6.2 Bezdrôtové siete Wi-Fi
Wi-Fi
Lokálne bezdrôtové siete (WLAN) sú definované štandardmi 802.11, bežne ich označujeme ako Wi-Fi. Všetky verzie Wi-Fi protokolov využívajú voľné (bezlicenčné) frekvenčné pásma, a to konkrétne začínajúce na frekvencii:
- 2,4 GHz: staré protokoly (Wi-Fi 1 až 3) výhradne, novšie protokoly využívajú toto frekvenčné pásmo tiež - má najlepší prechod cez steny, ale je beznádejne preplnené a rušené, preto ho v dnešnej dobe už prenechávame starým (legacy) zariadeniam a zariadeniam IoT;
- 5 GHz: novšie protokoly od Wi-Fi 4 - umožňuje vyššiu rýchlosť, ale má horší dosah cez prekážky;
- 6 GHz: najnovšie protokoly Wi-Fi 6E a 7 - zatiaľ je toto pásmo „čisté“ bez rušenia, podporujú ho len niektoré zariadenia.
Čo vlastne znamená „Wi-Fi“?
Toto označenie už dávno zľudovelo, niektorí laici dokonca všetky bezdrôtové siete nazývajú „wifina“. No len málokto vie, čo vlastne táto „skratka“ znamená. Vznikla ako vtipná paralela k zvukovému Hi-Fi (High Fidelity - zvuk s „vysokou vernosťou“) a v marketingovom slogane znamenala Wireless Fidelity, čo v reklame znelo určite lepšie ako krkolomný technický názov „IEEE 802.11 b Direct Sequence“. Nejde teda o žiadny oficiálny názov, reálne neznamená nič a nehľadajme v ňom hlbší zmysel. 🙂
Rýchlosť Wi-Fi
Reálne je rýchlosť Wi-Fi siete ovplyvnená vonkajšími faktormi (vzdialenosť a útlm signálu, rušenie a podobne), no teoretické maximum určujú tri faktory:
- verzia protokolu / štandardu - predovšetkým spôsobom kódovania (napríklad QAM-4096);
- šírkou frekvenčného pásma - tá je obmedzená aj verziou protokolu;
- počtom prenosových prúdov i antén (MIMO).
Šírka frekvenčného pásma výrazne ovplyvňuje dosahovanú prenosovú rýchlosť. Môžeme si ju predstaviť ako priemer potrubia, či šírku koryta - čím širší kanál, tým vyššiu linkovú rýchlosť dosiahneme (v podstate priamo úmerne). Kým pôvodný protokol 802.11 podporoval šírku len cca 20 MHz, najnovšie protokoly umožňujú využívať až 320 MHz. Má to však háčik: v zarušenom prostredí (bytovka) často nenájdeme voľný blok väčšej šírky. Záleží od využitia jednotlivých frekvencií inými sieťami v okolí a niekedy môže byť stabilnejšie použiť užší kanál. Problematikou optimalizácie kanálov sa budeme zaoberať neskôr v samostatnej kapitole.
Verzie protokolov a rýchlosti
Prehľad šírky frekvenčného pásma a teoretickej linkovej rýchlosti na jeden prúd (stream), podľa verzie protokolu:
- 802.11: 2,4 GHz:
- 22 MHz - 2 Mb/s;
- 802.11 b: 2,4 GHz, kódovanie QPSK:
- 22 MHz - 11 Mb/s;
- 802.11g a 802.11a: 2,4 GHz a 5 GHz, kódovanie 64-QAM s OFDM:
- 20 MHz - 54 Mb/s;
- 802.11n (Wi-Fi 4): 2,4/5 GHz, kódovanie 64-QAM s MIMO OFDM:
- 20 MHz - 72 Mb/s,
- 40 MHz - 150 Mb/s;
- 802.11ac (Wi-Fi 5): 5 GHz, kódovanie 256-QAM s MIMO OFDM:
- 40 MHz - 200 Mb/s,
- 80 MHz - 433 Mb/s,
- wave2 aj 160 MHz - 867 Mb/s, s MU-MIMO;
- 802.11ax (Wi-Fi 6): 2,4/5 GHz (Wi-Fi 6E aj 6 GHz), kódovanie 1024-QAM s MU-MIMO OFDMA:
- 20 MHz - 143 Mb/s,
- 40 MHz - 287 Mb/s,
- 80 MHz - 600 Mb/s,
- 160 MHz - 1200 Mb/s;
- 802.11be (Wi-Fi 7): 2,4/5/6 GHz s MLO, kódovanie 4096-QAM s MU-MIMO OFDMA:
- 20 MHz - 172 Mb/s,
- 40 MHz - 344 Mb/s,
- 80 MHz - 721 Mb/s,
- 160 MHz - 1441 Mb/s,
- 320 MHz - 2882 Mb/s;
- 802.11bn (Wi-Fi 8): 2,4/5/6 GHz s MLO, kódovanie zostáva 4096-QAM s MU-MIMO OFDMA:
- príde v 2028, rýchlosti predbežne ako Wi-Fi 7, zameria sa na kvalitu spojenia a nie rýchlosť.
Uvedené rýchlosti samozrejme nie je potrebné ovládať, no tento prehľad nám neskôr pomôže v praktickej identifikácii počtu prúdov alebo na praktické overenie nastavení.
Fyzikálne prekážky znižujúce rýchlosť
Ako sme už spomínali v dávnejšej kapitole o bezdrôtových médiách, rôzne atmosferické javy a fyzikálne prekážky môžu výrazne znížiť efektívny dosah siete a dosahované rýchlosti.
