Co to jest DFS?

W tym artykule przedstawię czym jest DFS, czyli dynamiczny wybór częstotliwości WiFi. Przedstawię czemu w jakim paśmie występuje, na których kanałach operuje oraz jak dokładnie działa.

Wstęp

W zakresie ogólnodostępnych częstotliwości 5GHz działa nie tylko komunikacja WiFi 802.11, ale również wiele innych technologii. Mogłoby się wydawać, że skoro jest to częstotliwość ogólnodostępna, to każdy ma „równoprawny” dostęp do medium. Ale są zastosowania, które dla tego pasma mają wyższy priorytet od innych. Nazywamy ich operatorami dominującymi. Jeśli pojawi się jeden z nich, pozostali użytkownicy częstotliwości nie mogą kontynuować komunikacji.

Dynamiczny wybór częstotliwości DFS (ang. Dynamic Frequency Selection) umożliwia działanie WiFi w częstotliwościach z restrykcjami, wspólnie z istniejącymi operatorami dominującymi takimi jak: radar meteorologiczny, radary wojskowe oraz inne systemy nieradarowe.

W jednym z wcześniejszych postów „Jak przeprowadzić analizę przyczyn problemów z Wi-Fi?” przedstawiłem wycinek alokacji częstotliwości radiowych w przedziale 300MHz-3GHz oraz 3GHz-30GHz. Z ogromnego zakresu tylko wąskie przedziały pozostały dostępne ogólnie i wcale nie są one do pełnej dyspozycji dla komunikacji WiFi.

Za przypisanie zastosowania do danego zakresu odpowiadają regionalne agencje regulacyjne. W zależności od regionu świata odpowiada konkretna Główne agencja regulacyjna:

  • Federalna Komisja Łączności (FCC) – USA
  • ISED – Kanada
  • Ofcom – Wielka Brytania
  • ETSI – Unia Europejska
  • ACMA – Australia

Poniżej przedstawiłem częstotliwości wykorzystywane przez WiFi w ramach pasma 5GHz. Zakres zaznaczony na niebiesko to spektrum WiFi, które wymaga aktywnego działania systemu DFS. Chcąc korzystać z częstotliwości wolnych od DFS pozostaje nam zaledwie 1/3 dostępnych kanałów. Planując sieć o dużej gęstości AP lub wymagającej dużej pojemności prawdopodobnie będzie koniecznym skorzystanie z kanałów DFS. Nie jest to problemem, o ile będziemy świadomi, co to dla nas oznacza.

Pasmo 5GHz i kanały WiFi DFS

Powody zwolnienia kanału DFS

Przestrzeganie zasad działania na kanałach WiFi DFS ma ogromne znaczenie dla dominujących operatorów danego zakresu widma. Mowa o wojsku, radarach, komunikacji satelitarnej, ale nie tylko. Na kanałach 120-128 działają lotniskowe radary dopplerowskie (TDWR – Terminal Doppler Weather Radar). Punkty dostępowe nasłuchują operatorów dominujących i muszą natychmiast opuścić kanał, jeśli jest zajęty.

Radary TDWR wykrywają lokalne uskoki wiatru. Jest to kluczowa funkcja na lotniskach mająca ogromne znaczenia dla bezpieczeństwa samolotów podczas lądowania. Przy zbyt dużym wiatrze bocznym samolot może mieć trudności z lądowanie, jak na obrazku poniżej.

Lądujący samolot który wpadł w uskok wiatru

W ramach protokołu WiFi zostały wprowadzone dwa rozszerzenia 802.11d-2001 oraz 802.11h-2003. Ich zadaniem jest rozgłaszanie i obsługa domen regulacyjnych oraz standaryzują niektóre zasady i zachowania umożliwiając AP działanie w pasmach DFS. Domeny regulacyjne mogą być zaszyte na sztywno lub mogą być konfigurowalne przez administratora. W obu przypadkach zalecam zachowanie ostrożności, dokładne sprawdzenie parametrów i odpowiednie skonfigurowanie sieci.

Działanie na kanałach DFS

CAC – sprawdzenie dostępności kanału

Pierwszym krokiem, jaki wykonuje AP chcą działać na kanale DFS jest kontrola dostępności kanału (CAC – Channel Availability Check). Punkt dostępowy musi wpierw potwierdzić, że nie ma na nim żadnych operatorów dominujących. Czas nasłuchiwania wynosi 60 sekund. AP rozpoczyna korzystanie z kanału, jeśli w danymczasie nie wykrył żadnego operatora dominującego. W przypadku regulacji w EU, dla kanałów 120-128 cisza musi trwać przez minimum 10 minut. Za monitorowanie i wykrywanie DFS odpowiedzialny jest AP, natomiast urządzenia klienckie postępują zgodnie z instrukcjami AP.

