WDRAŻANIE WI-FI 5, 6 I 7 W PLACÓWKACH EDUKACYJNYCH

W ciągu ostatnich lat, bezprzewodowe punkty dostępowe WAP’s (ang. Wireless Access Points) zyskały na znacznej popularności w środowiskach edukacyjnych. Wynika to głównie ze znacznego rozpowszechnienia się urządzeń bezprzewodowych. W związku z tym WAP’y zwiększyły liczbę urządzeń klienckich, którą mogą jednocześnie obsłużyć, z kilkudziesięciu odbiorców do ponad 200. Działania te podjęto, by sprostać stale rosnącej liczbie urządzeń klienckich na osobę.

Przewiduje się, że do roku 2025 średnia liczba urządzeń sieciowych na osobę wzrośnie do 6-10

Standardy i technologie wspierające WAP również odnotowały ogromny postęp w dość krótkim czasie, aby dostosować się do wzrostu liczby urządzeń bezprzewodowych. W ciągu zaledwie 10 lat w technologii bezprzewodowej pojawiły się standardy: 802.11n, 802.11ac (wave 1 i wave 2) i obecny 802.11ax. Przez Wi-Fi Alliance określane są kolejno jako Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 i Wi-Fi 6. Najnowszy standard oferuje: zwiększoną szybkość transmisji danych, wydłużony czas pracy urządzeń końcowych na baterię, większą pojemność i wydajność dla środowisk o dużym zagęszczeniu oraz zmniejszone opóźnienia. Dzięki temu Wi-Fi 6 ma szansę stać się największym i najszybciej rozwijającym się standardem bezprzewodowym w historii.

W standardach Wi-Fi 4, 5, i 6 nastąpiła znaczna poprawa w zakresie: możliwości obsługi większej liczby urządzeń sieciowych na punkt dostępowy, wyższych prędkości przesyłania danych oraz większego zagęszczenia AP. Obecnie, gdy Wi-Fi 6 nie jest jeszcze powszechnie wdrażanym standardem, specjaliści opracowują kolejną generację zwaną Wi-Fi 7 (802.11be), która ma być ulepszoną wersją poprzednika.

Rozwój bezprzewodowych punktów dostępowych. Wykres przedstawia wzrost zainteresowania standardem Wi-Fi 6 większy niż przy jakimkolwiek innym standardzie.

Wykres powyżej przedstawia wzrost i spadek popularności wśród różnych technologii bezprzewodowych. Zauważyć można, że standard 802.11ax zdominuje pozostałe oraz wyróżni się największą liczbą sprzedanych urządzeń, świadczących Wi-Fi 6. Postępująca szybko ewolucja w zakresie technologii bezprzewodowych stanowi obciążenie dla infrastruktury kablowej, dzięki której działa i obsługuje użytkowników końcowych.

W artykule znajdziecie: 

  • przegląd obecnych i przyszłych technologii bezprzewodowych;
  • omówienie standardu Wi-Fi 6 i kierunku, w którym zmierza Wi-Fi 7;
  • wgląd i wyjaśnienie zaszytych technologii w najnowszych standardach oraz ich wpływ na szybkość transmisji danych oraz gęstość rozmieszczenia AP;
  • zalecenia dotyczące infrastruktury kablowej pod wdrożenia sieci WLAN.

 

PRZEGLĄD TECHNOLOGII WI-FI

W tabeli poniżej zebrano różnice pomiędzy Wi-Fi 4 a przyszłym Wi-Fi 7.

Zamieszczona prędkość transmisji danych (6933 Mb/s dla Wi-Fi 5 i 9607,8 Mb/s dla Wi-Fi 6) odnosi się do maksymalnych wartości osiąganych dla portu Wi-Fi.

Tabela przedstawiająca różnice w standardach od Wi-Fi 4 do Wi-Fi 7

Symbol
Nazwa 802.11n 802.11ac 802.11ax 802.11be
Wi-Fi Alliance 
Znak certyfikacji 		 do ustalenia
Pasma 2.4 lub 5 GHz 5 GHz 2.4 GHz i 5 GHz
kompatybilność z 6 GHz		 2.4 GHz, 5 GHz i 6 GHz
Szybkość transmisji danych (teoretyczne maksimum) 576 Mb/s 6933 Mb/s 9607.8 Mb/s > 10 Gb/s
Strumienie przestrzenne 4 8 (teoretycznie mało prawdopodobne przekroczenie 4) 8 do ustalenia
Formowanie wiązki (ang. beamforming) tak tak tak tak
Wymagania dotyczące okablowania kategoria 6 kategoria 6A kategoria 6A 2x kategoria 6A
Wymagania PoE (pełna funkcjonalność AP) bez ograniczeń
802.3af PoE		 bez ograniczeń
802.3at PoE+		 tak tak
Wymagania PoE (rozszerzona funkcjonalność AP) – – bez ograniczeń
802.3bt PoE++		 2x kategoria 6A

 

Wi-Fi® i logo Wi-Fi CERTIFIED są zarejestrowanymi znakami towarowymi Wi-Fi Alliance®.

