Co je to vlastně WiFi? Jaké jsou možnosti bezdrátových sítí.

30.10.2017
Co je to vlastně WiFi? Jaké jsou vlastně možnosti bezdrátových technologií. A jak porovnat WiFi s ADSL/VDSL telefonní přípojkou? 

 

autor: Jakub Moník

Během mého profesního života v telekomunikacích často narážím na různé způsoby vnímání bezdrátového připojení. Samotné slovo, WiFi, Wifina, je spíše symbolem pro připojení mimo drahou datovou službu operátora LTE, kde by se mladí členové rodiny mohli konečně podívat na videa od kamarádů. Takové to klasické připojení na doma. Tedy pozitivní. Na druhou stranu častokrát slýchám od různých prodavačů xDSL služeb, že WiFi přípojka nefunguje při špatném počasí, má mnoho "ale", a není nad používání pořádných kabelů. 

Chvíle pro technické okénko. Vše se točí kolem dvou ukazatelů, ze kterých se vypočítává přenosová rychlost. Prvním je šíře pásma, a tím druhým je modulační schéma. Abych nezabíhal do příliš velkých technických podrobností, hodně tento vztah zjednoduším. Modulace je počet stavů během jednoho průběhu signálu. Při čtyřstavové amplitudové modulaci může signál nabývat 4 hodnot, a přenášené datové slovo má nějakou variaci čtyř bitových znaků, třeba 0101, 1101... Zbytek si zkuste představit. Čím vyšší modulace, tím vyšší je přenosová kapacita, ale zároveň roste i náročnost na přenosové médium. Z praxe to znáte, jste daleko od domácí WiFi, a rychlost klesá, až se nakonec odpojí. Stejné je to s ústřednou metalické sítě, či vzdáleností od základnové stanice mobilního operátora. 

Dalším zásaně důležitým faktorem je šířka pásma. Počet datových slov naroste tolikrát, kolik máte k dispozici Megaherz. Populárně se to dá vysvětlit počtem subkanálů v jednom médiu. Proč je to takhle složité?

Stojí za tím vývoj. V minulosti nikdo nepočítal s výstavbou celospolečenské datové sítě. Výstavba telefonní, na měděném drátu založené celostátní síti probíhala několik desetiletí. Počítalo se s přenosem hlasu, dokonce analogově, a pro tak malé kapacity stačilo používat tenké drátky v širokých svazcích kabelů. Do každého domu vedla příslušně dimenzovaná odbočka, a taková domácí linka byla ukončená v ústředně někde v ústředně spádové oblasti. Třeba několik kilometrů od domácnosti účastníka. Pro telefonování to stačilo, a po přechodu na digitální podobu ústředen stále nebyl problém. Kvůli přeslechům v drátech se používala nízká nosná frekvence, využitelná šíře pásma tak akorát stačila pro telefonování, a když už někdo musel používat datové služby, použil vytáčený DIAL-UP přístup. Ale abychom do tématu nevklouzli příliš podrobně, postupných vývojem technologií právě pro tuto starou, léta budovanou telefonní síť, došlo ke zvyšování nosných frekvencí v médiu, díky tomu i ke zvyšování modulační rychlosti a především šíři pásma. Dnes jsou tyto parametry v místě digitálních ústředen docela vynikající, třeba moderní VDSL2 dokáže používat 35 MHz šíře pásma, při docela vysoké modulační rychlosti. Jakmile přenášíte data po kvalitním kabelu na krátkou vzdálenost, třeba do 300 metrů, umí být přenosová rychlost svižných 100 Mbps. Dalšími metodami vylepšení přeslechů signálů, dopočítáváním přeslechů v modemech a řízením vektorů v kabelovém svazku má xDSL síť šanci dostat se na teoretických 250 Mbps.

Má to dvě významná ale: 

a) z principu metalického média nedostanete podstatnou kapacitu pro nahrávání dat na server

b1) rychlost zásadně klesá, doslova padá, s rostoucí vzdáleností od ústředny

b2) rychlost zásadně klesá s při nízké kvalitě metalické přípojky 

Takže i v modernizovaných částech sítě někdo má, a jiný zase nikdy mít nebude... 

 

Jak do toho patří WiFi? 

