3º Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas
Sensibilidad a la distancia en comunicaciones inalámbricas
Autores: Germán Díaz de Rada Alesanco y Jessica Garrido Vega
Fecha: 10 de mayo de 2010
Objetivos
El objetivo principal de este trabajo, es medir, en la medida de lo posible, cómo afecta la distancia a las comunicaciones inalámbricas, en este caso, las tecnologías Bluetooth y Wi-Fi.
Intentaremos averiguar y explicar, las distintas causas que debilitan o anulan las señales de estas tecnologías, a fin de proporcionar información suficiente para poder establecer una comunicación satisfactoria.
El trabajo está divido en dos partes, una para el Wi-Fi y otra para el Bluetooth, sin embargo en ambas procederemos de la misma manera al realizar las pruebas de sensibilidad.
Teoría básica
Para poder realizar las pruebas de sensibilidad debemos tener en cuenta qué es el Wi-Fi y el Bluetooth, para ello introducimos a continuación una breve definición de cada uno de ellos.
Wi-Fi.Principios de funcionamiento del Wi-Fi
Wi-Fi es un sistema de envío de datos sobre redes computacionales que utiliza ondas de radio en una banda del espectro electromagnético que no requiere licencia para su uso. Puede ser considerado como la versión inalámbrica de Ethernet, pues la diferencia reside en cómo se transmiten dichas tramas.
Cuando hablamos de WIFI nos referimos a una de las tecnologías de comunicación inalámbrica median te ondas más utilizada hoy en día, también llamada WLAN (wireless LAN, red inalámbrica) o estándar IEEE 802.11, del que existen varias revisiones que detallaremos más adelante.
En contra de lo que se puede pensar, WIFI no es una abreviatura de Wireless Fidelity (así como Hi-Fi lo es de High Fidelity), simplemente es un nombre comercial.
Wi-Fi.Estándares
| Estándar | Frecuencia (GHz) | Velocidad máxima (Mbps) |
| IEEE 802.11a | 5,1-5,8 | 54 |
| IEEE 802.11b | 2,4-2,5 | 11 |
| IEEE 802.11g | 2,4-2,5 | 54 |
| IEEE 802.11n | 2,4-2,5 y 5,1-5,8 | 600 |
El estándar 802.11a permite, en teoría velocidades máximas de 54 Mbps. Nada más lejos de la realidad, puesto que trabaja en la banda de 5 MHz, cuyas frecuencias sufren mucha atenuación, por lo que para tener una velocidad de transmisión cercana a los 25 Mbps sería necesario que el receptor estuviera cerca del punto de acceso y que la señal pudiera llegar directa.
El estándar 802.11b trabaja en una banda de frecuencias diferente al estándar anterior, por lo que no es compatible con él. Sin embargo, al igual que el estándar anterior, sus señales tienen un ancho de banda de 22 MHz distribuidos en 5 canales de 5 MHz. Como estas redes disponen de 13 canales, si no queremos que la señal se solape debemos utilizar los canales 1,6 y 11.
El estándar 802.11g ofrece compatibilidad con el 802.11b, por lo que podemos tener una red inalámbrica que esté formada por dispositivos de los dos tipos, sin embargo, la velocidad de transmisión de los dispositivos 802.11g se reducirá sensiblemente, debido a la diferencia en las velocidades máximas de transmisión de uno y otro estándar (54 Mbps para el 802.11g y 11 Mbps para el 802.11b).
Por último, el estándar 802.11n puede trabajar indistintamente a una frecuencia de 2,4 GHz ó 5 GHz, y su velocidad supera con creces las revisiones anteriores, además de ser compatible con todas ellas.
