Implementare 802.11 ac. Rivoluzione o evoluzione?

La crescente esigenza di larghezza di banda wireless è lo stimolo principale allo sviluppo di nuovi standard per aumentare la capacità e le prestazioni e, nello stesso tempo, risolvere il problema delle reti congestionate. Il nuovo standard che ha fatto la comparsa sul mercato – IEEE 802.11ac – è stato appena ratificato (7 gennaio 2014). Alcuni prodotti che supportano questo nuovo standard sono già stati presentati e altri si aggiungeranno nei prossimi mesi. Le aziende devono quindi decidere quando implementare 802.11ac e come pianificarne l’introduzione per realizzare la transizione nel momento più opportuno. Questa decisione può essere diversa da una società all’altra e dipenderà sia dalle esigenze attuali che dalla visione a lungo termine. Per far sì che le organizzazioni a cui appartengono possano prendere le decisioni più corrette nel momento giusto, i responsabili della rete hanno bisogno di comprendere bene cosa offre la nuova tecnologia e le varie opzioni disponibili per l’adozione. Questo documento descrive la tecnologia che sta dietro allo standard 802.11ac, i benefici potenziali che offre e i fattori che dovrebbero essere presi in considerazione dai tecnici che dovranno decidere e pianificare lo sviluppo futuro della loro rete.

A cura di Fluke Networks

La necessità di maggiore capacità nella rete wireless

La crescente esigenza di mobilità da parte degli utenti e di protocolli che non prevedano la connessione fisica ha determinato una conseguente e inarrestabile crescita di richiesta di maggiore capacità per la rete wireless aziendale. Sia che usino laptop o tablet, forniti dall’azienda o dispositivi propri (BYOD), gli utenti si aspettano che le prestazioni delle applicazioni mobili tengano il passo con quelle delle corrispondenti applicazioni cablate.

La diffusione dell’utilizzo del sistema wireless per uso professionale o privato è ben rappresentato dalla crescita nelle vendite degli apparati. Mentre le vendite dei PC sono fiacche, le spedizioni a livello mondiale degli apparati Wi-Fi consumer sono state pari ad oltre 43,3 milioni alla fine del 1Q 2013 secondo ABI Research, con un incremento del 16,8 % rispetto all’ultimo trimestre del 2012. Allo stesso tempo stiamo assistendo alla crescita delle applicazioni VoIP (Voice over IP) in ambito aziendale, crescita dovuta alla tecnologia, che diventa sempre più matura e all’esigenza di abbattere i costi.

Con una singola infrastruttura di rete, le organizzazioni possono – almeno in teoria – ridurne i costi associati alla manutenzione e alla gestione.

Per contro, l’utilizzo della stessa infrastruttura wireless per supportare i servizi voce e dati, ha come impatto negativo l’aumento del traffico che su di essa deve essere veicolato. L’introduzione della tecnologia VoIP, inoltre, fa sì che altre applicazioni assetate di banda come voce e video siano dirottate sull’infrastruttura wireless. Anche l’avvento del 4G avrà come conseguenza un inevitabile aumento nel numero delle chiamate VoIP fatte da dispositivi portatili, perché questo è il solo tipo di comunicazione offerto dalla tecnologia di rete moderna.

Queste ulteriori esigenze per la rete LAN senza fili (WLAN) hanno creato un aumento della pressione per la riprogettazione e l’aggiornamento dell’infrastruttura wireless affinché fornisca maggiore banda ad alta velocità. Un’alternativa per incrementare la banda potrebbe essere quella di aumentare il rapporto di compressione del segnale audio, ma così facendo ogni pacchetto perso avrà un’incidenza molto maggiore sulla qualità della conversazione. Le esigenze sempre più pressanti da parte degli utenti hanno portato anche ad un maggiore livello di congestione nello spettro dei 2,4 GHz, e questo comporta un maggior grado di interferenza che, a sua volta, determina un effetto negativo sul livello globale di soddisfazione.

