WiFi: bande, frequenze, canali e stream. Cosa c'è da sapere

In informatica e nelle telecomunicazioni IEEE 802.11 definisce un insieme di standard di trasmissione per reti wireless (WLAN, Wireless LAN) che interviene sui livelli fisico e MAC della cosiddetta pila ISO/OSI.

Il modello ISO/OSI descrive l’architettura logica di una rete per le telecomunicazioni e di qualsivoglia rete locale: i protocolli che usiamo ogni giorno, come quelli per il trasferimento dei dati, la consultazione di pagine Web, la posta elettronica agiscono tutti al livello più alto. Sotto al livello applicativo sono impilati altri livelli per arrivare a quello più profondo, fisico: esso ha a che fare con il mezzo trasmissivo usato per le comunicazioni occupandosi anche della forma e dei livelli di tensione del segnale.

Gli standard WiFi

IEEE 802.11 è l'”abc” delle comunicazioni senza fili basate su WiFi e contiene le specifiche per lo scambio dei dati tra base station (ad esempio router e access point) e client.
Le prime specifiche vennero definite nel 1997 (erano chiamate 802.1y) e permettevano soltanto il trasferimento dati in modalità wireless fino a 1-2 Mbps. Con il corso del tempo diverse versioni dello standard sono state via via approvate arrivando fino a 802.11 ax (WiFi 6) e 802.11 axe (WiFi 6E) che permettono di trasferire i dati fino a 10 Gbps e oltre nel caso di WiFi 6E sommando le prestazioni teoricamente ottenibili su tutte le bande, canali e stream.

Gli standard WiFi (quelli definiti come 802.11) definiscono le modalità con cui i dispositivi hardware compatibili gestiscono le frequenze sulle quali i dati vengono fatti viaggiare. Non è possibile scambiare i dati su qualunque frequenza perché l’utilizzo dello spettro è regolamentato. L’hardware compatibile con gli standard WiFi deve quindi limitarsi a impegnare solo ed esclusivamente alcune frequenze.
Gli standard WiFi sono definiti dall’Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE appunto.
Dal 1999 si sono susseguiti 6 standard WiFi principali: 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac e 802.11ax.

Gli standard WiFi più recenti permettono di raggiungere velocità più elevate e sono anche retrocompatibili se usano la stessa frequenza. Di conseguenza si possono usare insieme dispositivi WiFi di generazioni diverse all’interno delle medesime reti.

Le sigle che contraddistinguono i vari standard WiFi per molti sono complicate da ricordare: per questo motivo Wi-Fi Alliance, organizzazione che si occupa della promozione del WiFi oltre che della certificazione dei dispositivi compatibili, da ottobre 2018 ha scelto di contraddistinguere con i nomi più facili da tenere a mente ovvero WiFi 4, WiFi 5 e WiFi 6, rispettivamente, gli standard 802.11n, 802.11ac e 802.11ax.
WiFi 6 indica che siamo dinanzi alla sesta generazione del WiFi e così gli altri numeri.

I primi tre standard che abbiamo citato (802.11b, 802.11a e 802.11g) sono ormai obsoleti: se avete ancora un dispositivo “g” considerato ormai davvero superato seppur compatibile con i router più recenti che permettono di creare reti WiFi sui 2,4 GHz.

Di seguito presentiamo i vari standard WiFi e le rispettive caratteristiche. Va tenuto presente che le velocità indicate sono teoriche e all’atto pratico le prestazioni ottenibili dipendono da un ampio ventaglio di variabili: presenza di interferenze, ostacoli, distanza, tipologia dei dispositivi, antenne utilizzate e così via.

