רשתות אלחוטיות – WiFi 4, Wifi 5 ו- WiFi 6 מה חדש בעולם ה- WiFi?

מבוא

בשנה האחרונה יש הרבה פעילות בנושא של רשתות אלחוטיות. כ- 5 שנים אחרי הכניסה לשוק של תקן 802.11ac (WiFi 5), וכ- 10 שנים אחרי כניסתו לשוק של תקן 802.11n, השנה התחילו לצאת מוצרים עם התקן בחדש של 802.11ax (WiFi 6). כאשר רוחבי הפס, התאורטיים חשוב להגיד, הולכים ועולים, כאשר בתקן החדש ביותר, 802.11ax, מדובר על מקסימום של 10Gbps  לנקודת גישה. מהן הטכנולוגיות שבהן משתמשים, איך לקרוא את הנתונים שאנחנו מקבלים, האם התאוריה קרובה למציאות, על כל זה אדבר במאמר זה.

טכנולוגיה

קודם כל בואו נבין איך רוחבי הפס של הרשתות הסלולריות עלו מראשית הטכנולוגיה ותקני 82.11b/g ועד היום עם תקני 802.11ac ו- 802.11ax. משהו כאן קרה, ואף אחד לא שינה את חוקי הפיסיקה.

מה רוחב הפס שניתן לשדר על ערוץ תקשורת?

כמו שראינו המאמר על רשתות הדור הרביעי, למספר הביטים שאפשר לעביר על טווח תדרים מסוים, שנקראת גם יעילות ספקטרלית (Spectral Efficiency – Bits/Sec/Hz) יש מגבלה פיסיקלית שהוגדרה כבר לפני כמאה שנים בחוק שנון-הרטלי (Shannon-Hartley Theorem), שקובעת שכמות ה- Bits/Sec שניתן להעביר בתחום תדרים מסויים הינו:

כאשר C הוא רוחב הפס ב- Bits/Sec, B הוא תחום התדרים המאופנן שהוא פס התדרים שעליו מותר לנו לשדר ולקלוט, ו- S/N הינו יחס האות לרעש, כלומר כמה הסביבה רועשת.

מכיוון שאת חוקי הפיסיקה כבר קבעו לפנינו, מה שאנחנו יכולים לעשות כדי להעלות את קצב ההעברה הוא:

  1. להשתמש בטווחי תדרים גדולים יותר (כפי שנראה בדור החמישי), או להשתמש במספר טווחי תדרים במקביל
  2. לאפנן במנגנונים חכמים יותר וככה להעביר יותר Bits לכל תדר. כאשר האפנון והקידוד יותר חכמים, ניתן לפענח טוב יותר את האות הנקלט ועל ידי כך לשפר את יחס האות לרעש. ככל שהמכשירים נהיו יותר חזקים במשך השנים, כך גם ניתן היה להשתמש במנגנונים חזקים יותר.
  3. להשתמש במספר אנטנות לשידור ולקליטה (טכנולוגיית MIMO) ואז לקבל מכפלות של רוחב פס.
  4. לשדר בכיוון המדויק של המכשיר ולא לפזר את אנרגיית השידור לכל הכיוונים (טכנולוגיית Beam Forming) וכך לשפר את יחס האות לרעש.

ואלו בדיוק הדברים שהטכנולוגיה מאפשרת לשפר מתקן לתקן. בואו נראה איך זה נעשה.

טווחי תדרים ורוחב ערוץ

ברוחב הערוץ הכוונה מה טווח התדרים שעליו עובדים. רוחב הערוץ הינו לפי הטבלה הבאה, וניתן להגדרה ידנית או אוטומטית בבקר (Controller). כמובן שחשוב לוודא שתחנות הקצה יעבדו בתחום המקסימלי (בד"כ גם מסתנכרן אוטומטית).

