תקני אלחוט B,‏‏ G‏ ו-N, תדרים וערוצים

תקני אלחוט, תדרים,
איפנונים וערוצים
(וגם Channel Bonding,‏ MIMO
ו-Spatial Stream בתקן N)

מבוא

קצב השידור האלחוטי התיאורטי המוגדר בתקן N (ששמו הרשמי הוא 802.11N) הינו 300Mbps ובתנאים מסוימים ניתן אף להגיע למהירות של 600Mbps. על מנת לאפשר תקשורת במהירויות אלה, נעשה שימוש במגוון טכנולוגיות כמו ריבוי אנטנות (MIMO), שידור מרחבי (Spatial Stream), הקטנת ה-Guard Time, איחוד ערוצים (Channel Bonding) וכד'.

במדריך זה אסקור את תקני האלחוט השונים שפותחו במהלך השנים האחרונות, וחלק מהטכנולוגיות המאפשרות לציוד אלחוטי בתקן N לתקשר במהירויות אלה. דגש מיוחד יינתן למנגנוני "איחוד הערוצים" (Channel Bonding) ו-"שידור מרחבי" (Spatial Stream), שיש להם השפעה קריטית על נפח המידע שניתן להעביר בכל רגע נתון.

הקדמה

על מנת לאפשר תקשורת אלחוטית בין שני התקנים נדרש שבכל צד יהיו משדר ומקלט, הכוללים לפחות אנטנה אחת, ואות אלחוטי העובר ביניהם. בכדי שההתקנים ידעו לפענח את האות האלחוטי העובר ביניהם, נדרש להגדיר תקן שיאפשר לשניהם לשוחח ביניהם באותה "שפה". בין שאר המרכיבים של שפת התקן, נדרש לקבוע את התדר (frequency) בו ידברו ההתקנים, אופן איפנון (modulation) המידע ורוחב הערוץ (channel) בו הוא יועבר.

הסבר קצר על מונחים אלה:

תדר: מספר המחזורים שעושה גל אלקטרו-מגנטי בשנייה אחת. התדר נמדד ביחידות של הרץ (Hz). כך לדוגמא גל בתדר של 2.4Ghz מבצע 2.4 מיליארד מחזורים בשנייה.

איפנון: פעולה של העברת מידע על גבי הגל האלקטרו-מגנטי. ישנן מספר שיטות איפנון, חלקן אנאלוגיות וחלקן דיגיטליות. מידע נוסף ניתן למצוא בהגדרת המונח ב-ויקיפדיה וב-LINK-ים השונים המופיעים שם.

רוחב ערוץ: טווח רציף של תדרים בתחום ספקטרום הגלים האלקטרומגנטים.

התקן האלחוטי הראשון -- תקן 802.11B ("תקן B") -- שנת 1999

בתקן B הוגדר קצב השידור המקסימאלי ל-11Mbps (ובפועל רק כ-6Mbps). זו מהירות נמוכה, שלא הצריכה רוחב פס גדול במיוחד, ולפיכך הוקצה לתקן רוחב ערוץ של כ-72Mhz בסביבת התדר 2.4Ghz.

על מנת למנוע התנגשויות ולאפשר למספר התקנים לפעול בסביבה אלחוטית זו, תקן B חילק את הטווח הזה ל-11 פרוסות ("ערוצים"), כל אחד ברוחב של 22Mhz, כשבין ערוץ לערוץ מפרידים 5Mhz.

שיטת האיפנון של תקן B נקבעה כ-DSSS (ראשי תיבות של Direct-sequence Spread Spectrum).

בשלבים מאוחרים יותר נוספו ערוצים 12 ו-13, המקובלים בעיקר באירופה, וערוץ 14 שבו נעשה שימוש ביפן. בעוד שערוצים 12 ו-13 מרוחקים גם הם 5Mhz, הרי שערוץ 14 מרוחק 12Mhz מערוץ 13. כתוצאה מכך הוגדל רוחב הערוץ שהוקצה לתקן B ל-84Mhz בסה"כ.

כפי שניתן לראות בטבלה לעיל ובשרטוט משמאל, חלוקה זו יוצרת חפיפה בין הערוצים השונים, אך העובדה שעדיין מפרידים כ-5Mhz בין ערוץ לערוץ, לא היוותה בזמנו בעיה גדולה במיוחד.

חשוב רק לציין שבין 13 הערוצים, קיימים רק 3 ערוצים שאינם חופפים זה לזה - אלה הם ערוצים 1,‏ 6 ו-11.

