Introducción
El Wi-Fi es uno de los elementos básicos de la era de la información en la que vivimos hoy. Es el medio de conectividad más usados en la mayoría de los hogares. Y a pesar de todo, la mayoría de nosotros no lo entiende.
He pasado dos décadas en la industria de la tecnología y me atrevo a llamarle un experto en redes. Sin embargo, incluso yo, hasta dos años atrás, tenía muy poca idea de qué hace que el Wi-Fi funcione o falle estrepitosamente (en esos casos me conecté de mala gana a vía cable, odiando la idea de que estaba haciendo algo sin entender por qué…)
Sin embargo, en los últimos años tuve la oportunidad de armar la mejor solución Mesh de Wi-Fi en el mundo, asique ahora tengo algo de idea sobre el Wi-Fi y vale la pena compartirlo.
Así que aquí hay una serie de artículos donde comparto lo que sé con la esperanza de que ayude a otros. Los invito a comentar y darme sus comentarios y opiniones y también a hacer preguntas y tal vez crear una discusión.
En estos artículos no intento explicar todo lo relacionado al Wi-Fi y no voy a indagar en los pequeños detalles. Mi intención es enfocarme en las partes de la información que son útiles y significativas en la vida real, y asumo que tú vas a poder encontrar los detalles finos de las normas y protocolos en otros lugares.
Capítulo 1 – Los conceptos básicos del Wi-Fi
Este capítulo comenzará con los conceptos básicos del Wi-Fi y darte algunos antecedentes para entender los próximos capítulos. Se centrará en los aspectos físicos de transmisión, recepción, etc.
¿Qué es el Wi-Fi?
Wi-Fi es el término que la Wi-Fi Alliance eligió para poner en su certificación para la tecnología llamada Wireless LAN (LAN Inalámbrica), o WLAN. Una LAN es una red de área loca, por lo que una LAN inalámbrica es lo mismo pero “sin ligaduras”. Para la mayoría de las personas funciona mágicamente, cómo lo hacen los teléfono celulares. Pero detrás de esa funcionalidad existe un montón de tecnología que ha logrado grandes avances en las últimas dos décadas y se ha vuelto algo en lo que tanto confiamos.
Entonces, ¿Cómo funciona el Wi-Fi?
Cómo la mayoría de las tecnología inalámbricas que usamos, Wi-Fi trabaja codificando la información sobre ondas de RF (radio frecuencia). Esto es similar a las redes celulares con algunas diferencias.
Correr sobre RF significa básicamente que hay una antena que emite y recibe (aka transceptor) las ondas electromagnéticas en una frecuencia y codifica/decodifica la información, respectivamente. Hablando técnicamente, dado que las ondas son señales analógicas, la acción de codificar la información digital dentro de esas señales se llama “modulación”.
Modulación
La modulación puede ser fácilmente comprendida desde un simple ejemplo y desde ahí puedes extenderlo a casos reales.
Digamos que tienes un transceptor de RF desde donde sólo puedes enviar dos tipos de señales: una de alta amplitud y una de baja amplitud. ¿Puedes codificar tu información digital encima? Claro que puedes. Usa la amplitud baja para representar un 0 y la amplitud alta para representar un 1. Ahora necesitas enviar esas señales una detrás de otra a cierta velocidad y el receptor necesita conocer esa velocidad, pero básicamente puedes comunicarte de esta manera. Así es cómo el estándar básico de comunicación inalámbrica es definido, con una modulación muy básica.
Ahora, digamos que nuestro transceptor es más poderoso que eso, entonces es capaz de generar y detectar 1024 señales diferentes. Entonces, ahora en vez de enviar un bit a la vez (un bit = 2 símbolos), podemos enviar un bloque de 10 bits en una señal (10 bits = 1024 símbolos) lo que probablemente toma el mismo tiempo que la señal usada anteriormente. La modulación en el mundo real no sólo juega con la fuerza de la señal sino con la “fase” de la misma, y es el número de combinaciones de amplitud y fase que componen las diferentes señales que componen la modulación.
Y es así cómo trabaja la modulación. Cuánto más poderosos se vuelven los transceptores, más bits caben dentro de la misma señal y el tiempo de cada señal puede ser reducido. Eventualmente, mientras mejor modulación, mayor tasa de bits.
Resumen Intermedio – ¿Cómo funciona el Wi-Fi?
Entonces, para hacer que el Wi-Fi funcione necesitas normas que definan la modulación y otras características físicas (aka PHY). Pero eso no es suficiente para conseguir comunicaciones reales. Para ello, también necesitas un protocolo de enlace (aka Capa2, o L2), que aborde las características específicas del medio. El set de normas IEEE 802.11 define el protocolo de L2 usado en el Wi-Fi. El protocolo L2 define cómo agregar bits en mensajes, cómo hacer corrección de errores, cómo encriptar los bits, etc. y también cómo iniciar una conexión, cómo una estación (p.e. tu teléfono o notebook) encuentra el punto de acceso (p.e. el router) para empezar y cómo se autentican entre ellos.
