Hoe werkt wifi?

Van modulatie tot mu-mimo

Mimo

Als je weleens een router hebt gekocht, is de kans groot dat er heel groot MIMO, 3X3 of zelfs 4X4 op de doos heeft gestaan. De letters 'mimo' betekenen kort samengevat dat de router de mogelijkheid heeft om verschillende radiochains tegelijk te gebruiken. Een radiochain bestaat weer uit een zender en een ontvanger. Dat aantal hoeft niet gelijk te zijn; je kunt bijvoorbeeld een router hebben met twee zenders en drie ontvangers. Dat wordt vervolgens genoteerd als: '2X3'. In de meeste gevallen is het aantal zenders en ontvangers gelijk, bijvoorbeeld 3X3.

Tot en met Wi-Fi 3 was siso de norm, maar bij Wi-Fi 4 werd mimo geïntroduceerd. Mimo staat voor multiple input, multiple output en is het tegenovergestelde van siso, single input, single output. Mimo betekent dus dat er verschillende radiochains worden gebruikt om data te verzenden en te ontvangen. De router kan die radiochains op diverse manieren inzetten en mimo is een verzamelnaam die aangeeft dat er verschillende radio's gebruikt kunnen worden. Het geeft echter niet aan op welke manier. Je kunt ze bijvoorbeeld inzetten om de overdrachtssnelheid te verhogen, maar ook om het signaal verder te laten reiken.

Spatial multiplexing

Wat kun je allemaal doen met die verschillende radiochains? De meest voor de hand liggende optie is het versturen van meer data over meer antennes. Die techniek wordt spatial multiplexing genoemd en zorgt ervoor dat een router met twee of meer antennes zendt. Stel, je hebt een 3X3-router. Dan heb je dus de beschikking over drie keer zoveel antennes als wanneer je een siso-router hebt en simpel gezegd kun je met behulp van spatial multiplexing je snelheid verdriedubbelen.

Dat gebeurt als volgt. Stel, je probeert de boodschap '0123456789ABCDEF' te verzenden. Dan knipt een 4x4-router die in stukjes. De eerste radiochain zendt '0123', de tweede '4567', de derde '89AB' en de vierde 'CDEF'. Die boodschappen worden tegelijk verstuurd en komen ongeveer op hetzelfde moment aan bij de client. De client waar de data naartoe wordt gestuurd, plakt de data in de juiste volgorde aan elkaar en op die manier kun je dezelfde boodschap versturen in een kwart van de tijd die een siso-router erover zou doen, wat gelijkstaat aan een verviervoudiging van de bandbreedte. Onder dezelfde omstandigheden is 4x4 dus vier keer zo snel als 1x1.

Dat klinkt heel makkelijk, maar dat is niet altijd het geval. Je router moet om te beginnen wel die vier spatial streams ondersteunen. Als je 4X4-router die vier spatial streams ondersteunt, moet dat eigenlijk als volgt genoteerd worden: 4X4:4, maar dat is een aanduiding die de doos van de router vaak niet haalt. Een groter probleem is in de praktijk dat de client waarmee je verbindt, vervolgens ook vier spatial streams moet kunnen ontvangen. Is die client een goedkope laptop, dan zit er vaak een 1X1-netwerkkaart in en anders is het vrijwel altijd een 2X2-netwerkkaart; 3X3 komt bij 802.11ac-laptops nauwelijks voor. High-end smartphones hebben vaak antennes in 2x2-opstelling, maar goedkope modellen blijven op 1x1 steken. Voor de 802.11ac-generatie bestaan er wel netwerkkaarten voor desktops die tot 4X4 ondersteunen, maar voor de 802.11ax-generatie zijn die er nog niet en blijf je steken op 2X2. De snelheid die je uiteindelijk haalt, is dus afhankelijk van het aantal radiochains van het accesspoint en van de draadloze clients.

Daarnaast moeten de radiochains een goede verbinding met de client hebben. Anders zal de router er waarschijnlijk voor kiezen om een andere vorm van mimo te gebruiken die langzamer is, maar wel een beter bereik kan bieden.

Space-time block coding

Stel, je maakt gebruik van de 4X4:4-router, maar je hebt een client, zoals een laptop, met een 2X2-netwerkkaart. Dan kun je alsnog gebruikmaken van de vier antennes, dankzij space-time block coding. De router stuurt dan dezelfde spatial stream over twee antennes. De TX-1- en TX-2-radio's sturen dus dezelfde data, terwijl TX-3 en TX-4 onderling ook dezelfde data sturen. De verbinding wordt betrouwbaarder doordat de kans op corrupte data kleiner is. Vooral bij slechte omstandigheden kan stbc een snelheidswinst van een procent of 20 opleveren. In dit voorbeeld wordt bovendien van spatial multiplexing gebruikgemaakt, omdat TX-1 en TX-2 andere data verzenden dan TX-3 en TX-4.

Beamforming

Een andere manier om verschillende radiochains op de router in te schakelen, is door transmit beamforming. Daarbij stuurt de router twee sinussen in fase naar de client toe. Eerder in dit artikel ging het over faseverschuiving en hoe je op die manier het signaal kunt moduleren. Bij beamforming gaat het erom dat de router het gemoduleerde signaal zodanig verstuurt dat beide golven in fase lopen. Op die manier wordt het signaal versterkt en zal het verder reiken. Net als bij space-time block coding maakt het niet uit hoeveel spatial streams de client accepteert. Bij een 4X4:4-router en een 2X2:2-client kan de client twee spatial streams accepteren, terwijl de router zijn andere twee radiochains voor beamforming gebruikt.

Beamforming werd met de 802.11n-standaard geïntroduceerd en werd met de 802.11ac- en 802.11ax-standaarden verbeterd met explicit beamforming. Het gaat wat ver om in detail te treden bij de manier waarop explicit beamforming werkt, maar het belangrijkste is dat router en client hierbij kunnen onderhandelen, wat het vormen van de beam verbetert, wat weer tot meer bandbreedte en/of een grotere reikwijdte leidt. De snelheidswinst van beamforming bedraagt een procent of vijf.

Vrijwel alle moderne accesspoints maken gebruik van mimo, maar het is zelden duidelijk welke vorm van mimo het accesspoint op een specifiek moment toepast. Spatial multiplexing is echter de toepassing van mimo die de meeste bandbreedte oplevert en die wordt dan ook meestal vermeld op de doos van de router. Heb je bijvoorbeeld een 802.11ax-router, dan kun je met het gebruik van één spatial stream maximaal 1201Mbit/s halen als je een 160MHz breed kanaal gebruikt. Accesspoints en routers die aangeven 2400Mbit/s te halen, maken daardoor dus altijd gebruik van spatial multiplexing. Ze maken meestal ook gebruik van space time block coding en beamforming, maar de toepassing daarvan is 'onzichtbaar'.

• Volgende pagina 5. Coderate en guard-interval