Copertura Wi-Fi e capacità: perché non sono la stessa cosa

Il segnale è soltanto l’inizio della storia

Quando si parla di copertura Wi-Fi, il primo parametro
che viene in mente è quasi sempre l’RSSI,
cioè la potenza del segnale ricevuto dal client.
È naturale: se il segnale è troppo debole,
la comunicazione diventa difficile, i data rate diminuiscono,
aumentano le ritrasmissioni e la stabilità può peggiorare.

Ma un buon RSSI non garantisce automaticamente
una buona esperienza.

Immaginiamo una sala riunioni in cui tutti i dispositivi
ricevano circa -55 dBm. Dal punto di vista della copertura,
il risultato appare molto buono. Se nella stanza ci sono
tre persone che consultano documenti o navigano sul web,
probabilmente la rete funzionerà senza alcuna difficoltà.

Ora immaginiamo la stessa stanza durante una riunione aziendale
con cinquanta persone. Tutti hanno un notebook e uno smartphone.
Molti partecipano a videoconferenze, altri sincronizzano file
nel cloud, qualcuno scarica documentazione pesante
e una parte dei dispositivi continua a generare traffico
in background.

Il livello del segnale non è cambiato.
Gli Access Point sono sempre nello stesso posto.
L’RSSI è ancora eccellente.

Quello che è cambiato è tutto il resto.

È qui che entra in gioco la capacità.

La capacità non si misura in metri quadrati

Uno degli approcci più deboli nella

progettazione Wi-Fi

consiste nel ragionare quasi esclusivamente in termini
di superficie. Si prende la planimetria,
si calcola quanti metri quadrati devono essere coperti
e si determina un numero approssimativo di Access Point.

Il problema è che i metri quadrati non generano traffico.
Gli utenti sì.

Un magazzino molto grande con venti terminali wireless
può avere esigenze di capacità relativamente contenute.
Un auditorium molto più piccolo, con centinaia di persone
connesse contemporaneamente, può invece richiedere
un progetto molto più complesso.

La capacità dipende dalla densità dei dispositivi,
dal tipo di applicazioni utilizzate,
dalla quantità di traffico generata
e da quanto frequentemente i client devono trasmettere.

Due ambienti con la stessa superficie possono quindi
richiedere reti completamente diverse.

Nel Wi-Fi la vera risorsa scarsa è il tempo

Per comprendere davvero la capacità bisogna smettere,
almeno per un momento, di pensare soltanto in termini
di megabit al secondo e iniziare a ragionare
in termini di airtime.

Il Wi-Fi utilizza un mezzo radio condiviso.
Su un determinato canale, i dispositivi non dispongono
ciascuno di una propria porzione indipendente di spettro.
Devono coordinarsi e contendersi la possibilità di trasmettere.

In altre parole, il canale dispone di una quantità finita
di tempo utilizzabile.

Ogni trasmissione occupa una parte di quel tempo.
Lo fanno i dati degli utenti, ma anche gli acknowledgment,
i frame di gestione, le ritrasmissioni
e tutto ciò che serve al funzionamento della WLAN.

Quando l’airtime disponibile viene progressivamente consumato,
la rete inizia a mostrare i propri limiti.
Non importa quanto forte sia il segnale:
se il canale è occupato per gran parte del tempo,
i dispositivi devono aspettare.

Perché i client lenti pesano più di quanto sembri

Supponiamo che due dispositivi debbano trasferire
la stessa quantità di dati.

Il primo opera con condizioni radio molto buone
e riesce a utilizzare un data rate elevato.
Il secondo si trova in condizioni peggiori
e deve trasmettere con una modulazione
più robusta ma meno efficiente.

Il secondo dispositivo impiegherà più tempo
per trasferire la stessa quantità di informazioni.
Questo significa che consumerà più airtime.

Non è corretto semplificare dicendo che
“un client lento rallenta sempre tutti gli altri”,
perché il comportamento reale dipende da molti fattori.
È però corretto osservare che un client che utilizza
data rate inferiori può occupare il mezzo radio più a lungo
per trasferire gli stessi dati.

In un ambiente ad alta densità questo diventa importante.
La qualità RF non influenza soltanto la velocità
del singolo dispositivo, ma anche l’efficienza
con cui viene utilizzata una risorsa condivisa da tutti.

