WLAN 2,4 GHz taajuusalueen käyttö

Alkuperäinen WiFi eli 802.11 käytti 2,4GHz taajuusaluetta ja se on edelleen suosituin, koska käytännössä kaikki laitteet tukevat sitä. Samalla se on myös ruuhkaisempi ja häiriöalttiimpi kuin rinnakkainen 5GHz taajuusalue.

Tämä artikkeli on tekninen, mutta on hyvä tuntea taustalla olevaa tekniikkaa, jotta voi ymmärtää sen rajoituksia ja mahdollisuuksia.

Kanavat

Taajuusalue 2,400–2,485GHz  eli 85MHz leveä kaista oli jaettu 5MHz levyisiin kanaviin jo kauan ennen WLANin käyttöönottoa. 5MHz on turhan kapea kaista WLAN-käyttöön eli siinä voi välittää vain vähän tietoa. Alkuperäinen 802.11 ja sitten 802.11b käyttivät 22MHz kanavia eli käytännössä viittä 5MHz kanavaa kerrallaan. Uudemmat 802.11g ja 802.11n käyttävät tehokkaampaa OFD-modulaatiota ja ne käyttävät 20MHz kanavia.

Euroopassa (ETSI-alueella) ja suurimmassa osassa maailmaa on käytettävissä 13 eri 5MHz kanavaa. Japanissa kanavia on 14, mutta Yhdysvalloissa vain 11. Kanavista käytetään niiden numeron lisäksi keskitaajuutta, jotka ovat kuvan yläreunassa. Vasemmassa laidassa on kanavanumerot. Palkit kuvaavat 20MHz WLAN-kanavan käyttämää taajuusaluetta.

2.4GHz channels
2.4GHz channels

Periaatteessa keltaisella merkityt kanavat 1, 5, 9 ja 13 muodostaisivat Euroopassa neljä rinnakkaista kanavaa, jotka eivät mene päällekkäin. Ikävä kyllä, useimmat WLAN-radiot olettavat kanavan leveydeksi edelleen 22MHz eli ne kuuntelevat vähän leveämpää kaistaa. Jos ne huomaavat kaistalla muuta liikennettä niin radio odottaa kanavan vapautumista. Näin vierekkäiset tukiasemat esimerkiksi kanavilla 1 ja 5 saattavat päätyä vuorottelemaan keskenään, mikä pudottaa tiedonsiirtonopeuden puoleen.

Yhdysvalloissa ei 11 kanavasta saa muodostettua kuin kolme rinnakkaista WLAN-kanavaa: 1, 6 ja 11, jotka ovat kuvassa vihreällä. Näiden väliin jää yksi kanava turvavyöhykkeeksi, jolloin yllä esitettyä vuorottelua ei varmasti tapahdu. Kolme kanavaa riittää myös järjestelyyn, jossa yhdessä tasossa olevilla tukiasemilla ei ole koskaan samaa kanavaa kuin naapurilla. Hankaluuksia tuottaa, jos WLAN kuuluu välipohjan läpi kerroksesta toiseen tai jos kerrosten välissä on avotilaa: avoportaikko tai vaikka valopiha.

Käytännössä tukiasemissa on oletuksena jokin amerikkalaisista kolmesta kanavasta, joten Suomessakin on turvallisinta käyttää niitä. Jos naapurien tukiasemat ovat kanavilla 1 ja 6 niin oma tukiasema kanavalla 5 joutuu odottamaan hetkeä, jolloin molemmat ovat hiljaa. Pitäytymällä kanavissa 1, 6 ja 11 ei tarvitse odotella kuin yhden kanavan vapautumista. Lisäksi kaikki laitteet eivät tue kanavaa 13, mistä voi seurata yllättäviä katkoksia tällaisen käyttäjän liikkuessa tukiasemalta toisella.

Kuuluvuus

Suurin sallittu lähetysteho 2,4GHz taajuusalueella on 100mW eli 20dBm. Tämä riittää varmasti, sillä puhelinten ja tablettien lähetysteho on alle 20mW (13dBm). Koska yhteys on kaksisuuntainen, ei ole mitään hyötyä siitä, että tukiasema kuuluu, jos laite ei pysty lähettämään vastausta tukiasemalle.

2,4GHz aallonpituus on kaksinkertainen verrattuna 5GHz WLAniin, mikä tarkoittaa ettei signaali vaimennu yhtä nopeasti. 2,4GHz kuuluu 6dB voimaampana eli nelinkertaisena verrattuna 5GHz signaaliin. Tämä tarkoittaa paljon laajempaa aluetta vapaassa tilassa tai parempaa seinien läpäisykykyä. Metallia signaali ei kuitenkaan läpäise ja tähän riittää jo ohut folioteippi tai peililasi. Itse asiassa parempi kuuluvuus on joissain tilanteissa ongelma, koska useimmat laitteet valitsevat vahvimman signaalin – siis 2,4GHz mielummin kuin 5GHz. Usein käyttäjät haluttaisiin kuitenkin mielummin 5GHz taajuusalueelle, koska siellä on enemmän kapasiteettia ja vähemmän häiriöitä. Ratkaisuna on säätää lähetysteho 6–7dB pienemmäksi kuin 5GHz lähetysteho.

Häiriöt

WLAN käyttää vapaita taajuuksia, joiden käyttöön ei tarvita mitään lupia. 2,4GHz on kaikkein suosituin ja käyttäjiä on paljon. Monet langattomat laitteet käyttävät samoja taajuuksia eikä kukaan koordinoi toimintaa. Esimerkkejä ovat murtohälyttimet, langattomat valvontakamerat, liiketunnistimet, kuvauskopterit, BlueTooth… Päällekkäisyyksissä ainakin jokin laitteista ei toimi, usein ei mikään.

2,4GHz alueelle osuu paljon erilaisia häiriölähteitä kuten sähkömoottorit, mikroaaltouunit, jotkin valaisintyypit jne. Uusin ilmiö on USB 3, joka sekin sattuu käyttämään juuri samoja taajuuksia. Halvat USB3-johdot ovat usein huonosti suojattuja, jolloin sellainen voi estää 2,4GHz WLANin käytön ainakin siltä tietokoneelta. Häiriölähteet eivät yleensä tarkoituksella yritä lähettää mitään, joten niiden omaa toimintaa säteily ei haittaa. Siksi häiriön lähdettä voi olla vaikea paikallistaa ilman erikoislaitteita kuten spektrianalysaattoria.