Wi-Fi.Clasificación de los dispositivos Wi-Fi según su función
Existen varios dispositivos que permiten interconectar elementos Wi-Fi, de forma que puedan interactuar entre sí. Los podemos clasificar según su función:
- Emisores de señal Wi-Fi: routers, puntos de acceso, hubs y switches
- Receptores de señal Wi-Fi: tarjetas PCI, tarjetas PCMCIA, tarjetas USB, y además de impresoras cámaras web y distintos periféricos
Wi-Fi.Seguridad
Debido a que las redes Wi-Fi no utilizan una conexión física, tiene sentido hablar del concepto de seguridad, puesto que las tramas Ethernet no viajan por cable, sino por ondas de radio transmitidas por el aire, y por tanto, susceptibles de ser captadas por cualquier equipo dentro del alcance del punto de acceso, ajeno a la propia red. Para evitar esto, hay diferentes mecanismos de seguridad:
- Ocultar el SSID: Las redes inalámbricas emiten mensajes con su identificador de red. Si desactivamos esta opción, el punto de acceso dejará de emitir esos mensajes. Sin embargo ante la petición de un dispositivo, la red responde con su SSID aunque la opción esté desactivada, por lo que la seguridad de la red no mejora en gran medida.
- Filtrar por direcciones físicas (MAC): Otra posibilidad es aplicar un filtro al punto de acceso, para que sólo se puedan conectar a él los equipos cuya MAC podemos especificar. Tampoco es la mejor opción, puesto que podría haber un equipo ajeno a la red escuchando los paquetes que en ésta se envían, y averiguar así, las direcciones MAC de los equipos, para luego suplantarlas y obtener así acceso a la red
- Cifrar la información que viaja por la red: Para evitar que equipos ajenos a la red escuchen los paquetes que
viajan por ella, la mejor medida es cifrar la información, de manera que solo los equipos de la propia red la
comprendan. Disponemos de tres tipos cifrado en las redes WI-Fi
- WEP (Wired Equivalent Privacy): Fue el primero que apareció con las redes Wi-Fi, y hoy en día, se desaconseja su uso por ser el más fácil de comprometer
- WPA (Wi-Fi Protected Access): Para mejorar la seguridad que ofrecía el sistema WEP, se desarrolló WPA. La principal característica es que gracias al protocolo TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) no es necesario cambiar el hardware de red
- WPA2: Implementa un algoritmo de cifrado basado en AES (Advanced Encryption Standard) lo que dota a WPA2 de una gran seguridad, haciéndolo el tipo de cifrado recomendado hoy en día.
Bluetooth. Principios de funcionamiento del Bluetooth
Bluetooth es un protocolo de comunicaciones diseñado por una asociación comercial formada por especialistas en telecomunicaciones, informática y redes.
Su funcionamiento consiste en una tecnología de ondas de radio de corto alcance que pretende simplificar las comunicaciones y la sincronización entre dispositivos informáticos.
Cada dispositivo Bluetooth está compuesto por dos partes:
- Un dispositivo de radio, que se encarga de modular y transmitir la señal.
- Un controlador digital, que está compuesto por:
- Una CPU encargada de atender las instrucciones relacionadas con el Bluetooth del dispositivo emisor para simplificar la operación que va a realizar. Para conseguirlo esta CPU tiene un software denominado Link Manager cuya función consiste en comunicarse con otros dispositivos por medio del protocolo LMP.
- Un Link Controller (controlador de enlace), encargado de efectuar el procesamiento de la banda base, de manejar las funciones de transferencia, los protocolos ARQ FEC pertenecientes a la capa física, de la codificación del audio y del cifrado de datos.
- Unos interfaces con el dispositivo emisor.
Bluetooth. Clasificación de los dispositivos Bluetooth según su potencia y distancia
El Bluetooth permite que dos dispositivos se puedan comunicar sin tener que estar alineados, e incluso con obstáculos interrumpiendo la conexión. Pero se debe tener en cuenta la distancia entre ambos, ya que dependiendo del grupo al que pertenezcan alcanzan una u otra, como muestra la siguiente tabla:
| Clase | Potencia máxima permitida (mW) | Potencia máxima permitida (dBm) | Rango |
| Clase 1 | 100 | 2.5 | 1 |
| Clase 2 | 20 | 4 | 0 |
| Clase 3 | 100 | 25 | 1 |
También es posible extender la cobertura de los dispositivos, como ocurre en el caso en que uno de clase 1 se desee conectar a uno de clase 2, ya que como el primero posee mayor sensibilidad y potencia de transmisión permite que la señal llegue con una energía superior hasta el de clase 2. Lo mismo ocurre en el caso contrario, ya que al tener mayor sensibilidad el dispositivo receptor hace que se pueda recibir la señal del de clase 2 aunque sea más débil.
