Rozkręcaj z LLotharem: Router WiFi

Router WiFi w domu obecnie ma chyba prawie każdy, kto posiada laptopa albo smartfona. Dostarcza on życiodajny Internet bezprzewodowo w całym domu, dzięki czemu śmieszne obrazki możemy oglądać na kanapie, w łóżku czy na porcelanowym tronie. Przyjrzyjmy się dokładnie jego konstrukcji, sposobie działania, a także temu, jak ustawić te antenki, które mój kot uwielbia gryźć.

Rozkręcać będę router Netgear N150, wart był niecałe 60zł, kiedy antena nie była jeszcze pogryziona. Nie ma w nim nic specjalnego, ot zwykły router 802.11g/n. Literki na końcu oznaczają technologię. Najnowsza obecnie to ac, wcześniej było n, g, b, a oraz najstarsze bez literki z lat 1997-1999 o oszałamiającej prędkości 2 Mbit/s. Rozkręcany może się rozkręcić 😉 do 150 Mbit/s.

Pierwsze otwarcie prezentuje smutną, pustą płytkę drukowaną. Jedyne co przykuć może uwagę, to mały scalak MX25L3206E – jest to 32 mega pamięci flash, na której zapisane jest oprogramowanie routera.

Druga strona płytki prezentuje się zdecydowanie ciekawiej.

Nie licząc pomniejszych elementów ciekawe są tutaj trzy scalaki. Pierwszym od góry jest Winbond W9812G6IH. Jest to jeden z największych na świecie producentów układów scalonych z Tajwanu. Nie sprzedaje on nic bezpośrednio dla ostatecznego klienta, stąd jest marką raczej nieznaną dla przeciętnego człowieka. Wykorzystany tutaj scalak to pamięć RAM, dokładnie 16 megabajtów.

Na środku płytki znajduje się najważniejszy element, podpisany Broadcom BCM5356A1. Jest to dosyć popularny układ wykorzystywany w tanich routerach. Zawiera on w sobie procesor, a także układy odpowiedzialne za sieć Ethernet, jak i WiFi. Taktowany jest on z prędkością 300 MHz. Na chwile obecną jest to śmiesznie niska wartość, jednak jeszcze w latach 90-tych była to prędkość zawrotna.

Na deser zostawiłem niepozorny układ blisko lewej krawędzi. Jest to układ podpisany 74LVC04A. Studenci elektroniki, automatyki czy mechatroniki powinni być choć trochę zaznajomieni z tym układem, lub serią tych układów. Oczyszczając nieco nazwę – jest to układ z rodziny 7400, dokładnie 7404. Są to układy pamiętające lata 60-te, zapoczątkowane przez Texas Instruments, jedne z pierwszych układów scalonych w masowym użyciu!

Układ 7404 posiada 14 pinów. Zasilanie, uziemienie, 6 wejść i 6 wyjść. Jeżeli na danym wejściu pojawi się sygnał wysoki (“jeden”), to na przypisanym do niego wyjściu pojawi się sygnał niski (“zero”). Analogicznie gdy na wejściu pojawi się sygnał niski, odpowiednie wyjście poda sygnał wysoki. Ten układ nie robi absolutnie nic więcej. Przypuszczam, że wykorzystany on został, aby mogły ze sobą rozmawiać elementy pracujące na różnych napięciach, np. popularnych 3.3V oraz 5V.

Moje ciekawskie oko także zauważyło dziwne zygzakowate ścieżki. Na pierwszy rzut oka wydawałoby się, że projektant tej płytki był opłacany od milimetra ścieżki, jednak w rzeczywistości służy to do wyrównania czasu, jaki różne sygnały potrzebują na dotarcie ze źródła do celu. Dziwna droga ścieżki może być także podyktowana optymalizacją pod kątem generowanych zakłóceń elektromagnetycznych. Taka ścieżka to tak naprawdę mała antena.

Jeśli o antenach mowa – mało kto wie jak ustawić anteny WiFi, aby sygnał był najlepszy. Najlepiej zacząć od tego, jak kształtuje się sygnał wokół takiej anteny – ponieważ nie rozchodzi się on równomiernie we wszystkich kierunkach. Typowa antena w routerach WiFi generuje sygnał podobny do amerykańskiego pączka z dziurką – grafika poniżej pokazuje sygnał z anteny ustawionej pionowo.

Sygnał najlepiej rozchodzi się w tym przypadku na boki, tworząc niejako płaszczyznę. Dwa komunikujące się ze sobą urządzenia robią to najefektywniej, kiedy płaszczyzny wygenerowane przez ich anteny się pokrywają.

Nieco bardziej praktycznie – w typowym polskim mieszkaniu najlepiej będzie ustawić antenę pionowo, wtedy oplatane będzie całe nasze mieszkanie, a nie sąsiedzi. W domu jednorodzinnym z kilkoma kondygnacjami, gdzie router znajduje się na parterze, lepiej aby antena była wychylona pod kątem 45 stopni tak, aby płaszczyzna wychodząca pod kątem prostym z anteny była mniej więcej w środku bryły domu.

Oczywiście na to wszystko nakładają się ściany w mieszkaniu, które również tylko częściowo przepuszczają fale radiowe, odbijają je w różnych kierunkach itp. Rozchodzenie się fal radiowych z routera można wizualizować, tak jak na filmie poniżej.

Powyższa symulacja pochodzi z aplikacji WiFi Solver, dostępnej na urządzenia z Androidem za kilka złotych. Można w niej narysować swoje mieszkanie i zrozumieć, dlaczego akurat w jakimś konkretnym miejscu Internet nie chodzi. Jest to bardziej zabawka niż poważna symulacja, jednak jest oparta ona na prawdziwej fizyce.

Mam nadzieję, że przyczyniłem się nieco do zrozumienia jak działa WiFi oraz co zrobić by mieć jak najlepszy sygnał. Jak zwykle o tym i o innych odcinkach Rozkręcaj z LLotharem rozmawiamy na Forum.