Door Jelle Stuip

Redacteur

Hoe werkt wifi?

Van modulatie tot mu-mimo

Modulatie en ruis

Berserkerus, CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons

In de inleiding hadden we het nog over een 'wifirouter', maar eigenlijk zijn router en accesspoint twee verschillende apparaten die vaak gecombineerd worden in een 'wifirouter'. In dit artikel richten we ons alleen op wifi en zullen we daarom spreken van accesspoint in plaats van 'wifirouter'.

Een wifisignaal wordt uitgezonden door je accesspoint, aangesloten op je bedrade netwerk. De enen en nullen waarin computers communiceren, komen daarin binnen en worden omgezet in een draadloos signaal. In een draadloze router of een draadloos accesspoint is de radiozender (en transmitter) daarvoor verantwoordelijk en die zender genereert met behulp van elektrische energie een sinusgolf. Dat is een regelmatige golf, zoals bovenaan het gifje hiernaast. Daarmee kun je echter geen informatie versturen. Om de golf informatie mee te geven, kan de zender die sinus manipuleren, oftewel moduleren. Dat kan de zender op drie manieren doen. De eerste manier is door de amplitude van de golf groter of kleiner te maken. De amplitude is de uitslag van de golf ten opzichte van de evenwichtsstand. De modulatie daarvan wordt bijvoorbeeld bij analoge radiozenders gedaan op de AM-, of wel de amplitude-modulatieband.

Je kunt echter ook de frequentie van het signaal moduleren, zoals voor analoge radio op de FM-band gedaan wordt. Daarbij wordt de frequentie van het signaal gemoduleerd, zoals het blauwe lijntje in de afbeelding hiernaast laat zien. Tot slot kun je ook de fase moduleren. Daarbij wordt de sinus als het ware verschoven. Als je hem een halve golflengte naar rechts of naar links schuift, ben je 180 graden uit fase. Je kunt de sinus ook een kwart golflengte verschuiven, zodat je 90 graden uit fase bent, of andere stappen gebruiken.

Fasemodulatie. Anton, CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons
FSK. Demm, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

Het doel van de modulatie van het signaal is het overbrengen van die eerdergenoemde enen en nullen. De manier waarop dat gedaan wordt, is een keying method. Fsk, oftewel frequency shift keying is zo'n keying method. Daarbij hebben zender en ontvanger een protocol afgesproken waarbij specifieke veranderingen van de frequentie een betekenis hebben. In het voorbeeld hiernaast zie je bijvoorbeeld dat twee keer dezelfde sinusperiode in een bepaald tijdsbestek codeert voor een nul. Als de frequentie echter verdubbelt en er in dezelfde tijd vier periodes worden verstuurd, codeert dat voor een één. We gaan er even vanuit dat het signaal zonder problemen bij de ontvanger terechtkomt. Die ontvanger herkent de gemoduleerde sinus en kan hem terugvertalen naar enen en nullen. Er is op deze manier een 1bit-dataoverdracht gevormd. In dit voorbeeld is de sinus namelijk alleen zo te manipuleren dat je een nul of een één verstuurt.

Naast fsk bestaan er ook psk en ask, die staan voor phase shift keying en amplitude shift keying. Het principe waarop data wordt overgedragen, is bij die keying methods ook door de sinus te manipuleren. Het signaal wordt bij die keying methods gemoduleerd door de fase of de amplitude te veranderen. In een notendop is dat hoe data via een elektromagnetische golf verstuurd kan worden. Bij het voorbeeld hierboven werd alleen de frequentie gemoduleerd, maar dat is niet echt efficiënt, want het resultaat is een 1bit-dataoverdracht. Voor wifi zijn daarom betere modulatietechnieken bedacht.

QAM-modulatie

QAM is zo'n efficiëntere modulatietechniek voor wifi, die ook bij andere manieren van communicatie gebruikt wordt. Ook de coaxkabel die je huis inkomt, maakt er gebruik van voor digitale televisie en internetsignalen, maar ook dsl-aansluitingen en 4g gebruiken QAM. De afkorting staat voor quadrature amplitude modulation en het is een techniek die ervoor zorgt dat je meer bits kunt versturen in een periode. Daarbij wordt tegelijk gebruikgemaakt van amplitude- en fasemodulatie.

Chris Watts, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

We schreven eerder al over de faseverschuiving, waarbij het signaal 90 of 180 graden uit fase kan zijn, maar je kunt ook kleinere stapjes zetten en op die manier meer mogelijkheden aanbrengen. Bij 16QAM is de fase in twaalf stapjes te verschuiven en in vier van die twaalf stappen kan ook de amplitude variëren. Er ontstaan daardoor zestien mogelijkheden waarin de sinus gemoduleerd kan worden. Die zestien mogelijkheden corresponderen met vier bits, zoals je kunt zien in de gif hiernaast. Op die manier kun je met een golflengte dus niet één bit aan data versturen, zoals bij het voorbeeld van fsk hierboven, maar vier bits. Net als bij het voorbeeld hierboven wordt er dus een gemoduleerde golf verstuurd, waarbij de ontvanger naar de vorm van de sinus kijkt. Is de sinus bijvoorbeeld 225 graden uit fase en zit de amplitude op 25 procent, dan weet de ontvanger dat de vier bits '1100' verzonden moeten zijn. In dezelfde tijd kan er op deze manier dus vier keer zo veel informatie verstuurd worden als in het eerdere voorbeeld van 1bit-modulatie.

