Alcance de Redes WiFi

Redes locales 1 Ejercicio 10. Redes mixtas integradas.

CONTENIDOS

TEORÍA

EJERCICIO PRÁCTICO

Alcance de redes WiFi.

Hablar de alcance, involucra muchos factores a tener en cuenta…, antenas, equipos, distancias, velocidades, modulación, tecnología, situación atmosférica, obstáculos, etc.Resumiendo (y para dar una definición sencilla), podemos decir que el alcance, es la distancia física y lineal entre dos puntos, que permite una conexión o comunicación inalámbrica posible.Pero también sabemos que la propagación, debido a la forma de onda (en el espectro radioeléctrico), en las señales wireless no es lineal, sino que presenta diferentes tipos en función de las antenas empleadas.Para entender mejor esto, hay que imaginarse una comunicación entre 2 antenas direccionales A y B, en la que quizás su alcance entre si sea de varios kilómetros, pero al agregar un tercer punto C y manteniendo los mismos equipos, esta comunicación puede no ser posible. Por lo tanto, aunque el alcance de una antena depende también de factores como los obstáculos o las interferencias (y no sólo de la distancia), lo que se suele hacer, es realizar el cálculo suponiendo condiciones ideales, y posteriormente, estimar las pérdidas adicionales por falta de dichas condiciones.

Si bien hoy existen varios estándares de modulación (802.11 a-b-g-n, 802.16, etc), y siguiendo con el anterior artículo de WiFi, nos vamos a centrar en el cálculo teórico básico para establecer distancias y alcances entre 2 puntos en función de la frecuencia. Más allá de que en un uso normal, lo usual es que la distancia entre 2 puntos sea un máximo de 200 mts, se han conseguido enlaces de hasta 382 kms, también es obvio que debido a las tecnologías empleadas, WiMax logrará mejores velocidades que WiFi o Max-Fi, por eso es que haremos cálculos sobre condiciones ideales, más allá de la modulación empleada luego en la práctica.

Fuente: www.wificlub.org

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Nos centraremos en 3 puntos.Pérdida de propagación, ganancias y pérdidas y relación señal-ruido.

Pérdida de propagación:

La pérdida de propagación se define como la cantidad de señal necesaria para llegar de un extremo de la conexión inalámbrica al otro. O sea, la cantidad de señal que se pierde al atravesar un espacio entre ambos puntos de referencia.Las señales electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz, incluso tienen la capacidad de traspasar paredes, techos,puertas o cualquier obstáculo (teóricamente claro, y en función de la frecuencia utilizada). También, debido al fenómeno conocido como difracción, las señales electromagnéticas pueden pasar por pequeños agujeros. De cualquier manera, unos obstáculos, son más fáciles de sortear que otros.

Hacer cálculos teóricos del alcance de una señal considerando todos los posibles obstáculos, resulta muy complicado…, teniendo en cuenta la finalidad a la que se dedican estos cálculos, que en este caso, sería para nosotros mismos, lo ideal sería hacer los cálculos en espacio abierto sin obstáculos. Si se necesitan cálculos mas exactos, se puede ir a la fórmula de pérdida de propagación de Egli.

En un espacio sin obstáculos, la perdida de propagación, se puede calcular con la siguiente formula:

Pp = 20log10(d/1000) + 20log10(f*1000) + 32,4

Donde Pp indica la pérdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en metros y f es la frecuencia en GHz.EL valor de la frecuencia depende del canal en el que se tenga configurado el equipo.


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La constante 32,4 que en realidad es 32,45 es fija y no debe confundirse con 94.

La fórmula también se puede resumir como:

Pp = 20log10(d) + 20log10(f) + 32,4

Pero en este caso, Pp indica la pérdida de propagación en decibelios (dB), d es la distancia en kilómetros y f es la frecuencia en MHz.

Si queremos hacer cálculos aproximados para nuestras experiencias en WiFi, debemos considerar la frecuencia de 2,4GHz (2400MHz). En esta caso la formula quedaría resumida en la siguiente:

Pp = 20log10(d/1000) +100

Donde Pp indica la pérdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en metros.

O también:

Pp = 20log10(d) +100

Donde Pp indica la pérdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en kilómetros.

Recordemos las fecuencias asignadas para cada canal en la norma 802.11 B y G.

Relación de frecuencias y canales para 802.11 B-G.