PHY rate e throughput reale sono due cose diverse

Un altro errore molto comune consiste nel guardare
la velocità di collegamento mostrata dal sistema operativo
e interpretarla come se fosse la velocità realmente disponibile
per le applicazioni.

Il PHY rate descrive la velocità fisica
con cui il collegamento sta operando
in determinate condizioni.
Ma il Wi-Fi non può dedicare tutta quella capacità
ai dati dell’utente.

Una parte viene consumata dall’overhead dei protocolli,
dai meccanismi di accesso al mezzo,
dagli acknowledgment, dai frame di controllo
e dalla competizione con gli altri dispositivi.

Se ci sono ritrasmissioni,
parte dell’airtime viene inoltre utilizzata
per inviare nuovamente dati già trasmessi.

Il throughput reale è quindi inevitabilmente
inferiore al PHY rate.

Quando il canale è occupato, il problema diventa collettivo

Uno dei parametri utili per comprendere
lo stato della WLAN è il
Channel Utilization.

Questo indicatore aiuta a capire
per quanto tempo il mezzo radio risulta occupato.
Se il canale è utilizzato intensamente,
rimane meno tempo disponibile per nuove trasmissioni.

La parte interessante è che l’occupazione
non deriva necessariamente soltanto dalla nostra rete.
Il mezzo può essere utilizzato da altri Access Point,
altri client, altre WLAN e, più in generale,
da trasmissioni percepite sullo stesso canale.

Questo spiega perché un client possa avere
un segnale perfetto e, comunque,
dover attendere prima di trasmettere.

La qualità della connessione non è determinata soltanto
da ciò che accade tra quel client e il suo Access Point.
Dipende anche da tutto ciò che condivide
la stessa risorsa radio.

Il co-channel contention è uno dei limiti invisibili delle reti dense

In una rete con numerosi Access Point
è inevitabile riutilizzare alcune frequenze.

Se due celle vicine utilizzano lo stesso canale
e riescono a sentirsi reciprocamente,
i dispositivi che operano in quelle celle
devono condividere il mezzo.

Questo fenomeno viene spesso chiamato genericamente
co-channel interference, ma in molti scenari Wi-Fi
è più preciso parlare di
co-channel contention.

Il problema non è necessariamente
che i segnali si distruggano a vicenda.
Il problema è che tutti partecipano
allo stesso meccanismo di accesso al mezzo
e devono aspettare il proprio turno.

Aumentando il numero delle celle
senza un piano radio corretto,
possiamo quindi arrivare a un risultato paradossale:
più Access Point, ma meno efficienza.

Più Access Point non significa automaticamente più capacità

Quando una rete è lenta,
una delle reazioni più frequenti
è installare altri Access Point.

In alcuni casi è esattamente ciò che serve.
Aggiungere una nuova cella può permettere
di distribuire il carico e aumentare
la quantità di risorse disponibili.

Ma ogni nuova radio modifica anche
l’ambiente RF circostante.
Aumenta la densità delle celle,
richiede un canale,
genera frame di gestione
e può aumentare la sovrapposizione
con le celle esistenti.

Se lo spettro disponibile non permette
un corretto riutilizzo delle frequenze,
aggiungere AP può creare una WLAN più complessa
senza aumentare realmente la capacità.

Coverage design e capacity design

Possiamo pensare alla progettazione wireless
come all’incontro di due esigenze.

La prima è il coverage design.
Il suo obiettivo è garantire
che il client trovi condizioni RF adeguate
nelle aree in cui deve lavorare.

La seconda è il capacity design.
Qui l’obiettivo è assicurarsi
che la quantità di risorse radio
sia sufficiente per sostenere
il numero di utenti e il traffico previsto.

Negli ambienti poco densi,
la copertura può rappresentare il vincolo principale.

Negli ambienti molto densi,
la situazione può rovesciarsi.
Potremmo avere bisogno di più Access Point
non perché il segnale sia insufficiente,
ma perché dobbiamo creare più celle
e distribuire i client su più risorse.

“Quanti client supporta un Access Point?” è spesso la domanda sbagliata

È una delle domande più frequenti
nel mondo Wi-Fi.

