Interferencias: la verdad está ahí fuera

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Uno de los puntos fuertes de los equipos ARBA de Albentia es su robustez frente a interferencias.
Cada vez es más difícil encontrar emplazamientos con un espectro limpio en banda libre, que no vacío, para desplegar nuevos servicios. En otros casos, es el propio cliente operador el que llena la banda de frecuencias al colocar muchas estaciones base o puntos de acceso en un mismo emplazamiento, a veces, con equipamiento sin sincronización TDD.

Por ésto, es primordial que los equipos radio sean especialmente robustos ante interferencias, no sólo en canal, ante las que poco se puede hacer, sino principalmente ante el resto de señales presentes en banda, cercanas al canal elegido o no. De lo contrario, nos encontraremos con que es casi imposible, o imposible en algunos casos, desplegar cualquier equipo en banda libre y, de hacerlo, podría ser a costa de una importante merma del rendimiento y capacidad neta. De nada sirve una gran sensibilidad en laboratorio, si al colocar los equipos en campo se saturan, un ejemplo perfecto de potencia sin control.

Como ya se adelantó en este post sobre interferencias de Albentia Systems, nos hemos tomado el tema muy en serio y hemos hecho un ataque y derribo a las interferencias. Atacando el problema en paralelo a todos los niveles del sistema, empezando por la circuitería de radio, el módem y la capa MAC. De este trabajo han surgido herramientas “visibles” por el usuario, como el sistema TBIM o el modo radio de baja distorsión, y otros muchos sistemas y optimizaciones que el usuario no ve, añadidos a otras herramientas que ya existían como el ARQ o el sincronismo TDD para eliminar por completo la interferencia propia en una torre con múltiples estaciones base.

Afortunada o desafortunadamente, cada vez más clientes tienen problemas de interferencias en sus redes y acuden a nuestras soluciones, y más allá de promesas sobre la robustez de los equipos, comprueban ellos mismos que sus problemas se reducen o desaparecen al migrar a Albentia Systems, resultando en un mejor servicio y aprovechamiento de la banda libre, ese bien tan escaso.

No obstante, y la razón de éste post, es que a veces surge la pregunta de cuánto mejor es nuestro equipo frente a otro de la competencia, o en general, de cómo comparar el comportamiento ante interferencias, a ser posible antes de tomar una decisión de compra. Es una pena, pero a día de hoy no existe una especificación para comparar el rendimiento final de diferentes equipos inalámbricos frente a interferencias. En el equipo de I+D de Albentia Systems manejamos diferentes cifras que a la hora de optimizar una parte concreta del sistema nos dan una indicación de lo buena, mala, mejor o peor que es esa parte en concreto, para trabajar con un rumbo, pero como dije antes, no existe una métrica para valorar el rendimiento del sistema completo que nos pueda servir para comparar entre diferentes productos.

Una solución algo delicada, puede ser medir en laboratorio el rendimiento de un enlace, introduciendo una interferencia. Para realizar este tipo de medidas, y que sean útiles y comparables es necesario lo siguiente:

  • Establecer unas condiciones de medida comunes, para poder comparar entre medidas realizadas en laboratorios diferentes. Éstas condiciones deberían ser lo más parecidas y representativas posible de un enlace real. No es lo mismo interferir un equipo que está recibiendo una señal deseada de -70dBm que uno que está recibiendo -40dBm.
  • Interconectar todos los equipos, del enlace deseado, del interferente, y del sistema de inyección de interferencia, con cables coaxiales, atenuadores, y demás elementos de laboratorio, cuya calidad no interfiera en la medida.
  • Calibrar con precisión todo el montaje: pérdidas de los coaxiales, atenuadores, splitters, acopladores, etc. Para poder obtener cifras reales y repetibles de las medidas realizadas.
  • Asegurar que no existen factores que limiten la medida, tales como acoplamiento entre equipos mal blindados (como aquellos con caja de plástico) que hagan que la señal pueda llegar por el aire de uno a otro y no únicamente a través de los coaxiales.

Lo delicado del asunto hace que pocas veces se vean publicaciones con este tipo de medidas, pero recientemente se publicó un interesante análisis en el foro de Ubiquiti que nos dio la idea de repetir esas mismas medidas con nuestros productos de la serie ARBA.

