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Planificación de canales

La sección anterior identificó los diferentes canales en cada banda de frecuencia que están disponibles para la red AREDN®. Los dispositivos en cada lado de un enlace de radio deben usar la misma banda de frecuencia, canal, ancho de canal y SSID. Sin embargo, más allá de ese requisito, tiene bastante flexibilidad para seleccionar los canales de radio que garantizarán la máxima calidad de señal y rendimiento para su red. En una red AREDN® básica con varios nodos distribuidos en un área geográfica limitada, todos los nodos pueden usar la misma banda, canal y ancho de canal. Esto les permite establecer la red de malla y enrutar los datos a cualquiera de los sitios según sea necesario.

Sin embargo, a medida que más nodos se unen a la red o cuando varios nodos se colocan y comparten el mismo canal, es posible que el rendimiento general de la red se degrade. Para que una red AREDN® aumente en tamaño y complejidad, la coordinación de frecuencias y la planificación de canales se vuelven cada vez más importantes. Para planificar el crecimiento futuro, es posible que los grupos de malla necesiten dividir el tráfico de la red asignando canales para áreas específicas o tipos de enlaces a fin de garantizar que la red pueda admitir los servicios esperados.

Operación de red inalámbrica

Una red inalámbrica es un medio semidúplex compartido en el que solo debe transmitir una estación a la vez. En ese sentido, las operaciones inalámbricas son análogas a otros tipos de transmisiones de radio. Si dos estaciones activan sus transmisores al mismo tiempo, interferirán entre sí hasta el punto de que ninguna de ellas recibirá el mensaje de la otra. Es por eso que se implementan procedimientos de control de red para garantizar el acceso controlado a un canal de radio durante la comunicación de emergencia.

AREDN® firmware media automáticamente el acceso a la estación de medio inalámbrico mediante la implementación de IEEE 802.11a / b / g / n normas y Carrier Sense Multiple Acceso / prevención de colisiones (CSMA / CA) . Esta tecnología de escuchar antes de hablar ayuda a los nodos a determinar si un canal está ocupado. Cada nodo realiza una evaluación de canal despejado (CCA) y utiliza mensajes de solicitud para enviar / despejar para enviar (RTS / CTS) para negociar el acceso a un canal. También se requiere una cantidad insignificante de tráfico de red para que OLSR (protocolo de enrutamiento de estado de enlace optimizado) mantenga rutas para la red en malla como un todo, pero este tráfico OLSR es una fracción muy pequeña del total.

En una red inalámbrica de un solo canal, cualquier nodo que necesite transmitir se coordinará automáticamente con los otros nodos para un canal despejado. Esto es por diseño, pero a medida que más dispositivos intentan obtener acceso al mismo canal, existe un mayor potencial para que cada nodo espere más tiempo para tener la oportunidad de transmitir. Esto puede resultar en una mayor latencia y un menor rendimiento de la red a medida que aumenta el número de nodos de red.

Contención de canales

El concepto de interferencia de canales superpuestos se ilustra en el lado derecho del siguiente diagrama de escaneo de canales. La interferencia de canales superpuestos es muy grave, pero puede eliminarse seleccionando canales no superpuestos para todos los dispositivos que acceden a su red de malla. Un segundo problema relacionado con el funcionamiento de las redes inalámbricas se ilustra en el lado izquierdo del diagrama. Se denomina comúnmente interferencia cocanal, pero se describe con mayor precisión como disputa cocanal o cooperación cocanal .

Contención de canal compartido

En este ejemplo, varios nodos deben compartir un solo canal, por lo que todos negocian la oportunidad de transmitir. Cualquier nodo que necesite transmitir utilizará la tecnología de escuchar antes de hablar para determinar si el medio está ocupado. Si el canal parece despejado, el nodo intentará transmitir datos. Si el canal está ocupado, el nodo aplazará la transmisión hasta que el canal parezca despejado. En una red de alta densidad donde una gran cantidad de nodos comparten un solo canal, los procesos normales de negociación pueden resultar en una degradación significativa del rendimiento. Desde la perspectiva del usuario final, un canal sobrecargado puede hacer que la red parezca lenta o incluso inutilizable.

Este ejemplo no pretende mostrar que tener solo siete nodos sobrecargará un canal. No existe una regla general establecida para compartir canales que especifique cuántos nodos son demasiados. La respuesta depende de la cantidad de nodos, el ancho de banda en uso para soportar los servicios requeridos, las cualidades de la señal del enlace y otras características de la red. Según estos parámetros, un canal compartido puede funcionar bien con muchas docenas de nodos, mientras que otra red puede ver una degradación del rendimiento con un número significativamente menor de nodos que comparten un canal. Muchos factores interactúan para influir en el rendimiento de la red, pero pronto será evidente para los usuarios si la red se está comportando como se esperaba.

