Udfordringen med Wifi – part I

Bragt i Computerworld d. 29 juni 2015

Da jeg renoverede mit hus for 5 år siden benyttede jeg lejligheden til at trække Ethernet kabler mellem et krydsfelt i kælderen og alle rum i huset. Det har jeg ikke fortrudt. Jeg er så nørdet, at jeg har masser af jern kørende og samtidig så gammeldags, at adskillige stykker jern er af stationær type.
Min wifi router herhjemme understøtter ieee802.11ac og har tre 5 GHz antenner, hvilket giver en maksimal hastighed på det trådløse på 1300 Mbps. Jamen så er det vel på tide at pensionere mit sløve 1000 Mbps LAN til fordel for det nye superhurtige WLAN? Nej det er det ikke, og jeg vil spendere et par artikler på at fortælle om hvilke udfordringer der er med wifi.

Wifi er en helt uundværlig teknologi – forestil dig bare at du skal skal indsætte et ethernetkabel i din telefon eller tablet for at tilgå dit hjemmenetværk. Nej, vel?

I 2012 blev der på verdensplan solgt halvanden milliard wifi-enablede enheder og det var en fordobling i forhold til 2010. Mon ikke vi i dag er på et endnu mere astronomisk niveau? Ikke mindst et af dagens buzzwords, IOT (Internet of things) indikerer, at fremtiden byder på en sand eksplosion af wifi enheder i hjemmet. Dette skyldes ikke mindst, at wifi chipsets er kommet så langt ned i pris, at indlejrede systemer (f.eks. radiator termostater, badevægte, alarmer, etc.) kan inkludere wifi uden en særlig stor meromkostning. Antallet af wifi klienter hos den gennemsnitlige kunde er støt stigende og vi oplever, at flere og flere kunder slet ikke benytter kablet ethernet længere. Et scenarie hvor et normalt hjem indeholder op mod 100 wifi-dimser spås at blive en realitet indenfor 10-15 år.

Wifi fylder derfor en væsentlig del af de supportkald en internetudbyder modtager og det er en støt stigende trend.

Hvorfor er det, at jeg kan have to kunder med samme routermodel, der bor i sammenlignelige boliger og har de samme produkter som skal bruge wifi forbindelsen. Den ene kunde synes det virker fantastisk godt, og den anden er ved at gå ud af sit gode skind over hvor dårligt det virker?

Det er den slags store spørgsmål i livet, man som ISP kan gå og bokse med, og jeg vil prøve at komme lidt ind på nogle af de bagvedliggende årsager i de kommende artikler.

Wifi versus DSL

Jeg har gennem adskillige artikler fortalt om, hvor udfordrende et telefonkabel er som en transmissionskanal. Dette er for intet at regne mod den transmissionskanal, som wifi benytter: Luft.

Hvor vi snakker bit-error-rate, BER for xDSL systemer på højst  10^{-7} og i praksis \leq 10^{-9} så gælder det for den trådløse transmissionskanal, at BER kan være helt oppe mellem  10^{-2} og  10^{-3}. På det fysiske lag kan op mod 1% af de transmitterede bits altså være fejlbehæftet. De fleste af disse fejl vil, på samme måde som det er tilfældet med DSL, blive rettet af korrektionsalgoritmerne, men de mange retransmissioner resulterer i en markant højere jitter (jitter=variationen af latency, latency=forsinkelsen fra en datapakke sendes til den modtages). Høj Jitter og latency kan give brugeren en oplevelse af, at forbindelsen er langsom, selv i de tilfælde hvor linket er på adskillige hundrede Mbit/s.

Wifi er en teknologi for nørder

Hvornår har din ISP sidst spurgt dig, om du vil benytte VDSL profil 17a eller 12b, og hvordan du vil have dine framing parametre indstillet?

Det spørger vi ikke kunderne om, for transmissionskanalen er under vores kontrol, og alt kunden skal gøre er at tilslutte routeren til DSL stikket i væggen. Hvis det ikke virker er det ISP’en som skal tage stilling til, hvordan problemerne løses.

