Komercialno so omrežja Wi-Fi zaživela leta 1999, ko je Apple predstavil napravo Airport za brezžični prenos med računalniki. Standard 802.11b je obljubljal hitrost prenosa podatkov 11 Mb/s. Pozneje je bil dokončan standard »g«, danes še vedno najbolj razširjen v domačih omrežjih, ki je obljubljal hitrost 54 Mb/s. Obe hitrosti sta se izkazali za teoretični, saj jima v praktični uporabi nismo mogli priti niti blizu. Ti se vrtita okoli 2 oziroma pri standardu »g« okoli 20 Mb/s. Radijski valovi, ki prenašajo podatke, imajo svoje zakonitosti, ki jih je treba pri prenosu podatkov upoštevati.
Omrežje Wi-Fi ni idealno in ima svoje pomanjkljivosti, zato je milo rečeno neumno, da ga zahteva vse več naprav. Tudi takšne, od katerih tega ne bi pričakovali. Pametne sijalke, ki jim spreminjamo barvo svetlobe, ali ventili s termostatom, ki jih namestimo na radiator, v upanju, da bomo prihranili energijo, s tem pa tudi denar. Na vprašanje, zakaj za vraga odločitev za Wi-Fi, ko so na voljo tudi druge brezžične tehnologije, morda celo primernejše za tovrstne naprave, dobimo vedno enak odgovor. Ker jih naši kupci lahko sami enostavno namestijo! Kupci pa ne vedo, da si s takšnimi napravami zagrenijo življenje. Veliko naprav v omrežju je enako nižjim hitrostim. Zakaj?
Polovična dvosmerna povezava
Trdili smo in še vedno trdimo, da so žične podatkovne povezave boljše in naj jih zato uporabimo za vse naprave, ki jih lahko prek kabla priključimo v omrežje. Večinoma delujejo dvosmerno, kar pomeni, da se v istem trenutku prek omrežja podatki prenašajo v obe smeri. Omrežje Wi-Fi je polovično dvosmerno (half duplex). Kot radijska komunikacija voki-toki. Kadar ena naprava pošilja podatke drugi (na primer prenosnik usmerjevalniku), ta posluša in prejema podatke. Šele ko prenosnik neha pošiljati podatke, mu jih lahko začne usmerjevalnik. Po prenosu vsakega paketa podatkov usmerjevalnik potrdi, da je pravilno sprejel podatke. Pošlje mu potrditev v obliki paketa »ACK«. Čeprav vsebuje malo podatkov v bitih, nekaj doda k »prenosni hitrosti«, še posebno če je v omrežju veliko naprav.
Obljubljeno hitrost v omrežju, pasovno širino, si delijo vse naprave v njem. 54 Mb/s ne pomeni, da bo tolikšna hitrost na voljo vsakemu paru naprav, ki komunicirajo, temveč je skupna vsem. Če jih je na primer deset, se vse v istem trenutku »pogovarjajo« z usmerjevalnikom in imajo enake zahteve po hitrosti prenosa, vsaka razumljivo povedano dobi desetino pasovne širine (in temu pripadajočo hitrost). Naprave, ki so sočasno v omrežju, vse v istem trenutku skoraj nikoli ne pošiljajo podatkov in vse tudi ne potrebujejo visokih hitrosti. A če je v omrežju 30 naprav ali celo več, je večja tudi verjetnost, da jih bo več obremenjevalo omrežje sočasno. Tudi obljuba o hitrost 300 Mb/s, ki jo oglašujejo v povezavi z napravami, ki podpirajo standard »n«, zbledi in postane nepomembna, če je v omrežju veliko naprav.
Popravljanje napak med prenosom
Med prenosom podatkov z radijskimi signali pride do napak med prenosom, podatki niso sprejeti pravilno, zato imajo brezžični standardi načine odpravljanja napak. Predstavljamo si jih lahko s pomočjo diskovnih polj RAID, kjer je več diskov, in če eden odpove, sistem iz drugih obnovi shranjene podatke, saj je del prostora na disku rezerviran za to. Zato pa uporabniku ni na voljo ves prostor. Vzemimo primer polja RAID 5 s štirimi diski kapacitete 2 GB. Uporabniku je dejansko na voljo šest, in ne osem gigabajtov. En disk odpove in vse datoteke so ohranjene, saj je na vsakem disku rezerviran prostor za (na vseh ga je skupaj za 2 GB), recimo jim »rezervne« podatke oziroma paritetne bite, s pomočjo katerih sistem izračuna vse bite, zapisane na okvarjenem disku.
