WiFi 101 – Conceptos básicos como para entenderle

WiFi es del tipo de cosas que todos usan, ya sea para el estudio, trabajo u ocio, pero pocos saben cómo funciona. Puede ser causa de bastante frustración cuando se torna inestable, y las causas de esta inestabilidad no siempre son obvias. En esta entrada se abordan aspectos básicos que ayudan a entender cómo funcionan las redes WiFi.

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Fundamentos de comunicaciones inalámbricas.-

Las comunicaciones inalámbricas se realizan usando ondas electromagnéticas que ocupan parte del espectro electromagnético, el cual se divide en rangos de frecuencias. Generalmente se realizan en medios no guiados tales como el aire o el vacío.

Las ondas electromagnéticas tienen propiedades tales como:

• Longitud de onda (expresada como λ)
• Frecuencia (expresada como f, medida en Hz)
• Amplitud (o intensidad, expresada como A, medida en dB)
• Fase

A diferencia de las comunicaciones cableadas o por fibra, las comunicaciones inalámbricas no pueden darse el lujo de ocupar todo el espectro disponible, ya que:

• El espectro electromagnético es un medio compartido.
• Puede haber muchas comunicaciones inalámbricas dandose al mismo tiempo en un mismo lugar.
• Las ondas de radiofrecuencia que comparten un medio de manera descontrolada causan interferencias indeseables.

Por tanto, deben respetar ciertas limitaciones de intensidad y de ancho de banda (es decir, cuánto espacio del espectro utilizan), además de utilizar esquemas de codificación, con el fin de reducir la interferencia con otras comunicaciones, o al menos reducir los efectos nocivos de la misma.

En la figura anterior se puede apreciar que diferentes tecnologías (Radio, TV, Satélite, etc) ocupan diferentes espacios del espectro electromagnético. Muchas porciones del espectro requieren licencias y pagos para su uso, y la asignación de licencias varía según la legislación vigente de cada país.

Bandas ISM.-

Las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) son porciones del espectro reservadas a nivel internacional para uso libre sin necesidad de licencia. Esto quiere decir que no se tiene que pedir permiso al gobierno para utilizarlas, ni pagar por ello, aunque el alcance de las comunicaciones que ocurren en estas bandas no debe ser de amplio alcance.

Originalmente se pensaba destinar las bandas ISM a usos tales como hornos microondas, pero actualmente son muy populares para sistemas de comunicaciones inalámbricas de corto alcance como WiFi o Bluetooth.

Entre las tecnologías de comunicaciones inalámbricas que ocupan estas bandas se encuentran:

• Teléfonos fijos inalámbricos (cordless)
• Dispositivos Bluetooth
• Controles remotos de garages
• Juguetes a control remoto
• Redes WiFi

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El problema de tener muchos dispositivos ocupando la misma porción del espectro es que sus señales se interfieren unas a otras, lo cual se explicará con mayor detalle más adelante.

2.4 GHz vs 5 GHz.-

Las bandas de 2.4 y 5GHz son algunas de las muchas bandas ISM disponibles para uso sin licencia. Se mencionan de manera particular ya que actualmente las versiones más extendidas del estandar IEEE 802.11 funcionan en estas bandas.

Los aparatos compatibles con WiFi (PCs, celulares, tablets, etc) actualmente pueden conectarse a redes tanto de 2.4 GHz como de 5 GHz.

• Banda de 2.4 GHz: IEEE 802.11b/g/n
  • Máxima compabilidad. Prácticamente todos los aparatos son compatibles con redes de 2.4 GHz.
  • La señal tiene menos problemas al atravesar obstáculos (paredes, muebles, otros aparatos electrónicos, etc.)
  • Hay pocos canales disponibles (11 en EEUU, 13 en Bolivia), y el ancho de banda de cada uno es limitado.
  • Sufre interferencia por otros dispositivos: hornos microondas, controles remotos omnidireccionales, dispositivos bluetooth, teléfonos fijos inalámbricos (cordless) entre otros.
  • Sufre interferencia por redes WiFi circundantes. Esto es particularmente malo en el caso de edificios de departamentos o condominios en que todos los vecinos tienen su propia red WiFi.
• Banda de 5 GHz: IEEE 802.11n/ac y superiores*
  • Suele estar menos congestionado por señales vecinas.
  • Al ser una banda del espectro más amplia, hay muchos más canales, y cada uno de ellos tiene mayor capacidad.
  • Ofrece mayor ancho de banda y menor latencia.
  • Tiene más dificultades al atravesar obstáculos físicos.
  • Generalmente se considera que las redes de 5 GHz son “monoambientes”, es decir, cubren una sola habitación, o como máximo dos.

