De technologie achter wifi uitgelegd

Door: Toon van Daele | 30 december 2018 12:53

Wifi-tips
How To

Wifi bestaat al zo’n 20 jaar, maar het wifi van vandaag valt – onder meer op gebied van snelheid, beveiliging en zelfs dekking – nauwelijks nog te vergelijken met het wifi van weleer. Er worden voortdurend nieuwe technologieën ontwikkeld die regelmatig ook in andere standaarden resulteren. In dit artikel lees je meer over de achterliggende technieken en de belangrijkste standaarden.

Wifi is een term die iedereen vlot in de mond neemt, maar niemand kan zeggen wat die precies betekent. ‘Wi’ staat voor wireless maar ‘fi’ verwijst alvast niet naar ‘fidelity’, zoals een vroege advertentieslogan liet geloven: “Wi-Fi, The Standard for Wireless Fidelity”. Wifi is niets meer dan een handelsmerk afkomstig van de Wi-Fi Alliance, een non-profit organisatie opgericht in 1999, met als bedoeling de wifi-technologie te promoten en wifi-producten te certificeren. Maar hoe werkt die wifi-technologie eigenlijk en welke interessante standaarden werden in die twee decennia zoal ontwikkeld?

De Wi-Fi Alliance stelt de wifi-standaarden vast.

Radiogolven

In de basis werkt wifi-technologie op ongeveer dezelfde manier als een traditionele radio. Wanneer een router elektrische stroom door een antenne stuurt, bewegen er elektronen in een bepaald patroon. Dit genereert een elektromagnetische golf die door de antenne wordt uitgestuurd. Als deze golf de antenne van een ontvanger bereikt, worden ook daar elektronen met datzelfde opgewekt wat resulteert in een gelijkaardige elektrische stroom.

Elke golf wordt gekenmerkt door zowel een amplitude (de grootte van de golfbeweging, zeg maar) als een frequentie (het aantal keren per seconde dat een golfcyclus optreedt), en door deze waarden te variëren kan er data worden gecodeerd die dan aan ontvangerszijde weer wordt gedecodeerd. Bij AM-radio bijvoorbeeld gebeurt dat eenvoudigweg door de amplitude van de golven te moduleren. Wifi daarentegen gebruikt veel complexere modulatiepatronen om digitale data te verzenden, zoals fasemodulatie (een vorm van frequentie-modulatie) en er wordt nog altijd verder gesleuteld aan betere coderingstechnieken.

Terwijl radiotechnologieën als FM en AM met lage frequenties werken (KHz en MHz) opereert wifi met relatief hoge frequenties in de 2,4GHz- en tegenwoordig vooral ook de 5GHz-frequentieband, wat een hogere bitdichtheid per draaggolf toelaat: 1 GHz komt zowat overeen met 1 miljard golfcycli per seconde.

Eenvoudige vormen van modulatie: amplitude (AM) en frequentie (FM).

802.11b & 802.11g

De aanvankelijke wifi-standaard was IEEE 802.11, maar intussen zijn er talrijke varianten ontwikkeld. Zo wist 802.11b zich vanaf 1999 snel tot een de facto standaard voor thuisgebruik te ontwikkelen. Die zette DSSS/CCK-modulatie in (direct sequence spread-spectrum complementary code keying) en haalde theoretische snelheden tot 11 Mbit/s. Zo’n vier jaar later was het de beurt aan 802.11g. Die haalde een theoretisch maximum van 54 Mbit/s, mede dankzij de codering OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), een variant van QAM (quadrature amplitude modulation). QAM is een vorm van multilevel codering waarbij meerdere bits tegelijk kunnen worden getransporteerd. OFDM maakt het mogelijk dat een radiosignaal in verschillende subsignalen kan worden uitgesplitst, wat tot minder interferentie leidt.

Een zwak punt voor zowel 802.11b als 802.11g bleef echter de 2,4GHz-band. Immers, ook andere toestellen als magnetrons, bluetooth-apparaten en draadloze telefoons opereren binnen die frequentie en bovendien is het aantal te gebruiken kanalen beperkt. De 11 kanalen overlappen elkaar gedeeltelijk. Om dit te vermijden, stel je je draadloze router of toegangspunt het best in op een kanaal in dat minstens vijf nummers is verwijderd van dat van naburige netwerken. In de praktijk komt dat neer op een keuze tussen kanalen 1, 6 en 11.

