Muchas veces nos preguntamos por qué no obtenemos el ancho de banda máximo que puede dar una conexión inalámbrica. La modulación, que normalmente varía automáticamente, tiene mucho que ver, pero hay muchas otras variables. Veamos cómo afectan.
Este artículo lo dividiré en dos partes para explicar las diferentes variables que influyen en el ancho de banda y posteriormente explicar como puede afectar cada uno y reducir el ancho de banda máximo.
Ancho de Banda Máximo
Todos los protocolos y todos los fabricantes publican el máximo ancho de banda que pueden alcanzar sus productos. Los compradores quieren tener el máximo ancho de banda y se fijan en este número, pero para los equipos de conexión inalámbrica, este dato significa poco, ya que normalmente es muy difícil alcanzar esas tasas de transferencia y casi todas las veces se refiere a la tasa de transferencia de datos entre los dos equipos inalámbricos, no a la velocidad que va a tener el usuario.
Ancho de banda bruto y neto
En este artículo de hace algunos años, hablo más en detalle de este concepto y de algunas de las variables que influyen en la diferencia de velocidad bruta y neta. En inglés se conocen como Data Rate y Throughput respectivamente.
Los bits que son enviados por el emisor se encapsulan en paquetes. Estos paquetes tienen unos bits de cabecera donde se le indica al receptor información sobre lo que se está mandando. Como cuando enviamos un paquete por correo, ponemos la dirección del emisor, del receptor, el sello, etc. Esta información es solo útil para el equipo receptor, no para la persona utilizando el enlace, pero ocupa parte de los bits enviados, lo que hace que la eficiencia de un enlace no sea del 100% y que haya una diferencia entre el ancho de banda bruto y el neto.
Tratar que la eficiencia sea lo mayor posible es el quebradero de cabeza de todos los ingenieros que trabajan diseñando protocolos de transmisión. Hay protocolos estándar, como 802.11 (WiFi), Ethernet, IP, telefonía móvil 5G, etc., pero hay muchos que son protocolos propietarios de compañías grandes o pequeñas y estas los utilizan en sus productos. El departamento de ingeniería trabaja mucho para mejorar estos protocolos que son muchas veces la forma de diferenciarse de la competencia. La mayoría de los enlaces punto a punto y punto a multipunto de exteriores para transmisión de datos utilizan estos protocolos al no haber un estándar definido.
Variables que influyen en el ancho de banda bruto
Los estándares de WiFi son muy conocidos y su base es utilizada en muchos enlaces inalámbricos que utilizan protocolos propietarios. Utilizaremos la evolución de esta tecnología para poner ejemplos y ver cómo puede variar el ancho de banda de una conexión. Las variables de las que hablaremos se pueden extrapolar fácilmente a otras tecnologías como la telefonía móvil, enlaces licenciados, WiMax, etc.
Modulación
Creo que ya todos sabemos que WiFi utiliza múltiples modulaciones para hacer la conexión inalámbrica y que estas modulaciones varían automáticamente para adaptar en enlace a cambios de distancia, posición de las antenas, interferencias, etc. Pueden ver más detalles sobre las modulaciones en este artículo y en este otro.
WiFi 6 utiliza modulaciones desde BPSK a 1024-QAM permitiendo anchos de banda que varían de una forma muy notable. Como ejemplo, podemos decir que el ancho de banda de un equipo conectado por WiFi puede variar desde 60 Mbps hasta 1000 Mbps solo cambiando de modulación.
Símbolos
Al utilizar la modulación en una transmisión inalámbrica estamos transmitiendo símbolos, no bits. Cada cambio de estado en una modulación significa un símbolo diferente. Cada modulación puede transmitir un número determinado de bits por símbolo.
El tiempo que dura cada símbolo se define en el protocolo, cuanto más corto es el símbolo se puede mandar más información por segundo, pero es más fácil tener errores.
| Modulación | Bits/Symbol |
|---|---|
| BPSK | 1 |
| QPSK | 2 |
| 16-QAM | 4 |
| 64-QAM | 6 |
| 256-QAM | 8 |
| 1024-QAM | 10 |
Intervalo de Protección (Guard Interval)
Después de enviar cada símbolo, es necesario esperar un tiempo antes de enviar el siguiente símbolo para hacer el enlace más robusto y evitar interferencias. Debido a los multipaths es posible que la información llegue por diferentes caminos y con retraso. Si esta información se solapa con el siguiente símbolo, tendremos errores y la necesidad de retransmitir la información.