מכיוון שככל שטווח התדרים גדול יותר ניתן להעביר עליו רוחב פס (Bits/Sec) גבוהה יותר, ולכן רוחבי הפס ב- 802.11ac ו- 802.11ax גבוהים יותר.

מהם התדרים בהם מותר לשדר

תקני 802.11 מגדירים מאפשרת שימוש במספר תדרים:  900MHx, 2.4GHz, 3.6GHz, 4.9GHz, 5GHz, 5.9GHz ו- 60GHz. בכל תדר יש תחום תדרים שבו מוגדר השידור. התדרים המקובלים והנתמכים על ידי רוב סוגי הציוד הינם 2.4GHz שבו מוגדר תחום תדרים של 2.400-2.483GHz (בצפון אמריקה עד 2.473GHz), ותדר ה- 5GHz שבו מוגדרים מספר תחומי תדרים מ- 5.170GHz עד 5.240GHz (U-NII-1), 5.260GHz-5.320GHz (U-NII-2) ועוד.

בטווחי תדרים אלו מוגדרים ערוצים (Channels), כאשר כל ערוץ הוא של 20MHz, 40MHz (החל מ- 802.11n), 80MHz או 160MHz (החל מ- 802.11ac). בהפעלת רשת WiFi חשוב שלא תהיה חפיפה של אותו תדר בין שני אזורים קרובים כדי שלא ליצור הפרעות. ברשת בה מוגדר בקר (Controller), הבקר אחראי בין היתר על ניהול התדרים.

בארץ התדר המותר לשידור מחוץ לבניין הינו 2.4GHz, בתוך בניינים אין הגבלה רשמית, ומה שמקובל הוא שימוש בתדרי ה- 5GHz שבהם יש ערוצים רבים יותר ולכן קיבולת רבה יותר.

בטבלה שלמעלה אנחנו רואים את תחומי התדרים לפי התקנים השונים. בארץ נוכל להשתמש ב- 802.11n וב- 802.11ax בתוך בניין ובחוץ, כאשר ב- 802.11ac  ניתן להשתמש בתוך בניין, מה שבפועל קורה כמעט בכל בית היום.

אפנון חזק יותר ונצילות אפנון

כאן חשוב להכיר מספר מושגים בריבוב ואפנון:  OFDM, OFDMA ו- QAM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) היא שיטת ריבוב שבה לוקחים את הערוץ המוגדר (לדוגמא ערוץ של 20MHz או 40MHz ), ומשדרים בו תדרי נושא רבים. כל תדר נושא יאופנן בהמשך על ידי מידע מועבר. כך לדוגמא, ב- 802.11ac לכל ערוץ של 20MHz יש 64 גלי נושא (Sub-carriers), בערוץ של 40MHz  יש 128 גלי נושא וכן הלאה. ככל שיש יותר גלי נושא, נוכל להעביר מידע רב יותר.

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) הינה שיטת ריבוב מתקדמת יותר, שכמו ה- OFDM מגיעה מעולם הסלולר, כאשר ניתן לחלק את גלי הנושא בין מספר משתמשים רב. אם ב- OFDM מחשב מסוים (Client) משדר מול ה- AP, אז כל עוד משודר Frame  מסוים הוא תופס שת כל ה- Carriers. ב- OFDMA באותו הזמן יכולים לשדר מספר Clients כאשר כל אחד מהם מקבל Carriers נפרדים. מסיבה זו, כאשר ישנם מספר רב של Clients, נקבל מהירות גבוהה משמעותית מ- OFDM.

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) הינה שיטת אפנון שבה אנחנו משנים את העוצמה והמופע של הגל הנושא, ובאופן זה כמות גדולה של ביטים (bits) בכל שידור. כמו שאנחנו רואים בתמונה הבאה, לפי רמת ה- QAM כך כמות הביטים (bits)  שניתן להעביר בכל רגע. העקרון הוא שבמקום להעביר bit אחד בכל שידור, נעביר 4, 16, 64 או יותר.

