Velocidad de las redes WiFi N en entornos residenciales

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Aunque la tecnología WiFi ha experimentado un gran crecimiento y está ayudando a facilitar el acceso a Internet a millones de personas en todo el mundo, las últimas versiones del estándar no han ayudado precisamente a que los usuarios de las redes Wi-Fi tengan claro cuál es el rendimiento real de las mismas.

En este artículo veremos las razones de la confusión generada en torno al rendimiento de las redes Wi-Fi y analizaremos el caso de la versión más utilizada en la actualidad, conocida comercialmente como Wi-Fi N.

Portada WiFi N

Wi-Fi y el estándar IEEE 802.11

Antes de analizar el rendimiento de las conexiones Wi-Fi N residenciales vamos a hacer un pequeño repaso de las diferentes versiones del estándar.

La tecnología Wi-Fi está basada en la utilización de un estándar desarrollado por el organismo mundial IEEE dedicado al desarrollo de estándares en el ámbito de las ciencias y la tecnología. La primera versión oficial del estándar se publicó en 1997 y recibió el nombre de IEEE 802.11.

Paralelamente al desarrollo del estándar del IEEE, en el año 1999 algunos de los más importantes fabricantes de soluciones inalámbricas crearon una organización llamada WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) con el objetivo de fomentar la compatibilidad de los dispositivos inalámbricos desarrollados bajo dicho estándar. Unos años más tarde, esta organización cambia su nombre a Wi-Fi Alliance. Los dispositivos que cumplen el estándar IEEE 802.11 son comercializados con la denominación Wi-Fi (Wireless Fidelity) lo que asegura su compatibilidad con el resto de dispositivos del mercado.

Desde entonces se han publicado varias versiones con sucesivas mejoras hasta llegar a la versión actual conocida como IEEE 802.11ac y publicada en enero de 2014. En la siguiente tabla se hace un resumen de todas las versiones:

Estándar Nombres comerciales Año Velocidad máxima teórica
IEEE 802.11 - 1997 2 Mbps
IEEE 802.11a 802.11A 1999 54 Mbps
IEEE 802.11b 802.11B, Wi-Fi B 1999 11 Mbps
IEEE 802.11g 802.11G, Wi-Fi G 2003 54 Mbps
IEEE 802.11n 802.11N, Wi-Fi N 2009 600 Mbps
IEE 802.11ac 802.11AC, Wi-Fi AC 2014 1.3 Gbps (*)
(*) El estándar IEEE 80211ac permite alcanzar velocidades mayores pero por el momento la velocidad máxima de los dispositivos certificados por la Wi-Fi Alliance es la que aparece en la tabla (Ver http://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-certified-ac)

Todos los dispositivos que cumplan con alguno de estos estándares se les asigna la denominación de dispositivo Wi-Fi. Sin embargo, puede haber grandes diferencias entre ellos.

De todas las versiones del estándar, las tres primeras se consideran prácticamente extinguidas mientras que la más utilizada actualmente es la versión 802.11N. Aunque sin duda, la versión que ha alcanzado más popularidad hasta el momento ha sido la versión 802.11G. Esta versión se publicó en 2003 y fue un par de años más tarde cuando el uso de dispositivos Wi-Fi empezó a crecer significativamente.

Una característica importante que tenía el estándar 802.11G es que todos los dispositivos que cumplían dicho estándar respondían a las mismas características técnicas. Todos utilizaban la misma banda de frecuencias, el mismo ancho de banda por canal, el mismo tipo de modulación, la misma banda de guarda… con todo esto, el estándar 802.11G proporciona una velocidad máxima teórica de 54 Mbps (en este artículo se comprueba cuál es la velocidad máxima real).

Sin embargo, con la publicación del nuevo estándar 802.11N las cosas iban a cambiar en cuanto a simplicidad. Este nuevo estándar añade algunas características respecto a su antecesor 802.11G que pueden mejorar sustancialmente el rendimiento de las redes inalámbricas. Sin embargo, y esto es importante, no obliga a que todos los dispositivos Wi-Fi N implementen todas estas características. Esta situación ha propiciado cierta confusión a la hora de evaluar el rendimiento de los dispositivos Wi-Fi N.

El estándar 802.11N y todas sus variaciones

Hasta la versión anterior, la 802.11G, todos los dispositivos Wi-Fi tenían las mismas características, con lo cual el rendimiento era más o menos parecido en condiciones óptimas, con un tope máximo teórico para todos los dispositivos de 54 Mbps.

