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LA GUIDA PRATICA

Il Wi-Fi Survey, strumento di progettazione e debug per le reti wireless: l’analisi spettrale

Il Wi-Fi Survey è una tecnica di analisi che permette di vedere lo stato reale in termini di inquinamento elettromagnetico dell’area che vogliamo coprire con un segnale wireless. Ecco come effettuare un’analisi spettrale per progettare la rete Wi-Fi aziendale a prova di interferenza

18 Giu 2019
S

Pietro Suffritti

Per.Ind., membro commissione ICT del CNPI, network & security manager, DPO certificato


Nell’ambito della progettazione delle reti di comunicazione, il Wi-Fi Survey è l’unico metodo che, sia in fase di progettazione sia in fase di debug, ci permette di vedere veramente lo stato dell’area che vogliamo coprire con un segnale wireless.

Questa pratica consiste nell’ispezionare, in vario modo, l’area individuata per capire cosa sta succedendo sulle frequenze radio di nostro interesse, siano esse i 2,4 GHz, i 5 GHz o le nuove frequenze che dovrebbero venire “liberate” tra gli 1 e i 7 GHz (probabilmente 3,6 GHz) per il WiFi6 (802.11ax); finché non capiamo quello che sta accadendo in queste affollatissime bande diventa impossibile pensare a come ottenere una infrastruttura funzionante.

Il Wi-Fi Survey si divide normalmente in tre differenti analisi, denominate survey dello spettro di frequenza (o analisi spettrale), survey passivo e survey attivo. In questo articolo forniremo una panoramica introduttiva alla metodologia di indagine spettrale del segnale Wi-Fi.

Il Wi-Fi Survey nel contesto della progettazione delle reti

Prima di procedere con il Wi-Fi Survey, però, è opportuno fare prima una breve precisazione. Se c’è una disciplina ICT negletta in Italia questa è proprio la progettazione delle reti, spesso e volentieri ignorata o approssimativamente fatta “a naso”.

Gli impianti di rete sembra che per qualche strano motivo siano colpiti dalla malattia del pressapochismo ancor di più della media già sconfortante del mondo ICT italico.

Che i cavi vengano posati da elettricisti anziché da cablatori ormai è una pratica purtroppo consolidata, ma che lo sia anche la progettazione dell’impianto lo dovrebbe essere meno, anche perché teoricamente il DM 37/08 identifica specificatamente all’art. 5 l’obbligo di progettazione degli “impianti radiotelevisivi, le antenne e gli impianti elettronici in genere” (art. 1 comma b DM 37/08) qualora essi coesistano con impianti elettrici con obbligo di progettazione, e tale progetto dovrebbe essere realizzato da parte di un professionista iscritto a un albo professionale, quindi nel caso specifico un ingegnere o un perito industriale, esulando quindi dalla normale disciplina delle professioni non regolamentate.

All’interno della maltrattata disciplina della progettazione delle reti, c’è poi una nicchia ancor più negletta del solito rappresentata dalle reti Wi-Fi.

Anche nei rari casi in cui troviamo un serio network manager a gestire gli impianti, sembra che l’unica soluzione accettata sia “metti su un altro Access Point, se arrivi a tappezzare di AP la struttura tutto funzionerà”.

Ovviamente, e purtroppo, non c’è nulla di più lontano dalla realtà, e spesso “aggiungere un altro AP” peggiora la situazione invece di migliorarla.

Questo perché una rete Wi-Fi altro non è che una infrastruttura che permette comunicazioni via radio, cosa che tutti sappiamo “intellettualmente”, ma di cui spesso ci sfuggono le conseguenze.

Una rete fatta via radio, infatti, è sottoposta a tutti i problemi che da sempre affliggono le radio, e che da sempre i marconisti tentano di risolvere in mille modi. L’ultimo dei quali (e il più improbabile) sarebbe quello di moltiplicare le emittenti sulle stesse frequenze nella stessa area, cosa che crea quel “disastro ferroviario in forma di onde radio” conosciuto come Co-Channel Interference (presenza simultanea sullo stesso canale di due sorgenti radio differenti che si disturbano a vicenda) e che rischiamo sempre più che affligga le nostre reti tutte le volte che “aggiungiamo un nuovo AP”.

