Standard Wi-Fi .11ax – czym się wyróżnia?

Standard Wi-Fi .11ax – czym się wyróżnia?

 

Czy to kres możliwości Wi-Fi?

Choć prawdopodobnie nikt już nie nadąża za oznaczeniami kolejnych standardów Wi-Fi (IEEE 802.11b, .11a/g, .11n, .11ac), każda nowa wersja uzyskuje coraz wyższą przepustowość. Na przestrzeni ostatnich 4 generacji przepustowość ta wzrosła z 11 Mb/s do 6,8 Gb/s – to ponad 650 razy! Ostatecznie to właśnie jest najważniejsza cecha każdego standardu, wszak jedynym celem istnienia Wi-Fi jest możliwość skutecznej transmisji danych.

Coraz większymi krokami zbliża się wersja IEEE 802.11ax, która zaoferuje maksymalną przepustowość 9,6 Gb/s. Jednak jej powolne nadejście (planowane na koniec 2018 roku) i stosunkowo niewielki wzrost przepustowości może sugerować, że Wi-Fi kończą się baterie.

Jednak to mylne wrażenie. Nowy akronim oznacza radykalną zmianę paradygmatu – ze zwiększania samej przepustowości do możliwości obsługi wielu kanałów i bardziej efektywnego wykorzystania pasma. To oznacza, że w realnych scenariuszach odczuwalna przepustowość standardu .11ax może być nawet czterokrotnie wyższa w porównaniu do .11ac. Warto się tej kwestii przyjrzeć bliżej, ponieważ będzie ona miała wpływ nie tylko na użytkowników, ale również na producentów urządzeń.

Interferencje

Dla użytkownika liczą się dwie cechy Wi-Fi. Pierwszą jest wydajność. Drugą – zasięg.

Z punktu widzenia użytkownika ważne są dwie cechy Wi-Fi. Pierwszą jest wydajność (przepustowość). Drugą natomiast jest zasięg, w praktyce rozumiany jako odpowiedź na pytanie:

„Czy naprawdę mogę uzyskać najwyższą szybkość w każdym zakamarku domu, w garażu i w piwnicy?”

Mieszkańcy obszarów miejskich przyzwyczaili się już do pewnego schematu działania – włączenia laptopa i przeszukiwania listy wielu routerów i punktów dostępowych w celu połączenia się z siecią Wi-Fi. Wiele tych routerów  wykorzystuje niewielką liczbę nakładających się kanałów, co w praktyce oznacza, że te kanały są współdzielone. Mówiąc inaczej, w tych kanałach występuje interferencja.

Gdy dwa urządzenia wykorzystują do transmisji ten sam kanał w tym samym momencie oznacza to, że ich pakiety zakłócają się nawzajem i w rezultacie zachodzi potrzeba retransmisji ich obu. Nie powinno zatem być zaskoczeniem, że w obszarach o dużym zagęszczeniu urządzeń przepustowość dramatycznie spada na skutek ciągłych retransmisji. Mamy tu do czynienia z pewną formą interferencji.

 

Co naprawdę dzieje się w momencie komunikacji dwóch urządzeń?Smartfony, komputery, tablety i routery komunikują się ze sobą za pośrednictwem tego samego kanału. Oczywiście prowadzi to do zakłóceń w komunikacji.

Urządzenie nadawcze z reguły wie, że pakiet nie dotarł, ponieważ nie otrzymało potwierdzenia zwrotnego od urządzenia odbiorczego w określonym czasie. Czas ten w praktyce jest rzędu milisekund.

Mechanizm komunikacji urządzeń nosi nazwę „protokołu” i opisuje, w jaki sposób należy przeprowadzić poprawną komunikację w sytuacji, gdy urządzenia nadają jednocześnie. Prostym rozwiązaniem wykorzystywanym w protokole jest „nasłuchiwanie przed nadawaniem”. Oznacza to, że zanim urządzenie rozpocznie transmisję pakietu danych, nasłuchuje, aby upewnić się, że w tym samym czasie nie nadaje żadne inne urządzenie. Jednak jeśli dwa urządzenia jednocześnie nasłuchują i dojdą do wniosku, że kanał jest wolny, mogą rozpocząć nadawanie w tej samej chwili i  wywołać kolizję. Niektóre urządzenia mogą wykryć interferencje i wycofać się z nadawania lub zatrzymać się i ponowić próbę kilka milisekund później.