תכונה חשובה נוספת של תקן B, שאומצה מאוחר יותר גם בשאר התקנים, היא האפשרות לרדת למהירויות שידור/קליטה נמוכות יותר (5.5Mhz,‏ 2Mhz ו-1Mhz) שהן פחות רגישות לרעשים ומאפשרות תיקון שגיאות טוב יותר. כלומר במידה וההתקן האלחוטי מזהה שיש בערוץ הפרעות, הוא יקטין את קצב השידור שלו ובמקביל יפעיל מנגנונים טובים יותר לתיקון שגיאות.

תקן 802.11G ("תקן G") -- שנת 2003

תקן B זכה להצלחה גדולה יחסית, אך המהירות הנמוכה שהוא סיפק הביאה לפיתוחו של תקן חדש שאיפשר העברת נתונים מהירה יותר. בתקן G, שאושר בשנת 2003 והמבוסס רובו ככולו על היסודות שהונחו בתקן B, שונתה שיטת האיפנון של האות האלחוטי ועתה נעשה שימוש בטכניקת OFDM (ראשי תיבות של Orthogonal frequency-division multiplexing).

שיטת ה-OFDM הכפילה פי 5 את קצב העברת הנתונים ל-54Mbps (בפועל רק כ-23Mbps), אך עדיין תקן G סבל מאותם חסרונות כמו תקן B -- שימוש ברוחב צר של תדר 2.4Mhz וכמות גדולה של ערוצים חופפים.

חסרונות אלה הוחמרו כשבסביבת הרשת האלחוטית היה התקן הפועל בתקן B - נוכחות כזו גרמה לרשת ה-G לתפקד במהירות של רשת B.

באופן פרדוקסאלי, כיוון שקצב העברת המידע בתקן G מהיר יותר מתקן B, הרי שהוא רגיש יותר להפרעות. הפרעות אלה גורמות לירידה מהירה בקצב השידור ל-48, 36, 24, 18, 12, 9, 6, 2 ו-1Mhz ולהפעלת מנגנונים יעילים יותר לתיקון שגיאות. המשמעות היא שבתקן G הנתב יכול "לבחור" את המהירות האופטימאלית מבין 12 ערכים -- 10 המהירויות האפשריות של תקן G ועוד 2 של תקן B‏ - 11Mbps ו-5.5Mbps (מהירות של 1 ו-2Mbps קיימת בשני התקנים).

כמו כן תדר 2.4Mhz, שבו עושה תקן G שימוש, רגיש לנוכחותם של התקני Bluetooth, טלפוניים אלחוטיים הפועלים בתדר 2.4Mhz ואפילו לקרינה ממיקרוגל. עובדה זו הגבילה עוד יותר את היכולת להעביר כמויות גדולות של מידע.

למרות כל החסרונות הללו, זכה תקן G להצלחה גדולה ביותר ועשרות חברות פיתחו כרטיסי רשת, נתבים, מאריכי טווח (repeater), נקודות גישה וציוד היקפי אחר (מדפסות, טלפונים סלולאריים, דיסקים חיצוניים) התומכים בתקן זה. הלקוחות מצידם אימצו תקן זה כתחליף לכבילה קווית והוא הפך לנפוץ ביותר.

תקן 802.11N ("תקן N") -- שנת 2009

כחצי שנה לאחר אישורו של תקן G, הוחל בסוף 2003 בפיתוח של תקן אלחוטי חדש. המטרה של התקן החדש הייתה להגיע לקצבים מהירים יותר ולכיסוי טוב יותר, תוך שמירה על תאימות לאחור, הן לתקן B והן לתקן G.

הדגשתי את המילה כיסוי (coverage), כיוון שיש נטייה, שגויה, לייחס לתקן N טווח (range) רחב יותר. הטווח, כלומר המרחק בין המשדר למקלט אליו מגיע התקן אלחוטי בתקן N, אינו שונה באופן מהותי מזה שהתקן בתקן G מגיע אליו. ההבדל בין התקנים הוא ברמת הכיסוי -- כלומר, בטווח אותו מכסה תקן N, שהוא די חופף לזה המכוסה על ידי תקן G, יהיו הרבה פחות נקודות מתות ונקודות עם קליטה גרועה, מאשר בתקן G.