En el estándar 802.11N se definen sin embargo varias configuraciones de funcionamiento, cada una de las cuales ofrece prestaciones diferentes, no siendo obligatorio que un dispositivo certificado como 802.11N incluya todas las posibles configuraciones y por lo tanto ofrezca las máximas prestaciones.

La clave de todo esto se llama Esquema de modulación y codificación o más conocido por sus siglas MCS (Modulation and Coding Scheme). El esquema de modulación y codificación define el valor de algunos parámetros de la transmisión que influyen directamente en la velocidad máxima alcanzada, es decir, en el rendimiento de las conexiones Wi-Fi.

Al final de este artículo se ofrece un anexo más técnico sobre esta característica. Por el momento y para simplificar, diremos que la norma IEEE 802.11n define hasta 77 MCS, es decir, 77 modos de operación diferentes y cada uno de ellos ofrece hasta cuatro velocidades máximas teóricas, dependiendo del ancho del canal utilizado y del intervalo de guarda.

En la práctica sólo se han implementado 32 de esos modos. El modo 0, el más bajo, proporciona una velocidad máxima teórica de 6.50 Mbps (para un canal de 20 MHz y un intervalo de guarda de 800 ns). Mientras que el modo más alto, el 31, proporciona 600 Mbps de velocidad máxima teórica (con un canal de 40 MHz y un intervalo de guarda de 400 ns). De hecho, esta última velocidad de 600 Mbps se considera la velocidad máxima del estándar.

Y aquí llega la parte importante. De los MCS del estándar, sólo los 16 primeros modos son obligatorios en los puntos de acceso (o routers Wi-Fi). Y solamente los 8 primeros son obligatorios para los dispositivos cliente, es decir, portátiles, smartphones, tablets, etc. Todos los demás son opcionales.

Figura 01. Tabla comparativa g y modos n

En la tabla anterior se muestra la comparativa de velocidad de los diferentes dispositivos Wi-Fi G y N. Se observa que sólo hay una posible configuración para WiFi G mientras que para WiFi N podemos encontrar hasta 4 diferentes, cada uno con unas velocidades máximas diferentes en función de los modos implementados. Sólo un dispositivo WiFi N que implemente todos los modos operativos, del 0 al 31, podrá utilizar la velocidad máxima teórica de 600 Mbps.

¿Cuál es el MCS utilizado en una comunicación WiFi N?

Las comunicaciones entre un AP (o un router WiFi) y un cliente Wi-Fi se llevan a cabo mediante una negociación del MCS máximo que permiten las condiciones de transmisión y las características de los dispositivos.

Inicialmente se negocia el MCS más alto posible. Sin embargo, este MCS puede reducirse para minimizar el efecto debido a las condiciones de transmisión, como la distancia entre los dispositivos, obstáculos, interferencias, etc.

Los tipos de modulación más avanzados y las velocidades de modulación altas tienen la ventaja de transmitir más bits por unidad de señal modulada, pero por el contrario son más sensibles a errores producidos por las condiciones de transmisión como obstáculos, interferencias, debilidad de la señal debido a distancia entre los dispositivos, etc. Cuando la tasa de errores crece, la solución es cambiar el tipo de modulación, la velocidad de modulación o ambas hasta encontrar un esquema que se vea lo menos afectado posible por las condiciones de transmisión.

Por tanto, el MCS máximo utilizado en una comunicación WiFi N, en condiciones de distancia, obstáculos, interferencias óptimas, viene marcado por el dispositivo con el MCS más bajo. Si intentamos comunicar un AP o un router WiFi que implemente el MCS más alto, el 31 y que por tanto pueda alcanzar hasta 600 Mbps, con un cliente WiFi N, por ejemplo, un smartphone que implemente hasta el MCS 7, la velocidad máxima teórica de esa comunicación será tan solo de 150 Mbps, que es la que proporciona un MCS de 7.

Figura 02. Transmision con diferentes modos wifi NWiFi N en redes residenciales

Ya hemos visto cómo las prestaciones de las redes Wi-Fi N dependen de las características implementadas en los dispositivos. El MCS utilizado en una comunicación Wi-Fi lo establecerá el dispositivo con menores prestaciones.

En el caso de las redes Wi-Fi N residenciales la realidad es que los routers Wi-Fi que los operadores proporcionan a sus clientes son, por así decirlo, de gama baja. Eso implica que implementan el mínimo número de modos MCS exigido por el estándar, que como hemos visto, es de 16. Por tanto, la velocidad máxima teórica que admiten la mayoría de los routers residenciales proporcionados por las operadoras es de 300 Mbps.

