Capítulo 3 – ¿Qué hace que una conexión Wi-Fi sea buena?
Bienvenido al tercer capítulo de esta serie. En los capítulos previos aprendimos los términos básicos de las capas físicas y lógicas del Wi-Fi. En este capítulo, aprenderemos cómo se combina todo para tener conexión inalámbrica.
Todos saben que cuando hay “buena señal” el Wi-Fi es bueno, pero de nuevo, todo el mundo se sorprende cuando la conexión a internet es pobre pero sus teléfonos muestran “Señal Excelente”.
Entonces, la verdad que “señal fuerte” no es lo único que importa, pero es lo único que tu teléfono normalmente muestra. ¿Cuáles son los factores que contribuyen a una buena o mala experiencia de Wi-Fi?
Capacidades comunes
La primera cosa que afecta el rendimiento del Wi-Fi son las capacidades de tus dispositivos, la estación y el punto de acceso. Si tienes la última MacBook Pro, que soporta los últimos estándares con MIMO 3×3 y tienes una señal muy fuerte porque estás cerca del punto de acceso, pero tu AP es tan viejo que sólo soporta 802.11n/2.4GHz/1×1, entonces no puedes esperar hacer uso de todas esas especificaciones sofisticadas de tu laptop. Los dispositivos encontrarán el denominador común más bajo y se van a conformar con eso. En este ejemplo, en vez de correr a velocidades de 1Gbps, funcionará a 65Mbps. Esa es una gran diferencia.
Intensidad de señal
La intensidad de la señal es de hecho un factor importante que afecta la calidad de la conexión. Sólo hay una cantidad limitada de energía que los puntos de acceso y los dispositivos tienen permitido usar cuando transmiten (esto varía de acuerdo a las regulaciones locales, pero si lo piensas, no quieres que tu teléfono use la misma cantidad de radiación que tu microondas).
La intensidad de la señal es usualmente conocida como RSSID (Indicador de intensidad de señal recibida) y es medida generalmente en un rango de -15dbm a -90dbm, donde -15 es increíblemente fuerte y -90 es demasiado bajo para trabajar.
Mientras más fuerte es la señal, más lejos va a llegar y mejor será la penetración física de obstáculos cómo paredes y techos. En consecuencia, mientras más fuerte sea la señal que recibe una estación, más alta es la velocidad que se puede lograr (la razón más profunda de esto se va a explicar luego).
Por lo que en general, el tamaño del punto de acceso y lo feo que es no significa que pueda cubrir el patio, ya que de todas formas está limitado por la regulación local.
Para ver la intensidad de señal de las redes y BSSs alrededor tuyo, puedes usar una de tantas apps para Android/iOS que escanean el aire y muestran la potencia de la señal.
Disponibilidad del medio
Cómo se explicó anteriormente, la disponibilidad del medio es un factor crítico que afecta la calidad de la conexión. Si las capacidades del punto de acceso permiten 65 Mbps y tienes dos estaciones mirando Netflix HD a 10 Mbps cada una, entonces sólo te quedan 45 Mbps libres o 69% de disponibilidad aproximadamente.
Esto debería ser bastante fácil de entender, tu tienes el 100% del medio y usas alrededor de 30%, entonces queda libre el 70%.
Pero aquí está el truco, el medio no es solamente tuyo. Cualquiera en tu vecindario que use el mismo medio, por ejemplo las mismas frecuencias, está reduciendo la disponibilidad del medio.
Entonces, si tienes dos vecinos alrededor de tu piso (uno arriba y otro abajo), y desafortunadamente los dos están en el mismo canal y además, tienen dos hijos que están mirando Netflix, ahora tienes 6 estaciones consumiendo 10 Mbps, o un total de 60 Mbps intentando encajar en esos 65 Mbps, lo que es muy ajustado. En la práctica, en esta situación, es muy probable que notes problemas de conexión en esas dos estaciones mirando Netflix, a Netflix probablemente le tome algún tiempo llenar el buffer y eventualmente reduzca la resolución para compensar; en esencia, la experiencia de usuario será pobre.