• 802.11b (1999), 11Mbps per stream, dimensione del canale 20MHz, supporto WEP, 2,4 GHz
• 802.11a (2000), 54Mbps per sream, 20MHz, WEP, 5 GHz
• 802.11g (2003), 54Mbps, 20 MHz, WEP, 2,4 GHz
• 802.11n (WiFi 4) (2009), 150Mbps, 20/40MHz, WEP/WPA, 2,4 e 5 GHz
• 802.11ac (WiFi 5) (2012), 433Mbps, 20/40/80MHz, WPA/WPA2, 5 GHz
• 802.11ax (WiFi 6) (2019), 1200Mbps, 20/40/80/160MHz, WPA/WPA2/WPA3, 2,4 e 5 GHz
• 802.11axe (WiFi 6E) (2021), 1200Mbps, 20/40/80/160MHz, OWE/WPA3, 6 GHz

La velocità di una connessione WiFi tra due dispositivi si basa sempre sullo stesso principio: il trasferimento dei dati avviene al massimo alla velocità consentita dal modulo wireless installato sul device più lento. Inutile quindi correre a installare un router o un access point WiFi 6 se i client sono tutti WiFi 5 e WiFi 4.

Per ciascuno standard WiFi abbiamo indicato, rispettivamente, la velocità teorica ottenibile per singolo stream (vedere più avanti), la dimensione dei singoli canali, gli algoritmi di sicurezza utilizzabili per proteggere la connessione e le bande di frequenza supportate.
In termini di sicurezza WPA2 e WPA3 offrono la protezione migliore anche se alcune vulnerabilità scoperte nei dispositivi WiFi dal 1997 a oggi stanno letteralmente squassando il mondo del networking senza fili.

Con WiFi 6E tutti i dispositivi sui 6 GHz potranno usare solo WPA3 oppure OWE (Opportunistic Wireless Encryption) mentre i protocolli precedenti vengono conservati sulle bande dei 2,4 e 5 GHz sono per questi di compatibilità.
OWE è un metodo con il quale i dispositivi wireless possono stabilire connessioni crittografate anche senza dati di accesso alla WiFi.
I dispositivi negoziano una chiave di sessione univoca (PMK, Pairwise Master Key) che può essere utilizzata solo una volta. Essa viene utilizzata al posto della tradizionale chiave di rete per crittografare la connessione.

WiFi e bande di frequenza

Il fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz a fine ‘800 dimostrò sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche spiegando come i segnali elettrici possano essere inviati usando l’aria come mezzo trasmissivo. Da qui Hertz pose le basi per l’invenzione della radio e di tutto ciò che ne sarebbe seguito.
Il suo cognome fu da allora utilizzato come unità di misura della frequenza nel Sistema Internazionale.

Lanciate un sasso in uno stagno e seguite una delle onde che si genera in seguito all’evento. Il numero delle volte che una specifica onda raggiunge il suo punto più alto in un secondo rappresenta il valore in Hertz. Se il punto più alto viene raggiunto una volta in un secondo si ha un Hertz, se lo raggiunge due volte la frequenza rilevata è di due Hertz e così via.

Il segnale WiFi usa frequenze nell’ordine dei GHz: 5 GHz significa che sono rilevabili ben 5.000.000.000 di creste d’onda in un secondo.
Più elevata è la frequenza in Hertz minore è la distanza tra due creste d’onda consecutive: ciò si traduce in una lunghezza minore che l’onda stessa può percorrere. Allo stesso tempo, però, frequenze più elevate corrispondono alla possibilità di trasferire più informazioni nell’unità di tempo.

Quando si parla di frequenze, quindi, numeri più elevati suggeriscono la possibilità di trasferire i dati raggiungendo performance migliori ma, allo stesso tempo, la copertura del segnale WiFi tenderà a ridursi.
È difficile determinare la portata effettiva di un dispositivo che lavora su ciascun banda di frequenza perché molto dipende dall’ambiente in cui ci si trova e dalla configurazione hardware dei singoli dispositivi.

