7 wspólnych technik radiowych WiFi6 i 5G

Dziś napiszę Wam o siedmiu wspaniałych technikach zastosowanych w urządzeniach WiFi6 najnowszej generacji wg. standardu 802.11ax, czyli WiFi6.

Zacznijmy od zmian w nazewnictwie. Twórcy standardów IEEE zdecydowanie pozazdrościli sieciom komórkowym i zmienili nazwę z technicznej nazwy typu 802.11ax na prosto brzmiącą nazwę WiFi6. Uproszczono w ten sposób kwestie promowania nowych wersji, nawiązując do wersji sieci komórkowych typu 4G, 5G.

• 802.11b to WiFi 1
• 802.11a to WiFi 2
• 802.11g to WiFi 3
• 802.11n to WiFi 4
• 802.11ac to WiFi 5 i ostatecznie
• 802.11ax to WiFi 6.

Tyle w temacie nazw. Prosto i bezpośrednio, mi ta zmiana zatem bardzo odpowiada.

To co jednak najciekawsze, to zmiany w nowej wersji WiF6 czyli techniki rozwiązujące problemy z poprzednich wersji standardu.

Po pierwsze, zwiększono znacząco szybkość, pozwalając osiągnąć 4Gbit/s na jednym paśmie, a nawet 11Gbit/s przy agregacji 3 pasm, to wręcz szokująco duża wartość.

Po drugie poprawiono wiele aspektów dotyczących jakości połączeń internetowych.

Poprawiono również zasięg, co moim zdaniem jest jedną z najważniejszych zmian i powinno to ucieszyć większość użytkowników WiFi w blokach, gdzie jest pełno betonowych ścian.

Poprawiono również pojemność sieci radiowej, co wpłynęło na uniwersalność tego rozwiązania w porównaniu z dotychczasową koncepcją komunikacji typu punkt-sieć. Przez uniwersalność mam na myśli możliwość stosowania sieci w oparciu o WiFi6 jako zamkniętej sieci do nowoczesnych usług typu VR (Virtual Reality) czy wrzeszczcie gamingu w jednym budynku. Może część z Was pamięta jeszcze czasy kiedy nie było rozległych sieci internetowych i graliśmy na PCtach połączonych kablem w jednym pokoju lub na piętrze w akademiku.

Te czasy dzięki tej technologii WiFi6 mogą stać się znów realne, pytanie tylko czy dotyczy to młodzieży czy raczej osób z poprzedniej epoki Internetu.

Po kolei opowiem teraz, co te nowe techniki dadzą w praktyce nam użytkownikom, i jak to osiągnięto.

Zacznijmy od tego co najbardziej wszystkich ekscytuje czyli szybkość Internetu.

Szybkość, dzięki czemu w praktyce osiągnięto dużo większe prędkości w WiFi6?

Pierwsza zmiana

Zwiększającą prędkość Internetu to zastosowanie modulacji kodowania w wersji 1024-QAM, w porównaniu do 256-QAM z wersji WiFi5. Co to oznacza w praktyce?

W praktyce im wyższa modulacja, tym więcej jest przenoszonych w kanale radiowym bitów na sekundę, czyli mamy większą szybkość, lub pojemność jeżeli te bity będą dotyczyły równolegle kilku klientów. Modulacja 256-QAM pozwala na przeniesienie 8 bitów na symbol, a modulacja 1024-QAM 10 bitów na symbol, czyli mamy zysk 25%. Można byłoby zadać sobie pytanie czemu nie zastosowano w takim razie od razu kodowania 2018-QAM, ale odpowiedź nie jest taka prosta.

Jak to w życiu bywa, nie ma nic darmo. Im wyższy jest schemat kodowania tym mniejsza jest czułość kanału radiowego.  Pomiędzy modulacją 512-QAM a 1024-QAM czułość spada o -3dB, czyli niemalże dwukrotnie. Zysk to dodatkowy 1Bit na symbol na ale zmniejszony zasięg prawie dwukrotnie. Oznaczałoby to, że urządzenia WiFi musiałby mieć już 16 anten i używać jeszcze innych technik radowych aby zrekompensować spadek sygnału i utrzymanie zasięgu.