En primer lugar, hay que saber las condiciones de medida usadas: analizan equipos basados en Wi-Fi 802.11n en MIMO 2×2, configurados con canales de 20MHz, una potencia de transmisión de 15dBm y una atenuación de 65dB, de tal forma que los receptores reciben -50dBm. El equipo interferente en todos los casos es un RocketM5 de Ubiquiti configurado en modo de transmisión contínua, en canal de 20MHz.

Se conectan los dos enlaces con atenuadores, y se insertan dos acopladores direccionales, uno en cada rama radio del enlace MIMO 2×2, para inyectar la interferencia hacia uno de los extremos del enlace, por eso se utiliza un acoplador direccional y no un combinador. En éste punto dejan claro que la atenuación de cada enlace es de 65dB, la habrán medido, pero no queda claro si han calibrado la atenuación del camino interferente para saber con precisión qué nivel de interferencia llega al AP, supongamos que sí.

En éste punto conviene aclarar que los equipos de Albentia Systems son calibrados unidad a unidad en la línea de producción, e incorporan un algoritmo de compensación en temperatura para mantener el error en una cifra típica de +/-1dB. Pero en el mercado hay muchos equipos que no están correctamente calibrados en fábrica, o quizás no se calibran en absoluto, por lo que la potencia de transmisión configurada y el nivel de señal recibido que reportan, son un mera aproximación que puede tener poco que ver con la realidad, y puede variar con factores externos como la temperatura. En éstos casos, la única forma de medir correctamente es mantener monitorizado en todo momento el nivel de señal transmitido por cada extremo y sabiendo la atenuación del enlace, sabremos además el nivel recibido en el otro lado.

En nuestro montaje, utilizamos como interferente un AP 802.11n MIMO 2×2 transmitiendo continuamente en un canal de 20MHz. Hemos comprobado en laboratorio que su potencia de transmisión, en lugar de ser estable, varía hasta 6dB en función de la temperatura que alcance el interior del equipo. Para eliminar ésta incertidumbre, hemos introducido un splitter para extraer parte de la señal y mantener el nivel monitorizado con un analizador de espectro. Así mismo, en vez de modificar el nivel de la interferencia actuando sobre la potencia de transmisión del AP, usamos un atenuador variable con pasos de 1dB, por precisión y por comodidad.
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Conectamos todo y medimos en laboratorio la pérdida de los 3 caminos que nos interesan: CPE a estación base Albentia, AP interferente a estación base Albentia y AP interferente a analizador de espectro. Con la primera medida verificamos que al conectar y enlazar los equipos, la diferencia entre la transmisión del CPE y lo que recibe la BS es igual a la atenuación medida, mientras que las otras dos medidas son necesarias para calcular cuánta potencia está transmitiendo realmente el AP interferente, y qué nivel del mismo llega a la BS Albentia que queremos interferir.
A partir de aquí el procedimiento es muy sencillo:

  • Configuramos la BS Albentia a la frecuencia de prueba, el “target rssi” a -50dBm para que el CPE ajuste su transmisión de tal modo que la BS reciba -50dBm como en las pruebas del foro de Ubiquiti. En éste caso la BS-150 se configura en su máximo ancho de canal: 10MHz.
  • Configuramos el AP WiFi en una frecuencia tal que quedan ambos canales “pegados”, por ejemplo si la BS está a 5600MHz su canal va de 5595 a 5605MHz, se configura el AP interferente a 5615MHz de frecuencia central (canal de 5605-5625MHz). Potencia de transmisión de 20dBm y atenuador ajustable al máximo.
  • Medimos el ancho de banda disponible con Iperf en TCP y lo anotamos junto a la posición actual del atenuador variable y el nivel de señal que muestra el analizador de espectro.
  • Reducimos la atenuación de la interferencia paso a paso, anotando los resultados hasta que el enlace se desconecte o no podamos incrementar más la interferencia.
  • Cambiamos la frecuencia del AP interferente para probar a diferentes separaciones entre el canal interferido y el interferente.
  • Procesamos todas las medidas junto con los valores de calibración en una hoja de cálculo para obtener el resultado de capacidad frente a interferencia en dBc (diferencia entre la señal deseada y la interferencia).