Goed om weten is ook dat elk wifi-kanaal tevens een bepaalde ‘breedte’ heeft: standaard is dat 20 MHz. Sommige producenten slaagden er in meerdere kanalen te bundelen, zodat een effectieve kanaalbreedte van 40 MHz kon worden benut. Dat gebeurde echter vooralsnog op een niet-gestandaardiseerde manier, wat tot allerlei compatibiliteitsproblemen leidde.

Binnen de 2,4GHz-band zijn er eigenlijk maar drie niet-overlappende kanalen.

802.11n

Door de groei van het aantal wifi-netwerken werd het al snel dringen op deze 2,4GHz-band. Dit besef resulteerde in 2009 in de 802.11n-standaard, die voor het eerst ook het gebruik van de 5GHz-band mogelijk maakte – de 2,4 GHz bleef evenwel beschikbaar. Deze 5GHz-band was toen veel minder druk en biedt zo’n 23 niet-overlappende kanalen (van elk 20 MHz) aan. In de praktijk zijn dat er evenwel maar 19, waarvan er bovendien 15 ook door onder meer radarsystemen kunnen worden gebruikt. Detecteert een router zo’n radarsignaal, dan zal dat kanaal normaliter niet beschikbaar zijn.

802.11n mikte vooral ook op hogere snelheden – theoretisch tot 150 Mbit/s en zette daarvoor in op diverse (nieuwe) technologieën, waaronder kanaalbundeling – in tegenstelling tot bij 802.11g gebeurde dat dit keer op een gestandaardiseerde manier – en vooral ook mimo (multiple input multiple output). Hierbij worden verschillende antennes gecombineerd, zodat er meerdere simultane datastromen zijn, met een hogere doorvoersnelheid tot gevolg. Via mimo konden toen maximaal vier datastromen parallel worden verstuurd.

802.11ac

Verdere ontwikkelingen leidden daarna alweer tot een nieuwere standaard: 802.11 ac, die op het moment van dit schrijven nog altijd de meest gebruikte is. Die werkt uitsluitend op de 5GHz-band en kan kanalen bundelen met een totale breedte van 80 of zelfs 160 MHz. Mimo werd opgewaardeerd tot maximaal acht simultane datastromen. De meeste 802.11ac-routers bieden 801.11n op de 2,4GHz-band. Het gevolg is natuurlijk een waaier aan routermodellen, waarbij de mogelijkheden bovendien niet altijd eenduidig worden aangeprezen. Zo worden de theoretisch haalbare snelheden van alle radio’s van de 5GHz- en 2,4GHz-band gewoon bij elkaar opgeteld. Lees je bijvoorbeeld AC1200, dan betekent dat doorgaans twee datastromen op 2,4 GHz (2x150 Mbit/s= 300 Mbit/s) en twee op 5 GHz (2x433 Mbit/s = ‘afgerond’ 2x450 = 900 Mbit/s). Het wordt nog iets ingewikkelder, gezien door een betere QAM-modulatie de basissnelheid van 433 Mbit/s per antenne op de 5GHz-band soms wordt opgedreven tot 600 Mbit/s (TurboQAM) of zelfs 750 Mbit/s (NitroQAM).

Wellicht de meest belangwekkende vernieuwing in 802.11 ac (wave 2) is de ondersteuning voor mu-mimo (multi-user mimo). Bij traditionele mimo kan één antenne slechts één wifi-client tegelijk bedienen. In dat geval heb je dus al minstens drie antennes nodig om drie clients tegelijk te kunnen bedienen. Mu-mimo-routers daarentegen kunnen met één antenne simultaan tot maximaal vier aangesloten apparaten bedienen. Dat is vooral zinvol wanneer vaak meerdere draadloze, mu-mimo-compatibele clients binnen je draadloze netwerk actief zijn. Maar het kan de verbindingen ook versnellen bij één of twee clients die elk over minstens twee antennes beschikken.

Getallen verklaard

We hebben heel wat 802.11ac-routers bekeken, op diverse fora en in online webshops, en zagen onder meer de volgende varianten vaak terugkeren. Er zijn er weliswaar nog een hoop andere.