בצד שמאל אנחנו רואים QAM מסדר 4, כאשר בכל שידור (בכל סיגנל) אנחנו מעבירים 2bits (00,01,10 או 11), בצד ימין אנחנו רואים QAM מסדר 16, כאשר ישנם 16 אפשרויות שונות לכל סיגנל, מ- 0000 עד 1111.

ב- WiFi בתקן 802.11n (WiFi 4) ניתן לאפנן בקצב של עד QAM-64 (וגם בקצב נמוך יותר ב- BPSK/QPSK), ב- 802.11ac ב- QAM-256 וב- 802.11ax ב- QAM-1024. ככל שנעלה ברמת ה- QAM נקבל כמובן קצב שידור/קליטה גבוהים יותר, אבל כמו שראינו בנוסחת שנון-הרטלי ככל שכמות הרעש גדלה קצב השידור ב- bits/sec יקטן. ככל שנאפנן ב- QAM מסדר גבוה יותר ההבדל בין הסיגנלים (בזווית ובעוצמה) יגדל, וגם הסיכוי שהסיגנל יפוענח בצורה לא נכונה יגדל.

ככל שאנחנו עולים ברמת האפנון הנצילות לא תגדל ביחס ישר אלא פחות מזה. מה שמאפשר את העלאת רמת ה- QAM אלו כמובן אלגוריתמים חכמים יותר ומעבדים חזקים יותר, וככל שנתקדם נקבל אפנונים יעילים וחזקים יותר. הפרמטר שמודד זאת נקרא נצילות אפנון (Modulation Efficiency) או יעילות ספקטרלית (Spectral Efficiency), שנמדד ב- Bits/Sec/Hz.

בגרף שלמעלה אנחנו רואים כי ככל שאנחנו עולים ברמת האפנון אנחנו מקבלים נצילות גבוהה יותר. ברמות האפנון הגבוהות וביחס אות/רעש טוב נקבל עד 10-12bits/s/Hz ואף יותר

שידור וקליטה במספר אנטנות (MIMO)

שידור וקליטה ממספר אנטנות במקביל (MIMO – Multiple Input Multiple Output) היא טכנולוגיה ותיקה יחסית, שמומשה כבר ב- 2007 בתקן- 3GPP R.7 (HSPA+) ברשתות סלולריות וקצת לאחר מכן ב- 802.11n.

ב- 802.11n יצא Single User MIMO שמאפשר שידור בעד 4 אנטנות וקליטה בעד 4 אנטנות מול משתמש יחיד, ומאפשר הגדלה משמעותית של רוחב הפס מול אותו המשתמש.

ב- 802.11ac נכנסה טכנולוגיה של Multi-User MIMO שמאפשרת עבודה במספר אנטנות מול מספר משתמשי קצה. באופן זה נקבל יותר רוחב פס ב- Downstream.

שידור בכיוון נקודות הקצה

טכנולוגיה נוספת שנכנסה לרשתות סלולר בתקן 3GPP R.7 (HSPA+) ברשתות סלולריות היא Beam-forming המאפשרת באמצעות מערך אנטנות לכוון את עוצמת השידור בכיוון של המכשירים הקולטים, כלומר שידור בכיוון שממנו מזהים קליטה, כמו שנראה בציור הבא.

ברשתות אלחוטיות נכנסה טכנולוגית Beamforming ב- 802.11n כאשר התקן לא מגדיר את המימוש אלא רק קווים כלליים. ב- 802.11ac המצב השתנה כאשר אין חובה למימוש, אבל במידה שהטכנולוגיה ממומשת, מוגדר בתקינה אופן הביצוע.