 

OKABLOWANIE KAT. 6A WYMOGIEM DLA SIECI WI-FI

Kable kategorii 6A są najczęściej stosowanym okablowaniem na rynku. Zaleca się je również do wdrożeń bezprzewodowych, gdyż obsługują standard 10GBASE-T i zapewniają optymalną wydajność PoE.

Ze względu na najlepsze praktyki firma Panduit zaleca stosowanie kabli kategorii 6A dla sieci bezprzedowowych w standardzie Wi-Fi 5 i wyższym.

 

WI-FI 7 I PRZYSZŁOŚĆ

Wi-Fi 7 to kolejna generacja sieci bezprzewodowych określana mianem Wi-Fi o ekstremalnie wysokiej przepustowości EHP (ang. Extremely High Throughput). Grupa specjalistów opracowywuje standard IEEE 802.11be, a Federalna Komisja Łączności FCC (ang. Federal Communications Commission) planuje udostępnić nowe spektrum pomiędzy 5.925 i 7.125 GHz, oprócz tych powszechnie używanych 2.4 GHz i 5 GHz. Nowa pasmo umożliwiłoby wykorzystanie 1200 MHz dodatkowej szerokości w porównaniu z dostępnym 500 MHz w 5 GHz i 90 MHz w 2.4 GHz. Prowadzone są również badania nad technologiami dla Wi-Fi 7 takimi jak skoordynowany wielodostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości OFDMA (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), skoordynowany beamforming/ sterowanie zerowe (ang. coordinated null steering) i rozproszone MIMO (ang. Multiple-Input Multiple-Output), by usprawnić formowanie wiązki i wykorzystać możliwości techniki MIMO .

Grupa specjalistów pracujących nad 802.11be postanowiła zastosować dwa kable kategorii 6A na punkt dostępowy, zapewniając w ten sposób wymaganą przepustowość oraz wykorzystując powszechnie stosowany typ okablowania. 

 

ULEPSZENIA W STOSUNKU DO WI-FI 5 I WI-FI 6

Zalety i przewaga Wi-Fi 6 nad Wi-Fi 5:

  • Szybkość transmisji danych dla urządzeń końcowych przyspieszona nawet do 4x. OFDMA, beamforming i ulepszona modulacja pozwala na zwiększenie szybkości transmisji danych dla użytkowników.
  • Zwiększona przepustowość. OFDMA, ulepszona technika MIMO i beamforming pomagają zwiększyć całkowitą przepustowość.
  • Lepsza wydajność w środowiskach z wieloma urządzeniami. Beamforming i wykorzystanie pasma 2.4 GHz pomaga w obsłudze urządzeń IoT.
  • Dłuższa żywotność baterii dla urządzeń końcowych. Wi-Fi 6 wykorzystuje funkcję „target wake time” TWT, która umożliwia radiu „zasypianie” w przypadku bezczynności i „budzenie się” dla odebrania transmisji. Mechanizm ten przekłada się na mniejsze zużycie energii, nie tracąc przy tym na wydajności.
  • Redukcja opóźnień do poziomu poniżej 1 ms. Poprawa czasu opóźnień dzięki zastosowaniu OFDMA.

Trzy kluczowe technologie, które odpowiadają za wymienione usprawnienia to OFDMA, zwiększona liczba wykorzystywanych pasm oraz beamforming. Ostatnie dwie pozwalają również na lepsze zagęszczenie punktów dostępowych.

 

PASMA

Pasmo to określony zakres częstotliwości w ramach nielicencjonowanego widma, w którym działa punkt dostępu. Wi-Fi 5 wykorzystuje pasmo częstotliwości 5 GHz, a Wi-Fi 6 zarówno 5 GHz jak i 2.4 GHz, z możliwością działania w zakresie 6 GHz. Dla Wi-Fi 7 wybrano zakres 2.4 GHz, 5 GHz i 6 GHz.

