Guida pratica agli standard, ai protocolli (classi) e alle frequenze del Wi-Fi per conoscere meglio le versioni in circolazione e capire come cambiano la velocità, la copertura dei segnali e l’affidabilità della connessione.
Il Wi-Fi è ormai diventato un servizio imprescindibile in qualsiasi abitazione al pari dell’impianto elettrico, idraulico e di riscaldamento.
La crescita esponenziale dei dispositivi connessi a internet in modalità wireless – smartphone e tablet, televisori, smart speaker/display, IP Cam, domotica – ha reso ancora più impellente la necessità di avere connessioni Wi-Fi veloci, stabili e in grado di coprire tutta l’abitazione.
Le prestazioni del Wi-Fi dipendono non solo dalle condizioni ambientali ma soprattutto dalle sue caratteristiche che variano sensibilmente a seconda dei protocolli utilizzati (che chiameremo “classi”), identificate da alcune lettere (es.: a, b, g, n, ac, ax) o numeri (4, 5, 6, 7), e raggruppati nello standard IEEE 802.11.
In questo articolo vi spieghiamo quali sono le principali classi del Wi-Fi, come differiscono in termini di velocità, copertura, compatibilità e frequenze radio e perché è importante (anzi fondamentale) conoscerle bene quando si acquista un nuovo dispositivo come modem/router wireless, sistema repeater/extender, Smart TV, smartphone o tablet.
Numeri o lettere, vediamoci chiaro
In origine lo standard WLAN 802.11 (Wireless LAN) utilizzava solo una o più lettere alfabetiche (es.: a, b, g, n, ecc.) associate ai vari protocolli.
Di recente la Wi-Fi Alliance, l’organizzazione nata per certificare l’interoperabilità dei prodotti 802.11 e consentire l’implementazione comune di alcune parti dello standard, ha deciso di aggiungere un numero (es.: 4, 5, 6 o 7) per identificare la generazione della tecnologia Wi-Fi e renderla più comprensibile agli utenti finali.
Dal Wi-Fi 802.11b (gen-1) all’802.11n (gen-4)
Il primo protocollo Wi-Fi a comparire nel lontano 1999 è stato l’802.11b (Wi-Fi 2 – seconda generazione). Utilizzava il metodo di trasmissione Carrier Sense Multiple Access (CSMA) con Collision Avoidance (CSMA/CA), operava in banda 2,4 GHz e garantiva una velocità massima teorica di 11 Mbps (reale 5,9-7,1 Mbps).
Sempre nel 1999 è stato approvato l’802.11a (Wi-Fi 1 – prima generazione) con modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) in banda 5 GHz (12 canali non sovrapposti) per una velocità massima teoria di 54 Mbps (20 Mbps reali). In Europa non fu inizialmente autorizzato perché la banda 5 GHz era riservata all’HIPERLAN (HIgh PErformance Radio LAN), ovvero lo standard WLAN europeo alternativo all’americano IECCC 802.11.
Il primo vero salto di prestazioni avviene nel giugno 2003 con l’802.11g (Wi-Fi 3 – terza generazione). Pur utilizzando le stesse frequenze dello standard 802.11b (2,4 GHz) è in grado di raggiungere una velocità teorica di ben 54 Mbps (24,7 Mbps reali) e simile a quella dell’802.11a. È retrocompatibile con il protocollo b (riducendo ovviamente la velocità) ed è stato inizialmente adottato da Apple nei prodotti AirPort Extreme.
Un anno più tardi (2004) è partito lo studio di un nuovo standard per lo sviluppo di reti wireless ad alta velocità e multibanda, culminato alla fine del 2009 con la pubblicazione della versione 802.11n (Wi-Fi 4).
Le novità introdotte dalla quarta generazione sono molteplici tanto da rivoluzionare la connettività Wi-Fi ed avvicinarla (in termini di prestazioni) a quella cablata (LAN).
Il Wi-Fi 4 è il primo standard WLAN a supportare due diverse bande di frequenza (Dual Band – 2,4 e/o 5 GHz), anche in simultanea per garantire una velocità massima teorica di 450-600 Mbps compatibile con lo streaming video HD, le videochiamate e il backup di grandi quantità di dati senza ricorrere obbligatoriamente al cavo Ethernet.
Utilizza tecnologie innovative come MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) con due o più antenne riceventi e trasmittenti per incrementare la banda disponibile, la velocità e la copertura. Anche in questo caso viene garantita la retrocompatibilità con gli standard preesistenti (802.11a/b/g) con adeguamento delle prestazioni a quelle del dispositivo meno performante.
