Новый стандарт Wi-Fi 802

Оглавление

Думается, не стоит говорить в очередной раз, насколько незаменимой вещью в нашей жизни стали беспроводные сети. Почти в каждой квартире есть точка доступа Wi-Fi. С появлением все большего количества мобильных устройств без этого беспроводного стандарта уже попросту не обойтись. Wi-Fi-сетями начали покрываться не только крупные торговые центры, парки и организации общепита, но и общественный транспорт. Например, к концу 2015 года Wi-Fi сетью планируется покрыть весь наземный общественный транспорт Москвы. А уже к концу этого года выходить в Интернет через беспроводные точки доступа можно будет в любом месте московского метрополитена. Более того, в планы Правительства Москвы входит покрытие сетью Wi-Fi всего города к 2018 году, когда в России пройдет Чемпионат Мира по футболу. Как видите, перед беспроводным стандартом ставятся все более сложные задачи, поскольку точкам доступам приходится работать с довольно большим и при этом постоянно растущим числом пользователей.

802.11ac

Перед тем, как начать нашу «историю», необходимо в общих чертах рассказать о том, как происходит сам процесс принятия спецификаций Wi-Fi. Организация IEEE непосредственно разрабатывает эти спецификации и утверждает их. Однако кроме нее существует еще и объединение Wi-Fi Alliance. Этот консорциум состоит из многочисленных компаний, которые занимаются разработкой девайсов для беспроводных сетей. Так вот, Wi-Fi Alliance занимается тем, что сертифицирует всё выпускаемое железо на соответствие прописанным IEEE требованиям.

Технология формирования направленного сигнала (beamforming)

О бимформинге стоит поговорить отдельно. По большому счету, в 802.11 эта технология используется не впервые. Стандарт n также поддерживал ее, однако только на уровне опций. IEEE не обязывала производителей внедрять бимформинг, а даже если они и решались на такой шаг, то четких указаний со стороны IEEE о том, как должна работать технология, не было. Поэтому возникали ситуации, когда маршрутизаторы и Wi-Fi-адаптеры по-разному формировали направленный сигнал, и технология не работала. Чтобы избежать этого, некоторые компании даже выпускали наборы устройств, одно из которых подключалось к роутеру, а другое — к компьютеру или какому-либо другому гаджету. Одним из таких наборов был Netgear WNHDB3004 Wireless Home Theater Kit, предназначенный для домашних кинотеатров. Стоимость устройств, само собой, была довольно высока и лишь единицы стремились переплачивать за незначительную прибавку производительности.

IEEE 802.11ax — следующее поколение Wi-Fi

Стандарт 802.11ac был окончательно утвержден менее года назад, но в стенах организации IEEE уже кипит работа по разработке следующего поколения Wi-Fi — 802.11ax. Несмотря на это, по предварительным планам принять финальные спецификации IEEE намерена не раньше 2019 года. Однако, судя по развитию стандартов 802.11n и 802.11ac, первые 802.11ax устройства мы увидим значительно раньше. По самым оптимистическим прогнозам, новые девайсы могут появиться уже в 2016 году.

Немного пролил свет на новый стандарт вице-президент по технологиям объединения Wi-Fi Alliance Грэг Эннис (Greg Ennis): «К 802.11ax все проявляют очень большой интерес. И уже в настоящее время очень много людей в компании принимают участие в разработке технологии». Эннис также добавил, что разработка еще очень далека от завершения, ведь производителям нужно договориться о том, какие механизмы и технологии модуляции будут применяться в работе 802.11ax.

Альтернативные стандарты

Несмотря на то, что представители IEEE уже нарекли стандарт 802.11ax наследником 802.11ac, в стенах компании ведется работа и над некоторыми другими проектами. Одним из них является стандарт 802.11ad, отличительной особенностью которого является работа в нелицензированном частотном диапазоне 60 ГГц. Пропускная способность таких сетей cможет достичь отметки примерно 7 Гбит/с, хотя при использовании иных способов формирования направленного сигнала она может составлять и все 25 Гбит/с.