• 2,4 GHz. Su questa banda, ancora oggi la più diffusa e utilizzata anche in Italia, si raggiungono circa 30-40 metri. La portata è interessante, quindi, anche se si tratta di una porzione di spettro che soffre delle interferenze generate da tanti dispositivi che ciascuno di noi ha in casa e in ufficio. Di solito andrebbe usata come “connessione di backup” quando è importante il raggio di copertura della WiFi piuttosto che la velocità di trasferimento dati.
• 5 GHz. I dispositivi che lavorano su questa banda possono trasferire i dati a velocità decisamente più elevate. In questi casi la copertura del segnale generalmente non supera i 15-20 metri.
• 6 GHz. La banda che a breve potrà essere utilizzata anche in Europa per trasferire dati alla massima velocità possibile usando dispositivi WiFi 6E. Le Autorità europee hanno dato il via all’implementazione dello standard WiFi 6E dal 20 maggio 2021: i vari Stati membri stanno via via procedendo a livello normativo. WiFi 6E è ancora meno soggetto a interferenze e gode di un overhead inferiore permettendo di superare il muro dei 10 Gbps teorici. Il raggio di copertura del segnale, tuttavia, non supera i 10 metri.

Il dato relativo al raggio di copertura è ovviamente da considerarsi come una stima molto approssimata considerando i 20 dBm EIRP (100 mW) di potenza trasmissiva consentiti sui 2,4 GHz in Europa, 23 dBm EIRP (200 mW) per le frequenze sui 5 e 6 GHz all’interno degli edifici. Sulla banda 5725-5875 MHz la potenza può arrivare a 30 dBm (1W).

La velocità effettiva della connessione WiFi è determinata anche dal numero di stream (flussi) e dalla larghezza dei canali di comunicazione utilizzati.

Ecco perché già oggi, complice la sempre più massiccia diffusione delle connessioni a banda ultralarga (ad almeno 1 Gbps), diventa opportuno orientarsi sull’installazione di sistemi WiFi mesh, soprattutto per coprire ad alte prestazioni edifici e aree di notevoli superfici.
L’unico neo, purtroppo, è che lo standard comune c’è: si chiama EasyMesh ed è stato approvato dalla Wi-Fi Alliance. I produttori di router e access point stanno però in generale ancora preferendo soluzioni mesh proprietarie.
A questo punto sarebbe utile che i consumatori si orientassero su prodotti EasyMesh in modo da avere la possibilità in seguito di aggiungere nodi alla rete WiFi progettati, realizzati e commercializzati da diversi produttori.

Cosa sono i canali WiFi

Ogni canale WiFi è semplicemente una piccola parte di ogni banda (2,4, 5 e 6 GHz). La larghezza del canale in MHz influisce direttamente sulla velocità della connessione.

Fonte: Broadcom. Va detto che mentre negli Stati Uniti si è deciso di concedere l’utilizzo senza licenza di 1200 MHz sulla banda dei 6 GHz, in Europa ci si è per ora fermati a 480 MHz.

Per quanto riguarda la larghezza dei singoli canali sono al momento previsti quattro “dimensioni”: 20MHz, 40MHz, 80MHz e 160MHz. Usando più canali contigui si può formare un canale più ampio.
La larghezza del canale a 160MHz è così ampia che possiamo averne solo due sulle frequenze dei 5 GHz. Inoltre è richiesto l’uso dei cosiddetti canali DFS (Dynamic Frequency Selection).

Disponibili solo sulla banda dei 5 GHz, i canali DFS sono canali speciali che sono condivisi con le apparecchiature radar (ad esempio quelle meteorologiche e quelle installate negli aeroporti). Quando il dispositivo WiFi (ad esempio un router o un access point) rileva un segnale radar altrui il router cesserà di usare i canali DFS condivisi e sposterà la WiFi su un altro canale DFS non impegnato. Durante questa procedura i dispositivi client potrebbero disconnettersi per un breve lasso di tempo: ciò accade con maggior frequenza se si vive vicino ad aeroporti o stazioni meteo.