Canal Frecuencia (GHz)1 2,4122 2,4173 2,4224 2,4275 2,4326 2,4377 2,4428 2,4479 2,452

10 2,45711 2,46212 2,46713 2,47214 2,484

A modo de ejemplo, para la frecuencia de 2,4GHz, vemos que la pérdida de propagación en 100 metros es de 80db.

Pero si pensamos en canales, para el canal 1 sería de 80.05db y para el canal 14 seria 80.3, como verán, basta con asignar el estándar de 2400MHz.



Si no tienen calculadora a mano, o no tienen ganas de ponerse a apretar teclas, prueben con el siguiente formulario, y podrán comprobar que el canal no es determinante, ya que hay muy poca diferencia de frecuencia.

Resumiendo, observen que la diferencia es mínima, por lo tanto se puede usar:

Pp = 20log10(d) +100

Donde Pp indica la pérdida de propagación en decibelios (dB) y d es la distancia en kilómetros.

Pérdidas y ganancias:

Además de las pérdidas de propagación, en una instalación wireless no debemos olvidar que hay distintos equipos que generan pérdidas o aportan ganancia a la señal.En el cálculo teórico del alcance de un transmisión, nos basamos en la suma de los factores de la instalación que aportan ganancias y en la resta de los que producen pérdidas.Al final, obtendremos un nivel de señal, que este nivel de señal sea suficiente para una buena recepción, también depende del equipo receptor. Por lo tanto, cabe recordar que hay que calcular el proceso inverso, o sea, las comunicaciones wireless son siempre bidireccionales y los datos técnicos para cada equipo son diferentes si están emitiendo o recibiendo. Es decir, un cliente (por ejemplo una tarjeta wireless) puede trasmitir datos a un punto de acceso y este no recibirlos, y al contrario, puede ser que el punto de acceso puede trasmitir datos a un cliente (tarjeta wireless) y este sí recibirlos. De esta manera, hay que hacer una doble comparación y un doble cálculo, ya que las ganancias de emisión y recepción pueden no ser las mismas.

Las antenas y los amplificadores wireless añaden ganancias al igual que las tarjetas y los puntos de acceso, pero los conectores y los cables añaden pérdidas.Hay fabricantes que especifican la pérdida (en dbi), de sus pigtails, cables, conectores y componentes, pero la mayoría no. En el caso de los pigtails no se refieren a todo el conjunto, sino solo al cable.

En el caso de los cables podemos esta tabla:

Especificaciones de perdidas según el tipo de cable

Tipo de cable Perdida 802.11b/g (2.4GHz) dB/1mLMR-100 1.3 dB por metroLMR-195 0.62 dB por metroLMR-200 0.542 dB por metroLMR-240 0.415 dB por metroLMR-300 0.34 dB por metroLMR-400 0.217 dB por metroLMR-500 0.18 dB por metroLMR-600 0.142 dB por metroLMR-900 0.096 dB por metroLMR-1200 0.073 dB por metroLMR-1700 0.055 dB por metroRG-58 1.056 dB por metro



RG-8X 0.758 dB por metroRG-213/214 0.499dB por metro9913 0.253 dB por metro3/8″ LDF 0.194 dB por metro1/2″ LDF 0.128 dB por metro7/8″ LDF 0.075 dB por metro1 1/4″ LDF 0.056 dB por metro1 5/” LDF 0.046 dB por metro

Si hablamos de conectores, como es difícil saber con que calidad esta fabricado, se puede considerar un perdida de 0.5dB por cada conexión. Aclaramos que cuando hablamos de conexión hablamos de 2 conectores, es decir el macho y la hembra y no hace falta estimar esa doble pérdida. O sea, el conector en si no produce una pérdida significativa, a no ser que este defectuoso, la pérdida viene dada por su ensamblado al cable, ésta es difícil de valorar, y mas si el pigtail lo hemos construido nosotros mismos.

En los conectores no sólo es importante la pérdida en el ensamblado con el cable, sino la pérdida de inserción que corresponde al unir los dos conectores.Con el pasar de los días, y el desgaste debido a los elementos, esta pérdida puede ser bastante considerable si hacemos un mal uso de la conexión.

Por lo tanto cuando obtenemos los datos técnicos de una tarjeta wireless, si incorpora conector externo, sea el que sea, le tendremos que añadir una pérdida de 0.5dB y lógicamente sumarle la ganancia de la antena que se le incorpore. Esto se debe a que el fabricante no considera todo el producto en su conjunto tal como lo vende, sino que toma como referencia la parte principal es decir (sin la antena).

