In Ländern und Städten mit einer entwickelten Telekommunikationsinfrastruktur beschweren sich Benutzer zunehmend über WLAN. In einer städtischen Umgebung, die mit Client-Geräten, die Wi-Fi verwenden, dicht gesättigt ist, verschlechtert sich die durchschnittliche Kommunikationsqualität von Jahr zu Jahr. Gibt es eine Möglichkeit, diesen Trend umzukehren?
Derzeit gibt es weltweit mehr als
6,5 Milliarden Geräte , die über diesen drahtlosen Standard mit dem Netzwerk verbunden sind, und bis 2020 werden es fast 21 Milliarden sein. Dies entspricht ungefähr 2,8 Geräten pro Person auf dem Planeten. Der Mangel an drahtlosen Kanälen mit Bandbreite wird sich also nur verschlechtern. Um dieses Problem zu lösen, reicht es jedoch nicht aus, nur leistungsstärkere Router zu installieren. Der Grund für „virtuelle Staus“ sind nicht nur „enge Straßen“, sondern auch eine Reihe anderer Faktoren.
Heutzutage gibt es in jedem Haus und in vielen Wohnungen einen WLAN-Router, und in einigen - einigen. Eine Erhöhung der Verbindungsgeschwindigkeit ist normalerweise mit einer dichteren Nutzung der Bandbreiten verbunden. Darüber hinaus greifen Mobilfunkbetreiber in die WLAN-Reichweite ein und packen einen Teil des Datenverkehrs ein. Mit dem Aufkommen von 5G kann sich die Situation verschlechtern.
Das heißt, Wi-Fi ist tatsächlich ein Opfer seines eigenen Erfolgs geworden. Was kann getan werden, um dieses Problem zu lösen oder zumindest zu mildern?
Menschenmenge in der Luft
Obwohl in verschiedenen Ländern die Regulierungsbehörden möglicherweise bestimmte Anforderungen für die Lizenzierung des Wi-Fi-Frequenzspektrums auferlegen, bleibt dieser Bereich im Allgemeinen mehr oder weniger offen. Benutzer müssen die technischen Anforderungen einschließlich der Grenzwerte für die Sendeleistung einhalten, es sind jedoch keine besonderen Berechtigungen erforderlich. Heutzutage arbeiten fast alle öffentlichen Wi-Fi-Netzwerke, einschließlich Heimnetzwerke, im 2,4- und 5-GHz-Band. Gleichzeitig dringen 2,4-Gigahertz-Wellen besser durch Wände und Möbel und werden bei gleicher Sendeleistung im Vergleich zu 5-Gigahertz weiter übertragen.
In den USA hat der Regulierer beispielsweise eine Bandbreite von 84,5 MHz für Wi-Fi zugewiesen. Im Rahmen des 802.11b / g / n-Standards beträgt die Kanalbreite 20 oder 22 MHz, so dass nur drei Kanäle ohne gegenseitige Überlappung in das gemeinsame Band eingepasst werden können: 1, 6 und 11. In Europa ist die Situation fast dieselbe:
13 Kanäle , davon gleichzeitig Nur drei können ohne gegenseitige Überlappung verwendet werden. In Japan etwas einfacher: 14 Kanäle und 4 gleichzeitig nicht überlappende.
Wenn Sie also mehr als drei 2,4-GHz-Router in der Liste der Wi-Fi-Netzwerke sehen oder wenn es drei davon gibt, aber einer einen anderen Kanal als 1, 6 und 11 verwendet, gibt es eine Überlappung von Kanälen.
Bei 5-GHz-WLAN ist die Situation anders: 38 nicht überlappende Kanäle mit einer Breite von 10 und 20 MHz werden im Bereich von 5170 bis 5905 GHz verlegt (in den USA - 5180-5825 und 24 Kanäle mit 20 MHz, in Europa und Japan gibt es noch weniger Kanäle ) Es scheint, dass mehrmals mehr Kanäle, die sich nicht gegenseitig stören, die Kommunikationsqualität im 5-GHz-Bereich verbessern sollten. Hier greift jedoch die regionale Besonderheit ein: In verschiedenen Ländern sind einige der Kanäle möglicherweise nicht für die öffentliche Nutzung zugänglich, da militärische und meteorologische Radargeräte sowie Satellitenfernsehen mit diesen Frequenzen betrieben werden. Aufgrund der Komplexität der Anpassung des Datenverkehrs an die Problemfrequenzen ignoriert die überwiegende Mehrheit der Router diese einfach.
