Grunderna för WiFi del 1: Frekvenser och kanaler
- Kategori: Nätverk
1947 utsåg Internationella telekommunikationsunionen (ITU), en FN-byrå, vissa band av RF-spektrumet till ISM. Tanken var att ha en internationell standard för frekvenser som var reserverade för industriell, vetenskaplig och medicinsk utrustning. Ironiskt nog var telekommunikation inte det ursprungliga syftet.
Innan vi diskuterar några detaljer vill jag bara notera att den här artikeln huvudsakligen kommer att baseras på den amerikanska lagstiftningen. Olika regleringsdomäner har specifika krav för överförda frekvenser och effektinställningar.
Även om det finns tolv ISM-band kommer vi för närvarande koncentrera oss på bara två av dem. De flesta hänvisar till dem som 2,4 GHz och 5 GHz band.
Låt oss börja med ISM-bandet 2.4GHz (2.400GHz-2.500GHz). Denna lilla, trånga uppsättning frekvenser är den överlägset mest använda trots att majoriteten av bärbara datorer, smartphones och surfplattor är utrustade med dubbla radioapparater under de senaste åren.
Anledningen till detta är fysik. Den allmänna tumregeln är att ju lägre frekvensen är, desto längre utbredning och desto bättre penetration. Här är två verkliga exempel:
- Du sitter i bilen vid ett stoppljus. Någon drar upp bredvid dig med sin radio blaring högt. Om du inte gillar deras smak i musik kan du rulla upp ditt fönster. En del av det ljudet reduceras, men du kommer antagligen fortfarande att höra den basen (lågfrekvens) mycket bra.
- Ett annat exempel är ett mycket specialiserat radiosystem som används av militären för att kommunicera med nedsänkta ubåtar. Det kallas ELF (extremt låg frekvens) och har en våglängd så lång att den erforderliga antennen kan vara mil lång.
Okej, så nu vet vi att lägre frekvenser erbjuder ett större täckningsområde och bättre signalpenetrering genom hinder. Om 2,4 GHz-bandet är så bra, behöver vi verkligen 5GHz? Svaret är ja.
2,4 GHz-begränsningar
Endast 3 kanaler som inte överlappar varandra. 2.4 GHz-bandet är indelat i 14 kanaler, de flesta är 5MHz från varandra. Det 5MHz avståndet var inget problem under de tidiga dagarna för trådlös användning. Tekniken vid den tiden var begränsad till cirka 1 Mbps genomströmning. Sedan i slutet av 1990-talet blev 802.11b med sin spektrumsteknologi standarden.
Fördelen är att den kan uppnå 11 Mbps genomströmning. Nackdelen var att den använde 22MHz av spektrumet. Så om du till exempel använder kanal 6 är kanalerna 4,5,7 och 8 åtminstone obrukbara. Denna begränsning gäller fortfarande idag, oavsett om du använder äldre 802.11g eller den nyaste 802.11n (2.4GHz) WiFi-utrustningen. Detta är en av de viktigaste begränsningarna.
Det är överfullt. Detta går hand i hand med den tidigare begränsningen. Även om standarderna 802.11a (5GHz) och 802.11b (2.4GHz) släpptes, på grund av kostnadsskillnader, så var det bara 802.11b som användes vid den tiden. Resultatet är att även i dag använder majoriteten av WiFi-trafiken 2,4 GHz-bandet.
Stå på ett centralt gatahörn i alla anständiga storstäder och kör WiFi-skanningsprogram. Med all sannolikhet kommer du att se minst 20 signaler; Jag har sett över 40 i centrala Washington DC. Kom ihåg att alla dessa signaler fungerar på bara tre kanaler.
Det är ett ISM-band och per definition öppet för andra typer av enheter. Det finns många icke-WiFi-enheter som kan orsaka störningar: mikrovågsugnar, trådlösa telefoner, Bluetooth-enheter, babymonitorer, videokameror, dörröppnare i garaget, etc.
Dessa saker kan allvarligt störa ditt nätverk och är extremt svåra att upptäcka utan specialiserad spektrumanalysator hårdvara och programvara.
Därefter kommer vi att prata om 5GHz-bandet
Förutom standard ISM-bandet (5.725-7.825GHz) har FCC lagt till spektrum från UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) -band för att stimulera användningen av trådlös teknik. Observera också att de olika tillsynsmyndigheterna arbetar genom processen att lägga till 195 MHz spektrum tillgängligt i 5GHz-området.
5GHz-begränsningar
Som vi diskuterade tidigare, sprider de högre frekvenserna inte så långt och de tränger inte heller in i hinder. Låt oss jämföra med 2,4 GHz-bandet i verklig användning.
- I friluft kommer 5GHz-signaler att täcka ungefär 1/3 till ½ avståndet.
- Användbar signalkvalitet försämras kraftigt efter stansning genom 1 innervägg, i motsats till cirka 3 väggar för 2,4 GHz-signaler.
Detta leder till en annan mindre uppenbar nackdel, kostnad. Prislappen för att distribuera ett 5GHz (tja, dubbelt band) WiFi-nätverk i alla storlekar är minst 2,5 gånger kostnaden för ett motsvarande 2,4 endast nätverk. Du behöver mycket fler åtkomstpunkter, vanligtvis 2,5 till 3 gånger. Lägg i kablar, licensiering, underhåll etc.
Vissa kanaler är delade. Specifika kanaler betecknas som DFS, Dynamic Frequency Selection. Dessa kanaler, belägna i UNII-2 och -2-extended band delar spektrumet med vissa radarsystem, mestadels i Europa.
På grund av detta måste WiFi-systemet vara utformat för att söka efter radarpulser innan de kanalerna används. Naturligtvis om radarpulser upptäcks inaktiverar det omedelbart de berörda kanalerna.
Fördelar med 5 GHz
Som du tydligt kan se i diagrammet ovan finns det mycket mer än 3 kanaler. Lägg också märke till kanalavståndet - minst 20MHz. Detta innebär att inga kanaler överlappar varandra; alla kan användas samtidigt.
Mycket mindre trångt. Till skillnad från 2,4 GHz-enheter har 5GHz-enheter bara distribuerats utbrett inom de senaste fem eller sex åren. Det finns också det faktum att det tar tid att uppgradera en infrastruktur. Det finns fortfarande ett betydande antal företag som bara driver 2,4 nätverk.
Mycket få störningskällor. Förutom ovannämnda radar på vissa frekvenser är chansen för icke-WiFi-störningar extremt låga.
Högre kapacitet. Teoretiskt kan båda ha 600 Mbps. I praktiken är det emellertid inte fallet eftersom mycket av den förbättrade förmågan beror på kanalbindning. Detta är ett valfritt läge där enheten använder flera angränsande kanaler samtidigt. Kommer du ihåg tidigare hur vi diskuterade det faktum att det bara finns 3 icke-överlappande kanaler tillgängliga i 2.4-bandet?
Den här tekniken skulle använda 2 av dessa 3. Så, inte bara skulle du verkligen irritera dina grannar, alla samkanaler och angränsande kanalstörningar skulle förmodligen göra att ditt nätverk fungerar mycket sämre. För att sammanfatta, aktivera INTE kanalbindning i 2.4-bandet.
Det finns några nyare standarder som använder sig av andra frekvensområden. Vi kommer att diskutera dem i en kommande artikel.
För en pdf med FCC: s officiella spektrumskarta: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.PDF
Jag hoppas att du gillade den här artikeln. Jag tror att min nästa kommer att vara en diskussion om de olika standarderna.
Om du har ett ämnesförslag som rör WiFi eller allmän nätverk, meddela mig i kommentarerna.