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Por fin podemos ver y analizar los resultados, a continuación el gráfico de capacidad frente a interferencia para diferentes separaciones, siempre entre borde y borde de canales:

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Análisis de los resultados:

  • A 0MHz de separación, es decir, con el canal pegado a la interferencia, la interferencia ha de ser 10dB más fuerte que nuestra señal para empezar a percibir alguna degradación en la capacidad. Para perder un 25% de la capacidad ha de ser 15dB mayor, para perder el 50% 20dB y para perder 75% 26dB.
  • A 5MHz, soporta una interferencia 17dB mayor que nuestra señal antes de degradarse. Como nuestra señal es de -50dBc, ésto significa que tendríamos que recibir una interferencia de más de -33dBm para empezar a notarla. Para perder el 50% de capacidad hacen falta 34dBc de interferencia.
  • A 10MHz el rechazo que nos proporciona el filtro de canal es aún más alto, y sería necesaria una interferencia superior a 24dBc para notarlo en nuestro enlace, y para perder el 50% de capacidad serían necesarios 46dBc, es decir, una interferencia recibida con un nivel de -4dBm, lo cual es imposible dadas las potencias de transmisión que se manejan en banda libre y las pérdidas mínimas entre antenas.
  • A partir de 20MHz el efecto de la interferencia es diferente, la interferencia ya no llega al módem, pero es capaz de generar distorsión e incluso saturar las primeras etapas radio. En éstos casos la diferencia entre nuestra señal y la interferente no es lo que dicta el efecto, sino su nivel absoluto. Si cambiásemos el nivel de nuestra señal de -50 a -60dBm, éstas trazas subirían 10dBc más. En definitiva, a partir de 20MHz de separación hacen falta 27dBc de interferencia, o mejor dicho, una interferencia de -23dBm para empezar a notar alguna degradación del enlace.

Comparación con los datos publicados en el foro de Ubiquiti:

  • Esas medidas no contemplan separaciones de 0 y 5MHz, empiezan con 10MHz de separación borde-borde.
  • Interferencia a 10MHz:
    • Un AirFiber 5X aguanta hasta 17dBc antes de degradarse, frente a los 24dBc de la serie ARBA de Albentia. A 25dBc ha perdido el 50% de su capacidad, mientras que Albentia requiere 46dBc, 21dB más, que equivale a un nivel inalcanzable en campo.
    • Un Rocket 5AC Lite se degrada con tan solo 12dBc, y con 19dBc ha perdido el 50% de su capacidad. La versión PTP es unos 5-6dB mejor que la Lite al incorporar el sistema AirPrism.
    • Un EPMP-1000GPS tiene una respuesta más suave que el resto, pero a partir de 15dBc se aprecia una clara degradación y a 19dBc ya ha perdido el 50% de su capacidad. La serie ARBA de Albentia con 19dBc aún mantiene el 100% de la capacidad disponible, una diferencia abismal.
  • A 30MHz, el AirFiber 5X aguanta hasta 19dBc sin degradación, y pierde el 25% de capacidad con 26-27dBc, mientras que ARBA no degrada hasta 26dBc y para perder un 25% hacen falta 30dBc, una interferencia de -20dBm.
  • El comportamiento del EPMP-1000GPS no mejora al aumentar la separación con la interferencia. A 50MHz de separación, una interferencia de más de 15dBc provoca la degradación del enlace y con 21dBc ha perdido el 50% de su capacidad.

En resumen, podemos afirmar que los equipos ARBA son de 6 a 20dB mejores que el mejor equipo analizado de la competencia según comparemos en punto en el que se empieza a degradar lo más mínimo o bien en el que se pierde el 25% de capacidad. El efecto que provocan las interferencias en los receptores, tanto a nivel eléctrico como lógico (gestión de errores, pérdidas, ACKs, reenvíos) no son lineales, por lo que en la mayoría de escenarios la diferencia es mucho mayor, y los equipos de Albentia Systems soportan mucho mejor las interferencias y permiten ofrecer un servicio más eficiente y de calidad en escenarios interferidos.

Interferencias co-canal:

Otro tipo de interferencia, difícil de combatir, es la interferencia en tu propio canal, o interferencia co-canal. En muchos emplazamientos el espectro está tan saturado, que es imposible encontrar un hueco libre. A menudo se observan espacios, pero el fondo de ruido está elevado debido al ruido que generan otros transmisores cercanos fuera de su canal. Algunos equipos con un filtrado deficiente pueden llegar a distorsionar y saturarse debido a señales fuera de banda, por ejemplo debido a transmisores de televisión o radio cercanos aunque operen en bandas de VHF y UHF.

