Canales Agregados ( Channel Aggregation )

El estándar 802.11n mejora el throughput de un canal de 20 MHz aumentando el número de subportadoras de datos hasta 52 (cada canal OFDM de 20 MHz tiene 48 subportadoras para transportar datos en paralelo). 802.11n permite doblar un canal de 20 MHz hasta 40 MHz permitiendo lograr el doble de throughput. Los canales agregados deben ser siempre dos canales adyacentes de 20 MHz, por ejemplo para formar un canal de 40 MHZ este puede ser formado por los canales 36 y 40 de la banda de 5 GHz. 

En la siguiente figura se muestra la formación de un canal de 40 MHz (Canales 36 y 40). Nótese que cada canal de 20 MHz tiene una separación entre canales. Cuando dos canales de 20 MHz son unidos los espacios son mantenidos para separar el canal de 40 MHz de los otros canales. Sin embargo el espacio utilizado entre los dos canales de 20 MHz pueden ser usados para adicionar subportadoras en el canal de 40 MHz, entregando un total de 108. A mayor número de subportadoras más datos pueden ser transportados por el canal.

Cuando se utilizan los canales agregados el número de canales disponibles sin sobrelaparse en la banda de 5 GHz disminuye desde 23 canales hasta solo 11 canales.

En la banda de 2.4 GHz, en donde existen solamente 3 canales que no se sobrelapan no es practico ni recomendado realizar agregación de canales.

Estándares 802.11 de la Banda de 5 GHz - 802.11n

El estándar 802.11n fue publicado en el 2009 como un esfuerzo para permitir escalar las redes Wireless a un rendimiento teórico de 600 Mbps. el estándar define una técnica conocida como "high throughput" (HT) que puede ser aplicada a las bandas de 2.4 GHz o 5 GHz. 802.11n fue diseñada para ser compatible con 802.11b, 802.11g y 802.11a.

Antes de 802.11n, los dispositivos Wireless usaban un simple transmisor y receptor. En otras palabras los componentes formaban una sola señal de radio, dando como resultado una simple "radio chain". También esto es conocido como sistema "single-in, single-out" (SISO).

Los dispositivos 802.11n pueden tener múltiples antenas transmisoras y receptoras (formando múltiples radio chain). Esto es conocido como sistema "multiple-input, multiple-output (MIMO).

Los dispositivos 802.11n son caracterizados de acuerdo al número de radio chains disponibles. Esto es descrito de la forma TxR, donde T es el número de transmisores y R el número de receptores. Ejemplo; un dispositivo 2x2 MIMO tiene dos transmisores y dos receptores, un dispositivo 2x3 MIMO  tiene dos transmisores y tres receptores. El estándar 802.11n requiere que al menos existan dos radio chains (2x2) hasta un máximo de cuatro (4x4).

La siguiente figura compara el dispositivo tradicional  1x1 SISO con dispositivos 2x2 y 2x3 MIMO.

Múltiples radio chains pueden ser logradas de una variedad de formas. 802.11 tiene un conjunto de servicios que pueden hacer en muchos aspectos una comunicación Wireless más eficiente.

Los siguientes servicios pueden mejorar el “throughput” de la red inalámbrica;

·         Channel aggregation

·         Spatial multiplexing (SM)

·         MAC layer efficiency

Los siguientes servicios permiten mejorar la confiabilidad de las señales de RF 802.11n.

·         Transmit beam forming (T×BF)

·         Maximal-ratio combining (MRC)

Estándares 802.11 de la Banda de 5 GHz - 802.11a

802.11a

Ambos 802.11b y 802.11g comparten un mismo problema; conviven en la banda ISM de 2.4 GHz. 802.11a utiliza las bandas U-NII de 5 GHz para redes Wireless. Solamente una de las cuatro bandas U-NII es asignada como ISM, por lo tanto,  la probabilidad que se produzca interferencia en esta banda es muy baja. En resumen existen muchos más canales disponibles para su uso. 802.11a restringe a los dispositivos  a utilizar OFDM solamente. El resultado final es un conjunto de técnicas de modulación y tasas de datos que son idénticas a las utilizadas por 802.11g, pero con menor probabilidad de interferencia y con más espacio para crecer. A continuación se muestran las tasas de datos disponibles para 802.11a.

Banda       Tipo de Transmisión     Modulación        Tasa de datos

5 GHz             OFDM              BPSK 1/2             6 Mbps

 BPSK 3/4             9 Mbps

 QPSK 1/2            12 Mbps

 QPSK 3/4            18 Mbps

16-QAM 1/2           24 Mbps

16-QAM 3/4           36 Mbps

64-QAM 2/3           48 Mbps

64-QAM 3/4           54 Mbps

802.11a no fue diseñada para ser compatible con ningún otro estándar, por lo tanto no necesita soportar tasa de menores a 6 Mbps o soportar DSSS.