Nu is vier bits tegelijk versturen natuurlijk mooi, maar waarom zou je niet nog meer 'stapjes' in het signaal aanbrengen? Bij de introductie van de 802.11g-standaard werd daarom niet alleen 16QAM als modulatiemethode toegevoegd, maar ook 64QAM, dat voor zes bits codeert. Met de introductie van de 802.11ac-standaard werd er nog een schepje bovenop gedaan. Toen werd 256QAM toegevoegd, waarbij nog meer stappen in variatie van de fase en amplitude werden toegevoegd, waardoor er acht bits (28=256) tegelijk verstuurd kunnen worden. Met de introductie van de 802.11ax-standaard werd vervolgens 1024QAM toegevoegd, waardoor er tien bits (210=1024) in een periode verstuurd kunnen worden.

Het nadeel van het toepassen van een 'fijnmazigere' modulatietechniek is dat het lastiger wordt voor de ontvanger om te onderscheiden waarvoor het signaal gemoduleerd is. In de gif hierboven zijn er zestien verschillende 'vormen' die een sinus kan aannemen, maar als er 1024 van die mogelijke vormen zijn, wordt het lastig voor de ontvanger om uit te vogelen wat de zender precies bedoelt. Als je verder bij de zender vandaan staat, begint het signaal uit te doven en als de buren ook aan het zenden zijn, levert dat storing in je eigen signaal op. Die factoren maken dat het moeilijk wordt voor de ontvanger om de boodschap te herkennen en terug te vertalen naar de enen en nullen waarvoor gecodeerd is.

Het 1024QAM-signaal wordt op een gegeven moment dus 'onleesbaar' voor de ontvanger. De router zal terug moeten schakelen naar 256QAM en eventueel naar nog eenvoudigere keying methods. Als er maar zestien opties zijn, zoals bij 16QAM, is het voor de ontvanger immers een stuk eenvoudiger om te ontcijferen welke bits de zender probeerde te versturen, dan als er 1024 opties zijn. Keerzijde van de medaille is natuurlijk dat er 2,5 keer minder data verstuurd wordt: 4 in plaats van 10bit. Bij wifi worden nog twee eenvoudigere keying mehthods dan 16QAM gebruikt: qpsk en bpsk. Die keying methods maken alleen van faseverschuiving gebruik. De eerste codeert voor 2bit, terwijl de tweede voor 1bit codeert.

Ruis

De kwaliteit van een draadloos signaal kan op verschillende manieren minder worden. Het dooft uit als je verder bij je accesspoint vandaan gaat staan en andere apparaten het wifisignaal kunnen storen. Andere wifiapparatuur van de buren kan dat doen, maar ook magnetrons en babyfoons. Als de signaalkwaliteit lager wordt, wordt teruggeschakeld naar een lager mcs-niveau.

Afbeelding: Cisco

De signaalsterkte aan de kant van de ontvanger wordt ook wel de rssi, oftewel de received signal strength indication genoemd. De rssi wordt uitgedrukt in decibels en hoe hoger de waarde, hoe sterker het ontvangen signaal. Een rssi-waarde op zich zegt alleen niet zoveel, want er is ook altijd achtergrondruis aanwezig, wat ook wel de noise floor genoemd wordt. De noise floor kun je meten met behulp van een spectrum analyzer en wordt gevormd door de achtergrondruis.

Die signaalkwaliteit moet je dus in relatie zien tot de achtergrondruis en daarom wordt ze uitgedrukt in een signal-to-noiseratio. Stel, je noise floor is -100dBm en je ontvangt een wifisignaal met -85dBm, dan is de signal-to-noiseratio 15dB. Een snr van 25dB of meer wordt gezien als een goed wifisignaal, terwijl minder dan 10dB slecht is.

Tweakers maakt gebruik van cookies

Tweakers plaatst functionele en analytische cookies voor het functioneren van de website en het verbeteren van de website-ervaring. Deze cookies zijn noodzakelijk. Om op Tweakers relevantere advertenties te tonen en om ingesloten content van derden te tonen (bijvoorbeeld video's), vragen we je toestemming. Via ingesloten content kunnen derde partijen diensten leveren en verbeteren, bezoekersstatistieken bijhouden, gepersonaliseerde content tonen, gerichte advertenties tonen en gebruikersprofielen opbouwen. Hiervoor worden apparaatgegevens, IP-adres, geolocatie en surfgedrag vastgelegd.

Meer informatie vind je in ons cookiebeleid.

Sluiten

Toestemming beheren

Hieronder kun je per doeleinde of partij toestemming geven of intrekken. Meer informatie vind je in ons cookiebeleid.

Functioneel en analytisch

Deze cookies zijn noodzakelijk voor het functioneren van de website en het verbeteren van de website-ervaring. Klik op het informatie-icoon voor meer informatie. Meer details

janee

    Relevantere advertenties

    Dit beperkt het aantal keer dat dezelfde advertentie getoond wordt (frequency capping) en maakt het mogelijk om binnen Tweakers contextuele advertenties te tonen op basis van pagina's die je hebt bezocht. Meer details

    Tweakers genereert een willekeurige unieke code als identifier. Deze data wordt niet gedeeld met adverteerders of andere derde partijen en je kunt niet buiten Tweakers gevolgd worden. Indien je bent ingelogd, wordt deze identifier gekoppeld aan je account. Indien je niet bent ingelogd, wordt deze identifier gekoppeld aan je sessie die maximaal 4 maanden actief blijft. Je kunt deze toestemming te allen tijde intrekken.

    Ingesloten content van derden

    Deze cookies kunnen door derde partijen geplaatst worden via ingesloten content. Klik op het informatie-icoon voor meer informatie over de verwerkingsdoeleinden. Meer details

    janee