Tecnologías Mesh: Máxima conectividad, baja capacidad y nula calidad de servicio

En esta entrada vamos a hablar sobre las tecnologías denominadas “mesh” (malla). Últimamente aparecen bastantes proyectos subvencionados por Administraciones Públicas que piden redes bajo la denominación “WiFi-Mesh” orientadas a proporcionar servicios que van desde la simple conectividad, hasta servicios de movilidad, voz sobre IP y vídeo-vigilancia.

Una vez más, desafortunadamente, hay una gran distancia entre lo prometido por quien ofrece esta tecnología, o por lo que algunos pretenden hacer creer, y lo que realmente se puede llegar a conseguir.

En esta entrada voy a comentar sobre la ventaja de la tecnología WiFi-Mesh frente a otras tecnologías inalámbricas, que no es otra que la de maximizar la conectividad eliminando nodos ocultos y facilitar el despliegue mediante la existencia de rutas alternativas. Pero también hablaré sobre sus importantes desventajas, que son la ausencia total de calidad de servicio (QoS) y la imposibilidad de proporcionar elevadas capacidades. Debido a estas desventajas, la tecnología WiFi-Mesh está totalmente desaconsejada para aplicaciones que sí requieren QoS, como es la telefonía IP, y más aún para aplicaciones que requieran una alta capacidad además de QoS, como es vídeo-vigilancia o vídeo-conferencia.

Con esto no quiero atacar a la tecnología “WiFi-Mesh”. Bienvenida sea, y espero que aporte sus ventajas para ayudar a proporcionar acceso básico a Internet. Esta entrada, como muchas otras de este blog, pretende advertir de los riesgos de sacar a una tecnología del entorno para el que fue concebida, ya sea WiFi-Mesh, Wifi, 802.16, Bluetooth o lo que sea. Cada tecnología, en base a sus capacidades y en cómo ha sido concebida, es apta para un tipo de escenario y aplicación. Pues bien, en esta entrada advierto del uso de redes malladas para aplicaciones que requieren alta capacidad como Internet en Banda Ancha, o calidad de servicio, como voz, vídeo o cualquier otra aplicación en tiempo real. No se concibieron para eso.

Dejo para una entrada futura la descripción de la tecnología WiFi-Mesh y el análisis de qué ofrecen los fabricantes bajo esa denominación no estándar. Prefiero centrarme ahora en las características de las topologías Mesh (malladas), ya que las ventajas e inconvenientes mencionados se justifican en la propia esencia de las redes malladas. Es decir, las redes malladas, sea cual sea la tecnología sobre la que estén soportadas, ofrecen máxima conectividad, pero no pueden ofrecer ni QoS ni alta capacidad. Comenzamos.

Las tecnologías inalámbricas punto-multipunto suelen basarse en una estructura en estrella. Un nodo central (la estación base) proporciona conectividad a un determinado número de terminales remotos. Esta estructura puede darse en la red de acceso, proporcionando conectividad a los terminales de usuario final, o en la red de transporte, proporcionando conectividad a nodos intermedios o estaciones base que a su vez dan conectividad a los usuarios finales. De hecho, en el caso de “WiFi-Mesh”, la red mallada forma parte de la estructura de transporte, no de la red de acceso, que es WiFi estándar (no mallado). El análisis que hago de las tecnologías malladas es indiferente de si hablamos de redes de acceso o redes de transporte. Las conclusiones son las mismas aunque cambien algunos nombres. Repito que no pretendo analizar las implementaciones “WiFi-Mesh” en detalle, sino centrarme en el aspecto “mesh” o “red mallada”.

En base a lo expuesto en el párrafo anterior, por “terminal remoto” entiéndase nodo suscriptor o terminal de usuario en el resto de esta entrada, ya sea de red de acceso o de transporte. Y por “estación base” entiéndase nodo central o punto de acceso, ya sea de red de acceso o red de transporte. Y es que para poder garantizar calidad de servicio debe hacerse extremo a extremo. Si en un punto de la red no se soporta QoS, ya sea en acceso o transporte, no existirá QoS extremo a extremo.

