Bity na radiowej fali

Bezprzewodowa sieć radiowa uwalnia nas od przewodów. Dzięki temu z notebooka, tabletu czy smartfona możemy korzystać i np. grać w dowolnym miejscu mieszkania lub biura, nie martwiąc się w ogóle o to, czy kabel sięgnie do gniazdka i czy nikt z domowników lub współpracowników się o niego nie potknie. Lokalna sieć Wi-Fi sprawia, że podczas oglądania filmu na smartfonie nie będziemy musieli korzystać z limitu transmisji danych przyznanego u operatora telefonii komórkowej.

Co więcej, nie musimy też pracować w jednym, wyznaczonym miejscu. Równie dobrze jak przy biurku, pocztę elektroniczną czy prezentację od szefa możemy przejrzeć w sali konferencyjnej czy kuchni, w trakcie przerwy na kawę. Sieć bezprzewodowa daje nam przede wszystkim swobodę korzystania z dostępu do internetu, zasobów firmowych czy domowych plików na udostępnionym w sieci dysku lub serwerze NAS – to jej podstawowa zaleta.

Swobodny dostęp do sieci to nie jedyna zaleta Wi-Fi. Dzięki temu, że nie są tu potrzebne kable – z wyjątkiem przewodu łączącego nasz router Wi-Fi z internetem – łatwo taką sieć zbudować dosłownie w kilka, kilkanaście minut. Wystarczy podłączyć urządzenie i je skonfigurować. Co więcej: sieć bezprzewodowa jest kilkukrotnie tańsza od sieci przewodowej i sprawia, ze nie musimy oszpecać pomieszczeń układanymi na ścianach rynienkami i gniazdkami sieciowymi.

Jeśli chodzi o prędkość transmisji, to współczesne urządzenia dostępowe Wi-Fi oferują teoretycznie prędkości, które nie powinny ustępować sieciom przewodowym. Najszybsze pozwalają na transmisję danych z prędkością w teorii przekraczającą 5 Gb/s. Przykładem może być tu router D-Link DIR-895L, zapewniający maksymalną teoretyczną szybkość przesyłu danych wynoszącą 5332 Mb/s. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu w tym sprzęcie trzech układów radiowych oraz ośmiu zewnętrznych anten, o czym za chwilę. Większość popularnych routerów transmituje dane z maksymalną teoretyczną prędkością dochodzącą do 1200 Mb/s, podczas gdy sieć przewodowa osiąga 100 lub 1000 Mb/s. Jednak w praktyce nie jest już tak dobrze i rzeczywista prędkość transmisji oscyluje w okolicach 40–50 Mb/s, a więc połowy tego, co zapewnia zwykły 100-megabitowy kabel. Co gorsza, sieć bezprzewodowa charakteryzuje się dość wysokimi opóźnieniami, co sprawia, że nie nadaje się do grania w gry typu FPS – o czym też warto pamiętać.

Taka duża rozbieżność pomiędzy teoretyczną maksymalną prędkością, z jaką może działać router, a szybkościami osiąganymi w praktyce wynika stąd, że wykorzystanie do transmisji danych sygnałów radiowych ma też ograniczenia. Fale radiowe, będące falami elektromagnetycznymi, pomimo że bardzo dobrze rozchodzą się w powietrzu, w określonych warunkach ulegają znacznemu osłabieniu. Oczywiście przenikają przez przeszkody oraz mogą docierać na znaczne odległości, ale bariery takie jak betonowa ściana czy metalowe zbrojenie w budynku sprawiają, że drastycznie maleje prędkość transmisji danych i zasięg. Fale radiowe są też wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, powodowane np. przez lodówki, pralki, kuchenki mikrofalowe, silniki elektryczne maszyn czy inne działające w pobliżu nadajniki.

Dlatego w praktyce zasięg sieci bezprzewodowej ograniczony jest w budynku do 20–50 metrów, a w otwartej przestrzeni do ok. 300 m. Co prawda można byłoby go zwiększyć, stosując silniejsze nadajniki, ale ich maksymalna moc ograniczona jest przepisami – właśnie po to, aby nadajniki te nie zakłócały pracy innych urządzeń i odbiorników radiowych. Większa moc nadajnika, zwłaszcza w przypadku smartfonów, sprawiłaby, że promieniowane elektromagnetyczne przekroczyłoby dopuszczalne normy i byłoby szkodliwe dla zdrowia użytkowników. W większości krajów maksymalna dopuszczalna moc nadajnika Wi-Fi wynosi obecnie 100 mW w paśmie 2,4 GHz i 200 mW w paśmie 5 GHz.

Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych w każdym kierunku sprawia, że transmisja danych w sieci Wi-Fi, podobnie jak w wypadku radia czy telewizji, może być łatwo odebrana i podsłuchana praktycznie przez każdego, kto dysponuje odpowiednim oprogramowaniem i sprzętem. Co więcej, software taki szybko da się znaleźć w internecie. Intruz może więc sobie usiąść pod oknem i włamać się niemal bezkarnie do naszej sieci. To dlatego transmisja w sieciach Wi-Fi musi być szyfrowana.

W tym miejscu warto wspomnieć o technologii formowania wiązki, czyli beamformingu. Metoda ta pozwala wysłać wiązkę radiową w ściśle określonym kierunku, do urządzenia odbiorczego, co poprawia jakość sygnału i w znaczącym stopniu ogranicza przestrzeń, w jakiej rozchodzą się fale radiowe. Niemniej taka wiązka radiowa jest wciąż szeroka i nie jest to linia prosta, ale rozszerzający się stożek, więc bez problemu można ją podsłuchać, znajdując się w okolicach urządzenia odbiorczego.

Obecnie sieci Wi-Fi korzystają z dwóch pasm częstotliwości radiowych, na których mogą nadawać i odbierać dane. Są to odpowiednio pasma 2,4 i 5 GHz. Co ważne, publiczne korzystanie z tych częstotliwości dozwolone jest obecnie też w większości krajów na świecie. W Polsce pasma te zostały dopuszczone przez Urząd Komunikacji Elektronicznej do powszechnego użytku, co oznacza, że aby z nich korzystać, nie trzeba wykupywać licencji.

Pasmo 2,4 GHz podzielone zostało na 13, zaś 5 GHz na 19 kanałów – wybór kanału, na którym komunikuje się router np. z notebookiem lub smartfonem, albo następuje automatycznie, albo kanał ustawia się ręcznie podczas konfiguracji routera tak, aby zapewnić jak najlepszą jakość połączenia. Domyślnie jest to zazwyczaj kanał 11. Warto zauważyć, że z pasma 2,4 GHz korzysta obecnie większość starszego typu routerów Wi-Fi. Używa go też spora grupa innych urządzeń radiowych (myszki, klawiatury, Bluetooth, bezprzewodowe głośniki, elektroniczne nianie, czujniki pogody itp.) i dlatego jest ono dość mocno zatłoczone, zwłaszcza w dużych miastach. Wykorzystanie częstotliwości 2,4 GHz pozwala uzyskać maksymalną prędkość transmisji dochodzącą do 300–450 Mb/s, choć są też urządzenia korzystające z wykraczających poza specyfikację metod, które potrafią komunikować się w paśmie 2,4 GHz z szybkością nawet 800 Mb/s (np. Netgear Nighthawk Pro Gaming XR500).

Znacznie większe możliwości daje 5 GHz. Po pierwsze z racji większej szerokości pasma można na nim „upchać” więcej sieci Wi-Fi, które nie będą na siebie zachodzić i wzajemnie zakłócać. Trzeba w tym miejscu dodać, że na rynku dostępne są tańsze routery, które dysponują nie 19, ale 8 lub 4 kanałami i tutaj mogą pojawić się problemy z wzajemnym zakłócaniem. Po drugie jest ono nie tylko znacznie mniej zapchane – co wynika m.in. z faktu, że w wielu, głównie europejskich krajach, zostało ono stosunkowo niedawno zwolnione do użytku publicznego (np. w Polsce do końca pierwszej dekady XXI wieku można było go używać jedynie wewnątrz budynków) – ale też pozwala na transmisję danych z większą prędkością.