Ruuhkaisuus

Kaikki laitteet tukevat 2,4GHz WLANia, joten usein se otetaan käyttöön ”varmuuden vuoksi”. Paremman kuuluvuuden vuoksi sillä voi myös kattaa 5GHz jättämiä aukkopaikkoja. Käytännössä kaikki tukiasemat lähettävät ainakin 2,4GHz taajuudella. Lopputuloksena on paha ruuhka.

Laitteet kuuntelevat aina ennen lähetystä onko kanava vapaa. Jos kanavalla joku muu lähettää niin laite odottaa. Ruuhkatilanteessa kanavan vapautuessa yksi odottajista saa vuoron ja muut jatkavat odottamista. Odotusajasta voi tulla pitkä, mikä tarkoittaa pitkiä viiveitä ja hidasta tiedonsiirtoa.

Pari esimerkkiä Helsingin keskustasta:

995 APs on 2.4GHz and 4 on 5GHz

UniFi-verkko seuraa naapuritukiasemia. Tässä tapauksessa naapurustossa oli havaittu 995  tukiasemaa (ei käyttäjiä!) 2,4GHz taajuusalueella viimeisen 24 tunnin aikana ja 5GHz alueella neljä.

Channel usage
2.4 and 5GHz channel usage

WiFi Explorer näyttää signaalin voimakkuuden tolpan korkeutena. Tolpan leveys kertoo kanavan leveyden. Vasemmalla 2,4GHz kanavat 1–14 ja oikealla 5GHz kanavat 36–165. Melkoisen paljon väljempää 5GHz puolella.

Suosituksia

Jos 2,4GHz kanavia ei välttämättä tarvitse, kannattaa koko taajuusalue jättää käyttämättä. Jotkin vanhat tai kovin halvat puhelimet ja tabletit saattavat tukea vain 2,4GHz WLANia. Uutena asiana tulevat erilaiset IoT-laitteet kuten lämpötila- ja kosteusanturit, liiketunnistimet ja muut, joista osa edellyttää 2,4GHz verkkoa. Silloin se pitää tietenkin ottaa käyttöön, mutta säätää sen lähetysteho niin alhaiseksi, etteivät muut laitteet siihen vahingossa liity.

802.11n salli periaatteessa 40MHz kanavan käytön myös 2,4GHz alueella. Periaatteessa tämä nopeuttaa tiedonsiirtoa yli kaksinkertaiseksi. Periaatteessa. Käytännössä 40MHz kanavan käyttäminen tarkoittaa, että laitteet joutuvat odottamaan kahden kanavan vapautumista yhtä aikaa, että ne voivat lähettää. Usein lopputuloksena on tiedonsiirron hidastuminen. Toinen ongelma on, ettei 40MHz kanavia mahdu taajuusalueelle kuin yksi, joten se toimii oikein vain yhden tukiaseman verkossa. 5GHz alueella 40MHz kanavat ovat normi ja oikeasti toimivat.

Lue myös:

Toimiva WLAN vanhaan omakotitaloon

Vanhaan omakotitaloonkin tarvittaisiin nykyään tehokas langaton verkko, mutta aina sellaisen rakentaminen ei ole ihan yksinkertaista. Tässä muutamia vinkkejä ja näkökulmia.

Puurakenteiseen pientaloon saattaa saada toimivan WLAN-verkon siististi ja näppärästi yhdellä keskeisesti sijoitetulla tukiasemalla. Sen sijaan kivirakenteinen, monikerroksinen pientalo on yleensä hankala. Monet talot on rakennettu kuin bunkkeri: paksut teräsbetonivälipohjat ja tukevat kiviseinät, jotka vaimentavat WLAN-signaalin tehokkaasti – siksi tukiasemia tarvitaan useampi. Tukiasemia varten taas tarvitaan kunnollinen lankaverkko, koska langaton verkko on ratkaisu vain viimeisen väliin päätelaitteen kanssa, siihen saakka tieto kulkee johtoja pitkin. Ikävä kyllä vasta 2000-luvulla rakennetuissa taloissa on valmiina verkkokaapelointi, siksi vanhassa talossa runkoverkko on usein se työläin osuus.

Lankaverkko

Usein ehdotettu ratkaisu on tiedon siirto sähköverkon kautta PowerLine-adapterien avulla. Ikävä kyllä käytännön tulokset eivät yleensä ole lähelläkään myyntiesitteiden lupauksia. On helppo kokeilla kuinka nopeasti vierekkäisiin pistorasioihin liitetyt laitteet siirtävät dataa. Tulos saattaa olla luokkaa 30 Mbps – luvattujen satojen sijaan. Etäisyyden kasvaessa yhteys hidastuu entisestään. Jos pistorasiat ovat eri sulakepiireissä, niin tarvitaan sähkömies siltaamaan piirejä sähkökaapissa, eikä tulos siltikään ole hyvä.

Toinen laajalti tarjottu vaihtoehto on WLAN:n käyttäminen tukiasemien välillä. Ratkaisut kulkevat nimillä Mesh Wi-Fi/WLAN tai toistimet/repeaterit tai Wireless Distribution System eli WDS. Niillä langatonta liikennettä syntyy niin paljon, että hyötysuhde jää pieneksi ja lopputuloksena on hidas verkko. Parhaimmissa mesh-tukiasemissa on erilliset radiot tukiasemakäyttöön ja runkoverkkoa varten, mutta silloin hintakin alkaa nousta nopeasti.