In jedem der beiden Bereiche gibt es also eine Reihe nicht überlappender Kanäle. Aufgrund der Fülle an Routern und Clientgeräten wurde die Überlappung jedoch zu einer normalen Situation. Wenn ein Konflikt auftritt - zwei Wi-Fi-Übertragungen kreuzen sich -, schweigen alle Teilnehmer vorübergehend und kehren nach einiger Pause wieder in die Luft zurück. Die Dauer von Pausen nimmt exponentiell zu, wenn die Anzahl der Kollisionen zunimmt, wodurch die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von Wi-Fi-Verbindungen abnimmt.
In dicht besiedelten Gebieten kann die Überlastung des Äthers so sein, dass die Verbindung im Bereich von 2,4 Gigahertz kaum kriecht. Dies führte dazu, dass in einer Reihe von Ländern Anbieter begannen, diesen Bereich für Video oder Sprache zu schließen, und die meisten Smartphone-Hersteller empfehlen im Allgemeinen nicht, 2,4-Gigahertz-WLAN zu verwenden. Der IEEE 802.11ac-Standard impliziert im Allgemeinen, dass nur im 5-GHz-Bereich gearbeitet wird, obwohl er abwärtskompatibel mit dem älteren IEEE 802.11n ist.
Modernes WLAN kann zur Hauptverkehrszeit mit einer stark befahrenen Autobahn verglichen werden. Wie oben erwähnt, geht es jedoch nicht nur um die Anzahl der Clientverbindungen. Der Übergang von 2,4 auf 5 GHz sollte das Problem der Kanalüberlastung lösen, aber gleichzeitig musste ich die Abdeckung opfern. Dies führte dazu, dass viele Benutzer anfingen, Hardwareverstärker zu verwenden und Mesh-Netzwerke aufzubauen, um in jedem Raum einen anständigen Signalpegel zu erreichen. Verstärker hören auf den Äther, empfangen ein Signal vom Router und duplizieren es mit höherer Leistung, manchmal auf einem anderen Kanal. Dies führt zu einer Zunahme der Anzahl von Überlagerungen von Wi-Fi-Übertragungen in denselben Frequenzbereichen.
Anbieter und Betreiber
Unter diesem Gesichtspunkt sind öffentliche Wi-Fi-Zugangspunkte zu einem echten Übel geworden. 2005 führte der spanische Anbieter Fon Wireless erstmals das Konzept von Community-Hotspots ein, die auf privaten Routern basieren. Heute gewinnt dieses Phänomen weltweit an Popularität. Einige Internetdienstanbieter begannen,
solche Punkte schnell für Abonnenten bereitzustellen, indem sie die Router ihrer Kunden verwendeten. Laut Juniper Research wird 2017 ein
Drittel der weltweiten Heimrouter als Zugangspunkt für die Community fungieren können. Ein Teil des Wi-Fi-Spektrums wird für diese Anforderungen zugewiesen, und die Besitzer der Router selbst werden nicht einmal davor warnen.
Das ist aber noch nicht alles. Das schnelle Wachstum der Anzahl von Smartphones hat dazu geführt, dass die für die Mobilkommunikation zugewiesene Frequenzbandbreite praktisch ausgeschöpft ist. Und Telekommunikationsbetreiber planen, in den kommenden Jahren einen erheblichen Teil der Last der mobilen Datenübertragung auf nicht lizenzierte Wi-Fi-Bänder zu übertragen. Ähnliche Technologien werden als LTE-U (LTE-Unlicensed) und LAA (Licensed Assisted Access) bezeichnet. Sie implizieren die Verwendung von 4G LTE und Routern zur Übertragung von Daten im gleichen 5-Gigahertz-Bereich wie Wi-Fi. Obwohl Telekommunikationsbetreiber behaupten, dass dies nur geringe Auswirkungen auf Wi-Fi-Benutzer haben wird, glauben einige
große Unternehmen , darunter Google und Microsoft, dass LTE-U und LAA die Wi-Fi-Kanäle definitiv verschlechtern und die Qualität der Kommunikation verringern werden.