Podstawowy wariant sieci 5 GHz umożliwia transmisję z szybkością 433 Mb/s, a większość obecnych urządzeń dysponuje prędkością 867 Mb/s. Po trzecie przy wyższych częstotliwościach znacznie lepiej działają też mechanizmy automatycznie dobierające dany kanał pod względem jakości transmisji. Wadą jest to, że przy 5 GHz mogą pojawić się problemy z zasięgiem nawet tam, gdzie ich nie było w paśmie 2,4 GHz. Wynika to z faktu, że im wyższa jest częstotliwość fal radiowych, tym gorzej rozchodzą się one w powietrzu i większe jest ich tłumienie na przeszkodach takich jak np. ściany czy stropy, co ogranicza zasięg pasma 5 GHz w porównaniu z 2,4 GHz.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat wyewoluowało wiele rożnych odmian sieci Wi-Fi. Za certyfikację urządzeń i ich standaryzację odpowiada przemysłowe stowarzyszenie Wi-Fi Alliance, które w sprawach opracowywania odpowiednich norm ściśle współpracuje z międzynarodową organizacją IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników). Ta ostatnia przygotowała zestaw standardów z rodziny IEEE 802.11, które definiują różne typy i sposoby funkcjonowania bezprzewodowych sieci Wi-Fi. Normy z rodziny 802.11 stanowią podstawę certyfikatów, które przyznawane są przez Wi-Fi Alliance. W wypadku certyfikowanego sprzętu mamy pewność, że będzie on zawsze prawidłowo współpracował z innymi przetestowanymi urządzeniami. Oczywiście zdecydowana większość dostępnych w sklepach routerów ma odpowiednie certyfikaty.

Pierwszym powszechnie przyjętym standardem był 802.11b, potem weszły odpowiednio 802.11a, 802.11g, oraz 802.11n. Standard „g” dotyczył urządzeń pracujących w paśmie 2,4 GHz i pozwalał na przesyłanie danych z szybkością do 54 Mb/s. Obecnie, co wynika ze statystyk sprzedaży producentów m.in. firm TP-Link i Asus, w ostatnich pięciu latach najczęściej spotyka się sieci Wi-Fi typu „n” (około 70 proc.), które również korzystają z pasma 2,4 GHz. Dzięki m.in. technologii MIMO (patrz: ramka „MIMO, czyli transmisja wieloantenowa”) można w nich osiągnąć prędkość 150 Mb/s lub 300 Mb/s. Z tą ostatnią mamy do czynienia wówczas, gdy urządzenia nadawcze i odbiorcze mają po dwie anteny zamiast jednej. W ten sposób uzyskuje się też prędkość rzędu 450 Mb/s czy 600 Mb/s, używając odpowiednio trzech bądź czterech radiowych strumieni transmitujących dane. Warto zauważyć, że wspomniany wyżej Netgear Nighthawk Pro Gaming XR500 co prawda korzysta z „tylko” czterech anten, ale podniesiono w nim szybkość transmisji danych w jednym strumieniu do 200 Mb/s – stąd 4x200 Mb/s = 800 Mb/s.

Pierwszym standardem z rodziny 802.11 korzystającym z pasma 5 GHz był praktycznie nieużywany w Europie 802.11a. Obecnie starszy sprzęt zgodny z 802.11n zastępowany jest pracującymi jednocześnie na dwóch częstotliwościach, 2,4 i 5 GHz, dwupasmowymi konstrukcjami 802.11ac – standard ten ostatecznie zatwierdzony został w 2014 roku. Dopiero w 2017 roku, gdy cena urządzeń istotnie spadła, zaczął się on powoli upowszechniać , by w 2018 sprzedaż modeli „ac” zrównała się ze sprzedażą sprzętu typu „n” i pod koniec roku zaczęła ją wyprzedzać. Jak można się domyślić, pasmo 2,4 GHz pozostawiono w celu zachowania kompatybilności ze sprzętem 802.11n. Częstotliwość 5 GHz pozwala zaś na transmisję danych ze znacznie większą szybkością.

Urządzenia 802.11ac pozwalają na jednoczesne korzystanie z ośmiu kanałów w trybie MIMO, co gwarantuje teoretyczną maksymalną prędkość transmisji na poziomie 3,5 Gb/s (po 433 Mb/s na pojedynczy kanał). Oczywiście w rzeczywistych warunkach, podobnie jak i w innych, niższych standardach, nie da się uzyskać tak wysokich rezultatów, a jedynie ok. 50–60 proc. prędkości teoretycznej. Co gorsza większość notebooków i smartfonow korzysta z konfiguracji MIMO 2x2 (patrz: ramka), co jeszcze bardziej obniża rzeczywistą szybkość transmisji.