Hay varias herramientas disponibles para probar el rendimiento de la red, como ping para medir la latencia, traceroute para identificar cómo se enruta el tráfico e iperf3 para estimar el rendimiento de la red. Las mediciones periódicas junto con las percepciones del usuario pueden ser útiles para determinar si la separación de canales sería beneficiosa. Es un subproducto esperado de cómo funcionan normalmente las redes inalámbricas, pero el rendimiento se puede mejorar planificando los canales asignados para sus dispositivos de malla como se describe en la sección Planes de canales a continuación.

Nodos ocultos

En cualquier red inalámbrica habrá nodos que no se encuentren dentro del alcance de radio entre sí pero que comparten el mismo canal. En el diagrama de ejemplo, A puede oír B pero no puede oír C . Dado que A y C están ocultos entre sí , pueden intentar transmitir en el canal compartido al mismo tiempo sin saberlo. Debido a sus ubicaciones relativas y cualquier retraso de red asociado, cada nodo puede parecer tener un canal libre para la transmisión.

Problema de nodo oculto

Los nodos AREDN® utilizan mensajes de Solicitud para enviar / Borrar para enviar (RTS / CTS) para minimizar o eliminar este problema. Por ejemplo, el nodo A difunde un mensaje RTS corto con un intervalo de tiempo / duración propuesto para transmitir su flujo de datos completo. El nodo B recibe esa solicitud y transmite un CTS para ese intervalo de tiempo. El nodo C no pudo escuchar el RTS original, pero escuchará el mensaje CTS y pospondrá sus transmisiones durante ese intervalo de tiempo.

Otros dos enfoques también pueden aliviar el problema del nodo oculto. Es posible que pueda hacer que los nodos ocultos sean visibles entre sí, por ejemplo, aumentando la intensidad de la señal. La alternativa es aislar los nodos por completo colocándolos en diferentes bandas o canales. Dado que los nodos que usan antenas direccionales son casi invisibles para otros que no están colocados en el haz de la antena, las antenas direccionales deben usarse con cuidado al compartir un canal. Puede ser más apropiado crear un enlace separado entre los sitios y poner las radios en una banda o canal diferente.

Otro caso es cuando hay un enlace de mala calidad por el que debe enrutarse todo el tráfico. El protocolo de enlace y las retransmisiones de datos pueden hacer que todos los demás nodos esperen. Toda la red puede verse afectada por una ruta de baja calidad que se convierte en un solo cuello de botella. Si es posible, debería aumentar la calidad de la señal de ese enlace vital o instalar un enlace mejor como ruta alternativa.

Aleteo de ruta

Este es otro problema que puede provocar problemas de rendimiento en una red. Puede tener rutas paralelas entre dos nodos remotos , y estas rutas tienen valores ETX similares , lo que indica que el costo de usar cualquiera de las rutas es comparable. Puede parecer que estos dos caminos funcionan bien la mayor parte del tiempo.

Sin embargo, cuando una aplicación de uso intensivo de ancho de banda, como la videoconferencia, comienza a enviar tráfico a través de una de las rutas, puede notar que el enlace se atasca y el ETX caerá por debajo del de la otra ruta. En este punto, OLSR cambia a la ruta alternativa que ahora tiene un costo menor. La transmisión de video luego se atasca en su nueva ruta, lo que reduce el ETX , y OLSR vuelve al enlace original cuyo ETX es mejor nuevamente. Esta situación puede continuar indefinidamente, sin que ninguna ruta pueda distribuir el tráfico de manera adecuada.

Este problema puede ocurrir en enlaces de varios saltos con ETX similar que parecen funcionar bien hasta que se cargan con tráfico. Entonces comienza a ocurrir la pérdida de paquetes, las conexiones se agotan y ninguna ruta es confiable durante ese ciclo. Una solución podría ser mejorar el costo del enlace de múltiples saltos aumentando la calidad de la señal de los enlaces a lo largo de una de las rutas. Por el contrario, también puede apagar la energía en la ruta alternativa para aumentar su costo. Si se debe pasar tráfico intensivo de ancho de banda entre dos puntos finales remotos, el mejor enfoque sería diseñar una ruta más sólida entre esos dos puntos finales para satisfacer esa necesidad.