Codificación
En este caso llamamos codificación a la técnica de corrección de errores donde utilizamos algunos símbolos enviados para corregir errores en vez de mandar información. Se utilizan varias codificaciones desde ½ (cada dos símbolos 1 es de corrección) hasta 5/6 donde cada 6 símbolos uno es de corrección y 5 de datos.
Ancho de Canal
En WiFi, y en muchos otros protocolos de transmisión inalámbrica, se pueden utilizar canales de ancho diferente, cuanto más grande el canal, más información podemos transmitir, pero implica más interferencia, menos canales disponibles, etc.
Subcarriers OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es una técnica de transmisión que permite dividir cada canal de transmisión en muchos canales más pequeños llamados subcarriers, y cada uno de ellos puede transmitir información diferente sin interferirse entre ellos. Esto tiene múltiples ventajas sobre todo para el tratamiento de las interferencias y para la posibilidad de transmitir sin línea de vista. Cada protocolo utiliza un número específico de subcarriers dependiendo del ancho de canal.
Número de flujos de datos
En muchas de las últimas tecnologías inalámbricas se pueden transmitir varios flujos de datos simultáneamente en el mismo canal, multiplicando el ancho de banda. Esto se hace a través de varias antenas. Esta función es más conocida como MIMO. (Multiple Inputs Multiple Outputs). En el protocolo WiFi más reciente se pueden transmitir hasta ocho flujos simultáneamente.
Ejemplo Práctico
Ya que hemos enumerado las diferentes variables, vamos a poner un ejemplo que nos ayude a comprender como funcionan todos estos parámetros.
Para Wifi 6 o 802.11ax, el máximo ancho de banda que se puede tener es 9,6 Gbps. ¿Cómo llegamos a ese número?
En 802.11ax la duración de cada símbolo es de 12,8 µs y el menor intervalo de protección es 0,8 µs. Por otro lado, la modulación 1024-QAM puede transmitir 10 bits por símbolo. Esto implica que podemos transmitir 10 bit cada 13,6 µs (12,8 + 0,8 µs).
Si transmitimos 10 bits cada 13,6 µs quiere decir que podríamos transmitir (según los cálculos parciales que llevamos) 0,735 Mbit cada segundo. Pero estos datos utilizan la codificación para corrección de errores de 5/6, es decir, de cada 6 bits, solo 5 llevan información y uno se utiliza para corregir errores. Esto nos da un ancho de banda de 0,613 Mbps.
El canal más ancho posible que utiliza WiFi 6 es de 160 MHz y está dividido en 1960 subcarriers, cada uno de ellos transmitiendo, como hemos visto, 0,613 Mbps. Si utilizamos todos los subcarriers nos permitiría transmitir 1,2 Gbps.
Por último, si suponemos que utilizamos el máximo número de flujos de datos que es 8, obtendríamos el número final de 9,6 Gbps. Este es el ancho de banda máximo que se puede transmitir en WiFi 6 o 802.11ax.
En este enlace tienen una explicación bien detallada de cada uno de estos parámetros y la velocidad de transmisión en todos los casos.
Representación de transmisión de información en el estándar 802.11ax
Como hemos visto, en WiFi 6 se puede transmitir un ancho de banda de hasta 9,6Gbps. Para lograr esto necesitamos tener todas las variables al máximo. Cuando vemos información comercial sobre productos de WiFi 6 probablemente nos indique que podemos llegar hasta este ancho de banda, pero es muy importante saber que este ancho de banda es el máximo posible, que es el ancho de banda bruto y que además se requieren una serie de condiciones de instalación, distancias, canales disponibles, obstáculos, etc que muchas veces no son posibles lograr ya que no dependen de nosotros.
En la segunda parte de este artículo detallaré como cambia ese ancho de banda máximo, que valores reales podemos llegar a tener con diferentes distancias y modulaciones y como se ve afectado el ancho de banda real o neto por el tipo de información que nosotros mandemos, puesto que, como clientes veremos en nuestras redes u ordenadores un ancho de banda máximo siempre menor a esos 9,6 Gbps máximo que hemos calculado.