Технология беспроводной сети с частотным спектром 60 ГГц появилась не так давно. В мае 2009 года было объявлено о ее создании, а в декабре того же года были приняты спецификации первого поколения. Разработкой технологии занимался Wireless Gigabit Alliance (WiGig), возглавляемый компаниями Marvell и Wilocity. Последняя, между прочим, в июле 2014 года была приобретена компанией Qualcomm Atheros.

Спустя всего лишь год после своего образования альянс WiGig подписал договор о сотрудничестве с организацией Wi-Fi Alliance. Такой ход обеспечил дальнейшую совместимость WiGig и Wi-Fi-девайсов между собой.

Проблема полудуплекса

Одним из самых больших ограничений сотовой связи, LTE и Wi-Fi в частности, является то, что они работают по полудуплексному принципу. Это означает, что в конкретный момент времени устройство может только или принимать, или отсылать информацию. Если делать это одновременно, то между сигналами возникают помехи, что не дает возможности работать с ними. Но инженеры из Техасского университета в Далласе считают, что изобрели устройство, которое поможет решить проблему полудуплекса. Оно называются циркулятором (circulator).

Принципы функционирования 802.11n

Уже привычный 802.11n может применяться в одном из двух диапазонов 2.4ГГц и 5.0 ГГц. На физическом уровне кроме усовершенствованной обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны, через каждую антенну можно пропустить до 150Мбит/с, т.е. это теоретически 600Мбит. Однако, учитывая, что одновременно антенна работает либо на приём либо на вещание, то скорость передачи данных в одну сторону не превысит 75Мбит/с на антенну.

Многоканальный вход/выход (MIMO)

Впервые поддержка этой технологии появилась в стандарте 802.11n. MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output, что в переводе — многоканальный вход многоканальный выход.
С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема и передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, а не одну.
Стандарт 802.11n определяет различные конфигурации антенн от «1х1» до «4х4». Также возможны несиметричные конфигурации, например, «2х3», где первое значение означает количество передающих, а второе количество принимающих антенн.

Ширина полосы пропускания канала 40 МГц

Особенностью стандарта 802.11n является удвоенная ширина 20МГц канала, т.е. 40 МГц. Возможность поддержки 802.11n устройствами работающих на несущих 2.4ГГц и 5ГГц. В то время как стандарт 802.11b/g работает только на 2.4 ГГц, а 802.11a работает на частоте 5 ГГц. В полосе частот 2.4 ГГц для беспроводных сетей доступны всего 14 каналов, из них первые 13 разрешены в СНГ, с интервалами 5 МГц между ними. Устройства использующие стандарт 802.11b/g используют каналы шириной 20 МГц. Из 13 каналов 5 пересекающихся. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Т.е. не пересекающимися будут только три канала на полосе 20 МГц: 1, 6 и 11.

Распределение Wi-Fi каналов по часттотам

Режимы работы 802.11n

Стандарт 802.11n предусматривает работу в трёх режимах: High Throughput (читый 802.11n), Non-High Throughput (полная совместимость с 802.11b/g) и High Throughput Mixed (смешанный режим).
High Throughput(НТ) — режим с высокой пропускной способностью.
Точки доступа 802.11n используют режим High Throughput. Данный режим абсолютно исключает совместимость с предыдущими стандартами. Т.е. усройства не поддерживающие n-стандарт подключиться не смогут. Non-High Throughput(Non-HT) — режим с невысокой пропускной способностью Чтобы устаревшие устройства могли подключиться, все кадры отправляются в формате 802.11b/g. В этом режиме используется ширина канала 20 МГц для обеспечения обратной совместимости. При использовании этого режима данные передаются со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством, подключённым к данной точке доступа (или Wi-Fi роутеру).

Индекс модуляции и схемы кодирования (MCS)

Стандарт 802.11n определяет понятие «Индекс модуляции и схемы кодирования»(Modulation and Coding Scheme). MCS — это простое целое число, присваиваемое варианту модуляции (всего возможно 77 вариантов). Каждый вариант определяет тип модуляции радиочастоты (Type), скорость кодирования (Coding Rate), защитный интервал (Short Guard Interval) и значения скорости передачи данных. Сочетание всех этих факторов определяет реальную физическую (PHY) скорость передачи данных, начиная от 6,5 Мбит/с до 600 Мбит/с (данная скорость может быть достигнута за счет использования всех возможных опций стандарта 802.11n).
Некоторые значения индекса MCS определенны и показаны в следующей таблице:

Расшифруем значения некоторых параметров.
Короткий защитный интервал SGI (Short Guard Interval) определяет интервал времени между передаваемыми символами. В устройствах стандарта 802.11b/g используется защитный интервал 800 нс, а в устройствах 802.11n есть возможность использования паузы всего в 400 нс. Короткий защитный интервал (SGI) повышает скорость передачи данных на 11 процентов. Чем короче этот интервал тем большее количество информации можно передать в единицу времени, однако, при этом точность определения символов падает, поэтому разработчиками стандарта подобрано оптимальное значение этого интервала.
MCS значения от 0 до 31 определяют тип модуляции и схемы кодирования, которые будут использоваться для всех потоков. MCS значения с 32 по 77 описывают смешанные комбинации, которые могут быть использованы для модуляций от двух до четырех потоков.

Особенности AC стандарта

В реальных условиях ни одному стандарту не удалось добиться максимума своей теоретической производительности, поскольку на сигнал влияет множество факторов: электромагнитные помехи от бытовой техники и электроники, препятствия на пути сигнала, отражения сигнала, и даже магнитные бури. Из-за этого производители и продолжают работать над созданием еще более эффективных вариантов стандарта Wi-Fi, более приспособленного не только для домашнего, но и активного офисного использования, а также построения расширенных сетей. Благодаря этому стремлению, совсем недавно, родилась новая версия IEEE 802.11 — 802.11ac ( или просто AC стандарт).
Принципиальных отличий от N в новом стандарте не слишком много, но все они направлены на увеличение пропускной способности беспроводного протокола. В основном разработчики пошли путём улучшения преимуществ стандарта N. Самое заметное — расширение каналов MIMO с максимальных трех до восьми. Это значит, что вскоре мы сможем увидеть в магазинах беспроводные маршрутизаторы с восемью антеннами. А восемь антенн — это теоретическое удвоение пропускной способности канала до 800 Мбит/с, это не говоря о возможных шестнадцатиантенных устройствах.
Устройства стандартов 802.11abg работали на каналах шириной пропускания 20 МГц, а чистый N предполагает каналы шириной 40 МГц. В новом стандарте предусмотренно, что AC роутеры имеют каналы на 80 и 160 МГц, а это означает удвоение и учетверение канала удвоенной ширины.
Стоит отметить предусмотренную в стандарте улучшенную реализацию технологии MIMO — технологию MU-MIMO. Старые версии протоколов, совместимые со стандартом N, поддерживали полудуплексную передачу пакетов от устройства к устройству. То есть в момент, передачи пакета одним устройством, другие устройства могут работать только на прием. Соответственно, если одно из устройств подключается к роутеру, используя старый стандарт, тогда и другие будут работать медленнее из-за увеличившегося времени передачи пакетов устройству использующему старый стандарт. Это может быть причиной понижения качества характеристик беспроводной сети в случае, если к ней подключено много таких устройств. Технология MU-MIMO решает эту проблему, создавая многопоточный канал передачи, при использовании которого остальные устройства не ждут своей очереди. В то же время AC роутер должен быть обратносовместим с предыдущими стандартами.
Однако, конечно же есть и ложка дёгтя. В настоящее время по прежнему абсолютное большинство ноутбуков, планшетов, смартфонов не поддерживают не только AC стандарт Wi-Fi, а даже не умеют работать на несущей 5ГГц. Т.е. и 802.11n на 5ГГц им недоступна. Также сами AC роутеры и точки доступа могут в несколько раз превышать по стоимости роутеры ориентированные на использование стандарта 802.11n.

Что такое режимы работы WiFi на 2.4 и 5 ГГц — скорость a/b/g/n/ac/ax

Для начала давайте разберемся, что же это такое за режимы wifi — a/b/g/n/ac/ax? По сути, эти буквы являются отображением этапов развития в скорости беспроводной сети. При появлении каждого нового стандарта вай-фай ему давали новое буквенное обозначение, которое характеризовало его максимальную скорость и поддерживаемые типы шифрования для защиты.

