In due precedenti post – WLAN: capire limiti e velocità  e Reti WLAN: l’utilizzo del tempo di trasmissione – grazie agli articoli dell’Airheads Community di Aruba Networks, abbiamo iniziato un approfondimento sulla capacità del WLAN e su come fare per misurarla al fine di progettare un’architettura di rete efficiente.

Nella seconda parte avevamo parlato di come prevedere la capacità di una rete WLAN in fase di progettazione e avevamo esaminato come rispondere in maniera ottimale alla richiesta di tempo di trasmissione di ciascun dispositivo client.

L’interferenza Co-Channel

La seconda maggiore difficoltà da affrontare in fase di progettazione di una rete WLAN è l’interferenza Co-Channel (CCI). Dal momento che le comunicazioni radio sono illimitate, i ricevitori devono tentare di distinguere il segnale in arrivo desiderato da tutti gli altri. Quando esistono più trasmissioni contemporaneamente sulla stessa frequenza è più complicato per i punti di ricezione determinare con precisione il segnale corretto per sincronizzare il proprio circuito e ricevere. Pertanto, per evitare la perdita di segnale in queste situazioni, la maggior parte dei sistemi wireless based opera sia in half-duplex (esempio: Wi-Fi) sia in modalità simplex (esempio: FDD). Nel caso del Wi-Fi significa che le stazioni devono rinviare la trasmissione se rilevano una trasmissione Wi-Fi in corso sulla frequenza.

La cosiddetta Co-Channel Interference (CCI) deriva dalla necessità di riutilizzare le stesse frequenze radio (canali) all’interno di una distribuzione WLAN multi-AP a causa delle limitate risorse dello spettro con cui abbiamo a che fare. Lo stesso discorso vale per le WLAN che si trovano nello stesso raggio d’azione e con le frequenze sovrapposte a causa della mancanza di coordinamento o di risorse di spettro limitate. Quando è presente una CCI, molteplici radio AP hanno aree di copertura sovrapposte e inducono le stazioni Wi-Fi a rinviare le trasmissioni oltre i confini AP. In questo modo la trasmissione in una cella AP provoca ritardo di ricezione in una cella AP adiacente. Il risultato è che le due celle AP condividono su larga scala il tempo di trasmissione disponibile e la capacità.

È facile immaginare come per progettare correttamente una rete WLAN sia necessario ridurre al minimo la CCI. Per far ciò per prima cosa bisogna sapere che cos’è la soglia RSSI, dove una stazione Wi-Fi può correttamente riconoscere, sincronizzare e decodificare la struttura del frame e l’intestazione PLCP (intestazione livello fisico).

Purtroppo questo varia in base ai chipset e al design del dispositivo. Genericamente, le strutture dei frame PLCP possono essere decodificate a livello di ricezione di sensibilità (Rx) del dispositivo Wi-Fi dalla velocità dei dati utilizzata per codificare il preambolo. Le intestazioni PLCP sono codificate a velocità di trasmissione basse sulla base delle specifiche PHY come segue:

802.11b con lunghi preamboli = 1 Mbps
802.11b con brevi preamboli = 2 Mbps
802.11a / g / n / ac (OFDM) = 6 Mbps

Il livello di sensibilità Rx, per molti chipset a queste velocità di trasmissione dati, può essere molto basso, tra un range di -90 a -99 dBm (a volte anche meno per gli AP). Ciò può comportare che la CCI venga rilevata da trasmissioni molto distanti, causando ritardo di ricezione e la perdita di tempo di trasmissione e capacità. Alcuni dispositivi Wi-Fi, principalmente gli AP, hanno anche soglie di sensibilità CCA artificiali che possono essere configurate per ignorare le trasmissioni al di sotto di un determinato livello di segnale che è superiore alla sensibilità Rx del dispositivo, riducendo gli effetti negativi della CCI da trasmettitori distanti.

A questo punto i lettori esperti potrebbero domandarsi: «perché, per prima cosa, non limitarsi a progettare il dispositivo con una più bassa sensibilità Rx?». La risposta è perché è preferibile che la sensibilità Rx rimanga alta per migliorare la ricezione dei frame con qualsiasi velocità di trasmissione dati, tra cui anche velocità di trasferimento dati più elevate, migliorando le velocità fuori scala su tutta la linea. Migliorare la sensibilità Rx è in genere positivo e serve a migliorare le prestazioni.