ISM – stałe monitorowanie

Jeśli AP już pracuje na kanale WiFi z DFS, musi stale monitorować w trakcje dwojej pracy (ISM In-Service Monitoring) wykorzystywany kanał DFS pod kątem działania operatorów dominujących. Jeśli AP wykryje zdarzenie DFS, musi zaprzestać pracy na danym kanale. Może to zrobić natychmiast, porzucając swoich klientów. Lub może zmienić kanał z gracją, używając komunikatów o zmianie kanału, przygotowując klientów.

CSA – ogłoszenie o zmianie kanału

Ogłoszenie o przełączeniu kanału (CSA – Channel Switch Announcement) może być wysłane jako Action Frame lub Beacon IE (IE – Information Element).

CSA w formie Action Frame ma bardzo prostą postać, zawiera trzy informacje: Channel Switch Mode, New Channel Number oraz Channel Switch Count. Parametry CSM i CSC mają wartośc 0, natomiast NCN wskazuje numer kanału na który AP się przełączy.

PCAP CSA w formie Actions Frame

Sposób reakcji klientów na informację o zmianie kanału może być wielooraki i zależy od kodu zaszytego w sterowniku. Niektóre urządzenia mogą przełączyć się natychmiastowo do innego AP, o którym wiedzą, że jest w zasięgu. W ten sposób kompletnie omijając problem zmiany kanału. Są urządzenia, które mając na uwadze dotychczasową jakość obsługi, będą podążać za AP. Niestety są też urządzenia, które nie mają zaszytej żadnej logiki, nie wykonają żadnej akcji i po utracie zasięgu wdrożą procedurę Panic Roaming.

Beacon IE jest rozszerzoną formą CSA. Poniższy przykład takiego CSA ma ustawiony Channel Switch Count na 10. Wartość jest zmniejszana o 1 przy każdym następnym wysłanym komunikacie. Zmiana kanału nastąpi, gdy wartość będzie wynosić 0. Zwykle CSC=10 oznacza zmianę kanału za 1 sekundę, aczkolwiek zależy to od skonfigurowanej częstotliwości rozgłaszania beacon’ów. Typowo kolejny broadcast jest wysyłany co ok 100ms.

PCAP CSA w formie Beacon IE

Parametr Channel Switch Mode definiuje akceptowalne zachowanie klientów do momentu zmiany kanału. CSM o wartości 0 pozwala klientom na dalszą transmisję danych do AP, dopóki kanał nie zostanie zmieniony. Wartość 1 nakazuje klientom natychmiastowe zaprzestanie jakiejkolwiek komunikacji na kanale.

W ramach rozszerzonej wersji CSA możliwe jest zawarcie również klasy działania (OP – Operating Class). Jest to dodatkowo informacja dla urządzeń precyzująca pasmo oraz szerokość kanału. Na poniższym przykładzie przedstawiony jest komunikat wskazujący na klasę 3, w szczególności kanał 116 o szerokości 20MHz

PCAP CSA w formie Beacon IE z Operation Class

NOP – powrót na kanał DFS

Praca AP na jednym z kanałów DFS może być spowodowana dużą gęstością AP i poszukiwaniem wolnego kanału. Dlatego też, po ucieczce AP z częstotliwości DFS może on „chcieć” powrócić na pierwotny kanał. Zanim to się stanie, AP musi odczekać okres braku zajętości (NOP – Non-Occupancy Period), który wynosi 30 minut. Po tym czasie AP musi wpierw sprawdzić CAC zanim zdecyduje się na powrót na pierwotny kanał.

DFS Operation Flow

Praca AP na kanałach DFS związana jest z przestrzeganiem następującego cyklu. Każdy AP kontroluje dostępność kanału i stale monitoruje zdarzenia w trakcie pracy. W przypadku wykrycie kolizji DFS musi ogłosić i wykonać zmianę kanału. A po odczekaniu okresu braku zajętości może próbować wrócić na pierwotny kanał sprawdzając wpierw jego dostępność.

Diagram działania WiFi w kanałach DFS

Teoria a rzeczywistość

Wszystko wygląda ładnie na papierze. A jak jest w rzeczywistości? Co robią AP po zmianie kanału? Ta część nie jest ustandaryzowana. Docelowy kanał może być ustalony przez kontroler w ramach RRM (ang. Radio Resource Management) lub może być zdefiniowana lista statyczna. Sposób wyboru kanału może zależeć od producenta, modelu AP lub nawet od wersji oprogramowania.

Po ucieczce z kanału DFS dany AP może zachować się na wiele sposobów. Może pozostać na stałe na innym kanale, a przynajmniej do pojawienia się powodu ponownej zmiany. AP może próbować powrócić do poprzedniego kanału DFS, co zgodnie z protokołem przed rozpoczęciem nadawania musi wykonać CAC, co jest związane z przerwą w działaniu (1 minuta lub 10 minut). Może przejść na inny kanał DFS – rozpoczęcie pracy na kanale DFS wymaga wykonania CAC, czyli również AP zamilknie na pewien czas. W najgorszym przypadku AP utknie w pętli wracania do kanału DFS co 30 minut i natychmiastowego przełączenia na inny kanał niż DFS ze względu na wystąpienie zdarzenia DFS. W najgorszym przypadku, będzie dostępny tylko przez 2/3 czasu pracy.