La risposta commerciale può essere semplice:
un Access Point può accettare
un determinato numero massimo di associazioni.

La risposta progettuale è molto più complessa.

Cento sensori che trasmettono pochi byte
ogni tanto non sono equivalenti
a cento notebook che partecipano
contemporaneamente a videoconferenze.

In entrambi i casi possiamo avere
cento client associati,
ma il consumo di airtime
è completamente diverso.

Il numero massimo di associazioni supportate
rappresenta quindi un limite tecnico,
ma non costituisce una misura sufficiente
della capacità realmente utilizzabile.

Per dimensionare correttamente la WLAN
dobbiamo sapere cosa fanno quei dispositivi.

Le applicazioni cambiano il significato della capacità

Un utente che naviga sul web
genera generalmente traffico a raffiche.
Scarica una pagina e poi rimane quasi inattivo
mentre la legge.

Una videoconferenza produce invece
un flusso più continuo
e soprattutto più sensibile
a latenza, jitter e perdita dei pacchetti.

Un backup cloud può consumare
grandi quantità di capacità
per periodi relativamente lunghi.

Un terminale voce può generare
poco traffico in termini assoluti,
ma avere requisiti molto severi
in termini di continuità del servizio
e comportamento durante il roaming.

Perfino parlare genericamente
di “100 utenti” è quindi poco significativo.

I canali larghi sono potenti, ma consumano spettro

Le tecnologie Wi-Fi moderne
permettono di utilizzare canali
sempre più larghi.

Un canale più largo consente
di trasmettere più dati in condizioni favorevoli
e può aumentare significativamente il PHY rate.

Questo però ha un costo:
viene utilizzata una quantità maggiore
dello spettro disponibile.

In un ambiente con pochi Access Point
e pochi utenti,
un canale largo può essere
una scelta eccellente.

In un ambiente molto denso
può invece ridurre il numero
di frequenze disponibili
per separare le celle.

Il risultato è che un progetto
con canali più stretti può,
in alcuni casi,
offrire una capacità aggregata superiore,
pur mostrando velocità massime inferiori
sul singolo client.

20, 40, 80 o 160 MHz: la risposta dipende dall’ambiente

Immaginiamo un ufficio molto grande
con numerosi Access Point.

Con canali da 80 MHz
potremmo ottenere ottime prestazioni di picco
per ogni singolo collegamento,
ma riduciamo sensibilmente
il numero di canali indipendenti disponibili.

Questo significa dover riutilizzare
più frequentemente le stesse frequenze.

Con canali da 20 MHz
il PHY rate massimo del singolo client
sarà inferiore,
ma il progettista dispone
di una maggiore flessibilità
per separare le celle
e distribuire la contesa.

Non esiste quindi una larghezza
universalmente migliore.

La scelta corretta dipende
dalla quantità di spettro disponibile,
dalla densità delle celle,
dalle caratteristiche dei client
e soprattutto dall’obiettivo del progetto.

Le tre bande non offrono la stessa capacità progettuale

Anche la scelta tra 2,4 GHz,
5 GHz e 6 GHz influenza profondamente
il capacity planning.

2,4 GHz

La banda 2,4 GHz presenta
caratteristiche di propagazione utili,
ma dispone di una quantità relativamente
limitata di spettro.

Le celle possono diventare molto estese
e il riutilizzo delle frequenze
può risultare più complesso.

Negli ambienti ad alta densità
può quindi diventare rapidamente
una risorsa congestionata.

5 GHz

La banda 5 GHz offre generalmente
una maggiore flessibilità
e una quantità superiore
di canali utilizzabili.

Per questo rappresenta
da anni una componente centrale
delle infrastrutture WLAN enterprise.

6 GHz

La banda 6 GHz amplia ulteriormente
la quantità di spettro disponibile
per i dispositivi compatibili.

Dal punto di vista della capacità
rappresenta una risorsa molto interessante,
perché permette di aumentare
le possibilità di pianificazione
e riutilizzo dei canali.

Anche in questo caso,
tuttavia, la disponibilità di spettro
non risolve tutto da sola.
È necessario considerare
compatibilità dei client,
propagazione e requisiti normativi.