Medio compartido
Wi-Fi usa RF y eso significa que está usando un “medio compartido”. Piensa en esto cómo si estuvieses gritando en un pasillo. El espacio en el pasillo es un medio compartido del sonido, si gritas el nombre de alguien a través del pasillo, ellos pueden escucharte y entenderte. Pero si alguien más grita otro nombre al mismo tiempo, ninguno de los nombres podrá ser comprendido. Estos eventos se los llama “colisiones”. Cuando una colisión ocurre, probablemente notarás que la otra persona no te responde e intentarás nuevamente.
En esta analogía, mientras más personas intenten llamar a otras personas a través del pasillo, más altas serán las posibilidades de colisión. Y específicamente, mientras más cosas tengan que decir entre ellas, mayor serán las chances de colisión.
Analógicamente, en el Wi-Fi, mientras más estaciones intenten enviar información a través del aire, mayores serán las chances de colisión y, por lo tanto, las chances de obtener ese mensaje en el primer intento, descienden. Con un número fijo de estaciones, mientras mayor es el dato que las estaciones desean enviar, mayor son las chances de colisión.
Para poder comunicarse por un medio compartido, las normas de Wi-Fi requieren que cualquier dispositivo Wi-Fi esté a la escucha en el medio antes de que transmita algo. Si el medio está ocupado (p.e. alguien está transmitiendo), el dispositivo debe esperar y reintentar luego.
Half Duplex
Otra consecuencia del medio compartido es que aplica en ambas direcciones. En términos de comunicación, esto es llamado “Half Duplex”. Half Duplex significa que no puede enviar ni recibir al mismo tiempo, tal como un “walkie talkie”, sólo una estación puede transmitir a la vez.
En el primer estándar de Ethernet, la comunicación era también half duplex, pero ya hemos superado esto. Cuando tienes una conexión cableada Ethernet Gigabit. significa que puedes (en teoría) enviar 1 Gbps (esto es 1 Gigabit por segundo) de datos y al mismo tiempo, recibir 1 Gbps de datos, con un total de 2 Gbps de datos transferidos. En Wi-Fi, sin embargo, cuando tienes 1 Gbps, significa que un dispositivo puede usar 1 Gbps a cualquier tiempo dado, pero otro debe estar en silencio. Entonces, en el mejor de los casos es 1 Gbps.
Tipos de Wi-Fi
Bueno, desafortunadamente, no es tan simple cómo buen Wi-Fi o mal Wi-Fi. Hay algunos tipos y luego hay muchas características diferentes.
Punto de acceso vs. Directo
Casi todo el Wi-Fi que usamos es a través de un punto de acceso. Este modo es llamado “Modo Infraestructura”, porque necesitas una infraestructura de un punto de acceso (aka AP) para que funcione y que cada bit que envías vaya primero hacia el punto de acceso y desde ahí a otra estación. Tu propio teléfono puede ser esa infraestructura si habilitas la función “Hotspot” o “Punto de anclaje móvil”.
En el modo directo (aka Wi-Fi Direct) puedes conectar dos dispositivos directamente uno con otro (e.j. tu teléfono y tv) y entonces puedes comunicarte entre ellos, pero ningún otro dispositivo puede unirse.
Banda
Actualmente, hay dos rangos de frecuencias en que se puede ejecutar el Wi-Fi, los que son llamados “bandas”. La banda 2.4GHz y la banda 5GHz.
La banda de 2.4GHz es compartida por muchos otras normas, tales como el Bluetooth, teléfonos inalámbricos de línea y hornos microondas. Esta es una de las razones por las que se vuelve inutilizable en muchos lugares (como la oficina). Sin embargo, todavía es muy utilizable en muchos otros lugares (como el hogar). La banda 2.4GHz es también bastante estrecha, por lo que no permite grandes velocidades.
La banda de 5GHz sigue siendo bastante libre en todo el mundo pero tiene sus propias deficiencias, como el factor físico de las ondas que son menos poderosas para penetrar obstáculos como paredes y de rango generalmente corto.
Estándares
Existen algunos estándares diferentes que especifican cómo debe funcionar el Wi-Fi, cada uno apareció en un momento diferente y normalmente proporciona una velocidad más rápida. Son en su mayoría compatibles, pero no exactamente…
Es de notar que los estándares formales son definidos por IEEE, que es la organización de estándares. Pero más allá de los estándares, la Wi-Fi Alliance aparece con más especificaciones, que los extienden, con foco en la usabilidad y la interoperabilidad. Los vendedores no tienen que cumplir con la Wi-Fi Alliance, pero si lo hacen obtienen un agradable sticker que dice “Wi-Fi Certified”.
- 802.11a – usa solamente la banda 5GHz y soporta hasta 54Mbps.
- 802.11b – usa solamente la banda 2.4GHz y soporta hasta 11Mbps (sí, más lento que 802.11a).
- 802.11g – usa solamente la banda 2.4GHz y soporta hasta 54Mbps (sí, igual que 802.11a).
- 802.11n – usa ambas bandas de frecuencia y soporta hasta alrededor de 300Mbps y más, en teoría. En enero de 2018, la mayoría de los dispositivos (tanto APs cómo estaciones) admiten al menos 802.11n.