• 802.11a — самый первый стандарт WiFi, который работал в диапазоне частот 5 ГГц. Как это ни странно сегодня видеть, но максимальная поддерживаемая скорость составляла всего 54 МБит/c
• 802.11b — потом wifi захватил частоты на 2.4 ГГц и несколько последующих режимов работы поддерживали именно данный диапазон. В их числе «b», скорость на котором равнялась до 11 Мбит/c
• 802.11g — более современный вариант и именно на нем работал мой роутер, когда я написал самую первую статью на данном блоге wifika.ru. Однако, и он уже безвозвратно устарел, так как ограничение по скорости равно 54 МБит/c
• 802.11n — это уже вполне себе рабочий режим wifi для 2.4 ГГц, под который до сих пор выпускается огромное количество беспроводных устройств. Максимальная скорость равна 600 МБит/с при ширине канала в 40 МГц, что достаточно для большинства не требовательных к высокой скорости задач. Хотя бюджетные роутеры или адаптеры чаще всего имеют ограничение в 150 или 300 mbps из-за технических особенностей экономичного железа
• 802.11ac — также современный стандарт беспроводной связи для диапазона 5 ГГц, в котором работает большинство относительно недорогих двухдиапазонных маршрутизаторов и других девайсов. В зависимости от своих характеристик (поддержки MU-MIMO, количества антенн) такие устройства могут достигать скоростей в 6 ГБит/c, что уже более, чем достаточно для выполнения подавляющего списка задач, таких как онлайн игр или воспроизведения видео в высоком качестве
• 802.11ax — самое новое поколение wi-fi, которое принято называть WiFi 6. Умопомрачительные скорости, которые на сегодняшний день избыточны, но уже завтра возможно станут такими же обыденными, как b, g, n и ac. Гаджеты с поддержкой wifi 802.11ax стоят очень дорого, и те, кто их приобретают, точно знают, для чего им это нужно

Какой выбрать режим работы WiFi a, b, g или n для 2.4 ГГц?

При настройке wifi сети роутера в диапазоне частот 2.4 ГГц мы имеем возможность выбора между режимами b, g и n. Это необходимо для установки максимально возможной скорости интернет соединения. Однако, если выбрать самый современный «n», то можем получить такую ситуацию, при которой какое-нибудь старое устройство не сможет подключиться к wifi сети.

Стоит отметить, что все роутеры, адаптеры и прочее сетевое оборудование, которое поддерживает более новый режим wifi, полностью совместимы и со старыми. Если на коробке написано «Wi-Fi 802.11 AC» или «802.11 AX (WiFi 6)«, то на 100% устройство подойдет для любого wifi в сетях 2.4 и 5 ГГц.

Поэтому в настройках роутера помимо отдельных чаще всего мы имеем в меню режима такой пункт, как «смешанный (b,g,n)» или «mixed» в английской версии панели администратора. Он позволяет предоставить маршрутизатору выбор, какой из предложенных лучше всего подходит для того или иного устройства — ноутбука, смартфона, планшета, ТВ и т.д. Тем самым обеспечивается максимальная совместимость стандартов wifi для работы любого девайса.

При этом скорость беспроводного сигнала и интернета, с которой будет работать устройство, определяется не параметрами, указанными в панели маршрутизатора, а техническими возможностями отдельной конкретной модели. Например, однодиапазонный (2.4 GHz) роутер с 1 антенной сможет предоставить максимально 150 МБит/c, с двумя — 300 и так далее до 600.

Какой режим работы установить для wifi 5 ГГц — ac или ax?

Вопрос выбора режима работы wifi для диапазона частот 5 ГГц стоит не так остро. Потому что вряд ли обычному пользователю интернета вообще когда-либо в руки попадался маршрутизатор с поддержкой стандарта «ax». Самым ходовым сегодня является режим «ac», поэтому в большинстве моделей даже выбора между ними не предлагается. Чаще всего мы можем видеть все тот же смешанный тип «802.11 A + n + ac»

Если же стандарт «AX» поддерживается, то опять же, логичнее выбирать именно смешанный тип для наилучшей совместимости стандартов wifi между всеми подключаемыми к роутеру компьютерами, ноутбуками, смартфонами и ТВ приставками.