[*]Técnicamente, 802.11a también funciona a 5GHz, pero es prácticamente obsoleto, así que por ahora no cuenta :v

Canales y solapamiento.-

Banda de 2.4GHz.-

La banda de 2.4GHz tiene una anchura (o rango de frecuencias) de 100 MHz. Las distintas versiones de WiFi que funcionan en esta banda la separan varios canales que se solapan entre sí. En específico, se usan 11 canales en EE.UU. y 13 canales en el resto del mundo.

NOTA: si alguna vez se topan con una PC, celular, u otro tipo de equipo que no puede “ver” una red WiFi (SSID) en específico, a pesar de estar cerca del router o AP y de que otros equipos cercanos se puedan conectar normalmente, vale la pena revisar la “región WiFi” del router/AP y del equipo afectado. Puede la región WiFi del router/AP esté establecida en “Bolivia” y la selección de canal esté en “automático”, y el canal automáticamente seleccionado sea el 12 o el 13, mismos que están “fuera de alcance” para equipos cuya región WiFi es “EE.UU.”

Normalmente se utiliza el modo de 20 MHz, en que cada canal ocupa en total 22 MHz de anchura: 20 MHz para datos + 2 MHz como guarda. También hay un espaciado de 3 MHz de anchura entre los canales no-solapados.

Al usar este modo, los únicos canales que no se solapan unos con otros son:

• Canal 1: 2.401 – 2423
• Canal 6: 2.426 – 2.448
• Canal 11: 2.451 – 2.473

Lo ideal es configurar las redes WiFi cercanas tal que funcionen en canales que no se solapen, con el fin de que no interfieran unas con otras. En caso de que esto sea completamente inevitable (por ejemplo: hay más de 3 redes WiFi distintas en alcance en un mismo lugar), entonces se dichas redes se deben configurar apuntando a reducir lo más posible el solapamiento entre canales.

Esto es muy pero muy importante el edificios de departamentos, ya los puntos de acceso WiFi de los vecinos están literalmente unos encima de otros, y sus rangos de cobertura o alcance se solapan demasiado.

Por ejemplo: si en un departamento hay 2 puntos de acceso (APs), y uno de ellos cubre una zona en donde también se recibe señal fuerte del AP de algún vecino, entonces se debe configurar dicho AP para utilizar un canal que no se solape con el canal utilizado por el AP del vecino. Coordinar el uso de canales entre APs vecinos es una muy buena práctica, a lo más se puede optimizar el rendimiento de las redes WiFi, a lo menos se puede evitar “contaminar” el espectro electromagnético de los alrededores.

Quien asuma la tarea de coordinar la utilización de canales WiFi en un edificio de departamentos, sin esperar nada a cambio, ¡debería ser nombrado Cruceño de Oro!

El problema es que todos los routers y APs nivel consumidor vienen configurados de fábrica para seleccionar el canal automáticamente, y la gente rara vez modifica la configuración de sus equipos de red, utilizandolos tal cual quedaron luego de la configuración inicial cuando fueron instalados. Dicha configuración suele ser realizada por un técnico quien no optimiza los parámetros adecuadamente porque anda corto de tiempo (o peor aún, de conocimientos).

Señales de comunicación inalámbrica de datos.-

Intensidad y Sensibilidad.-

Dos aspectos muy importantes son:

• Intensidad del emisor: Se refiere a qué tan fuerte se puede emitir una señal. Similar a qué tan fuerte puede gritar una persona.
• Sensibilidad del receptor: Se refiere a la mínima intensidad de señal que el receptor puede recibir y “entender”, es decir, poder interpretar de manera útil.