Bluetooth. Clasificación de los dispositivos Bluetooth según su ancho de banda
Otra forma de clasificar los dispositivos Bluetooth es considerando su ancho de banda. Con ello diferenciamos dos versiones, la 1.2 y la 2.0 como se puede observar en la siguiente tabla:
| Versión | Ancho de banda |
| 1.2 | 1 Mbit/s |
| 2.0 | 3 Mbit/s |
Bluetooth. Seguridad
Al transmitirse la información por el aire, existen como en el caso del WiFi distintos modos de seguridad como son:
- Sin seguridad: En este caso no están habilitados mecanismos de seguridad como son la autentificación y el cifrado. Y además con esta opción el dispositivo permite que otros dispositivos con Bluetooth se conecten a él directamente.
- En el nivel de Servicios: Al seleccionar este tipo de seguridad no se requiere autentificación. Se establece un canal entre el nivel LM y el L2CAP, los cuales se pueden observar en el dibujo adjunto a continuación. Con esta seguridad se puede además controlar el acceso tanto a dispositivos como a los servicios que ofrecen éstos, consigiendo con la modificación de las políticas de seguridad y los niveles de confianza gestionar el acceso a distintas aplicaciones.
- En el nivel de Link: En esta seguridad se utiliza autentificación PIN y seguridad MAC. Las rutinas están introducidas en el Bluetooth, por ello la seguridad se inicia previamente al establecimiento del canal. Su funcionamiento consiste en que al intentar iniciar la transmisión por primera vez entre dos dispositivos se comparte una clave de enlace o linkado privada entre ellos.
Wi-Fi.Configuración de partida
Para realizar las pruebas de sensibilidad Wi-Fi, vamos a utilizar un ordenador portátil y un router wifi. Las características hardware son las siguientes (para el caso del portátil, hemos usado el software Everest).
Portátil:
Características del portátil (1) (Pulsar para ver en grande)
Características del portátil (2) (Pulsar para ver en grande)
Router:
- 4 Puertos Ethernet, WiFi ADSL y ADSL 2, Tecnología WiFi 802.11g (hasta 54 Mbps)
- Apto para 4 conexiones Ethernet más WiFi
- Compatible con Windows 98, SE, ME, 2000, Xp, Vista, Mac y Linux
- Características adicionales:
- UpnP, Punto de acceso 802.11g integrado, Compatible con 802.11b, WPA y 802.1x, Cliente RADIUS
- Filtrado de direcciones IP/ MAC, Funciones de encaminamiento ruta estática / RIP / RIP v2
- Asignación IP dinámica, QoS (Calidad de servicio), IP NAT/PAT, Proxy IGMP, Servidor / retransmisión / cliente DHCP
- Proxy DNS, Configuración PVC automática, QoS (Calidad de servicio) a nivel de paquete por VC, Hasta 8 VC
- Agente SNMP insertado, Administración basada en la Web, Configuración y actualización remotas
- Copia de seguridad y restauración de la configuración, Servidor FTP, Servidor TFT
Bluetooth.Configuración de partida
En el caso del Bluetooth hemos utilizado dos teléfonos móviles provistos de Bluetooth 2.0, en los que hemos establecido una conexión utilizando seguridad a nivel de Enlace.
No utilizamos ningún tipo de software adicional, salvo el que está instalado en los móviles de antemano.