Useimmissa taloissa on kerrosten välillä lankapuhelinkaapelointi, joka on nykyaikana jäänyt tarpeettomaksi. Jos puhelinjohdot kulkevat putkissa niin tilalle voi vetää Ethernet-kaapelin. Jokaiselle tukiasemalle pitäisi vetää oma kaapeli, mutta asennusputket ovat ahtaita. Ammattimainen ratkaisu on vetää kerrosten väliin vain yksi johto ja laittaa jokaiseen kerrokseen oma verkkokytkin jakorasiaksi. Mutta jos tukiasemia tulee vain muutama, voidaan käyttää parikaapelia, jossa on siis kaksi Ethernet-johtoa yhdessä. Toisaalta 100 Mbps yhteyksiä voi kuljettaa kaksi samassa kaapelissa, sillä vasta gigabitin Ethernet käyttää kaikki 8 johdinta. Parikaapelissa saisi siten kulkemaan 4 x 100 Mbps. Voi kysyä onko sitten mielekästä tänä päivänä enää lähteä rakentamaan uutta 100 Mbps -verkkoa, mutta kyllä sellainen riittää kotikäytössä vielä varmaan seuraavaksi kymmeneksi vuodeksi (ellei talosta ole kuituyhteyttä ulospäin). Vaikka lankapuhelin olisi vedetty pintavetoinakin, niin nelilankaisia puhelinjohtoja pitkin saattaa saada jopa 100 Mbps yhteydet. Puhelinverkosta saisi kummassakin tapauksessa runkoverkon WLANia varten siististi ja kohtuukustannuksin. Muuten pitää vetää uusia johtoja jostain nousukanavasta, portaikkoa tai ulkoseiniä pitkin, mikä kasvattaa työmäärää.

Kaapelointi kannattaa joka tapauksessa teettää ammattilaisella, jotta kaikki johdot tulee testatuksi ja toimivat. Asennuksia tekevät useimmat sähköasennusfirmat, teleasentajat jne. Kannattaa pyytää muutama tarjous ja valita niistä. Tarjouspyynnössä kannattaa mainita, että jokainen yhteys pitää mitata ja mittauspöytäkirja jää asiakkaalle. Kunnollinen kaapelitutka maksaa pari tonnia, joten jokaisella firaabeliasentajalla sellaista ei ole, ammattilaisilla kyllä.

Langaton verkko

Seuraava ongelma on kiviset väliseinät. Vaikka täydellä teholla saataisiin sama tukiasema kuulumaan kaikissa huoneissa, ei perimmäisessä huoneessa olevalla puhelimella enää saadakaan yhteyttä tukiasemalle. Jokaiseen kerrokseen tarvitaan siksi useampi tukiasema. Kun tukiasemia tulee monta niin niiden hallinta pitää järkeistää. Jo viiden tukiaseman asetusten ja päivitysten pitäminen samanlaisina käsipelillä on iso työ. Ainakin Ubiquitilla on kohtuuhintaisia tukiasemia ja niihin hallintajärjestelmä ilman lisämaksua. Toinen vaihtoehto voisi olla XClaim, joka on Ruckuksen halpabrändi, mutta tätä kirjoitettaessa XClaimilla ei tunnu olevan Suomessa maahantuojaa.

Tukiasemien virransyöttö on helpointa hoitaa samoja Ethernet-kaapeleita pitkin (Power over Ethernet eli PoE). Virransyöttö tapahtuu verkkokytkimestä, eli kytkin pitää mitoittaa niin, että sen syöttöteho riittää kaikille tukiasemille. PoE:a on kaksi standardia: vanhempi 802.3af ja uudempi 802.3at eli PoE+.  Uudet AC-tukiasemat tarvitsevat paljon virtaa, joten niiden vaatimus on usein PoE+. Joillakin valmistajilla on myös omia, epästandardeja (usein ”passiivisia”) PoE-ratkaisuja, jolloin varminta on käyttää saman valmistajan tukiasemia ja kytkimiä.

Linkkejä

8 syytä säätää WLAN-tukiasemien lähetysteho pienemmäksi

Oletuksena lähes kaikkien WLAN-tukiasemien lähetysteho on ”täysillä” eli 100mW (2,4GHz). Näin tukiasema kuuluu mahdollisimman laajalle ja käyttäjät näkevät hyvän signaalin eli ”monta tolppaa”. Tässä kuitenkin perusteltuja syitä pudottaa lähetysteho murto-osaan maksimista.

On jopa järkevämpää aloittaa minimitehosta ja nostaa lähetystehoa asteittain, kunnes saadaan koko haluttu alue katettua.

0. Wi-Fi on jakamista, ei kilpailua

Ruuhkaisessa ympäristössä suuri lähetysteho ei paranna oman tukiaseman kuuluvuutta. Jos tukiasema kuulee muiden verkkojen lähetyksiä niin se jakaa lähetysajan tasapuolisesti niiden kanssa ja vastavuoroisesti. Tämä on 802.11-standardin perusperiaate.
[Muokkaus: Lisäsin tämän kohdan jälkikäteen, koska monille käyttäjille tämä ei olekaan selviö.]

1. Suuri teho ei auta kattamaan laajempaa aluetta

Kannettavien laitteiden kuten kännyköiden ja tablettien akut ovat hyvin rajallisia. Virrankulutuksen minimoimiseksi laitteiden radioiden lähetysteho on tyypillisesti luokkaa 15mW (12dBm), kun tukiasemien maksimi on 100mW (20dBm) 2,4GHz:lla ja 200mW (23dBm) 5GHz:lla. WLAN-yhteys on aina kaksisuuntainen, eli ei ole mitään iloa vaikka tukiasema kuuluisikin, jos tukiasema ei kuule laitetta. Oletko koskaan törmännyt tilanteeseen, jossa WLAN-ilmaisin näyttää hyvää kuuluvuutta, mutta yhteyttä ei kuitenkaan muodostu? Tässä oli selitys.

Kaksisuuntainen yhteys on symmetrinen. Ei ole väliä onko tukiasemassa parempi antenni tai onko se korkeammalla. Antennien ja erilaisten vaimennusten toiminta on sama kumpaankin suuntaan. Antennivahvistus ja hyvä sijainti siis parantavat yhteyttä molempiin suuntiin. Yksipuoleinen lähetystehon nosto parantaa yhteyttä vain toiseen suuntaan, mistä ei ole hyötyä.