En el caso de WiFi, todos los dispositivos son al mismo tiempo emisores y receptores, ya que la comunicación entre el punto de acceso y los dispositivos cliente es bi-direccional.

Por ejemplo: existen casos en que un celular puede detectar la señal WiFi de un router y puede mostrar el nombre de la red, pero no puede conectarse a la misma, o puede conectarse pero luego no puede navegar por internet. Esto puede deberse a que la potencia de transmisión del celular es muy débil y no puede ser percibida por el router.

En términos simples: el router “grita” lo suficientemente fuerte para ser “escuchado” por el celular, pero el celular no puede “gritar” tan fuerte como el router, entonces puede que su señal de retorno no sea “escuchada” por el router. Si la comunicación no es bi-direccional, entonces no es comunicación.

Enemigos de la señal inalámbrica.-

Los principales enemigos de la comunicación inalámbrica en redes de bajo poder y alcance son la atenuación y la interferencia, ambos fenómenos que juegan en contra de la calidad de la señal a medida que viaja por el medio.

– Atenuación.-

La atenuación es la pérdida de intesidad que experimenta la señal al viajar a través del medio. Tanto el medio como los obstáculos físicos pueden “debilitar” una señal al absorberla o bloquearla, respectivamente.

Hay que tener en cuenta que la señal se debilita en ambos sentidos (envio y recepción). Esto es particularmente importante el el caso de clientes inalámbricos de baja potencia (ej.: celulares) que podrían “escuchar” la señal de un punto de acceso, pero no podrían hacer que el AP los escuche con el fin de establecer comunicación bi-direccional.

– Interferencia.-

La interferencia entre dos señales es un fenomeno que se manifiesta como la alteración de las propiedades de las ondas participantes. Esta alteración suele ser detrimental para la calidad de la señal, ya que hace que la onda se “desvíe” de su forma original.

La gran mayoría de equipos inalámbricos toman en cuenta estos dos fenómenos e introducen esquemas de codificación para corrección de errores, con el fin de que los receptores sean relativamente tolerantes a señales ligeramente distorcionadas.

Sé estricto al hablar, pero tolerante al escuchar.

Mientras más comunicaciones ocurran al mismo tiempo en una misma banda del espectro, más interferencia va a existir, y todas las comunicaciones se verán afectadas. Este es un escenario en que instalar repetidores o incrementar la intensidad de la señal del router no es una solución, ¡y puede llegar a ser contraproducente!

Repito: ¡Si tu problema es interferencia en lugar de atenuación, instalar repetidores no es la solución!

~Gracias por su atención. Continuando…

Técnicas de multiplexación.-

Con el fin de hacer más eficiente el uso de la limitada porción del espectro electrómagnético, las comunicaciones inalámbricas de valen de técnicas de multiplexación. Entre ellas se encuentran:

• FHSS: Utilizada en IEEE 802.11 (1997)
• DSSS: Utilizada en IEEE 802.11b (1999)
• OFDM: Utilizada en IEEE 802.11a (1999) y 802.11g (2003)
• OFDM MIMO: Utilizada en IEEE 802.11n (2009)

Los detalles técnicos son complejos. Basta con saber que mientras más moderna es la versión del estándar inalábrico utilizado, más eficiente es la utilización del espectro y por tanto, la comunicación es mejor calidad y velocidad. Particularmente, a partir de 802.11n se soporta el uso de varias antenas al mismo tiempo y la banda de 5GHz.

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El estándar IEEE 802.11.-

Concepto de estándar.-

Primero, debemos saber lo que es un estándar técnico:

Un estándar técnico es un requisito o norma para una tarea técnica repetible. Suele ser un documento formal que establece criterios técnicos o de ingeniería, métodos, procesos y prácticas.

Technical standard – Wikipedia, the free encyclopedia

En términos sencillos, un estándar técnico define cómo deben funcionar los aparatos electrónicos. El uso de equipos que cumplen con un mismo estándar garantiza la compatibilidad e interoperabilidad entre los mismos. Las empresas proveedoras de equipos inalámbricos deben apegarse plenamente a los estándares para certificar sus equipos como compatibles.