Na stronie www.thedfsproject.com znajduje się dokumentacja open-source opisująca zachowanie poszczególnych AP WiFi w przypadku wystąpienia zdarzenia DFS.

Problemy z DFS

Wymuszona poniekąd obsługa DFS ze względu na brak regulacji i standaryzacji całego procesu, zarówno dla AP jak i dla klientów, wprowadza dużą niepewność związaną z ciągłością komunikacji. Nigdy nie możemy założyć, że w naszej okolicy nigdy nie będzie operatorów dominujących. Nie wiemy, na których kanałach będą operować. Może się zdarzyć, iż pojawią się tylko na pewien czas i później więcej się nie pojawią. Ciężko również przewidzieć, jak zachowa się nasza infrastruktura, w szczególności nasze AP’ki.

Niestety zdarzają się fałszywe pozytywne rozpoznania DFS. Niektóre radia mogą być nadwrażliwe (często ze względu na przedłużający się proces certyfikacji). Czasami transmisja klientów jest rozpoznawana jak sygnał radaru.

Kolejnym problemem jest sposób działania urządzeń końcowych, w szczególności przy wolniejszym wykrywaniu AP oraz działaniem roamingu. Punkty dostępowe mogą być wykrywane tylko poprzez pasywne skanowanie wszystkich kanałów (ok 100ms na kanał), co przy konieczności sprawdzenia wszystkich kanałów generuje już spory okres czasu. Szczególnie że w tym czasie urządzenie końcowe nie przesyła i nie odbiera żadnych danych. Również samo przełączanie kanałów i związany z tym okres ciszy są niezwykle uciążliwe. Ma to największy wpływ na działanie komunikacji VoIP, ale również dla dowolnych aplikacji działających w czasie rzeczywistym.

Uwagi projektowe

Zanim zastosujesz u siebie kanały DFS zalecam dokładnie sprawdzić planowaną architekturę i lokalne środowisko. Należy stosować tylko takie AP, które zostały zatwierdzone przez lokalną lub regionalną agencję. Niezależnie od certyfikacji musisz zrozumieć i oczywiście przestrzegać zasady współdzielenia widma, w tym zasady DFS. Jeśli zgodnie z planem masz wykorzystywać kanały DFS, wpierw przetestuj dokładnie każdy z nich lub poproś kogoś, aby to dla Ciebie zrobił. W planowaniu ważne jest zrozumienie, w jaki sposób punkty dostępowe WiFi będą obsługiwać zdarzenia DFS oraz jakie są różnice w wykrywaniu punktów dostępowych na kanałach DFS oraz jaki to ma wpływ na roaming klientów.


Zachęcam do zapoznania się z naszą ofertą zawierającą między innymi usługę audytu sieci WiFi wraz z analizą RF oraz rozwiązania do wykrywania i diagnozowania problemów z sieciami bezprzewodowymi. W celu uzyskania szczegółów zapraszam do kontaktu z naszym działem handlowym.

Czy można zobaczyć pasmo 2.4GHz?

Ludzkie oko jest wrażliwe tylko na wąski zakres częstotliwości fal elektromagnetycznych – na światło widzialne. Długości fal radiowych wykorzystywanych w komunikacji bezprzewodowej są całkowicie niewidoczne dla człowieka, gdyż są o około osiem rzędów dłuższe od widma światła.

W tym artykule dowiesz się, co to jest analiza częstotliwości oraz jak na jej podstawie możesz dowiedzieć się, co hula w radiu. Jest to kontynuacja naszego wpisu Pasmo 2,4GHz – co tutaj hula prócz WiFi w którym opisywaliśmy technologie zakłócające naszą komunikacje WiFi w 2.4GHz.

  • Analizatory spektrum wykorzystywane są do zobrazowania widma częstotliwości.
  • Prezentację widma częstotliwości w funkcji czasu najlepiej pokazać przy pomocy tzw. wykresu wodospadowego.
  • Na podstawie wykresów wodospadowych można zidentyfikować prawdopodobne źródła zakłóceń w domenie RF.
  • Artykuł przygotowany przy współpracy z producentem platformy 7Signal, który oferuje analizator widma w każdym urządzeniu Sapphire Eye

Częstotliwości regulowane i ogólnodostępne

Wytwarzanie i przesyłanie fal radiowych jest regulowane przepisami regionalnymi lub krajowymi, a następnie koordynowane na szczeblu międzynarodowym przez międzynarodowy organ, Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU). Celem takiego zabiegu jest zapobieganie ingerencjom między różnymi zastosowaniami. W tym artykule skupię się na jednym z najbardziej problematycznym z zakresów wykorzystywanych w sieciach bezprzewodowych, czyli na częstotliwości 2,4GHz.

