WiFi

wifi-5ghz

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WiFi è la sigla commerciale usata per descrivere un insieme di protocolli per la trasmissione di dati digitali a velocità relativamente elevata, utilizzando le frequenze radio intorno ai 2.4 GHz e ai 5 GHz. La sigla non significa nulla.

Lo standard di riferimento è 802.11, in genere seguito da una lettera per indicare la tecnologia specifica utilizzata:

La struttura della rete WiFi

Un rete WiFi ad infrastruttura è costruita intorno ad un Access Point (AP) che permette alle varie stazioni di comunicare tra di esse ed eventualmente con una rete fissa Ethernet.

Il raggio di copertura di singolo AP è di poche decine di metri e l'area corrispondente è spesso indicata come cella o microcella (tecnicamente BSA: Basic Service Area). Il singolo AP è identificato dal MAC Address della sua interfaccia wireless e viene facilmente identificato da un Service Set Identifiers (SSID) (nota 1), stringa alfanumerica utilizzata dal client per la connessione.

La copertura di aree estese può essere effettuato da più AP che condividono lo stesso SSID; in genere le reti che comprendono più AP sono gestite da un controller che provvede alla configurazione dei singoli AP.

Modalità alternative all'infrastruttura prevedono connessioni dirette tra client (reti ad hoc) oppure connessioni punto-punto, spesso gestite da protocolli proprietari solo simili a WiFi e spesso non compatibili.

WiFi a 2.4 GHz

Gli standard a 2.4 GHz utilizzano le frequenze comprese tra 2400 e 2483 MHz, per una banda complessiva di circa 80 MHz. In questa banda sono indicati 13 canali da 20 MHz circa, numerati da 1 a 13 (nota 2) e distanziati tra di loro di 5 MHz. Come opzione è possibile utilizzare canali con larghezza di banda di 40 MHz.

Ovviamente questi canali sono parzialmente sovrapposti e di fatto sono utilizzabili nello stesso luogo contemporaneamente solo tre canali a 20 MHz oppure due a 40 MHz: seguito una rappresentazione grafica nel caso di canali a 20 MHz.

In genere i canali preferiti sono i numeri 1, 6, 11, l'ultima riga del grafico.

Un problema sorge se due AP tra loro vicini usano due canali sovrapposti, per esempio il canale 1 ed il canale 2, o addirittura la stessa frequenza. In linea di massima ciascuno dei due costituisce un rumore per l'altro e quindi si ha per entrambi un peggioramento del SNR; in base al teorema di Shannon-Hartley diminuisce quindi la capacità di canale di entrambi gli AP, che si ostacolano a vicenda. Tale problema è particolarmente evidente se i due AP sono molto vicini e se il traffico è elevato.

Lo stesso problema si ha nel caso di canali di 40 MHz di banda. L'aumento della capacità di canale aumenta con la banda, sempre in base al teorema di Shannon-Hartley. Ma aumentare la banda peggiora anche il SNR in quanto interferisce con più canali... In genere aumentare la banda è una prassi utile solo in assenza di altri AP.

In condizioni ottimali la velocità è di 72 Mbit/s, valore che raddoppia nel caso di canale da 40 MHz (nota 3). Tali valori sono assolutamente teorici in quanto occorre tener conto dell'overhead significativo e del fatto che un SNR adeguato è ottenibile solo in assenza di interferenze ed estrema vicinanza tra AP e client.

La potenza di trasmissione degli AP ed anche dei client è, per legge, limitata a 20 dBm (100 mW) includendo il guadagno dell'antenna, tipicamente di 3 dBi. Indicativamente questa potenza è circa 10 volte inferiore alla potenza di trasmissione di un telefonino LTE (e circa 10 000 volte inferiore a quella di un forno a microonde, anch'esso funzionante alla frequenza di 2.4GHz). La limitazione della potenza massima di trasmissione è pratica comune negli apparecchi che usano frequenza libere; lo scopo è ridurre le interferenze tra utilizzatori diversi.

La figura seguente è stata ottenuta con il programma LinSSID e mostra l'occupazione dei canali WiFi vista in un appartamento abbastanza isolato all'interno di un contesto residenziale di media densità (casa mia...). Tolto il segnale del mio AP (canale 5, -68 dBm), gli altri segnali sono piuttosto piccoli ed inadatti a garantire una connessione sufficientemente veloce. Si nota comunque la sostanziale anarchia nell'assegnazione delle frequenze...

WiFi a 5 GHz

Gli standard WiFi a 5 GHz utilizzano due blocchi di frequenze, con modalità diverse. Spesso vengono identificati, in termini non tecnici, come canali Indoor e Outdoor in base all'utilizzo principale.

Canali Indoor (UNII-1 e UNII-2)

Questo gruppo comprende i canali con frequenza compresa tra 5.15 e 5.34 GHz, numerati come canali da 36 a 64. Come nel caso di WiFi a 2.4 GHz questi canali hanno banda 20 MHz e spaziatura 5 MHz. Per questo motivo quelli effettivamente utilizzati sono numerati di 4 in 4 (36, 40, 44...) per un totale di 8 canali; è possibile aggregare questi canali per ottenere canali con bande di 40, 80 e, con gli ultimi standard, 160 MHz, diminuendone proporzionalmente il numero. La banda più utilizzata è probabilmente 40 MHz, con gli stessi vantaggi e svantaggi già descritti per le reti a 2.4 GHz, con due importanti differenze:

La massima potenza ammessa è 200 mW (23 dBm) includendo il guadagno dell'antenna, tipicamente 3 dBi.

