Deshaciendo el nudo: Cómo los ingenieros del mundo han construido Wi-Fi
FECHA: 26/10/2011
Aunque la comunicación inalámbrica, especialmente en la frontera de la banda, como ISM, está plagada de peligros ocultos, los vendedores que trabajan juntos en el IEEE y la Wi-Fi Alliance han logrado con éxito la tecnología LAN inalámbrica desde sus humildes comienzos al alto rendimiento, razonablemente fiable que disfrutamos hoy en día.
 |
 |
Iljitsch van Beijnum
Institute IMDEA Networks |
Jaume Barcelo NETCOM Research Group, Universidad Carlos III de Madrid |
Las redes de área local (conocidas por su acrónimo en inglés LAN) demostraron su utilidad ya en los años 80, mucho antes de que la conexión a Internet se convirtiera en algo habitual. Estas redes permitían a los usuarios utilizar impresoras compartidas, conectarse a servidores de ficheros, enviar correos electrónicos, etc. Una década más tarde, con el auge de Internet, las redes de área local se convirtieron en una vía de acceso a las autopistas de la información. La tecnología más habitual en redes de área local era Ethernet, que sería una solución estupenda si no fuera por un gran inconveniente: esos molestos cables.
A finales de los 90, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) resolvió el problema con su estándar 802.11, que especificaba los protocols para crear redes de área local sin hilos. Es más fácil decirlo que hacerlo. La construcción de redes inalámbricas rápidas y fiables suponía múltiples retos. Pero esos retos se superaron como explicaremos a continuación.
Aloha: Principios y fundamentos
El periplo empezó a principios de los 70. La universidad de Hawái tenía instalaciones en las diferentes islas del archipiélago, pero los ordenadores se encontraban en el campus principal en Honolulu. Por aquel entonces los ordenadores no eran para nada portables. Los usuarios se conectaban a los ordenadores centrales utilizando terminales remotos y una conexión telefónica a la pasmosa velocidad de 300 o 1200 bits por segundo. Estas conexiones eran lentas y poco fiables.
Un pequeño grupo de pioneros de las redes de ordenadores, encabezados por Norman Abramson, pensó que era posible diseñar un sistema alternativo para conectar los terminales remotos a las instalaciones informáticas centrales de la universidad. La idea inicial, que se desarrolló con el nombre AlohaNET, consitía en utilizar comunicaciones radio para transmitir los datos desde los terminales a los ordenadores centrales y viceversa. En aquella época, la manera habitual de compartir un canal radio entre distintas estaciones consistía en dividir el canal en ranuras temporales o en diferentes franjas de frecuencia y asignar o bien una ranura temporal o bien una franja frecuencial a cada una de las distintas estaciones. Estos dos enfoques son popularmente conocidos por sus acrónimos en inglés TDMA (Time Division Multiple Access) y FDMA (Frequency Division Multiple Access).
Evidentemente, al dividir el canal radio en otros canales más pequeños (bien en tiempo o en frecuencia), los canales resultantes son de una velocidad menor al original. Los creadores de AlohaNET tenían en mente un método alternativo para compartir el canal radio. AlohaNET se diseñó con únicamente dos canales UHF de alta velocidad: uno descendente (desde Honolulu) y otro ascendente (hacia Honolulu). El canal ascendente debía compartirse entre todas las estaciones remotas que tenían que transmitir a Honolulu. Cada una de estas estaciones remotas tenía a su disposición todo el ancho de banda del canal de subida. El único problema era la posibilidad de que dos estaciones transmitieran al mismo tiempo, y en ese caso las transmisiones solapadas no se podían decodificar en Honolulu. Las transmisiones podían fallar, de la misma manera que los surfers podían caerse de su tabla al pillar olas en el Pacífico. Pero, bien, nada les impedía intentarlo de nuevo. Esta idea fundamental de reintentar la transmisión en caso de fallo, sirvió de base a toda una familia de protocolos que se conocen con el nombre de “protocolos de acceso aleatorio”.
El enfoque de acceso aleatorio implementado en AlohaNET suponía un cambio de paradigma, de una red orientada a soportar comunicaciones de voz a una red para comunicaciones de datos. Las técnicas tradicionales de compartición de canal (FDMA y TDMA) implicaban la reserva de un canal de baja velocidad para cada uno de los usuarios. Esa velocidad era suficiente para un canal de voz, y el hecho de que fuera reservado evitaba abruptas y molestas interrupciones.
