miércoles, 16 de diciembre de 2009

2. Wi-Fi y Bluetooth, fundamentos de interferencia

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Wi-Fi (802.11b) y Bluetooth, descripción

Bluetooth fue diseñado como una tecnología de radiofrecuencia para reemplazar al cable: Bajo costo, velocidad moderada y corto alcance (< 10 metros). Puede soportar piconets de hasta ocho dispositivos activos, con un máximo de tres links orientados a conexión sincronos (SCO synchronous connection-oriented). Los SCO links están diseñados para dar soporte a aplicaciones sincronas como telefonía inalámbrica y headsets inalámbricos. Bluetooth también soporta tipos de datos asíncronos sin conexión (ACL asynchronous connectionless) usados para intercambiar datos en aplicaciones en la que no es critico el tiempo. La capa física de Bluetooth usa frecuency-hoping spread spectrum (FHSS) a una tasa de 1600 hops/s y modulación Gaussian frecuency shift keying (GFSK). Basado en las aplicaciones consideradas para la tecnología wireless de Bluetooth la mayoría de los dispositivos Bluetooth transmiten a una nivel de potencia de 1 mW (0 dBm) con un a tasa de transferencia sin procesar de 1 Mb/s.

Como Ethernet, Wi-Fi soporta verdaderas redes multipunto con tipos de datos como paquetes Broadcast, Multicast y Unicast. La MAC address dentro de cada dispositivo permite virtualmente un numero de dispositivos activos en la red. Estos dispositivos realizan contienda para acceder al medio (el aire) utilizando un esquema llamado Carrier Sense Múltiple Access with collision avoidance (CSMA/CA). La capa física de Wi-Fi utiliza Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) a cuatro diferentes tasas de datos utilizando una combinación de binary phase-shift keying (DBPSK) para 1 Mb/s, differential quaternary phase-shift keying (DQPSK) para 2 Mb/s, y QPSK/complementary code keying (CCK) para velocidades mayores: 5.5 and 11 Mb/s. LA potencia de la radio frecuencia puede variar, pero esta típicamente entre 30 y 100 mW (hasta 20 dBm) en la mayoría de los sistemas WLAN comerciales.
Wi-Fi y Bluetooth compartiendo la misma banda de frecuencia
Los sistemas de comunicación wireless usan una o mas frecuencias portadoras (bandas de frecuencia) para comunicarse. Bluetooth y Wi-Fi comparten al misma banda de 2.4 GHz, la cual bajo las regulaciones de Federal Communications Commission (FCC), se extiende de 2.4 hasta 2.4835 GHz. Bajo las reglas de la banda ISM definidas en FCC Part 15.247, esta banda de frecuencia es libre de tarifas. Sin embargo estos sistemas deben operar bajo ciertas restricciones cuyo propósito es permitir que varios sistemas coexistan en tiempo y espacio.
Un sistema puede usar uno de dos métodos para trasmitir en esta banda; ambos son técnicas spread spectrum (SS). La primera es frequency hopping spread spectrum (FHSS) que permite a un dispositivo trasmitir mucha energía en una banda relativamente estrecha, pero por un tiempo limitado. Direct sequence spread spectrum (DSSS) le permite a un dispositivo ocupar un ancho de banda mas amplio con relativa poca energía en un segmento de banda dado y no realiza hops.
Como se dijo anteriormente, Bluetooth selecciono FHSS, usando canales de 1 MHz de ancho y una tasa de hop de 1600 hops/s (625 microsegundos en cada canal de frecuencia). Bluetooth usa 79 canales diferentes en los Estados Unidos y en la mayoría del resto del mundo. IEEE 802.11b (Wi-Fi) opto por DSSS, usando 22 MHz de ancho de banda (pasabanda) para transmitir a velocidades de hasta 11 Mb/s. Un sistema Wi-Fi puede usar cualquiera de los 11 22 MHz ancho subcanales a través de los aceptables 83.5 MHz de los 2.4 GHz de la banda de frecuencia, que obviamente va a resultar en un solapamiento de los canales. Un máximo de tres redes Wi-Fi pueden coexistir sin interferir la una con la otra, dado que solo tres de esos canales de 22 MHz pueden encajar en la banda sin solapamiento. En lugares fuera de los Estados Unidos pueden soportar más o menos de 11 subcanales. Sin embargo sin importar en la porción de la banda donde Wi-Fi opere, compartir con Bluetooth es inevitable. Dos sistemas inalámbricos compartiendo la misma banda de frecuencia pueden potencialmente interferir el uno con el otro.
Señales y ruido
Cada sistema de comunicación inalámbrico, por definición, consiste de al menos dos nodos. A cualquier momento dado un nodo transmite (transmisor) y el otro recibe (receptor). Ambos estaciones 802.11b y Bluetooth transmiten o reciben, pero no ambas a la vez (sistemas half-duplex); existen otros sistemas donde una estación transmite y recibe a la vez (sistemas full-duplex); la siguiente discusión aplica a ambos tipos de sistemas. Una operación exitosa del sistema depende en la habilidad del receptor para separar la señal deseada de una señal no deseada. Esto depende de la relación entre al energía de la señal deseada y el ruido total (interferencia) en la antena del receptor. Esta relación es referida como Eb/Nt (energía por bit sobre el ruido total) o relación señal a ruido (signal to noise ratio SNR). El trabajo del receptor es maximizar la habilidad para descodificar las señales deseadas mientras minimiza la habilidad de permitir las señales no deseadas (ruido) de interferir. Una de las más importantes características de un sistema de comunicación es la mínima SNR en la cual el receptor puede descodificar la señal (el umbral Eb/Nt del sistema). Mientras menor sea el umbral Eb/Nt mayor es la inmunidad del sistema a la interferencia. Mientras menor sea la SNR, es mayor la probabilidad que la señal no deseada cause errores no aceptables en los paquetes de datos que obligan la retransmisión (y los retrasos inherentes en ese proceso) o afectar la calidad de la voz. También hay situaciones donde el ruido es tan fuerte que el receptor no puede empezar a recuperar la señal deseada.

