Úvodní devadesátiminutovou přednášku na CSNOG 2025 přednesl Tomáš Kirňák ze společnosti NetCore, který se věnoval často opomíjenému tématu rádiového přenosu počítačových dat. Komunitní setkání CSNOG organizují společně sdružení CESNET, CZ.NIC a NIX.CZ.
O fyzické vrstvě Wi-Fi se málo hovoří, většinou to prostě funguje a není potřeba se starat o detaily. Málokdo v tomto směru jde opravdu do hloubky.
Bezdrátová komunikace je přenos informací mezi dvěma či více body, které nejsou propojené elektrickým vodičem. Data pak přenášíme pomocí elektromagnetických vln – dnes je nejpoužívanější rádio, ale existují i jiné možnosti.
Elektromagnetické pole
Elektromagnetická vlna je kombinací elektrického a magnetického pole. Částicí tohoto přenosu je foton.
Tyto vlny předpověděl už James Clerk Maxwell v roce 1865 a v roce 1887 je poprvé generoval a detekoval Heinrich Hertz. Základní fyzika za tím je tedy sto padesát let stará.
Wi-Fi je vlastně kvantová elektrodynamika v praktickém nasazení. Je to jediná plně pochopená část teorie kvantových polí.
Každá vlna má tři základní vlastnosti: frekvenci, polarizaci a amplitudu. Elektromagnetické spektrum je rozdělené na několik části: optickou, infračervenou, rádiovou a další. V rádiovém spektru je pak část nazvaná mikrovlnná, tu právě používáme na Wi-Fi.
V celém spektru pak vyzařuje každá hvězda, včetně našeho Slunce. Rádiové vlny jsou vlastně světlo, jen na jiné frekvenci než světlo viditelné.
Jde o neionizující radiaci, tedy nemá žádné nežádoucí účinky na buňky a je bezpečná.
Elektromagnetické záření cestuje přes médium, kterým je v tomto případě časoprostor. Mechanické vlny zase po úderu do stolu putují médiem, kterým je dřevo.
Všechna komunikace přes rádio se děje na jednom společném a sdíleném médiu. Jakékoliv vlny na stejné frekvenci a se stejnou polarizací se budou ovlivňovat a kombinovat se.
Výsledek závisí na jejich fázovém posuvu, může jít o konstruktivní ovlivnění či destruktivní. Při konstruktivním se signál sčítá, při destruktivním se odečítá.
Interference signálů
Destruktivní interference nás pak zajímá při natočení antény, protože jejím pootočením dochází k vzájemnému posunu vln a ty se pak mohou odečíst. Čím větší anténa a vyšší frekvence, tím přesněji musejí být antény natočeny.
Ve skutečném světě se pak kombinují různé vlny s různými vlastnostmi a výsledkem je poškození signálu cestujícího médiem.
Další ovlivňování dochází například kvůli jiným elektromagnetickým zdrojům, včetně našeho Slunce a dalších hvězd. Celý vesmír září, takže vždy existuje nějaká základní hladina rušení.
Další rušení pak může být způsobeno například překryvem kanálů. Není možné se rušení vyhnout, snažíme se jej jen minimalizovat.
Většinu rušení si navíc způsobujeme sami, například špatným výběrem kanálů.
Některé zdroje rušení nejsou běžné, ale je dobré o nich vědět. Například voda má harmonickou rezonanci okolo 2,4 GHz, čehož využíváme v mikrovlnných troubách. Tam se ale vysílá výkonem až v kilowattech, zatímco ve Wi-Fi se pohybujeme v jednotkách wattů. Nedokážeme tím sice ohřát vodu, ale ta nám signál dokáže pohlcovat a způsobit destruktivní interferenci.
To způsobuje ztrátu signálu nad tělesy vody, například při snaze přenášet data na ostrov uprostřed přehrady. Proto je užitečné rozumět základům fyziky používaných ve Wi-Fi.
Řešením je v tomto případě vysílat na jiném pásmu než na 2,4 GHz.
Různé materiály mají různé absorpční spektrum, například u kyslíku je rezonanční frekvence přesně 60 GHz. Útlum je tu 10 dB na každý kilometr, takže se to nedá používat.
Tyhle detaily je potřeba znát, abychom mohli Wi-Fi používat efektivně a bez chyb.
Polarizace
Každá vlna má svou polarizaci, což je vlastně směr dané vlny. Důležité je, že vlny s různými polarizacemi spolu neinterferují.
Když totiž anténa není ve fázi s magnetickou složkou vlny, nedokážeme signál přijímat. Tohle už experimentálně potvrdil Heinrich Herz. Zapsal si do svého deníku, že tyto vlny nebudou mít pravděpodobně žádné praktické využití.
Dvě různě polarizované vlny mohou přenášet dva různé proudy dat, obvykle se tomu říká „multiple spatial stream“. Tohle skutečná Wi-Fi zařízení používají ke zvýšení propustnosti linky a využívají toho, že tyto signály spolu neinterferují.
Je však potřeba k tomu mít dvě antény: jednu horizontální a jednu vertikální.
Komunikační kanál
Kanál je frekvenční rozsah, který používáme ke komunikaci. Vlna je analogový signál, ale ve světě počítačů používáme binární data. Musíme je tedy nějak zakódovat do analogové vlny.
