802.11g: rychlejší WiFi?

O bezdrátových lokálních sítích (WLAN) se na stránkách Lupy hovoří poměrně často. První zmínka o 802.11g padla v článku Bezdrátové lokální sítě WLAN podle IEEE, konkrétnější informace o síti v souvislosti se schválenou normou pak v článku Novinky v normalizaci WLAN. Dnes se zaměříme na rozdíly mezi WiFi a 802.11g a na to, jaké mají dopady na skutečnou propustnost sítě, v níž chtějí komunikovat klienti jak WiFi, tak 802.11g.

IEEE 802.11g-2003 (Higher Speed Physical Layer (PHY) Extension to IEEE 802.11b), norma schválená před osmi měsíci, pracuje ve stejném bezlicenčním pásmu 2,4 GHz jako WiFi (802.11b), ovšem maximální rychlostí na fyzické vrstvě dosahující 54 Mbit/s (podobně jako u 802.11a). Obdobně jako 802.11b může podporovat maximálně tři nepřekrývající se kanály; podobnost je i v dosahu sítě (u stejných rychlostí, s vyššími rychlostmi dosah u 802.11g klesá až na 30 metrů). 802.11g je zpětně slučitelná s 802.11b, takže v jedné síti mohou pracovat klienti obou typů sítí. Obě specifikace se ovšem liší řešením fyzické vrstvy: WiFi používá DSSS a 802.11g OFDM (pro spolupráci s Wi-Fi navíc také DSSS).

Porovnání existujících norem IEEE pro WLAN ukazuje následující tabulka.

DSSS versus OFDM

Připomeňme, že 802.11b používá na fyzické vrstvě metodu rozprostřeného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum; více o DSSS v článku Bezdrátové lokální sítě WLAN podle IEEE) s klíčováním CCK (Complementary Code Keying). CCK mapuje čtyři bity na symbol (na 8 Mbit/s) a současně mírně zvyšuje symbolovou rychlost na 1,375 Msymbol/s, čímž se dosáhne na fyzické vrstvě maximální rychlost 11 Mbit/s.

WiFi nabízí celkem čtyři podporované rychlosti na fyzické vrstvě: vedle 11 Mbit/s ještě 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s a 1 Mbit/s. Pro všechny WLAN totiž platí, že se přenosová rychlost na fyzické vrstvě podle situace mění: snižuje se s růstem chybovosti nebo zvyšuje při zlepšení podmínek prostředí, takže maximální rychlost jednotlivých WLAN lze předpokládat pouze na krátkou vzdálenost v prostředí bez rušivých vlivů na přenos.

11 Mbit/s je tedy maximální rychlost WiFi na fyzické vrstvě, rychlost užitečná (pro uživatelská data) je ale nižší (viz též tabulka 1), protože 30–40 procent teoretické kapacity spolkne režie protokolu MAC, která je např. ve srovnání s Ethernet/802.3 (také sdílené médium) u WLAN vyšší. Je také potřeba si uvědomit, že WLAN pracují v režimu polovičního duplexu – buď data vysílají, nebo přijímají (na rozdíl od 802.3, kde je možný režim plného duplexu, tj. současně stanice může data vysílat i přijímat). Uživatelská datová rychlost u WiFi proto dosahuje maximálně 6 Mbit/s.

Pro dosažení vyšší rychlosti se u 802.11g používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), jedna z přenosových metod MCM (MultiCarrier Modulation), kdy se data k vysílání nejprve rozdělí do několika paralelních toků bitů o mnohem nižší bitové rychlosti. Každý z toků se používá pro modulaci jiné nosné.

Zatímco tradiční kmitočtový multiplex dělí kmitočtové pásmo do N nepřekrývajících se kmitočtových subkanálů vzájemně oddělených ochranným kmitočtovým pásmem (guard), OFDM používá překrývající se subkanály, takže kmitočtové pásmo se využívá účinněji. Přísně vzato není OFDM modulační metoda, ale metoda pro generování a modulaci více nosných současně, každé s malou částí datového toku. Jako konkrétní modulace lze pak použít jakýkoli typ digitální modulace včetně QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) či 64-QAM.