È tuttora utilizzato su molti modem/router, smartphone e tablet di vecchia generazione, sui dispositivi domotici (spesso solo in banda 2,4 GHz per l’eccellente compromesso tra stabilità, copertura e velocità) e su tutti quegli apparecchi che non richiedono elevate velocità di connessione ma scelgono la banda 2,4 GHz per prediligere la copertura (vedi sotto) e la robustezza del segnale oppure quella a 5 GHz per una maggiore velocità.
802.11ac e ax, generazione Gigabit
I protocolli Wi-Fi di quinta e sesta generazione, identificati dalle lettere ac (Wi-Fi 5), ax (Wi-Fi 6) e axe (Wi-Fi 6E), hanno inaugurato l’era delle connessioni wireless ultraveloci (Gigabit) tuttora utilizzate dai dispositivi di rete più performanti.
Lo standard 802.11ac è stato approvato nel 2014 dopo uno studio durato ben 6 anni, utilizza solamente la banda 5 GHz e raggiunge una velocità massima teorica multi-stazione di 1 Gbps (singolo collegamento a 500 Mbps).
Per ottenere queste prestazioni sono stati ampliati i vecchi concetti del precedente 802.11n aumentando la larghezza di banda fino a 160 MHz, utilizzando la tecnologia MU-MIMO (MIMO multi-utente) che consente ad un terminale di ricevere o trasmettere segnali da e verso utenti multipli nella stessa banda simultaneamente, adottando la modulazione ad alta densità (fino a 256 QAM) ed il Beamforming.
Quest’ultima tecnologia si dimostra particolarmente utile ed efficace soprattutto negli ambienti domestici moderni, spesso sovraffollati di apparecchiature elettroniche digitali connesse che trasmettono e ricevono segnali radio in continuazione creando potenziali interferenze che riducono le prestazioni in termini di velocità, qualità del segnale e stabilità.
In sostanza il Beamforming permette di direzionare e concentrare i segnali Wi-Fi in specifiche direzioni senza agire fisicamente sulle antenne (fisse e ormai integrate nei dispositivi) ma modulando la fase e l’ampiezza delle onde radio.
AX e AXE, quali differenze?
Nel 2021 è stata pubblicata la prima versione dello standard 802.11ax (Wi-Fi 6) che lavora principalmente a 2,4 e 5 GHz pur essendo in grado di operare tra 1 e 7 GHz. Offre una velocità massima teorica di ben 9,6 Gbps e può ridurre la latenza fino al 75% rispetto all’802.11ac.
Il valore aggiunto del Wi-Fi 6 sta soprattutto nel saper gestire il traffico dati in modo efficace ed intelligente anche in ambienti molto congestionati che portano ad un rapido degrado delle prestazioni di rete, ad esempio nei luoghi pubblici come metropolitane, aeroporti, sale da concerto, stadi, scuole e università, e con applicazioni ad elevato traffico come lo streaming video HD/4K, l’accesso al cloud, ecc.
Per questi scopi l’802.11ax adotta un meccanismo multiutente che consente di suddividere la velocità di trasmissione dati di 9,6 Gbps tra vari dispositivi, supporta i router che inviano dati a più dispositivi in un unico frame di trasmissione, consente ai dispositivi Wi-Fi di programmare le trasmissioni al router e aggiunge vari meccanismi per supportare le connessioni all’aperto a lungo raggio.
Tra le tecnologie adottate dal Wi-Fi 6 segnaliamo l’OFDMA (vedi sotto), il MU-MIMO con 8 flussi spaziali (vedi sopra), il Target Wake Time (TWT) per estendere la durata delle batterie nei device portatili e domotici, una nuova modalità operativa per la gestione dei dispositivi IoT a bassa potenza e a larghezza di banda ridotta (sensori, elettromedicali, domotica, ecc.), il WPA3 e l’Enhanced Open che rafforzano la privacy e la sicurezza anche su reti aperte e in ambito IoT.
Subito dopo il Wi-Fi 6 (ax) è stata sviluppata e pubblicata la sua diretta estensione chiamata 802.11axe o Wi-Fi 6E anche se, in realtà, lo standard di riferimento è sempre 802.11ax.
Tecnologie, velocità di trasferimento, latenza ed altri parametri rimangono immutati ma la grande novità è la terza banda di frequenza (6 GHz) che va ad aggiungersi alle precedenti 2,4 e 5 GHz.
Per maggiori dettagli sulle bande di frequenza Wi-Fi e le loro implicazioni pratiche vi consigliamo di leggere il capitolo sotto.