IEEE 802.11, mejor conocido como “WiFi”.-

IEEE 802.11 es el estándar que especifica los protocolos necesarios para la implementación de redes inalámbricas locales (WLAN) WiFi. Dentro de este conjunto se encuentran las diferentes versiones de WiFi que han sido definidas a lo largo de los años.

• IEEE 802.11 (1997): Primera versión (legacy, en desuso).
• IEEE 802.11b (1999): Banda de 2.4GHz, velocidades de hasta 11mbps teóricos (literalmente inutilizable hoy en día :v).
• IEEE 802.11a (1999): Banda de 5GHz (prácticamente en desuso).
• IEEE 802.11g (2003): Banda de 2.4GHz, velocidades de hasta 54mbps teóricos.
• IEEE 802.11n (2009): Puede utilizar múltiples antenas (MIMO), soporta modo “dual-band” a 2.4GHz y 5GHz.
• IEEE 802.11ac (2013): Banda de 5GHz, soporta MIMO. Indicado para redes de alto tráfico y streaming (tiempo real).
• IEEE 802.11ax (2021): “WiFi 6” – Redes de alto tráfico en el espectro comprendido entre 2.4GHz y 6GHz, con proyección a cubrir más porciones del espectro electromagnético cuando estén disponibles para su uso.

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Las diferencias entre versiones del protocolo son muchas, aunque vale destacar los cambios en:

• Técnicas de multiplexación
• Señalización
• Porciones del espectro utilizadas
• Otros

Nota: Es posible encontrar equipos que anuncian ser compatibles con cierto estándar incluso antes de su publicación oficial. Esto quiere decir que implementan o cumplen con alguna versión preliminar o borrador (draft) del estándar en cuestión, y de paso agregan tecnologías propietarias que los hacen funcionar mejor dentro del mismo ecosistema, pero terminan siendo incompatibles con la versión final del estandar.

Actualizar el equipo a la versión oficial o final del estándar es responsabilidad del fabricante del equipo.

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Actualidad de WiFi.-

Actualmente, yo considero que los protocolos WiFi relevantes son:

• 802.11n: alias “Wireless N”, retroactivamente denominado WiFi 4.
• 802.11ac: alias “Wireless AC”, retroactivamente denominado WiFi 5.
• WiFi 6: técnicamente conocido como 802.11ax, introducido en 2021.

Cualquier equipo (sea AP o cliente) que sea muy antiguo como para trabajar con estas versiones del estándar debería ser actualizado o reemplazado. Si bien es posible configurar los puntos de acceso para soportar a clientes “de legado”, el rendimiento es mejor cuando todos los dispositivos que coexisten en una misma red funcionan con un mismo protocolo.

Los dispositivos cliente que solo soportan 802.11g o anteriores ya son raros y obsoletos; hasta los celulares y laptops más económicos soportan al menos 802.11n.

En el caso de routers WiFi 802.11n que se siguen viendo mucho en nuestro medio, se los debería configurar en modo 802.11n puro, también conocido como “Greenfield”. Además, si el router lo ofrece, se los debería configurar en modo “dual-band” para tener puntos de acceso de 2.4GHz y 5GHz, tal que los clientes compatibles aprovechen esta banda de espectro en que se goza de menor saturación y más ancho de banda.

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En resumen.-

Para un mejor aprovechamiento de las redes WiFi, se recomienda:

• Planear bien el lugar del router o los APs con el fin de maximizar su alcance y reducir los efectos de la atenuación de la señal.
• Minimizar los efectos de interferencias entre redes circundantes al utilizar canales no solapados, o elegir canales de manera que se reduzca el solapamiento al mínimo.
• Configurar routers 802.11n en modo “puro” o “greenfield”, no usar el modo “compatibilidad”.
• Preferir equipos compatibles con “Wireless AC” o “WiFi 6” cuando sea económicamente viable.
• Utilizar el modo “dual-band” de dispositivos 802.11n siempre que sea posible.

Si es impráctico optimizar la utilización de la banda de 2.4GHz, pasarase a 5GHz siempre es una opción que vale la pena evaluar 😉

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Fuentes:

• Redes de Computadoras 5ta ed. – Andrew Tanenbaum
• Ilustración de dispositivos bluetooth: GCFGlobal
• Wi-Fi Router Location – Electronics Notes