Abstract.

Il BreezeNet B100 è l'ultimo nato tra gli apparati punto-punto in tecnologia HiperLan della famiglia Alvarion. Ma a causa del suo costo molto elevato e della scarsità di documentazione soprattutto relativa alle prestazioni sul campo, questo modello viene spesso non utilizzato a vantaggio di soluzioni alternative meno costose.

Questo documento analizza alcune prove pratiche eseguite sul campo documentando le prestazioni e i limiti di questo apparato in modo da permettere un più rapido e puntuale step decisionale.

Introduzione

M olte sono le variabili in gioco quando si tratta di decidere che tipo di apparati scegliere nella realizzazione di un ponte radio ma sicuramente in cima a tutte vi sono i due vincoli di budget di spesa e di larghezza di banda che si vuole ottenere sul dato link.

Per questo motivo, la conoscenza del costo di un apparato e del massimo throughput ottenibile a parità di distanza, sono le due informazioni più importanti per una corretta scelta.

Se il costo di un apparato è un informazione direttamente e facilmente ottenibile, non altrettanto facile è la determinazione della banda massima.

Una prima fonte, per ricavare tale informazione, è sicuramente la documentazione relativa all'apparato. Ma si sa fin troppo bene, per esperienza, che i dati dichiarati dalla casa spesso vanno in forte contrasto con quelli realizzati poi "sul campo". Per questo delle misurazioni su casi reali sono dati molto importanti.

Se poi, come in questo caso, vengono a mancare anche i dati dichiarati dalla casa produttrice, allora l'avere una misurazione sul campo del comportamento degli apparati risulta fondamentale.

Gli Alvarion BreezeNet B100

Innanzitutto, chi è Alvarion? Alvarion, azienda israeliana da oltre 10 anni nel settore e quotata al NASDAQ, è, con oltre 3 milioni di pezzi installati in 150 paesi, il leader mondiale per soluzioni wireless.

Le sue soluzioni radio partono da 480 Mhz fino ai 28 Ghz con tecnologie che spaziano dalla rete GSM CDMA alle reti WiFi, Hiperlan e WiMax.

Nel 2005 inizia la produzione di una famiglia di prodotti targata BreezeNet dedicati, per l'appunto, alla realizzazione di link punto-punto.

Alla famiglia BreezeNet appartengono alcuni modelli in tecnologia classica WiFi a 2.4Ghz e alcuni modelli in tecnologia HiperLan a 5.4Ghz, in particolare i modelli B14, B28 e B100.

Mentre i primi due sono da un po' sul mercato e sono sostanzialmente lo stesso prodotto "frenato" nella versione B14, i B100, modello più recente, sembra introducano delle modifiche hardware al prodotto che gli permettono di eccellere nelle performance rispetto ai fratelli minori.

Il B100 è un apparato radio che lavora nel range di frequenze da 5.47 a 5.725 Ghz in modulazione OFDM con una larghezza di canale di 20 Mhz o di 40 Mhz.

La famiglia B100, a destra in versione con antenna integrata, a sinistra in versione solo radio

Esiste in due versioni. Una versione con antenna integrata da 21 dBi con apertura di circa 10° o una versione solo radio con antenna da acquistare a parte.

La radio ha una potenza che può raggiungere i 21 dBm ma, nella versione con antenna integrata è frenata, a livello di firmware, a massimo 9 dBm per restare all'interno della normativa vigente che vieta di superare i 30 dBi EIRP all'antenna.

Relativamente alla parte di data link layer, il B100 supporta ovviamente i più comuni sistemi di cifratura tra cui il WEP a 128bit e l'AES sempre a 128bit. Pagando qualcosina di più è possibile utilizzare la cifratura FIPS-197 ossia utilizzare una versione di AES validata dal Federal Information Processing Standard e necessaria per applicazioni in alcuni ambiti militari.

Relativamente alla gestione, è possibile amministrare i B100 via Telnet, tramite una command line interface (CLI), via SNMP e tramite un software in ambiente windows.

Per la realizzazione dei link sono ovviamente necessari due apparati identici che vengono però configurati in modo asimmetrico per cui uno dei due diventa il cosi detto "Base Unit" (BU) e l'altro diventa il "Remote Bridge" (RB).