Zgodnie z FCC i ITU nie możemy monitorować zastrzeżonych częstotliwości. Tylko te otwarte. W naszym przypadku skupiamy się na dość wąskim zakresie, na częstotliwościach obsługiwanych przez technologię Wi-Fi.

Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU).

Analizator widma częstotliwości fal radiowych

Zacznijmy od uproszczonej definicji, czym jest analizator widma. Jest to urządzenie, które mierzy wielkość sygnału wejściowego w funkcji czasu, w pełnym zakresie częstotliwości pomiarowych przyrządu. Podstawowym zastosowaniem jest pomiar mocy widma znanych i nieznanych sygnałów.

Wynik analizatora spektrum najczytelniej jest przedstawić na wykresie wodospadowym. Wykresy wodospadowe pokazują, jak dwuwymiarowe informacje zmieniają się w czasie lub wraz z inną zmienną. Zwykle mają postać wykresu dwuwymiarowego, w którym na osi poziomej widzimy moc sygnału dla poszczególnych częstotliwości, a na osi pionowej następujące po sobie pomiary widma. Poziom zmierzonej mocy reprezentowany jest kolorem. Zwykle od czerwonego poprzez żółty, niebieski do czarnego — choć użytkownik najczęściej może zdefiniować swoją paletę kolorów.


Analiza częstotliwości 2.4GHz na bazie wykresów wodospadowych

Spójrzmy na kilka przykładów pomiarów wykonanych dla częstotliwości wykorzystywanych w komunikacji bezprzewodowej i zróbmy wstępną analizę otrzymanych spektrogramów. W tym artykule będę analizować tylko otwarte pasmo 2,4GHz, czyli przedział 2400 do 2484 MHz.

Wykres wodospadowy

Powyżej mamy całkiem ładny spektrogram. Łatwo możemy zidentyfikować pasma, w których realizowana jest komunikacja WiFi w standardzie 802.11 b/g/n. Łatwo dostrzec, iż są to kanały 1,6,11 o szerokości 20MHz. Pomiędzy nimi jest wyraźna przerwa o niższych niebieskich poziomach — tego właśnie powinniśmy oczekiwać. Najbardziej wykorzystywany kanał 11, natomiast najmniej — kanał 1.

Komunikacja Bluetooth w pasmie 2.4GHz

Wykres wodospadowy

Drugi przykład wygląda inaczej. Nadal możemy zobaczyć wykorzystanie trzech kluczowych kanałów, głównie 1 i 6, znacznie mniej kanał 11. Widać również trzy wąskie, pionowe pasma i pojawiające się piki (czerwone plamy) w połowie wykresu. Te anomalie to komunikacje Bluetooth, właściwie BT LowEnergy. Te trzy widoczne pionowe żółte pasy to są kanały reklamowe BTLE — Advertisment Channels. Szczegółowe informacje na temat komunikacji BT/BLE znajdziesz w artykule: „Częstotliwości komunikacja BLE”.

Widoczne czerwone plamy wraz ze wzmożoną amplitudą na wszystkich częstotliwościach (kreska od lewej do prawej) to moment przejścia BT z ogłaszania do komunikacji. Sama komunikacja skacze w całym paśmie częstotliwości. Protokół BT stara się omijać wykorzystywane częstotliwości, szczególnie obsadzone przez Wi-Fi. W tym przypadku mamy dość gęsto wykorzystaną architekturę WiFi w standardzie 802.11 b/g/n z wykorzystaniem kanałów 1/6/11. Właściwie nie ma wolnego kanału na komunikację BT. Tym samym, obie technologie mogą się zakłócać.

Wykres wodospadowy

Następny przykład wygląda, jakby ktoś w poprzek rozmazał czerwoną plamę. Obserwujemy działanie większej ilości urządzeń BT. Problem występuje w godzinach pracy i zdecydowanie nasila się na koniec dnia roboczego. Po godzinach pracy — już go nie widać. W celu identyfikacji źródła należy wykonać dodatkową analizę, w punkt wystąpienia — czyli w godzinach 13-17.

Wykres wodospadowy

W tym przykładzie widzimy piki pochodzące od komunikacji reklamowej BT oraz widać również wiele pików w innych częstotliwościach. Początkowo widać jak komunikacja skacze pomiędzy poszczególnymi kanałami, później stabilizuje się na konkretnych częstotliwościach. Są to pasma o szerokości 1MHz, wykorzystywane przez urządzenia BT. W tej sytuacji należy się przyjrzeć szczególnie uważnie co powoduje taki ruch. Ponieważ jest to ruch przez cały tydzień, przez całe dnie, od góry do dołu wykresu, jako źródło zakłóceń raczej można wykluczyć urządzenia peryferyjne użytkowników.