Jeżeli popatrzycie na najnowsze urządzenia WiFI6 to znajdziecie miedzy innymi modele w kształcie pająk z 8 nogami odwróconymi na plecy. Wygląda to śmiesznie, strasznie, dziwnie, niecodziennie. I zdradzę Wam tylko tajemnicę, że to bardzo prymitywny, chociaż skuteczny sposób implementacji systemu antenowego. Nie każda firma potrafi skonstruować zaawansowany system anteny radiowych STA, tak aby zachować estetykę urządzenia. O tym jeszcze będzie później.

Druga zmiana

Wpływająca na szybkość sieci WiFi6, to możliwość użycia pasma radiowych o szerokości aż 160MHz i to w dodatku na kilku zakresach równolegle. Poprzednia generacja, WiFi5 dostarczała urządzenia, które umożliwiały na zagospodarowanie pasma 80MHz, czyli mamy dwa razy mniej. Imponująca zmiana, chociaż pamiętajmy, że nadal obowiązuje urządzenia WiFi to samo ograniczenie mocy czyli 0.1W. Tu przy okazji odkrywamy kolejną tajemnicę pędu technologicznego powiązanego z WiFi. Ta sama moc promieniowania z anteny, wiec producenci musza szukać bardzo zaawansowanych technik radiowych.

Trzecia zmiana

To technika MU-MIMO, która oryginalnie zwiększa pojemność sieci, ale może wpłynąć też i na szybkość. Opowiem o tym w kolejnym punkcie.

Pojemność sieci WiFi6

W nowej wersji standardu WiFi6 wprowadzono dwie duże zmiany, wpływające pozytywnie na zwiększenie jej pojemności.

MU-MIMO

Pierwsza z nich to technika MU-MIMO (Multi User, Multi Input, Multi Output) czyli nowy sposób komunikacji z wieloma urządzeniami równolegle, poprzez 8 równoległych połączeń w kierunku do użytkownika oraz 8 połączeń od użytkownika do rutera WiFi. Technika MIMO była już zastosowane w poprzedniej wersji WiFi5, ale tylko w kierunku do użytkownika i tylko na 4 równoległych połączeniach. Mamy zatem dwa razy więcej sygnałów równolegle w dół i zwielokrotnienie w górę.

Co dzięki temu osiągnięto? Po pierwsze zwiększenie pojemności, bo można wysyłać równolegle 8 razy więcej informacji do wielu odbiorników, po drugie szybkość, jeżeli wszystkich tych połączeń naraz użyje ograniczona ilość użytkowników, a po trzecie jakość połączenia o czym opowiem dalej.

OFDMA

Druga technika, to OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) czyli nowa wersja cyfrowego dostępu do pasma. Brzmi bardzo skomplikowanie i w rzeczywistości jest to bardzo zaawansowana technika cyfrowego kodowania sygnału radiowego. W praktyce oznacza, że w jednej sekundzie można dostarczać dane do kilku użytkowników jednocześnie, a nie jak to był w poprzedniej wersji OFDM w WiFi5 tylko do jednego odbiornika, a pozostałe 3 odbiorniki musiały czekać na swoje dane w kolejce.

Mamy zatem kolejną technikę, która wpływa na zwiększenie szybkości, bo dużo efektywniej wykorzystywane jest pasmo radiowe i to aż o 11%.

To nie wszystkie nowości jak wspomniałem, kolej na jakość i pojemność.

Jakość połączeń i pojemność sieci WiFi6, co na nie wpłynęło?

MU-MIMO po raz drugi

MU-MIMO, o którym wspomniałem w przypadku prędkości, ma też wpływ na jakość połączenia. Wielodrogowa transmisja zwiększa prawdopodobieństwo dotarcia sygnału do odbiornika z różnych stron, a odbiornik wyposażony w 8 anten może dodatkowo cyfrowo odtworzyć część słabszego sygnału radiowego i poprawić w ten sposób jakość. Jest po prostu większa szansa, że część z tych 8 sygnałów po drodze nie zostanie pochłonięta przez betonową ścianę, tylko dotrze bezpośrednio lub jako odbicia fal elektromagnetycznych przez okna, drzwi, ścianki z gipsu itp.

