Szybciej i dalej

Bezprzewodowe sieci Wi-Fi wykorzystują do przesyłania danych fale radiowe zamiast kabli. Do ich budowy potrzebne są karty sieciowe, punkty dostępowe, routery, anteny. Parametry sieci zależą od tego, do jakiej technologii Wi-Fi (potocznie nazywanej standardem sieci Wi-Fi) te urządzenia są przystosowane.

ich domach, biurach, kawiarniach i w centrach największych miast najczęściej korzystają z technologii oznaczonych jako 802.11b i 802.11 g. Pierwsza pozwala na transmisję danych z maksymalną prędkością 11 Mb/s. Jej zasięg w pomieszczeniach zamkniętych to około 50 metrów (według specyfikacji nie powinien być mniejszy niż 46 m), a na otwartej przestrzeni – 96 m. Wartości te, zwłaszcza w sieciach wewnątrz budynku, mogą być mniejsze ze względu na tłumienie sygnału przez takie elementy konstrukcyjne, jak metal i beton. Tego rodzaju materiały pochłaniają mocno fale radiowe o częstotliwościach wykorzystywanych w sieciach Wi-Fi, obniżając jakość sygnału. Nieco szybsze są urządzenia zgodne ze standardem 802.11 g. Podobnie jak urządzenia 802.11b pracują w paśmie o częstotliwości 2,4 GHz, ale pozwalają na transmisję danych z maksymalną prędkością 54 Mb/s.

Do standardu 802.11 g są dostosowane wszystkie produkowane w ostatnich latach notebooki, a także bezprzewodowe urządzenia sieciowe. Standard 802.11 g jest kompatybilny w dół ze specyfikacją 802.11b, co oznacza, że urządzenia 802.11 g mogą pracować także z niższymi parametrami, charakterystycznymi dla 802.11b. Należy przy tym pamiętać, że wykorzystanie w sieci 802.11 g urządzeń zgodnych z 802.11b może sprawić, że prędkości transmisji danych spadną do 11 Mb/s. Teoretycznie tylko między np. notebookiem z kartą 802.11b a routerem 802.11 g. W praktyce w takiej sytuacji bardzo często router (zwłaszcza tańszy) przestawia się na 802.11b i spada transmisja w całej sieci. Więcej o działaniu sieci bezprzewodowych pisaliśmy w PC Formacie 4/2006 – dwa artykuły na ten temat zamieszczamy na krążku.

Osiągane w sieciach bezprzewodowych standardu 802.11g prędkości 54 Mb/s (6,75 MB/s) są zbyt niskie do zapewnienia nieprzerwanej transmisji danych audio-wideo w domowej sieci Wi-Fi. Zwłaszcza jeśli kilka transmisji ma się odbywać jednocześnie. Aby to zrozumieć, wystarczy spojrzeć na wymagania dotyczące przesyłania danych multimedialnych. Dla przykładu telewizja HDTV potrzebuje łącza o przepustowości ok. 20 Mb/s dla pojedynczego strumienia danych (przy kodowaniu sygnału za pomocą MPEG‑2 ). Sygnał Full HD wymaga już dwa razy szybszego łącza.

Do transmisji materiału wideo zapisanego w formacie DivX czy XviD potrzeba prędkości 4–8 Mb/s. Z kolei sygnał telewizyjny w standardzie Microsoft Media Centre potrzebuje 8–10 Mb/s na strumień. Gry wideo to kolejne 10 Mb/s przypadających na strumień. Najmniej wymagające są transmisje audio. Tutaj do przesyłania dobrej jakości nieskompresowanej muzyki potrzeba już tylko pasma o szerokości 2 Mb/s. Najmniej zaś wymagająca jest transmisja głosu, czyli rozmowy VoIP przez sieć, która zadowoli się pasmem sporo poniżej 1 Mb/s – średnio 64 Kb/s.

Po zsumowaniu tych wartości od razu widać, że wystarczy zacząć przesyłać w domowej sieci tylko kilka niezależnych strumieni wideo, aby natychmiast zająć całe pasmo 54 Mb/s. Nie zapominajmy jeszcze, że sieć bezprzewodowa do poprawnego działania potrzebuje co najmniej 20 proc. swojej przepustowości na pakiety kontrolne związane z jej funkcjonowaniem.

Właśnie z wymienionych powodów projektanci sieci bezprzewodowych zaczęli poszukiwać możliwości zwiększenia szybkości transmisji. W 2004 roku rozpoczęli prace nad standardem 802.11n, przystosowującym łączność Wi-Fi do transmisji danych z szybkością co najmniej 100 Mb/s.

Podstawą działania urządzeń, a więc i sieci standardu 802.11n, jest technologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). Podczas transmisji radiowej w dotychczasowych sieciach Wi-Fi 802.11b/g do przesyłania danych wykorzystuje się wiązkę fal emitowanych z anteny nadajnika, która jest odbierana przez odbiornik. Zazwyczaj sygnał ten dociera od jednego do drugiego urządzenia po linii prostej, jedną „główną ścieżką”. Część wyemitowanych fal, zgodnie z prawami fizyki, odbija się od różnych przeszkód po drodze i także trafia, ale z pewnym opóźnieniem, do tego samego odbiornika. W stosunku do sygnału podstawowego te wszystkie odbicia są po prostu zakłóceniami, które pogarszają jakość transmisji.