A complicare ancora di più la situazione entra in ballo il fatto che la comunicazione Wi-Fi è paritaria e bidirezionale, il che significa che non basta che il nostro access point trasmetta a potenze indicibili, perché anche il client deve essere in grado di rispondergli allo stesso modo pena l’inefficacia della comunicazione.

E mentre magari in alcuni casi possiamo essere in grado di intervenire sugli AP è molto raro essere in grado di intervenire sui client.

L’unico metodo che ci permette di vedere veramente lo stato dell’area che vogliamo coprire è, per l’appunto, il Wi-Fi Survey.

Wi-Fi Survey: l’analisi spettrale del segnale wireless

Come dicevamo prima, il primo e più importate passo da effettuare nella progettazione di una rete Wi-Fi è conosciuto come “Survey dello spettro di frequenza” o “analisi spettrale”, e consiste nel verificare cosa è presente nello spettro elettromagnetico di nostro interesse e come può andare a interferire con quanto emesso dai nostri preziosi Access Point.

La prima cosa a cui non siamo portati a pensare, infatti, è che stiamo usando per le nostre comunicazioni radio delle frequenze “libere”, cioè non assegnate all’interno del piano nazionale delle radiofrequenze.

“Libere” però non vuol dire “riservare al Wi-Fi”: vuol dire che, dati gli altri limiti di legge relativi a potenza ecc., chiunque può usarle per, più o meno, qualunque cosa.

Il forno a microonde utilizza un generatore a magnetron per produrre microonde alla frequenza di circa 2,45 GHz per cuocere il cibo, quindi un vecchio microonde mal schermato potrebbe tranquillamente generare disturbi sulla frequenza delle reti 802.11b/g/n.

La stessa cosa potrebbe accadere sia sui 2,4 GHz che sui 5 a causa di impianti industriali malamente schermati o non schermati affatto.

Per dire, spesso rientrano in questa casistica anche i gruppi di continuità ciclici, certi trasformatori di media e alta tensione, o i generatori di emergenza.

Ribaltando la logica, i radar meteo lavorano in banda C (4-8 GHz) e in banda S (2-4 GHz), così come alcune comunicazioni satellitari, e in questo caso siamo noi che dobbiamo garantire di non andare a interferire col loro funzionamento.

Telefoni cordless, molti impianti di allarme, sensori infrarossi, sistemi wireless di vario genere per i nostri terminali: l’elenco di oggetti che possono generare segnali perfettamente legittimi nell’arco dei nostri due “gruppi di frequenze” è pressoché infinito e questo problema non potrà che andare a peggiorare nel tempo con l’introduzione quotidiana di nuovi apparati che lavorano in questi range.

A questo punto diventa evidente a cosa serve il Survey dello spettro di frequenza: a capire le interazioni tra il segnale radio emesso dai nostri access point o dai nostri client con la situazione radio esistente nella nostra area.

L’importanza progettuale dell’analisi spettrale nel Wi-Fi Survey

Per meglio chiarire di cosa stiamo parlando bisogna introdurre il concetto di SNR, o Signal to Noise Ratio.

In effetti, affinché la nostra rete funzioni bene non è sufficiente che il segnale giunga all’antenna ricevente con una certa potenza in milliwatt e stop: è molto più importante il rapporto tra segnale e rumore che dobbiamo affrontare ed in effetti la cosa è facilmente comprensibile.

Se io faccio segnalazioni con una tromba da stadio da una parte all’altra di una vallata alpina silenziosa, è molto facile che il mio strombazzamento possa essere intellegibile anche a distanze estreme, mentre se io sono in uno stadio durante la partita del mega-derby cittadino probabilmente la mia tromba non sarà intellegibile nemmeno da chi mi sta di fianco.

Nel primo caso, a parità di segnale il disturbo è praticamente assente, e quindi il rapporto segnale/rumore è molto alto, mentre nel secondo caso il disturbo è elevatissimo e quindi il nostro SNR crolla.