Lo standard IEEE 802,11-2012 definisce anche una soglia del segnale per la sensibilità CCA e il differimento, che è -82 dBm per PHY OFDM (802.11a / g / n / ac). Questo livello è anche una soglia artificiale comune negli Access Point. Pertanto i professionisti del WLAN solitamente progettano le reti in modo da ridurre al minimo il CCI con un limite di cella di -82 dBm. È importante capire fino a che punto un segnale RF viaggia oltre l’area di copertura desiderata (ad esempio -66 dBm). Il grafico qui sotto aiuta a visualizzare questa distanza, che è il risultato della legge dell’inverso del quadrato, in cui si afferma che ogni raddoppio della distanza in uno spazio libero risulta in 1/4 ° della potenza del segnale ricevuto, o -6 dB. L’effetto pratico è che la CCI può benissimo causare il differimento della CCA, il tempo di trasmissione e la capacità condivisa fino ad 8 volte di distanza dall’ AP come il range di associazione client desiderato!

Grafica per gentile concessione di Aruba Networks

La mancanza di mitigazione CCI è una delle principali fonti di capacità ridotta sulle moderne reti Wi-Fi. Spesso gli architetti di rete riconoscono la necessità di una maggiore capacità, ma non tengono conto degli effetti negativi di interferenza co-canale (CCI) che riduce in modo importante la capacità. Quando si progetta una rete WLAN, quindi, è fondamentale pianificare la giusta quantità di AP, il loro posizionamento, le antenne, la larghezza del canale AP, l’utilizzo dei canali di DFS (che influenza il numero di canali disponibili per il riutilizzo di frequenza), la soglia di copertura di associazione, la sovrapposizione degli AP per il roaming, il riuso di frequenza e la limitazione CCI. Con l’installazione di troppi Access Point o con una non adeguata attuazione di un piano di frequenze di riutilizzo, la CCI aumenterà e la capacità effettiva sulla WLAN diminuirà a causa dell’aumento dell’overhead proveniente dalla gestione e dal controllo del traffico. Inoltre la capacità scende ulteriormente a causa del maggior numero di client connessi agli AP sulla frequenza per l’aumento medio dell’ RSSI / SNR attraverso un’area di copertura più ampia, che porta in competizione più stazioni per il tempo di trasmissione del canale condiviso. Come parte del processo di progettazione, se si vuole ridurre al minimo la CCI, va presa in considerazione anche la disabilitazione radio, in particolare nella banda dei 2,4 GHz e lo standard de-facto degli AP dual-radio con bande di frequenza fissa.

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In un precedente post, grazie agli articoli dell’Airheads Community di Aruba Networks, avevamo iniziato un approfondimento sulla capacità del WLAN e su come fare per misurarla al fine di progettare un’architettura di rete efficiente.
Il primo elemento emerso è la necessità di individuare delle metriche di base per misurarne la salute: per reti cablate e wireless le metriche fondamentali sono la larghezza di banda – flusso – e la latenza.

L’utilizzo dell’airtime (o utilizzo del canale) è influenzato da due fattori principali: l’interferenza RF esterna (energia non Wi-Fi) e la media del traffico sulla rete (trasmissioni Wi-Fi). Per quanto riguarda l’interferenza RF esterna il discorso è abbastanza semplice: l’energia al di sopra della soglia di CCA ED (Clear Channel Assessment, Detection Energia) determina stazioni Wi-Fi per rilevare la media del segnale occupato e ritarda la trasmissione, consumando quindi tempo di trasmissione disponibile dal punto di vista della stazione Wi-Fi. Inoltre, l’energia al di sotto della soglia CCA ED può aumentare il rumore e ridurre il SNR conseguente all’utilizzo di tassi di dati più bassi e tassi di ritrasmissione eventualmente superiori.

Il concetto di condivisione nel protocollo 802.11 (media del traffico) necessita di qualche spiegazione in più: è meno empiricamente misurabile e richiede una maggiore attenzione se si vuole pianificare con successo la progettazione di una rete WLAN.