TWT

Pomyślano tez o zmianach, które pozwolą na zaoszczędzenia baterii urządzeń przenośnych typu smartfony, laptopy. TWT (czyli Target Wake Time) to nowa technika, która pozwoli telefonowi zaoszczędzić używanie baterii, wyłączając sygnał antenowy w momencie kiedy nasze urządzenie nie musi się komunikować. Taki stan osiągniemy kiedy np. czytamy artkuł w Internecie, nie pomoże to jednak w przypadku oglądania filmu, kiedy cały czas trzeba odbierać strumień danych. Tego typu techniki w świecie telefonów komórkowych działają od lat, dobrze zatem, że i twórcy standardu WiFi zdecydowali się na tak pozytywną zmianę.

To pokazuje, że nowe standardy biorą pod uwagę wygodę klienta (ładowanie prądem terminali) ale i też zaczynają one dbać o środowisko. Mniej zużytej energii w porównaniu z poprzednimi wersjami WiFi to zmiana na plus. Mi to się podoba.

BSS color

Jednym z największych mankamentów obecnie stosowanych standardów WiFi są interferencje, czyli zakłócanie się nawzajem rożnych urządzeń od pobliskich nadajników. Kiedy jedno urządzanie WiFi pracuje przykładowo na kanale 11, pozostałe urządzania nie mają o tym pojęcia i też potrafią użyć kanału 11. Takie sygnały radiowe zagłuszają się pogorszając lub uniemożliwiając połączenie z WiFi. Producenci zaczęli stosować algorytmy, które wykrywały takie kolizje i zmieniały kanały radiowe.

W nowej generacji, stworzono zatem specjalny protokół, który pozwoli urządzeniom WiFi6 zapobiec używaniu wspólnych kanałów. BSS Color (czyli Base Service Station Color) to nowa technika, która pozwala każdemu routerowi WiFi6 nadawać zakodowany na 6 bitach swój własny kolor. Dzięki temu inne routery WiFi6, w tym standardzie, będą mogły nadawać sygnał radiowych w swoim kolorze i unikać interferencji czyli zakłóceń pomiędzy urządzeniami. Korzystny wpływ tej techniki odczujemy gdy podobne urządzenia będą również używane przez naszych sąsiadów.

Bezpieczeństwo

Niebagatelna zmiana pojawia się również w obszarze bezpieczeństwa WiFi6 bo wprowadzono nowy standard dostępu czyli WPA3. Dzięki temu protokołowi bezpieczeństwa o wiele trudniej jest hackerom odgadnąć hasło dostępu do sieci WiFi. Poza tym nawet jak uda im się odkryć cześć parametrów, to będą one nieużyteczne bo standard zakłada zamianę wielu parametrów, tak aby było jak najmniej elementów powtarzalnych.

Dużą zmiana jest to, że ciała standaryzacyjne WiFi będą wymagały aby urządzenia WiFi6 zawsze wymuszały standard WPA3 jako podstawowy, zwiększając poziom bezpieczeństwa użytkowników na dzień dobry.

Jest to bardzo praktyczna zmiana, bo jak większość z Nas wie, właściciele sieci WiFi rzadko zmieniają hasło dostępu a w dodatku ustawiają bardzo krótkie i proste hasła. To zmiana konieczna dla Naszego bezpieczeństwa, ale szczególnie dla urządzeń IoT, które raz włączone i skonfigurowane potrafią nie być obsługiwane przez lata.

Czy uwierzycie, że Nowy standard WiFi również poprawia zasięg? To dzięki technikom już opisanym będzie możliwe.

Zasięg WiFi, czy naprawdę się poprawił?

Przepisy dotyczące nieregulowanego, czyli bezpłatnego dla nadawcy i odbiorcy pasma 2.4Ghz oraz 5Ghz zakładają, że mogą takie urządzenia pracować z mocą ograniczoną do 0.1W czyli 100mW. Twórcy technik radiowych od lat próbowali przy ograniczonej mocy radiowej zwiększyć zasięg działania, a są to parametry ze sobą powiązane. Im więcej mocy może wyemitować antena, tym większy jest zasięg.

Techniki WiFi6, które omówiłem poprzednio, a w zasadzie ich superpozycja wpływają też na poprawę zasięgu i są to omówione wcześniej MU-MIMO kodowanie 1024-QAM oraz zastosowanie szerszego pasma 160MHz.