Questo parametro fondamentale è inficiato pertanto da tutte le emissioni in radiofrequenza presenti nello spettro di frequenze del Wi-Fi, qualunque sia la loro sorgente, e quindi analizzare cosa avviene e come ci può dare indicazioni preziosissime su come possiamo risolvere i problemi, spesso in modi che non ci saremmo mai immaginati.

Come effettuare l’analisi spettrale

A titolo di esempio, riportiamo una situazione reale che lo scrivente si è trovato più volte ad affrontare.

All’interno di capannoni soprattutto di una certa età spesso il condizionamento dell’aria è affidato a sistemi di raffreddamento non più nuovissimi e di elevata potenza.

Spesso mi è successo di individuare emissioni sia sui 2,4 che sui 5GHz da parte delle unità esterne di questi apparati con dispersioni ben oltre le decine o i centinai di watt, considerate “irrisorie” da molti elettricisti”.

Il problema, però, è che il nostro segnale è limitato per legge a potenze intorno ai 100 milliwatt, il che vi dà una idea abbastanza precisa di quale sia il rapporto tra segnale e rumore in queste situazioni.

A questo punto, ecco spiegati i retroscena, iniziamo a comprendere cosa ci serve per effettuare un survey dello spettro di frequenza: “qualcosa di hardware” che ci permetta di analizzare lo spettro elettromagnetico nelle due bande di nostro interesse, un software che ci permetta di verificare punto per punto quello che accade e metterlo in relazione con quanto si è visto nelle zone fisicamente limitrofe e, come evoluzione nel tempo, la capacità di “leggere” cosa ne esce.

Per quanto riguarda il “qualcosa di hardware” oggi sono disponibili dagli analizzatori di spettro “classici” standalone che possono arrivare anche a 50mila euro di costo, ai più economici Wi-Spy spectrum analyzer USB, il cui costo normalmente è inferiore ai mille euro e sposta molte delle funzionalità sul software.

Il risultato dipende quindi fortemente sia dalla potenza di calcolo del device a cui sono collegati sia dalla qualità del software impiegato, ribadendo l’ovvia necessità di avere un device su cui attaccarli e insieme al quale portarli in giro per tutto il sito da verificare.

Molti mi chiedono perché non dovrebbero andare bene le normali schede di rete Wi-Fi dei portatili, soprattutto pensando all’impiego di software quali Netstumbler, kismet o altri.

Purtroppo dobbiamo ricordarci che tutte le schede Wi-Fi sono nate per riconoscere a livello hardware qualunque segnale che non presenti gli stilemi della comunicazione radio Wi-Fi come disturbo.

Pertanto, fanno del loro meglio per eliminarne la percezione fin dal livello hardware, il che significa che non possiamo basarci su di essi per analizzare questo tipo di problemi, mentre potremo certamente impiegare questi oggetti per le altre due tipologie di survey, il passivo e l’attivo.

Analizziamo la qualità del segnale Wi-Fi

Una volta dotati del nostro apparato di rilevazione e del relativo software per il Wi-Fi Survey, si tratterà di effettuare rilevazioni in tutta l’area da sottoporre ad esame, ottenendo normalmente un grafico di quanto rilevato simile a quanto riportato qui sotto.

Da questo grafico potremo iniziare a vedere delle “forme” che ci possono dare indicazioni chiare di cosa sta accadendo su ogni canale specifico, e pian piano diventerà naturale riconoscere le forme d’onda delle emissioni che più spesso ci possiamo trovare, tra cui, a titolo di esempio:

Trasmissione 802.11b sui 2,4 GHz.

Trasmissione 802.11 g/n.

Trasmissione 802.11n su canale da 40 MHz.

Trasmissione audio-video tipicamente di una telecamera di sorveglianza.

Trasmissione Bluetooth.

Trasmissione di un telefono cordless verso la propria base / ripetitore.

La seconda presentazione dei dati fondamentali è il cosiddetto grafico “a cascata”, che presenta l’andamento della rilevazione nel tempo, e si presenta simile a quanto qui sotto riportato:

Analizzando questo grafico possiamo renderci conto di quanto avviene nello spettro mentre ci muoviamo facendo la rilevazione, ed anche da questo possiamo renderci conto di molte cose, soprattutto dalla comparazione diretta dei due grafici.