Způsobem paralelního vysílání se OFDM účinně brání zkreslení při přenosu signálu různými cestami (multipath distortion), protože každý přenášený symbol trvá na dílčí nosné déle, takže se prakticky vyloučí nepříznivý dopad zpoždění signálu delší cestou. Navíc se používá více úzkopásmových nosných a jejich vzájemné rušení ovlivní jen velmi malou část signálu.

Podporovaných rychlostí u 802.11g je víc než u WiFi. Rychlosti podporované pomocí OFDM jsou následující (v závislosti na modulaci): 54, 48, 36 a 24 Mbit/s (16-QAM); 18 a 12 Mbit/s (QPSK), 9 a 6 Mbit/s (BPSK, BiPhase Shift Keying). Další rychlosti jsou v souladu s 802.11b a vyžadují použití DSSS a 11 Mbit/s; 5,5 Mbit/s; 2 Mbit/s a 1 Mbit/s.

Výkonnost 802.11g

Výkonnost sítě 802.11g závisí velmi na tom, zda podporuje také 802.11b klienty. Protože klienti WiFi nerozumí komunikaci s OFDM (chápou ji jako šum), 802.11g obsahuje ochranný mechanizmus pro koexistenci 802.11b a 802.11g klientů v jedné síti. Jedná se o mechanizmus RTS/CTS, původně vyvinutý jako doplněk k naslouchání nosné podle CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) pro řešení problému skrytého uzlu ve WiFi. Ten se v tomto případě spustí v okamžiku přidružení klienta 802.11b k síti 802.11g. Klient musí nejprve požádat přístupový bod o vysílání prostřednictvím zprávy RTS (Request-To-Send) a musí s vysíláním počkat, dokud od přístupového bodu nedostane povolení ve formě CTS (Clear-To-Send). Pro ostatní klienty CTS od přístupového bodu znamená povel nevysílat. Díky mechanizmu RTS/CTS se zamezí současnému vysílání (kolizím) klientů 802.11g a b, ale za cenu dost vysoké režie.

Pokud dojde ke kolizi, musí si klienti zvolit náhodně dlouhou dobu čekání (back off), než se znovu pokusí vysílat. Tuto dobu si volí výběrem jednoho z časových úseků. U WiFi jich je k dispozici 31 o délce 20 s, u 802.11g (po vzoru 802.11a) pouze 15 o délce 9 s. To znamená, že 802.11g bez klientů WiFi bude mít kratší dobu čekání a lepší výkonnost zejména s rostoucím počtem uživatelů připojených k síti. Pokud se budou v jedné síti nacházet klienti také WiFi, pak 802.11g přejde na režim WiFi s delší dobou čekání.

V síti pouze s klienty 802.11g je výkonnost sítě prakticky shodná s výkonností 802.11a (samozřejmě s tím rozdílem, že se pracuje v jiném kmitočtovém pásmu), tedy kolem 25 Mbit/s. S přítomností klientů WiFi se reálná propustnost sítě snižuje až trojnásobně (na 8 Mbit/s), což je sice více než u tradiční WiFi, ale rozhodně ne o moc. Norma podporuje ještě volitelný mechanizmus „posílání CTS sám sobě“, který má ve smíšeném prostředí propustnost zvýšit.

Proč 802.11g

802.11g je rozhodně zajímavá nadstavba pro populární Wi-Fi, protože umožňuje výrazně vyšší rychlosti. Ale výhoda zpětné slučitelnosti s 802.11b se promítá do zvýšení režie a následného snížení propustnosti v případě kombinované sítě s klienty 802.11b/g a s tím je třeba při implementaci počítat. Nicméně v pásmu 2,4 GHz zatím rychlejší bezdrátovou lokální síť, založenou na otevřených specifikacích, nenajdeme.