Si se desea tener en cuenta las condiciones ambientales, se puede estimar unas perdidas adicionales de 20dB.


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Por lo tanto tendremos que el nivel de señal (Sr) que recibe un equipo receptor enviada por un equipo transmisor sería:

Sr = Gse – Pce – Pae + Gae – Pp + Gar – Pcr – Par – Pa

Por supuesto todos los valores en dB. Ya que en todos los casos se habla de ganancias y de pérdidas.

En el caso de sólo conocer las potencia de salida, más adelante veremos de convertirlas a ganancia.

Sr = Nivel de señal que le llega al equipo receptor. Siempre sera negativo (dB).

Gse = Ganancia de salida del equipo transmisor. Es la potencia en dB con la que sale la señal de equipo transmisor. Muchas veces escucharemos hablar de potencia de emisión, pero si estamos hablando de decibelios (dB) esto es un error. Si hablamos de potencia tiene que ser en Watts (W), que serán los datos que la mayoría de fabricantes nos muestran, pero que cometen el error de llamarlo ganancia de salida. Posteriormente veremos como hacer la conversión de (Potencia emisión en Watts a Ganancia de salida en dB).

Gae = Ganancia de la antena del equipo transmisor.

Pce = Pérdida de cables del equipo transmisor ( en el caso que usemos un pigtail y una antena externa)

Pae = Pérdida de conectores del equipo transmisor. Si es una tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta pérdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gse sin tener en cuenta la pérdida en la inserción con la antena externa. También es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos.

Pp = Perdida de propagación, que ya vimos como calcular.

Gar = Ganancia de la antena del equipo receptor.

Pce = Pérdida cables equipo receptor (en el caso de usar un pigtail y una antena externa)

Par = Pérdida de conectores del equipo receptor. De nuevo decimos que, si es un tarjeta PCMCIA o USB sin conector externo será cero, en todos lo demás casos y aunque no se tenga un pigtail para conectar a la antena, esta pérdida debe ser considerada porque el fabricante solo determina la Gsr sin tener en cuenta la perdida en la inserción con la antena externa. También es aplicable a los puntos de acceso y routers inalámbricos.

Pa = Pérdidas adicionales debido a las condiciones ambientales.

Dependiendo de las características del equipo receptor, este nivel de señal puede ser suficiente para una u otra velocidad de transmisión o para no hacer posible la comunicación.

Esto se debe a que la sensibilidad de un equipo wireless, es bien diferente para cada velocidad de comunicación, lo cual es algo normal.



Importante: Hay que recordar de hacer el proceso a la inversa, es decir, si partimos de la base que el transmisor es nuestra tarjeta wireless y el punto de acceso el receptor, tenemos que invertirlo, es decir que si son comunicaciones bidireccionales y la definición transmisor-receptor es bastante ambigua, se debe considerar al punto de acceso como receptor y al receptor como la tarjetas wireless.

Como ya vimos anteriormente, muchos fabricantes no mencionan los valores de ganancia de salida (dB) sino que la definen como potencia de emisión.

Gse = 10*log(Pe *1000)

Donde Pe es la potencia de emisión, expresada en watts.

O que es lo mismo;

Gse = 10*log(Pem)

Donde Pem es la potencia de emisión, pero expresada en miliwatts.

Por ejemplo para 30-32mW que suele ser lo mas normal tendremos 14.77dB pero suelen especificar 15dB.

Casos mas atípicos suelen tener 50mW, que corresponde a 17db, incluso algunas 70-80mW que corresponde a 19dB.

Comprobaciones

Una vez que hemos calculado el valor de Sr solo hay que compararlo con los valores de sensibilidad mostrados en las características de los quipos y recodar que la información de los catálogos es vinculante. Aunque siempre se tiene la excusa de: “si, pero solo bajo ciertas situaciones ideales del entorno”. Recordemos que estamos tratando con valores negativos.

Así que lo que tenemos que hacer antes de elegir un producto es contemplar todos estos valores, y averiguar todos los valores que necesitemos para hacer los cálculos. Por que no muchos comprueban estos datos y es importante hacerlo y siempre nos limitamos a preguntar que equipos podemos usar, y nadie tiene todas la respuestas.

Los valores de los equipos suelen ser diferentes respecto al estándar utilizado, es decir no serán los mismos los valores de sensibilidad respecto a 802.11a, 802.11b, 802.11g y el nuevo estándar mimo 802.11n.