Hast du Dame oder gehst du?
Weiter geht's: Im neuesten IEEE 802.11ac-Standard wurde die Anzahl der Kanäle reduziert, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, um hochauflösendes Video-Streaming zu übertragen und Batterien für mobile Geräte zu sparen, die Daten nur für eine begrenzte Zeit mit hohen Frequenzen übertragen. Der maximale Durchsatz wurde auf 1,3 Gbit / s erhöht. im Vergleich zu 450 Mb / s. in 802.11n. Dies wurde aber unter anderem durch die Kombination der Kanäle erreicht. In IEEE 802.11ac Wave 3 ist das gesamte verfügbare Wi-Fi-Spektrum im Allgemeinen in nur zwei Kanäle mit 160 MHz unterteilt, dh in diesem Modus können nur zwei Gerätepaare gleichzeitig arbeiten, ohne sich zu überlappen. Wenn Ihr Nachbar beispielsweise einen dieser beiden Kanäle verwendet, um einen Film anzusehen, und der andere Nachbar den zweiten Kanal verwendet, bleibt nichts mehr übrig.
Irgendwie verschwand plötzlich der Hauptvorteil des 5-GHz-Bereichs gegenüber dem 2,4-GHz-Band - eine große Anzahl nicht überlappender Kanäle.
Angesichts all dieser Faktoren besteht in den kommenden Jahren die Gefahr, dass Wi-Fi in Großstädten von einer schnellen Alternative zum mobilen Internet zu einer ärgerlich langsamen wird. Leider wird die weit verbreitete Einführung des 802.11ac-Standards, der breitere und schnellere, aber weniger Kanäle bietet, die Situation nur verschlechtern. Übrigens veröffentlichte die Telekommunikationsagentur Ofcom bereits 2013
eine Studie , in der das Erreichen eines kritischen Niveaus der Überlastung des Wi-Fi-Spektrums bis 2020 prognostiziert wurde.
DFS als vorübergehende Maßnahme
Erinnern Sie sich an Radargeräte, die Vorrang haben, einen Teil des 5-Gigahertz-Bereichs zu verwenden? Heutzutage werden diese Kanäle von Consumer-Geräten ignoriert. Wenn Sie sie jedoch massiv nutzen, kann dies das Bild vollständig verändern.
Wie der Kapitän vorschlägt, gibt es in Großstädten weit entfernt von jeder Ecke militärische und meteorologische Radargeräte, von denen viele auch nicht rund um die Uhr funktionieren. Daher kann dieser Teil des Spektrums von Consumer-Geräten genutzt werden, sofern der DFS-Mechanismus (
Dynamic Frequency Selection ) massiv implementiert ist: Der Router überwacht ständig die Aktivität der Prioritätssignalquellen und schaltet auf einen anderen Kanal um oder verringert die Sendeleistung, sobald das Radar zu arbeiten beginnt. DFS impliziert, dass der Kanal für die nächste halbe Stunde für 10 Sekunden freigegeben wird, selbst wenn ein 1-Millisekunden-Impuls von der Prioritätsquelle erkannt wird.
Die meisten in den letzten drei bis vier Jahren veröffentlichten Consumer-Geräte - hauptsächlich Smartphones, Tablets und Laptops - können DFS-Befehle verstehen, aber dafür müssen Router DFS-Master sein. Das heißt, es sind die Router, die für die Überwachung des Spektrums und die Freigabe benachbarter Kanäle verantwortlich sind.