Okazuje się, że takie zakłócenia można w pewnych warunkach wykorzystać do przyspieszenia przesyłania danych. MIMO jest właśnie technologią, która potrafi spożytkować zakłócenia do znacznego zwiększenia szybkości transmisji, a konkretnie – do wzmocnienia sygnału. W technologii MIMO do transmisji informacji wykorzystuje się kilka (dwie lub więcej) anten nadających na tym samym kanale oraz kilka anten odbiorczych. Każda z tych anten jest podłączona do innego działającego równolegle nadajnika (lub odbiornika).

Transmitowane przez nie sygnały mają częstotliwości przesunięte względem siebie, ale wciąż mieszczące się w szerokości kanału (w sieciach Wi-Fi szerokość kanału wynosi 20 MHz). Innymi słowy, zamiast jednej transmisji na kanale o szerokości 20 MHz można – korzystając z dwóch anten – nadać dwa sygnały w pasmach o szerokości 10 MHz lub – mając do dyspozycji cztery anteny – nadawać cztery sygnały po 5 MHz każdy. Poszczególne sygnały są odpowiednio znaczone, aby było wiadomo, z której anteny nadawczej pochodzą.

Odbiornik, a tak naprawdę zestaw kilku odbiorników z własnymi niezależnymi antenami, nasłuchuje transmisji jednocześnie na dwóch lub więcej częstotliwościach mieszczących się w paśmie danego kanału. W ten sposób, wykorzystując jeden kanał radiowy Wi-Fi, można dwu- lub nawet kilkakrotnie zwiększyć szybkość transmisji danych, bo mamy tutaj do czynienia nie z jedną, ale np. z dwoma głównymi „ścieżkami transmisji”. Dodatkowo system odbiorczy złożony z kilku anten potrafi wykorzystać wspomniane wcześniej niepożądane odbicia do efektywnego wzmocnienia odbieranego sygnału. Silniejszy sygnał przekłada się zaś na mniejszą liczbę błędów – nie trzeba dosyłać brakujących porcji danych, więc można zwiększyć przepustowości transmisji danych lub jej zasięg.

Zastosowanie w nowym standardzie technologii MIMO pozwoliło zwiększyć szybkość przesyłania teoretycznie nawet pięciokrotnie przy podwojeniu dystansu, na którym możliwa jest transmisja. Dostępne w sklepach urządzenia 802.11n pozwalają na transmisję dochodzącą do 300 Mb/s dla kanału o częstotliwości 40 MHz (scala się tutaj w jeden dwa kanały Wi-Fi 20 MHz) i do 150 Mbit/s dla standardowego kanału o częstotliwości 20 MHz. Tak duża przepustowość pozwala bez przeszkód transmitować jednocześnie kilka strumieni wideo nawet w rozdzielczości Full HD.

Urządzenia 802.11n są zgodne z dotychczasowym sprzętem 802.11b/g, ale wykorzystywane wspólnie z nim, oczywiście będą działały wolniej. Uzyskanie maksymalnych przepustowości i zasięgu jest możliwe, jeśli wszystkie urządzenia, np. w sieci domowej router, karta do desktopu i karta do notebooka, będą zgodne z 802.11n. Urządzenie 802.11n dołączone do sieci 802.11b/g przestawia się w tryb 802.11b/g, jeżeli zaś do sieci n zaloguje się urządzenie b/g, cała sieć zwolni, żeby się dopasować do wolniejszego standardu.

Urządzenia 802.11n są zgodne z dotychczasowym sprzętem 802.11b/g, ale wykorzystywane wspólnie z nim, oczywiście będą działały wolniej. Uzyskanie maksymalnych przepustowości i zasięgu jest możliwe, jeśli wszystkie urządzenia, np. w sieci domowej router, karta do desktopu i karta do notebooka, będą zgodne z 802.11n. Urządzenie 802.11n dołączone do sieci 802.11b/g przestawia się w tryb 802.11b/g, jeżeli zaś do sieci n zaloguje się urządzenie b/g, cała sieć zwolni, żeby się dopasować do wolniejszego standardu.

Tak podchodzi do sprawy nawet Intel, wprowadzając w najnowszej notebookowej platformie bezprzewodowe karty sieciowe zgodne z 802.11n. Wszyscy producenci, bez wyjątku, zapowiadają też, że po opublikowaniu ostatecznej wersji specyfikacji ich urządzenia będzie można szybko uaktualnić do ostatecznej wersji standardu – po prostej, nawet dla nieobeznanego dobrze z techniką użytkownika, aktualizacji firmware’u. Poprawki te będą raczej niewielkie, jeśli w ogóle potrzebne, gdyż draft normy 802.11n jest bardzo dobrze opracowany.