Wi-Fi.Desarrollo
Una vez tenemos unas nociones básicas del funcionamiento de la tecnología Wi-Fi y hemos descrito las características básicas de los dispositivos que vamos a utilizar para realizar las pruebas de sensibilidad, vamos a proceder directamente a realizarlas.
Disponemos del montaje de la figura siguiente:
En el ordenador PC0 tenemos una carpeta compartida, con un archivo de 195 MB. Vamos a proceder a descargar ese archivo en el portátil GERMAN1, para comprobar la velocidad de descarga.
El portátil se conectará al router mediante el estándar 802.11g cuya velocidad máxima teórica es de 100 Mbps (lo que nos daría una tasa de transferencia máxima de 12,5 MBps). El ordenador PC0 está conectado al router mediante Fast Ethernet, cuya velocidad máxima teórica de transferencia de 100 Mbps.
Para intentar averiguar en qué medida afecta la distancia al punto de acceso, a la velocidad de descarga, vamos a realizar la prueba a una distancia de 2.5 m, 5 m y posteriormente 10 m. En este caso, habrá visibilidad directa, para intentar maximizar la velocidad. En un segundo paso, repetiremos las pruebas con las mismas distancias, pero esta vez sin visibilidad directa.
Visibilidad directa
A una distancia de 2.5 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 11 SEGUNDOS 06 CENTÉSIMAS
A una distancia de 5 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 09 SEGUNDOS 40 CENTÉSIMAS
A una distancia de 10 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 09 SEGUNDOS 80 CENTÉSIMAS
Sin visibilidad directa
A una distancia de 2.5 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 19 SEGUNDOS 30 CENTÉSIMAS
A una distancia de 5 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 15 SEGUNDOS 60 CENTÉSIMAS
A una distancia de 10 m con el punto de acceso, el tiempo transcurrido para la transferencia del archivo ha sido de 1 MINUTO 40 SEGUNDOS 50 CENTÉSIMAS
Con el fin de profundizar un poco más en la sensibilidad a la distancia y los obstáculos de las redes Wi-Fi, hemos usado un programa llamado HeatMapper, que nos genera un mapa de frecuencias, con el alcance de la red wifi. Su uso es sencillo; usando una imagen con el plano de nuestro piso y caminando con el portátil en la mano, mientras vamos señalando en el mapa nuestra ubicación. Al final, el resultado obtenido es un mapa como el siguiente:
Como podemos observar, la señal decrece con la distancia, incluso si nos fijamos, es posible detectar que alguna banda de frecuencia, tiene un límite que coincide con una pared, por lo que es factible pensar que éstas influyen en gran medida en la transmisión de la señal.
Bluetooth.Desarrollo
Primer paso
Para comenzar las pruebas hemos introducido un archivo de 21KB en uno de los teléfonos móviles. Así enviaremos siempre el mismo número de bytes y podremos calcular el tiempo de envío de forma más fiable.
Segundo paso
Tras tener el archivo en uno de los teléfonos alejamos uno de otro 10 metros en linea recta y sin obstáculos entre ellos, y procedemos a enviar dicho archivo. La transmisión dura 2 segundos y 50 centésimas
Tercer paso
Para comprobar como afecta la distancia al envío, aproximamos los móviles, poniéndolos a una distancia de 5 metros. En este caso el tiempo de transmisión es de 1 segundo y 68 centésimas.
Cuarto paso
Acercamos un poco más los teléfonos móviles para concluir con la comprobación de la sensibilidad a la distancia, a 2,5 metros. En este caso se ha tardado en enviar 1 segundo y 76 centésimas. Como se puede comprobar es un tiempo superior al paso anterior, esto puede ser debido a diversos motivos como pueden ser interferencias con otros aparatos que estén próximos a la conexión, y en ese caso disminuye el rendimiento de forma considerable.
Quinto paso
Ahora pasamos a comprobar que ocurre si se interponen obstáculos entre ambos móviles, como pueden ser paredes u otros objetos. Para ello también iremos modificando la distancia entre los dos teléfonos comenzando con 2,5 metros. En esta ocasión el tiempo utilizado para transmitir el archivo es de 1 segundo y 67 centésimas.