All'atto pratico le differenze sostanziali sono che alcune modifiche sullo strato fisico e sullo strato di data link sono possibili solo sulla BU e la RB automaticamente si adatta. Un'altra differenza importante è che la qualità del link si vede solo sulla RB.

La qualità del link è visibile sia dall'interno degli strumenti di management degli apparati sia da una barra a LED presente sul fondo degli apparati.

La base di un B100 con i LED di stato del link

Quindi mentre sul BU il valore riportato nel menù di visualizzazione del rapporto segnale/rumore e sempre zero e tutti i LED della barra sono spenti, sull'RB il valore sarà zero e il primo LED della barra sarà rosso nel caso di assenza di link mentre i valori saranno diversi da zero e alcuni LED verdi si accenderanno nel caso di presenza di link.

Con queste premesse si potrebbe pensare che il problema sia tecnologico e che solo l'RB ha fisicamente la possibilità di vedere la qualità del link ma quando si viene a scoprire che, con un client SNMP, interrogando opportunamente un particolare MIB, si riesce a ottenere il valore del rapporto segnale/rumore del link anche sul BU, non si capisce il perché non si sia potuto propagare questa informazione anche visivamente e sull'interfaccia telnet.

I B100, identici comunque come aspetto, forma e funzionalità ai B14 e ai B28, sono formati da due elementi distinti chiamati InDoor Unit (IDU) e OutDoor Unit (ODU).

IDU. Si noti in basso gli ingressi ethernet e POE

La IDU si presenta come un parallelepipedo nero di 16 x 9 x 6 cm del peso di circa mezzo chilo che non è nient'altro se non un Power Over Ethernet PSE ossia un apparato che "inietta" una corrente continua all'interno di un cavo ethernet per permettere di alimentare un apparato di rete direttamente dal cavo di rete stesso.

Come ogni PSE ha quindi un foro per l'alimentazione alla rete elettrica a 220V, un foro RJ45 per la rete ethernet e un foro RJ45 per portare la ethernet più la tensione di alimentazione all'ODU.

Ovviamente, come dice il nome stesso, l'IDU è un apparato indoor e va messo quindi al coperto, soprattutto lontano dalle fonti di umidità. Tutto questo è semplificato dal fatto che il collegamento tra IDU e ODU è comunque un collegamento Ethernet e quindi la distanza tra i due può essere anche di 80 metri.

La ODU, ossia la radio, è formata da un parallelepipedo di 30.5 x 12 x 4.7 cm del peso di circa due chilogrammi. Su questo parallelepipedo vi è l'ingresso RJ45 per il cavo proveniente dall'IDU, i led di power, ethernet e link status, i led della qualità del link e, nel caso della versione con antenna non integrata, il connettore per il cavo verso l'antenna.

La ODU è conformata in modo tale da avere una scanalatura e le viti necessarie al montaggio diretto su un palo d'antenna.

Il retro dell'ODU con la scanalatura
per l'aggancio sull'antenna

Nel caso di antenna integrata, la radio è direttamente attaccata ad un'antenna patch di forma quadrata e delle dimensioni di 30.5 x 30.5 x 1.5 cm del peso di circa 1.5 chilogrammi. Antenna e radio formano quindi un unico blocco solidale e questo porta ad un fastidioso side-effect. Che non si riesce a ruotare l'antenna sull'asse verticale e bisogna quindi attrezzarsi con apposita ferraglia sul palo.

Come si presenta, a sinistra, un attacco di un altro apparato radio e una delle soluzioni adottabili con
gli Alavrion B100 per regolare l'inclinazione verticale

Il contesto applicativo

Nell'ambito di un progetto regionale finalizzato alla realizzazione di una rete tra le strutture sanitarie abruzzesi (ASL, presidi ospedalieri, distretti sanitari di base) si è cercato di realizzare una infrastruttura di rete che collegasse i vari punti del progetto tramite ponti radio.