Azda najväčším reálnym nepriateľom je voda - hustý dážď, sneženie, ale aj akvárium, podlahové kúrenie, či dokonca ľudské telo - to všetko predstavuje hustú clonu, cez ktorú mikrovlny len ťažko prechádzajú. Výraznou prekážkou sú aj veľké kovové plochy - radiátor, železobetónové konštrukcie, či obyčajné nástenné zrkadlo. Ale aj kovová skrinka počítača, ktorá je hneď vedľa Wi-Fi AP. Nepodceňujme ani steny - v interiéri majú síce len malú hrúbku, no pokiaľ AP umiestnime hneď vedľa steny, kolmým smerom signál prejde bez väčšej ujmy, no šikmým smerom je dráha vedúca murivom aj meter dlhá - a to už bude problém.
Čím vyššia je frekvencia vĺn, tým ťažšie prejde prekážkami. V praxi môžeme badať značný rozdiel už medzi 2,4 a 5 GHz - kým 2,4 GHz Wi-Fi zachytíme aj cez dve steny, 5 GHz má niekedy problém prejsť aj jednou. Z nevýhody sa môže stať aj výhoda - ruší nás menej susedov. 🙂
Kľúčové technológie zvyšujúce rýchlosť
Od čias Wi-Fi 4 je možné využívať viaceré prenosové prúdy (streams / chains) na princípe MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Konkrétne Wi-Fi 4 a 5 podporujú až 4 prúdy. Notebooky majú bežne Wi-Fi karty s dvoma anténami, teda s podporou dvoch prúdov, čiže uvedené rýchlosti sú zvyčajne 2-násobné, pri najlepších zariadeniach aj 3- alebo 4-násobné. Na druhej strane si treba uvedomiť, že ide o teoretickú maximálnu linkovú rýchlosť, ktorá bude v praxi nižšia (v závislosti od podmienok, rušenia a počtu pripojených zariadení). Okrem toho treba myslieť aj na nezanedbateľnú réžiu protokolov na všetkých vrstvách siete a treba brať do úvahy skutočnosť, že ide o half-duplex. V praxi je možné očakávať reálnu prenosovú rýchlosť na úrovni približne polovice linkovej rýchlosti.
Realita vs. marketing: Výrobcovia na krabicu píšu prostý súčet rýchlostí pri použití všetkých antén. Ak má AP napríklad nápis AC1200, zvyčajne to znamená, že v pásme 5 GHz umožňuje 867 Mb/s (zaokrúhlene 900) a v pásme 2,4 GHz 300 Mb/s. Reálne však tieto rýchlosti nemôžeme sčítať a už vôbec nie očakávať aj pri prenose dát.
Počnúc vylepšenou verziou 802.11ac wave2 (Wi-Fi 5 wave2) sa využíva MIMO aj nezávisle pre viacerých používateľov (multi-user) - MU-MIMO. To znamená, že súčasne môžu komunikovať viacerí používatelia, každý svojím prenosovým prúdom. Protokoly od Wi-Fi 6 umožňujú využívať až 8 prúdov (pričom niektorými môže odosielať a zároveň inými prijímať), čo prináša potenciálne až 8-násobnú rýchlosť prenosu medzi AP a zariadeniami. To výrazne pomôže v prostrediach s vysokou koncentráciou klientskych zariadení - AP dokáže obslúžiť viacej klientov pri vysokej rýchlosti.
Kľúčovou novinkou Wi-Fi 6 bolo zavedenie modulácie OFDMA. Nenápadné písmenko „A“ na konci (oproti dovtedajšiemu OFDM) rozdeľuje kanál na menšie kanáliky a každým môže prenášať iný klient. Predstaviť si to môžeme ako kuriéra, ktorý nemusí viezť balíky len pre jediného príjemcu, ale odvezie pre viacerých naraz. To znižuje latenciu v preplnených sieťach.
Technológia MLO (Multi-Link Operation) pri Wi-Fi 7 umožňuje zariadeniu využívať súbežne viaceré frekvenčné pásma, teda prenášať zároveň na 5 i 6 GHz, čo zvyšuje rýchlosť prenosu a spoľahlivosť pripojenia.
WiGig
Príbuznou bezdrôtovou technológiou je WiGig - zatiaľ o nej počuť len zriedka, využíva voľné frekvenčné pásmo okolo 60 GHz. Takáto frekvencia už neprechádza prekážkami, teda je nutná priama viditeľnosť medzi komunikujúcimi zariadeniami. Nejde teda o technológiu vhodnú pre účely pokrytia vnútorných priestorov, ale poskytuje výborné možnosti spojenia point-to-point, teda napríklad medzi dvoma budovami. Problém predstavuje však aj husté sneženie alebo intenzívny dážď. Ide o protokoly:
- 802.11ad: šírka 2160 MHz - 6,7 Gb/s;
- 802.11ay: šírka 8640 MHz - 44 Gb/s.
Je možné využívať až štyri prúdy, čím sa základná rýchlosť násobí.
Vo svete MikroTiku je táto technológia označovaná Wireless Wire. Je čoraz populárnejšia, pretože umožňuje s vynaložením nízkych nákladov prepojiť dve budovy na vzdialenosť stoviek metrov, rýchlosťou prevyšujúcou možnosti bežného 1 Gb/s ethernetu, a to s latenciou podobnou ako pri kábli.