Canali Indoor/Outdoor (UNII-2 extended)

Questo gruppo comprende 11 canali da 20 MHz che vanno da 5.5 a 5.72 MHz, numerati da 100 a 140 con modalità analoghe a quanto appena descritto.

Il problema nasce dal fatto che tali frequenze possono essere utilizzate dai radar meteorologici. Al fine di evitare conflitti è necessario che l'AP, prima di diventare operativo, attenda in ascolto dell'eventuale presenza di radar per un tempo variabile a seconda del canale (da 1 a 10 minuti). Solo se non rileva segnali radar può iniziare a trasmettere (nota 4). Durante il normale funzionamento l'AP deve inoltre continuare ad ascoltare eventuali segnali radar e, nel caso ne rilevi, interrompere immediatamente ogni trasmissione (nota 4). L'uso di questi canali è ammesso solo se il dispositivo utilizza questo protocolli, indicato come DFS (Dynamic Frequency Selection).

La potenza massima di trasmissione rimane 23 dBm per usi Indoor e sale a 30 dBm (1 W) per i collegamenti all'aperto a grande distanza.

La figura di apertura mostra i canali visti da un dispositivo WiFI posto all'aperto, sul tetto di un edificio residenziale piuttosto alto. Si tratta di segnali relativamente deboli, alcuni dei quali relative ad utenze residenziali (riconoscibili dal nome del provider Internet) ed altri probabilmente a ponti radio, connessioni fisse punto-punto tra antenne direzionali poste a distanza anche di chilometri tra di loro.

Modulazioni

Tutte le attuali versioni di WiFi usano modulazioni QAM (nota 5). Il numero di punti che costituiscono la costellazione arriva oggi ad un massimo di 1024 (WiFi 6, 803.11ax) oppure 256 (WiFI 5, 802.11ac), ma solo in condizioni ottimali di rapporto segnale rumore. Quando il SNR diminuisce oppure quando il BER aumenta, tipicamente a causa dell'aumento della distanza e quindi dell'ASL, i dispositivi WiFi diminuiscono il numero di bit per simbolo e di conseguenza la velocità di trasmissione (nota 6).

802.11g e successive utilizza OFDM, suddividendo la banda di ciascun canale con 64 sotto-portati al fine di ottimizzare il controllo della distorsione e le influenze di rumore ed interferenze. Nelle versioni precedente a WiFi 6 lo scopo principale dell'uso di OFDM è quello di aumentare la velocità di comunicazione.

A partire da WiFi 6 è inoltre possibile che le varie sottobande con cui OFDM suddivide la banda complessiva siano assegnate a diversi flussi di informazioni, tecnica a volte indicata come OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple-Access); due gli effetti di questa scelta in un certo senso rivoluzionaria:

In genere gli Access Point permettono di gestire comunicazioni MIMO: questo permettere di suddividere l'area che circonda un Access Point in settori al fine di diminuire le interferenze a condizione che anche i dispositivi supportano tale tecnologia. In genere gli Access Point hanno tre o quattro antenne gestite con MIMO permettendo connessioni MIMO 4 x 4 (nota 7). Questa tecnologia è implementata solo a 5 GHz e solo in download (da AP a PC) per WiFi 5; con WiFi 6 MIMO è usato in modo bidirezionale ed anche a 2,4 GHz.

Un'evoluzione di MiMO è MU-MIMO (Multi User MIMO): in questo caso il segnale trasmesso dall'Access Point è indirizzato al singolo dispositivo, riducendo ulteriormente le interferenze.

Attività

Individuare almeno un AP 802.11ax commerciale e verificare le caratteristiche sulla documentazione tecnica del produttore:

Individuare almeno una scheda di rete per PC ed effettuare la stessa analisi.

Note

  1. Un AP potrebbe anche nascondere il proprio SSID, una soluzione ingenua per aumentare la sicurezza della rete WiFi
  2. Le norma tecniche prevedono anche il canale 14, non utilizzabile in Europa
  3. Tali valori sono riferiti a sistemi dotati di singola antenna (SISO). Nel caso di più antenne gestite in modalità MIMO e canali a 40 MHz il throughput arriva a 600 Mbit/s
  4. Le norme non stabiliscono il comportamento da assume in presenza di un segnale radar. Alcuni AP semplicemente passano ad utilizzare un canale diverso, altri rimangono non operativi
  5. Solo gli standard più vecchi usavano DSSS oppure PSK. Queste modulazioni sono ancora supportate, ma vengono scelte solo se il SNR è particolarmente basso
  6. In genere nella configurazione degli Access Point permette di impostare la minima velocità di connessione per evitare che dispositivi troppo lenti o troppo distanti possano sottrarre un tempo eccessivo agli altri dispositivi
  7. In genere i PC portatili hanno 2 antenne e quindi MIMO in genere non supera il 2 x 2


Pagina creata nel maggio 2021
Ultima modifica: 7 maggio 2022


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