Testy wykonane przez PC-LAB, pokazały, że dwa urządzenia WiFi6, stopniowo oddalane od siebie do innych pomieszczeń (zmieniała się odległość oraz ilość ścian pomiędzy routerami) przy coraz większej odległości były w stanie ze sobą komunikować się na początku przy użyciu standardów WiF1 do WiFi6 czyli wszystkich generacji. Jednak kiedy odległość i ilość ścian wzrastała, mogły się one komunikować już tylko za pomocą standardu WiFI5 oraz WiFi6, czyli najnowszych wersji. WiFi6 dawał jednak sporo większość prędkość komunikacji.

Uniwersalność, czyli zmiana filozofii planowania sieci WiFi6.

Skąd wziął się w ogóle pomysł na nową generacją WiFi, skoro WiFi5 dawało naprawdę imponujące osiągi, szybkości przewyższające niejednokrotnie szybkość łączy dostawców transmisji do domu?

Otóż okazało się w praktyce, że zaczyna wzrastać ilość urządzeń, które w Naszych domach wymagają transmisji WiFi. Telefony komórkowe, telewizory, laptopy, komputery a do tego doszły lodówki, termostaty na grzejnikach, kamery, czujniki ruchu, włączniki do zdalnego zarządzania smart home itd. Kiedy ostatnio zaglądałem do swojego router domowego WiFi ze zdziwieniem stwierdziłem, że ilość połączeń WiFi jest kilkukrotnie większa od ilości domowników, zatem argument jest konkretny.

Wyobraźmy sobie przykładowo użycie okularów VR (Virtual Reailty) do gry w jednym pomieszczeniu pomiędzy kilkoma graczami. Szybka transmisja do komputera od poszczególnych graczy pozwala na poprawienie reakcji na ruchy przeciwników. I wyobraźcie sobie, że to nie jest wymysł teoretyczny. Producenci urządzeń WiFi, Asus i TP-LINK zapowiedzieli na rok 2019 wypuszczenie na rynek routerów WiFi6 dedykowanych do gier w jednym pomieszczeniu. Są to gigant dla graczy, które oprócz potężnego procesora na pokładzie posiadają po 8 anten (to praktyczne zastosowanie techniki MU-MIMO, 4×4 w przypadku tych modeli) i dzięki użyciu trzech pasm po 160 Mhz (jedno 2,4 GHz oraz dwa 5Ghz) osiągnięto lokalnie prędkość 11 Gbit/s. Wracamy zatem do czasów bitewek w akademikach.

Na dodatek do podłączenia do sieci, w tych routerach użyto nowej generacji interfejsu transmisyjnego tzw. „link aggregation 802.3ad”, co oznacza 2,5 Gbit/s na jednym porcie. Żeby skomunikować te 11Gbit/s z Światem, trzeba zatem podłączyć urządzenie do routera, które ma 1 port 2,5Gbit/s oraz 8 portów po 1 Gbit/s. To już jest sieć a nie tylko prosty router WiFi. Takiej instalacji ja Wam do domu nie proponuję robić.

Systemy antenowe

Jeszcze jedne komentarz do konstrukcji systemów antenowych. Stosując zaawansowane systemy antenowe jak zrobił to Huawei w modelu APN7060DN instalując anteny z urządzeń skonstruowanych do sieci komórkowych 5G można zachować estetykę urządzenia, bo wszystkie anteny są schowane w pudełku. Dodatkowo jak twierdzi Huawei, zdołano obniżyć opóźnienie z 30ms do około 10ms, chętnie bym to przetestował.

WiF6 oraz 5G, czyli jak standardy komunikacji mobilnej 3GPP zamierzają przytulić pasmo nieregulowane WiFi

Przyglądając się bliżej nowym technikom WiFi6 zorientowałem się, że są one bardzo podobne do najnowszej generacji standardu sieci komórkowych 5G.

MIMO

Znajdujemy tu: MIMO w WiFi nazywane Multi User Mimo, a w 5G MASSIVE MIMO. Połączenie wielu pasm jednocześnie to pomysł rodem z LTE, tak zwany Carrier Aggregation, w standardzie 4G LTE PRO rozszerzony dodatkowo do standard Dual Carrier, który pozwala urządzeniom agregować razem (czyli wysyłać dane jednocześnie) z pasm LTE oraz WiFi. Używanie wielu pasm 4G, 5G i WiFi równocześnie pozwoli operatorom poszerzyć pojemność sieci i dodatkowo dać klientom większość prędkość działania Internetu. Mamy znów zatem wpływ na uniwersalność rozwiązania.