- 802.11ac – solamente usa la banda 5GHz y auténticamente soporta velocidades de 800Mbps con teléfonos normales y más allá de 1Gbps en dispositivos más avanzados cómo puntos de accesos o algunas notebooks. A partir de enero de 2018, prácticamente todos los teléfonos inteligentes lanzados soportan 802.11ac en varios niveles de compatibilidad y los proveedores de todo el mundo están en proceso de actualizar los puntos de acceso de los suscriptores (cómo puertas de enlace hogareñas) a otros que admitan 802.11ac.
- 802.11ax – el estándar futuro, el cual no ha sido desarrollado aún pero es en lo que está trabajando la industria hoy en día. 802.11ax soportará velocidades más altas y trabajaría más eficientemente por lo que esas velocidades serían más prácticas que teóricas
MIMO
Multiple Input Multiple Output (MIMO) es una característica también usada en otros estándares de RF (cómo LTE). Significa que no sólo existe un transceptor en cada dispositivo, sino potencialmente varios. A MIMO de 2×2 significa que hay dos antenas recibiendo y dos antenas transmitiendo (más allá de que no las veas).
Estás antenas trabajan en paralelo así una estación puede enviar y recibir al mismo tiempo en 2 o más antenas, literalmente multiplicando la tasa de bits que pueden alcanzar.
MIMO también puede ser usado para mejorar la calidad de la transmisión, en vez de mejorar la velocidad. Por ejemplo, si ambas antenas envían el mismo flujo de datos al mismo tiempo, entonces uno de ellos tiene el doble de probabilidades de tener éxito que si sólo lo envía una vez.
Quizá te preguntes cómo es posible que se envíen múltiples flujos de datos por el aire, el cual es un medio compartido cómo te he explicado anteriormente. Bueno, resulta que los físicos e ingenieros eléctricos que idearon estas técnicas, son capaces de sobrepasar esta limitación bajo ciertas condiciones y este artículo no va a explicar cómo es exactamente.
A partir de enero de 2018, todos los teléfonos móviles emblemáticos tienen MIMO 2×2, otros de gama baja sólo tienen 1×1 o un mix entre 1×1 para 5GHz y 2×2 para 2.4GHz, etc., las notebooks Macbook Pro tienen 3×3 MIMO, pero no es usual.
De lado de los APs, 3×3 y 4×4 son más comunes y mucho APs hogareños ya son 3×3 y ahora pasan a 4×4.
Canales
Los estándares de Wi-Fi definen ciertas frecuencias cómo canales acordados para ser usados en las redes Wi-Fi. El hecho de que los canales sean definidos, significa que:
Hay más de una frecuencia que puede ser usada en cada banda.
Los dispositivos Wi-Fi no puede solamente elegir una frecuencia y usarla, tienen que elegir uno de un conjunto discreto de canales.
En la banda de 2.4GHz hay solamente 14 canales (el canal 1 sólo permito en japon), pero sólo 1,6,11 y 14 no se superponen. Cuando se usan canales superpuestos, una estación no puede detectar otra estación que está transmitiendo -en el canal superpuesto- lo que significa que tratará de enviar sus propios mensajes, lo que llevará a una interferencia. Hay situaciones donde el uso de canales superpuestos es preferible a las alternativas, pero generalmente, el hecho de que haya más canales no incrementa significativamente el ancho de banda disponible en el medio Wi-Fi si esos canales se solapan, mientras que canales que no se superponen son como un medio completamente nuevo, que proporciona un nuevo ancho de banda.
En la banda de 5GHz hay más canales pero tienen sus propios problemas, algunos requieren mecanismos especiales al compartir frecuencias con radares (aka DFS), lo que algunas veces limita los dispositivos que pueden usarlas e incrementa la complejidad y el consumo de energía cuando son usadas.
Ancho de canal
El significado del canal es que la señal se modula alrededor de esa frecuencia como centro de la señal. El ancho de la señal que se utiliza está determinado por un parámetro adicional llamado ancho de canal.
Cuando más ancho sea el canal, más datos pueden ser modulados dentro de él.
El primer estándar de Wi-Fi usó un ancho de banda de 20MHz, luego el de 40MHz fue agregado y el último estándar soporta 80MHz e incluso 160MHz.
El incremento teóricamente es lineal (p.e. usando 80MHz en teoría provee exactamente el doble de ancho de banda de los canales de 40MHz). Sin embargo, en la práctica, mientras más ancho sea el canal, más interferencias entran en el receptor y por esto en las condiciones del mundo real, el crecimiento es ligeramente menor que la teoría lineal.
Resumen
Este post explica los términos básicos del Wi-Fi y cómo funciona. A este punto ya debes saber que dispositivos inalámbricos son mejores que otros de acuerdo a sus especificaciones. Pero hasta aquí, aún no hemos explicado por qué las cosas a veces funcionan y otras no, más allá de si el equipo es bueno.
En el post que sigue nos enfocaremos en la calidad de experiencia del Wi-Fi y que lo hace mejor o peor en condiciones reales.
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