מה חדש ב- WiFi 6) 802.11ax)

כדי לראות מה חדש ב- WiFi-6, נסתכל על הטבלה הבאה:

קודם כל, בשורה האחרונה אנחנו רואים את רוחבי הפס שנקבל: 10Gbps ב- WiFi 6, לעומת 6.8Gbps ב- WiFi 5 ו- 600Mbps ב- WiFi 4. כשמסתכלים איך מתקבלים הנתונים, אנחנו רואים אפנון ברמת QAM גבוהה יותר, OFDMA שהיה שיטת ריבוב יעילה יותר, יותר אנטנות ו- MIMO מסדר יותר גבוה שמביאים לנצילות אפנון גבוהה יותר. כמו שכתבתי בתחילת המאמר, את חוקי הפיסיקה לא שינו, רק שיפרנו את הנתונים בנוסחה.

איך לתכנן רשת אלחוטית

עכשיו אחרי שדיברנו על הטכנולוגיה, בואו ניכנס לתכנון. נסתכל על התכנון משתי נקודות מבט – הלקוח והמתכנן.

מבחינת הלקוח, הנושא פשוט. כל מה שלקוח חכם צריך לעשות זה להגדיר דרישות, ולתת למהנדס של הספק שמתקין את הרשת לעשות את התכנון לפי הדרישות. דרך תכנון זו נובעת מכך שלכל יצרן יש את ה- APs שלו, האנטנות שלו וכד'. הדרישות שנגדיר יהיו:

  • דרישות פונקציונאליות – כמות SSIDs, מנגנוני אבטחה, עבודה עם/בלי בקר, אופן החיבור לרשת הארגונית ועוד כמה עשרות דרישות פונקציונליות.
  • דרישות ביצועים – רוחב פס, השהיה (Delay), שינויים בהשהיה (Jitter) ורמת אובדן מידע (Packet loss) מותרת. חשוב להגדיר במצבים של מנוחה ותנועה, כאשר בתנועה חשוב להגדיר במהירות הנדרשת על ידי הארגון, למשל אדם שהולך בתוך בניין, רכב שנוסע במהירות נמוכה וכד'. אפשר (ורצוי) להגדיר גם נתוני רדיו כמו עוצמות קליטה בכל נקודה בארגון שבה תידרש גישה לרשת.
  • דרישות אבטחת מידע – כאשר אנחנו משדרים לאוויר, ניתן להקשיב למידע המשודר ולכן חשוב לבדוק את רמת האבטחה הנדרשת משני היבטים – וידוי משתמשים שנכנסים לרשת (Authentication) והצפנת המידע העובר ברשת (Encryption). גם כאן יש תקנים וטכנולוגיות חדשות, למשל WPA3. על אבטחת מידע ברשתות אלחוטיות אכתוב במאמר נפרד.
  • דרישות שיווקיות/ניהוליות – כאן ישנן דרישות שאינן לגמרי טכניות. כך למשל רשת חנויות תבקש שכל מי שמתחבר לרשת יקבל פרסומות קופצות למחשב, בית מלון יבקש אפשרות חיוב על התחברות לרשת, ארגון עם עובדים שמסתובבים באתר יכול לבקש שירותי מיקום ואיכון של העובדים וכד'.

מה שחשוב לציין, שנתוני רוחב הפס הם כמובן במצב אופטימלי, כאשר יש מקסימום אנטנות (גם ליחידות הקצה), יש כמות מספקת של Access Points, הסביבה לא רועשת ועוד.

חשוב גם לשכור שככל שאנחנו עולים בתדר, המרחק קטן ביחס ריבועי הפוך, כלומר כאשר אנחנו עולים מתדר 2.4GHz לתדר 5GHz, המרחק תיאורטית קטן לרבע. מעשית המרחק יקטן בפחות מזה בגלל מנגנונים כמו MIMO ו- Beamforming, אבל חשוב לזכור שגם כאן שעולים בתדר וברוחב הפס אז המרחק קטן וצריך יותר Access Points.