Niski datarate

Wykres wodospadowy

Powyższy przykład również pokazuje wykorzystanie 3 kanałów WiFi wraz z 3 kanałami reklamowymi BT LowEnergy. Ale spójrzmy na komunikację w kanał 6, o szerokości 20MHz. Kanał ten jest znacznie mocniej używany niż pozostałe dwa kanały. Jego spektrum jest zajęte właściwie w całej szerokości. Widzimy znacznie większą aktywność w środkowej części, ze spadkami dopiero na krawędziach zakresu. Oznacza to, iż działa tutaj urządzenie w starszej technologii lub podłączone z mniejszą prędkością, np 1, 2, 5.5 lub 11 Mbps.

Komunikacja analogowa w 2,4GHz

Wykres wodospadowy

Na powyższym wykresie widać właściwie całkowicie zamazane częstotliwości dla kanału 1 oraz nawet początek kanału 6. Przez cały wykres (około 48 godzin) widać zajętość konkretnych częstotliwości. Zdecydowanie nie jest to obraz komunikacji BT. Patrząc na ciągłość widma, stabilność częstotliwości oraz stabilność amplitudy sygnału można wywnioskować, że jest to komunikacja analogowa. Urządzenia analogowe najczęściej nadają non-stop, nawet ciszę. Komunikacja cyfrowa zwykle ma przerwy pomiędzy pakietami.

Jest to realny przykład analizy widma wykonanej w szpitalu, wykorzystującego bezprzewodowe zestawy słuchawkowe Hearing-Aids. Nie Bluetooth — lecz urządzenia analogowe, działające w paśmie 2,4GHz.

Wpływ 802.15.4

Wykres wodospadowy

Na tym przykładzie możemy zaobserwować coś nowego. Widać na kanale 11 komunikację narrow-band, czasami pojawią się również szybsza transmisja. Również kanały 1 i 6 są w znacznym stopniu wykorzystane. Unikalny jest widoczny pik w okolicach 2450MHz.

Nie jest to BT, bo pojawia się z prawej, a nie lewej strony kanału 6. Biorąc pod uwagę jego orientacyjną szerokość 2-3MHz może sugerować, że jest to transmisja 802.15.4 – czyli Zigbee lub Threed czyli urządzeń IoT. Protokół Zigbee w zakresie 2,4GHz ma dostępnych aż 16 kanałów, z czego 4 z nich nie pokrywają się z kanałami 1/6/11 w 802.11 i nie powinny wprowadzać zakłóceń.

Środowisko Contact Center

Wykres wodospadowy

Kolejny wykres jest paskudny z punktu widzenia Wi-Fi. Widzimy jak komunikacja BT niszczy możliwości komunikacyjne w całym spektrum. Wynika to ze sposobu działania protokołu WiFi, który czeka na wolne pasmo i możliwość nadawania. WiFi nie analizuje jaki protokół nadaje, tylko bierze pod uwagę obecność mocnego sygnału. Jeśli obecny sygnał jest powyżej zdefiniowanego progu, WiFi poczeka z rozpoczęciem nadawania.

Należy mieć na uwadze, że jeśli sygnał BT będzie nieznacznie poniżej progu, WiFi zacznie nadawać dopiero po spełnieniu tego warunku. Wtedy całkiem możliwe, że żadna komunikacja ani WiFi w standardzie 802.11 b/g/n ani Bluetooth, nie będzie skuteczna i będzie powtarzana (retires).

Na podstawie doświadczenia możemy podejrzewać, że są to urządzenia typu audio — słuchawki, zegarki, peryferia — mysz/klawiatura. Taki obraz może być w środowisku Contact Center, gdzie mamy spory, niezakłócony obszar i każdy z użytkowników ma swoje peryferia BT.

Wykres wodospadowy

Tutaj jeszcze wyraźniej widać wpływ urządzeń peryferyjnych na komunikację w domenie 2,4GHz. Widzimy w różnym stopniu wykorzystanie przez WiFi kanałów 1/6/11. Ale w ciągu dnia wyraźnie widzimy coś bardzo dziwnego.

Zakłócenia zaczynają się rano, około 9 rano, kończy się ok godziny 17:00. Jest to wykres pomiarów zrobionych w obiekcie Call Center, gdzie w momencie jak wszyscy przychodzą do pracy, to pojawiają się zakłócenia. Potem koniec pracy, wszyscy wychodzą i…. całkowity brak zakłóceń. Co ciekawe, znikają nawet kanały reklamowe BT. Wyraźnie widać okresowość zdarzeń, z przerwą weekendową. Adaptery bezprzewodowe lub moduły BT zabierane są przez użytkowników wraz ze sprzętem do domu, lub wszystkie stacje są w pełni wyłączania.

Inne źródła zakłóceń

Wykres wodospadowy

Tutaj mamy przykład z jednego z lotnisk. Widzimy pewne zagęszczenia działania urządzeń BT — poziome wykorzystania całej częstotliwości. Najciekawszym jest czerwony pik w okolicach 2407MHz widoczny na końcu wykresu. Niestety nie udało się zidentyfikować żródła interferencji.