For wifi er transmissionskanalen fuldstændig uden for ISP’ens kontrol, og derfor kan kunderne ende med at skulle tage stilling til ganske nørdede begreber. 2,4 eller 5 GHz? Hvad er en GHz for en ting, og er 5 bedre, alene fordi det er et større tal end 2,4? Non-overlapping kanaler-hvafforenfisk?

Forståelse af de fysiske begreber bag trådløs transmission er ikke noget man kan forvente en almindelig gennemsnitlig kunde forstår (jeg snakker her selvfølgelig ikke om mine ærede læsere her på klummen!), og det er en udfordring for ISP’en at håndtere dette. Ikke mindst da en fejlsøgning mange gange kræver kundens aktive medvirken.

Lidt om standarder

Der er en perlerække af standarder for WIFI som jeg ikke vil gennemgå i detaljer, da det nærmest kræver at jeg skriver en hel bog, og jeg ønsker et mere praktisk fokus i disse artikler. Interesserede kan med fordel begynde her: http://en.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi

Ultrakort ridset op, så bygger alle de wifi produkter vi møder på grundstandarden ieee802.11 (som er en lille let sag på næsten 3000 sider!), og de to varianter vi her interesserer os for, er ieee802.11n og ieee802.11ac. ’n’ er den standard som er i drift i dag, og ’ac’ er den nye standard som er i færd med at overtage markedet. Ieee802.11n vil dog fortsat eksistere i parallel med ’ac’, da ieee802.11ac er bagud kompatibel med ’n’. Dermed vil (burde…) ældre udstyr fortsat fungere med nye wifi routere.

Frekvenser og kanaler

Wifi benytter samme modulationsmetode som DSL: QAM, blot foregår det ved frekvenser i GHz området i modsætning til DSL, der højest kommer op på 30 MHz.

Man må ikke bare transmittere radiosignaler på tilfældige frekvenser, da det er et kraftigt reguleret område. Der er dog nogle bestemte frekvensområder, som det er tilladt at benytte uden en specifik licens/tilladelse. Disse områder kaldes ISM bånd (Industrial, Scientific and Medical Band), og to af disse områder benyttes af WIFI:

  • 2,4-2,5 GHz er det område som traditionelt benyttes af WIFI. Området benyttes af et væld af andre teknologier – mere om dette senere.
  • 5,180-5,700 GHz er det område som per default benyttes af den nye ieee802.11ac standard, og som enkelte versioner af den ældre ieee802.11n standard også kan benytte.

5 GHz området er som udgangspunkt væsentlig mindre befolket end 2,4 GHz området, men til gengæld så er rækkevidden for et signal på 5 GHz lavere, som jeg prøver at illustrere på nedenstående figur baseret på en simpel model for dæmpning i frit felt.

Dæmpning som følge af pathloss: Jø højere frekvens, jo kortere rækkevidde
Dæmpning som følge af pathloss: Jø højere frekvens, jo kortere rækkevidde

Dernæst er der den sammenhæng, at jo højere frekvensen er, jo mere dæmpes signalet af forhindringer, f.eks. vægge og døre. Lad os dvæle et øjeblik ved dæmpning: Et trådløst signal udbredes i rette linjer fra senderen, og dermed vil signalet skulle trænge gennem eventuelle forhindringer som står i den direkte synslinje mellem sender og modtager.

Når et wifi signal rammer en forhindring vil der opstå to fænomener: En del af signalet absorberes af forhindringen og en anden del reflekteres tilbage mod senderen. Resten af signalet vil så fortsætte til modtageren. Graden af absorption og refleksion afhænger af forhindringens materiale og tykkelse. En metalplade f.eks. absorberer ikke, men reflekterer stort set det fulde signal.

En gipsvæg dæmper typisk wifi signalet med 3 dB (svarende til at halvdelen af signalet absorberes i væggen), mere hvis skelettet er af metal. Samme gør sig gældende for et par franske døre med enkelt-lags glas. Dækning på terrassen i haven er typisk et problem på grund af de tykke ydermure, og moderne lavenergi vinduer (der er en meget tynd metalfilm på vinduesglasset i lavenergi vinduer, som er god til at reflektere wifi signaler).