שיקול נוסף הוא כמה רוחב פס באמת אנחנו צריכים. קל מאוד להיסחף לתכנון מקסימלי, שייתן לנו רוחבי פס גבוהים מאוד. השאלה אם אנחנו צריכים את זה, וכמה זה יעלה לנו. אם למשל ה- WiFi מיועד לרשת של בקרים תעשייתיים, האמינות חשובה אבל רוחב הפס בד"כ נמוך מאוד, ולעומת זאת אם הרשת מיועדת לצפייה במצלמות נייחות אז צריך רוחב פס גבוה אבל רק למקומות בהם ישנן מצלמות.

אלחוטי או סלולרי, מה עדיף

כאשר רשתות סלולריות הולכות ונעשות עם ביצועים טובים יותר (בעיקר עם כניסת הגרסאות המתקדמות של הדור הרביעי וטכנולוגיות הדור החמישי) זולות יותר, ייתכן בהחלט, בעיקר עבור פריסת רשת מחוץ לבניין, שכדאי לנו לרכוש שירות סלולרי, אולי אפילו להקים Core סלולרי פרטי (ראה מאמר בנושא), וכאן נכנסים שיקולים טכניים (למשל אבטחת מידע) מול שיקולים כלכליים של כמה זה עולה.

כאשר ישנה אפשרות ואין מניעה מלעבוד ברשת סלולארית (למשל מאילוצים של אבטחת מידע), כדאי לבדוק את האפשרות. ברשת סלולארית אמנם אין לנו התחייבות לביצועים, אבל בד"כ נקבל ביצועים טובים. תלוי גם במספר יחידות הקצה – כאשר מדובר בכמה מאות יחידות, במחיר של 5-10 ₪ ל- SIM DATA או ב- 15-20 ₪ ל- SIM עם DATA ו- VOICE, בהחלט יכול להיות שהאפשרות הסלולארית תהיה כדאית. יתרון נוסף שרשת הסלולר הינה באחריות הספק וכל נושא התחזוקה יורד מאיתנו.

במקומות בהם התקשורת היא קריטית, כדאי לשקול גם גיבוי סלולארי לרשת האלחוטית, באופן שנפילה או קליטה גרועה ברשת האלחוטית תגובה על ידי הרשת הסלולארית. ישנם היום הרבה נתבים שנותנים לזה פתרון.

שיקולים כלכליים

וכמעט תמיד ל"כמה זה עולה" יש משמעות לא פחות חשובה. מבחינת התקן, כמעט כל ציוד שתרכשו יתמוך בכל התקנים. העלויות הגבוהות יהיו בבקר (Controller), ברישיונות תוכנה (אבטחה, מיקום וכד').

מבחינת כמות APs, אם לא צריכים רוחבי פס גבוהים, אפשר בשקט להשתמש ב- 2.4GHz כדי להפחית את כמות ה- APs. אם עלויות הבקר יקרות, ישנם יצרנים רבי שמוכרים שירותי בקר ב- Cloud בעלות חודשית, ואם אין מגבלות אבטחה כדאי לשקול זאת.

מבחינת גיבויים, חשוב להעריך בצורה אמיתית כמה הרשת היא קריטית. אפשר לצופף את פריסת ה- APs (300 עד 800 דולר ויותר ליחידה, תלוי בדגם והאם פנימית או חיצונית), להפעיל בקר ראשי ובקר משני (עו אלפי עד עשרות אלפי דולרים), להשתמש בגיבוי סלולרי וגם בחיבור כפול לרשת הארגונית. כל דבר כזה עולה כסף, לפעמים הרבה כסף, והשאלה אם באמת צריך את זה ומה המשמעות של נפילה ברשת.

סיכום

במאמר זה דיברנו על הטכנולוגיות השונות ברשתות אלחוטיות, עם דגש על התקנים המתקדמים יותר ובמיוחד 802.11ax או WiFi 6. ככל שמתקדמים בתקינה מקבלים ביצועים טובים יותר, ויש עוד טכנולוגיות בדרך, גם בתחום התקשורת האלחוטית וגם בתקשורת סלולרית.