Możliwe, że analogowy transmiter pomiędzy jakimiś urządzeniami do synchronizacji danych. Na pewno nie było to nawet obce WiFi. Jednak najważniejsze w takim tuobleshootingu to identyfikacja problemu. Problem został rozwiązany poprzez zmianę konfiguracji WiFi i zmianę wykorzystywanych kanałów przez AP — tak, aby od tych częstotliwości trzymać się daleko.

Niestety korzystając z pasma ogólnodostępnego, nie jesteśmy w stanie powiedzieć jakie urządzenia wykorzystują pasmo. Możemy tylko na podstawie swojego doświadczenia przypuszczać źródło. W powyższym przypadku może to być najnowszy model systemu monitorowania bagażu. Czy możemy powiedzieć „hej, wyłączcie to urządzenie!”? Na pewno nie. Ale robiąc ciągłą (lub chociaż okresową) analizę widma, możemy zobaczyć jakich częstotliwości powinniśmy unikać.

Wykres wodospadowy

Ostatni przykład bardzo dobrze obrazuje różne sytuacje, z jakim się spotykamy. Te zakłócenia pojawiły się raz, trwały kilka godziny i nigdy więcej się już nie pojawiły. Podejrzewamy uruchomienie prywatnego hotspot’u. Wyraźnie widać, iż na szerokość kanału ustawiono na 40MHz, pewnie aby przesłać duże ilości danych. Całość działa się w nocy. Wnioskuję, że ktoś przesyłał duży plik, niestety zakłócając pozostałą komunikację w sieci WiFi.


Nie wiesz, czemu pomimo „poprawnej” konfiguracji Twoja sieć nie działa tak, jak powinna? Zastanawiasz się, co powoduje okresowe spadki wydajności? Chcesz zrobić u siebie analiza częstotliwości? Skontaktuj się z naszym zespołem, który zidentyfikuje problem i pomoże usunąć niedogodności.

Old WiFi sign by a palm-lined boulevard

Pasmo 2,4GHz – co tutaj hula prócz WiFi

2.4Ghz to nie tylko WiFi ale także innych protokoły komunikacyjnych działających w paśmie 2,4GHz – Bluetooth, IoT, Zigbee. W Europie komunikacja Bluetooth oraz coraz częściej wykorzystywana komunikacja IoT wykorzystuje pasmo 2,4GHz. W skrócie:

  • Pasmo 2,4GHz prócz WiFi, to również Bluetooth, IoT, Zigbee, Thread i Matter.
  • Komunikacja odbywa się w pełnym zakresie częstotliwości 2,4 GHz
  • W BLE dostępnych jest 40 kanałów o szerokości 1MHz, w tym 37 kanały danych i 3 kanały reklamowe
  • Pomiędzy kanałami są „puste” szczeliny o szerokości 1MHz
  • Transmisja danych w BLE „skacze” po wszystkich kanałach.
  • W 802.15.3 w paśmie 2,4GHz dostępnych jest 16 kanałów o szerokości do 2MHz, z przerwą 5MHz.

Standard Bluetooth / Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BTLE/BLE) to najnowszy standard Bluetooth IEEE 802.15.1 opublikowany przez Bluetooth SIG. Jego najnowsza wersja w momencie publikacji to 5.3. Urządzenia (inicjator, tj. master i reklamodawca, tj. slave) komunikują się w trybach punkt-punkt lub rozgłoszeniowym, wykorzystując „kanały reklamowe” i „kanały danych”.

BlueTooth wykorzystuje pasmo 2,4GHz nielicencjonowane pasma przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM). Rozciąga się ono od 2400 do 2484 MHz. W komunikacji BTLE wykorzystywanych jest 40 kanałów. Lista kanałów składa się z dwóch typów kanałów: kanałów komunikacyjnych 00-36 (Data Channels) i kanałów reklamowe 37-39 (Advertising channels). Każdy kanał BLE ma do dyspozycji pasmo 1MHz. A pomiędzy poszczególnymi kanałami jest przerwa również 1 MHz.

Poniżej przedstawiłem zestawienie kanałów wykorzystywanych przez protokół BLE, wraz z wyszczególnieniem kanałów reklamowych oraz kanałów transmisji danych.

Lista kanałów BLE ogłoszeniowe i transmisji danych.
Lista kanałów BLE reklamowe i transmisji danych. Źródło: www.rfwireless-world.com

Wskazane częstotliwości odnoszą się do środka kanału. Na przykład dla kanału 10 (2426MHz) wykorzystuje zakres częstotliwości 2425,5-2426,5MHz. Przed kanałem 10 jest przerwa 1MHz (2424,5-2425,5MHz) oraz za kanałem 10 jest 1MHz pustej częstotliwości (2426,5-2427,5MHz).

Zastosowanie i funkcjonalności poszczególnych kanałów oraz ich częstotliwość:

Kanały reklamowe BLE

Kanały reklamowe BLE Advertising channels są to kanały, które zawierają dane transmisyjne dla aplikacji i pomagają wykrywać się urządzeniom przed nawiązaniem połączenia. Urządzenie BT używają dowolnego kanału reklamowego do transmisji/odbioru pakietów reklamowych różnych typów. Kanały reklamowe działają na kanałach 37-39 (2402MHz, 2426MHz i 2480MHz) i przenoszą one pakiety PDU (and. protocol data unit) kanału reklamowego.

