Rychlá Wi-Fi blíže realitě

Čekání na 100+ Mbit/s bezdrátovou síť podle 802.11n se již chýlí ke konci. Od poloviny letošního roku už bude možné si pořídit certifikovaná zařízení 802.11n, a přestože samotná norma bude schválena nejdříve v roce 2008, stabilní technické řešení je již na světě.

Bezdrátové lokální sítě (podle norem IEEE 802.11a/b/g) jsou ve srovnání s gigabitovými pevnými sítěmi velice pomalé, i když tento nedostatek vyvažují mnoha jinými přednostmi, jak ostatně vypovídá také jejich popularita v podnikovém i domácím prostředí a (zejména u nás) v komunitních/městských přístupových sítích. Maximální kapacita 11 nebo 54 Mbit/s, a to pouze na fyzické vrstvě, nikoli skutečná propustnost pro uživatele, je pro mnohé aplikace nedostačující. Proto se již několik let připravuje rychlá Wi-Fi, která by měla skokově zvýšit propustnost (na uživatele) na minimálně 100 Mbit/s. Na fyzické vrstvě to bude znamenat kapacitu několika set Mbit/s, v budoucnu až 1 Gbit/s.

Práce na novém otevřeném technickém řešení si ovšem žádá hodně času, než se výrobci a experti dohodnou a na světlo se vyloupne všeobecně přijatelná mezinárodní norma (802.11n), podle níž bude možné - jako již tradičně – certifikovat zařízení od různých výrobců s garancí vzájemné propojitelnosti.

I když je na trhu už nějakou dobu řada produktů, které slibují rychlejší bezdrátovou komunikaci a přisvojují si označení 802.11n, zatím jim toto označení rozhodně nepřísluší, protože norma ještě zdaleka není schválena. Jedná se vesměs o firemní řešení rychlé Wi-Fi, dříve obecně označovaná jako turbo nebo tzv. pre-standard (pre-N), jako všechna zařízení bez certifikátu Wi-Fi Alliance (produktů s dnes téměř nezbytným logem Wi-Fi CERTIFIED^® je dnes již přes tři tisícovky).

Svět se otočil zase o kousek dál a ani toto označení již za pár měsíců nemusí pro některé tyto produkty platit a posunou spíše o něco zpět do skupiny pre-pre-standard… To souvisí s vývojem práce na samotné normě a rozhodnutím Wi-Fi Alliance certifikovat zařízení rychlé Wi-Fi ve dvou fázích: pre-standard podle návrhu normy (v polovině letošního roku) a následně standard (nejdříve koncem příštího roku), což si vyžádá recertifikaci produktů úspěšných v první fázi testování. Aby to nebylo tak jednoduché, v jednu chvíli se zdálo, že se nesplní ani plán na stabilní návrh normy, který má být hotov v březnu. A v historii přípravy budoucí normy 802.11n byly ovšem okamžiky ještě mnohem dramatičtější.

Dvoustupňová certifikace

Wi-Fi Alliance rozhodla o dvoustupňovém schématu certifikace zařízení pro rychlé bezdrátové sítě WLAN na konci loňského srpna na základě posunutého harmonogramu dokončování 802.11n. Důvodem pro tento krok Wi-Fi Alliance byl jednoznačně rostoucí zájem trh o stomegabitové Wi-Fi a odsunutí plánovaného schválení normy 802.11n až na rok 2008. Jinak by totiž mohlo dojít ke stagnaci trhu s rychlými Wi-Fi kvůli obavám a nespokojenostem zákazníků, kteří sice chtějí výrazně rychlejší komunikaci, ale ne za každou cenu (nespolehlivost a nejistota ohledně využitelnosti současných firemních rychlých Wi-Fi v budoucnu).

Ne že by podobný krok Aliance učinila poprvé: podobně postupovala v případě zabezpečení Wi-Fi (před schválením bezpečnostního doplňku IEEE 802.11i nejprve nastoupila certifikace podle WPA; viz též nedávný článek Schůdné zabezpečení Wi-Fi), nebo v případě podpory přenosu hlasu po Wi-Fi (nejprve se certifikovalo podle WMM, Wi-Fi MultiMedia, podmnožiny prvků 802.11e doplňující podporu QoS do Wi-Fi, a pak teprve podle plné normy).