2. Tukiasemalta toiselle siirtyminen

WLAN-maailmassa tukiasemat ovat melko passiivisia ja käyttäjän laite päättää vaihtaako se tukiasemaa ja millä perusteella. (GSM toimii toisinpäin, tukiasemat päättävät kuka vastaa mistäkin päätelaitteesta.) Monet laitteet ovat haluttomia vaihtamaan tukiasemaa, jolloin laite pitää kiinni ensin valitsemastaan tukiasemasta, vaikka lähellä olisikin paljon paremmin kuuluva tukiasema. Vasta kun vanha tukiasema katoaa lopullisesti alkaa laite etsimään uutta, josta se taas pitää kiinni loppuun saakka. Lopputuloksena käyttäjät ovat kiinni kaukana olevissa tukiasemissa ja yhteys on hidas. Pienentämällä lähetystehoja ei vanha tukiasema kuulu kauas, jolloin laitteet vaihtavat herkemmin tukiasemaa.

Sama asia vaikuttaa myös tukiasemien kuormitukseen. Huonoimmassa tapauksessa sisääntuloaulan tukiasema kuuluu heikosti koko toimistossa. Kun ihmiset aamulla tulevat töihin, he liittyvät aulan tukiasemaan ja pysyvät siinä koko päivän. Aulan tukiasema kuormittuu ja muut tukiasemat ovat tyhjän panttina.

3. Akkujen kesto

Tukiasema kertoo käyttämänsä lähetystehon muille laitteille (802.11h TPC, 802.11k TPC tai Cisco DTPC). Mobiililaitteet säätävät oman lähetystehonsa samalle tasolle säästääkseen akkuaan. Jos tukiasema kerran kuuluu, niin sama teho riittää toiseenkin suuntaan, kuten symmetria edellä tuli kuvatuksi. Säätämällä tukiaseman lähetystehoksi vaikka 5mW (7dBm) voi saada mobiililaitteiden käyttötunteja lisättyä. Näin heikko signaali ei kuitenkaan kuulu vahvan seinän läpi, eli tukiasemia pitää olla tiheämmässä – lue seuraava kohta eli ”Suorityskyky”.

4. Suorituskyky

Alussa tukiasemat olivat kalliita ja niitä hankittiin säästellen. Nykyään tukiasemien hinnat ovat kohtuullisia ja isompi ongelma on WLAN-verkon suorituskyky. Tiheämmällä tukiasemien sijoittelulla tulee tukiasemaa kohti vähemmän käyttäjiä, jolloin käyttäjää kohti on enemmän kaistaa.

Asiaa voi ajatella myös siltä kannalta, että johtimet ovat aina tehokkaampia kuin radioaallot. Mitä nopeammin ja lähempää tieto saadaan napattua ilmasta kaapeliin, sen tehokkaampaa. Siksi on hyvä ajatus sijoittaa pienitehoisia tukiasemia lähelle käyttäjiä, jos halutaan suorituskykyinen WLAN-verkko. Miksi pienitehoisia? Lue seuraava kohta häiriöistä…

5. Tukiasemien keskinäiset häiriöt

Vaikka tukiasemat ovat eri kanavilla niin voimakas lähetys häiritsee naapurilaitetta. Suurilla tehoilla koko laite toimii antennina ja virtapiireihin syntyy ylimääräisiä jännitteitä. Tämän takia tukiasemien välillä pitäisi aina olla vähintään kolme metriä väliä tai ainakin paksu betoniseinä, mielummin molemmat.

Vaikka väliä olisi enemmän kuin kolme metriä, voivat tukiasemat silti häiritä toisiaan. Kanavarajat eivät ole tarkkoja, vaan vaikka varsinainen lähetys on tietyllä taajuudella, kuuluu signaali heikompana myös naapurikanavilla. Suurella lähetysteholla tämä heikompikin signaali aiheuttaa häiriöitä.

6. Säröytyminen

Kun vahvistinta ajetaan täysillä niin signaali säröytyy. Tämä on helppo kokeilla kotistereoilla: väännä nuppi kaakkoon ja yritä saada sanoista selvää. Säröytynyt signaali on vaikea tulkita ja WLAN-maailmassa tämä tarkoittaa lähetysvirheitä ja uudelleenlähetyksiä eli verkon hidastumista. Suorituskyky siis paranee kun lähetystehoa lasketaan.

7. Naapurisopu

Vahva signaali häiritsee laajalla alueella. Vaikka ylimääräisistä milliwateista ei ole meille hyötyä, ne kuluttavat rajallista lähetysaikaa ja haittaavat kaikkien muiden WLAN-verkkojen toimintaa (kuten alun kohdassa 0 kuvattiin).

Tätä voi ajatella myös tietoturvan kannalta: miksi meidän verkkomme pitäisi kuulua kadun toisella puolella?

8. Pidempi käyttöikä

Pienempi lähetysteho tarkoittaa pienempää energiankulutusta eli lämmöntuottoa. Viileämpänä toimivat laitteet kestävät kauemmin. Vaikka tukiasemat eivät enää ole kalliita, on niillä tapana rikkoutua hankalaan aikaan ja usein myös hankalassa paikassa. Sähkölaskussa energiansäästöä ei huomaa, niin pientä tukiasemien virrankulutus kuitenkin on.

WLAN-kuuluvuuskartoitus

WLAN-verkon kattavuudesta saa sopivalla ohjelmalla tehtyä helposti kartan, joka kertoo miten verkko toimii missäkin pisteessä. Mitä tällainen kuuluvuuskartta loppujen lopuksi kertoo ja kannattaako siitä tiedosta maksaa?

Markkinoilta löytyy useita sovelluksia, joilla voi mitata WLAN-verkon kuuluvuutta ja piirtää niistä kuuluvuuskartan. WLAN-kartalla vahvat alueet näkyvät tyypillisesti vihreinä, vähän heikommat keltaisina ja ongelma-alueet punaisina (mikä on käänteinen väritys perinteiseen heatmap-kaavioon). Jos koko toimisto on vihreän alueen sisällä, niin tarkoittaako se, että kaikki on hyvin? Se riippuu vähän siitä, millaisesta kartasta on kyse. Karttoja on eri tyyppejä ja ne kukin kertovat WLAN-verkosta eri asiaa.

