta versión incluye además un adaptador WiFi USB del fabricante (SA-1 Survey Adapter), que se conecta al puerto USB de la computadora portátil donde está instalado ESS. Este adaptador posee antenas embebidas en banda dual (2.4 y 5 GHz).

Se ha utilizado una computadora portátil con las siguientes características:

• Procesador Core i5, 2.7 GHz

• Windows 8.1

• 8GB RAM

• Espacio ocupado en disco duro: 190 MB (mínimo espacio necesario, 1 GB)

• Puerto USB 3.0

La Figura 1: muestra la computadora utilizada junto con el adaptador SA-1 conectado y la ventana principal del software ESS.

3.2 Descripción de los sitios

Para esta investigación se ha seleccionado el Bloque de Aulas del Campus "Julio León Prado" de la UPB. Este edificio cuenta con un total de 18 aulas, cuyas dimensiones son en general similares. En coordinación con el departamento de DTI de la universidad se realizó, en una primera etapa, un inventario técnico de la red WiFi actualmente instalada en este edificio y se obtuvo los resultados que se detallan en la Tabla 3.

3.3 Procedimiento de toma de medidas

Para realización de los recorridos se utilizaron mapas digitalizados del Edificio Principal de Aulas. Los mapas utilizados se encontraban en formato JPEG aunque la herramienta ESS soporta también otros formatos, incluido AutoCad. Una vez se carga un mapa, se debe definir su escala, tomando como referencia alguna longitud real, por ejemplo, la de alguno de los muros perimetrales de un aula.

El inicio de un recorrido de medidas se realiza indicando al software la posición actual del operador. A medida que se realiza el desplazamiento a lo largo de pasillos, aulas y oficinas (Figura 2:), se debe marcar la posición en cada punto significativo, en particular, cada vez que se produzca un giro o cambio de dirección. De esta manera, la herramienta conoce permanentemente la ubicación del receptor USB WiFi.

Es muy importante definir un conjunto de umbrales con los cuales ESS analizará y visualizará los resultados. Estos umbrales están asociados a los requerimientos del tipo de servicio que brindará la red a los usuarios. En este estudio se trabaja con el servicio de Voz + Datos, cuyos requerimientos son los siguientes¹:

• Potencia de señal: -67 dBm (mínimo)

• SNR: 20 dB (mínimo)

• Velocidad de datos: 20 Mbps (mínimo)

]]> • N° puntos de acceso para dar servicio: 2 (mínimo) con una potencia mínima de -75 dBm.

• Canales con solapamiento: 2 (máximo) con una potencia mínima de -85 dBm

• Round Trip Time: 200 ms (máximo)

• Pérdida de paquetes: 2% (máximo)

4    Resultados

4.1 Detección de Puntos de acceso

Los recorridos realizados en el Edificio de Aulas se realizaron en las tres plantas y a través de todas las aulas. Se cubrieron un total de 25 espacios entre aulas, oficinas, depósitos y baños, incluyendo pasillos y gradas del mismo edificio. Los recorridos se realizaron por plantas separadas. La Tabla 4 resume los resultados en cuanto a la detección de APs cuyas señales son recibidas por el adaptador SA-1. El número de APs detectados es claramente mayor a los reportados en la Tabla 3. Esto se debe a que el adaptador puede detectar APs instalados en otras plantas del Edificio de Aulas e, incluso, algunos que se encuentran en otros bloques del Campus, como el Edificio de Laboratorios, comunicado al de Aulas a través de un pasillo. Este hecho, como se verá en las siguientes secciones, está en el origen de algunas de las problemáticas que se pueden observar en la red WLAN instalada.

4.2 Potencia de Señal

• Color blanco: el adaptador USB no recibió señal alguna (< -80 dBm).

• Color gris: potencia muy baja con niveles entre -80 dBm y -67 dBm.

• Color amarillo-verde: Potencia por encima del umbral, > -67 dBm.

La Figura 3: muestra los resultados de potencia de señal detectada tanto en 2.4 GHz como en 5 GHz. Se pueden observar además los recorridos realizados, representados por líneas de color verde, y los puntos de acceso detectados, representados en los mapas de calor mediante círculos.