Uno degli step progettuali intercorsi nella realizzazione di tale infrastruttura è stato quello di definire le tratte radio coinvolte. Per la definizione queste tratte si è tenuto conto dell'elenco, fornito dalle ASL abruzzesi, delle proprie strutture locali e l'analisi progettuale è stata realizzata con il software di simulazione Radio Mobile.

Il successivo step, da cui scaturisce questo documento, è stato quello di verificare sul campo le migliori condizioni possibili che ottimizzassero le tratte in termini di banda disponibile.

Al fine di verificare queste condizioni sono state quindi svolte tutta una serie di prove fisiche nei siti coinvolti tra cui la realizzazione di un link stabile tramite due B100 e la verifica della massima banda disponibile.

I test sono stati svolti sulle strutture identificate dall'analisi con software di simulazione nel periodo da gennaio a febbraio 2008 e i risultati ottenuti vengono descritti nel prosieguo del seguente documento.

Specifiche dei test

Nei capitoli che seguono vengono descritti

• gli strumenti e gli apparati utilizzati per il test

• i software utilizzati per il puntamento e l'analisi della banda disponibile

• la metodologia utilizzata per l'esecuzione dei test

• la taratura degli strumenti eseguita

• i risultati e una loro analisi quantitativa

Nel prosieguo, l'elenco dei siti e dei link è stato mascherato lasciando in evidenza la sola lunghezza della tratta radio.

Gli apparati

I test sul campo sono stati realizzati posizionandosi di volta in volta sui tetti o nel più alto punto accessibile dei siti coinvolti.

Per ogni sito sono stati utilizati i seguenti strumenti e apparati:

• Alvarion Breezenet B100 IDU e ODU e rispettivi cavi di collegamento

• Antenna integrata 21 dBi 10.5° V 10.5° H

• Supporti metallici ed accessori vari per il fissaggio dell'ODU

• Gruppo di continuità APC 650

• Striscia di alimentazione

• Pc portatile con Windows XP

• Bussola

• Report ottenuto dal software di simulazione Radio Mobile

I software

Sul PC portatile è stato installato il software di misurazione di banda IPERF.

Uno dei due portatili utilizzati per il test IPERF è stato messo in modalità server una volta in TCP con il comando

iperf –s –w 128k

e poi in modalità UDP con il comando

iperf –s –w 128k -u

Sull'altro portatile, utilizzato in modalità client, sono stati lanciati dei test di tre minuti con comandi del tipo

iperf -c 10.0.0.4 -w 128k -t 180 -P 2

per la modalità TCP e

iperf -c 10.0.0.4 -w 128k -t 180 -u -b 50M

per la modalità UDP.

Per automatizzare la procedura di esecuzione dei test è stato utilizzato il seguente script in Visual Basic

che, lanciato sul client, esegue i comandi descritti e scrive i risultati dei test direttamene in un file con il nome relativo al link sotto test.

Condizioni al contorno

Per la realizzazione dei link, i due apparati Alvarion B100 sono posti arbitrariamente uno in modalità RB e l’altro in BU.

L’apparato BU è stato configurato con IP 10.0.0.1/24 sull’interfaccia ethernet, l’apparato RB con IP 10.0.0.2/24 sull’interfaccia ethernet.

Il portatile con il software di testing, collegato all’apparato BU (BUN), è stato configurato con IP 10.0.0.3/24.

Il portatile con il software di testing, collegato all’apparato RB (RBN), è stato configurato con IP 10.0.0.4/24.

Il collegamento tra il BU e il BUN e l’RB e l’RBN è stato effettuato con un cavo RJ45-cross di categoria 5E.

Le prove sono state fatte con DFS e ATPC abilitato utilizzando prima un’ampiezza di canale di 20 MHz e poi, in modalità turbo-mode, con un’ampiezza di 40 MHz.

Il valore di throughtput riportato come risultato del test si intende realizzato su di una connessione TCP in modalità half-duplex mediando il valore di banda ottenuto dal test in trasmissione con quello in ricezione.

Dove non diversamente specificato, questo valore si intende ottenuto con gli apparati configurati con canale a 40 Mhz.

Metodologia di esecuzione dei test

Per la realizzazione di ogni test sono state eseguite le seguenti fasi operative.