Passiivinen kuuluvuuskartta

Passiivinen kuuluvuuskartta on kaikkein yleisin ja hyvin suoraviivainen tehdä. Käynnistetään ohjelma, ladataan siihen pohjapiirrustus ja kävellään ympäri aluetta merkiten mittauspisteet pohjapiirrokseen. Ohjelma laskee pisteiden väleihin arvioidun signaalivahvuudet ja piirtää kuuluvuuskartan.

Passiivisessa kartassa mitataan vain tukiasemien kuuluvuutta eri pisteissa, toisin sanoen vastaanotetun signaalin voimakkuutta. Kartalle tallentuu myös muiden verkkojen tukiasemien vahvuus, jolloin nähdään miten naapuriverkot mahdollisesti häiritsevät omaa verkkoa.

Passiivisen mittaamisen ongelma on, että siinä mitataan vain tukiaseman signaalin vastaanottoa. Tyypillisesti tukiasemien lähetysteho on paljon suurempi kuin käyttäjien laitteissa, jolloin yhteyden muodostumisesta tai yhteyden laadusta ei saada tietoa. Yksinkertaisin tapa saada hyvännäköinen, eli paljon vihreää näyttävä, kartta on säätää kaikkien tukiasemien lähtysteho täysille. Näin tukiasema kuuluu mahdollisimman laajalle, vaikka käyttäjät eivät pystykään muodostamaan yhteyttä, koska tukiasema ei saa vastaanotettua käyttäjän laitteen lähettämää signaalia.

Aktiivinen kuuluvuuskartta

Aktiivisessa kartoituksessa mittauslaite on liitetty tutkittavaan verkkoon. Verkkoon liitetty laite ei reagoi muiden tukiasemien tai verkkojen signaaleihin, joten niistä ei saada tietoa. Sen sijaan saadaan kartoitettua yhteyden laatu tukiasemaan: signaalin voimakkuus, tiedonsiirtonopeus ja virheiden määrä. Samalla nähdään missä pisteissä laite vaihtaa tukiasemalta toiselle, jolloin voidaan hallita myös näiden siirtymispisteiden sijaintia tukiasemien tehoja säätämällä.

Aktiivisen kartoituksen ongelmana on, että samalla tulee mitattua itse mittauslaitetta. Eri laitteiden radiot ja antennit ovat hyvin erilaisia, joten huippukannettavalla tehty mittaus saattaa tuottaa hyvin erilaisen tuloksen kuin halvan kännykän käyttäjän kokemus verkon toiminnasta. Jopa samankaltaisten laitteiden WLAN-ohjaimet voivat käyttäytyä eri tavalla, huonoimmassa tapauksessa ohjainversioillakin voi olla eroa. Aktiivinen kartoitus pitäisikin tehdä huonoimmalla mahdollisella laitteella, jota verkon pitäisi tukea.

Häiriökartoitus

WLAN-taajuuksilla kuuluvia häiriöitä mitataan spektrianalysaattorilla. Tavalliset WLAN-radiot yrittävät vain saada selvää itse signaalista, ne eivät yleensä kerro mitään häiriöiden laadusta. Spektrianalysaattorit eivät tulkitse signaalia, vaan mittaavat vain vastaanotetun radioenergian määrän tietyllä taajuudella. Häiriökartan mittaamiseen tarvitaan siis lisälaite. Häiriökartassa näkyy sitten häiriölähteet kuten monet teollisuuden koneet, taukotilan mikroaaltouuni, langattomat ovikellot, BlueTooth-laitteet, kauko-ohjattavat lelut ja vehkeet, langattomat valvontakamerat ja itkuhälyttimet. Uusimpia häiriölähteitä ovat USB3 ja LTE-U -laitteet, jotka voivat häiritä WLAN-taajuuksia. Vihreät alueet kartalla tarkoittavat vähäistä määrää häiriöitä ja punaiset vakavia häiriöitä. Jotkin analysaattorit osaavat tunnistaa häiriön laadusta minkä tyyppisestä häiriölähteestä on kyse.

Ennakoiva kartoitus

Nykyään langaton verkko rakennetaan uusiin rakennuksiin jo rakennusvaiheessa. Miten voi suunnitella verkon ennen kuin tilaa edes on olemassa? Ennakoivaan kartoitusohjelmaan voi ladata rakennuksen CAD-suunnitelmat, josta selviää seinien ja välipohjien sijainnit ja materiaalit. Ohjelmassa on tieto miten nämä vaimentavat signaaleja ja miten signaali leviää suunnitellussa tilassa. Lopputuloksena on ennuste tulevasta verkosta. Tukiasemia voi siirtää ruudulla ja seurata muutoksen vaikutusta verkkoon tai antaa ohjelman suunnitella tukiasemille parhaat paikat. Mikään ei tietenkään estä käyttämästä ennakoivaa kartoitussovellusta olemassa olevan tilan suunnitteluun, kunhan siitä on saatavissa tarkat piirrustukset. Ennakoivissa kartoitusohjelmissa suomalainen Ekahau on markkinajohtaja.

Kartoituksen yleiset ongelmat

Riippumatta kartoituksen tyypistä, kartoituksessa on muutama yleinen ongelma. Suurin on muutokset. Kartoitus kertoo vain senhetkisestä tilanteesta. Jos tukiaseman lähelle hankitaan uudet, peltiset arkistokaapit, voi kuuluvuus muuttua täysin. On jopa merkitystä, onko käytävän varren ovet auki vai kiinni. Usein kartoittaessa ovet ovat auki, vaikka käyttötilanteessa ne olisivatkin yleensä kiinni. Ihmisetkin vaimentavat signaalia voimakkaasti. Ihmisessä on paljon vettä, joka imee WLAN-taajuista radioenergiaa tehokkaasti. Kun neuvotteluhuoneessa on parikymmentä ihmistä, voi kuuluvuus olla aivan eri kuin kartoitustilanteessa. Ulkoisten verkkojen ja häiriölähteiden muutoksista ei saada tietoa muuten kuin kartoittamalla uudelleen. Naapurin ei tarvitse kertoa meille WLAN-uudistuksestaan.