Tras esta aclaración, la estación base permite conectividad de los terminales remotos con la red de transporte o backbone. En redes convencionales (no malladas), la comunicación directa entre dos terminales remotos sin pasar por el nodo central no está permitida, y siempre debe pasar a través de la estación base.

En una red mallada o “mesh”, la comunicación directa entre terminales remotos sí está permitida. De este modo, un terminal que no cuente con una buena calidad de enlace con la estación base puede optar por comunicarse directamente con otro terminal que sí cuente con buena conectividad con la estación base. Es decir, la comunicación entre un terminal remoto y la estación base puede realizarse a través de otros terminales remotos. De este modo se maximiza la conectividad de la red, ya que cada terminal se convierte en un nuevo nodo a través del cual se pueden conectar otros terminales.

En base a lo expuesto, las redes con topología mesh permiten maximizar la cobertura, ya que cualquier terminal puede encontrar un camino disponible para comunicarse con la estación base, ya sea directamente, o a través de uno o varios terminales que actúan de puentes para alcanzar finalmente la estación base. Esto simplifica notablemente la infraestructura de red, y además permite que esa infraestructura sea “dinámica”, ya que en caso de caída de un enlace un terminal puede encontrar una ruta alternativa de comunicación.

Conceptualmente, las redes malladas son prometedoras. Pero si analizamos la realidad, nos planteamos dos cuestiones:

1)      El estándar IEEE 802.16 en su edición de 2004 contemplaba un modo de operación Mesh, que permitía comunicación directa entre terminales remotos sin pasar por la estación base. Sin embargo, es la última edición del estándar (IEEE 802.16-2009), se ha eliminado toda mención a topologías Mesh. ¿Por qué se ha eliminado el modo mesh del estándar?

2)      Uno de los principales quebraderos de cabeza de los operadores de telefonía móvil es lograr cobertura dentro de edificios, en todos los rincones. De este modo habilitan que el usuario pueda efectuar llamadas en todo lugar. El uso de una topología mesh sería de gran ayuda en este entorno. En una topología mesh, todos los teléfonos del mundo actuarían como nodos mesh, por lo que en caso de que un terminal no contase con cobertura directamente desde la estación base, podría conectarse a ésta a través de uno o más teléfonos que actuarían de “repetidor”. La transmisión iría saltando de teléfono en teléfono hasta llegar a uno que tuviese cobertura de la estación base. De este modo la cobertura de la telefonía móvil sería prácticamente universal. Los operadores de telefonía móvil pagarían miles de millones de euros por una tecnología de ese tipo. Sin embargo, este tipo de topología tan atractivo no existe. ¿Por qué no existe modo mesh en telefonía móvil con la enorme reducción de coste de infraestructura que ello supondría?

El concepto de red mesh es un “caramelo conceptual”, el sueño de cualquier operador inalámbrico o celular, algo demasiado bueno para ser cierto. Pero algo falla cuando ni el mundo 802.16 ni el GSM/3G/LTE lo contempla.

No olvidemos que tanto 802.16 como el mundo GSM/3G/LTE están orientados a soportar QoS para ofrecer la máxima capacidad en aplicaciones críticas como voz y vídeo. Es curioso que la única tecnología que habla de “modo mesh” es WiFi, de sobra conocida por su incapacidad de soportar calidad de servicio. Si WiFi no soporta voz ni vídeo, ¿por qué lo va a hacer WiFi-mesh?

El principal problema de las topologías mesh es que no son aplicables al mundo inalámbrico si se desean soportar servicios como telefonía, transmisión de vídeo o acceso en banda ancha. Es decir, cualquier red mesh inalámbrica NO puede proporcionar calidad de servicio (QoS). Y los servicios mencionados exigen disponer de QoS.

¿Por qué las redes mesh inalámbricas no soportan QoS?

Por un motivo bien sencillo intrínseco a cualquier red mallada. En una red inalámbrica con múltiples terminales, hay un único medio de transmisión (el espectro) compartido por todos esos terminales. La única forma de conseguir calidad de servicio es garantizar que en cada momento sólo un terminal está transmitiendo, evitando colisiones entre dos o más terminales transmitiendo simultáneamente.