Kanały danych BLE

Urządzenia mogą wysyłać do siebie dane dopiero po nawiązaniu połączenia między sobą. W każdym połączeniu wyróżniamy urządzenie nadrzędne i podrzędne. Wymiana pakietów PDU w kanale danych realizowana jest podczas zaplanowanych zdarzeń połączenia. Urządzenia master i slave mogą używać dowolnego z kanałów danych BLE do transmisji/odbioru pakietów.

Komunikacja IEEE 802.15.4

Specyfikacja IEEE 802.15.4 definiuje ilość mocy nadawczej wysyłanej z radia, zakres częstotliwości, przepustowość, szybkość transmisji danych i inne parametry. Na bazie tej specyfikacji opiera się protokół Zigbee, Thread oraz najnowszy protokół Metter.

Wszystko są to technologie łączności bezprzewodowej o niskim poborze mocy i niskiej szybkości transmisji danych. Wykorzystują nielicencjonowane pasma przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) w trzech zakresach: a) 868,00 – 868,6 MHz (kanał 1 – EU), b) 902,0 – 928,0 MHz (kanał 1-10 – USA) i c) 2400 – 2484 MHz (kanał 11-26 – WorldWide).

Zigbee wykorzystuje 16 kanałów w zakresie częstotliwości 2,4GHz. Na tych kanałach każde urządzenie Zigbee wykorzystuje szerokość pasma do 2 MHz. Pomiędzy dwoma dowolnymi kanały jest pasmo ochronne 5 MHz, aby zapobiec zakłóceniom powodowanym przez inne urządzenia Zigbee. Szybkość transmisji danych, jaką można osiągnąć w paśmie 2,4 GHz, wynosi 250 Kb/s na kanał. Jednak rzeczywista przepustowość, ze względu na różne czynniki, jest znacznie mniejsza niż określone wartości. Powodem jest narzut pakietów, opóźnienia przetwarzania i opóźnienia kanału.

Ponieważ Zigbee i WiFi wykorzystują pasmo 2,4GHz mogą występować interferencje pomiędzy nimi. Biorąc pod uwagę, iż WiFi zazwyczaj zajmuje kanały 1/6/11, wiele kanałów Zigbee jest wolnych od zakłóceń — w szczególności kanały 15, 20, 25, i 26.

Kanały WiFi, BLE i Zigbee

Poniżej przedstawiłem, jak pasmo 2,4GHz jest wykorzystywanych przez WiFi, BLE oraz Zigbee, wraz z uwzględnieniem podziału na poszczególne kanały.

Kanały WiFi, BLE i Zigbee
Kanały WiFi, BLE i Zigbee. Źródło: www.rfwireless-world.com

Korzystam z urządzeń Bluetooth, IoT, Zigbee. Czy jest to dla mnie duży problem?

Jak widać w powyższej analizie coraz popularniejsze wykorzystanie urządzeń Bluetooth, IoT, Zigbee może powodować interferencje w sieciach bezprzewodowych. Każda dobrze skonfigurowana siec WiFi powinna loadbalance’ować użytkowników do sieci 5GHz, pozostawiając pasmo 2.4GHz dla bardzo starych urządzeń lub urządzeń tylko IoT.

Sama weryfikacja pasma 2.4GHz pod kątem jego utylizacji przez urządzenia Bluetoogh oraz IoT, powinna odbywać się za pomocą analizatora widma, który jest dostępny w urządzenia Ekahau Sidekick lub za pomocą Hardware’owych sond 7Signal.

Jeśli chcesz posiadać niezawodną i stabilną sieć bezprzewodową oferującą komunikację 802.11, 802.15.1 i 802.15.4 (WiFi, Bluetooth, Zigbee), skontaktuj się z nami naszym zespołem.

Interferencje WiFi – niewidzialny zabójca sieci

Interferencje WiFi – niewidzialny zabójca sieci

Interferencje WiFi – każdy admin o nich słyszał, każdy admin wie, że jakieś interferencje zawsze występują i trzeba się do nich przyzwyczaić… ale nie każdy wie jak je rozpoznać i jak wyeliminować, ten jeden z głównych problemów sieci WiFi.

W skrócie rzecz ujmując interferencje wifi występujące w sieciach 802.11, zarówno w pasmie 2.4GHz jak i 5GHz, są dla każdego administratora sieci bezprzewodowej zjawiskiem niepożądanym – redukują one stosunek sygnału do szumy (Signal to Noise Ratio – SNR), powodując błędną transmisje symboli 802.11 i ich ponową retransmisje lub w dalszej konsekwencji utratę pakietów. 