802.11a está basado en canales OFDM de 20 MHz de ancho. Aun cuando las bandas U-NII tienen canales separados en 20 MHz las señales entre canales adyacentes pueden tener una pequeña cantidad de sobrelapamiento, por lo tanto se recomienda a transmisores que se encuentran en la misma área geográfica ser separados en un canal. Ejemplo, si un transmisor utilizara el canal 36 el otro debería usar el canal 44 y no el canal adyacente 40. 

Estándares 802.11 de la Banda de 2,4 GHz - CCNA Wireless

802.11

Estándar original ratificado en 1997.solamente transmite en FHSS y DSSS en la banda de 2.4 GHz con tasas de datos de 1 y 2 Mbps.

Banda       Tipo de Transmisión     Modulación       Tasa de datos

2.4 GHz           FHSS                  —                1, 2 Mbps

                  DSSS                DBPSK               1 Mbps

   DQPSK               2 Mbps

802.11b

Fue introducido en 1999. Ofrece tasas de datos de 5.5 y 11 Mbps a través del uso de “Complementary Code Keying” (CCK). Debido a que 802.11b está basado en DSSS y se utiliza en la banda de 2.4 GHz es compatible con el estándar original, por lo tanto los dispositivos pueden seleccionar tasas de 1, 2, 5.5 o 11 Mbps simplemente cambiando la modulación y las técnicas de codificación.

Banda       Tipo de Transmisión     Modulación       Tasa de datos

2.4 GHz           DSSS                 CCK             5.5, 11 Mbps

802.11g

Fue introducido en 2003 y se basa en OFDM.

Banda       Tipo de Transmisión     Modulación       Tasa de datos

2.4 GHz           ERP-OFDM          BPSK 1/2             6 Mbps

 BPSK 3/4             9 Mbps

 QPSK 1/2            12 Mbps

 QPSK 3/4            18 Mbps

16-QAM 1/2           24 Mbps

16-QAM 3/4           36 Mbps

64-QAM 2/3           48 Mbps

64-QAM 3/4           54 Mbps

Seleccionando una de las 8 técnicas de modulación los dispositivos Wireless pueden elegir entre tasas de datos de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 o 54 Mbps. Las altas tasas pueden ser usadas cuando existe una fuerte señal y una tasa de señal ruido (SNR) optima.

Los estándares 802.11g y 802.11b utilizan tipos de transmisión completamente diferentes (OFDM – DSSS) esto significa que los dispositivos 802.11g y 802.11b no pueden comunicarse directamente entre si debido a que no pueden entender el otro tipo de señales de RF.

Debido a que 802.11g fue diseñado para ser compatible con 802.11b, los dispositivos usando 802.11g y OFDM son capaces de bajar y entender los mensajes DSSS de 802.11b. Sin embargo, al contrario no es posible, los dispositivos 802.11b están limitados a DSSS y no son capaces de entender los datos  OFDM.

Cuando dos dispositivos 802.11g se están comunicando con OFDM, los equipos 802.11b no pueden entender la comunicación y pueden interrumpirla con su propia transmisión.

Para permitir que los dispositivos OFDM y DSSS puedan coexistir en una misma Wireless LAN, 802.11g ofrece un mecanismo de protección. La idea es que cada transmisión 802.11g OFDM la precedan unos “flags” DSSS que permita que los equipos 802.11b pueden entenderla.

Cuando un dispositivo está listo para transmitir datos en el modo protegido, este primero envía un mensaje “Request to Send” (RTS) y un “Clear to Send” (CTS) usando DSSS (a bajas tasas de datos) informando a todos los dispositivos 802.11b que una transmisión OFDM vendrá a continuación. Cualquier equipo 802.11b que este escuchando deberá esperar un tiempo predefinido hasta que la transmisión este completa.

El modo protección es forzado si un dispositivo 802.11b es detectado en la Wireless LAN. Si este equipo sale de la red local, el modo protegido se suprime. Cuando este mecanismo de protección es habilitado para que los dispositivos 802.11b y 802.11g compartan el medio, también se reduce significativamente a un tercio, a la mitad o menos el “troughput” de la red. Para tener el mayor rendimiento en la red 802.11g se debería estar seguro que no existe ningún equipo 802.11b siendo utilizado.

Las limitaciones de 802.11g corresponden a que se utiliza en la banda de 2,4 GHz, por lo tanto posee 3 canales que no se sobrelapan o interfieren. Además los dispositivos OFDM son limitados a transmitir un máximo de potencia de 15 dBm, menor a la potencia DSSS de 20 dBm.