Possiamo classificare le fonti delle richieste delle condivisioni del protocollo 802.11 in due grandi categorie. Se ci sono due limiti di cui dobbiamo essere consapevoli nelle connessioni Wi-Fi, sono questi due:

• La domanda di airtime: ovvero il tempo di trasmissione richiesto dalle stazioni a un individuo nella cella radio AP
• L’interferenza Co-Channel (CCI): l’utilizzo del tempo di trasmissione che risulta dalla connessione Wi-Fi condivisa da tutte le stazioni (AP e client) sulla stessa frequenza o canale su più celle radio AP

I due risultati hanno fondamentalmente lo stesso effetto, ma vanno affrontati in modo diverso all’interno del processo di progettazione WLAN. La domanda di airtime viene risolta attraverso la pianificazione della capacità, mentre il CCI viene risolto attraverso una pianificazione di copertura.

La domanda di tempo di trasmissione

La prima grande fonte della qualità del servizio è la richiesta del tempo di trasmissione all’interno di una singola cella radio AP. In poche parole, è la quantità di tempo di trasmissione richiesto da tutti i client con diverse funzioni che eseguono una varietà di applicazioni e che sono collegati a un singolo canale radio AP.

I professionisti del Wi-Fi possono cadere nella trappola – esattamente come chi è alle prime armi – nel pensare di indovinare il numero di client che un unico AP dovrebbe essere progettato a supportare o, peggio ancora, possono decidere quanti access point sono necessari sulla base dei metri quadri utilizzando una regola empirica. Questi metodi obsoleti per la progettazione del WLAN hanno portato a previsioni che non riflettono in modo accurato la domanda di capacità e destinazione d’uso della rete.
Spesso le reti WLAN sono progettate con pochi access point, seguendo una metodologia antiquata di progettazione orientata alla copertura, oppure viceversa con troppi access point perché non è stata eseguita la pianificazione della capacità, la metodologia di pianificazione della capacità utilizzata è stata imprecisa, o perché si è deciso di seguire la convinzione (errata) che la distribuzione di più access point si sarebbe semplicemente tradotta in una maggiore capacità.

Come prevedere la capacità di una rete WLAN

La capacità di una rete WLAN è fortemente condizionata dall’interazione tra l’infrastruttura e i dispositivi client, con la capacità di ognuno di essi di plasmare direttamente le prestazioni di una rete che si basa su un tempo di trasmissione comune. Non esistono due reti WLAN simili tra loro a causa del mix unico di access point e della miriade di diversi tipi di dispositivi client che ognuna ha. Pertanto, la misura della capacità del WLAN determina la richiesta di tempo di trasmissione di tutte le stazioni della rete WLAN in base alle loro quantità, capacità, e destinazioni d’uso (requisiti di applicazione, utente e/o il comportamento del dispositivo).

Da queste misurazioni, insieme ad altre caratteristiche ambientali, si può ricavare una previsione di capacità che descrive il numero di radio Wi-Fi operanti su canali non sovrapposti (per minimizzare CCI) nella stessa area fisica e necessari per soddisfare i requisiti di throughput di tutti i dispositivi client.

Il tempo di trasmissione richiesta da ciascun dispositivo client si ottiene dividendo la capacità di throughput del dispositivo per il throughput dell’applicazione richiesta. Bisogna fare attenzione ad utilizzare stime realistiche di throughput dei dispositivi, pensate sulla capacità che i dispositivi potranno effettivamente sperimentare su tutta la rete WLAN; bisogna invece evitare di utilizzare come stima i picchi di velocità pensati su ipotetici scenari ideali. La domanda di tempo di trasmissione è quindi la somma delle richieste simultanee di tutti i dispositivi client sulla WLAN, ripartita tra le frequenze di banda. In questo modo è possibile determinare la giusta quantità di access point e radio da distribuire e ottenere una previsione attendibile della capacità richiesta sulla WLAN.

La chiave per prevedere la capacità della rete WLAN è ridurre la media dei tempi di condivisione tra dispositivi client in piccoli gruppi sui canali non sovrapposti, in modo che ogni client possa raggiungere il livello di throughput necessario per un’esperienza utente ottimale. Come illustrato nel grafico sottostante, l’obiettivo è quello di trovare il giusto numero di radio AP che verrà segmentato tra gli utenti in diversi domini di collisione, piuttosto che sovraccaricare i canali radio AP. Il breakout o il rapporto delle radio da 5 GHz a 2,4 GHz è del resto di fondamentale importanza dal momento che i 5 GHz offrono un significativo aumento dei canali e della capacità.

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