Pero el tráfico de los terminales remotos a los ordenadores centrales presentaba unas características muy distintas a las comunicaciones de voz. Para empezar, el tráfico de los terminales remotos es tráfico a ráfagas. El usuario introduce un comando, espera a que el ordenador procese el comando y ejecute la tarea, recibe la respuesta del terminal y inspecciona los resultados mientras reflexiona sobre el próximo comando que va a introducir. Podemos observar que este patrón incluye largos periodos de silencio en los que no se transmite información y picos de transmisión en que se transmite una ráfaga de información.
El tráfico a ráfagas requería un uso más eficiente de los recursos radio disponibles para la comunicación que los que podían ofrecer TDMA o OFDMA. Si se le asignara a cada estación un canal de baja velocidad, la transmisión de una ráfaga de tráfico llevaría mucho tiempo. Además los recursos radio se malgastarían durante los largos periodos de silencio en los que no se transmite información. La solución está en un concepto que implementaba el protocolo de acceso aleatorio de AlohaNET y que es uno de los pilares de las redes de datos: la multiplexación estadística: un único canal de alta velocidad es compartido por distintos usuarios, pero cada uno de los usuarios lo utiliza sólo cuando lo necesita. Mientras Alicia está examinando la salida de su programa disfrutando de una taza de café, Bernardo puede estar subiendo datos al ordenador central para procesarlos posteriormente. Más tarde, se invierten los papeles y Alicia es la que sube una nueva versión de su programa mientras Bernardo está en la playa surfeando.
Para permitir esta multiplexación estadística, era necesario un mecanismo que permitiera a las estaciones remotas detectar un error en la transmisión inicial para poder saber que debían de re-transmitir. Este objetivo se conseguía de manera indirecta. Honolulu volvia a transmitir por el enlace de bajada todo lo que recibía por el enlace de subida. Si la estación remota escuchaba en el enlace de bajada lo mismo que acababa de transmitir en el enlace de subida, sabía que la transmisión se había realizado de manera exitosa. En caso contrario, era probable que hubiera habido un error en la transmisión inicial y por tanto era una buena idea retransmitir los datos.
La guerra de los estándares
"Lo maravilloso de los estándares es que hay muchos entre los que escoger”, Grace Hopper, según UNIX-HATERS Handbook (PDF) página 9 o 49.
Al final del siglo pasado, dos estándares competían por la supremacía en el ámbito de las redes de area local inalámbricas. La alternativa estadounidense, promovida por el IEEE, se basaba en principios más sencillos y directos. En cambio, la alternativa europea, promovida por la ETSI (European Telecommunications Standards Institute) era más sofisticada y ofrecía tasas de transmisión más elevadas, la posibilidad de priorización de tráfico y servicios diferenciados. Los fabricantes prefirieron la opción desarrollada por el IEEE, en su versión más simple y sin características opcionales, ya que era más fácil de implementar.
Evidentemente, un enfoque más sencillo permitía lanzar productos al mercado en un plazo más corto de tiempo, lo cual se traducía en una mayor cuota de mercado. Este hecho facilitó la adopción del estándar del IEEE en detrimento de la alternativa del ETSI. El estandar en cuestión, denominado IEEE 802.11 pertenece a la familia 802, que también incluye al IEEE 802.3 (Ethernet). Con el paso del tiempo, el estándar IEEE 802.11 fue mejorado para incluir algunas de las prestaciones que ya se consideraban en la propuesta inicial del ETSI, como tasas de transmisión más elevadas y diferenciación de servicios.
Ensanche del espectro para evitar la industria, la ciencia y la medicina
El propósito de una red de área local es que cada uno pueda construir su propia red local, sin necesidad de coordinarse con nadie más. Pero cuando se trata del uso del espectro radioeléctrico, los usuarios tienen que ceñirse a una estricta regulación para evitar interferencias con otros. Las redes IEEE 802.11 (popularmente conocidas como WiFi) consiguen esquivar esa estricta regulación, así como el consiguiente pago por las licencias del espectro. La explicación es que las redes WiFi operan en una banda sin licencia situada en los 2.4 GHz que se reservó para usos industriales científicos y médicos (y se conoce por sus iniciales en inglés ISM). En esta banda también operan los dispositivos bluetooth, los teléfonos inalámbricos, e incluso los hornos microondas.
La especificación 802.11 original publicada en 1997 especificaba velocidades de 1 y 2 Mbps en la banda de radio de microondas ISM y en la banda de infrarrojos (aunque en esta última no se llegó a implementar). En la banda ISM es necesario utilizar técnicas de espectro ensanchado para evitar las interferencias en la medida de lo posible. Habitualmente las técnicas de modulación intentan transmitir el máximo número de bits por hercio (bits/Hz) para la eficiente utilización del espectro. En el caso del espectro ensanchado el objetivo es el opuesto: tratamos de extender la señal en un gran ancho de banda, con la consiguiente reducción de bits por hercio. La ventaja es que esta técnica diluye las interferencias de banda estrecha.