La disponibilidad del medio se mide por el chip de Wi-Fi y generalmente está disponible a nivel de driver pero no disponible hacia las aplicaciones en los sistemas operativos. Esto es porque no hay aplicaciones móviles que muestran la disponibilidad del medio, sin embargo puede ser útil (hay herramientas específicas para eso, que eventualmente conlleva hardware especializado).
Interferencia
El caso del vecino transmitiendo en tu frecuencia es un claro ejemplo de porqué la disponibilidad del medio es baja y tu experiencia de uso es mala. Sin embargo, otros clientes Wi-Fi no es lo único que reduce la disponibilidad del medio. Cualquier cosa que transmita en esa frecuencia va a interferir en la señal de Wi-Fi. Por ejemplo, Bluetooth utiliza la banda 2.5GHz y lo hace sin respeto por la transmisión Wi-Fi. Por lo que si estás transmitiendo música por Wi-Fi en 2.4GHz desde internet hacia un parlante Bluetooth, es probable que algo del medio esté siendo consumido por Bluetooth y otra parte por Wi-Fi.
Otros ejemplos incluyen (pero no se limitan a) los hornos microondas y dispositivos inalámbricos analógicos, cómo monitores de bebés, cámaras, teléfonos inalámbricos, etc.)
Pero incluso los dispositivos Wi-Fi que funcionan bien pueden causar y sufrir interferencias, por ejemplo el caso de los “nodos ocultos”, lo que significa que un dispositivo puede escuchar parte de otras transmisiones pero no todas, por lo que a veces transmite datos mientras otro dispositivo también está transmitiendo, lo que provoca colisiones en el lado del receptor.
Data rate vs. PHY rate
En esta serie de artículos hemos usado el término simplista “velocidad” para indicar la velocidad de los datos que puedes transmitir o recibir. Ahora vamos a distinguir entre dos parámetros muy distintos que varias veces confunden.
Data rate (velocidad de datos) es la velocidad a la que actualmente transfieres los bits de información a través del aire. Por ejemplo, si estás emitiendo una película de Netflix a 10Mbps desde internet en tu tableta, entonces tu data rate es de alrededor 10Mbps. Esto significa que cada segundo hay 10Mbps de datos que están siendo recibidos por tu tableta desde la interfaz Wi-Fi.
PHY rate (velocidad física) es la velocidad a la que los bits son actualmente enviados. Por ejemplo, en una red veloz el PHY rate puede ser de 800Mbps (p.e. 802.11ac 2×2). En una red más lenta el PHY rate puede ser más lento, digamos 65Mbps (p.e. 802.11n 1×1). El PHY rate está directamente relacionado a la modulación usada en el momento, mientras mejor modulación, mayor será el PHY rate. Es importante destacar que el PHY rate en redes Wi-Fi es muy dinámico y depende de ciertas condiciones (explicadas más adelante).
En el ejemplo de los 10Mbps de Netflix, el data rate es constante, se deriva de los datos que la aplicación quiere enviar y recibir. Pero el PHY rate se deriva desde las condiciones de la red Wi-Fi, cómo expliqué arriba, las capacidades, la calidad de la señal y la interferencia.
Entonces si quieres enviar 10Mbps de datos en un segundo usando un PHY rate más alto, significa que tu transmisor lo hará en poco menos de un segundo y estará libre el resto del tiempo.
Para concretar completamente esta explicación, voy a incluir una analogía visual. Piensa en un tren llevando contenedores con datos. La velocidad del tren es el PHY rate y el número actual de contenedores que han pasado es el data rate. El data rate es entonces relacionado a la persona que carga los contenedores. Si todos los carritos están llenos, entonces el data rate es igual al PHY rate, pero si hay menos contenedores para enviar, algunos carritos estarán libres.
Para mencionar otra analogía, podríamos imaginarnos que tienes una linterna que puedes encender y apagar para transmitir señales de luz a través de una habitación. Esta linterna representa tu punto de acceso Wi-Fi (router) que envía datos a un dispositivo, como un teléfono inteligente.