Podobno deluje tudi v omrežje Wi-Fi vključen mehanizem FEC (Forward Error Correction). Omrežje ne prenaša le podatkov, ki jih pošiljamo, temveč tem doda še paritetne bite, da v primeru slabega prenosa prejemna naprava po potrebi popravi napake, do katerih je med prenosom prišlo. Koliko je teh dodatnih bitov, je odvisno od kakovosti radijskega prenosa. V primeru »kakovostne« radijske povezave, kjer med prenosom ne nastane veliko napak, je razmerje med »koristnim tovorom« in »rezervnimi podatki« lahko 5/6. 83 odstotkov vseh prenesenih podatkov so podatki, ki jih je naprava želela poslati, 16 pa paritetnih. V slabših radijskih razmerah, v okolju, kjer je veliko radijskih motenj, pa se razmerje poveča v korist paritetnim bitom na 3/4, 2/3 ali 1/2. Zadnje razmerje pomeni, da je koristnih podatkov le polovica vseh, ki so bili preneseni. Ali če to izrazimo v hitrosti prenosa: ta je 2 Mb/s, a dejansko 1 Mb/s.
Širina kanalov
Zdaj pa poglejmo še standard »n«. Ne prinaša najvišjih hitrosti prenosa podatkov, te bo zagotovil standard »ac«, vendar je naprav, ki ga podpirajo, še malo. Brezžični usmerjevalniki lahko delujejo v frekvenčnem spektru 2,4 ali 5 GHz. Bolje je, če imamo naprave, ki so sposobne delovati v spektru 5 GHz, ker je v njem manj motenj in posledično lahko brezžični prenos dosega višje hitrosti. Ker pa imamo doma kup naprav, ki ne znajo oddajati v tem spektru, je vprašanje, koliko koristi bomo od njega imeli.
Frekvenčni spekter 2,4 GHz pomeni, da so radijski signali frekvence med 2412 in 2472 MHz. Območje je razdeljeno na 13 kanalov, vsak se razprostira na širini 22 MHz, vendar je med njimi le 5-megaherčna razlika. Frekvenčno območje je preozko, da bi vsak kanal zasedal le njemu določene frekvence, zato med kanali prihaja do prekrivanja. In motenj radijskih signalov. Več je motenj, interferenc med kanali, nižje so dosegljive hitrosti prenosa podatkov. Pri taki razdelitvi frekvenčnega območja med kanali so le trije, kjer motenj ni. Kanali 1, 6 in 11. So se pa izdelovalci dogovorili, da svoje naprave oblikujejo tako, da te uporabljajo kanal, širok 20 MHz.
Izdelovalci naprav lahko dosežejo višje hitrosti, če uporabijo kanal, širok 40 MHz, ki ga standard dovoljuje. Težave motenj pa so v tem primeru še večje. Če v okolici brezžičnega omrežja ni drugih omrežij, potem je vseeno, kateri kanal omrežje uporablja in kako širok je. Kadar pa je omrežij veliko, se moramo dogovoriti, katero deluje na katerem kanalu, da je motenj med njimi čim manj in da vsa uporabljajo »ožje« kanale.
Več bitov naenkrat
Z izrabo faznega zamika, v katerem je lahko signal, ta hkrati namesto enega prenese več bitov. 64 QAM modulacija signala (standard »n«) predvideva 64 faznih zamikov signala oziroma signal sočasno prenese 6 bitov podatkov (standard »ac« celo osem – 256 QAM). Če razmere niso dobre, naprave uporabijo bolj robustno modulacijo in sočasno prenesejo manj »bitov«, spet na račun prenosnih hitrosti.
Za hitrost prenosa podatkov je pomemben podatek, kolikšen je časovni interval med vsakim poslanim simbolom (ne paketkom podatkov). Tako imenovani guard inteval preprečuje interference (motnje) znotraj signala. Normalno je ta čas 800 ns. Lahko je tudi krajši, 400 ns. V tem primeru je hitrost prenosa lahko za nekaj odstotkov višja, a so motnje večje, s tem pa tudi verjetnost »okvare« podatkov med prenosom.