עוד תכונה המיוחסת לתקן N היא עוצמת שידור/קליטה "חזקה" יותר -- גם כאן מדובר במיתוס. חשוב לזכור שעוצמת המשדר של התקנים אלחוטיים בתקן N זהה, ולעיתים נמוך יותר, מזו של התקנים בתקן G.

פיתוחו של התקן החדש, תקן N, ארך זמן רב מאוד ורק לקראת סוף 2009 הוא אושר סופית על ידי וועדות התקינה. במהלך 6 השנים הללו, הוגדרו שתי אבני דרך (Pre N ו-Draft 2) ויצרני ציוד החומרה פיתחו מוצרים שתמכו בגרסאות הבטא הללו.

תקן N התבסס על העקרונות שעל בסיסם פותחו התקנים הקודמים, אך במקביל מומשו בו שיטות וטכנולוגיות חדשות, המאפשרות קצב שידור וכיסוי טובים יותר:

שיפור בטכנולוגית האיפנון של תקן G (ה-OFDM) הביא להגדלת רוחב הפס של הערוץ האלחוטי מ-54Mbps ל-58.5Mbps.
שיפור במנגנון תיקון השגיאות הביא לניצול יעיל יותר של רוחב הפס האלחוטי והוא גדל מ-58.5Mbps ל-65Mbps.
הקטנת הפרש הזמן בין שידור אות אלחוטי אחד למשנהו (GI - Guard Interval) מ-800ns ל-400ns, הביא להגדלת רוחב הפס של הערוץ האלחוטי מ-65Mbps ל-72.2Mbps.
מנגנון האיחוד של הערוצים האלחוטיים (Channel Bonding) הביא להרחבת ערוץ השידור/קליטה מ-20Mhz ל-40Mhz ולהגדלת רוחב הפס של הערוץ האלחוטי מ-72.2Mbps ל-150Mbps.
טכנולוגיות ריבוי אנטנות (MIMO) ו-"שידור מרחבי" (Spatial Stream), המאפשרת שימוש ביותר מאנטנה אחת לשידור וקליטה, מביאה להכפלה של רוחב הפס האלחוטי מ-150Mbps ל-300Mbps. הכפלה נוספת, ל-4 אנטנות, יכולה להביא לרוחב פס אלחוטי של 600Mbps.

כיום ניתן למצוא בשוק ציוד הפועל במהירות 300Mbps ובעתיד גם במהירות 600Mbps. בנוסף, ניתן למצוא ציוד הפועל במהירות 150Mbps אך יש לזכור שציוד מסוג זה אינו תואם לתקן N. אחת מדרישות הסף לציוד בתקן N היא תמיכה מלאה ב-MIMO וציוד הפועל במהירות של 150Mbps אינו כולל תכונה זו. ציוד הפועל במהירות 150Mbps מכונה לעיתים 1X1 כיוון שהוא כולל אנטנה אחת לקליטה ושידור (פירוט על מינוח זה יש בפרק הבא).

בכל מקרה יש לזכור שכל המהירויות שצוינו לעיל הינן מהירויות תיאורטיות וקצב השידור/קליטה האפקטיבי המקסימאלי שניתן לצפות לו הוא סביב 95Mbps.

כפי שניתן לראות מהשרטוט המופיע לעיל, הקפיצה המשמעותית מ-54Mbps ל-300Mpbs מושגת באמצעות שתי טכנולוגיות -- על ידי ריבוי אנטנות (MIMO) ו-"שידור מרחבי" (Spatial Stream) ועל ידי איחוד ערוצים (Channel Bonding).

ריבוי אנטנות (MIMO) ושידור מרחבי (Spatial Stream)

ריבוי אנטנות (MIMO - Multiple In, Multiple Out) ושידור מרחבי (Spatial Stream) הן כאמור שתיים מהטכנולוגיות המביאות לקפיצה המשמעותית בקצב העבודה של תקן N.

כאשר מיישמים MIMO בנתבים ובכרטיסי רשת, המשמעות היא שלכל התקן יש מספר רכיבי RF לשידור וקליטה. כלומר, כל אות אלחוטי משודר דרך מספר אנטנות של המשדר ונקלט בצד השני, על ידי מספר אנטנות של המקלט.

ככל שמספר רכיבי ה-RF לשידור וקליטה גדול יותר (ולפיכך, ככל שיש להתקן האלחוטי יותר אנטנות), גדלה יכולתו לפעול בקצבי שידור וקליטה גבוהים יותר. תקן N מחייב לפחות שניים (ועד ארבעה) רכיבי RF - כלומר לפחות שתי אנטנות (ועד 4 אנטנות).