W tym miejscu warto zaznaczyć, że podawana przez producenta szybkość transmisji routerów Wi-Fi zgodnych z normą 802.11ac to sumaryczna wartość wszystkich maksymalnych szybkości uzyskiwanych na paśmie 2,4 i 5 GHz. Modele o podstawowej prędkości pracy, oznaczane jako AC1200, to routery w dwustrumieniowej konfiguracji antenowej 2x2 (dwie anteny do nadawania i dwie do odbioru, w praktyce stosuje się tu tylko dwie uniwersalne anteny tzw. dwupolaryzacyjne, które umożliwiają jednoczesny odbiór i nadawanie) uzyskujące szybkość 300 Mb/s na paśmie 2,4 GHz i 867 Mb/s w paśmie 5 GHz. Z kolei droższe modele korzystają z czterostrumieniowej konfiguracji antenowej 4x4, uzyskując 1734 Mb/s (2x867 Mb/s) w paśmie 5 GHz i 600 Mb/s (2x300 Mb/s) – stąd w ich nazwie znajduje się oznaczenie AC2400. Z kolei bardzo popularny sprzęt AC1350 to urządzenia AC1200, które wyposażono w szybszy moduł 802.11n pracujący z szybkością 450 Mb/s.

Obecnie trwają prace nad jeszcze nowszym standardem 802.11ax, którego ostateczna specyfikacja ma pojawić się w lipcu 2019 roku. Standard ten określany jest też nazwą Wi-Fi 6. Na rynku są już pierwsze urządzenia zgodne z wstępną jego specyfikacją, tzw. draftem. Oczywiście, Wi-Fi 6 potrafi wykorzystywać zarówno pasmo o częstotliwość 2,4 jak i 5 GHz, niemniej jest dużo szybsza – i to duże niedopowiedzenie. Urządzenia zgodne 802.11ax będą bowiem w stanie pracować z teoretyczną prędkością dochodzącą do ok. 14 Gb/s, natomiast urządzenie klienckie osiągną przepustowość rzędu 1 Gb/s.

Na zakończenie przyjrzyjmy się temu, jak zbudowany jest router. Warto w tym miejscu poświęcić kilka słów antenom i ich konfiguracjom z tego względu, że to one decydują o zasięgu i stabilności sygnału radiowego. Współczesne routery Wi-Fi 802.11ac korzystają z dwóch, trzech lub czterech dwupolaryzacyjnych, dwupasmowych (2,4 i 5 GHz) anten pracujących w konfiguracji 2x2, 3x3 lub 4x4. Taki układ pozwala na jednoczesne nadawanie i odbiór danych.

Oczywiście bywają modele z sześcioma czy ośmioma dwupasmowymi antenami, które pozwalają uzyskać lepszą sumaryczną prędkość transmisji oraz lepszy zasięg, ale są też znacznie droższe. Tego typu routery przeznaczone są przede wszystkim dla graczy, którzy strumieniują w dużej rozdzielczości przebieg swojej rozgrywki i jednocześnie przeglądają np. streamy innych użytkowników. Wracając do anten, to mogą być one usytuowane zarówno na zewnątrz urządzenia, jak i w jego wnętrzu, na płytce drukowanej. Zdarza się to znacznie rzadziej, niemniej we współczesnych konstrukcjach antena wewnętrzna nie przekłada się w zasadniczy sposób na pogorszenie jakości pracy urządzenia, choć oczywiście zawsze będzie charakteryzowała się nieco gorszymi parametrami. Przygotowaniem nadawanego sygnału i jego modulacją zajmuje się układ nadawczo-odbiorczy (ang. transceiver). Gdy sygnał radiowy jest odbierany, ten dwufunkcyjny moduł odpowiada też za rozkodowanie przysłanych informacji.

Współczesne moduły nadawczo-odbiorcze to wielozadaniowe układy scalone, w których implementuje się wszystkie niezbędne technologie i funkcje, które są potrzebne do wdrożenia kompletnego, bezprzewodowego podsystemu zgodnego ze specyfikacją 802.11ac. Są to zarówno funkcje radiowe, związane z modulacją i demodulacją sygnału, zarządzaniem pasmami radiowymi, kanałami, jak i sterujące, odpowiedzialne za nawiązywanie połączeń, sterowanie pakietami danych czy powtarzaniem transmisji. Co więcej, chip taki może zawierać kilka modułów nadawczo-odbiorczych, dzięki czemu upraszcza się konstrukcja routera.

Za przykład niech posłuży seria układów scalonych z rodziny Broadcom BCM4360x. Kości te zawierają trzy niezależne, dwuzakresowe moduły nadawczo-odbiorcze, mogące współpracować z antenami w konfiguracji 3x3. Oznacza to, że montując tylko jeden taki chip, otrzymamy od razu router klasy AC1200 – jeden moduł odpowiada w nim za transmisję w paśmie 5 GHz (867 Mb/s), a dwa obsługują pasmo 2,4 GHz (łącznie 300 Mb/s). Korzystając z trzech takich kości, firma D-Link zbudowała jeden z najszybszych obecnie routerów – D-Link DSL-5300 COBRA AC5300. Wszystkie trzy moduły nadawczo-odbiorcze z dwóch układów obsługują w nim pasmo 5 GHz, a jedna kość w całości steruje pasmem 2,4 GHz.