A partir de estadísticas proporcionadas por ESS, presentadas en la Tabla 5, se puede observar que el 100% de la potencia de señal en 2.4 GHz, detectada en la planta baja se encuentra por encima del umbral de -67 dBm establecido para el servicio de Voz+Datos.

Un muy buen nivel de señal, por encima de -45 dBm, representa el 35.1% del total de señal detectada. En cambio, en 5 GHz, hasta 10.7% de la señal detectada se encuentra por debajo de este umbral.

Para observar el efecto que tienen los APs que no pertenecen a la Planta Baja, y que fueron detectados por el adaptador, se obtuvo mapas de calor donde sólo se observe la potencia proveniente de éstos. La Figura 4: presenta los resultados obtenidos, donde los puntos de acceso instalados en otras plantas se encuentran marcados por un círculo con el borde de color naranja.

Además, en la Tabla 5 se resumen los resultados de manera porcentual. En 2.4 GHz se observa una gran presencia de señal proveniente de otros APs, concentrada en general en dos zonas con un color verde más intenso. Sin embargo, en general estas señales se encuentran en casi toda la planta baja, con un 50% al menos por encima de -60 dBm. Por otro lado, en 5 GHz el efecto de otros APs es mucho menor, concentrado mayormente en la zona izquierda (ala oeste) de la Planta Baja y con niveles de potencia en general bajos: poco más del 7% de potencia se encuentra por encima de -60 dBm y hasta un 58% se encuentra por debajo del umbral de -67 dBm.

En las Plantas 1 y 2 la presencia de señal de APs instalados en otras plantas es similar a las expuestas en párrafos previos para el caso de la Planta Baja. Por tanto, se decidió estudiar en ambos casos cuál era el nivel de potencia de los APs operativos en cada una de estas. La intensidad de señal puede observarse tanto en 2.4 GHz como en 5 GHz en las Figura 5: y Figura 6: para ambas plantas. Los APs se representan como círculos con el borde color naranja. Las Tabla 7 y 8 presentan los resultados en forma de porcentajes. La observación de los mapas de calor muestra que en 2.4 GHz la cobertura es mayor que en 5 GHz. En términos de porcentajes, 13% de la Planta 1 y 18.3% de la Planta 2 no cuentan con cobertura en 2.4 GHz, y en 5 GHz estos porcentajes se incrementan a 22.7% y a 28.3%, respectivamente.

4.3 Solapamiento de Canal

La visualización de superposición de canales muestra cuántos puntos de acceso se superponen en un solo canal en la zona de estudio. De forma predeterminada, la visualización muestra superposición de canales co-canal (CCI) y adyacente (ACI), si bien este último caso no se presenta ya que se usan canales con la suficiente separación espectral.

La superposición del canal debe minimizarse para garantizar un funcionamiento sin interferencias y tiempos de espera innecesarios por parte de los terminales, pues si uno de ellos "escucha" el canal radioeléctrico y detecta que está ocupado, debe esperar a que se libere para transmitir. Sin embargo, en entornos donde existe alta densidad de usuarios, normalmente se convive con la presencia de CCI pues no es fácil de reducir.

Como ejemplo, la Figura 7: muestra los resultados de solapamiento de canal para la Planta Baja, tanto en 2.4 GHz como en 5 GHz, producida por los APs instalados en ésta. En 2.4 GHz existe un solapamiento en los canales 1, 6 y 11 en varias zonas, fundamentalmente en aulas y pasillos. Por lo menos el 65% de las zonas recorridas en esta planta presentan entre 3 y 4 APs cuyos canales se superponen (ver Tabla 9). Se observa además que el solapamiento de 5 o más canales tiene lugar en un 13%. Por otro lado, las zonas con canales sin solapamiento son reducidas. En 5 GHz, las zonas donde se observa solapamiento de canal son más pequeñas, si bien aún existen y están concentradas en la parte central de la Planta Baja, así como en el acceso a las gradas que conducen a las Plantas 1 y 2, lugar donde regularmente existe bastante flujo de estudiantes. En general, en las zonas con solapamientos (28.7%), éste se debe al efecto de no más de 3 canales, y existen zonas (26.1%) donde no se observa ningún solapamiento.