Salto de frecuencia
La técnica de espectro ensanchado más sencilla es el salto de frecuencia (obsoleto en la actualidad en WiFi) que funciona, como su nombre indica, saltando rápidamente de una frecuencia a otra. El salto de frecuencia se inventó en diferentes ocasiones a lo largo de la primera mitad del siglo XX, una de ellas por la actriz Hedy Lamarr y el compositor George Antheil. A través de su primer marido (de un total de seis), Lamarr se interesó en el problema de guiar torpedos de una manera que evitara las interferencias y la detección por parte del enemigo. El salto de frecuencia evita la interferencia de banda estrecha, pero para funcionar necesita que emisor y receptor estén perfectamente sincronizados.
Antheil, que había creado la composición Ballet Mécanique para una colección de pianolas sincronizadas ayudó a resolver el problema de la sincronía utilizando un rollo de pianola. A pesar de que la patente a Lamarr y Antheil se concedió en 1942, la importancia del invento no se reconocería hasta los 90, cuando la revolución inalámbrica tuvo lugar.
Espectro ensanchado por secuencia directa en 802.11
La versión de 1997 del estándar 802.11 también permitía velocidades de 1 o 2 Mbps utilizando espectro ensanchado por secuencia directa (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). En vez de mover una transmisión de banda estrecha por distintas frecuencias de la banda de 2,4GHz , DSSS transmite una señal que ocupa un ancho de banda mucho mayor de manera continua. El señal original en una transmisión DSSS es de un ancho de banda reducido comparado con el ancho de banda de la señal de espectro ensanchado DSSS. En transmisión se extiende el señal y en recepción se recupera el señal original utilizando un mecanismo de correlación. En ese proceso, se rechaza la gran mayoría de la interferencia de banda estrecha.
Es un poco como leer un libro en la playa. Los granitos de arena sobre las letras hacen la lectura del texto difícil. Para evitarlo, podríamos llevar un libro con letras grandes y mantenerlo a una distancia mayor que la habitual. Los granitos de arena son más pequeños comparados con el texto de mayor tamaño con lo que la interferencia es menor.
IEEE 802.11-1997 utiliza una tasa de señalización de símbolo de 1MHz, con uno o dos bits por símbolo codificados con una modulación por desplazamiento de fase diferencial binaria o en cuadratura (DBPSK o DQPSK), donde la fase de una señal portadora es desplazada para codificar los bits. Diferencial significa que no es el valor absoluto de la fase lo que importa, sino la diferencia relativa al símbolo anterior. Véase nuestro artículo sobre DOCSIS para más detalles sobre los bits se codifican en símbolos).
La señal DBPSK/QBPSK de 1MHz se multiplica a continuación por una secuencia pseudoaleatoria que contiene 11 "chips" por cada símbolo (una tasa de chip de 11MHz). Al transmitirse sobre el canal, el espectro ocupado por esta señal se ensancha, ya que la tasa de chip es mayor que la tasa de bit. Cuando esa señal de banda ancha sufre una interferencia de banda estrecha, el impacto es leve ya que la mayoría de de la señal transmitida no se ve afectada. El receptor toma la secuencia de chips y la multiplica por la misma secuencia pseudoaleatoria que utilizó el transmisor. Este proceso recupera la señal PSK original.
802.11b: modulación por código complementario
El poder transmitir datos de manera inalámbrica a velocidades algo mayores que 100 kilobytes por segundo es impresionante desde el punto de vista de que funcione, pero para las aplicaciones del mundo real algo más de velocidad no vendría nada mal. Aquí es donde IEEE 802.11b, que especificó velocidades de 5.5Mbps y 11Mbps en 1999, entró en juego.
El simple hecho de incrementar la tasa de símbolo y, con ella, la tasa de chip de DSSS, permitiría mayores tasas de bit pero utilizaría un mayor ancho de banda. En vez de eso, 802.11b codifica bits adicionales en la secuencia de chips DSSS, utilizando un esquema de modulación por código complementario (complementary code keying, CCK). La tasa de 5.5Mbps utiliza 4 secuencias de chip de 8 bits (codificando dos bits), mientras que la tasa de 11Mbps utiliza 64 secuencias (seis bits). Combinados con los dos bits DPSK, esto suma un total de cuatro o 8 bits por símbolo a una tasa de símbolo de 1.375MHz.
Read More:
ars technica/ Gears & Gadgets/Essential toys, tools, and hardware
Recent stories by Iljitsch van Beijnum in ars technica
Back to news archive