1. Montaggio dell’antenna, dell’IDU e dell’ODU, collegamento del portatile all’IDU tramite cavo ethernet, alimentazione di tutti gli apparati

2. Puntamento dell’antenna tramite bussola e l'utilizzo dello schema creato dal software di simulazione Radio Mobile.

3. Verifica del collegamento tra portatile e apparato radio tramite telnet sull’IP della radio e accesso alla CLI

4. Impostazione, sul BU, dell’apparato radio con ampiezza di canale a 20 Mhz [dal menu principale della CLI, voci 5 2 F 1]

5. Verifica della presenza di link sull'RB, tramite la voce di menu “Continuous Average SNR Display” [dal menu principale della CLI, voci 4 4 1]

6. Puntamento fine dell'antenna sull'RB fino ad ottenere il massimo SNR possibile

7. L'operatore presso il BU si collega in telnet sull'IP 10.0.0.2 dell'RB e esegue il puntamento fine dell'antenna sul BU tramite la lettura del “Continuous Average SNR Display” sull'RB

8. Ottimizzazione del livello di modulazione [dal menu principale della CLI, voci 3 5] sulla base di IPERF da 10 secondi e sulla base dell’SNR come da tabella 4-9, pag. 117 del system manual dell’apparato ver. 4.0.27 qui riportata
   

   SNR	Livello di modulazione
   SNR > 23 dB	8
   21 dB < SNR < 23 dB	7
   16 dB < SNR < 21 dB	6
   13 dB < SNR < 16 dB	5
   10 dB < SNR < 13 dB	4
   08 dB < SNR < 10 dB	3
   07 dB < SNR < 08 dB	2
   06 dB < SNR < 07 dB	1

   Vengono effettuati degli IPERF nell’intorno del valore dato dalla tabella 4-9 e si sceglie il valore che massimizza il throughput. A parità di throughput, si utilizza il valore presente nella tabella.     

9. Report dell’SNR, della modulazione impostata e dei vari valori ottenuti alle altre modulazioni provate nella scheda di test

10. Esecuzione del programma IPERF in modalità server TCP e poi UDP sul RBN

11. Esecuzione per 3 minuti di IPERF con i seguenti comandi sul BUN:

    1. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180 –u –r –b 100M > sitoBU-sitoRB-iperf-udp-r-20.txt

    2. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180 -u –d –b 100M > sitoBU-sitoRB-iperf-udp-d-20.txt

    3. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180  –r –P 2 > sitoBU-sitoRB-iperf-tcp-r-20.txt

    4. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180  –d –P 2 > sitoBU-sitoRB-iperf-tcp-d-20.txt

12. Impostazione sul BU dell’apparato radio con ampiezza di canale a 40 Mhz e ottimizzazione del livello di modulazione come al punto 8.

13. Esecuzione del programma IPERF sul RBN in modalità server TCP e poi UDP

14. Esecuzione per 3 minuti di IPERF con i seguenti comandi sul BUN:

1. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180 –u –r –b 100M > sitoBU-sitoRB-iperf-udp-r-40.txt

2. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180 -u –d –b 100M > sitoBU-sitoRB-iperf-udp-d-40.txt

3. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180  –r –P 2 > sitoBU-sitoRB-iperf-tcp-r-40.txt

4. iperf –c 10.0.0.4 –w 128k –t 180  –d –P 2 > sitoBU-sitoRB-iperf-tcp-d-40.txt

Taratura

Dato che il calcolo delle performance di rete dipende anche dalle prestazioni delle macchine di test era fondamentale capire quali erano le performance massime raggiungibili con gli apparati di testing collegati direttamente in ethernet su di uno switch e delle radio posizionate vicine l’una all’altra per evitare che performance scadenti dei PC, dei software o delle tratte wired potessero inficiare i risultati ottenuti sul link wireless.

Per ottenere quindi dei valori massimi limite su cui normalizzare le performance che sono state poi misurate sulle tratte reali si è effettuata una fase di taratura corrispondente a due topologie distinte.

Una prima taratura (“taratura wired”) ha previsto la presenza dei soli portatili BUN e RDN collegati direttamente via ethernet tramite due cavi RJ45 in categoria 5E su di uno switch CISCO WS-2950T-24.