El PHY rate se refiere a la velocidad máxima a la que la linterna (router) puede parpadear para enviar señales de luz. En otras palabras, es la velocidad máxima teórica de transmisión que la tecnología Wi-Fi utilizada por tu router puede ofrecer. Por ejemplo, si la linterna puede parpadear a una velocidad máxima de 100 parpadeos por segundo, entonces su PHY rate es de 100 parpadeos por segundo. Esta velocidad máxima está influenciada por factores físicos como la frecuencia de radio utilizada (por ejemplo, 2.4 GHz o 5 GHz), la anchura de banda del canal y la tecnología Wi-Fi específica (por ejemplo, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax, etc.).
El Data rate se refiere a la cantidad real de información (datos) que la linterna (router) está transmitiendo en cada parpadeo. Es la velocidad efectiva a la que se transfieren datos desde el router al dispositivo conectado.
Si cada parpadeo de la linterna puede transmitir un mensaje de una letra (A, B, C, etc.), entonces el Data rate real es de una letra por parpadeo. Aunque la linterna tiene una PHY rate de 100 parpadeos por segundo, si está transmitiendo una sola letra por parpadeo, entonces el Data rate es de una letra por segundo.
Con suerte, ahora deberías tener más claro que el PHY rate siempre es mayor que el data rate y que en escenarios modernos con un buen entorno, es en realidad mayor en órdenes de magnitud.
Resumen intermedio – ¿Qué hace que una conexión Wi-Fi sea buena?
- Buenos puntos de acceso que soporten los estándares más altos y MIMO.
- Buenas estaciones que soporten los estándares más altos y MIMO.
- Equipos que soporten doble banda (2.4GHz y 5GHz) tanto estaciones cómo puntos de acceso.
- Ubicar estaciones y puntos de acceso de modo que las estaciones tengan buena intensidad de señal (cobertura).
- El consumo de datos debe ser significativamente menor que la velocidad disponible, es decir, la red no debe estar sobrecargada.
Relación entre los distintos parámetros
Intensidad de señal a PHY rate
Es fácil de comprender que a mayor potencia de señal, exista mejor recepción. Si la señal es demasiado débil, el receptor no puede distinguir la sutil diferencia entre los símbolos y detecta un error. Cuando un receptor detecta un error, descarta el mensaje. Cuando recibe el mensaje correctamente, notifica al transmisor con un mensaje de confirmación (el protocolo para confirmación de frames (tramas) recibidas en Wi-Fi es un poco complejo por lo que no lo vamos a exponer aquí). Cuando el transmisor se da cuenta de que el mensaje no es recibido, intenta nuevamente.
Sin embargo, en vez de intentar lo mismo nuevamente, prueba con una modulación más simple, una que tenga grandes diferencias entre símbolos y por consiguiente pueda ser mejor recibida, aún si la intensidad de la señal es débil. Dicha modulación utilizará un PHY rate más bajo.
Finalmente, luego de enviar suficientes frames, el emisor y el receptor encuentran la modulación disponible más rápida que produce mayores mensajes de confirmación. Hay varios algoritmos y estrategias para implementar este mecanismo y difieren de un fabricante a otro.
El punto central es, si la señal es baja, los dispositivos Wi-Fi reducirán el PHY rate hasta que encuentren algo que funcione. Cuando la intensidad de la señal se incremente, los dispositivos incrementarán el PHY rate gradualmente hasta encontrar el mejor disponible.
En internet se pueden encontrar tablas con la tasa típica de PHY para diferentes intensidades de señal, sin embargo, sólo pueden considerarse estimaciones aproximadas porque la realidad es muy dinámica y varían enormemente de acuerdo a dispositivos específicos.
PHY rate a Intensidad de señal
La intensidad de señal afecta el PHY rate, pero también existe el efecto contrario.
Resulta que con baja potencia se reciben altos PHY rates y la modulación más simple (lenta) que existe resulta en alta intensidad de señal.
No conozco una explicación científica y certera de esto, pero así lo entiendo yo: modulaciones más veloces usan mejor el ancho de banda, con un nivel fijo de energía en la transmisión. Esto significa que extiende su potencia a través del canal de forma igualitaria lo que significa que el pico es más bajo.
En la práctica, la intensidad de señal es/debería ser medida en señales de modulación específica (p.e. “probes” y “beacons” (balizas) generalmente usan la modulación disponible más baja).