Y otro tanto ocurre con los dispositivos inalámbricos clientes, como smartphones, tablets, etc. Muchos de ellos implementan igualmente, el mínimo número de modos MCS exigido en el estándar, que en este caso es de 8. Esto, en la práctica limita las velocidades máximas teóricas en las conexiones WiFi N residenciales a 150 Mbps.

Figura 03. Entorno residencial modos wifi NEn la figura anterior se muestra el escenario típico en los entornos residenciales, donde la máxima velocidad teórica es de 150 Mbps, muy alejado de los 600 Mbps que permite el estándar.

 Velocidad real en entornos residenciales WiFi N

Hasta ahora hemos hablado de velocidades máximas teóricas. En este apartado ofrecemos las medidas reales llevadas a cabo en un entorno real. Los detalles de las pruebas se pueden ver en este artículo (pendiente de publicar). Aquí sólo veremos las conclusiones.

En las pruebas se utilizó un punto de acceso inalámbrico con un MCS máximo de 15, es decir, una velocidad máxima teórica de 300 Mbps.

Los dispositivos clientes fueron un portátil con una tarjeta WiFi N externa, conectada por USB, con un MCS máximo de 7. Y un smartphone Motorola Moto G. El fabricante no especifica el modo máximo que admite pero por los resultados de las pruebas deducimos que su MCS máximo es de 7. Lo esperado.

Además del modo MCS utilizado en la comunicación WiFi, hay otro parámetro que influye de forma importante en la velocidad máxima teórica y que es el ancho de banda del canal. El estándar permite usar dos anchos de banda, 20 MHz y 40 MHz. El ancho de 20 MHz ya se utilizaba en WiFi G. El ancho de 40 MHz es nuevo en WiFi N y permite velocidades de transferencia mayores para el mismo MCS, sin embargo, en la práctica se utiliza pocas veces debido principalmente a que, primero no es obligatoria su implementación y algunos dispositivos WiFi no lo implementan, y segundo, porque un canal de 40 MHz es mucho más sensible a sufrir interferencias, especialmente en entornos residenciales donde puede haber otras redes WiFi cerca. Por tanto, lo más frecuente es que los dispositivos WiFi N utilicen canales de 20 MHz y bajo ese supuesto se ofrecen los resultados (en el artículo mencionado anteriormente con los detalles de las pruebas se ofrecen también los resultados de las pruebas con un canal de 40 MHz).

Por último, indicamos simplemente que la aplicación utilizada para hacer las pruebas se llama iPerf.  Es software libre y disponible tanto para Windows como para Android.

En base a todo lo anterior, las pruebas de velocidad entre el punto de acceso WiFi y el portátil arroja el siguiente resultado:

Figura 04. iperf wifi NLa velocidad máxima real que se alcanzó en las pruebas como se observa en la figura anterior es de 51 Mbps. Estas pruebas se realizaron en un entorno libre de interferencias, sin obstáculos y a una distancia de unos dos metros entre el punto de acceso WiFi y el portátil.

A pesar de que el modo MCS=7 admite hasta 150 Mbps de velocidad máxima teórica, dicha velocidad se consigue con un canal de 40 MHz. Ya hemos visto que esto no es lo habitual. Lo habitual es utilizar un canal de 20 MHz. En este caso, la velocidad máxima teórica es de 72.2 Mbps según se puede ver en el siguiente extracto de la tabla de modos MCS:

Figura 05. Extracto tabla MCSPara las pruebas de velocidad realizadas entre el punto de acceso WiFi y el smartphone los resultados son similares:

Figura 06. iperf smartphoneEn este caso, la velocidad máxima real que se ha obtenido ha sido de 49.1 Mbps. En este caso, también la velocidad máxima teórica es de 72.2 Mbps ya que se utiliza un canal de 20 MHz.

Conclusión:

En los entornos residenciales el escenario más habitual es encontrarnos con dispositivos WiFi N que soportan hasta el modo MCS=7 y que utilizan canales de 20 MHz (dentro de la banda de 2.4 GHz). En estas condiciones, la velocidad máxima teórica es de 72.2 Mbps y la velocidad máxima real alcanzada en nuestras pruebas ha sido alrededor de 50 Mbps.

Comparado con el estándar anterior WiFi G, la mejora es significativa, pero está bastante lejos de esos teóricos 600 Mbps con los que, en algunas ocasiones se ha vendido el estándar WiFI N.

Figura 08. Resultados pruebas WiFi N residencial

Anexo: Tabla MCS y los factores que influyen en configuración de los diferentes modos

Para finalizar este artículo incluimos la tabla de los 32 primeros modos del estándar WiFi N. Si el lector no desea profundizar en detalles técnicos puede saltarse este anexo.