Interferencje wifi przeważnie występują z dwóch powodów:

  • Błędy projektowe i konfiguracyjne naszej sieci bezprzewodowej 802.11 – nachodzące (interferujące) na siebie kanały lub za szerokie kanały. 
  • Interferencje 802.11 pochodzące z innych systemów sieci bezprzewodowych działających równolegle w naszym środowisku produkcyjnym.

Takie interferencje Wi-Fi bardzo łatwo i szybko możemy namierzyć korzystając z wielu dostępnych softwarowych narzędzi na rynku. 

Pierwszy rzut oka i widźmy, które sieci interferują z naszą/naszymi sieciami, czy nasze Access Pointy są dobrze skonfigurowane – tzn. Kanały prawidłowo odseparowane od siebie i jaki jest stosunek sygnału do szumu.

Natomiast w naszej pracy bardzo często spotykamy się z sytuacją, kiedy na pierwszy rzut oka wszystko wydaje się być skonfigurowane prawidłowo a administratorzy sieci otrzymują wiele skarg na działanie sieci bezprzewodowych. Oprócz przyczyny typowo z zakresu bezpieczeństwa sieci bezprzewodowych czyli podatności naszej sieci na działanie zewnętrznych, obcych systemów wIDS/wIPS, bardzo często w naszych pomiarach i analizie spotykamy się z interferencjami poza 802.11, które to nie są widoczne z poziomu zwykłego skanera sieci bezprzewodowych.

Tymi interferencjami mogą być:

  • Stare systemy telekomunikacyjne działające w pasmie 2.4GHz.
  • Systemy alarmowe w szczególności w których jest wykorzystywana transmisja bezprzewodowa miedzy centrala a czujkami.
  • Urządzenia kuchenne – Mikrofalówki
  • Systemy i urządzenia Bluetooth, ZigBee.
  • Systemy automatyki budynkowej
  • Maszyny produkcyjne w tym najbardziej interferujące urządzenia grzewcze korzystające z mikrofal.

Jak bardzo interferencje poza 802.11 mogą przeszkadzać w działaniu sieci bezprzewodowej, przekonał się jeden z naszych klientów z branży produkcyjnej, którego głównym problem był całkowity brak działania sieci w pasmie 2.4GHz w części hali produkcyjnej pomimo tego, że standardowe skanery sieci bezprzewodowej nie wykrywały żadnych anomalii w podziale kanałów i przydzielania kanałów odpowiednim Access Pointom.

Podczas pomiarów profesjonalnym narzędziem Ekahau Site Survey z analizatorem widma, ukazał nam się taki oto obrazek:

Interferencje WiFi pochodzące z innego niż sieci WiFi źródła, pomierzone oprogramowaniem Ekahau.
Interferencje WiFi pochodzące z innego niż sieci WiFi źródła, pomierzone oprogramowaniem Ekahau
https://www.ekahau.com/

Kolor czerwony w całym zakresie częstotliwości 2.4GHz na prawie wszystkich kanałach i o wartościach przekraczających standardowe wartości 802.11 sugerował powstawianie interferencji w maszynie grzewczej, podgrzewającej gumę z pomocą mikrofal. Działanie maszyny uniemożliwiało jakąkolwiek transmisję sieci bezprzewodowej w pasmie 2.4GHz, a pomiary i analiza sytuacji pozwoliła zaprojektować dobrze działającą i stabilną sieć w pasmie 5GHz. 

“Ale ja nie korzystam z 2.4GHz bo moje Access Pointy mają tez radio 5GHz” – to chyba najczęściej pojawiający się argument w rozmowach z klientami, niestety są dwa duże “ale”….

  • Większość sieci, które spotykamy u swoich klientów jest źle skonfigurowana i pomimo posiadania radia 5Ghz większość userów asocjuje się do sieci 2.4GHz
  • Większość urządzeń IoT jest oparta na modułach ESP-8266 lub ESP-32, które to nie obsługują sieci 5GHz

Parę informacji, które pomogą Ci szybko poprawić Load Balancing i doprowadzić do tego ze większość klientów do sieci będzie działała w pasmie 5Ghz:

  • Popraw RF Profile na radiach używanych w biurach tak aby doprowadzić do prawidłowej transmisji dwukierunkowej. Przeważnie na AP z antenami wewnętrznymi będzie to 11-18 dBi.
  • Włącz wszystkie algorytmy odpowiedzialne za Load Balancing klientów i zawsze ustawiaj “Preferuj 5Ghz”
  • Pamiętaj ze żaden algorytm nie zadziała prawidłowo, dopóki siec 2.4GHz nie będzie “działała na niższych mocach” niż siec 5GHz – postaraj się utrzymać minimum 4dB różnicy w mocach EIRP pomiędzy radiami na tych samych Access Pointach.

A jeśli nie wiesz jak to wykonać lub jeśli dalej występują u Ciebie problemy, skontaktuj się z nami:

Kontakt

Opisane problemy brzmią znajomo? Skontaktuj się z nami w celu rozmowy na temat rozwiązania Twoich problemów w sieci bezprzewodowej.

pl_PLPolski