El ruido en la antena del receptor puede ser dividido en dos categorías, definidas aquí e ilustradas en la figura 1:
  • Ruido en la banda: energía no deseada en frecuencias en la que el transmisor transmite la señal deseada.
  • Ruido fuera de banda: Energía no deseada en frecuencias que el transmisor no usa.
Ambos ruidos, en la banda y fuera de la banda, pueden degradar el rendimiento de un sistema de comunicación inalámbrico. Ruido fuera de banda puede usualmente ser filtrado porque la energía en el sistema de frecuencia de bandas no lleva ninguna información útil ahí. Ruido en la banda, como se discutirá en secciones siguientes es mucho mas problemático.

El ruido puede ser categorizado como blanco o coloreado. El ruido blanco por lo general describe el ancho de banda (por ejemplo mas ancho que la señal deseada) interferencia de múltiples fuentes sin ninguna coordinación entre ellas. Puede ser modulado como un proceso Gausiano aleatorio donde muestras sucesivas del proceso están estadísticamente no relacionadas. Típicamente la energía asociada con el ruido blanco es distribuida de manera equitativa sobre la banda de frecuencia y no tiene ningún comportamiento deterministico sobre el tiempo o frecuencia. El ruido coloreado es usualmente de banda estrecha (por ejemplo relativo a la señal deseada) interferencia transmitida por radiadores intencionales, y tiene un comportamiento especifico en tiempo y frecuencia. La figura 2 ilustra las diferencias entre ruido blanco y coloreado.
La mayoría de los sistemas inalámbricos de comunicación asumen que el único tipo de ruido en la banda es ruido blanco. Oros radiadores intencionales se asumen que se transmiten fuera de banda. El diseño del receptor con sus técnicas asociadas de filtreo están optimizadas en base a estas suposiciones. Utilizaremos el término radiador intencional para diferenciar señales deliberadamente emitidas para comunicar de aquellos que son emisiones espurias. Desafortunadamente hay dos radiadores intencionales tales como Bluetooth y Wi-Fi compartiendo la misma banda de frecuencia, receptores también deben manejar el caso de ruido coloreado en la banda.

Se supone que cada transmisor transmite solo dentro de un ancho de banda limitado; sin embargo, esto no es físicamente posible sin inyectar ruido a las frecuencias adyacentes (señales de banda lateral) como se muestra en la figura 3. La cantidad y la naturaleza de las señales de banda lateral creadas durante la transmisión están determinadas por lo que se llama mascara de transmisión del transmisor. Las señales de la banda laterales deben ser consideradas cuando se evalúa la interferencia entre sistemas inalámbricos compartiendo la misma banda de frecuencia. Además los filtros de los receptores no pueden ser perfectamente rectangulares, esto quiere decir que el filtro no puede diferenciar con precisión entre señal y ruido justo dentro y fuera del pasabanda. El impacto combinado de estas mascaras del transmisor y el receptor es lo que se conoce como adjacent channel interference (interferencia adyacente del canal)
Bluetooth y Wi-Fi Casos de Interferencia

Si Bluetooth y Wi-Fi operan al mismo tiempo en la misma banda de frecuencia, ellos van a interferir (colisionar) el uno con el otro. Específicamente, estos sistemas transmiten en frecuencias solapadas (incluyendo el efecto de las bandas laterales), creado ruido coloreado en la banda de uno y del otro. La interferencia entre Bluetooth y Wi-Fi ocurre cuando cualquiera de los siguiente es verdad:
  • Un receptor Wi-Fi siente una señal Bluetooth al mismo tiempo que una señal Wi-Fi esta siendo enviada hacia el. El efecto es mas pronunciado cuando la señal Bluetooth esta dentro los 22 MHz ancho pasabanda del receptor Wi-Fi.
  • Un receptor Bluetooth siente una señal Wi-Fi al mismo tiempo que una señal Bluetooth esta siendo enviada hacia el; el efecto es mas pronunciado cuando una señal Wi-Fi esta dentro de la pasabanda del receptor Bluetooth.
Vale la pena notar que ni Bluetooth ni Wi-Fi fueron diseñados con mecanismos específicos para combatir la interferencia que uno crea en el otro. Como un sistema de rápido salto en frecuencia (fast frequency-hopping), Bluetooth asume que el va saltar lejos de canales malos, minimizando su exposición a la interferencia. La capa MAC de Wi-Fi, la cual esta basada en el protocolo de Ethernet, asume que varias estaciones comparten el mismo medio, y en consecuencia, si una transmisión falla, es porque dos estaciones Wi-Fi intentaron transmitir a la vez. Mas adelante en este articulo examinaremos como esta suposición conlleva al comportamiento del sistema que empeora el impacto de la interferencia de Bluetooth
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Fuente: http://www.ldc.usb.ve/~figueira/Cursos/redes2/EXPOSICIONES/Wi-Fi_Bluetooth/Informe/fundamentointerferencia.htm

3 comentarios:

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  2. una pregunta, porque cuando conecto muchos dispositivos al punto de acceso, la señal del wifi disminuye?

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  3. Porque no responden la pregunta de arriba?

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