Mittauksiin perustuvissa kartoituksissa on monia virhelähteitä. Mittaukseen käytetyn laitteiston ominaisuudet tuli jo mainittua. Mittaukset tekevä ihminen vaikuttaa tuloksiin myös: seisooko hän mittaushetkellä laitteen ja tukiaseman välissä vai toisella puolella, jolloin hän ehkä sattumalta vaimentaa ulkoista häiriölähdettä sillä suunnalla. Onko tila mittaushetkellä valmis? Monet kalusteet ja pintamateriaalit voivat vaikuttaa WLAN-signaalin vaimenemiseen ja etenemiseen. Vaikka sitten kyse olisi kiiltävästä koristeteippauksesta. Tällaisten tarkka mallintaminen ennakoivalla ohjelmistolla voi olla mahdoton urakka.

Onko kuuluvuuskartoitus sitten hyödytöntä? Ei suinkaan. Sillä saadaan paljon arvokasta tietoa signaalin käyttäytymisestä annetussa tilassa. Täytyy vain pitää mielessä, että paljon vihreää sisältävä kartta ei välttämättä kerro, että verkko toimii hyvin. On hyvä tietää, että kaikki kartoitukset eivät kerro samoista asioista. Voi olla täysin perusteltua tehdä useampi, erilainen kartoitus. Kartoitus ei myöskään ole lopullinen totuus, vaan se pitää uusia aina kun ympäristö on muuttunut.

Uuden tai uusitun WLAN-verkon käyttöönoton jälkeen on hyvä tehdä aktiivinen kuuluvuuskartoitus, josta voidaan arvioida onko projekti saavuttanut verkolle asetetut tavoitteet.

Linkkejä:

Mitä ovat WLANin DFS-taajuudet ja tarvitseeko niistä välittää?

Viranomaisten vaatimuksesta WLAN-tukiasemien on nykyään oikeasti varottava DFS-taajuuksia. Tämä koskee sekä uusia tukiasemia että vanhojen tukiasemien päivityksiä. Ohjelmistopäivityksen jälkeen verkon käynnistymiseen voi tulla pitkiäkin viiveitä.

Kun 5 GHz taajuusalue avattiin WLAN-käyttöön niin sen käytölle asetettiin ehtoja. 5 GHz oli aiemmin ollut mm. ilmailu- ja säätutkien käytössä. Koska vanhoja tutkia on edelleen käytössä ympäri maailman, pitää WLAN-tukiasemien väistää niitä. Havaitessaan tutkasignaalin pitää tukiaseman heti vaihtaa kanavaa, mikä yleensä näkyy käyttäjille yhteyden tilapäisenä katkeamisena.

Mekanismi tunnetaan nimellä Dynamic Frequency Selection eli DFS. Tukiaseman pitää käynnistyessään kuunnella kanavaa hiljaa vähintään minuutin ajan ennen oman lähetyksen aloittamista. Säätutkat käyttävät jatkossakin kanavia 120–128. Niillä tukiaseman käynnistymisen yhteydessä tapahtuva kuuntelu kestää 10 minuuttia.

Käytön aikanakin tukiasema hakee tutkasignaalin tyyppisiä lähetyksiä ja vaihtaa kanavaa automaattisesti. Väistämisen jälkeen tukiasema ei saa palata kanavalle puoleen tuntiin, vaikka tutkasignaali olisi tullut sattumalta ohi lentäneestä helikopterista. Vain neljä alinta kanavaa 36–48 ja ja parittomat yläkanavat 149–165 eivät edellytä tutkasignaalien kuuntelua.

Aiemmin valmistajat eivät noudattaneet näitä ehtoja, mutta nyt sekä Euroopassa että Yhdysvalloissa on otettu tiukempi linja. Jos laitteet tai vanhojen laitteiden päivitykset eivät täytä ehtoja, niitä ei saa enää myydä.

Vaikutukset WLAN-verkkoihin

Viive käynnistyksen yhteydessä on aiheuttanut monta paniikkia ylläpitäjille. Viattoman oloisen firmware-päivityksen jälkeen verkko ei olekaan ollut heti käytettävissä, mutta on ilmestynyt vasta hetken päästä. Varsinkin 10 minuutin viive on jo niin pitkä, että siinä ajassa tukiasemia on jo ehditty käynnistää paniikissa useampaan kertaan.

Varsinkin alkuvaiheessa monien valmistajien DFS oli liian herkkä ja tulkitsi tutkasignaaleiksi monet viattomatkin signaalit, mistä aiheutui selittämättömiä käyttökatkoksia. Onneksi nämä ongelmat alkavat olla takanapäin.

Yksi ratkaisu on käyttää vain DFS-vapaita kanavia. Kaikki laitteet eivät tue U-NII-3 yläkanavia, jolloin käyttöön jää vain kanavat 36–48. Rauhallisessa radioympäristössä ne riittävät kyllä, mutta ruuhkaisemmassa ympäristössä ne ovat yleensä kaikkein kuormitetuimmat.

Jos kukaan muu ei halua käyttää DFS-kanavia, niin ne ovat vapaana! Ymmärtämällä DFS:n rajoitukset voi saada käyttöönsä aivan omat taajuudet. Loppujen lopuksi tukiasemia ei niin usein käynnistellä, että minuutin odotusaika olisi mikään ongelma. Tutkasignaalien havaitsemiseen ei oikein ole laitteita, mutta viikon kokeilulla yleensä selviää onko kuuluvuusalueella tukiasemia häiritseviä tutkia. Joskus voi tulla tilapäinen katkos kun tukiasema vaihtaa kanavaa yllättäen, mutta käyttäjien laitteet löytävät uuden kanavan yleensä alle kymmenessä sekunnissa.

Linkit:

Säätutkat Suomessa

Älä käytä samaa WLAN-kanavaa lähimmän säätutkan kanssa!

Säätutkat käyttävät Euroopassa taajuuksia 5,60–5,65 GHz. WLAN-kielellä se tarkoittaa kanavia 120, 124 ja 128. Jos WLAN-laite havaitsee säätutkan signaalin niin se joko vaihtaa taajuutta tai vaikenee puoleksi tunniksi. Molemmat aiheuttavat käyttäjille tuntuvan katkoksen. Turvallisinta on siis välttää näitä kanavia. Toisaalta Suomessa ei ole kuin kymmenen säätutkaa ja nekin aika kaukana toisistaan. Tarvitseeko Helsingissä välttää Utajärven säätutkan taajuutta – no ei. Yleensä riittää, että välttää lähimmän tutkan käyttämää taajutta.