To je možné dělat mnoha způsoby, například amplitudovým kódováním, on/off kódováním nebo kódováním na základě frekvenční změny. Takové jednoduché přístupy mají ale mnoho problémů: amplitudová modulace je snadno zarušitelná, kódování on/off vyžaduje velmi přesné časování, frekvenční kódování zase potřebuje velmi dobrou kontrolu nad spektrem.
Existují ale lepší řešení, například BPSK (Byte Phase Shift Keying). Časování tu zajišťuje samotná vlna, přenos dat je realizován změnou fáze. Tohle se používalo v prvních verzích Wi-Fi a bylo možné tím dosáhnout ohromné rychlosti až jednoho megabitu.
Podobná metoda se používá pro ukládání dat na mechanických pevných discích.
Kódovací schémata se postupně vyvíjela a vznikl například OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kdy se kanál rozdělí na sub kanály a v každém z nich se používá nezávislá modulace BPSK. Tím dokážeme přenést více dat a to je také způsob, který se používal ve standardu 802.11b.
Zvýšení propustnosti
Máme jen jednu vlnu a jedno sdílené prostředí, takže musíme vymýšlet takové triky, kterými můžeme zvýšit propustnost a přenášet více dat. K rozdělení komplikované vlny na jednotlivé komponenty se používá FFT, neboli rychlá Fourierova transformace. Lepší kódování nám pak umožňuje přenést najednou více bitů a tím zvýšit rychlost linky.
Moderní metody pak používají kombinaci celé řady různých triků.
Nejmodernějším schématem pro kódování dat je takzvaný QAM (Quadrature Amplitude Modulation), kdy jsme například schopni u modulace 4 QAM vyčíst z jedné vlny v danou chvíli jeden ze čtyř stavů, tedy dva bity. Moderní schémata pak dokáží používat ještě větší množství symbolů.
Přijímač pak pomocí korelace dokáže i v částečně poškozeném signálu přidělit symbolu konkrétní význam.
S vývojem technologie a hardware bylo možné používat ještě pokročilejší kódování, například 64 QAM používaný v 802.11n. Tady už se používá 64 samostatných symbolů, což už je velmi těžké si vůbec představit.
Interference pak způsobuje rozostření signálu a tím může dojít k poškození sekvence bitů, které je potřeba poslat znovu. Tím nám klesá přenosová rychlost.
Kvalita signálu
S komplikovanějším kódováním potřebujeme lepší signál, aby nedocházelo k chybné detekci symbolů. Pro vyšší rychlost potřebujeme silnější signál a méně interferencí.
S lepším kódováním proto můžeme paradoxně získat nižší skutečnou rychlost, protože dochází častěji k chybám a je třeba komunikaci často opakovat. Ve Wi-Fi se běžně vynutí jednodušší kódování, abychom dosáhli reálné vyšší rychlosti.
Aby spolu neinterferovaly různé signály, používá se takzvaný guard interval (GI), která signál chrání před zkreslením odrazy, echem a dalšími problémy. Tohle je možné také nastavit, protože nižší ochranný interval sice zvyšuje rychlost, ale zase snižuje odolnost signálu.
U horšího signálu můžeme opět snížit přenosovou rychlost výměnou za spolehlivost a nakonec tím i získat vyšší reálnou rychlost.
Vývoj standardů Wi-Fi
První standard 802.11b dokázal přenést 11 Mbps na 2,4 GHz. Následoval 802.11g, který zvýšil rychlost na 54 Mbps. Poté přišel 802.11n, který už fungoval i na 5 GHz a obvykle dokázal přenést 300 Mbps. Pak došlo k obrovskému skoku na gigabity u 802.11ac.
Všechny tyto protokoly jsou zpětně kompatibilní, takže moderní klient se dokáže přizpůsobit pomalejšímu AP, stejně jako moderní AP dokáže zpomalit pro méně vybaveného klienta. To ale také znamená, že se kapacita celé Wi-Fi sítě snižuje.
Nárůst rychlosti v 802.11ac je způsobený možností spojovat 20MHz kanály až do 160MHz kanálu a použít kódování 256 QAM, což dá dohromady 866Mbps. Když máme osm signálů, můžeme teoreticky dosáhnout rychlosti až 6,9 Gbps.
Tohle je ale jen marketingová rychlost, v praxi jí není možné dosáhnout kvůli potřebě použití mnoha polarizací a jejich vzájemnému ovlivňování.
Kanály
Na 2,4GHz Wi-Fi síti je teoreticky k dispozici 11 kanálů, ale k vlastně máme jen tři unikátní a nepřekrývající se 22MHz kanály. Pokud máte pomalou Wi-Fi, přestaňte používat interferující kanály.
V 5GHz pásmu pak máme 12 kanálů o šířce 20 MHz, nebo 5 kanálů se šířkou 40 MHz. Může to ale záviset na regulaci v jednotlivých státech.
Používání širších kanálů pak samozřejmě počet použitelných kanálů snižuje.
Přenosová rychlost uváděná u Wi-Fi nikdy neodpovídá skutečné rychlosti přenášení našich dat. Wi-Fi je totiž polo-duplexní a dochází tu ke kolizím i v rámci jedné samostatné linky.
Ve skutečnosti musíme počítat zhruba s 60% reálnou přenosovou rychlostí proti modulační rychlosti. U TCP je to ještě méně, obvykle mezi 45 a 50 %. Kompletní tabulku vlastností všech protokolů je možné najít na MCSindex.net.
(Autorem fotografií je Petr Krčmář.)