Настройка стандарта wifi на Keenetic

Для указания режима wifi на роутере Keenetic необходимо в панели управления перейти в раздел «Домашняя сеть» и открыть ссылку «Дополнительные настройки»

Здесь в пункте «Стандарт» ставим на «802.11bgn», а ширину канала обозначаем как 40 МГц

Выбор режима работы wifi сети на TP-Link

Для выбора режима wifi на маршрутизаторах TP-Link открываем личный кабинет и заходим в рубрику «Настройки беспроводного режима» или «Основные настройки — Беспроводной режим» в новой версии панели управления (во вкладке «Дополнительные»).

В пункте «Режим» выбираем «11bgn смешанный»

Настройка режима wifi на роутере Asus

В маршрутизаторе Asus для выбора стандарта, по которому будет работать wifi, нужно открыть раздел «Беспроводная сеть». Здесь в «Режиме беспроводной сети» выбираем «Авто» и ставим флажок на «b/g Protection».

Преимущества Wi-Fi Роутеров стандарта 802.11 АС

Сразу отмечу, что стандарт 802.11 ас сохранил обратную совместимость. При разработке нового стандарта беспроводной связи основной целью было увеличение пропускной спо­собности, тем самым мы получили:

• более эффек­тивное излучение сигнала в пространстве
• передача большего количества информации за один такт (изменены методы модуляции).
• используемая частота — 5 Ггц

Смена частоты для многих не будет открытием, так как в продаже давно появились двухчастотные роутеры. Частота 5 ГГц, на которой работает беспроводная сеть 802.11 ac, позволила достичь высокой пропускной способности, так как данный диапазон частот пре­доставляет большее количество эффективных каналов большей ширины. Помимо этого, диапазон в сравне­нии с 2,4-гигагерцевым менее загружен. Его используют все wi-fi роутеры стандарта 802.11 n/g, а также беспроводные телефоны, радионяни и микроволновые печи. Тем самы, на роутерах, работающих в диапазоне частот 2,4 ГГц тяжело добиться максимально возможной пропускной способности.

В свою очередь, роутеры стан­дарта 802.11ac используют практически пол­ностью свободный диапазон частот 5 ГГц. Правда сказать, устройства, работающие в этом диапазоне более подвержены влиянию стен и потолочных перекрытий, чем устройства в диапазоне 2,4 ГГц, но на практике они эффективно функционируют даже при наличии бетонных препятствий, благодаря способности целенаправленно излучать свой сигнал на клиентское устройств.

Больше частота — больше скорость роутера

Беспроводная сеть стандарта 802.11ас работает на частоте 5 ГГц, в то время как устройства прошлого поколения, как правило, исполь­зуют частоту 2,4 ГГц. Как известно, с каждым колебанием передается определенное количество информации — именно поэтому стандарт 802.11 ас обеспечивает более высокую пропускную способность.

Шире каналы — шире пропускная способность беспроводной сети

В диапазоне 2,4 ГГц для беспроводной сети предусмотрена поло­са частот в 80 МГц, в то время как диапазон 5 ГГц охватывает примерно 380 МГц. В результате мы имеем увеличенное количество каналов большей ширины, обеспечиваю­щих скорость передачи данных гораздо выше.

Эффективное соединение с клиентами в беспроводной сети

В стандарте 802.11 n передача данных происходит с помощью техно­логии MIMO (Multiple Input, Multiple Output) в несколько потоков, что увеличивает пропускную способность. В свою очередь, роутеры стандарта 802.11 ас используют технологию MU-MIMO (Multiple User MIMO), что позволяет им эффективно взаимодейство­вать с несколькими устройствами.

Технология быстрой передачи данных MIMO

У диапазона 5 ГГц полоса частот в 10 раз шире, чем у предшественника 2,4 ГГц. В беспроводной сети стандарта 802.11 ac доступно большее количество каналов (фиксированных частот), расположенных на конкретном расстоянии друг от друга. Увеличенное количест­во каналов открывает широкие возможности, чтобы избежать помех.