L’introduzione di un nuovo standard: 802.11ac

Con lo scopo di risolvere i problemi di congestione e soddisfare la necessità diffusa di maggiori velocità operative, IEEE ha sviluppato il nuovo standard 802.11ac per la tecnologia WLAN. Vediamo ora come il nuovo standard riesce a soddisfare queste esigenze. Per prima cosa sposta il traffico wireless dalla banda dei 2,4 GHz a quella dei 5 GHz. Almeno per adesso, questa banda è meno impegnata e questo dovrebbe portare significativi vantaggi per gli utenti. Poi dichiara di fornire “maggiore velocità di throughput a maggiore distanza” – ed è per questo che la nuova versione dello standard è anche identificata come VHT (Very High Throughput). In sintesi significa garantire velocità di cifra maggiore su una connessione wireless, aumentando l’efficienza spettrale, mantenendo le tecniche introdotte in 802.11n e attraverso l’adozione di:

  • Canali più larghi
  • Modulazione e codifica più spinta
  • Beamforming
  • MIMO multiutente
  • Maggior numero di flussi spaziali

Canali più larghi

Il protocollo wireless 802.11n ha introdotto i canali a 40 MHz, un significativo incremento rispetto ai canali da 20 MHz degli standard precedenti. In teoria, con 802.11n si possono utilizzare fino a 14 canali. In pratica, per evitare interferenze, se ne possono usare solo tre o quattro. Se c’è conflitto tra canali (interferenza), le prestazioni della rete subiscono un forte calo.

* DFS – Dynamic Frequency Selection – Per evitare interferenze con i radar meteorologici

      Tabella 1 – Canali 802.11ac disponibili

Una delle soluzioni più importanti per mezzo delle quali 802.11ac riesce a raggiungere l’obiettivo di velocità, è quella di utilizzare canali da 80 MHz e, opzionalmente, canali da 160 MHz. L’alta velocità che si ottiene ha, comunque, un prezzo da pagare: meno canali disponibili sulla banda dei 5GHz.

Il funzionamento esatto del sistema dipende anche dalla nazione in cui verrà utilizzato perché esistono varie regole su come può essere utilizzata la banda dei 5 GHz (vedi Tabella 1). Negli Stai Uniti a fronte di un massimo di cinque canali da 80 MHz tra cui scegliere, attualmente è possibile utilizzarne tre. In caso di raddoppio ulteriore, a fronte di due canali da 160 MHz disponibili, sarà possibile utilizzarne probabilmente solo uno. I canali non sovrapposti da 20 KHz sono invece 13 in totale.

In Europa 802.11ac ha quattro canali da 80 MHz disponibili e due da 160 MHz. A titolo di confronto ricordiamo che i canali disponibili non sovrapposti a 20 MHz sono 19. Dobbiamo anche considerare che i canali da 160 MHz sono un’opzione e, tipicamente, la massima aggregazione di canali sarà ancora da 80 MHz. In ogni caso si riduce significativamente la disponibilità di canali non sovrapposti disponibili nella banda 5 GHz UNII.

Da sottolineare anche che se non si utilizza DFS (Dynamic Frequency Selection), in Europa i canali disponibili da 80 MHz scendono ad 1 e negli USA a 2, quindi il supporto della tecnica DFS negli AP e nei dispositivi client diventa una necessità quando si vuole efficacemente utilizzare 802.11ac.

Modulazione e codifica più spinta

802.11ac introduce una tecnica di modulazione di ordine superiore con l’utilizzo di 256QAM. Questa tecnica aumenta il numero di bit che possono essere codificati in un singolo simbolo e può fornire fino al 33% di incremento nel bit rate. Comunque richiede un diverso progetto del trasmettitore e del ricevitore e la realizzazione dello stadio RF degli apparati è molto più impegnativa.

Beamforming

Il beamforming è la tecnica che permette ai router 802.11ac di inviare il segnale wireless esclusivamente verso il dispositivo che lo deve ricevere piuttosto che inondare l’intera area circostante con il segnale diretto a quel particolare client. Sebbene fosse già supportata nei sistemi 802.11n della generazione precedente, nel nuovo standard è più efficiente, efficienza che deriva in parte dal fatto che prevede solamente un metodo di beamforming piuttosto che supportare diverse possibili soluzioni.

MIMO multiutente – più flussi spaziali attraverso più antenne

MIMO (Multiple Input Multiple Output), significa spedire e ricevere più di un segnale contemporaneamente. 802.11ac utilizza il MIMO multiutente per supportare la trasmissione simultanea verso più client, se spazialmente separati, per massimizzare l’utilizzo della banda RF.

In teoria 802.11ac può gestire fino a quattro flussi spaziali per client e ciascun dispositivo riceve con continuità la piena larghezza di banda disponibile. In confronto, un Access Point 802.11n può solamente mandare e ricevere dati da e verso un dispositivo alla volta. Questo significa che più sono i dispositivi che utilizzano uno stesso AP, tanto più basso sarà il tasso di trasferimento di dati perché il router trasmette una raffica di dati a turno ad ogni dispositivo collegato prima di ritornare al primo.