Un canale a 160MHz puro usa una porzione continua dello spettro: vi è quindi la necessità, come anticipato in precedenza, di usare i canali DFS.
Per evitare l’uso dei canali DFS alcuni dispositivi WiFi supportano la modalità 160MHz (80+80) in cui due canali a 80MHz non contigui sono combinati in maniera tale da formarne uno solo. Si tratta ovviamente di un “trucco” che non permette di ottenere le stesse prestazioni raggiungibili con un canale puro a 160MHz.

Stream WiFi o data stream

Uno stream determina la velocità base su una banda di frequenza WiFi. Più flussi possono essere gestiti su una banda più elevate saranno le velocità di trasferimento dati raggiungibili.
Se i canali sono “la strada” e la loro larghezza indica quanto sono ampie le carreggiate, gli stream possono essere paragonati ai veicoli che utilizzano la strada: più questi ultimi sono di maggiori dimensioni più merci potranno trasportare durante un singolo viaggio.

A seconda delle specifiche hardware, una connessione WiFi può usare un unico stream, uno schema dual-stream (2×2), three-stream (3×3) o four-stream (4×4). In futuro arriverà anche l’impianto 8×8.
Anche in questo caso, se si utilizzasse un router 4×4 ma il client fosse 2×2 i dati seguiranno questo secondo schema e non si potranno sfruttare al massimo le potenzialità della WiFi.

MIMO sta per multiple-input, multiple-output: un router o un access point diventano in grado di gestire più stream di dati alla volta. Più stream vengono usati, ovviamente, più veloce sarà la connessione.
Questo approccio è stato introdotto con il WiFi 4 e funziona su entrambe le bande di frequenza. In seguito, con il lancio di WiFi 5, si parla di MU-MIMO (multi-user MIMO).
Con MIMO il router serve sempre per primo il client che per primo richiede lo scambio dei dati (first come, first served). Più client contemporaneamente collegati devono quindi mettersi in fila e attendere il proprio turno per “comunicare” e ricevere i pacchetti dati.
Un dispositivo WiFi MU-MIMO può “accontentare” fino a quattro e quasi certamente in futuro anche otto client WiFi in simultanea.

Anche in una rete WiFi MIMO il router è comunque in grado di passare da un client all’altro abbastanza velocemente non facendo percepire ritardi evidenti.
I benefici di MU-MIMO iniziano a farsi sentire quando i client collegati e in trasferimento dati sono 10 o più. Tale caratteristica, inoltre, funziona soltanto per il downlink e solamente sulla banda dei 5 GHz.

Dispositivi WiFi dual-band e tri-band

Dal momento che alcuni client WiFi supportano i 2,4 GHz mentre altri lavorano sui 5 GHz l’introduzione di router e access point dual-band è diventata una necessità dall’epoca dell’introduzione di WiFi 4.

Un router dual-band dispone quindi di due moduli WiFi, uno per ciascuna banda. Così come un client dual-band ne usa due, l’uno per colloquiare sui 2,4 GHz, l’altro sui 5 GHz.
I moderni router e access point permettono di usare entrambe le bande contemporaneamente mentre i client possono scambiare dati usando una sola banda per volta.

I dispositivi presentati come tri-band usano una banda a 2,4 GHz e due a 5 GHz che possono essere sfruttate simultaneamente. È così possibile servire più client allo stesso tempo sui 5 GHz rispetto a un router dual-band prima che si inizino a creare colli di bottiglia.

I produttori di dispositivi per il networking wireless usano sigle in cui la larghezza di banda complessivamente disponibile in condizioni ottimali viene sommata.
Mettendo da parte i numeri roboanti pubblicizzati dai produttori dei router è opportuno fermarsi un attimo per capire davvero quali prestazioni si possono davvero raggiungere con una WiFi a seconda degli standard supportati.

Quando si sceglie un nuovo prodotto è inoltre bene riflettere su alcuni dati dei moderni router WiFi.

Con l’arrivo del WiFi 6E (802.11 axe), inoltre, sempre più produttori cominceranno a riferirsi ai router tri-band come dispositivi capaci di gestire le bande a 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz come spieghiamo nell’articolo sulle differenze tra router dual band e tri band.