Planes de canales y coordinación de frecuencias

Puede experimentar un rendimiento deficiente de la red si hay demasiados nodos que utilizan la misma banda y canal. Aquí hay un ejemplo simple para ilustrar el problema: una ruta de tres saltos desde QTH1 a Tower1 a Tower2 a QTH2. Si todos los enlaces utilizan el mismo canal, solo un nodo a la vez puede enviar datos. Esto reduce instantáneamente el rendimiento en un tercio o más y aumenta la latencia con la sobrecarga del protocolo. Para mejorar el rendimiento, puede configurar cada enlace para usar un canal diferente, lo que permite transmisiones simultáneas. Por ejemplo, los nodos de torre colocados podrían estar vinculados DtD a través de Ethernet, con QTH1 y Tower1 usando el canal 172 de 5 GHz mientras que QTH2 y Tower2 usan el canal 176. Antes de que se implemente este plan de canales, podría ser posible tener una transmisión de video HD y una VoIP llame con abandonos frecuentes.

Dependiendo de la banda de frecuencia que esté utilizando, existen varias opciones disponibles para asignar canales no compartidos que no se superpongan a sus dispositivos de malla. Como se muestra en el cuadro a continuación, en la banda de 2,4 GHz que utiliza un ancho de canal de 5 MHz, solo hay dos canales que no se superponen y que no están compartidos con otros usuarios sin licencia. En la banda de 3,4 GHz que utiliza los canales pares de 10 MHz, hay once canales que no se superponen. En la banda de 5,8 GHz que utiliza canales pares de 10 MHz, hay 25 canales que no se superponen, pero solo ocho de ellos no se comparten con otros usuarios potenciales del espectro.

BandaAncho de bandaCanales no compartidos que no se superponen
2,4 GHz5 MHz2
3,4 GHz10 MHz11
5,8 GHz10 MHz8

Idealmente, las zonas de cobertura de RF (a veces llamadas “células”) deberían utilizar canales diferentes. La cobertura de celda superpuesta puede proporcionar una conectividad más amplia, pero las zonas de cobertura superpuestas no deben utilizar frecuencias de RF superpuestas.

Ejemplo de plan de reutilización de canales

El mapa de cobertura de ejemplo muestra que se han asignado cuatro canales diferentes para lograr una cobertura amplia al segmentar áreas específicas en zonas para reducir la contención de canales compartidos. Cabe señalar que incluso un plan de reutilización de canales como este puede no eliminar todos los casos de contención. Por ejemplo, si un nodo está en los bordes exteriores de una zona de cobertura o está elevado muy por encima del nivel del suelo, sus transmisiones pueden propagarse a una celda distante utilizando el mismo canal. Las radios de la otra celda diferirán si escuchan las transmisiones del nodo original, aunque se originen en una celda diferente. Es posible que se requiera cierto grado de experimentación para minimizar la contención y maximizar el rendimiento de la red.

Nodos colocados

Nodos colocados

En algunos sitios puede haber varios dispositivos montados en el mismo edificio o estructura. La foto de la derecha muestra muchos nodos colocados en una sola torre. Puede producirse una degradación del rendimiento de la red si estos nodos comparten una banda y un canal de RF. Por ejemplo, cuando dos antenas de sector se colocan y comparten el mismo canal, el rendimiento de la red para ese sitio se reducirá a la mitad o más. Si ha colocado nodos, entonces tiene sentido permitir que los dispositivos pasen el tráfico a través de su interfaz Ethernet (como se describe a continuación) en lugar de obligarlos a usar su canal de radio.

Vinculación de dispositivo a dispositivo (DtD)

En su configuración más básica para dos nodos colocados, se conecta un cable Ethernet entre el puerto LAN PoE de cada dispositivo. OLSR asignará un “costo de enlace” muy bajo (0.1) a la conexión DtD y enrutará automáticamente el tráfico entre los nodos a través de Ethernet en lugar de hacer que el canal de RF se vuelva ocupado.

Un beneficio adicional de la vinculación DtD es que puede vincular nodos que operan en diferentes bandas y canales. Los nodos que utilizan la separación de canales para segmentar el tráfico aún pueden pasar datos a altas velocidades a través de su enlace DtD y ser miembros de una sola red. En un sitio de torre como el que se muestra aquí, podría vincular nodos de 2.4 GHz, 3.4 GHz y 5.8 GHz a la misma red. De hecho, en un sitio concurrido como este, es una buena práctica utilizar enlaces DtD, porque de lo contrario, la contención del canal RF podría inutilizar la red.