Figura 1 – MIMO Multiutente. 802.11n comunica con un utente alla volta, a turno; 802.11ac comunica con più utenti contemporaneamente.

Tabella 2 – Confronto tra i protocolli 802.11n e 802.11ac

Protocollo di sicurezza GCMP

Il protocollo di sicurezza utilizzato da 802.11ac rispecchia sostanzialmente quello implementato in 802.11n. Il data rate di 802.11ac è incompatibile con il protocollo WEP e TKIP, quindi i dispositivi ad alto tasso di trasferimento di dati utilizzano diffusamente AES-CCMP, il protocollo di sicurezza richiesto per la certificazione WPA2.

In ogni caso, 802.11ac permette anche l’utilizzo di GCMP (Galois/Counter Mode Protocol). Come il CCMP, prevede l’autenticazione e la crittografia dei dati. Mentre CCMP introduce la cifratura dei dati scomposti in blocchi e quindi autentica i blocchi concatenati tra loro in sequenza, GCMP utilizza una tecnica chiamata Galois Field Multiplication per autenticare individualmente ciascun blocco. Pertanto è in grado di criptare i blocchi di dati in parallelo e non in sequenza.

Quando occorre processare dati trasferiti a grande velocità, la capacità di applicare la crittografia e l’autenticazione in parallelo, diventa estremamente importante per ridurre la latenza. Ogni autenticazione GCMP è inoltre, da punto di vista del calcolo, più veloce dell’autenticazione CCMP.

La prima generazione di prodotti 802.11ac può continuare ad usare CCMP, almeno per la sicurezza a livello di link layer, ma la seconda generazione di prodotti utilizzerà il protocollo GCMP per poter essere compatibili con WLAN ad alta densità, client MU-MIMO e canali più larghi, tecniche che permetteranno di trasferire dati a velocità dell’ordine dei 7 Gb/s. Gli amministratori di rete, pertanto, dovrebbero iniziare a predisporre il supporto di GCMP nella pianificazione della loro rete wireless, strumenti diagnostici e di sorveglianza compatibili con la seconda generazione di prodotti 802.11ac e anche con 802.11ad che rappresenterà la migliore soluzione per la comunicazione ad alte prestazioni tra dispositivi vicini (preferibilmente collocati nella stessa stanza) come, per esempio, trasmissioni video in HD verso monitor wireless montati a parete.

Decidere quando implementare il nuovo standard

Gli attuali AP 802.11ac supportano MIMO monoutente, utilizzando la tecnica del beamforming per trasferire il segnale in modo ottimale verso un solo client alla volta. I prodotti che seguiranno utilizzeranno chip che saranno in grado di mandare il segnale a più utenti contemporaneamente. Questo permette di ottenere molti benefici:

  • I dispositivi saranno più veloci ma potranno risparmiare energia perché non avranno la necessità di tenere la sezione radio accesa per lungo tempo.
  • Il segnale può essere reso più efficiente indirizzandolo solamente verso il dispositivo con cui si deve comunicare, quindi si limitano le interferenze.
  • Le chiamate vocali avranno la priorità, ma se saremo in presenza di un’altra connessione che non interferisce con la chiamata vocale perché i dati sono convogliati verso una direzione diversa, questa può essere gestita contemporaneamente.
  • 802.11ac può inviare segnali specifici verso ogni dispositivo collegato. Un dispositivo a banda più bassa (per esempio, un telefono) riceverà un segnale a banda più bassa ma, diversamente da quello che succede con 802.11n, questo non obbligherà gli altri dispositivi più veloci (come tablet e notebook) a ridurre le loro prestazioni per adeguarsi alla trasmissione più lenta.

La prima versione dello standard 802.11ac si baserà su canali da 80 MHz e AP 3×3. La seconda versione permetterà di utilizzare i canali da 160 MHz, configurazioni MIMO superiori alla 3×3 e MIMO multiutente. Il collegamento a livello di Phisical Layer può anche raggiungere i 6,9 Gb/s nominali.

In teoria, la gran parte delle implementazioni iniziali di 802.11ac dovrebbe permettere velocità di circa 1,3 GHz con un migliore potere di copertura rispetto a 802.11n. In pratica, pur se significativamente più veloce di 802.11n, IEEE 802.11ac può raggiungere velocità dell’ordine del Gigabit al secondo soltanto in condizioni di laboratorio. Nelle applicazioni reali, il suo campo di azione è probabile che sia più limitato dei vecchi 802.11n e 802.11g a 2,4 Gb/s, e la banda che può fornire è al massimo quella del link più lento nella rate.

In ogni caso, 802.11ac permette di incrementare le prestazioni (in bit al secondo) a livello utente. Queste prestazioni più alte aumenteranno le capacità degli AP 802.11ac. Poiché l’utilizzatore può scaricare file e inviare, per esempio, allegati e-mail ad un tasso di trasmissione superiore, impegnerà i canali RF condivisi per minor tempo, e quindi più utenti che trasmettono ad alta velocità potranno accedere all’AP.

Un certo numero di prodotti basati sulle specifiche preliminari (draft) dello standard 802.11ac è già disponibile. La Wi-Fi Alliance ha iniziato il programma di certificazione secondo il nuovo standard e ci si aspetta che la certificazione e gli apparati saranno presentati almeno in due fasi, di cui la prima subito e la seconda entro il 2014 per inserire tutti i miglioramenti che saranno introdotti alle specifiche.

I responsabili della rete hanno a disposizione diverse soluzioni per l’introduzione di questa tecnologia. Possono decidere di realizzare un sistema puramente 802.11ac in una specifica area, mentre in altre potrebbero avere la necessità di fornire retro-compatibilità con dispositivi esistenti di tipo 802.11n ed eventualmente anche basati su protocolli precedenti, anche se dovesse trattarsi di una nuova installazione.

Siamo convinti che la maggior parte degli utenti sceglierà di realizzare una rete ibrida o con un mix di tecnologie per un determinato periodo di tempo, al fine di supportare i dispositivi client nuovi ma anche quelli già esistenti. Questo significherà capacità di progetto e pianificazione in grado di coprire sia lo standard 802.11ac che lo standard 802.11n e di garantire agli utilizzatori le migliori prestazioni in presenza di entrambe le tecnologie.

Sia nel caso i cui la vostra organizzazione dovesse decidere di implementare il nuovo standard immediatamente, sia nel caso in cui decidesse di aspettare la disponibilità di un maggior numero di apparati, è importante iniziare a pianificare fin da ora l’approccio a 802.11ac. C’è la possibilità che siate costretti ad incrementare la capacità della vostra LAN entro pochi mesi: a quel punto cosa fare? Inizierete ad implementare 802.11ac mantenendo la compatibilità con i vecchi dispositivi o continuerete ad estendere la capacità della rete 802.11n in attesa che il mercato offra un maggior numero di apparati compatibili con il nuovo standard? Anche nell’ipotesi di rinviarne l’implementazione, è indispensabile preparare la rete per 802.11ac. È necessario, pertanto, iniziare a prendere subito confidenza con il nuovo standard in modo da essere in grado di pendere le decisioni più corrette quando ci sarà nuovamente bisogno di aumentare la capacità di banda della rete wireless o espanderne l’area di copertura.

È necessario anche considerare l’adeguamento della capacità di accesso alla rete Ethernet e delle reti di uplink degli AP. Per esempio se i link che collegano gli AP alla rete Ethernet cablata sono, attualmente, a 100Mb/s, è necessario predisporli per 1Gb/s: se sono già ad 1Gb/s occorre prendere in considerazione l’adeguamento a 2 Gb/s. L’aggregazione dei link deve essere dimensionata per permettere il collegamento di tutti gli AP 802.11ac che dovranno essere installati.

Pianificare l’implementazione di 802.11ac

Sono cinque i fattori chiave da considerare quando si pianifica l’introduzione di 802.11ac:

  • Prestazioni
  • Capacità della rete
  • Allocazione dei canali
  • Impatto dell’uso di canali DFS
  • Impatto della coesistenza con i vecchi standard

Misura delle prestazioni

Il fattore più importante quando si pianifica una rete ibrida è l’accuratezza dell’operazione, particolarmente importante quando si esegue un site survey. Lo Standard 802.11ac dovrebbe permettere migliori prestazioni e richiedere un minor numero di AP. In ogni caso, è una rete più complessa da implementare rispetto a quelle basate sugli standard precedenti perché ci sono meno canali e più larghi, deve essere considerato l’effetto del beamforming e ci sono sostanziali differenze regolamentari in funzione di dove è installata la rete: tutto ciò rende indispensabile la gestione e il pieno controllo della RF. In altre parole, l’intensità del segnale non può essere considerata il solo indicatore delle prestazioni della rete wireless, l’unico vero indicatore è il throughput (l’effettiva velocità del flusso di comunicazione, N.d.T.).