Praca w wielu zakresach częstotliwości daje Wi-Fi 6 i Wi-Fi 7 możliwość obsługi większej liczby użytkowników i większego zagęszczenia punktów dostępowych. Ponadto, transmisja w paśmie 2.4 GHz bazuje na dłuższych falach radiowych, które lepiej radzą sobie z przenikaniem przez obiekty stałe, takie jak ściany i podłogi.

 

OFDMA kontra OFDM

Jednym z największych ulepszeń wprowadzonych w Wi-Fi 6 jest wykorzystanie OFDMA, które zapewnia 4-krotną poprawę przepustowości, zmniejszając opóźnienia do 1 ms i umożliwiając znacznie bardziej wydajną sieć. Prostym sposobem na zrozumienie różnic między OFDMA i OFDM jest przeanalizowanie przykładu ciężarówki załadowanej paletami. W przypadku Wi-Fi 5 palety są puste lub wypełnione tylko jednym produktem. W wypadku OFDMA towary mogą być łączone na paletach, co oznacza, że pojazd można bardziej obciążyć załadunkiem. W związku z tym użytkownicy wymagający wyższych przepustowości zyskują dodatkowe pasmo od użytkowników wymagających niższych przepustowości.

OFDMA w Wi-Fi 6 pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie pasma niż OFDM, co można zauważyć na przykładzie palet w ciężarówce. OFDMA poprawia przepustowość przy jednoczesnym zmniejszeniu opóźnień

 

BEAMFORMING I STRUMIENIE PRZESTRZENNE

Beamforming kształtuje wzór promieniowania bezprzewodowych punktów dostępowych WAP w systemie wieloantenowym. W ten sposób zostaje skupiona energia w kierunku urządzenia (urządzeń) klienckiego z którym zachodzi komunikacja. Jest to realizowane poprzez modyfikację fazy sygnału z każdej anteny, co wywołuje interferencje (nakładanie się) fal, prowadzące do ich dodawania się i wzmocnienia (interferencja konstruktywna) lub do odejmowania się i wzajemnego wygaszania (interferencja destruktywna). Utworzone w ten sposób wiązki (ang. beams) pozwalają wzmocnić siłę sygnału (nawet o 3 dB) docierającą do urządzeń końcowych, co przekłada się na wyższą prędkość transmisji danych, większy zasięg i/ lub możliwość przestrzennego rozróżnienia urządzeń klienckich.

Technologia beamforming pozwala na zwiększenie gęstości rozlokowania bezprzewodowych punktów dostępowych, ponieważ zmniejsza szanse na rywalizację sąsiadujących ze sobą AP. Strumień przestrzenny (ang. spatial data stream) to zakodowany sygnał danych, w którym rozróżnianie wielu strumieni odbywa się za pomocą ortogonalnego słowa kodowego (słów kodowych) (ang. orthogonal code words). Każda antena może obsługiwać jeden strumień przestrzenny, a w ramach jednej wiązki może być transmitowanych wiele strumieni. Zarówno Wi-Fi 5 jak i Wi-Fi 6 mogą teoretycznie obsługiwać do ośmiu strumieni przestrzennych, choć w praktyce spodziewane jest wykorzystanie tylko czterech strumieni dla implementacji Wi-Fi 5. Wiele strumieni przestrzennych może być agregowanych w odbiorniku w celu liniowego zwiększenia szybkości transmisji danych o liczbę strumieni, które odbiera. Większa liczba strumieni przestrzennych, oprócz zwiększonej szybkości transmisji danych, pozwala na gęstsze rozlokowanie punktów dostępowych Wi-Fi 6 w porównaniu z Wi-Fi 5. 

Przykład formowania wiązki z jednym strumieniem przestrzennym (po lewej) i trzema strumieniami przestrzennymi (po prawej)

 

CO Z 5G?

Pojawiły się spekulacje, że sieć 5G zastąpi Wi-Fi, ponieważ jest w stanie oferować podobne prędkości i niezawodność działania. Jednak zamiast wyparcia Wi-Fi oczekuje się, że sieć 5G będzie podobna do poprzednich generacji sieci komórkowych, a Wi-Fi nadal pozostanie najczęściej wybieranym rozwiązaniem do budowy wewnętrznych sieci w przedsiębiorstwach.