Älä kuitenkaan hämmästy käynnistymisviivettä. Uudet tukiasemat kuuntelevat näitä kanavia 10 minuuttia ennen WLANin käynnistämistä. Tämä vaatimus koskee myös päivityksiä. Kuulostaa huonolta, mutta juuri siksi näillä kanavilla on vähiten liikennettä.

Tässä lista tämänhetkisestä (3/2017) tilanteesta:

Nimi

Perustettu

Sijainti
(WGS84)

Korkeus
merenpinnasta

Taajuus
(MHz)

WLAN-kanava

Anjalankoski

1994

60.9039N
27.1081E

139 m

5638

128

Ikaalinen

1994

61.7673 N
23.0764E

153 m

5644

128

Kesälahti

2014

61.9070N
29.7977E

174 m

5610

124

Korppoo

1997

60.1285N
21.6434E

61 m

5620

124

Kuopio

1995

62.8626N
27.3815E

268 m

5615

124

Luosto

2000

67.1391N
26.8969E

533 m

5618

124

Petäjävesi

2015

62.3045N
25.4401E

271 m

5628

124

Utajärvi

1997

64.7749N
26.3189E

118 m

5608

120

Vantaa

1994

60.2706N
24.8690E

82 m

5649

128

Vimpeli

2005

63.1048N
23.8209E

200 m

5639

128

Tässä vielä kuva tutkassa näkyvästä häiriöstä. Kapea, viivasuora ”sadealue” Helsingin ja Tallinnan välillä. Tämä häiriölähde on lähetin kanavalla 128 Tallinnassa tai merellä, koska häiriö on niin kapea. Lähempänä oleva lähetin aiheuttaisi leveämmän häiriön.

Weather radar

Joo, 802.11 mutta mikä kirjain? (a, b, g, n, ac)

Mitä ovat 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n ja 802.11ac?

Alunperin WLAN eli 802.11 kehitettiin viivakoodien lukulaitteisiin. Varastoinventaariota tehdessä johdot olivat hankalia, joten niistä piti päästä eroon. Yksittäisen viivakoodin tietomäärä on mitätön, joten tiedonsiirtonopeus ei ollut tärkeä. Tämä on se lähtökohta, jonka pohjalta on kehitetty nykyiset langattomat yritysverkot videoneuvotteluineen ja tietokantayhteyksineen. Matkalla on ollut monta välivaihetta:

Max nopeus
/ radio

Taajuus
(GHz)

Vuosi

802.11

2 Mbps

2,4

1997

802.11a

54 Mbps

5

1999

802.11b

11 Mbps

2,4

1999

802.11g

54 Mbps

2,4

2003

802.11n

150 Mbps

2,4 & 5

2009

802.11ac

867 Mbps

5

2013

802.11ax

?

?

(2019)

Ensimmäinen parannus oli 802.11a. Se tarjosi lisää nopeutta, mutta käytti uutta 5 GHz taajuusaluetta. Radiot olivat kalliita eikä A koskaan yleistynyt. Vasta B, joka käytti 2,4 GHz taajuusaluetta, löi kunnolla läpi. G toi A:n nopeudet halvemmalle 2,4 GHz taajuusalueelle. N lisäsi nopeutta ja sitä voi käyttää kummalla tahansa taajuusalueella. 5 GHz radiot olivat edelleen kalliimpia, joten halvemmissa laitteissa ja tukiasemissa oli vain 2,4 GHz radio. Uusin eli AC on määritelty vain 5 GHz taajuusalueella, mutta käytännössä kaikki laitteet ja tukiasemat tukevat myös vanhempia standardeja (eli myös 2,4 GHz taajuusaluetta).

Eikö 802.11n maksiminopeus olekaan 600 Mbps? Kyllä on. N-versiossa tuli MIMO (Multiple Input, Multiple Output) eli useampi yhtäaikainen radioyhteys, enintään neljä radiota. 4 x 150 Mbps on 600 Mbps. AC:ssä radioita voi olla kahdeksan, jotka voivat pitää yhteyttä useampaan käyttäjään yhtä aikaa (MU-MIMO eli Multi-User MIMO). Käytännössä matkapuhelimissa on yksi radio, tableteissa voi olla kaksi ja kannettavissa tietokoneissa neljä. Jokainen radio kuluttaa melko lailla virtaa (ja tietysti maksaa valmistusvaiheessa).

Miksi laitteeni ei koskaan saa yhteyttä noilla huippunopeuksilla? N-versiossa tuli mahdolliseksi yhdistää kaksi 20 MHz kanavaa yhdeksi 40 MHz kanavaksi, jonka siirtokyky on yli kaksinkertainen. Nuo huippunopeudet on laskettu leveille kanaville. AC:ssä maksimi on kahdeksan kanavaa, eli 160 MHz leveys. Kanavien leveys asetetaan tukiasemassa, joten jos tukiasemassa on oletusarvo eli vain yksi 20 MHz kanava niin nopeudet ovat sen mukaisia. 2,4 GHz taajuusalue on sen verran ahdas, että kanavien yhdistäminen on mielekästä vain 5 GHz alueella.

WLAN, Wi-Fi, WiFi vai 802.11 – mikä ero?

Ne kaikki tarkoittavat loppupeleissä samaa.

Euroopassa käytetään paljon lyhennettä WLAN eli Wireless LAN eli Wireless Local Area Network – langaton paikallisverkko. WLAN ei ole kenenkään omistama nimi vaan yleisnimi. Toisaalta se on hankala, koska puheessa sitä on mahdoton erottaa käsitteestä VLAN eli Virtual LAN. VLAN on langallisen verkon toiminto, jolla lankaverkon liikenne voidaan jakaa eri ryhmiin.