La piattaforma usata per la taratura wired

Con questa tipologia i risultati di throughput massimi ottenuti in TCP in modalità half duplex sono stati i seguenti

Una seconda taratura (“taratura wireless“) ha previsto la configurazione di test sul campo completa con i due apparati radio posti a due metri l’uno dall’altro.

La piattaforma usata per la taratura wireless

Con queste configurazione i risultati sono stati i seguenti:

I risultati dei test

La tabella qui sotto riporta i risultati puntuali ottenuti durante i test e eventuali note a contorno

Analisi dei risultati

Vediamo di fare ora un'analisi dei risultati ottenuti.

C'è innanzitutto da tenere conto che i dati sopra sono stati presi in condizioni reali e quindi, in alcuni casi, probabilmente non tutta la visibilità elettromagnetica era completamente libera.

In particolare un paio di casi sono certi e saranno rimossi dall'analisi globale del comportamento dei B100 in condizioni di visual line of sight e uno sospetto (link 14) che però viene lasciato per completezza.

Analizzando brevemente i casi certi c'è da dire che il Link 13 ha delle pessime prestazioni in funzione dell'andamento medio degli altri link e anche in funzione del fatto che il link è praticamente lo stesso del link 14 con la differenza che uno dei punti del link 13 aveva molta più visibilità rispetto a quello del link 14 che paradossalmente è molto migliore. Probabilmente nell'altro punto, identico in ambedue i casi, con lievi differenze di angolo azimutale, essendo quest'ultimo punto in ambito cittadino ha incontrato sul suo percorso un edifico che riduce fortemente l'ellissoide di Fresnel rispetto al link 14 rendendolo di fatto un link in non line of sight.

L'altro punto da scartare è il link 4 che, in realtà, evidenzia un comportamento eccellente dei B100 in modalità non line of sight.

La simulazione del link su radio mobile, che ricordiamo, tiene conto solo del profilo orografico e non degli edifici dava per questo link un'ostruzione di oltre 3,5 metri attraverso una collina e un livello di ricezione della radio di ben -101,6 dBm quindi molto al di sotto della normale soglia di sensibilità della radio.

Profilo orografico ricavato da radio mobile per il link 4

Inoltre, la prova sul campo è anche peggiore della simulazione. La foto sotto infatti evidenzia cosa si vedeva durante la realizzazione del test nel punto a sinistra della simulazione.

Quello che si vedeva durante l'esecuzione del test sul link 4

Come si vede, non solo ci sono oltre tre metri di collina da attraversare ma anche un bel po' di palazzi.

La prestazione quindi ottenuta di ben 8 Mbps su oltre 4 chilometri di link in NLOS assoluto è, a mio avviso, un ottimo risultato. Ovviamente questo risultato va però rimosso dall'analisi generale in quanto falsato dall'NLOS.

Tanto per rendere l'idea, spostandosi su un edificio adiacente a destra, che scopre l'altro punto in questo caso coperto, si ottengono 50 Mbps pieni ed è infatti il risultato ottenuto con il link 3.

Una volta rimossi questi test per i motivi suddetti, per avere una visione globale del comportamento dei B100 sulle varie distanze, sono stati estrapolati i seguenti grafici dove la linea blu che appare in essi è una interpolazione dei risultati ottenuti con una curva polinomiale del quarto ordine.

Il primo grafico realizzato è l'andamento del rapporto segnale rumore in relazione alla distanza

Segnale rumore in rapporto alla distanza

Cosa ci dice questo grafico?

Innanzitutto si nota l'anomalia del valore più basso a due Km (link 15) rispetto ai quattro Km (link 3) dovuto al fatto che quello a quattro era un link veramente a vista da una posizione molto elevata su un fronte collina su di un punto quasi al livello del mare mentre il link a due km era in ambito cittadino con una delle due antenne piazzate fuori da un piccolo lucernaio di un tetto e quindi non in posizione ottimale.

Si nota comunque, in generale, come il SNR tenda subito a degradare fortemente rispetto alla taratura in laboratorio. E questo è ovvio pensando che mentre in laboratorio il rumore è minimo, quando si inizia a superare il chilometro, entrano in gioco i rumori e.m. che abbassano subito il rapporto segnale/rumore. Una volta superato però questo gap iniziale si osserva come il comportamento del B100 è sostanzialmente costante tra i 5 e i e i 25 Km assestandosi su valori di SNR intorno ai 16 e questo è ovviamente un sintomo di una ottimo comportamento della radio rispetto al rumore di fondo.

Il successivo grafico, il più importante credo della serie è invece la quantità di banda disponibile in rapporto sempre alla distanza

Banda disponibile in funzione della distanza

Questo grafico evidenzia l'ottimo comportamento del B100 sulle brevi distanze dove da praticamente il massimo di se fino ai 5 Km con punte di oltre 50 Mbps.

Oltre i 5 Km evidenzia di nuovo un ottimo comportamento costante, conseguenza del comportamento costante del SNR visto nel grafico precedente con larghezze di banda disponibile che si attestano sempre nella fascia 20-25 Mbps fino a oltre 20 Km.

L'ultimo grafico analizzato è invece la banda disponibile in rapporto al segnale/rumore.

Banda in funzione del rapporto segnale rumore

che evidenzia che finché si riesce ad ottenere un rapporto segnale rumore > 21 ci si può aspettare tranquillamente di raggiungere e superare i 50 Mbps. Nel range tra 21 e 12 il comportamento è sostanzialmente costante e si aggira intorno ai 20/25 Mbps. Sulle distanze fin qui provate, cioè sotto i 25 Km, non si scende sotto un SNR di 12 e ottenere un SNR minore equivale a problemi di NLOS sulla tratta.

Conclusioni

Cosa dire quindi, per concludere, riguardo agli Alvario BreezeNet B100? Sicuramente sono i migliori apparati che io abbia provato finora in categoria HiperLan.

Riguardo a se scegliere questi apparati o alternative meno costose, tutto dipende da quanto si è disposti a spendere e quanta banda è necessaria sul link radio.

Se si ha bisogno del massimo ottenibile oggi sul mercato e si è disposti a spendere oltre 4000 € a radio, allora l'Alvarion B100 è sicuramente il vostro prodotto.

Se però si è confidentemente sicuri che anche 10 Mbps di banda sono sufficienti per i propri scopi, allora si può arrivare a spendere tranquillamente un decimo del costo degli Alvarion ottenendo comunque dei link di qualità.

Riguardo alle prestazioni generali del prodotto nulla da eccepire. Qualcosa di meglio si sarebbe potuto richiedere invece nella parte di management relativamente al discorso del SNR visibile solo sul RB e al fatto che, rispetto a apparati molto meno costosi che immediatamente attivano il link e variano il loro SNR allo spostare dell'antenna, la risposta che invece ha il B100 sembra una lumaca al confronto.

I B100 infatti impiegano più di 30 secondi per agganciare la radio remota e rispondono con un ritardo anche di 10 secondi durante lo spostamento delle antenne. Tutto questo richiede, all'atto dell'installazione e del puntamento ottimale, un po' più di calma e pazienza.

Voto finale: 9 per le prestazioni, 6 per l'amministrazione, un po' troppo spartana per apparati del XXI secolo.

Ringraziamenti

Ovviamente queste prove sono state possibili solo grazie al team della Micso che mi appoggia in ogni realizzazione.

Un ringraziamento quindi alla Micso S.r.l. e alle persone che erano dall'altra parte del link ossia il dott. Francesco Politi, l'ing. Normando Marcolongo, il dott. Marcello Gallieri, Breda Giovani, Piersanti Paolo e al sig. Alessandro Vannimartini di GFI Italia

Un ringraziamento alla regione Abruzzo e all'Agenzia regionale per l'informatica e la telematica che hanno voluto fortemente queste prove.

Un ringraziamento ad Hiteco, per i contatti con Alvarion Italia.

Un ringraziamento ad Alvarion Italia per aver accelerato le pratiche per la fornitura degli apparati di prova.

Un ringraziamento alla Sidin, distributore italiano Alvarion, che ha materialmente fornito gli apparati nella persona del nostro contatto commerciale Massimiliano Bosco.