В новом стандарте оптимизировано взаимодей­ствие роутера с несколькими клиентскими устройства­ми. Оборудование стандарта 802.11 n излучает один сиг­нал равномерно во всех направлениях для всех имеющих­ся в помещении клиентов. В итоге, устройство в сети взаимодействует с роутером в течение определен­ного промежутка времени, что ограничивает пропускную способность. Благодаря вышеописанной технологии MU-MIMO (Multi­User MIМО) роутер стандарта 802.11 ac определяет положение клиента в сети и целенаправленно переда­ет на это устройство несколько потоков данных одновременно. Осуществляется это технологией Beamforming (формирование направленного сигнала).

Суть данной технологии: роутер, меняя составляющие сигнала для каждой из своих разно­направленных антенн, усиливает сигнал в сторону клиента, а в противоположные ослабляет. В данном случае применяется эффект конструктивной и де­структивной интерференции. Роутер стандарта 80211 ас с 8 антеннами способен эффек­тивно взаимодействовать с 4 различными уст­ройствами, каждое из которых оснащено 2 антен­нами. Стоит отметить, что поддержка Beamforming имеется и в стандарте 802.11 n, но по причине отсутствия общепринятых норм технология работает только между роутером и wi-fi адаптерами одного производителя.

Больше объем передачи информации за 1 такт

Беспроводная сеть нового стандарта обладает великолепной пропускной способностью. Например, скорость передачи данных между двумя устройствами D-Link DIR-865L, настроенными в качестве роутера и клиента, достигала 553 Мбит/с. Поверьте, этого достаточно для трансляции 5 видео­потоков формата Full HD одновременно. Только представьте, копирование фильма в 1.5Гб за 18 с. Новому стандарту проигрывают и дорогие высокопроизводительные роутеры 802.11 n.

Стены для 802.11ас не помеха

Роутеры, работающие в диапазоне 5 ГГц без проблем передают данные на расстояние более 10 м с одной бетонной и одной гипсокартонной стеной, учитывая помехи в виде чужих беспровод­ных сетей. Никто не скрывает, что волны беспроводной сети стандарта 80211 ас сильнее подвержены влиянию различных препятствий на пути следования сигнала, нежели диапазоне 2,4 ГГц, но на практике технология Beamforming доказывает обратное. Взять хотя бы ASUS RT-AC66U, который отлично передает сигнал через стены со скоростью более 350 Мбит/с.

Переход на стандарт 802.11АС | Практическое применение

Что нового принесет нам стандарт 802.11ax?

Грядущее основное обновление стандарта должно сделать Wi-Fi быстрее и лучше. Хотя в продаже уже появилось много роутеров, оснащенных чипами, поддерживающими черновые варианты спецификаций нового стандарта, сам стандарт Wi-Fi 802.11ax в окончательном виде выйдет не раньше декабря 2019 г. За это время появится еще больше модернизированных устройств, предлагающих новые потенциальные возможности беспроводной связи, которые будут способствовать развитию беспроводных сетей следующего поколения – более быстрых и рассчитанных на большее количество одновременно подключаемых пользователей.
Стандарт 802.11ax позиционируется как ‘высокоэффективный’ и часто обозначается Wi-Fi 6 – в соответствии с новой номенклатурой, установленной Wi-Fi Alliance, где предыдущие поколения обозначены Wi-Fi 5 (802.11ac) и Wi-Fi 4 (802.11n). Как ожидается, эта номенклатура будет отражена в маркировке новых устройств.
Технически Wi-Fi 6 обеспечит отдельному пользователю на 37% большую скорость передачи данных по сравнению с 802.11ac, но что еще более важно – новые спецификации обещают каждому пользователю в четыре раза большую пропускную способность в многолюдных местах (в условиях высокой плотности пользовательских устройств), а также повышенную энергетическую эффективность, которая в конечном счете должна привести к увеличению времени автономной работы устройства.