לעיתים מציינים ליד שמו של הנתב או בדפי המידע שלו (specifications) ביטוי במבנה TxR, כאשר T ו-R הם מספרים בין 1 ל-4. בביטוי זה, T מציין את מספר רכיבי ה-RF לשידור (transmit) ו-R את מספר רכיבי ה-RF לקליטה (receive). כלומר נתב שמצוין לידו 2X2, הוא בעל שני מעגלי RF לשידור ושני מעגלי RF לקליטה.

בתמונה משמאל ניתן להבחין ברכיב האלחוטי (הריבוע הכחול) וממנו יוצאים שני פסי חיבור שחורים לרכיבי ה-RF (הריבועים האדומים). רכיבי ה-RF מתחברים לקונקטורים, אליהן מחוברות האנטנות (ריבועים ירוקים). במקרה זה, כיוון שמדובר שני רכיבי RF, יכונה הנתב 2X2.

בחיבור אלחוטי אופטימאלי, האות האלחוטי המשודר מהאנטנה מתפזר במרחב ונקלט ישירות באנטנה של המקלט. במידה ועומדים בדרכו של האות האלחוטי מכשולים, הוא יוחזר מהם ואז יגיעו אל אנטנת המקלט מספר מופעים של אותו אות. בשרטוט הסכמטי משמאל ניתן לראות משדר ומקלט.

השידור מתפשט מן המשדר ונקלט בגל השלישי, אך בדרכו האות גם פוגע בקיר שנמצא מאחורי המשדר, חוזר ממנו ומגיע אל המקלט גם בגל ה-11 (ספרו את מספר הגלים מהמשדר, לכיוון הקיר וחזרה אל המקלט).

בתקן B ותקן G, כאשר מגיעים אל המקלט שני מופעים של אותו אות, נוצרת הפרעה המקטינה את איכות הקליטה. אולם בתקן N, קורה דבר הפוך - כל מופע כזה נקלט על ידי אנטנה אחרת של המקלט, וכך ניתן לפענח בצורה טובה יותר את האות האלחוטי והמידע המועבר בו.

תכונה זו של תקן N מכונה "שידור מרחבי" (Spatial Stream) והיא כאמור אחת השיטות העיקריות המביאות להגדלת רוחב הפס. כל תוספת של אנטנה, מגדילה את יכולתו של הנתב בפענוח האות האלחוטי ולכן נתב 3X3 יציג קצב העברת מידע גבוה יותר וכיסוי רחב יותר מנתב שהוא 2X2 בלבד.

אחת מתופעות הלוואי המעניינות הנובעות מהיישום של שיטה זו היא שחוסר במכשולים בין המשדר למקלט, עלול להביא להקטנת קצב העבודה האלחוטי. כתוצאה מכך ישנם מצבים בהם קצב השידור האלחוטי הנמדד בין משדר ומקלט הנמצאים קרוב האחד לשני יהיה נמוך יותר מאשר מצב בו הם מרוחקים האחד מהשני.

בעוד שהיישום של טכנולוגיות MIMO ו-"שידור מרחבי" הוא חלק בלתי נפרד מתקן N, השימוש באיחוד ערוצים (Channel Bonding) הוא אופציונאלי ולכך אני מייחד פרק מיוחד בהמשך המדריך הזה.

אך לפני הדיון על איחוד ערוצים (Channel Bonding), יש תחילה להרחיב על אחת הבעיות המרכזיות בתקשורת אלחוטית המבוססת על תקני B,‏ G ו-N -- התנגשויות של התקנים אלחוטיים הפועלים באותו ערוץ.

שימוש של מספר התקנים באותו ערוץ

כמו בתקן B ו-G, גם בתקן N נעשה שימוש ב-13 הערוצים, שרוחב כל אחד מהם הוא כ-20Mhz. כפי שציון לעיל, מתוך 13 הערוצים, קיימים רק שלושה שאינם חופפים זה לזה - ערוצים 1,‏ 6 ו-11. לפיכך, ערוץ ברירת המחדל של נתבים ונקודות גישה הוא תמיד אחד מערוצים אלה.

השימוש ההולך וגובר בציוד אלחוטי מביא לכך שבסביבות עירוניות צפופות ניתן למצוא התקנים אלחוטיים רבים הפועלים באחד משלושת הערוצים אלה. בצילום המסך משמאל ניתן להבחין ב-14 מתוך כ-25 הרשתות האלחוטיות שאני קולט מחלון בייתי.