AC1900: drie datastromen op 2,4 GHz (TurboQAM, 600 Mbit/s) en drie op 5 GHz (1300 Mbit/s)

AC2350: drie datastromen op 2,4 GHz (TurboQAM, 600 Mbit/s) en vier op 5 GHz (1750 Mbit/s), mu-mimo

AC2600: vier datastromen op 2,4 GHz (TurboQAM, 800 Mbit/s) en vier op 5 GHz (1750 Mbit/s), mu-mimo

AC3200: vergelijkbaar met AC1900 maar de datastromen op 5 GHz hebben een kanaalbreedte van 160 MHz (2600 Mbit/s), mu-mimo

AC5300 (5400): drie datastromen op 2,4 Ghz met NitroQAM (1000 Mbit/s) en tweemaal vier op 5 GHz met NitroQAM (2x2165 Mbit/s), mu-mimo

Een voorbeeld van een AC5300 tri-band router: ASUS ROG Rapture GT-AC5300

Met de opvolger 802.11ax, ook wel HEW (High-Efficiency Wireless) genoemd, bevinden we ons tussen heden en toekomst. Er zijn weliswaar al een paar 802.11ax-routers beschikbaar, maar de officiële certificering wordt pas in 2019 verwacht.

De verbeteringen liggen zowel op het vlak van snelheid als van netwerkcapaciteit. Zo zou de theoretische maximumsnelheid met acht gekoppelde datastromen bij een 160 MHz breed kanaal en een verder verbeterde QAM-modulatie, maar liefst 9607,8 Mbit/s bedragen. Belangrijker echter is de verbeterde netwerkcapaciteit, met onder andere mu-mimo. In tegenstelling tot bij 802.11ac is deze functionaliteit standaard ingebouwd en kan mu-mimo niet alleen voor het downloaden maar ook voor de uplink worden ingezet. Verder zorgt het nieuwe OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access – een multi-user variant van het eerder vermelde OFDM) er bovendien voor dat niet noodzakelijk een heel kanaal aan een client dient te worden toegewezen, maar desgevallend alleen een deel (subkanaal), zodat meer clients simultaan kunnen worden bediend. Wil je gebruik kunnen maken van alle mogelijkheden van 802.11ax, dan moet je wel over een geschikt clienttoestel beschikken.

802.11 ax belooft tevens een beter bereik, doordat er tegelijk op de 5GHz- en op de 2,4GHz-band – die beter door muren kan doordringen – kan worden uitgezonden. Tot slot is het dankzij Target Wake Time (TWT) niet langer nodig dat clients continu met de router verbonden blijven: er kunnen hierover afspraken worden gemaakt tussen router en clients, met als gevolg minder drukte en daardoor ook een langere batterijduur bij de clients.

Nog meer standaarden

Intussen werd en wordt ook naarstig gesleuteld aan andere standaarden, zoals 802.11ad. Die opereert in de zeer hoge 60Hz-band die datasnelheden tot wel 7 Gbit/s toelaat. Dat is snel genoeg voor bijvoorbeeld draadloze harde schijven. Het grootste nadeel is wel dat muren een nagenoeg ondoordringbaar obstakel vormen. zodat router en clients best een directe ‘line-of-sight’ aanhouden. Niettemin, 802.11 ad heeft wel degelijk nuttige toepassingsgebieden, zoals het draadloos versturen van een 4K-film naar een tv.

Aan de andere kant van het spectrum – en dat mag je vrij letterlijk nemen – bevinden zich 802.11ah (HaLow) en 802.11af, die respectievelijk binnen de lage 900MHz-band en ergens tussen 54 en 790 MHz opereren. Minder snelheid dus, maar wel een veel groter bereik en ongetwijfeld inzetbaar voor diverse vormen van IoT-communicatie (internet of things).

1 Reactie(s) op: De technologie achter wifi uitgelegd

  • Om te reageren moet je ingelogd zijn. Nog geen account? Registreer je dan en praat mee!
  • 30 december 2018 16:08 Kasander1
    Technisch maar toch leesbaar artikel. Complimenten. Maar wat ik mis in dit artikel is hoe je het uitspreekt!
    Wiefie? Waifai? Waifie? Wiefai? Zeg het maar …
    ;-)
    Wanneer je een reactie plaatst ga je akoord
    met onze voorwaarden voor reacties.

Wanneer je een reactie plaatst ga je akoord
met onze voorwaarden voor reacties.