Det fænomen, at signalet reflekteres gør at modtageren ser signalet som en kombination af det direkte signal og en reflekteret komponent. Dette kan i nogle tilfælde give en netto større signalstyrke, og i andre tilfælde give en netto lavere signalstyrke. Grunden til dette er, at det reflekterede signal har rejst en anden strækning end det direkte og kan derfor være i modfase (samme princip som en støjdæmpende hovedtelefon – støjen optages og sendes i modfase. Du oplever det som at støjen dæmpes kraftigt). Det er også derfor at man kan opleve varierende signalstyrke blot ved at flytte router eller klient få centimeter.

Rækkevidde

Hvis jeg tager en tilfældig papkasse med en tilfældig wifi-dims så kan jeg som regel læse et løfte om rækkevidde på 100 meter eller endda mere, så hvad er problemet? Problemet er, at den slags angivelser er under perfekte forhold – og når vi snakker perfekte forhold, er det for wifi ensbetydende med ”ingen forhindringer”. Ganske vist er den skandinaviske indretningsstil minimalistisk, men vi kan vel alle blive enige om, at det er lige lovlig meget ”Feng Shui” helt at fjerne alle vægge og alt interiør derhjemme, selv hvis det skulle give bedre wifi?

Når du skal beslutte, hvor du vil placere din wifi-router er det vigtigt at du tænker over placeringen i forhold til hvor du forventer at benytte wifi i dit hjem. Er der større forhindringer? Kan du reducere antallet af forhindringer ved at flytte routeren til en af siderne, eller måske op på toppen af et skab? Mange gange er man begrænset af hvor DSL kablet kommer ind i hjemmet og det er generelt en dårlig idé at forlænge DSL kablet – hvis du gør, så sørg for at bruge ordentligt kvalitetskabel, som er parsnoet. Selv der, hvor der ikke er særlig mange valgmuligheder for placeringen af wifi-routeren i hjemmet kan man lege med orienteringen af routeren, da udstrålingskarakteristikken ikke er en perfekt sfære.

Wi-fi sweetspots er en god app til at finde den optmale placering af din wifirouter.
Wi-fi sweetspots er en god app til at finde den optmale placering af din wifirouter.

Jeg kan anbefale at installere appen ”wifi sweetspots” fra Assia. Den måler løbende wifi linkhastigheden et par gange i sekundet. Gå en tur i hjemmet de steder hvor du gerne vil have bedst mulig dækning og hold øje med hastigheden på app’en. Den findes til både IOS og Android.

Hvis du ser, at hastigheden dykker ved et af dine yndlingssteder i huset, så prøv at flytte/dreje routeren og test igen – husk at ”tænke som en radiobølge” som beskrevet ovenfor. Som sagt så opfører 2,4 og 5 GHz sig forskelligt og den pågældende app viser kun resultatet for den teknologi som din smartphone eller tablet konkret benytter i testøjeblikket. Hvis du vil tjekke for begge teknologier skal du tvinge din klient over på den anden teknologi og genteste.

Hvis det stadig ikke virker?

Rækkevidde kan vise sig at være en udfordring som er svær at løse med en enkelt wifi-router, hvis der er adskillige rum i huset som skal have god dækning. Der er en række produkter, som kan være til god hjælp i en sådan situation, men det er en selvstændig artikel værd at beskrive mulighederne.

Wifi er et delt medium

Ved DSL har hver slutbruger sin egen dedikerede transmissionskanal (der går et separat telefonkabel ud til hver husstand), men for wifi gælder det, at alle skal deles om en og samme transmissionskanel. Dette håndterer vi ved at inddele frekvensområdet i en række kanaler. For 2,4 GHz 13 kanaler og for 5 GHz op til 20 kanaler.