 

SZEROKOŚĆ PASMA

Wi-Fi działa w nielicenjonowanym spektrum częstotliwości zakładającym: ok. 90 MHz szerokości w paśmie 2.4 GHz, ok. 500 MHz w 5 GHz i ok. 1200 MHz w 6 GHz, co daje w sumie całkowitą szerokość pasma ok. 1790 MHz. 5G działa natomiast w licencjonowanym paśmie częstotliwości. Każdy operator ma wydzielone swoje pasmo o szerokości ok. 200 MHz.

Porównanie dostępnych szerokości pasma dla sieci Wi-Fi i 5G 

 

PRZEPUSTOWOŚĆ

Kluczową różnicą pomiędzy 5G a Wi-Fi jest przepustowość mierzona zazwyczaj w Mb/s/m2 (ang. data rate density). Sieci Wi-Fi wdrażane w obszarach o dużym zagęszczeniu użytkowników (sale wykładowe, stadiony czy akademiki z wieloma urządzeniami podłączonymi do sieci) w najnowszym standardzie Wi-Fi 6 są w stanie zapewnić przepustowość ok. 400 Mb/s/m2, a 5G ok. 10 Mb/s/m2. Różnica w wielkości tego parametru wynika głównie z faktu, że na potrzeby usług Wi-Fi została udostępniona znacznie większa szerokość pasma.

 

SIECI WEWNĘTRZNE

Przewiduje się, że wewnętrzna sieć 5G będzie wymagać aktywnego, rozproszonego systemu antenowego DAS (ang. Distributed Antenna Systems) opartego na okablowaniu strukturalnym LAN. Przekłada się to na potrzebę stosowania takich produktów jak wewnętrzne stacje bazowe (ang. indoor small cellls), wewnętrzne jednostki radiowe 5G (ang. 5G indoor radio units), jednostki pasma podstawowego (ang. a baseband to radio connect) czy jednostki połączenia z siecią bazową (ang. a core network connection). By zapewnić w budynku możliwość korzystania z usług różnych operatorów wymieniony sprzęt musiał by zostać powielony, co znów znacznie zwiększa wielkość inwestycji.

Sieci Wi-Fi są bardziej uniwersalne i umożliwiają współpracę ze wszystkimi urządzeniami bezprzewodowymi. W związku z tym w przypadku sieci wewnętrznych jest to rozwiązanie, którego wdrożenie zapewnia uniwersalny zasięg przy zmniejszych kosztach. Wzrost zainteresowania usługą VoWiFi (ang. Voice over Wi-Fi) sprawia, że sieci Wi-Fi zaczynają dominować w wewnętrznych sieciach korporacyjnych.

W oparciu o przedstawione trendy spodziewany jest wzrost ruchu wprowadzanego przez urządzenia mobilne, korzystające z sieci komórkowych do sieci Wi-Fi z 54% w 2017 roku do 59% w 2022. Przerzucone w ten sposób dane, czyli z sieci komórkowych do sieci Wi-Fi (ang. Wi-Fi Offloading) odciążąją sieci komórkowe i zapewniają użytkownikowi końcowemu bardziej dostępną transmisję danych. Ta możliwość przenoszenia aktywności jest tym bardziej kluczowa, że wraz z wejściem 5G na rynek przewiduje się wzrost obciążenia nawet do 71% do 2022 roku. Ponad to są to przesłanki za współistnieniem Wi-Fi i 5G w najbliżej przyszłości.

 

WPŁYW NA PROJEKT OKABLOWANIA

Zaprojektowanie solidnej instalacji kablowej dla Wi-Fi 6 i nowszych ma pierwszorzędne znacznie, by mieć pewność, że infrastruktura:

  1. sprosta obecnym i przyszłym prędkością transmisji danych oraz wymaganiom PoE,
  2. zapewni maksymalnie długą żywotność sieci oraz zwrot z inwestycji ROI (ang. Return On Investment). 

 

W artykule przedstawione zostaną jeszcze kluczowe informacje obejmujące:

  1. zapotrzebowanie na dostęp do danych o przepustowości 10 Gb/s przez Wi-Fi 6,
  2. Wi-Fi 6 i nowsze standardy, które udoskonaliły technologie, takie jak kształtowanie wiązki i zwiększenie przepustowości dla kilku pasm, które umożliwiają zagęszczenie punktów dostępowych,
  3. przewidywania o przekroczeniu prędkości 10 Gb/s przez przyszłe technologie takie jak Wi-Fi 7 i związane z tym zalecenia projektowe – stosowanie dwóch kabli kategorii 6A na każdy port dostępowy, aby umożliwić przesyłanie danych z prędkością do 20 Gb/s.