Wi-Fi on Wi-Fi Alliancen tavaramerkki. Wi-Fi Alliance määrittelee ja testaa WLAN-tuotteiden keskinäistä yhteensopivuutta. Hyväksytyt tuotteet toimivat keskenään yhteen. Käytännössä kaikki markkinoilla olevat laitteet ovat Wi-Fi Alliance hyväksymiä, vaikka se ei ole mikään viranomainen. Amerikkalaiseet puhuvat yksinomaan Wi-Fi:stä, joskin nykyään siitä alkaa väliviiva pudota pois: WiFi.

802.11 on IEEE:n eli Institute of Electrical and Electronics Engineers -järjestön määrittelemä tekninen WLAN-standardi. Alkuperäisen 802.11:n jälkeen on tehty paljon lisäyksiä, jotka merkitään kirjaimilla a, b jne. Amerikkalaisten aakkosten loputtua z:aan jatkettiin aa, ab, ac, ad jne.

Linkkejä

Kuinka turvallinen teidän WLAN-verkkonne on?

Onko teillä yhteinen WLAN-salasana? Koska se on viimeksi vaihdettu? Eikö sen jälkeen ole kukaan lähtenyt?

Ihan aluksi WLAN-verkot olivat salaamattomia. Radioaallot kulkevat aika hyvin seinien läpi, joten salakuuntelu etäältäkin on hyvin yksinkertaista – tarvittiin salausta. Ensimmäinen salauskäytäntö oli Wired Equivalent Privacy eli WEP. WEP oli alunperinkin heikko salaus, mutta silti sen murtaminen tuli yllätyksenä. Piti äkkiä keksiä uusi – tuli WPA eli Wi-Fi Protected Access, joka kulkee myös nimellä TKIP. WPA:ta paranneltiin ja nykyisin on käytössä WPA2. WPA2 on nopea ja tällä hetkellä turvallinen tapa salata verkko.

WPA2:sta on kaksi versiota: Personal ja Enterprise. Personal-suojauksessa verkossa on yksi, yhteinen salasana. Kuka tahansa, joka tuntee salasanan voi liittyä ja kuunnella verkon liikennettä. WPA2 Personal sopii henkilökohtaiseen- ja kotikäyttöön, miksei myös pieneen yritykseen tai toimistoon. Yrityskäytössä on kuitenkin henkilöstön vaihtuvuutta ja salasana pitäisi vaihtaa aina kun joku lähtee yrityksestä. Ei kai kukaan ajattele, että irtisanomisen tai irtisanoutumisen jälkeen olisi tervetullut yrityksen tietoverkkoon? Silti WPA2 Personal on yleisin tapa ratkaista WLAN-verkon tietoturva.

WPA2 Enterprise edellyttää, että käyttäjät on nimetty ja jokaisella on salasana. Windows Active Directory -ympäristössä (AD) näin aina on. Windows Serverin mukana tulee Network Policy Server -rooli (NPS), joka tarjoaa RADIUS-palvelun tukiasemille. Tukiasemat siis tarkistavat käyttäjätunnuksen ja salasanan RADIUS-palvelimelta (eli NPS:ltä) ennen kuin päästävät käyttäjän verkkoon. Estämällä käyttäjä AD:sta estetään pääsy myös WLAN-verkkoon. Tähän ei tarvita mitään ylimääräisiä laitteita tai ohjelmistoja. Käytännössä kaikki tukiasemat tukevat WPA2 Enterprise -suojausta ja NPS-roolin voi asentaa AD:n Domain Controlleriin (DC).

Lue lisää:

Miten yksi käyttäjä voi tuhota WLAN-verkon suorituskyvyn?

..ja mitä on Airtime Fairness?

WLAN on jaettu media, jossa vain yksi voi lähettää kerrallaan. Jokainen käyttäjä odottaa vuoroaan ja pääsee aikanaan lähettämään. Ongelmana on, että yhteysnopeus on riippuu kunkin käyttäjän yhteyden laadusta, siis etäisyydestä ja häiriöiden määrästä. Lähellä tukiasemaa nopeus voi nykyään olla satoja megabittejä sekunnissa, kun kuuluvuusalueen reunalla se on yksi megabitti sekunnissa. Käyttäjien tiedonsiirtotarve on kuitenkin samaa luokkaa, toisten bitit vain siirtyvät nopeammin. Tästä seuraa se, että kun kuuluvuusalueen reunalla oleva käyttäjä saa vuoron, hän käyttää saman tietomäärän siirtämiseen monta sataa kertaa enemmän aikaa – ja muut odottavat. Yksi käyttäjä voi käyttää 90% verkon ajasta, vaikka ei siirtäisi mitenkään suuria tietomääriä. Ongelma on vain pahentunut, kun WLANin huippunopeus on kasvanut, mutta edelleen tuetaan kaikkein hitaimpiakin laitteita.

Laitevalmistajilla on tähän tekninen ratkaisu: Airtime Fairness eli ATF, joka löytyy monien valmistajien järjestelmästä. Tukiasema lähettää hitaalle käyttäjälle paketteja harvemmin kuin aiemmin. Aiemmin kaikkia käyttäjiä kohdeltiin samanarvoisina, mutta nyt yhteysnopeus vaikuttaa siihen kuka saa vuoron. Vanhempia laitteita (eli standardeja) käyttävät tai kauempana tukiasemasta olevat käyttäjät huomaavat yhteytensä hidastuvan entisestään, kun taas verkon kokonaisläpäisykyky kasvaa.

Tukiasema ei voi vaikuttaa siihen, miten käyttäjät lähettävät dataa. Kaikki laitteet kilpailevat lähetysajasta tasaveroisina, mutta tukiasema vastaa hitaille laitteille harvemmin. Usein liikenne kuitenkin painottuu tukiasemasta käyttäjälle päin, eli tietoa ladataan enemmän kuin lähetetään. Silloin ATF vaikuttaa suoraan.

Airtime Fairness on hyvä ratkaisu tilapäisiin ongelmiin, mutta parempi ratkaisu on suunnitella verkko niin, ettei käyttäjiä ole heikon kuuluvuuden alueella. Lisäämällä tukiasemia tarpeen mukaan saadaan kaikille käyttäjille nopea yhteys. Airtime Fairness voi tiettyyn rajaan saakka peittää suunnitteluvirheitä, mutta ei sillä niitä voi poistaa.