Como el mas usado es el 802.11b/g a la frecuencia que todos sabemos, es importante observar los valores para cada velocidad y veremos como estos cambian. Menos velocidad más alcance de comunicación wireless, y lo mismo para la inyección de tráfico si se pretende realizar una recuperación de claves válidas para tu propia instalación.Esto no solo es aplicable a la sensibilidad sino también a la ganancia de salida.

También es muy importante observar las potencias máximas autorizadas para cada país o región. Ya que esta legalidad, determina los estandares de exposición a radiaciones no ionizantes, como el correcto desempeño de sistemas adyacentes. Aquí en Uruguay la URSEC acaba de analizar un estudio acerca de esto.



Relación señal ruido (SNR):

Es la proporción de señal respecto al ruido. Es el valor que normalmente sale en rojo en el Netstumbler cuando estamos realizando un análisis grafico de cobertura de nuestas instalaciones.

Idealmente debe de ser 100db, pero el problema se deriva cuando esto no es así. Llegados a este punto, hay que considerar las posibles interferencias, tales como microondas, ascensores, baby-calls, teléfonos inalámbricos, otras redes inalámbricas y todo tipo de equipos eléctricos que emitan en la misma frecuencia del estándar 802.11b/g, (algo casi imposible de controlar). Recordemos que partimos de una condiciones teóricas de cálculo ideales, y que posteriormentele añadimos unas pérdidas estimativas. Calcular el valor exacto del nivel de ruido es bastante complicado. Lo que si es importante, es que sean detectados a través de herramientas de análisis de cobertura de instalación y ser eliminados al máximo.


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Ejercicio práctico

La separación entre un punto de acceso y un portátil es de un kilómetro y necesitamos saber si el alcance teórico será posible.

Usaremos la tarjeta Mini-PCI que hemos visto anteriormente.

Adaptador Mini-PCI Atheros 400mw 2.4 GHz (Ubiquiti Networks SR2)

Radio Output Power 400mW (26dBm) 1-24 Mbps251mW (24dBm) 36 Mbps159mW (22dbm) 48 Mbps126mW (21dBm) 54 Mbps

Sensitivity @FER=0.08 1 Mbps -97 dBm2 Mbps -96 dBm

5.5 Mbps -95 dBm6 Mbps -94 dBm9 Mbps -93 dBm

11 Mbps -92 dBm12 Mbps -91 dBm18 Mbps -90 dBm24 Mbps -86 dBm36 Mbps -83 dBm48 Mbps -77 dBm54 Mbps -74 dBm



Y haremos los cálculos para la velocidad mínima de 54Mbps:

400mW (26dBm) 1-24 Mbps

1 Mbps -97 dBm

Supongamos que hemos hecho una modificación a nuestro portátil y le hemos colocado un pigtail con salida de conector RP-SMA Hembra para colocar una antena externa.

Ver modificación portátil

Y que dicha antena tiene 5dB de ganancia (Gae)

Por otro lado tenemos este punto de acceso:

Lobo 908: AP 100mW 2.4 y 5 Ghz



En su descripción podemos ver que dice:

Sensibilidad de -94 dBm y una potencia regulable hasta los 200 mW y un sistema de emisión en diversity (multipolar opcional), el Lobo 908 facilita las conexiones en lugares donde otros dispositivos no tienen cobertura suficiente.

Como no hay mas datos suponemos que el valor de sensibilidad viene aplicado a la velocidad mínima es decir a 1Mbps. La potencia es ajustable a 200mW. Además le vamos a añadir una antena de 21dB (Gar).

Pensar que es un ejercicio practico y que los casos son hipotéticos, nunca recomendaría usar para instalaciones personales, equipos tan brutales desde el punto de vista wireless para colocar en nuestras casas, pero si para grandes extensiones donde el acceso mediante redes cableadas no es posible y si sobre todo a nivel profesional, aunque si digo la verdad, ya me gustaría tener un conjunto de estos dispositivos.

Respecto a los latiguillos para el portátil usaremos el LMR-200 (perdida de 0.542dB por metro) y una distancia de 20 centímetros (0.2 metros).

La conexión entre punto de acceso y antena parabólica lo haremos con el LMR-400 (perdida de 0.217dB por metro) y la distancia serán 10 metros.



SOLUCIÓN AL EJERCICIO

Pensar que es un ejercicio practico y que los casos son hipotéticos, nunca recomendaría usar para instalaciones personales, equipos tan brutales desde el punto de vista wireless para colocar en nuestras casas, pero si para grandes extensiones donde el acceso mediante redes cableadas no es posible y si sobre todo a nivel profesional, aunque si digo la verdad, ya me gustaría tener un conjunto de estos dispositivos.

