Diseño de Redes Inalámbricas

Diseño de Redes Inalámbricas

Introducción

 

La mayoría de los usuarios actualmente se conectan por un medio inalámbrico a las redes de hoy en día, haciendo que de estos se puedan mover de un lado a otro, ahora imaginemos a un usuario que va a un hotel, este a su vez puede ser grande, y necesita estar conectado con la misma red durante todo el tiempo de su estancia. Ahora si bien cada día estamos frente un mundo inalámbrico y estas redes se están imponiendo frente a las redes cableadas, sin embargo, debemos tener en cuenta algunos detalles para que estas funciones con eficiencia, ya que como todos sabemos estas redes son muchos más económicas de implementar frente a una red cableada, pero al mismo tiempo no olvidemos que una red cableada tiene un ancho de banda muy superior.

Ahora si bien el estándar 802.11 define el grupo de trabajo Wireless LAN que es un término de Wi-Fi Alliance (wifi.org) del consorcio el cual ayuda a fomentar el desarrollo de las redes LAN inalámbricas del mercado.

Todos nosotros usamos Wi-Fi diariamente, y otros los hemos configurados tanto en redes empresariales como en redes de hogar. Pero actualmente con el gran despliego, existen algunos problemas como las interferencias, ya que estas trabajan en bandas libres como 2.4 Ghz y 5 Ghz la cual esta menos saturada.

Este esa sección del Blog hablaremos acerca de las redes Wifi Hogar y las empresariales, que medidas debemos tomar en cuenta.

Tamaño de la onda

Velocidad de la luz = 186.000 millas/seg o 300 millones metros/seg (aprox.)

Velocidad de la onda = frecuencia x longitud de onda

Longitud de onda = velocidad de la onda/de la frecuencia

 https://eosweb.larc.nasa.gov/HPDOCS/wavelength_convert.html

 

982.080.000 pies/90 millones = 10,93 pies

 

Calculo 1 Hz

 

Por lo tanto, si 1 Hz es 1 ciclo por segundo, viajando a la velocidad de la luz….

La longitud de la ola sería de 186.000 millas de largo (300 millones metros).

Calculo con 2 Hz

  • 2 Hz es 2 ciclos por segundo, viajando a la velocidad de la luz….
  • La longitud de onda sería de 186000/2 o 93.000 millas de largo (150 millones metros).

 

¿Qué sería una onda del tamaño de 11 GHz?

Velocidad de la Luz = frecuencia x longitud de onda

Despejamos

Longitud de onda = Velocidad de la Luz / Frecuencia

L= 0.02725 metros

 

 

Longitud de onda = Velocidad de la Luz / Frecuencia

L= 0.12491 metros

Tamaño de una onda WLAN de 5,8 GHz

 

Longitud de onda = Velocidad de la Luz / Frecuencia

L= 0.05169 metros

Como hemos visto esta pequeña introducción al tamaño de las ondas, se puede visualizar que entre mas alta es la frecuencia mas pequeña es la onda, cabe recalcar que también será menor el alcance de una onda de 5.8 GHz que una de 2.4 GHz.

Antenas

Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas.

Las antenas son para conectar las líneas de transmisión con el espacio libre, el espacio libre a líneas de transmisión. En particular en el extremo transmisor de un sistema de radiocomunicaciones con el espacio libre, una antena convierte la energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se emiten al espacio. En el extremo receptor, una antena convierte las ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica en una línea de transmisión.

Una antena ideal se llama antena isotrópica, la cual consideramos como caso hipotético para medir la tasa de eficiencia de nuestra antena, esta antena no tiene perdidas de conductividad, en lo cual sabemos que eso es imposible ya que todos los metales tienen cierta resistencia al paso de los electrones generando perdidas de transmisión y como consecuencia produciendo calor.

La ganancia de las antenas se mide en dbi, la cual nos indica que tan directiva es una antena, eh escuchado a muchos querer una antena omnidireccional de 30 dbi, pues claro entenderán que eso no existe, porque la antena es un concentrador de energía, en caso de un reflector o como muchos lo llaman antena parabólica, ellos concentran la energía en un punto llamado foco, donde se esta permite concentrar mucha energía con el fin de alcanzar grandes distancias.

No voy a explicar cómo realizar enlaces punto a punto, tal vez eso les dejare en otro blog, ya que tendríamos que realizar cálculos logarítmicos que no es parte de este artículo, mas bien deseo mostrarles conceptos básicos para que la persona que siga este Blog pueda ir entendiendo como funciona y se propagan las ondas.

Ahora si bien no has comprendido mucho quiero que imagines un foco

 

Este foco ilumina en todas las direcciones (la antena omnidireccional emite energía en todas las direcciones), por ende, la luz no tiene mucho alcance.

