Wifi-primer
För att ge sig på mer avancerade inställningar som att manuellt välja Wifi-kanal och kanalbredd är det bra att ha lite bakgrund kring hur ett trådlöst nätverk fungerar. Det finns vare sig utrymme eller någon större poäng med att beskriva Wifi på fullständig detaljnivå, utan istället kommer några specifika punkter belysas på ett rejält förenklat sätt. Förhoppningsvis ger detta ändå en förståelse för de stora penseldragen i tekniken och därmed också insikt i vad de avancerade inställningarna faktiskt gör.
Namngivning
Tidigare användes de tekniska namnen 802.11n, 802.11ac och 802.11ax för de tre senaste standardversionerna. Dessa fick i samband med lanseringen av 802.11ax de mer konsumentvänliga namnen Wifi 4, Wifi 5 och Wifi 6.
Symbol
I Fast and the Furius sa Dom Toreto: "I live my life a quarter mile at a time." Parallellen för trådlösa nätverk måste då bli att de lever sitt liv en symbol i taget.
En ”symbol” är byggstenen för hur data kodas. Tiden att leverera en symbol är 3,2 mikrosekunder plus något som kallas ”guard interval”, GI. Guard interval används för att markera gränsen mellan två symboler. Initialt var denna tid 800 nanosekunder, men idag sätts denna tid normalt till 400 nanosekunder. Det vill säga, den totala tiden för att skicka en symbol är 3,6 mikrosekunder.
QAM
Hur är då ettor och nollorna översatta till radiovågor? För att skicka data via radiovågor har man i botten en grundfrekvens och här kommer 2,4 GHz och 5 GHz in i bilden. Grundfrekvensen bestäms av vilket frekvensband samt vilken kanal inom frekvensbandet som används. Detta är analogt med att man kan välja TV- eller radio-kanal.
För att skicka information finns några olika sätt. FM-radio skickar information genom att bärfrekvensen varieras, men denna variation är rätt liten jämfört med magnituden på bärfrekvensen. Två andra sätt är att variera amplituden på bärvågen och detta används av exempelvis AM-radio, eller så kan bärvågen fasförskjutas. Rent fysiskt använder sig Wifi av just amplitud- och fasmodulering.
Logiskt sett använder sig dock 802.11-standarden av två separata bärvågor, där enbart amplitudmodulering används. De två bärvågorna är fasförskjutna 90°, något som kallas att de är i kvadratur. QAM står för Quadrature Amplitude Modulation. Summan av två periodiska funktioner med samma frekvens som är i kvadratur blir en ny funktion med samma frekvens. Amplituden och fasförskjutningen beror där av amplituden av de två adderade funktionerna.
Låt oss nu kalla amplituden på de två ursprungliga funktionerna för Q och I. Den bärvåg som skickas ut från sändande Wifi-klient har en amplitud som beror av Q och I samt en fasförskjutning som också beror av Q och I. Detta matematiska beroende är reversibelt, vilket möjliggör att Wifi-mottagaren kan få fram värdet på Q och I. Här ligger hemligheten i hur bitarna skickas, Q och I antar vissa specifika värden och dessa värden matchar ett specifikt bitmönster. Det som bestämmer en trådlös länks kapacitet är antalet diskreta värden Q och I kan anta.
QAM-16. Med totalt 16 nivåer kan varje symbol bära fyra bitar. De två vektorerna representerar två separata symboler.
Är signalkvalitén riktigt bra kan man med Wifi 5 (802.11ac) gå upp till QAM-256, det vill säga 8 bitar per symbol. Wifi 6 (802.11ax) packar in ännu fler bitar per symbol, hela 10 stycken med QAM-1024.
Tittar man på en Q/I-graf inses att eftersom maximala amplitudnivån inte kan ökas, ökar risken för att mottagaren inte riktigt räknar fram rätt värden på Q och I vilket ger fel data. Om man faktiskt ökade amplituden skulle effekten öka, något som måste undvikas då det finns gränsvärden som inte får överskridas.
QAM-16, fyra bitar per symbol får plats här.
QAM-64 – samma maxvärden på Q och I, så mindre marginaler. Antal bitar per symbol är nu sex stycken.
QAM-256 – har bär varje symbol hela åtta bitar, men det blir rejält tätt och därmed känsligt för störningar.
Trådlösa nät varierar alltså QAM-nivån dynamiskt beroende på signalkvalitet. Detta görs separat för uppström och nedström.
Kanalbredd
Om någon kommit så här långt i texten och kanske till och med räknat hur mycket data som kan skickas per sekund med QAM-1024 noterar denne att mängden data som kan skickas är löjligt lite.
Här kommer benämningen ”bandbredd” in i bilden. Under varje symbolperiod skickas inte bara en enda symbol, i stället används något som kallas ODFM, Orthogonal Frequency-division Multiplexing, för att skicka massor med symboler parallellt. Utan att gå in på vad som definierar ortogonala funktioner kan i det alla fall nämnas att denna egenskap gör att massor med bärvågor kan packas väldigt tätt utan att de påverkar varandra (att det är ortogonala över en symboltid är det som gör att de inte påverkar varandra).