La soluzione ottimale per un’implementazione corretta di una rete 802.11ac e per trarre effettivo vantaggio dalle caratteristiche di questa tecnologia prevede, quindi, un site survey attivo, con mappatura delle reali prestazioni. Quest’analisi permetterà al progettista di misurare e tracciare sulle mappe le effettive prestazioni ottenibili dagli utenti con dispositivi 802.11ac e quindi di progettare e realizzare reti 802.11ac con un alto grado di accuratezza.

Stima delle capacità

Utilizzando uno strumento di pianificazione delle prestazioni che supporti sia i protocolli esistenti che quelli di nuova introduzione, aiuta inoltre i tecnici a stimare se la WLAN possiede capacità sufficiente per le esigenze aziendali. Gli utenti accedono sempre più ad applicazioni che richiedono molta banda (come Skype) ed è necessario valutare il grado di compatibilità con le applicazioni VoIP: pertanto è molto importante disporre di un metodo per stimare se la capacità della rete soddisfa queste esigenze.

Utilizzando uno strumento di pianificazione che fornisca la visualizzazione dei fattori chiave legati alle prestazioni come la larghezza di canale, la sovrapposizione tra canali e la copertura in funzione del parametro MCS [1], i progettisti di rete possono velocemente identificare le aree dove possono essere ottenute le prestazioni migliori e quindi dove è possibile supportare una maggiore densità di client.

Pianificare l’allocazione dei canali

Quando si pianifica un’installazione 802.11ac è importante sviluppare un piano di utilizzo dei canali. I canali più larghi introdotti da 802.11ac aumentano la probabilità di interferenza di co-channel che può avere impatti molto negativi sulle prestazioni.

Lo Standard 802.11ac identifica come “primario” un sotto canale del gruppo di canali aggregati; questo è il canale che è utilizzato per la trasmissione ad una specifica larghezza di banda. Uno strumento di pianificazione deve necessariamente indicare dove i canali primari e secondari interferiscono tra di loro per dar modo al progettista di modificarne l’allocazione e/o modificare il posizionamento degli AP per rendere massime le prestazioni.

Stimare l’impatto dei canali DFS

La banda dei 5 GHz utilizzata da 802.11ac contiene canali con funzionalità DFS per evitare di utilizzare lo stesso intervallo di frequenze utilizzato dai radar. L’AP, se sente la presenza di un radar, deve lasciar libero il canale su cui sta lavorando. Uno strumento di pianificazione che incorpori un analizzatore di spettro può essere di grande aiuto al progettista rilevando e misurando ogni fonte di segnali RF su ciascun canale per determinare se i canali DFS sono disponibili o occupati. Dà modo, inoltre, di rilevare ogni interferenza non-Wi-Fi, evitando così costose riprogettazioni della rete e, allo stesso tempo, assicurando l’implementazione di 802.11ac in un ambiente libero da radio frequenze estranee.

Impatto delle trasmissioni a basse prestazioni

Il progettista della rete deve assicurarsi che le prestazioni di 802.11ac non siano degradate dal traffico a bassa velocità dei client 802.11a e 802.11n. Utilizzando le mappe della copertura radio, è possibile visualizzare le regioni dove possono essere supportati client con dispositivi appartenenti alle vecchie generazioni tecnologiche, mentre un’analisi del throughput utilizzando un client 802.11n comproverà se la rete wireless è in grado di fornire le prestazioni attese dall’utente.

Fluke Networks mette a disposizione gli strumenti per rilevare, analizzare e risolvere i problemi degli AP 802.11ac utilizzando adattatori 802.11n attualmente supportati. Questi strumenti forniscono misurazioni chiave come il numero di client 802.11n e 802.11a presenti nella rete, gli AP a cui questi client sono collegati e i canali utilizzati. Decodificando i frame di gestione 802.11ac in tempo reale, è possibile rilevare le capacità VHT dell’AP e quindi risolvere eventuali problemi di prestazioni come conseguenza della presenza di client di precedente generazione.

 

[1] MCS = Modulation and Coding Scheme. Un indice che identifica il tipo di modulazione e il tasso di codifica adottato in quella particolare trasmissione per ogni flusso di comunicazione. Per 802.11ac MCS può variare da 0 a 9. A titolo di esempio, MCS-0 identifica la modulazione BPSK con tasso di codifica ½ e permette di ottenere al massimo 65 Mb/s per flusso radio; MCS-9 identifica la modulazione 256-QAM con tasso di codifica 5/6 e permette di ottenere al massimo 866,7 Mb/s per flusso radio. (N. d. T.)