Ahora quiero que imagines un foco como el de la figura siguiente

 

 

Este foco concentra la luz hacia una dirección y ayuda a que esa energía lumínica tenga un mayor alcance, lo mismo sucede con una antena parabólica o reflector, este concreta la energía en un punto llamados foco y por ende tendrá un mayor alcance.

 

Patrones de Irradiación

 

Lóbulo primario: es aquel donde se concentra la mayor parte de la energía en la imagen superior indica Main Lobe.

Lóbulos Laterales: Pequeña cantidad de energía en otras direcciones

Lóbulo Anterior: parte de la energía que se emite se irradia de manera trasera.

 

Antena Omnidireccional

Una antena omnidireccional irradia igualmente bien en todas las direcciones horizontales alrededor del lóbulo principal, rodeando la antena como una rosquilla. Pero hay que tener en cuenta que esto se da cuando se estudia una onda cerca, cuando la onda se va extendiendo esto ya no es esférico sino plano.

 

Ganancia de la Antena

Se puede definir la ganancia de la antena como medición de la potencia en el lóbulo principal de una antena y comparando esa potencia con la potencia en el lóbulo principal de una antena de referencia.

Esto se refiere a la cantidad de aumento de energía que una antena parece añadir a una señal de RF

DBD – “d” es la ganancia medida relativa a la ganancia de una antena de referencia dipolo

dBi – “i” es la medida de ganancia relativa a la ganancia de una antena teórica isotrópico.

  • El dBi es una unidad que mide cuánto mejor se compara la antena con un radiador isotrópico.
  • Un radiador isotrópico es una antena que envía señales igualmente en todas las direcciones (incluyendo arriba y abajo).
  • Una antena que hace esto tiene una ganancia 0dBi.
  • Cuanto mayor sea la cifra de decibelios mayor será la ganancia.
  • Por ejemplo, una antena de ganancia 6dBi recibirá una señal mejor que una antena 3dBi.

 

  • Una unidad DBD es una medida de cuánto mejor se comporta una antena contra una antena dipolo.
  • Como resultado una antena dipolo tiene una ganancia 0dBd.

Antenna Beamwidth

 

 

Beamwidth: El ancho de la viga principal (lóbulo principal) de una antena.

  • Mide la directividad de una antena
  • Cuanto más pequeño es el beamwidth en grados, más la antena enfoca la energía en su lóbulo principal.
  • Cuanto más poder tiene el lóbulo principal, más se puede comunicar la antena.
  • Beamwidth es una medida utilizada para describir las antenas direccionales.
  • Beamwidth a veces se llama beamwidth de la mitad-energía.
  • El beamwidth de la mitad-energía es la anchura total en grados del lóbulo principal de la radiación, en el ángulo donde la energía irradiada ha caído debajo de ésa en la línea central del lóbulo, por-3 dB (mitad-energía).

 

 

  • Recuerde, la energía inalámbrica no se detiene y comienza exactamente a lo largo de una línea recta, pero disminuye gradualmente con la distancia.
  • Los contornos lisos de los lóbulos principales muestran la intensidad aproximada de la potencia inalámbrica a varias distancias de distancia de la antena.
  • Las líneas punteadas pasan a través de los puntos de la mitad-energía-los puntos en cada lado del centro del lóbulo principal donde está la energía inalámbrica la mitad tan fuerte como está en el centro del lóbulo

Línea de Vista

Cuando una señal inalámbrica encuentra una obstrucción, la señal siempre se atenúa y a menudo se refleja o se difractada.

Es importante tratar de obtener una línea de visión inalámbrica siempre que sea posible, especialmente en un entorno WAN inalámbrico (conexiones externas entre el edificio o diferentes partes de un campus).

Un Wireless los típicamente requiere visual los más la separación adicional de la trayectoria para explicar la extensión de la señal sin hilos (zona de Fresnel-viniendo).

Toda señal que tenga más del 1 GHz se considera una señal microondas, por lo tanto, debe tener línea de vista para realizar un enlace punto a punto.

 

MIMO

Un gran problema que tenemos con las señales inalámbricas es la reflexión, esto en si produce una degradación de la señal, por este motivo se creo MiMo que significa (Multiple imput multiple output), el cual lo que hace es un desfase de señal de tal forma que la señal WiFi en lugar de ser destructivas, sean constructivas y nos proporciones mayor velocidad ya que al haber menor perdida de datos hace falta menos retransmisiones.

Gracias a este desfase la señal inalámbrica nos podrá llegar en varias rutas y como consecuencia aumentaremos el rendimiento de este.