Regionální poskytovatelé internetu, nepoužívají pro připojení od ústředny k zákazníkovi stará, metalická vedení. Jednak k nim v dřívějších dobách neměli přístup, a ani k tomu nebyl moc důvod. Pro připojování zákazníků dobře posloužilo bezdrátové médium. A výše v článku použitá analogie platí i pro bezdrátový přístup k pevné síťi. WiFi je standardizovaný způsob komunikace mezi bezdrátovými zařízeními. WiFi čili Wireless Fidelity (bezdrátová věrnost), je název organizace Wi-Fi Alliance označující určitý standard neboli protokol používaný jako standard pro výrobce tak, aby se jejich zařízení bylo spolu schopné domluvit. Pro účely takové komunikace bylo společenstvím regulátorů vyčleněné kmitočtové pásmo, kde mohou taková zařízení při dodržení pravidel pracovat. Nejprve to bylo pásmo 2,4 GHz, později mnohem širší úsek v pásmu 5 GHz. A organizace Institute of Electrical and Engineers, IEEE, začala s definicí standardů, závislých na možnostech tehdejších technologií. Tak vzniknul standard 802.11

Přehled standardů IEEE 802.11

Standard Rok vydání Pásmo Maximální
[GHz] rychlost
  [Mbps]
původní IEEE 802.11 1997 2,4 2
IEEE 802.11a 1999 5 54
IEEE 802.11b 1999 2,4 11
IEEE 802.11g 2003 2,4 54
IEEE 802.11n 2009 2,4 nebo 5 600
IEEE 802.11y 2008 3,7 54
IEEE 802.11ac 2013 2,4 a 5 1000
IEEE 802.11ad 2012 2,4 , 5 a 60 7000

 

Všimněte si, že původní rychlost stařičké 802.11 jsou 2 Mbps. To je zhruba linková rychlost ISDN linky, která je v mnoha případech jedinou možností připojení k metalické síti. V bezdrátové přístupové síti jsou zavedené standardy 802.11n, a 802.11ac. (Standard 802.11ad není zatím povolené používat pro venkovní instalace). 

Jak je to tedy s těmi bezdráty? Samotné přístupové body, které mají podobu takových malých převaděčů, jako v LTE síti, častokrát využívají ještě navíc proprietární nadstavbu WiFi protokolů od různých výrobců. Mohou si to dovolit, jsou to zařízení speciálně vyrobené pro účely infrastruktury. Jejich konstruktéři používají různé metody pro navýšení kapacity, vyšší robustnosti proti vzájemnému rušení. Jsou vybavené mitigačními technikami, aby předcházely kolizi s radarovými systémy, a výkonnými procesory pro výpočty opravujícími přeslechy v provozu. 

Při provozu se správnými anténami a dobře nastaveným řízením kapacity jsou dnešní bezdrátové sítě schopné bez problémů poskytovat služby se stejnými, nebo vyššímu kapacitami, nežli má metalická síť. Ale abychom byli spravedlivý, má to opět dvě podmínky:

a) při zatíženém spektru nesmí být přijímač zákazníka od přístupového bodu příliš daleko

b) přijímač i vysílač musí pracovat s odpovídajícím rozpočtem energie pro ztrátu v dešti, tedy odpovídající antény

 

Přenosová rychlost v médiu při stejné modulaci je roste přímo úměrně šíři pásma. Modulační rychlost v bezdrátových WiFi technologiích už nejde příliš zvyšovat. Dosahuje u špičkových zařízení 256 QAM, a díky zde nepopsaným metodám MIMO a OFDM dosahujeme v protokolu 802.11 n/ad vysokých přenosových rychlostí. Budoucnost bezdrátových sítí, ať už WiFi, či LTE, je právě ve zvětšování šíře pásma. V blízké budoucnosti budou bezdrátový operátoři využívat i milimetrová pásma 60 GHz, kde díky směrovosti antén nehrozí vzájemné rušení. Zároveň evropští regulátoři spektra reagují na požadavky trhu a jednají o vyčlenění některých dalších úseků v horní části 5 GHz pásma pro zvýšení kapacity služeb. Zároveň probíhá rozšiřování optických částí sítí. 

Ale o tom až příště. 

Dostatečná kapacita přivedená k přítupovému bodu

Profesionálně postavená síť musí mít mnoho přípojných bodů, a tyto přípojné body je nezbytné připojovat kvalitní infrastrukturou. To jsme ale v technicky poněkud odlišné části internetové infrastruktury, v přípojné síti. 

V příštím článku se budeme přípojné síti věnovat. Popíši rádiové spoje v profesionálních pásmech, tedy takové, které nemají s WiFi společného vůbec nic. S výjimkou slova rádio. A součástí přípojné a páteřní infrastruktury jsou i optická vlákna. 

Pokračování příště...