Por otra parte, es necesario un aprovechamiento máximo de ese espectro, por lo que deben evitarse momentos de silencio en los que ningún terminal transmite. Este aprovechamiento del espectro y garantía de ausencia de colisiones sólo se puede conseguir mediante la existencia de un “árbitro”. Este árbitro es un nodo de la red cuya función es dar permisos de transmisión a los terminales, asignando a cada uno un slot de tiempo concreto. Este nodo suele ser la Estación Base.

Una característica esencial para el soporte de QoS en redes inalámbricas Punto-Multipunto es la existencia de una estación base que organiza el acceso al medio compartido. Todas las tecnologías radio punto-multipunto que soportan QoS, como 802.16 y GSM/3G/LTE, cuentan con una arquitectura basada en la existencia de una estación base. Es el ingrediente fundamental para la calidad de servicio.

Además de eso, es indispensable contar con una red planificada y totalmente estática, ya que las aplicaciones en tiempo real exigen conocer la ruta exacta de la comunicación, y número de saltos antes de llegar al backbone.

El problema de las redes mesh es que se permite la comunicación directa entre terminales remotos, sin pasar por la estación base. Es más, por lo general la estación base desconoce la existencia de esa comunicación entre terminales, pues precisamente uno de los puntos más interesantes de las redes mesh es que permiten comunicar a terminales fuera de la cobertura de la estación base. Es decir, la comunicación entre los terminales remotos es una transmisión no regulada por la estación base. Es un uso no autorizado del espectro, totalmente contrario a la filosofía de QoS.

En algunas implementaciones “mesh” la comunicación directa entre terminales remotos se realiza en una frecuencia diferente a la comunicación entre terminales remotos y estación base. Sin embargo, el problema sigue estando ahí: las transmisiones entre terminales remotos (modo mesh) no son reguladas, por lo que no pueden soportar QoS.

La topología mesh choca frontalmente con el componente esencial de redes inalámbricas con soporte de QoS. La calidad de servicio exige que las comunicaciones sean siempre entre terminal remoto y estación base, mientras que mesh permite comunicación entre terminales remotos sin pasar por la estación base.

Por otra parte, hemos indicado que la estación base se encarga además de que maximizar el aprovechamiento del espectro, lo que se traduce en una elevada capacidad neta. En redes mesh, las transmisiones no controladas por la estación base carecen de esta ventaja, por lo que las redes mesh no son capaces de proporcionar capacidades netas elevadas de modo sostenido y determinista.

Por último, la ventaja del “dinamismo” de las redes mesh es incompatible con el soporte de QoS, ya que la ruta de comunicación puede variar. Cualquier sistema de comunicación con rutas variables no puede garantizar el soporte de QoS, uno de los motivos por los que no hay calidad de servicio en Internet.

En definitiva, mesh maximiza la conectividad gracias a la posibilidad de que un terminal fuera de la cobertura de la estación base pueda comunicarse a través de otro terminal con mejor cobertura, y gracias a la posibilidad de contar con una infraestructura dinámica que puede adaptarse a la viabilidad o inviabilidad de enlaces, facilitando notablemente el despliegue y simplificando la planificación. Sin embargo, estas transmisiones entre terminales remotos no controladas por la estación base y este “dinamismo” imposibilitan el soporte de aplicaciones con QoS, y no permiten una alta capacidad.

WiFi-Mesh, o cualquier otra tecnología “mesh” es perfectamente válida para servicios sin soporte de calidad de servicio, como navegación web o correo electrónico, pero es totalmente desaconsejable para aplicaciones como telefonía IP, servicios en tiempo-real, vídeo-vigilancia, vídeo-conferencia o descarga de grandes ficheros.

Y repito, este problema no se debe a que sea WiFi (que de hecho no soporta QoS en sí misma). Si existiese 802.16-Mesh ocurriría lo mismo. Es un problema intrínseco al concepto de red mallada, independientemente de la tecnología que lo soporte, independientemente de que la parte mallada sea la red de acceso o la red de transporte.