Wi-Fi 7, fino a 46 Gbps su tre bande
Il nuovo Wi-Fi 7 (802.11be), chiamato anche EHT (Extremely High Throughput), rappresenta lo stato dell’arte delle connessioni wireless in termini di velocità (multi-gigabit), robustezza (meno interferenze) e affidabilità.
Pur basato sullo standard 802.11ax permette di raggiungere velocità teoriche di ben 46 Gbps in banda 2,4, 5 e 6 GHz. Include numerose tecnologie e migliorie come la modulazione 4096-QAM per trasportare fino a 12 bit (anziché 10 del 1024-QAM) con un miglioramento del 20% della velocità rispetto al Wi-Fi 6, la larghezza di banda continua e non contigua 320/160+160 MHz e 240/160+80 MHz, la funzione Multi-Link Operation (MLO) che aumenta la capacità e riduce la latenza inviando e ricevendo simultaneamente dati su diverse bande e canali (es.: 5+6 GHz), 16 flussi spaziali con CMU-MIMO (il doppio del Wi-Fi 6), il blocco parziale (e non più totale) del canale Wi-Fi soggetto ad interferenze.
OFDM e OFDMA a confronto
La tecnologia di modulazione digitale OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), deriva dalla OFDM (Wi-Fi 5) e rappresenta l’elemento chiave nel processo di miglioramento delle prestazioni di rete del Wi-Fi 6-6E rispetto alle precedenti generazioni e, ovviamente, anche del nuovo Wi-Fi 7.
Sia OFDM che OFDMA suddividono i dati trasmessi in diversi piccoli pacchetti così da spostare piccoli bit di informazioni in modo semplice. In più OFDMA suddivide un canale in sottoportanti (porzioni di frequenza) per trasmettere in parallelo i piccoli pacchetti a più dispositivi contemporaneamente.
In questo modo i pacchetti ricevuti procedono alla comunicazione e non devono attendere altri pacchetti. Nel processo di downlink con OFDMA il router può utilizzare diversi gruppi di sottoportanti per inviare pacchetti a diversi client e gestire la latenza a tutto vantaggio della velocità e dell’efficienza della rete.
Come (e quanto) incide la frequenza di lavoro del Wi-Fi
La velocità effettiva del Wi-Fi dipende non solo dalla classe (b/g/n/ac/ax, 4/5/6/7, ecc.) ma anche dalla potenza e dalla qualità del segnale. Un segnale debole e disturbato contribuisce a ridurre la velocità mentre un segnale forte e pulito permette di avvicinarsi alla velocità massima reale del protocollo supportato.
La banda 2,4 GHz ha una portata eccellente perché le onde radio penetrano efficacemente negli ambienti chiusi e attraversano più facilmente muri e pavimenti coprendo meglio l’intera superficie dell’abitazione e le pertinenze nelle immediate vicinanze (balconi, terrazzi, piccoli giardini, ecc.).
In alcuni casi è possibile coprire distanze fino a 60-80 metri in interno ed esterno, anche con vari ostacoli (muri) tra il modem/router e il dispositivo connesso. È ideale per i dispositivi domotici, la videosorveglianza (IP Cam) e per tutti gli apparecchi che si accontentano di una connessione meno veloce ma molto più stabile.
Purtroppo i 14 canali Wi-Fi disponibili a 2,4 GHz sono spesso affollati, soprattutto in condominio, e i modem/router possono disturbarsi a vicenda riducendo la copertura e la velocità. Inoltre solo 3 canali (1, 6 e 11) sono totalmente separati mentre tutti gli altri si sovrappongono seppur parzialmente.
Le onde radio a 5 GHz sono invece più corte rispetto a quelle dei 2,4 GHz, vengono più facilmente assorbite, deviate e riflesse da muri, pavimenti ed altri oggetti/materiali riducendo la portata a meno di 30-50 metri in condizioni ottimali. È pur vero che, grazie ai sistemi mesh è possibile migliorare la copertura anche su superfici molto grandi e multi-livello.
I vantaggi principali sono la connessione più veloce su distanze brevi, meno rischi di affollamento (ben 23 canali non sovrapponibili) e la possibilità di scegliere tra varie larghezze di banda (20, 40, 80 e 160 MHz contro i 20-22 MHz dei 2,4 GHz). Il Wi-Fi a 5 GHz è ideale per lo streaming video HD/4K e il trasferimento di grandi quantità di dati (backup, aggiornamenti, ecc.).
La banda a 6 GHz disponibile sul Wi-Fi 6E e sul Wi-Fi 7 è composta da 25 canali (da 20 MHz) e utilizza onde radio ancora più corte e con minor propagazione. Di contro supporta velocità ancora più elevate soprattutto con connessioni multi-banda (es.: 5-6 GHz).