Все это достигается за счет применения в 802.11ax ряда новых технических решений, в том числе нескольких технологий параллельного подключения многих пользователей, а именно – MU-MIMO и OFDMA; эти технологии, заимствованные из сотовой индустрии, значительно повышают нагрузочную способность и производительность сети, обеспечивая большее количество одновременных подключений и более полное использование выделенного диапазона.
Владельцы и пользователи домовых сетей, решившие обновить аппаратное обеспечение, в будущем могут рассчитывать на ряд преимуществ, которые дают эти технологии, особенно когда вырастет количество устройств, приходящееся на каждую домовую сеть: по оценкам некоторых экспертов, в 2022 г. на каждый дом будет приходиться около 50 узловых устройств.
Однако, как уже было сказано, Wi-Fi 6 будет особенно актуален в местах с высокой нагрузкой на сеть и, в конечном счете, сыграет важную роль в закладке фундамента новой «умной» инфраструктуры, включающей в себя, например, устройства, взаимодействующие в рамках концепции Internet of Things (IoT). Помимо обеспечения параллельного адресного взаимодействия множества разнообразных устройств и сетей, составляющего суть концепции IoT, спецификации стандарта Wi-Fi 6 рассчитаны на удовлетворение растущих требований к скорости передачи данных при одновременном подключении многих пользователей.

В целом Wi-Fi 6 базируется на стандарте 802.11ac, в котором было обновлено более 50 специализированных технических решений, хотя, возможно, в финальную версию нового стандарта войдут не все нововведения.
Вот некоторые характеристики, которые скорей всего войдут в итоговый стандарт Wi-Fi 6:

• повышенная средняя пропускная способность отдельного подключения, обеспечивающая возможность трансляции контента с разрешением ultra-HD и VR-трансляций;
• поддержка большего количества одновременных подключений с увеличенной пропускной способностью;
• расширенный диапазон (2,4 ГГц и 5 ГГц, в перспективе будут добавлены частоты 1 ГГц и 6 ГГц);
• выделенный диапазон подразделяется на большее число каналов, что обеспечивает большую вариативность при подключении;
• передаваемые пакеты содержат большее количество данных, при этом сеть может одновременно обрабатывать разные потоки данных;
• улучшенная (почти в 4 раза) производительность на максимальном расстоянии от точки доступа;
• улучшенная производительность/ надежность подключения на улице и в условиях высокой заполненности эфира;
• возможность получения трафика из сотовых сетей в местах со слабым приемом.

Сравнение стандартов 802.11n, 802.11ac и 802.11ax

Стандарт 802.11ac (теперь – Wi-Fi 5) был утвержден в 2013 г., и, хотя его спецификации в основном отвечают потребностям большинства сегодняшних домовых сетей, он использует только диапазон 5 ГГц и не поддерживает многопользовательские технологии на том уровне, который соответствовал бы современным темпам роста количества одновременно подключаемых устройств.
В качестве опорных точек для оценки нововведений Wi-Fi 6 приведем здесь ряд изменений, которые получил стандарт 802.11ac (Wi-Fi 5) относительно 802.11n (Wi-Fi 4):

• увеличенная ширина канала (80 или 160 МГц по сравнению с максимальными 40 МГц в диапазоне 5 ГГц);
• восемь пространственных потоков взамен четырех;
• уровень модуляции 256-QAM против 64-QAM (большее количество битов данных на каждый передаваемый QAM-символ);
• многопользовательский MIMO (MU-MIMO) в версии 802.11ac Wave 2, позволяющий точке доступа одновременно передавать данные четырем подключенным устройствам, взамен однопользовательского SU-MIMO, когда в каждую единицу времени точка доступа работает только с одним устройством – как на прием, так и на передачу.