Najpierw parę faktów. Po pierwsze, kategoria 6A jest standardem, zapewniającym pewną obsługę PoE i możliwość przesyłania danych z szybkością do 10GBASE-T. Po drugie, przyszłe technologie Wi-Fi mogą wymagać co najmniej dwóch kabli kategorii 6A do obsługi przesyłu danych z prędkościami przekraczającymi 10 Gb/s. Po trzecie, ze względu na technologie takie jak beamforming, punkty dostępowe będą musiały być rozmieszczone bliżej siebie, co oznacza ich większe zagęszczenie. Z tego powodu zaleca się zastosowanie dwóch kabli kategorii 6A, aby obsłużyć dodatkowe punkty dostępowe pracujące z szybkością powyżej 10 Gb/s.

W związku z powyższymi sformułowaniami zaleca się doprowadzenie do każdego punktu dostępowego co najmniej czterech kabli kategorii 6A, co uzasadniono na rysunku poniżej.

 

Przykład zastosowania czterech kabli na punkt dostępowy w celu zwiększenia gęstości (dzień 2) oraz agregacji portów w celu zwiększenia wydajności punktu dostępowego (dzień 3), przy wykorzystaniu tej samej infrastruktury kablowej, co w dniu 1

 

KOSZT WDROŻENIA DODATKOWYCH POŁĄCZEŃ DZIŚ I JUTRO

Obecnie może być trudno uzasadnić konieczność instalacji czterech kabli do AP zamiast jednego jak dotychczas. Należy jednak wziąć pod uwagę o ile łatwiej, szybciej i taniej można zwiększyć gęstość punktów dostępowych oraz zapewnić agregację łączy w razie potrzeby, gdy mamy już wdrożone dodatkowe linki. Doprowadzanie tych połączeń jest znacznie droższe, gdy budynek jest już wykończony i użytkowany. Inwestycja ta oprócz kosztów za wizję lokalną i instalację, pochłania więcej czasu przez utrudniony teren wdrożenia.

W tabeli poniżej zamieszczono szacunkowe koszty dla różnych wariantów instalacji czterech kabli. Kwota jest w większym stopniu uzależniona od nakładów pracy na wykonanie instalacji niż od ceny okablowania. Jak można zauważyć, całkowity koszt jest niższy w przypadku instalacji wszystkich kabli od razu.

Tabela przedstawiająca opcje instalacji kabli i ich względne koszty

 

PODSUMOWANIE

Generacje w technologii bezprzewodowej takie jak Wi-Fi 6 i następne będą wymagać infrastruktury kategorii 6A, która wspiera 10GBASE-T i PoE. Nowe standardy będą wykorzystywać większą szerokość pasma oraz koszystać z ulepszonego beamforming’u, co przełoży się na zwiększenie szybkości transmisji danych i gęstości AP. W przypadku Wi-Fi 7 i nowszych  wymagania dotyczące szybkości przesyłania danych będę prawdopodobnie przekraczać 10 Gb/s i potrzebować zastosowania co najmniej dwóch kabli kategorii 6A.

Rozważając przyszłościową infrastrukturę kablową do obsługi standardów bezprzewodowych do Wi-Fi 7 zalecamy stosować poniższe wytyczne:

  1. Tyk kabla: kable kategorii 6A w celu zapewnienia optymalnej wydajności PoE i obsługi prędkości transmisji danych do 10GBASE-T.
  2. Wymagania minimalne: dwa kable kategorii 6A na punkt dostępu, aby umożliwić uzyskanie prędkości do 20 Gb/s po agregacji łączy.
  3. Opcjonalne zalecenia: dodatkowe dwa kable kategorii 6A na punkt dostępu w celu zwiększenia gęstości AP.
  4. Oszczędność pieniędzy, dzięki instalacji od razu: instalacja połączeń w 1. dniu to ok. 35-50 USD a w 2. dniu ok. 500 USD lub więcej.

Podsumowując, firma Panduit zaleca stosowanie co najmniej dwóch kabli kategorii 6A i maksymalnie czterech kabli kategorii 6A na punkt dostępowy, aby w sposób ekonomiczny dostosować się do przyszłych prędkości i wzrostu gęstości AP. Działania te pozwalają zmaksymalizować zwrot z inwestycji i zapewnić solidną infrastrukturę kablową na długie lata.

 

Opracowano na podstawie materiałów PANDUIT