Niestety, w środowisku, w którym znajduje się wiele urządzeń, więcej pakietów ulega kolizji i więcej pakietów musi zostać nadanych ponownie z większą szansą powtórnej kolizji. W wyniku tego całkowita wydajność sieci może się gwałtownie załamać. Taki scenariusz jest prawdopodobny np. w przypadku, gdy zbyt wielu osób korzysta z jednego hotspotu.

Interferencja ta staje się szczególnie dokuczliwa, ponieważ routery i punkty dostępowe próbują zwiększyć swój zasięg, nadając z maksymalną możliwą mocą. Jest to podobne do sytuacji na zatłoczonej imprezie – ponieważ każdy chce być usłyszany, mówi coraz głośniej, zatem całkowity poziom hałasu rośnie i coraz trudniej faktycznie się porozumieć.

Innym aspektem jest przenikanie dużej mocy z jednego kanału do kanału w sąsiednim paśmie. Jest to odmienny rodzaj interferencji, która także powoduje degradację całego systemu Wi-Fi. Co zrobić w takiej sytuacji?

 

Rozproszona sieć Wi-Fi

Rozwiązaniem tych problemów jest standard IEEE 802.11ax. Jego celem nie jest gwałtowne zwiększenie szybkości, za to wykorzystanie maksymalnej liczby kanałów w pasmach 2,4 lub 5 GHz – w tym samym miejscu i czasie.

Obrazowy przykład może pomóc zrozumieć, dlaczego jest to potrzebne. Wyobraźmy sobie dom jednorodzinny z wieloma pokojami, w których działa jednocześnie wiele aplikacji. W przeszłości oznaczało to, że każdy wykorzystywał ten sam kanał do komunikacji z centralnym routerem umieszczonym w przedpokoju – to jednak było ograniczone przez interferencje opisane wyżej.

Scenariusz, dla którego jest przeznaczony standard .11ax, wygląda następująco: Każdy pokój w domu ma punkt dostępowy korzystający z innego kanału Wi-Fi, a wszystkie te punkty dostępowe są połączone z centralnym routerem Wi-Fi umieszczonym w przedpokoju. Dzięki temu poszczególne aplikacje operują na różnych kanałach i nie występują między nimi interferencje. To jest prawdziwy „system” Wi-Fi, a jego interesującym parametrem jest sumaryczna przepustowość – osiągana poprzez wykorzystanie jednocześnie wielu kanałów, między którymi nie zachodzą interferencje. Dzięki temu całkowita dostępna w domu przepustowość jest wykorzystywana w sposób optymalny.

Zatem celem standardu IEEE 802.11ax jest pełne pokrycie obszaru domu lub budynku i zapewnienie maksymalnej przepustowości w każdym pokoju, co przełoży się również na maksymalną pojemność całego systemu.

Jakie ma to konsekwencje dla dostawców produktów?

Warto zdać sobie sprawę, że moc wyjściowa urządzenia nie jest już najważniejszym czynnikiem zapewniającym daleki zasięg. Jednym z czynników jest na przykład „płaskie widmo mocy”. Oznacza to sytuację, w której w całym dostępnym paśmie moc wyjściowa jest jednakowa, zatem jednocześnie wszystkie kanały w obrębie pasma nadają z maksymalną mocą. W wielu produktach kanały w środkowym zakresie widma są silne, natomiast kanały skrajne są słabsze – to prowadzi do ograniczenia maksymalnej przepustowości.

Jest to również związane z mocą skrajnych kanałów (band edge performance). Aby uzyskać maksymalna pojemność systemu, projektanci chcieliby zapewnić maksymalną moc wyjściową na wszystkich kanałach w obu pasmach 2,4 oraz 5 GHz, wliczając w to kanały na skrajach pasm. Jednak najczęściej kanały na granicy pasm mają obniżoną moc wyjściową, aby spełnić wymagania odnośnie poziomu emisji, to znaczy nie generować szumu poza wykorzystywanym pasmem. Wielu producentów urządzeń ogranicza zatem moc tych skrajnych kanałów, co niestety prowadzi do znacznego obniżenia całkowitej pojemności systemu.

 

…a jakie są konsekwencje dla użytkowników?

Użytkownicy nie lubią dużych pudeł z wielkimi antenami. Zwłaszcza w przypadku osobnego routera Wi-Fi w każdym pokoju klienci będą oczekiwać małych obudów, najlepiej bez żadnych anten.

Użytkownicy nie lubią dużych pudeł z wielkimi antenami.

Niestety, nie bez powodu współczesne routery są dość duże. Jest to jedyny sposób, aby obudowa była w stanie rozproszyć i wypromieniować ciepło pochodzące ze wszystkich komponentów w jej wnętrzu. Każdy układ radiowy generuje ciepło. Nawet telefony nagrzewają się podczas np. oglądania filmu.

Producenci komponentów do tych urządzeń starają się oczywiście zapewnić wysoką ich sprawność, tzn. wysoki stosunek wypromieniowanej mocy sygnału do emitowanego ciepła. Do tej pory celem było uzyskanie maksymalnej przepustowości i (dopuszczalnej) mocy wyjściowej. Natomiast nowy paradygmat polega na wykorzystaniu wszystkich dostępnych kanałów w maksymalnym stopniu. To właśnie sprawia, że nowy standard IEEE 802.11ax jest przełomowy.

 

Pasmo 2,4 czy 5 GHz?

Pozostaje do wyjaśnienia jeszcze jedna kwestia. Zakładając, że punkt dostępowy znajdzie się w każdym pokoju i wszystkie one będą się komunikować z routerem umieszczonym w przedpokoju za pośrednictwem Wi-Fi, które pasmo częstotliwości będzie lepsze?

To pytanie ma sens, ponieważ faktycznie pasmo 2,4 GHz daje lepszy zasięg, niż 5 GHz. Zatem logicznym wyborem byłoby wykorzystanie pasma 2,4 GHz do obsługi sieci „dostępowej”, natomiast 5 GHz służyłoby do komunikacji między punktami dostępowymi a urządzeniami końcowymi. Jest jednak pewien mały szczegół. Sieć dostępowa ma za zadanie agregować cały ruch, co oznacza, że powinna mieć większą wydajność (przepustowość). Jednak w praktyce przepustowość pasma 5 GHz jest wyższa, niż pasma 2,4 GHz – między innymi dlatego, iż pasmo 5 GHz zawiera więcej kanałów. Z drugiej strony, zasięg tego pasma jest mniejszy, zatem gorzej nadaje się do obsługi sieci dostępowej.

Nie jestem zatem niczym zaskakującym, że spotkać można produkty wykorzystujące różne struktury Wi-Fi. Niektóre wykorzystują pasmo 2,4 GHz na potrzeby sieci dostępowej, inne – 5GHz. Branża jest w tej kwestii na razie niezdecydowana. Ponieważ sieci radiowe pracujące w pomieszczeniach z natury są niestabilne, prawdopodobnie nie istnieje jedno, najlepsze rozwiązanie – chyba, że te rozproszone systemy Wi-Fi staną się na tyle inteligentne, aby same odpowiednio się konfigurowały. Być może nawet taka rekonfiguracja mogłaby przebiegać w sposób dynamiczny w oparciu o zapotrzebowanie na pasmo poszczególnych urządzeń w rozproszonym systemie Wi-Fi. To oznaczałoby możliwość automatycznej rekonfiguracji na podstawie wiedzy o kompletnym środowisku – w tym negocjacji z sąsiednimi urządzeniami, tak aby każde otrzymało odpowiednią część widma.

To jednak tylko teoretyczne rozważania. Na razie wiadomo jedno – standard IEEE 802.11ax nie stanowi końca ewolucji Wi-Fi. To dopiero początek rozwoju jeszcze bardziej wydajnych systemów.

Dodatkowe informacje są dostępne na stronie Qorvo: www.qorvo.com/

O autorze

Cees Links, Dyr. Gen. Odd. Łączn. Bezprzew. Qorvo

Cees Links był założycielem i dyrektorem generalnym GreenPeak Technologies, które obecnie stanowi część Qorvo. Pod jego nadzorem zostały zaprojektowane pierwsze bezprzewodowe sieci LAN, obecnie występujące powszechnie w komputerach osobistych i notebookach. Był on również pionierem projektów punktów dostępowych, domowych routerów i stacji bazowych typu hotspot. Brał udział w utworzeniu komitetu standaryzacyjnego odpowiedzialnego za standard IEEE 802.11 oraz powołanie Wi-Fi Alliance. Miał ponadto duży wpływ na powołanie komitetu standardu IEEE 802.15, który stał się podstawą standardu łączności i sterowania ZigBee. Gdy GreenPeak zostało przejęte przez Qorvo, Cees stał się Dyrektorem Generalnym Oddziału Łączności Bezprzewodowej Qorvo. Ostatnio został nagrodzony za całokształt działalności jako pionier Wi-Fi.