Canales de la banda de 5 GHz U-NII - CCNA Wireless

La banda de 5 GHz está separada en 4 bandas pequeñas; U-NII-1, U-NII-2, U-NII-2 Extended y U-NII-3, todas estas bandas son divididas en canales de 20 MHz.

A continuación se detalla cada una de las bandas con sus correspondientes canales de la banda de 5 GHz.

Banda       Canal       Frecuencia (GHz)

U-NII-1     36          5.180

                 40          5.200

                 44          5.220

                 48          5.240

U-NII-2     52          5.260

                 56          5.380

                 60          5.300

                 64          5.320

U-NII-2-E          100         5.500

104         5.520

108         5.540

112         5.560

116         5.580

120         5.600

124         5.620

128         5.640

132         5.660

136         5.680

140         5.700

U-NII-3              149         5.745

153         5.765

157         5.785

161         5.805

¿Por qué el primer canal de la banda U-NII-1 es llamado canal 36 en vez de canal 1? La respuesta se encuentra en el estándar 802.11: el espacio de frecuencia es definida como una secuencia de canales separadas por 5 MHz, comenzando con el canal 0 a 5.000 GHz. Por lo tanto, el primer canal U-NII-1 está ubicado en la frecuencia de 5.180 GHz lo cual corresponde al canal 36. Cada canal U-NII tiene un ancho de 20 MHz, entonces un canal adyacente está localizado a cuatro canales de 5 MHz o cuatro números de canales.

La siguiente figura muestra cada una de los canales que están siendo utilizados en las cuatro bandas de 5 GHz.

El estándar 802.11 solamente permite la modulación OFDM en las bandas U-NII. OFDM requiere de canales de 20 MHz, lo cual cae perfectamente en el espaciado de canales de las bandas U-NII. En otras palabras, los canales vecinos pueden ser usados en la misma área sin tener problemas de sobrelapamiento o interferencia, teniendo un total de 23 canales disponibles. 

Canales de la banda ISM de 2,4 GHz - CCNA Wireless

En la banda ISM de 2,4 GHz el espacio de frecuencia es dividido hasta en 14 canales, numerados del 1 hasta el 14. Con un espacio de 5 MHz entre canales a excepción del canal 14.

Listado de canales de la IEEE 802.11 en la  banda de 2,4 GHz.

Canal    Frecuencia (GHz)

  1         2.412

  2         2.417

  3         2.422

  4         2.427

  5         2.432

  6         2.437

  7         2.442

  8         2.447

  9         2.452

  10        2.457

  11        2.462

  12        2.467

  13        2.472

  14        2.484

El estándar 802.11 permite que las técnicas de modulación DSSS y OFDM sean usadas en la banda de 2,4 GHz. DSSS requiere que cada canal tenga una ancho de 22 MHz y OFDM de 20 MHz. De cualquier manera con solo 5 MHz entre canales, las transmisiones entre canales vecinos se encontraran sobrelapadas y se interferirán unos con otros.

Los 14 canales no son permitidos en todos los países, por ejemplo la FCC limita los canales del 1 hasta el 11 solamente. ETSI permite canales del 1 hasta el 13 y Japón permite los 14 canales para ser usados.

La siguiente figura muestra como las señales pueden ser sobrelapadas sobre los canales vecinos de la banda de 2,4 GHz. Para prevenir los problemas de interferencia entre canales se deben utilizar los siguientes canales que no logran sobrelaparse entre ellos 1, 6 y 11.

Organismos Regulatorios de RF - CCNA Wireless

Los organismos regulatorios fueron creados para mantener el espectro de RF organizado y abierto para su uso razonable.

El espectro de frecuencia para las RF va desde los 3 KHz hasta los 300 Ghz.

ITU-R

Mantiene el espectro y asignación de frecuencias en tres distintas regiones.

Región 1: Europa, África y Norte de Asia.

Región 2: Norte y Sur América

Región 3: Sur de Asia y Australia

Asigna los siguientes dos rangos de frecuencias específicamente para el uso de aplicación industrial, científico y medico (ISM). Aunque hay otras bandas ISM estas son las dos únicas utilizadas para las redes Wireless LAN.

·         2.400 a 2.500 GHz

·         5.725 a 5.825 GHz

Las bandas ISM no son licenciadas, no es necesario registrarse o ser aprobados para transmitir en una de sus frecuencias.