Éstas señales están ahí, en el aire, justo en nuestro canal, o se generan en el receptor y terminan solapando nuestro canal, y poco se puede hacer contra ellas. Pero en Albentia Systems, muchas de las herramientas para combatir las interferencias adyacentes ayudan también a estabilizar y sacar todo el partido al enlace incluso con interferencia co-canal: TBIM, ARQ, modo de baja distorsión, etc.

Aprovechamos el montaje de las pruebas anteriores para probar cómo afecta la interferencia del AP Wifi a la señal de nuestro equipo ARBA compartiendo canal:
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Lo que se puede apreciar en la gráfica resultante, es que no hay ninguna magia, porque no nos engañemos, nada se puede hacer en éste caso. La interferencia nos limita la relación señal a ruido en el canal, pero demuestra que el enlace aguanta sin ningún problema ésta situación tan complicada y se va degradando proporcionalmente. No es hasta los -2dBc (interferencia sólo 2dB por debajo de nuestra señal) cuando el enlace se desconecta, ya que el demodulador es incapaz de trabajar con tan poca relación señal a ruido.

Conviene aclarar que la interferencia proviene de un AP Wifi MIMO 2×2 en canal de 20MHz, mientras que nuestro canal es de 10MHz, por lo que cuando la interferencia es de -2dBc, la relación a ruido de nuestro canal no se ve reducida a los 2dB de diferencia que hay entre la interferencia y nuestra señal sino 3dB más por la diferencia del ancho de banda, es decir 5dB, 1dB menos que los 6dB mínimos requeridos para BPSK-1/2.

Merece especial mención el recién desarrollado modo de baja distorsión, nos permite sacrificar algo de sensibilidad a cambio de un incremento mucho mayor (10-15dB) en protección ante interferencias en banda, sobre todo en enlaces con un nivel recibido inferior a -60dBm.

Si nuestra estación base se encuentra interferida, de nada sirve tener una gran sensibilidad, porque tenemos un problema muy diferente. Activando el modo de baja distorsión en nuestro equipo ARBA, podemos sacrificar 2 o 3dB de sensibilidad, requiriendo entonces -71dBm para 64QAM-3/4 en canal de 10MHz, pero probablemente eliminemos la degradación que sufríamos por la interferencia. Si bien, si nuestra señal es inferior a la nueva sensibilidad “degradada”, aunque la modulación se viera afectada, seguiríamos ganando en estabilidad y capacidad neta.

Comparativa final: rechazo a interferencia.

Otra forma de comparar gráficamente los receptores, es expresando en un gráfico el nivel de interferencia necesario para perjudicar la capacidad del enlace un porcentaje determinado en función de la separación entre nuestro canal y el interferente.

En el citado post del foro de Ubiquiti, días después de la primera publicación añadieron dicho gráfico comparando el AirFiber 5X y el Mimosa B5c para una merma de capacidad del 20%. Ya que toda la información necesaria puede sacarse de las medidas anteriores, nos parece interesante mostrarlo también a título comparativo:
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Éste gráfico muestra una clara superioridad en el rechazo a interferencias de los equipos de la serie ARBA de Albentia. El eje horizontal es idéntico a la medida del foro de Ubiquiti, que contempla una separación de hasta 2 canales de 20MHz, pero hemos tenido que extender el eje vertical hasta 40dBc para mostrar todo el potencial.

Con una separación de 1 canal (de 20MHz) entre la interferencia y nuestro canal, el ARBA soporta 20dB más de interferencia para la misma merma de capacidad del 20%, es decir, 100 veces más.

No obstante, como nos gusta ser claros, alguien podría decir que como los equipos ARBA utilizan canales de 10MHz, el gráfico debería estar expresado en canales de 10MHz y no de 20MHz, y que hemos hecho trampa. Es cierto, hasta cierto punto, pues la realidad es que convivimos con equipos de 20, 40, y con la inclusión del 802.11ac 80 y en el futuro (dios no lo quiera) 160MHz. Además lo hemos hecho así para poder comparar directamente contra otras medidas.

Si todos los equipos desplegados utilizasen canales de 10MHz, está claro que habría que expresar el gráfico en canales de 10MHz, así que lo dejamos aquí:

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A veces menos es más, y éste gráfico demuestra que se pueden desplegar equipos ARBA de Albentia en canales literalmente pegados unos a otros sin ningún problema, aunque el del canal de al lado esté más de 10dB por encima del deseado. El aprovechamiento de la banda sería máximo gracias a la alta eficiencia espectral y tolerancia a interferencias.

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