Figura 07. Tabla MCS(Tabla obtenida de http://www.digitalairwireless.com.au/wireless-blog/recent/understanding-mcs-values.html)

Resumimos muy brevemente que factores definen dicho MCS:

  • Spatial streams, que podría traducirse por “flujos espaciales”. Se utiliza una técnica llamada SDM (Spatial Division Multiplexing, Multiplexación por división espacial) para las transmisiones inalámbricas que permite conseguir varios flujos de información sobre el mismo rango de frecuencias. Se aprovechan las llamadas multi-rutas de las señales radioeléctricas debido a las reflexiones, que sin el uso de esta técnica se podrían considerar interferencias pero que gracias a SDM se pueden aprovechar para el envío de más información. En estándar Wi-Fi N admite entre 1 y 4 flujos simultáneos. Cada flujo está asociado normalmente a una antena de modo que para utilizar esta funcionalidad es necesario disponer de más de una antena.
  • Coding Rate o velocidad de modulación. Este parámetro está muy relacionado con el siguiente. Se suele especificar con dos cifras. La primera indica el número de bits de información por símbolo (unidad mínima de señal modulada que contiene información) y el segundo indica el número total de bits enviados en un símbolo. Estos bits extra del segundo parámetro son bits de redundancia para la detección de errores.
  • Modulation type o tipo de modulación. La modulación es el proceso por el cual generamos una señal que se adapta al medio de transmisión. En el caso de Wi-Fi la señal modulada es una señal analógica que contiene información digital. Dependiendo de la técnica de modulación empleada se puede conseguir enviar más bits en la misma cantidad de tiempo. El parámetro que define el rendimiento de un tipo de modulación concreto es el número de bits por símbolo. La modulación más básica es la BPSK y la más avanzada es la 64-QAM. Las modulaciones más avanzadas permiten transmitir más bits por unidad de tiempo pero son más sensibles a interferencias y desvanecimientos de la señal.
  • Ancho de banda del canal. En ancho de banda de un canal es la diferencia entre la frecuencia más alta y la frecuencia más baja utilizadas por un canal. En el estándar Wi-Fi G se utilizaban canales con un ancho de banda fijo de 20 MHz. Sin embargo, en Wi-Fi N existe la posibilidad de elegir entre canales de 20 MHz y 40 MHz. Utilizar un canal de 40 MHz hace aumentar el rendimiento de la transmisión, sin embargo, sólo es aconsejable utilizarlos en entornos con pocas interferencias. El estándar WiFi N permite la posibilidad de utilizar dos bandas de frecuencia, la primera situada en 2.4 GHz, que es la que ya se utilizaba en WiFi G y una segunda banda en 5 GHz. Los canales de 40 MHz realmente están pensados para ser utilizados en esta última banda de 5 GHz ya que admite un mayor número de canales y es una banda más libre de interferencias. En la práctica sin embargo, ningún operador proporciona routers WiFi que trabajen en la banda de 5 GHz, por lo tanto, en entornos residenciales, no se suele utilizar canales de 40 MHz.
  • Intervalo de guarda (GI). Este parámetro define el periodo de tiempo entre símbolos (mínima unidad de señal que contiene información). En entornos donde existe la posibilidad de multitrayectos es necesario dejar un periodo de guarda entre símbolos consecutivos lo suficientemente grande para evitar que un símbolo llegue al receptor antes que termine el anterior (debido a una ruta multitrayecto más corta). El estándar permite el uso de dos valores, 400 ns y 800 ns.

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12 pensamientos en “Velocidad de las redes WiFi N en entornos residenciales

  1. Excelente artículo, me ayudó mucho a comprender el tema. Gracias por compartir y sobre todo poner a disposición de todos quienes acudimos a la aldea global en busca de conocimiento.

    • De momento me conformo como premio con el reconocimiento a través de comentarios como el tuyo. Gracias!!

  2. lo felicito, información clara y concisa, permite la real comprensión del funcionamiento en la práctica del sistema inalámbrico que en la actualidad está al alcance de todos.

    muy buen articulo.

  3. Es increíble que los fabricantes ofrezcan productos de baja calidad y no las medidas standard. Es necesario que el nivel teórico se conviertan en velocidades reales.

    • Me temo que esto es una práctica habitual, no sólo en el mundo de las redes. La labor de los técnicos es conocer las verdaderas características de los dispositivos, cosa que en muchas ocasiones no ocurre.

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