FCC

Regula las frecuencias de RF, los canales y la potencia de transmisión. A las bandas ISM de 2.4-2.5GHz asignadas por la ITU-R, la FCC asigna el espacio de frecuencia “unlicensed National Information Infrastructure” (U-NII) en la banda de los 5 Ghz para su uso en redes Wireless LAN. U-NII es separada en 4 sub-bandas;

·         U-NII-1 (Banda 1): 5.15 a 5.25 Ghz

·         U-NII-2 (Banda 2): 5.25 a 5.35 Ghz

·         U-NII-2  Extendida (Banda 3): 5.47 a 5.725 Ghz

·         U-NII-3 (Banda 4): 5.725 a 5.825 Ghz (también asignada como ISM)

Todos los equipos de transmisión deben ser aprobados por la FCC antes de que puedan ser vendidos a los usuarios. Para las bandas no licenciadas de 2.4 y 5 Ghz, la FCC requiere de límites estrictos de EIRP.

Para prevenir que los usuarios excedan los límites de EIRP, la FCC requiere que todas las antenas removibles tengan un único conector no estándar de acuerdo al transmisor de cada fabricante.

Cisco usa una variante de conectores “threaded Neill-Concelman” (TNC) en sus equipos. El conector de reversión de polaridad TNC (RP-TNC) es idéntico al TNC, pero tiene partes claves reversibles “macho y hembra” a fin de que antenas con conectores TNC no puedan ser conectadas.

Fig 1.- Comparación entre conectores TNC (izquierda) y Cisco RP-TNC (derecha).

Los transmisores en la banda de 2.4 Ghz pueden ser usados en “indoors” o “outdoors”. La potencia emitida por el transmisor debe ser limitada a 30 dBm siendo el máximo EIRP de 36 dBm, por lo tanto se asume la ganancia de una antena en 6dBi. Esto puede ser flexible de acuerdo a las siguientes reglas:

Enlaces Punto a Multipunto: En donde la señal transmitida se propaga en todas direcciones, pudiendo hacer ajustes de acuerdo a la regla 1:1. Esto quiere decir, que por cada dBm que es removido del transmisor, un dBi de ganancia puede ser agregado a la antena, con tal que el EIRP no supere los 36 dBm.

Enlaces Punto a Punto: En donde la señal transmitida se propaga en una dirección, pudiendo hacer ajustes de acuerdo a la regla 3:1. Esto quiere decir, que por cada dBm que es removido del transmisor, 3 dBi de ganancia puede ser agregado a la antena, el resultado EIRP puede exceder los 36 dBm, pero no puede superar los 56 dBm.

Los transmisores de la banda de 5 GHz deben seguir los límites de la FCC listados a continuación. En cada una de las bandas U-NII se puede realizar ajustes de potencia de acuerdo a la regla 1:1.

Banda             Uso Permitido     Transmision Max.  EIRP Max.

U-NII-1         Indoor solamente      17 dBm (50mW)     23 dBm

U-NII-2         Indoor y Outdoor      24 dBm (250mW)    30 dBm

U-NII-2- Ext    Indoor y Outdoor      24 dBm (250mW)    30 dBm

U-NII-3         Indoor y Outdoor      30 dBm (1 W)      36 dBm

Normalmente los transmisores operando en cualquiera de las bandas no licenciadas de 2.4 y 5 GHz deben soportar cualquier tipo de interferencia causado por otros transmisores. La FCC requiere una excepción en las bandas U-NII-2 y U-NII-2 extendidos. Cuando una señal de un dispositivo aprobado como militar o radar meteorológico, es detectada sobre una de estas frecuencias, todos los otros transmisores deben moverse a una  frecuencia diferente. Esto es conocido como “dynamic frequency selection” (DFS).

ETSI

En Europa y en otros varios países la ETSI regula el uso de transmisiones de radio. Permite a las Wireless LAN ser utilizadas en la banda ISM de 2,4 GHz y en las mismas bandas U-NII, a excepción de la banda U-NII-3 la cual es licenciada y no puede ser usada.

La ETSI permite ajustar las potencias de transmisión y la ganancia de las antenas con tal que no exceden el máximo EIRP permitido.

A continuación se detalla la tabla de los requerimientos ETSI para las bandas de 2,4 GHz y 5 GHz.

Banda             Uso Permitido           EIRP Max.

2,4 GHz ISM     Indoor y Outdoor           20 dBm

U-NII-1         Indoor solamente           23 dBm

U-NII-2         Indoor solamente           23 dBm

U-NII-2- Ext    Indoor y Outdoor           30 dBm

U-NII-3         Licenciada                     -

La regulación ETSI también incluye DFS, la cual requiere que los transmisores LAN se muevan a una frecuencia aleatoria después que una señal de radar es detectada.