Respecto a los latiguillos para el portátil usaremos el LMR-200 (perdida de 0.542dB por metro) y una distancia de 20 centímetros (0.2 metros).

La conexión entre punto de acceso y antena parabólica lo haremos con el LMR-400 (perdida de 0.217dB por metro) y la distancia serán 10 metros.

La separación entre punto de acceso y el portátil es de un kilómetro y necesitamos saber si el alcance teórico será posible.

Primero definiremos al equipo transmisor con el conjunto formado por el portátil y receptor a la antena parabólica y el punto de acceso.

Calculamos las perdidas de propagación:

Pp = 20log10(1) +100

Pp = 100 dB

Calculamos las perdidas de los cables:

0.542 * 0.2 + 0.217 * 10 = 2.28 dB (Pce + Pcr )

Tenemos 4 puntos de inserción de conectores. Tarjeta Mini-PCI a pigtail, pigtail a antena externa del portátil, antena parabólica a pigtail y pigtail a punto de acceso. 4 * 0.5 db = 2 db (Pae + Par)

Perdidas adiciónales = 20 db (Pa)

Sr = Gse - Pce - Pae + Gae - Pp + Gar - Pcr - Par - Pa

Sr = Gse + Gae + Gar - (Pce + Pcr) - (Pae + Par) - Pp - Pa

Recordamos:

Sr = Nivel de señal que le llega al equipo receptor. Siempre será negativo (dB).

Gse = Ganancia de salida del equipo transmisor.



Gae = Ganancia de la antena del equipo transmisor.

Pce = Perdida cables equipo transmisor.

Pae = Pérdida conectores equipo transmisor.

Pp = Perdida de propagación, que ya sabemos como calcular.

Gar = Ganancia de la antena del equipo receptor.

Pce = Perdida cables equipo receptor

Par = Perdida conectores equipo receptor.

Pa = Perdidas adicionales debido a las condiciones ambientales.

Añadimos los valore reales y tenemos:

Sr = Gse + 5 + 21 - 2.28 - 2 - 100 - 20

Sr = Gse + 5 + 21 - 2.28 - 2 - 100 - 20

Sr = Gse - 98.28

Tambien sabemos que Gse (400mW-26dBm), si solo nos dicen la potencia de emisión, recordar de usar la formula;

Gse = 10*log(Pem) = 10 *log(400) = 26.02dB

Sr = Gse - 98.28

Sr = 26.02 - 98.28

Sr = - 72.26

El punto de acceso tiene una sensibilidad de -94 dBm, es decir una diferencia de -72.26dB - (-94 dBm) = 21.74dB mayor de lo que se necesita para mantener la conexión. Un margen muy superior al que comentaba al principio de 6db.

Si hacemos los cálculos partiendo de la base que el equipo trasmisor será el punto de acceso y el portátil como receptor, tendríamos que:

Las perdidas serán siempre las mismas, tanto en una dirección como en otra, por lo tanto:

Sr = Gse - 98.28

Ahora como Gse corresponde al punto de acceso y este era de 200mW,



Gse = 10*log(Pem) = 10 *log(200) = 23.01dB

Sr = 23.01 - 98.28

Sr = - 75.27

La tarjeta del portátil tiene una sensibilidad de -97 dBm, es decir una diferencia de -75.27dB - (-97 dBm) = 21.73dB mayor de lo que se necesita para mantener la conexión. Un margen muy superior al que comentaba al principio de 6db.

Los valores casi coinciden pero ha sido pura casualidad. La Gse del punto de acceso es menor a la del portátil (le separan 400-200 = 200mW) pero la sensibilidad de la tarjeta es mayor que la del punto de acceso al poder trabajar con niveles mas bajos de señal, y esa diferencia de mW convertidos a dB es la diferencia casi exacta entre las sensibilidades de los dos equipos. Pensar que se trabaja con logaritmos y exponenciales por lo que 3dB parecen ser pocos pero realmente no lo son. Solo hay que probar nuestras tarjetas con una simple antena de 2dB o una de 5 dB y veréis la diferencia. O usar 10 metros de cable del tipo RG58 donde se tienen unas pérdidas de 11dB para esa distancia, en ese caso una buena antena de 12db quedaría casi completamente anulada y no digamos una de 5db.


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