Per esempio, da una lettura del grafico qui sotto riportato, risulta evidente la presenza di trasmissioni in tutta l’area verificata sul canale 1 e sul canale 11 dei 2,4 GHz, con un fondo di disturbo decisamente basso, in pratica una situazione ideale:

Al contrario, nel caso qui sotto riportato vediamo un chiaro esempio di Co-Channel Interference sui canali 1, 3 e 6, dove l’ampiezza di banda dei canali si sovrappone creando evidenti problemi trasmissivi, mentre il canale 11 risulta non disturbato da sovrapposizioni.

Osservando il grafico temporale si può vedere, peraltro, che il rilevatore ha incontrato nella finestra temporale ben 4 Access Point sui canali tra l’1 e il 6, partendo dal basso per primo il canale 1, poi contemporaneamente la presenza di due AP sul canale 3 e sul canale 6, quindi alla fine un nuovo AP sul canale 1.

Dall’altro lato, invece, l’AP sul canale 11 non ha mai problemi per tutto il tempo della rilevazione.

Nell’esempio sottostante, invece, possiamo vedere un classico disturbo su tutto il range di frequenze non generato da una trasmissione Wi-Fi; risulta chiaro nell’analisi temporale il fatto che il disturbo è impulsivo, ciclico e di breve durata anche se si ripete ogni 10 secondi circa e con una potenza notevole rispetto al segnale degli Access Point.

Anche con software differenti potremo trovarci a lievi differenze su come vengono presentati i grafici, ma l’importante per noi è capire come ci presenta i dati il nostro software e adattarci al suo formato di output per comprendere al meglio i risultati.

Per esempio, quello che segue è il grafico di rilevazione di un software differente che presenta i dati in modo puntuale invece che in funzione del tempo, in un’area dove non erano presenti AP accesi.

Da questo grafico si può rilevare sia la presentazione del fondo naturale di disturbo sotto i 95 dbm (peraltro non male visto che normalmente si considera a 90 dbm) ma anche una serie di fortissimi disturbi dal primo all’ottavo canale, fino anche a 60 dbm, concentrati dal primo al sesto e senza una forma riconoscibile.

Sapendo che la rilevazione in esame è stata presa in prossimità di alcuni grossi trasformatori di potenza diventa facile capire che il nostro segnale sui 2,4 GHz dovrà superare un disturbo ambientale non abbattibile di notevole entità, mentre sulla frequenza dei 5 GHz sotto riportata abbiamo una situazione ideale e assolutamente “pulita”, portando così a fare delle scelte progettuali in zona che non possono non spingere verso l’802.11a o comunque sull’impiego della banda a 5 GHz.

Da una rilevazione effettuata poco più in là possiamo vedere lo stesso problema da un’altra angolazione spaziale e toglierci definitivamente il dubbio: chi sta generando il disturbo non è un emettitore del tipo previsto dal Wi-Fi, e quindi dovremo conviverci in fase progettuale.

Diventa evidente dagli esempi portati che l’analisi dello spettro di frequenza, o Survey spettrale come a volte viene definito, ci può fornire una visione precisa e chiara di tutti gli eventi “prettamente radio” che impattano sulla nostra rete, cosa che ci permetterà di fare scelte progettuali informate e valutazioni basate sui fatti anziché su ipotesi.

Certo, è un tipo di pratica che richiede sicuramente una buona padronanza della materia da parte dell’operatore, cosa che può venire affiancata dall’impiego di hardware o software più o meno avanzati ma non certo sostituita.

Per questo motivo, personalmente preferisco e consiglio l’impiego di dongle USB di tipo Wi-Spy rispetto ai più costosi scanner dedicati in radiofrequenza; visto che comunque non potremo esimerci da uno studio approfondito della materia tentare di supplire alle nostre eventuali carenze con hardware più specialistico e di maggior costo in questo caso non servirà, dimostrandosi anzi controproducente.

Maggiore precisione infatti significa maggiore necessità di attenzione per riconoscere le forme di interferenza che ci si presentano e maggiore abilità nel vederle “nascoste” sotto il resto dei segnali rilevati, cosa che in questo caso rischia di diventare controproducente.

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