Druge omejitve hitrosti
Hitrosti prenosa podatkov v brezžičnem omrežju ne omejujejo le zakonitosti elektromagnetnega valovanja, temveč tudi protokoli, ki jih za pošiljanje podatkov izrabljajo naprave. Poznamo dva osnovna protokola za prenos podatkov. Najbolj razširjen je protokol TCP/IP. Protokol ima mehanizme, s katerimi preverja in doseže, da je vsak bit sprejet natančno tak, kot je bil poslan. Hitrejši protokol UDP pa je v uporabi takrat, kadar je hitrost prenosa pomembnejša od točnosti. Uporabljamo ga pri internetni telefoniji ali pretočni glasbi. Če je nekaj bitov v nizu »govora« ali »glasbe« sprejetih napačno, tega ne slišimo oziroma nas ne moti tako, kot če bi bila komunikacija prepočasna in bi med poslušanjem slišali prekinitve.
TCP/IP teži k temu, da pošilja podatke z najvišjo hitrostjo, ki jo omogoča prenosni medij. V primeru brezžičnih omrežij tolikšno, kot jo zagotavlja standard, v katerem so naprave. Kadar se med prenosom izgubijo paketi podatkov, protokol to zazna in jih pošlje ponovno, dokler prejemnik ne potrdi, da jih je sprejel. Ponavljanje pošiljanja že poslanih paketkov že tako ali tako zniža efektivno hitrost prenosa, tudi če protokol zaradi zaznanih problemov v omrežju ne zniža prenosne hitrosti. Prenos podatkov prek brezžičnega omrežja po protokolu TCP/IP je zato počasnejši kot v primeru uporabe protokola UDP.
Kaj lahko pričakujemo
Dajmo vse, kar smo povedali, na kup in poskušajmo razumeti, kakšne hitrosti lahko pričakujemo v brezžičnem omrežju. Pri tem pomaga razpredelnica MSC (Modulation and Coding Scheme). Razpredelnica vsebuje možne »povezave« standarda »n«, te pa vrednosti z indeksom od 0 do 31. Višji je indeks, višje so hitrosti prenosa. Upoštevati pa je treba tudi, da se komunikacija dveh naprav med prenosom podatkov prilagaja stanju v omrežju in ni stalna.
Vzemimo primer komunikacije med prenosnikom in usmerjevalnikom s kakovostnim indeksom 15. Razmerje med koristnim tovorom in paritetnimi (rezervnimi) biti je postavljeno na 5/6 za nominalno prenosno hitrost 130 Mb/s. Komunikacija poteka prek dveh anten, kanalih širine 20 MHz, in standardnim časom med »simboli« 800 ns. Če se stanje v omrežju poslabša, se lahko kontrolerja brezžičnega vmesnika dogovorita, da znižata indeks povezave na 14 (razmerje 4/3) ali celo na 13. Razmerje pri zadnjem je 2/3, nominalna hitrost pa pade na 104 Mb/s.
Pa smo tam. Trdimo namreč, da glede na tehnične podatke usmerjevalnika in naprav ter teste njihovih zmogljivosti, ki jih najdemo na spletu, v nobenem primeru ne bomo mogli niti približno oceniti, kolikšne hitrosti bomo dosegli v svojem omrežju. Laboratorijski testi so zgodba zase, pa ni pomembno, ali jih naredi izdelovalec ali neodvisna ustanova. Meritve izvajajo v nadzorovanem okolju, kjer največkrat ni radijskih motenj ali je teh manj, in na krajših razdaljah. Edini način izvedeti, kako bo omrežje delovalo, je postaviti naprave na njihova mesta, izmeriti hitrosti in morebiti prilagoditi omrežje, da bo motenj čim manj. Za to pa moramo poznati, kako omrežje Wi-Fi deluje in kateri so vzroki za nižje hitrosti. Šele ko vzroke poznamo, jih bomo morda znali tudi odpraviti. Hitrosti, ki jih bomo v resnici dosegli v svojem omrežju, pa se bodo najverjetneje vrtele okoli polovice tistih, ki jih obljubljajo izdelovalci naprav.
Praktične omejitve pa ne prepričujejo izdelovalcev naprav, da ne reklamirajo »visokih« prenosnih hitrosti. Čeprav jih v praksi ne bomo dosegli oziroma velja zanje podobno kot za porabo avtomobilov. Oglaševanih v praksi niti v najbolj idealnih razmerah ne bomo dosegli.
Moj mikro, november – december 2014 | Jan Kosmač