Interferencia y PHY rate
Como expliqué anteriormente, cuando un mensaje no es reconocido, el transmisor reenvía con un PHY rate más bajo. Esto puede ser, porque la señal es demasiado débil o de forma simétrica, el nivel de ruido es mayor que la señal y los dos son altos. Una medida usada frecuentemente es SNR o Signal to Noise Ratio, que mide cuán cerca está la señal transmitida de señales indeseadas (ruido). Para que el SNR sea bajo, no importa si la señal es débil o si el ruido es alto. En cualquier caso, va a hacer que algunos mensajes no sean reconocidos y retransmitidos con un PHY rate más bajo. Cuando la interferencia se vuelve demasiado alta para la estación para mantener la conexión con el punto de acceso (no ve beacons), esta debe desconectarse completamente y buscar otra opción.
Data rate vs Medio disponible
Esta es bastante obvia, data rates altos significa usar más medio. Cuando se usa más medio, hay menos disponible para otros.
PHY rate vs Medio disponible
Como se ha explicado anteriormente, cuando el PHY rate es alto, el transmisor tiene tiempo ocioso. Los tiempos ociosos son los momentos en los que el medio está disponible. A partir de esto, es claro que con un data rate fijo y mientras más alto sea el PHY rate, más alta será la disponibilidad del medio.
Cómo ya vimos, la intensidad de la señal y el nivel de ruido afecta el PHY rate, por lo que podemos deducir que mientras mejor sea la señal, mayor será el medio disponible.
En la dirección opuesta, debemos entender que si reducimos el medio disponible (p.e. otra estación que está consumiendo mucho tráfico) el PHY rate no se degradará. El PHY rate permanece alto mientras se transmite, pero el transmisor apenas tiene la oportunidad de transmitir porque la otra estación lo está usando, y así el resultado final puede ser muy pobre.
Lo que es importante destacar es que generalmente las estaciones no miden la disponibilidad del medio, por lo que si estás conectado a una red con poco medio disponible pero buena señal y PHY rate, tu teléfono estará contento pero usar Facebook será una pesadilla.
Por qué menos es mucho menos en redes Wi-Fi
En algunos ejemplos que revisamos, hubo algunos Mbps libres en el canal, pero aún así, teníamos mala experiencia de navegación. Si un video de Youtube usa sólo alrededor de 2Mbps, ¿por qué deberíamos alarmarnos en una situación así?
La respuesta es que en Wi-Fi, mientras más errores ocurren, todo se deteriora más rápido. Considera que pasa si hay muchas estaciones en el canal, todas intentando transmitir a tasas altas. Escucharán e intentarán enviar. Cuando escuchan a una estación, esperan más; eso ya es perder tiempo esperando, porque la transmisión no comienza inmediatamente después de que la otra estación haya terminado. Entonces la eficiencia se reduce.
Ahora considera otro efecto en esa red; la probabilidad de colisiones es más alta (cuando escuchas pero no recibes nada, otra estación hace lo mismo al mismo tiempo, entonces decide enviar también). En este caso, existirán retransmisiones, que reducirán aún más la eficiencia de la red.
Por las retransmisiones, se generarán más peticiones de transmisión, haciendo que las cosas vayan de mal en peor.
Más adelante aún, en un medio tan acotado, es posible que el PHY rate también se degrade por todas esas colisiones (cómo vimos anteriormente, frames sin confirmar reducen el PHY rate).
Realmente, investigaciones muestran que debajo del 20% del medio disponible, el usuario tiene una experiencia notablemente pobre, aún si la señal es “excelente”.
Resumen
Seguramente en este capítulo ahora debes tener una muy buena idea de qué cosas pueden no funcionar bien aunque no exista una razón visible. También tienes una buena idea de las diferencias entre las comunicaciones inalámbricas y cableadas.
Este nivel de entendimiento deberá ser suficiente para comprender una gran parte de los fenómenos que aparecen en las redes Wi-Fi y que son necesarios para armar los sistemas que hacen uso de ellas.
En el próximo capítulo, vamos a discutir una caso especial de redes Wi-Fi, el caso de las redes con múltiples puntos de acceso.