Pro uživatele bude certifikace (byť pre-standard) znamenat záruku vzájemné spolupráce pre-standard 802.11n zařízení daného výrobce s jinými podobně označenými zařízeními, tedy možnost kombinovat produkty od různých výrobců. A vzhledem k tomu, že certifikace bude založena na pokročilém návrhu normy, lze předpokládat, že tato řešení se nebudou příliš odchylovat od později schválené technické specifikace. Rozhodně bude v zájmu výrobců nechat si prostor pro snadný upgrade produktů pro certifikaci v druhém stupni podle konečné normy.

Perná práce na 802.11n

Historie přípravy rychlé Wi-Fi (projektu P802.11n s oficiálním označením „Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Enhancements for Higher Effective Throughput“) je poměrně pohnutá, a protože ji sleduji od samotného počátku, můžeme si pro zajímavost připomenout pár klíčových momentů.

Celý projekt byl spuštěn už v roce 2003, kdy zejména sítě typu 802.11b již stihly získat značnou popularitu od svého vzniku v roce 1999. V polovině roku 2004 se předložily základní návrhy na řešení splňující požadavky 802.11n. Počet technických návrhů byl (v oblasti nových síťových řešení IEEE) rekordní (61), což jen potvrdilo správný vývoj tímto směrem. Na jednu stranu to slibovalo skutečnou plejádu technických možností, na straně druhé to ale naznačilo další urputný boj v normalizačním zákulisí o výslednou specifikaci.

Už v počátcích vyhodnocování návrhů se účastníci normalizačního klání rozdělili do dvou podobně silných táborů, přitom oba ve svých řešeních využívá pro zvýšení propustnosti kombinaci principu MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) a OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), tedy více cest signálu díky využití anténám na straně vysílače a/nebo na straně přijímače.

Airgo, jako pionýr technologie MIMO, se hned zpočátku normalizační práce spojil s dalšími společnostmi jako Broadcom, Conexant, Mitsubishi, Motorola, STMicroelectronics a Texas Instruments a vytvořil konsorcium WWiSE (World Wide Spectrum Eficiency). Soupeřící řešení předložila skupina TGn Synch, pod vedením Atheros a sdružující dále např. Intel, Cisco, Sony, Matsushita, Nokia, nebo Philips, využilo rovněž MIMO, ale počítalo s kanálem o šířce 40 MHz (pro zpětnou slučitelnost se stávajícími WLAN by se ale přešlo na 20 MHz). Anténa 2x2 MIMO by díky dvěma vysílačům a dvěma přijímačům mohla podporovat rychlost 250 Mbit/s a volitelné řešení 4x4 MIMO dokonce 500 Mbit/s.

Na samém začátku roku 2005 zůstaly definitivně na stole z původní plejády návrhů pouze dva, a to konkurenční řešení táborů WWiSE a TGn Synch. V obou návrzích se využívaly chytré antény a boj se odehrával spíše mezi moderními technikami kódování s použitím kanálů o běžné šíři 20 MHz a kanálech o dvojnásobné šíři pro zvýšení výkonnosti. 40 MHz kanál by sice zvýšil propustnost, ale mohl způsobit rušení se stávajícími sítěmi 802.11.

Jarní zasedání IEEE 802.11n roku 2005 mělo mezi oběma horkými kandidáty vybrat ten nejlepší, ale hlasováním se k jednoznačnému výsledku nedospělo (pro schválení návrhu IEEE je třeba 75 % hlasů). Stejná situace se znovu opakovala i při pozdějším zasedání a začal hrozit pat, jinými slovy nemožnost postoupit v přípravě specifikace dále (což v některých případech vede ke zrušení celého projektu a zahození dosavadní technické práce, alespoň co se tvorby mezinárodní specifikace týká, protože mezitím samozřejmě jednotliví předkladatelé technického řešení pokračovali ve svém vlastním vývoji až po uvedení firemních produktů na trh).

Naštěstí se účastníci normo-klání hned tak nevzdali a přistoupili ke hledání konsensu a kompromisu z druhé strany: téměř tři desítky výrobců (zástupci obou soupeřících táborů WWiSE a TGn Sync) v čele s Intelem založily na konci roku 2005 nové konsorcium EWC (Enhanced Wireless Consortium) s jediným cílem: připravit nový technický návrh pro 802.11n. A to se nakonec podařilo.