Den enkelte kanal kan betragtes som en separat ”ledning”, og den ukueligt optimistiske læser kunne så forledes til at tro at vi dermed for 2,4 GHz kan have 13 wifi-routere kørende i samme rum uden problemer. Desværre må jeg skuffe, det er slet ikke tilfældet. For det første så er en kanal kun 5 MHz bred, men et wifi-signal 20 eller endda 40 MHz bredt. Derfor snakker man om ”non-overlapping channels”, hvor der i 2,4 GHz tilfældet kun er tre kanaler, ch1, ch6 og ch11. Med andre ord kan der i praksis kun eksistere tre forskellige wifi routere indenfor rækkevidde af hinanden uden at de forstyrrer hinanden.

For 5 GHz ser det lidt bedre ud, her er er der flere non-overlapping kanaler til rådighed – omkring 9 ved 40 MHz båndbredde.

Tillad mig et surt opstød over det med båndbredde. Grunden til at man i sin tid introducerede 5 GHz båndet som alternativ til 2,4 GHz båndet til wifi var, at der ikke på 2,4 GHz båndet er tilstrækkelig ”plads” til det antal wifi systemer, som skal fungere indenfor rækkevidde af hinanden. Den erkendelse kom efterhånden som antallet af wifi enheder steg.

Fint nok, nu har vi så mere plads på 5 GHz båndet, ikke sandt? Jo – indtil man fik idéen at benytte den øgende båndbredde til at introducere højere hastigheder ved at kombinere flere kanaler. Hvor ieee802.11n tillader 20 og 40 MHz båndbredde, tillader ieee802.11ac 40, 80 og endda 160 MHz båndbredde. Resultat: Vi er slået tilbage til 2,4 GHz med kun 2-3 non-overlapping kanaler. Det kan godt være, at man med dette trick i de glittede marketing brochurer kan vise wifi-hastigheder på langt over 1000 Mb/s, men man gør det i praksis på bekostning af stabiliteten.

Når supporten modtager et opkald fra en kunde om wifi, handler det yderst sjældent om HASTIGHEDEN på deres wifi, men til gengæld ofte om RÆKKEVIDDEN og STABILITETEN på deres wifi – og begge disse parametre (kan) påvirkes negativt af større båndbredde. Der er selvfølgelig scenarier, hvor det at vælge 80 eller endda 160 MHz båndbredde vil give den bedste oplevelse for en bruger – jeg taler her om det generelle billede og påpeger de negative konsekvenser af ”hastighedsræset”.

Støj

Langt de fleste moderne routere tilbyder en feature, der automatisk vælger den kanal hvor støjen er lavest. Det hedder typisk noget i retning af ”Auto-channel”. Nogle routere gør det kun ved opstart, hvilket ikke er godt nok, da støjen er særdeles dynamisk.

Lad os tage et praktisk eksempel fra mit kontor derhjemme. Nedenstående figur viser en scanning af 2,4 GHz ISM båndet. Venstre side er båndet scannet i et enkelt sekund. Man kan se min wifi router benytter kanal 7, og det øvrige frekvensbånd ser ud til at være ledigt.

Scanning af 2,4 GHz båndet.
Scanning af 2,4 GHz båndet.

Højre side af figuren viser en scanning, hvor båndet er monitoreret i 30 sekunder, og nu ser de øvrige kanaler pludselig ikke så gode ud længere. Denne dynamiske karakteristik af støjen (i dette tilfælde hopper den 30 dB – det er rigtig meget) er en af de ting, der gør wifi performance så svingende og så ”uforudseelig”.

Veldesignede wifi routere vil løbende skifte kanal efterhånden som støjen ændrer sig, og vil dermed tilpasse sig de skiftende forhold. Men hver gang kanalen skiftes kan det betyde alt fra kortvarige pakketab og til at nogle ældre klienter helt taber forbindelsen og skal manuelt re-associeres til netværket. Det kan erfaringsmæssigt resultere i ganske sure miner hos kunder, og i de tilfælde er man nødt til at slå auto-channel fra og vælge en fast kanal.

Hvor kommer al den støj fra? Det handler de næste par artikler om. Vi læses ved!

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.