Ostatnim elementem routera jest procesor sieciowy (ang. network processor). To on odpowiada za kontakt z siecią przewodową (obsługuje wbudowany przełącznik sieci Ethernet), internetem, a także steruje wbudowanymi w router portami USB, pamięcią, diodami oraz wszelkimi usługami i wgranymi na stałe aplikacjami, w tym zintegrowanym serwerem WWW. Dzięki niemu można łatwo i szybko, za pomocą zwyklej przeglądarki internetowej, skonfigurować router, korzystając zarówno z połączenia przewodowego, jak i bezprzewodowego. Wszystkie informacje z modułów nadawczo-odbiorczych trafiają do procesora sieciowego. To on decyduje o tym, które dane mają być przez nie wysłane w eter i trafić do odpowiednich podłączonych do sieci Wi-Fi komputerów.

Technologia MIMO (Multipe Input Multiple Output) i jej nowsza odmiana MU-MIMO (Multi User MIMO) to system wykorzystujący możliwość jednoczesnego wysyłania i odbierania wielu strumieni danych (co odpowiada wielu wiązkom radiowym) pomiędzy parą komunikujących się ze sobą urządzeń bezprzewodowych. Technologia ta weszła do użytku w sieciach Wi-Fi w 2007 roku, wraz z pojawieniem się na rynku standardu IEEE 802.11n.

Router korzystający z technologii MIMO dzieli przekazywaną informację na kilka strumieni danych (ich liczba odpowiada liczbie wykorzystywanych do nadawania anten), które następnie są wysyłane za pomocą tychże anten pracujących na tym samym kanale. Urządzenie odbierające przechwytuje wszystkie składowe wiązki, a następnie na podstawie dodanych podczas nadawania odpowiednich sygnatur łączy ze sobą dane w całość.

Każda używana w technologii MIMO antena podłączona jest do innego, działającego równolegle nadajnika lub odbiornika i transmituje bądź odbiera sygnał o nieco przesuniętej względem siebie, ale mieszczącej się w szerokości kanału częstotliwości – w sieciach Wi-Fi wynosi ona 20 MHz. Innymi słowy, zamiast jednej transmisji na kanale o szerokości 20 MHz można, korzystając z dwóch anten, czyli systemu 2x2 (po dwie anteny odbiorcze i nadawcze), wyemitować dwa sygnały w pasmach o szerokości 10 MHz. Mając cztery anteny (system 4x4), można nadać cztery sygnały po 5 MHz każdy itd.

Wprowadzona wraz ze standardem 802.11ac technologia MU-MIMO wykorzystuje dodatkowo formowanie wiązki (ang. beamforming). Dzięki temu wiązki sygnałowe kierowane są bezpośrednio do bezprzewodowego odbiornika. W ten sposób z routerem może komunikować się jednocześnie kilka urządzeń, nie zakłócając siebie nawzajem.

Współczesne routery nie osiągałyby takiej prędkości transmisji danych, gdyby nie technologia FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Metoda ta w istotny sposób zmniejsza ryzyko zakłócenia sygnału radiowego, przez co pozwala właśnie na kilkukrotny wzrost prędkości przesyłania danych. Co ciekawe, podwaliny takiego połączenia opracowała pochodząca z Austrii hollywoodzka gwiazda filmu z lat 40. – Hedy Lamarr, a właściwie Hedwiga Kiesler.

W czasie II wojny światowej ze względu na swoje umiejętności, wiedzę i znajomości, które zdobyła jeszcze przed opuszczeniem Europy, pomagała w pracach związanych z programem bezpiecznego naprowadzania torped drogą radiową. Chodziło o to, aby przeciwnik nie mógł zakłócić łączności i przejąć sterowania nad poruszającym się w wodzie pociskiem. Lamarr zaproponowała rozproszenie nadawanej drogą radiową informacji w taki sposób, aby jej fragmenty były nadawane na różnych, zmienianych co chwilę częstotliwościach. Dokładnie w ten sposób, w ramach wykorzystywanego przez router kanału o szerokości 20 MHz, przesyłana jest informacja w sieciach Wi-Fi. Z technologii FHSS korzysta także telefonia komórkowa.