Un auditorium e un magazzino raccontano due storie opposte

Pensiamo a un magazzino molto grande
con pochi terminali industriali in movimento.

La superficie è enorme,
ma la quantità di client
contemporaneamente attivi
può essere relativamente bassa.

Qui il problema principale potrebbe essere
garantire continuità di copertura e roaming
lungo le corsie,
magari in presenza di scaffalature metalliche
che modificano fortemente la propagazione RF.

Ora pensiamo a un auditorium
molto più piccolo
con ottocento persone sedute
nello stesso ambiente.

Dal punto di vista della copertura
sarebbe possibile illuminare l’intera area
con pochi Access Point.

Dal punto di vista della capacità,
invece, sarebbe probabilmente
una scelta inadeguata.

I dispositivi sono concentrati
nello stesso spazio
e devono condividere
una quantità limitata di risorse radio.

La potenza non crea airtime

Quando il segnale non convince,
la tentazione di aumentare
la potenza di trasmissione
è molto forte.

Ma la potenza può estendere la cella.
Non crea nuovo spettro
e non crea nuovo airtime.

Anzi, una cella troppo grande
può far sì che un numero maggiore
di dispositivi condivida
la stessa risorsa radio.

Può inoltre comparire
un problema di asimmetria:
l’Access Point viene ricevuto
dal client a grande distanza,
ma il client potrebbe non riuscire
a trasmettere verso l’AP
con la stessa efficacia.

Anche il roaming può diventare
più difficile,
perché il dispositivo continua
a ricevere il vecchio Access Point
molto più a lungo.

Per questo la potenza deve essere
progettata, non semplicemente massimizzata.

Distribuire i client non è così semplice come sembra

In teoria sarebbe comodo
poter dividere perfettamente
gli utenti tra gli Access Point.

Nella pratica, il client
ha un ruolo molto importante
nella scelta dell’AP
e nella decisione di quando effettuare roaming.

L’infrastruttura può influenzare
e facilitare questo processo,
ma non controlla completamente
il comportamento del dispositivo.

È quindi possibile trovare
un Access Point molto carico
e quello vicino quasi inutilizzato.

Questo rende il capacity planning
ancora più interessante:
non basta avere il numero corretto di celle.
Anche la loro geometria RF
deve favorire un comportamento coerente
dei client.

Anche il traffico che non vediamo consuma capacità

Una WLAN non trasporta soltanto
i dati delle applicazioni.

Il mezzo radio deve gestire
beacon, probe, autenticazioni,
associazioni, acknowledgment
e numerosi altri frame
necessari al funzionamento del protocollo.

In una rete molto densa
anche questo overhead conta.

Un esempio classico
è la proliferazione delle SSID.
Ogni rete logica introduce
ulteriore traffico di gestione.

Singolarmente può sembrare poco,
ma moltiplicato per numerosi Access Point
e per più SSID,
l’impatto sull’airtime
può diventare significativo.

Le ritrasmissioni sono airtime che paghiamo due volte

Quando un frame non viene ricevuto correttamente,
può essere necessario ritrasmetterlo.

Il tempo utilizzato dalla prima trasmissione
non viene restituito alla rete.

Se i retry aumentano,
la capacità utile diminuisce.

Le cause possono essere diverse:
interferenze, SNR insufficiente,
collisioni, condizioni RF marginali
o comportamenti problematici dei client.

Per questo un progetto orientato alla capacità
non può concentrarsi soltanto
sul throughput nominale.

Deve creare condizioni radio
sufficientemente buone
da utilizzare l’airtime
nel modo più efficiente possibile.

Non tutto ciò che sembra un problema Wi-Fi nasce dal Wi-Fi

È altrettanto importante
non cadere nell’errore opposto.

Supponiamo che un client
abbia un segnale eccellente,
un buon SNR,
pochi retry,
Channel Utilization contenuto
e un PHY rate adeguato,
ma l’applicazione continui a essere lenta.

In quel caso il problema
potrebbe non essere nella WLAN.

Potrebbe trovarsi nell’uplink
dell’Access Point,
nello switch,
nel firewall,
nel DNS,
nella WAN,
nel server applicativo
o nella connessione Internet.

Il

troubleshooting Wi-Fi

professionale serve anche a questo:
separare il dominio radio
dal resto dell’infrastruttura.