ODFM används i Wifi 4/5. Wifi 6 kör en förbättrad variant OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access. Nyheten är "M"-tillägget och rent konkret betyder detta att flera Wifi-klienter kan skicka eller ta emot data från samma symbolperiod. Detta är en väldigt fördel i nät med många anslutna klienter som sporadiskt använder nätverket, ett rätt typiskt användarmönster för till exempel mobiler och datorer vid surf, e-post och även spel, eftersom spel är mer latenskritiska men typiskt inte skickar supermycket data.
Hur många parallella symboler som skickas inom en specifik symbolperiod bestäms av kanalbredden. Grundbredden är 20 MHz, kan också vara 40, 80 och vissa fall 160 MHz. Enheter som stödjer Wifi 5 måste stödja upp till 80 MHz kanalbredd och får stödja 160 MHz. Wifi 6-certifierade enheter måste stödja upp till 160 MHz kanalbredd.
För Wifi 5 finns totalt 64 underkanaler vid 20 MHz och det ökar linjärt med bandbredd, så 256 underkanaler vid 80 MHz. De flesta underkanaler bär data, men vissa har andra funktioner. Antal underkanaler som bär data är 52, 108 samt 234 för 20 MHz, 40 MHz respektive 80 MHz.
Förutom ökningen från QAM-256 till QAM-1024, 8 till 10 bitar per symbol, har också Wifi 6 fler databärande underkanaler. Vid 20 MHz är det hela 234 underkanaler som bär data, vilket nog låter för bra föra att vara sant. Hemligheten här är att symbolperioden har ökats från 3,2 till 12,8 millisekunder, det vill säga att Wifi 6 skickar färre symboler per tidsperiod, men varje symbol innehåller betydligt mer data. Tydligen ska denna omfördelning göra att Wifi 6 i normalfallet är mer stabilt.
Länkkapacitet
Utrustade med denna information kan vi nästan räkna ut länkkapacitet. Sista delen är att trådlösa nätverk skickar en viss mängd redundant information, något som gör det möjligt att upptäcka samt rätta enstaka bitfel. Hur mycket redundant information som skickas bestäms precis som QAM-nivå dynamiskt beroende på signalkvalité.
Tar vi då Wifi 5 med QAM-256 samt lägsta nivån av redundans som är 5/6 (det vill säga 1/6 av informationen är redundant) med 80 MHz bandbredd, något som ger totalt 234 datakanaler, blir kapaciteten som följer:
Med samma kanalbredd ökar Wifi 6 kapaciteten till hela 600 Mbps (39-procentig ökning) tack vare QAM-1024 (25 procent fler bitar per symbol) och omfördelning i antal databärande kanaler ihop med längre symbolperiod (10 procent fler databärande symboler per tidsenhet).
SU-MIMO
Med SU-MIMO, Single User Multiple Input Multiple Output, ökar kapacitet linjärt med antalet rumskanaler. Maximal kapacitet för exemplet ovan med 2×2 MIMO blir 2 * 433 = 867 Mbps.
En "kanal" i MIMO-fallet fungerar helt annorlunda jämfört med olika radiokanaler med olika bärfrekvens. I MIMO skickas flera signaler över samma bärfrekvens där sändaren skickar en signal per antenn och mottagaren tar emot varje signal alla sina antenner.
Den fysiska egenskap som utnyttjas för MIMO är att då avståndet mellan antennerna är olika varierar tiden det tar för signalerna att nå mottagarantennerna. Givet hastigheten dessa vågor breder ut sig med blir det nog uppenbart att det handlar om väldigt små tidsdifferenser.
För 2×2 MIMO når signalen skickad från antenn #1 mottagarens antenn #1 och #2 med en viss fördröjning (som skiljer sig något mellan de två mottagarantennerna). Signalen skickad från antenn #2 har en lite annan fördröjning. Med detta och en hel del avancerad signalbehandling kan mottagaren återskapa de två ursprungliga signalerna.
Illustration av 3×3 MIMO, där olika färger symboliserar separat data.
Det är kanske inte supersvårt att föreställa sig att risken för att data ska misstolkas ökar med ökande antal MIMO-kanaler. Detta betyder också att små avstånd mellan antennerna betyder mindre skillnader och därmed större risk för fel.
2×2 MIMO ger i praktiken riktigt bra utdelning, men det är en avtagande effekt med fler rumskanaler. Används 3×3 eller till och med 4×4 MIMO blir det än viktigare med korta avstånd och minimalt med hinder.
MU-MIMO
I det som kallas Wifi 5 "andra vågen" blev MU-MIMO ett krav, där akronymen står för Multi User Multiple Input Multiple Output. I grunden är det exakt samma teknik, skillnaden mellan SU-MIMO och MU-MIMO ligger i att den senare gör det möjligt för flera klienter att kommunicera över varsin antenn på accesspunkten.
MU-MIMO är ett krav i Wifi 6, så en väldigt genomgående tema i Wifi 6 är teknik som gör det möjligt att hantera fler klienter per nätverk. Det är just något Wifi 6 är väsentligt bättre på än tidigare Wifi-standarder. När flygtrafiken väl kommer igång igen lär de fria trådlösa nätverken på stora flygplatser faktiskt gå att använda!