 

 

Con esto podríamos recalcar que los dispositivos con tecnología MIMO se podrían conectar, aunque no existiera línea de vista.

 

Redes de Hogar

Una red Wi-Fi hogar no tiene muchas complicaciones, salvo el caso que se tenga una casa excesivamente grande, y ahí puede ser un gran problema, ya que el Wi-Fi con obstáculos no tiene muchos alcances. Muchos usuarios de Internet generalmente optan por una solución bastante fácil, y es comprar un Wireless Extender, la cual es un repetidor, pero en este caso se debe considerar que el repetidor tengan un umbral de recepción de -58dbm para que tenga una buena transmisión de paquetes, sin embargo, los usuarios desconocen estos temas y generalmente los repetidores no les ayudan en gran manera, creyendo que el ISP o proveedor de Internet tiene la culpa de que se tenga un Internet lento.

Otro aspecto para tener en cuenta son las interferencias, muchas veces los usuarios creen que el Internet esta lento desconociendo que otras frecuencias se pueden solapar, y esto se produce por desconocimiento, ahora como la banda de los 2.4 GHz esta tan saturada. Ahora si bien muchos de los que siguen este Blog comentaran, nos vamos por los 5 GHz, ya que esa banda no esta saturada, en cierto aspecto tendrían razón, pero debemos tener en cuenta que a mayor frecuencias menor alcance, por cierto, la demostración de la frecuencia no es parte de este artículo, (pero si desean adentrarse un poco en las matemáticas les recomiendo leer algunos modelos matemáticos como el ITM).

Ahora si bien podemos trabajar en la banda de 5 GHz incrementando también el ancho de banda, pero disminuyendo la distancia, deberíamos considerar que se tiene que instalar el doble de APs que en la frecuencia de 2.4 GHz.

En la imagen de abajo podemos ver las interferencias en el canal 1, canal 3, canal 5 por ende la mejor red que podríamos considerar aquí es el canal 11.

 

Redes Empresariales

En redes WLAN empresariales, se debe considerar otros aspectos como el uso de un controlador para centralizar y gestionar desde una consola una red wifi, y que el usuario tenga la cualidad de tener itinerancia, para esto vamos a mencionar dos empresas que tienen soluciones interesantes.

Cisco por su parte tiene un controlador llamado Wireless LAN Controller (WLC), el mismo hace que los APs ya no trabajen de manera autónoma, sino que actúan como APs ligeros (LWAP) simplemente enviando datos entre la LAN inalámbrica y el WLC, todo esto es para crear una lógica de itinerancia, autenticación se realiza en el controlador en vez que en el AP.

Ahora resumiendo la tecnología que Cisco nos ofrece es:

Wireless LAN Controller (WLC): controla y administra todas las funciones del AP por ejemplo itinerancia, definición de WLANs y autenticación.

Lightweight AP (LWAP): este reenvía datos a través del WLC usando un protocolo como el control y aprovisionamiento de puntos de acceso inalámbrico (CAPWAP).

Con estos protocolos se puede crear una gran red inalámbrica con multitud de conexiones inalámbricas desunidas y ser gestionadas por un controlador como el WLC.

En la imagen de abajo observamos un ejemplo como trabaja el WLC en una red empresarial.

 

Aunque Cisco hace un gran esfuerzo, sin embargo, aun tiene ese vacío para combatir interferencias de otras redes algo que, si lo realiza Meraki, el cual tampoco lo vamos a contemplar, sin embargo, vamos a comentar algo a breve rasgo y una característica ideal y es realizar un análisis de las frecuencias y automáticamente cambiándose de canal que no este saturado.

 

Ahora voy a hablar un poco sobre una marca la cual es bastante económica y muy buena la cual es Ubiquiti, tiene una solución bastante buena, sobre todo tenemos un controlador y los Wi-Fi hacen roaming con el protocolo 802.11r.

Software de Gestión Ubiquiti

 

 

  • Todas las opciones son libres
  • Multi Plataforma: PC, MAC, Linux.
  • Monitoreo remoto, “UniFi Cloud”
  • Gestión de Alertas
    • Analíticas
    • Alta Disponibilidad
    • Mapas & Topología
    • Portal Cautivo
    • Control de Tráfico

 

Auto topología

 

 

Portal Cuativo – Hotspot

 

Para los que no conocen, un portal cautivo es aquel que cuando te conectas a una red Wi-Fi, este a su vez te lleva a una pagina de la empresa donde es 100% configurable y este esta diseñado para hoteles, restaurantes, centros comerciales, café internets, etc.

También incluye opciones de pago con tarjeta de crédito, control de velocidad (subida/bajada).

 

 

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