Attribuire automaticamente
al Wi-Fi qualsiasi rallentamento
soltanto perché il client
è collegato in wireless
è un errore diagnostico molto comune.

Il capacity planning comincia prima di accendere gli Access Point

Una progettazione efficace
parte dalla comprensione dell’ambiente
e soprattutto dei requisiti.

Prima di scegliere il numero degli AP
è necessario capire quali dispositivi
utilizzeranno la rete,
quali bande supportano,
quali applicazioni eseguiranno
e quanta contemporaneità
ci si aspetta nei momenti di picco.

Solo dopo possiamo iniziare
a trasformare questi requisiti
in un progetto radio.

La copertura deve essere coerente
con i client e con le applicazioni.
La strategia dei canali deve essere
compatibile con la densità.
La larghezza di canale
deve trovare un equilibrio
tra velocità di picco
e riutilizzo dello spettro.

Un Predictive Survey può aiutare
a modellare il comportamento atteso
dell’infrastruttura prima dell’installazione.

Ma il progetto non termina
con la simulazione.

Perché il Post-Installation Survey è fondamentale

L’ambiente reale non è mai
perfettamente identico al modello.

Una parete può attenuare
più del previsto.
Uno scaffale può modificare
la propagazione.
Un Access Point può essere installato
alcuni metri più in là
rispetto al progetto.

I client reali possono inoltre
comportarsi diversamente
da quanto immaginato.

Il

Wi-Fi Survey

successivo all’installazione
serve a verificare
se l’infrastruttura soddisfa realmente
gli obiettivi definiti.

Ed è qui che copertura
e capacità tornano a incontrarsi.

La heatmap può mostrarci
che il segnale è adeguato.
L’analisi RF può confermare
che le celle sono distribuite correttamente.
Ma questi dati devono essere letti
insieme al comportamento reale della WLAN.

Una heatmap verde non è la fine del progetto

Le heatmap sono strumenti
estremamente utili,
ma possono essere interpretate male.

Una planimetria completamente verde
dal punto di vista dell’RSSI
può generare una falsa sensazione
di sicurezza.

Potremmo avere copertura eccellente
e contemporaneamente
un grave problema di
co-channel contention.

Potremmo avere una sala
completamente coperta
e non disporre di abbastanza airtime
per gli utenti presenti.

Potremmo avere un segnale forte
e client che operano male
a causa dell’interferenza.

La heatmap racconta
una parte importante della storia.
Ma la rete deve essere osservata
come sistema.

La domanda giusta non è “quanto segnale abbiamo?”

Alla fine,
il passaggio concettuale
più importante è proprio questo.

Una rete Wi-Fi professionale
non dovrebbe essere progettata
chiedendosi soltanto
quanto segnale arriva
nelle diverse aree.

Dovremmo chiederci
se il segnale è adeguato,
quanti dispositivi utilizzeranno
quella cella,
quanto airtime consumeranno,
quali applicazioni useranno
e quante risorse radio
saranno disponibili
nel momento di massimo carico.

Copertura e capacità
sono quindi due prospettive
diverse dello stesso progetto.

La prima garantisce
che il client possa comunicare.
La seconda garantisce
che possa farlo
con il livello di servizio richiesto.

Conclusioni

Avere copertura Wi-Fi
non significa automaticamente
avere una rete capace
di sostenere il traffico reale.

Una WLAN può mostrare
RSSI eccellenti in ogni stanza
e diventare inutilizzabile
non appena cresce
la densità degli utenti.

La capacità nasce dall’equilibrio
tra airtime,
spettro disponibile,
numero delle celle,
data rate,
comportamento dei client,
applicazioni
e qualità dell’ambiente RF.

Per questo il numero
degli Access Point
non può essere determinato
soltanto dalla superficie da coprire,
e la larghezza dei canali
non dovrebbe essere scelta
inseguendo semplicemente
il valore più alto disponibile.

La progettazione efficace
cerca un equilibrio:
abbastanza copertura
da garantire una comunicazione affidabile,
abbastanza capacità
da sostenere la domanda prevista
e abbastanza separazione tra le celle
da utilizzare lo spettro
in modo efficiente.

Domande frequenti su copertura e capacità Wi-Fi