projektowanie

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.