Die Implementierung der DFS-Master-Funktion im Router ist jedoch nicht so einfach: Radarimpulse können aufgrund ihrer Vergänglichkeit (0,5 ms) und ihres extrem niedrigen Energieniveaus (-62 ..- 64 dB pro mlW) sehr schwer zu erkennen sein. Darüber hinaus verbrauchen Radarimpulserkennungs-Tools einen Teil der Bandbreite des Routers, da er gezwungen ist, ihn 60 Sekunden lang abzuhören, bevor er den Kanal verwendet, bevor er entscheidet, dass er frei ist, und auch zwischen Datenaustauschsitzungen abzuhören.
Bisher ist die DFS-Master-Funktion nur in teuren Routern zu finden, die normalerweise in großen Unternehmen eingesetzt werden. Aber allmählich dringt die DFS in niedrigere Preissegmente ein. Dies ist zwar auch kein Allheilmittel: Wenn ein Signal von einer Prioritätsquelle erkannt wird, muss der Router standardmäßig auf einen der Kanäle umschalten, auf den Nicht-DFS-Teil des 5-GHz-Spektrums, und dort ist es ziemlich "überfüllt". Darüber hinaus kehren moderne Router normalerweise erst nach einem Neustart zu den DFS-Kanälen zurück. In Unternehmenssystemen erfolgt dies täglich, und Heimrouter können wochen- und monatelang ohne Neustart arbeiten, bis die Eigentümer feststellen, dass die Wi-Fi-Geschwindigkeit zu niedrig ist und es Zeit für einen Neustart ist.
Tatsache ist, dass in modernen DFS-Implementierungen das Funkmodul jeweils nur einen Kanal abhört. Und wenn der DFS-Master den Kanal überwacht, sollte sein Funkmodul 60 Sekunden lang nichts an andere Kanäle senden, um das aktuelle Hören nicht zu beeinträchtigen. Um solche Situationen zu vermeiden, erfordern die meisten DFS-Implementierungen einen Neustart des Routers, um zum offenen DFS-Kanal zurückzukehren.
Wenn Sie jedoch eine effizientere Technologie zum Erkennen von Prioritätsquellen entwickeln, können die heute nicht genutzten Kanäle das 5-GHz-WLAN-Spektrum entladen. Sie können den Router beispielsweise mit einem Detektorsystem ausstatten - einem zusätzlichen Funkmodul zum Scannen des Spektrums und einem separaten Prozessor zum Erkennen von Radarimpulsen und Steuern von Kanälen. Gleichzeitig sollte das Detektorsystem vollständig vom Wi-Fi-Empfangs- / Sendesystem getrennt sein, wodurch die meisten Probleme moderner DFS-Implementierungen gelöst werden, wenn ein Prozessor sowohl für die Datenübertragung als auch für die Suche nach Prioritätssignalquellen verantwortlich ist. Mit einem separaten Funkmodul können Sie regelmäßig alle Kanäle scannen. Wenn im aktuellen Kanal eine Prioritätsquelle angezeigt wird, erkennt der Router, ob derzeit ein anderer DFS-Kanal geöffnet ist, und überträgt die Verbindung dorthin und nicht auf den öffentlichen Standardkanal. Ebenso kann der Router nach einer halben Stunde automatisch zum vorherigen DFS-Kanal zurückkehren, ohne die Verbindung zu unterbrechen.
Gleichzeitig hilft ein zusätzlicher Prozessor dabei, die Anzahl falscher Erkennungen zu minimieren und dadurch die Arbeitsdauer in DFS-Kanälen zu verlängern. Angesichts der wachsenden Belastung der Prozessoren moderner Router sieht der zweite Prozessor nicht nach einem Überschuss aus.
Im Prinzip ist dies alles auch eine vorübergehende Maßnahme: Je mehr Router jetzt inaktive Kanäle verwenden, desto schneller werden sie auch überlastet. Bis dahin könnten jedoch andere Bereiche für die Verwendung durch Wi-Fi-Netzwerke vereinbart werden. Oder wir müssen uns nur damit abfinden, dass Wi-Fi in ein paar Jahren in Megacities nicht mehr funktioniert, um es milde auszudrücken, nicht schnell.