Sexto paso
A continuación separamos los dispositivos utilizando aún varios obstáculos como en el paso anterior, a 5 metros. En este caso se ha utilizado en el envío un tiempo de transmisión de 1 segundo y 74 centésimas.
Séptimo paso
Por último separamos los dos móviles una distancia de 10 metros y con obstáculos que interponen la transmisión. El resultado es que el teléfono emisor nos indica que no puede transmitir el archivo ya que el teléfono receptor no está en el alcance de éste. Esto puede ser porque cuanta más distancia hemos utilizado más obstáculos ha habido entre los dos teléfonos
Conclusiones y recomendaciones
Wi-Fi.Conclusiones
Como podemos comprobar con los resultados obtenidos tras las pruebas, las velocidades de conexión distan mucho de las máximas teóricas especificadas en la revisión del estándar usado, 802.11g.
Esto es debido a multitud de factores, como por ejemplo las interferencias. Aún en el caso de que exista visibilidad directa con el punto de acceso, puesto que se utilizan ondas de radio para transmitir las tramas Ethernet, la señal puede verse afectada por ondas generadas por otros aparatos electrónicos que emitan en la misma banda de frecuencias.
También hemos de tener en cuenta, que al existir otras redes wifi que utilicen el mismo canal (el 11 en nuestro caso), el rendimiento de cada una de ellas se ve seriamente afectado.
Bluetooth.Conclusiones
En el caso del Bluetooth hemos visto en la descripción inicial que si utilizamos un dispositivo con Bluetooth 2.0 se corresponde a un ancho de banda de 3Mbits/s. Pero al realizar las pruebas con un archivo pequeño como es de 21Kbits, en cuyo caso debería enviarse en un corto periodo de tiempo, ha tardado mucho más de lo esperado.
Esto es debido entre otras cosas a la distancia, y a las interferencias en general, ya que por ejemplo si se transmite cerca de una televisión, las ondas que transmite ésta pueden interferir con el envío del archivo, como ocurre en uno de los casos de la prueba.
Por otra parte, tambien se puede comprobar lo que influyen los obstáculos entre los dispositivos al realizar el envío, ya que como se pudo observar en una prueba, con una distancia de tan sólo 10 metros no se ha podido transmitir el archivo.
Wi-Fi.Recomendaciones
Si queremos disponer de una red Wi-Fi maximizando su velocidad, es bueno tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
- El punto de acceso debe estar en un lugar elevado, para evitar obstáculos que se interpongan en la señal.
- Si queremos tener una red que comprenda mucha superficie, debemos de instalar algún elemento amplificador de la señal , para que la señal llegue a todos los puntos
- Desactivar otros aparatos electrónicos que emitan ondas que pueden provocar interferencias, como algunos teléfonos inalámbricos, microondas y algún otro electrodoméstico.
- Escoger el canal óptimo de transmisión. Esto es, podemos elegir un canal alternativo que no esté tan saturado, pues lo normal es que las redes Wi-Fi trabajen en los canales 1, 6 ó 11.
Bluetooth.Recomendaciones
Para efectuar un envío correcto de un archivo de un dispositivo Bluetooth a otro, se debe:
- Evitar otros dispositivos electrónicos , ya que así no provocarán interferencias en el envío, como en el caso que ocurre en nuestra prueba.
- Evitar obstáculos , como pueden ser paredes u otros objetos para que no interrumpan el envío del archivo.
- Y en la medida de los posible, acercar los dispositivos para tener una mejor transmisión.
Enlaces/Bibliografía
- http://es.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi
- http://www.aulaclic.es/articulos/wifi.html
- Tecnología y Hardware de Computadores
- http://es.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
- http://tecnyo.com/%C2%BFque-es-bluetooth/
- http://www.masadelante.com/faqs/que-es-bluetooth
- http://bluehack.elhacker.net/proyectos/bluesec/bluesec.html
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