Por otro lado, se obtuvieron los mapas de calor de Solapamiento de Canal para la Planta 1. La Figura 8:, junto con la Tabla 10, resume los resultados obtenidos. Se puede observar, como en el caso de la Planta Baja, abundante solapamiento en 2.4 GHz (60.3%), mientras que en la banda de 5 GHz éste es prácticamente inexistente (1.9%). Sin embargo, al introducir el efecto de los APs de otras plantas, el solapamiento de canal aumenta considerablemente en ambas frecuencias (ver Figura 9:).

4.4 Relación Señal a Ruido

La relación señal a ruido (SNR), expresada en dB, es uno de los parámetros radioeléctricos más importantes que permite analizar la calidad de un enlace de comunicación. Medir la potencia en un receptor no es suficiente y debe compararse con el nivel de ruido que introduce tanto el canal como el receptor en sí mismo. Valores altos de SNR permiten utilizar técnicas de modulación más complejas que dan como resultado velocidades de transmisión más elevadas y menos retransmisiones.

Para un entorno WLAN, se pueden definir los siguientes rangos de SNR [4] asociados a la calidad del enlace de comunicación:

• >40 dB - Calidad excelente, altas velocidades de datos

]]> • 25-40 dB - Muy buena calidad, altas velocidades de datos

• 15-25 dB - Buena calidad, buenas velocidades de datos

• 10-15 dB - Calidad aceptable, tasas de datos más bajas

• 0-10 dB - Baja a ninguna señal, generalmente no asociada, tasa de datos muy baja a nada.

La Figura 10: presenta los resultados de SNR en 2.4 GHz y 5 GHz para cada una de las plantas del Edificio de Aulas, considerando únicamente los APs instalados en éstas. Los resultados muestran que la SNR en general presenta valores por encima del umbral de 20 dB establecido como requerimiento para el servicio de Voz+Datos. Las zonas de color gris se encuentran fuera del edificio y se pueden considerar marginales. En general, los niveles de potencia reportados en la Sección 4.3, garantizan un nivel de SNR adecuado, por encima del umbral.

5    Conclusiones

El presente artículo ha permitido conocer el uso de una herramienta profesional para estudiar redes WLAN que funcionan bajo el estándar 802.11. En particular, este estudio ha buscado conocer alguna de las problemáticas en una red con alta densidad de usuarios. Con este propósito, se estudió una zona de un campus universitario, como ejemplo de una red de este tipo.

Luego de realizar recorridos a través del edificio bajo estudio, utilizando un adaptador USB pasivo conectado a una computadora portátil, se ha podido encontrar que el mayor problema en este tipo de redes es la interferencia co-canal. En particular, este efecto es más notorio en 2.4 GHz que en 5 GHz, debido al menor ancho de banda disponible, que afecta en la cantidad de canales radioeléctricos disponibles.

Agradecimientos

Se agradece al departamento DTI de la UPB por su colaboración en el acceso a información sobre la red WiFi del Campus "Julio León Prado".

Notas

¹ Valores predeterminados en la herramienta ESS. Pueden cambiarse manualmente.

Referencias Bibliográficas

[1] Hernando, José Maria, Riera, José Mauel, Mendo, Luis. Transmisión por radio. 7ª Ed., Ed. Universitaria Ramón Areces. 2013.

[3] Queiroz, Andre. SearchDataCenter en Español. Tendencias de migración inalámbrica que las universidades deben considerar. [En línea] Agosto de 2016. [Citado el: 20 de Agosto de 2018.] https://searchdatacenter.techtarget.com/es/opinion/Tendencias-de-migracion-inalambrica-que-las-universidades-deben-considerar.

[4] Ranabhat, Kabindra. Advanced WLAN Site Survey. Metropolia University of Applied Sciences, Finlandia, 2017.

[5] Bartz, Robert. CWTS, CWS, and CWT. Complete Study Guide. Ed. Sybex. 2017

[6] Ekahau Site Survey Company. Ekahau Wireless Design. Ekahau Wireless Design. [En línea] 2000. [Citado el: 22 de Agosto de 2018.] https://www.ekahau.com.