QAM

Kolejnymi technikami używanymi przez oba standardy są: modulacja 1024-QAM w WiFi6 a w 4G, 5G stosowany jest schemat 256-QAM, WiFi stosuje sposób dostępu OFDMA a 4G, 5G OFDM.

Beam forming

Ostatni element, który łączy te dwa standardy to tak zwany beam forming, technika, która pozwala formować wiązkę radiową w kierunku abonenta, bez konieczności wysyłania sygnału dookoła anteny. Dzięki temu ograniczone są zakłócenia, a także ograniczona jest moc, jakie potrzebuje urządzenie mobilne do komunikacji z nadajnikiem, ogranicza to też zużycie prądu z baterii.

Pasmo licencjonowane i nielicencjonowane

Jest oczywiście pewna różnica pomiędzy Wifi a sieciami komórkowymi, czyli wspomniana wcześniej moc nadajnika radiowego. Pasma 4G i 5G są pasmami licencjonowanymi i pozwalają na używanie systemu ze znacznie większą mocą nawet powyżej 100W oraz są użytkowo zarezerwowane tylko dla tego podmiotu, który za nie zapłaci. Takie pasmo daje Nam o wiele lepsze warunki do zachowania jakości i pojemności. WiFi natomiast, ograniczone jest do 0.1W a w dodatku jest to pasmo nielicencjonowane, więc mogą go używać wszystkie urządzenia: WiFi, myszki radiowe, drony, urządzenie IoT, itp.

Połączenie 4G, 5G i WiFi jest zatem sensowne tylko w bardzo małym zasięgu, kilkunastu metrów w pomieszczeniu. Jeżeli jednak połączymy WiFi z małym nadajnikiem 4G, 5G i zainstalujemy wiele urządzeń na piętrach w całym budynku, możemy zbudować niesamowitą, uniwersalna sieć o ogromnej szybkości, pojemności i jakości. O takiej koncepcji opowiem w następnym podcaście.

Czy ta zbieżność to przypadek? Raczej nie.

Przewodniczącymi pięciu grup standaryzacyjnych WiFi są inżynierowie z firm telekomunikacyjnych promujących sieci 5G. Poza tym jak wspomniałem, dzięki takiej standaryzacji można będzie jeszcze lepiej wykorzystać systemy komunikacji radiowej dla dobra klientów. Większa prędkość, więcej pojemności, wygoda z używania standardowych terminali w każdym miejscu.

Na koniec powiem parę słów o konkretnych urządzeniach.

Jakie urządzenia przenośne już dziś pozwalają na korzystanie z sieci WiFi6.

Jeżeli chodzi o routery WiFi6, to jest ich już naprawdę dużo bo prawie Wszyscy producenci chipsetów WiFi dostarczają lub będą je dostarczać najpóźniej na początku 2020 roku. Jeżeli macie dziś urządzenie jakiejś firmy i je lubicie jestem przekonany, że w ciągu pół roku będziecie mogli kupić nowszą wersję w standardzie WiFi6.

Czy ja polecam taką zmianę? Tylko w rozsądny sposób. Potraktowałbym to jako ewolucję, więc wymiana powinna nastąpić wtedy, gdy któryś z opisanych parametrów u Was kuleją i szukacie na to rozwiązania, najbardziej praktycznie widziałbym kwestię zasięgu. Jak na dziś, ja tej zmiany nie potrzebuję, a Wy?

……

Co do samych urządzeń, to można już kupić urządzenia do domu, do biura lub dedykowane dla graczy jak wspomniany modele Asus ROG Rapture GT-AX11000 lub TP-LINK Archer C5400X.

Jeżeli spojrzymy zaś na urządzenia końcowe, te które nosimy na co dzień w kieszeni, to jak na dziś wygląda to mizernie.

Tylko Samsung z modelami: Galaxy Note10, Galaxy Note10+ oraz Galaxy S10 (ten ostatni bez oficjalnego certyfikatu) są zgodne z WiFi6. Najnowszy iPhone 11 też stosuje WiFi6 z MIMO 2×2, a to zapewne dopiero początek.

Uff, dużo tych nowości technicznych. Pytanie tylko czy techniczne czy praktyczne? Po przeczytaniu będziecie sami w stanie to ocenić. Niemniej jednak, jest to ogromny postęp techniczny.