Světlo na konci tunelu

Když se tedy po dlouhých tahanicích, vedoucích málem k rozpadu pracovní skupiny 802.11n počátkem loňského roku podařilo vytvořit kompromisní technické řešení rychlé Wi-Fi (draft 1.0), všem se hluboce ulevilo. Nicméně hned v červnu první verze navrhovaného řešení neprošla hlasováním a následovala doslova záplava (12.000) připomínek a změn, které bylo třeba zakomponovat do dalšího návrhu technického řešení. Kvůli tomu se také o řadu měsíců prodloužil původní plán přípravy normy (ta již dnes měla být dokončena). Na podzim loňského roku se plán upřel na schválení stabilního návrhu (draft 2.0) v březnu 2007, na jehož základě by se měla provádět první fáze certifikace Wi-Fi Alliance. V té době ovšem stále ještě na stole zůstávalo několik tisíc pozměňovacích návrhů k technickému řešení, které bylo třeba urychleně zpracovat.

Nejnovější a veskrze pozitivní zprávou je, že se na právě zakončeném zasedání 802.11n podařilo zvládnout zbytek připomínek (mj. zajištění koexistence 802.11n s 40MHz kanálem v pásmu 2,4 GHz se „starými“ sítěmi 802.11b/g) a schválit návrh normy verze 1.10. Na jeho základě již nebude problém připravit základ pro certifikaci pre-standard produktů. Po této zprávě se ulevilo zejména výrobcům čipů (např. Atheros), kteří budou moci splnit požadavky draftu pouze softwarovou aktualizací a nebudou nuceni sahat na hardware. Stabilita a kvalita stávajícího návrhu dává stejné šance všem výrobcům, pro něž by přechod od draftu k výsledné normě během 12+ měsíců rovněž neměl znamenat žádné výrazné změny v řešení.

Technický základ 802.11n: MIMO

Základem řešení rychlé Wi-Fi je vyspělé anténní řešení zvyšující kapacitu přenosu signálu. Antény na bázi MIMO patří mezi tzv. chytré antény (smart). MIMO původně vyvinuli v Bell Labs už v 70. letech a první systémy se již dříve uplatnily ve firemních řešeních bezdrátových sítí (např. pro prodloužení dosahu WLAN).

MIMO pracuje na bázi vysílání několika signálů, přenášejících odlišná data, různými cestami, v rámci jednoho rádiového kanálu prostřednictvím více antén u vysílače a přijímače. Propustnost se pak úměrně s počtem antén zvyšuje. Teoreticky je tak možné přidáváním antén propustnost zvyšovat donekonečna, prakticky se ale zatím uvažuje o 4 anténách pro vnitřní prostředí a menší dosah a 16 anténách pro vysílání v metropolitním měřítku. MIMO může použít více antén asymetricky, buď u vysílače, nebo přijímače, nebo symetricky na obou stranách.

Algoritmy uplatněné v čipové sadě vysílače vysílají informace jednotlivými anténami. Signály se odrážejí od překážek a šíří se různými cestami, což v konvenčních systémech může vést k rušení a útlumu signálu (multipath distortion). Na straně přijímače jsou signály přijaty více anténami a zkombinovány prostřednictvím chytrých algoritmů: na základě matice manipulace specifikující zpracování signálu (podle cesty a příslušného útlumu) a detekce cesty, kterou signál přišel, se signály korelují (a současně se „vyruší“ rušení). MIMO systémy také mohou pro větší spolehlivost vybrat ty antény, které zajistí nejčistší signál.

MIMO přísluší k nejnižší, tedy fyzické vrstvě přenosového systému, takže jej lze uplatnit bez ohledu na bezdrátový přenosový protokol vyšší vrstvy. A dá se použít nejen pro zvýšení přenosové kapacity díky paralelnímu vysílání (o což jde u 802.11n), ale také pro podporu více uživatelů, či překonání větší vzdálenosti.

Kde se uplatní rychlá Wi-Fi

Tato otázka se zdá trochu zbytečná, protože rychlejší Wi-Fi je potřeba snad úplně všude. Podle tvůrců 802.11n je tento typ rychlé WLAN určen zejména pro domácí i podnikové prostředí pro přenos videa a pro multimediální přenosy, včetně HDTV náročné na šířku pásma (více viz článek HD video a IPTV doma bezdrátově). 802.11n tak umožní efektivně propojit spotřební elektroniku s podporou Wi-Fi (802.11n musí být zpětně slučitelná s ostatními typy WLAN jako 802.11a/b/g) a nabídnout uživateli vysokou kvalitu vnímání. V nedaleké budoucnosti se tedy můžeme těšit na rychlosti Wi-Fi, které dosud mnozí považovali za pouhý sen, tedy v řádech set Mbit/s až jednotek Gbit/s.

31. 1. 2007

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA