Il Wi-Fi utilizza uno spettro "senza licenza", che può essere utilizzato da qualsiasi dispositivo o rete che segue le regole di trasmissione FCC. Negli ultimi anni, anche i fornitori di cellulari hanno iniziato a utilizzare questo spettro.
I ricercatori dell'Università di Chicago ritengono che la concorrenza tra le reti diminuisca le prestazioni.
Se il servizio diventa lento quando stai tentando di inviare un'e-mail veloce sul tuo smartphone, potresti scorrere le opzioni di rete e scoprire quante reti Wi-Fi ci sono. In effetti, questa pletora di opzioni è essa stessa il problema. Queste reti sono in concorrenza tra loro, limitando la velocità alla quale ciascuna può operare.
I ricercatori dell'Università di Chicago hanno dimostrato come questa maggiore concorrenza di rete potrebbe avere un impatto negativo sul servizio Internet per gli utenti di tutti i giorni.
La concorrenza tra le reti sorge quando operano su bande di spettro condivise o gamme di frequenza per le onde elettromagnetiche. In particolare, il Wi-Fi utilizza uno spettro "senza licenza", il che significa che qualsiasi dispositivo o rete può utilizzare questo spettro purché vengano seguite determinate regole di trasmissione imposte dalla Federal Communications Commission (FCC).
“Lo spettro senza licenza è letteralmente gratuito per tutti; chiunque può usarlo, entro i limiti stabiliti dalla FCC”, ha spiegato Monisha Ghosh, membro associato del Dipartimento di Informatica dell'Università di Chicago e professore di ricerca presso la Pritzker School of Molecular Engineering.
Il servizio di telefonia cellulare si basa principalmente su una banda di spettri completamente separata, che i fornitori concedono in licenza dalla FCC attraverso aste di spettro, sebbene ciò sia cambiato con la crescente domanda di dati cellulari e larghezze di banda limitate.
Quando un provider di telefonia mobile, come T-Mobile o AT&T, concede in licenza una banda di spettro dalla FCC, ne riserva l'uso esclusivo. Di conseguenza, le reti che operano su bande con licenza subiscono poche interferenze. Ciò consente ai fornitori di stabilire un servizio rapido e affidabile, ma ha un costo.
Le stazioni LAA come questa nel campus di UChicago consentono ai provider di telefonia mobile di accedere alle stesse bande di spettro condivise utilizzate per il Wi-Fi. Credito: Foto per gentile concessione di Monisha Ghosh
"Negli ultimi cinque anni, il mondo cellulare è cresciuto nel numero di utenti e nella quantità di dati di cui hanno bisogno", ha affermato Ghosh. "I fornitori di servizi cellulari hanno iniziato a scarseggiare lo spettro e lo spettro concesso in licenza costa miliardi".
Per migliorare la larghezza di banda senza spendere troppo, questi provider hanno iniziato a utilizzare anche lo spettro senza licenza tramite reti cellulari utilizzando una modalità denominata accesso assistito con licenza (LAA), che opera sulle stesse bande utilizzate per il Wi-Fi. Il gruppo di Ghosh ha deciso di esaminare in che modo questo uso condiviso dello spettro senza licenza, chiamato coesistenza, abbia avuto un impatto sia sugli utenti Wi-Fi che su quelli cellulari.
"In realtà abbiamo trovato una stazione LAA situata nel campus di UChicago, su un palo di fronte alla libreria, e in questo campus esterno è in uso anche il Wi-Fi", ha detto Ghosh. "Ciò ha fornito una piattaforma sperimentale nel nostro cortile, quindi abbiamo iniziato a effettuare misurazioni".
Seduti su una panchina fuori dalla libreria, lo studente laureato in informatica Muhammad Rochman e il ricercatore post-dottorato Vanlin Sathya hanno installato cinque laptop e smartphone e li hanno usati per accedere alle reti Wi-Fi locali o connettersi a LAA utilizzando i dati cellulari. Hanno anche avuto accesso a diversi tipi di dati per variare la domanda su queste reti, da bassa (come l'accesso al testo su un sito Web) a alta (trasmissione di un video in streaming). Ogni dispositivo era dotato di applicazioni che consentivano al gruppo di misurare la qualità di ogni connessione di rete.
Accedendo a più reti contemporaneamente, il gruppo ha scoperto che la concorrenza ha ridotto le prestazioni, riducendo la quantità di dati trasmessi, la velocità di trasmissione e la qualità del segnale.
"Se tutti iniziano a utilizzare lo spettro contemporaneamente, si creano interferenze e le informazioni non vengono trasmesse a nessuno".
- Ricerca Prof. Monisha Ghosh
Questa concorrenza è stata particolarmente dannosa per il Wi-Fi. Quando anche LAA era in uso attivo, i dati trasmessi dagli utenti Wi-Fi sono diminuiti fino al 97%. Al contrario, i dati LAA hanno mostrato una diminuzione solo del 35% quando era in uso anche il Wi-Fi.
Ghosh ha spiegato che l'incompatibilità tra Wi-Fi e LAA è in parte dovuta ai diversi protocolli che ciascuno utilizza per gestire il traffico Internet pesante.
"Se tutti iniziano a utilizzare lo spettro allo stesso tempo, si creano interferenze e nessuna informazione passa attraverso", ha detto Ghosh. "Ma Wi-Fi e cellulare hanno sviluppato meccanismi molto diversi per affrontare questo problema".
Poiché il Wi-Fi dipende esclusivamente da spettri senza licenza, utilizza un protocollo su misura per una domanda imprevedibile. Questo protocollo, chiamato listen-before-talk, imita le interazioni di un gruppo di educati frequentatori di feste. I partecipanti ascoltano e aspettano un intervallo nella conversazione per parlare. Se due persone iniziano a parlare contemporaneamente, una fa marcia indietro educatamente per far parlare l'altra, poi interviene in seguito. Allo stesso modo, se più utenti Wi-Fi tentano di accedere alla rete contemporaneamente, a ciascuno viene assegnato un breve tempo di attesa e la casualità tra questi tempi di attesa riduce la probabilità di collisione.
Il dottorando Muhammad Rochman utilizza più dispositivi per testare le prestazioni delle reti Wi-Fi locali e LAA. Credito: Foto per gentile concessione di Monisha Ghosh
Al contrario, i provider di telefonia mobile possono prevedere la domanda in base all'accesso cellulare e quindi assegnare a ciascun utente un tempo di trasmissione specifico. Pertanto, gli utenti LAA sono più simili a relatori in colloqui fittissimi che a una festa informale.
Questa differenza nei protocolli ha posto pochi problemi quando i provider di telefonia mobile erano limitati agli spettri con licenza, ma poiché sono passati agli spettri senza licenza, i parametri di accesso al canale utilizzati da LAA rendono difficile per gli utenti Wi-Fi ottenere uguale accesso al mezzo. Nonostante il fatto che LAA abbia recentemente modificato la programmazione ravvicinata utilizzata nelle bande cellulari per implementare l'ascolto prima di parlare, funziona ancora con parametri diversi. Una differenza cruciale è per quanto tempo ciascun sistema trattiene il supporto una volta ottenuto l'accesso: LAA può trasmettere fino a 10 millisecondi, mentre le trasmissioni Wi-Fi durano solo fino a 4 millisecondi.
La concorrenza nello spettro condiviso si verifica non solo tra Wi-Fi e provider di telefonia mobile, ma anche all'interno di ciascun tipo di rete.
"Nei nostri esperimenti, confrontiamo la coesistenza Wi-Fi/Wi-Fi con la coesistenza Wi-Fi/LAA", ha affermato Ghosh. “La coesistenza Wi-Fi/Wi-Fi non è male a causa della procedura di ascolto prima di parlare, quindi l'abbiamo usata come standard di correttezza. Ma il Wi-Fi/LAA si comporta peggio e siamo rimasti sorpresi da quanto peggio".
In studi futuri, spera anche di esaminare come le reti LAA fornite da diversi fornitori di cellulari competono tra loro.
Inoltre, Ghosh ha consigliato alle agenzie di regolamentazione come allineare meglio i protocolli di rete in base alla sua ricerca.
“Questi cambiamenti hanno portato a una migliore convivenza e a migliori meccanismi di condivisione. Ma c'è ancora molta strada da fare", ha detto.
Riferimento: "Nodi nascosti nella coesistenza di LAA e Wi-Fi: uno studio di misurazione di implementazioni reali" di Vanlin Sathya, Muhammad Iqbal Rochman e Monisha Ghosh.
PDF
La ricerca è stata presentata il 18 giugno 2021 all'IEEE International Conference on Communications (ICC 2021) Workshop on Spectrum Sharing.