אם קיימים מספר התקנים העושים שימוש באותו ערוץ, נוצרות התנגשויות והפרעות בתקשורת האלחוטית. ניתן להתגבר על בעיה זו על ידי שימוש בערוץ שאינו אחד מהשלושה האלה, אך בגלל החפיפות בין הערוצים, אין בכך פתרון מלא לבעיית ההתנגשויות.

ההתנגשויות אלה, מביאות לירידה בקצב השידור האלחוטי בכל ההתקנים הפועלים בערוץ המשותף ובערוצים החופפים.

בעיה זו מחמירה אם באותו ערוץ ישנם התקנים הפועלים הן בתקן N והן בתקן G - בסיטואציה כזו האפקטיביות של חיבור בתקן N תהיה נמוכה ביותר.

איחוד ערוצים (Channel Bonding)

למרות הצפיפות הקיימת בערוצים האלחוטיים הקיימים בסביבת תדר 2.4Ghz, מאפשר תקן N להכפיל את רוחב הפס האלחוטי האפקטיבי העומד לרשות המשתמש. הכפלת רוחב הפס מושגת על ידי שימוש בשני ערוצים במקביל לצורך השידור והקליטה. מנגנון זה מכונה "איחוד ערוצים" (Channel Bonding).

כפי שצוין לעיל, באופן תיאורטי קצב העברת הנתונים המקסימאלי בתקן N, במצב של איחוד ערוצים, הוא כ-90Mbps. ללא איחוד ערוצים הקצב המקסימאלי שיימדד יהיה כ-70Mbps.

ראוי לציין שבעוד שהשימוש בערוץ אלחוטי אחד משתלט בפועל על 5 ערוצים (לדוגמא, שימוש בערוץ 6 גורם להפרעות גם בערוצים 4,‏ 5,‏ 7 ו-8), הרי ששימוש בשני ערוצים, משתלט בפועל על 9 ערוצים.

כך לדוגמא, שימוש בערוץ 6 והפעלת איחוד ערוצים, הופך את ערוץ 10 לערוץ הפעילות הנוסף. השימוש בערוצים 6 ו-10 (שהופך את ערוץ 8 לערוץ המרכזי), גורם בפועל להשתלטות על ערוצים 4,‏ 5,‏ 7,‏ 8, 9,‏ 11 ובמידה מסויימת גם על ערוץ 12.

הטבלה המופיעה משמאל מראה את ההפרעות הנוצרות בערוצים סמוכים כתוצאה מהשימוש ב-Channel Bonding. מתוך הטבלה קל להבחין ששימוש במנגנון זה מביא לכך ששניים מתוך מהערוצים 1, 6 או 11 לא נשארים פנויים למשתמשים אחרים בסביבה הקרובה.

על מנת למנוע את ההתנגשויות הצפויות בשימוש במנגנון איחוד הערוצים, באחריות הנתב האלחוטי בתקן N לוודא שכל 9 הערוצים הדרושים לפעולתו אכן פנויים. כפי שראינו לעיל, בסביבות צפופות הסיכוי שכך יקרה הוא נמוך.

רוב הנתבים בתקן N מגיעים כאשר ברירת המחדל שלהם היא לנסות ולפעול תחת משטר איחוד הערוצים. תכונה זו מכונה בדרך כלל כ-Auto 20/40Mhz.

במידה והצפיפות אינה מאפשרת איחוד ערוצים, יחזור הנתב לעבוד עם ערוץ אחד בלבד. הבעיה היא שבסביבות רועשות הניסיון לפעול בשני ערוצים, החזרה לשימוש בערוץ אחד וחוזר חלילה, גוזלת זמן ומביאה לקפיצות גדולות בקצב העברת הנתונים.

כיוון שכך, לא פעם ניתן לראות שקצב ההעברה האפקטיבי, בסביבות צפופות בתצורת Auto 20/40Mhz, הוא איטי יותר מעבודה בתצורת 20Mhz בלבד (שימוש בערוץ בודד).

בסופו של דבר, על מנת לבחון מהו המצב העדיף, על כך אחד לבצע בדיקה ספציפית אצלו. אחד הכלים הטובים ביותר לביצוע הבדיקה הוא הכלי iperf שעליו ניתן לקרוא כאן.