Idealmente, debería configurar sus nodos colocados para usar diferentes bandas y canales, luego configurar enlaces DtD entre los nodos para asegurarse de que el tráfico se enrute de manera eficiente sin generar contención o retrasos de RF. OLSR siempre elegirá primero la ruta DtD cuando pase tráfico entre nodos vinculados. Cada nodo AREDN® reconoce los paquetes entrantes etiquetados con VLAN 2 como tráfico DtD.

En el ejemplo simple anterior, el conmutador compartirá todo el tráfico en todos los puertos y cada nodo lo recibirá en su enlace DtD. Si desea dividir el tráfico aún más, puede configurar VLAN adicionales en el conmutador para aislar el tráfico del puerto de modo que solo lo vean los nodos que deberían recibir tráfico específico. Por ejemplo, puede tener un sistema de videovigilancia (5) o un sistema VoIP PBX (6), y el tráfico de esos dispositivos solo debe pasar a un conjunto específico de enlaces como se muestra en el diagrama a continuación. Las VLAN basadas en puertos garantizarán que el tráfico esté controlado y enrutado, en lugar de difundirse a través de todos los enlaces.

Polarización de la antena

La mayoría de los dispositivos AREDN® más recientes utilizan antenas de polaridad dual y MIMOcaracterísticas en las radios que explotan la propagación por trayectos múltiples. Sin embargo, si está utilizando antenas de polaridad única con radios de “cadena única”, otra forma de lograr la separación de señales para dispositivos colocados es orientar las antenas del sitio de modo que una esté polarizada verticalmente y la otra horizontalmente. Esto puede resultar en una separación de señal de hasta 20 dB. Debido al predominio de la polarización vertical en los dispositivos WiFi comerciales, los nodos AREDN® de una sola cadena pueden lograr un rendimiento ligeramente mejor utilizando la polarización horizontal con una línea de visión clara. Puede probar ambas polarizaciones para ver cuál ofrece un mejor rendimiento frente al ruido provocado por el hombre en su entorno específico. Tenga en cuenta que las antenas a ambos lados de un enlace de radio deben estar orientadas de la misma manera.

Alinear nodos vinculados

La interfaz web de AREDN® proporciona información útil al alinear dos nodos que se están instalando para formar un enlace. En la página Estado del nodo , haga clic en el botón Gráficos para ver el gráfico de señal a ruido en tiempo real . Gire e incline lentamente su antena, haciendo una pausa para ver las métricas de la señal. Una vez que vea la mejor señal, como se muestra a continuación, puede bloquear su antena en su posición. Si desea enfocarse en la posición de la antena sin tener que mirar el gráfico SNR, también puede habilitar la función de sonido SNR y alinear la antena al tono de tono más alto. Dependiendo de la implementación, una relación señal / ruido de 15 dB es adecuada para pasar datos a velocidades en el rango de 5 a 20 Mbps .

Alinear nodos

Sugerencias para la planificación de canales

Evite problemas de escalabilidad de la red

Si hay dos torres o áreas de cobertura celular dentro del rango entre sí, configure los nodos con diferentes canales para evitar un rendimiento deficiente.

Según el propósito de su red, intente crear rutas confiables a las ubicaciones donde se necesitan datos. Utilice la separación de canales y el enlace DtD de los nodos colocados para evitar la contención del canal de RF. Las bandas de 3,4 GHz y 5,8 GHz proporcionan la mayor cantidad de canales no compartidos para su uso en redes AREDN®.

  • Si necesita una amplia cobertura local para un área de alto perfil, puede instalar antenas sectoriales en un sitio de torre: por ejemplo, tres paneles con un ancho de haz de 120 grados cada uno. DtD vincula los sectores en el sitio de la torre y usa diferentes canales para cada sector para evitar la contención de canales.
  • Considere colocar cada área de cobertura local en su propio canal para minimizar la interacción entre zonas.
  • Si está instalando enlaces punto a punto de larga distancia para conectar islas de malla, asegúrese de utilizar una banda o canal independiente para el enlace troncal. Este tipo de enlace tiene un único propósito: llevar la mayor cantidad de datos lo más rápido posible de un extremo al otro. Elimine cualquier tipo de contención de canal para que estos enlaces puedan lograr un alto rendimiento.
  • Recuerde que una ruta de varios saltos a través de la red debe tener una buena calidad de señal en cada tramo del viaje. No puede esperar un rendimiento adecuado a través de una serie de enlaces de mala calidad. Por ejemplo, si atraviesa tres enlaces que tienen métricas de LQ del 65%, 45% y 58%, su LQ agregado será del 17%, lo cual no se puede utilizar. Idealmente, el LQ agregado debe ser de al menos el 80% para tener un enlace que admita las aplicaciones y los servicios que necesita.

Mario

Amante de la radio.

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