В окончательной редакции Wi-Fi 6 спецификации будут обеспечивать обратную совместимость с предыдущими стандартами, объединяя оба существующих диапазона 2,4 и 5 ГГц, наряду с дополнительными диапазонами 1 и 6 ГГц, которые будут доступны в перспективе.
Возможно, еще большего внимания, чем собственно расширение рабочего диапазона, заслуживают технологии его эффективного использования. В Wi-Fi 6 каждый из доступных диапазонов подразделяется на большее (по сравнению с предыдущим стандартом) число относительно узких подканалов, благодаря чему создается больше индивидуальных каналов связи для клиентов и обеспечивается поддержка дополнительных устройств, подключаемых к данной сети.
Хотя точка доступа с поддержкой Wi-Fi 5 в режиме передачи может одновременно обслуживать четырех пользователей благодаря MU-MIMO – это значительное достижение по сравнению с однопользовательским MIMO в Wi-Fi 4 – на сегодняшний день стандарт AC (Wi-Fi 5) позволяет точке доступа в единицу времени принимать сигнал только от одного пользователя. Новый стандарт 802.11ax (пока на бумаге) позволит увеличить число одновременно обслуживаемых пользователей до восьми – как в режиме передачи (downlink), так и в режиме приема (uplink) – с возможностью предоставления отдельному клиенту четырех одновременных потоков данных.
Однако есть информация о том, что первое поколение устройств с поддержкой 802.11ax не будет поддерживать функцию MU-MIMO uplink, и среди текущих моделей устройств найдется очень мало (точно меньше восьми) таких, которые смогут реализовать преимущества четырех пространственных потоков, так как большинство существующих смартфонов и ноутбуков с MU-MIMO обеспечивают формат подключения 2×2:2 или 3×3:3.
Данная форма записи (AxB:C) показывает максимальное число передающих антенн (A), максимальное число приемных антенн (B) и максимальное число пространственных потоков данных (C), поддерживаемое приемопередающим MIMO-устройством. И если Wi-Fi-устройства с поддержкой MU-MIMO получают от новой технологии непосредственные преимущества, то устройства без MU-MIMO могут получить косвенные преимущества в виде дополнительного эфирного времени, предоставляемого точками доступа с MU-MIMO.

В Wi-Fi 6 также вводится двухсторонняя (uplink и downlink) поддержка технологии мультиплексирования большого количества абонентов в общей полосе пропускания с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) – данная схема модуляции по сути представляет собой многопользовательскую версию технологии OFDM (входящей в спецификации 802.11ac/n). Это позволит уменьшить задержки и увеличить нагрузочную способность сети с возможностью одновременного обслуживания в общей полосе пропускания целых 30 пользователей.
Для лучшего понимания сути этих технологий представьте, что сочетание технологий MU-MIMO и OFDMA дает нам вместо схемы, где один оператор поочередно обслуживает клиентов на одной линии, схему со многими операторами и многими линиями, где каждый оператор может одновременно обслуживать несколько клиентов.

Кроме того, в случае перегрузки в сетях с поддержкой 802.11ax клиенту вместо борьбы за эфир будет предоставлена более четкая информацию о том, когда роутер станет доступен; также предлагается увеличение количества данных в пакетах за счет более высокого уровня модуляции – 1024-QAM против 256-QAM в стандарте Wi-Fi 5 и 64-QAM в Wi-Fi 4.
Хотя в Wi-Fi 6 средние скорости передачи данных и размеры полосы пропускания – того же порядка, что и в Wi-Fi 5, десятки технологий, воплощенные в обновленных спецификациях, должны значительно улучшить эффективность и пропускную способность будущих сетей Wi-Fi, которые потенциально смогут обслуживать десятки устройств в одной полосе пропускания со скоростью порядка нескольких гигабит в секунду.
Вот некоторые ключевые технологии, отличающие стандарт Wi-Fi 6 от текущих спецификаций Wi-Fi:

• MU-MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output) – многопользовательский (Multi-User) MIMO был введен в Wi-Fi 5 Wave 2, но только с поддержкой четырех одновременных подключений в режиме передачи (и одного в режиме приема), тогда как Wi-Fi 6 сможет обеспечить не только одновременную передачу, но и одновременный прием сигнала от восьми пользователей; это позволит в четыре раза увеличить теоретическую максимальную пропускную способность по сравнению с Wi-Fi 5.
  Точки доступа с поддержкой MU-MIMO обеспечивают также более качественную обработку сигнала по сравнению с точками доступа с SU-MIMO; они передают конечным устройствам служебную информацию об управлении сигналом, что позволяет регулировать MU-MIMO-трафик, поступающий от конечных пользователей.
  
• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) – не входит в стандарт Wi-Fi 5, который включает в себя обычную технологию OFDM. Данное нововведение взято из стандарта сотовых сетей 4G LTE и позволяет «нарезать» в выделенной полосе пропускания узкие подканалы; наименьший подканал называется Resource Unit (RU). Благодаря этому в Wi-Fi 6 в общей полосе пропускания могут обслуживаться сразу 30 клиентов – без привычного ожидания; эффективность повышается также за счет комбинирования различных видов трафика. OFDMA – это многопользовательская версия OFDM.
  
• 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – повышен уровень модуляции по сравнению с Wi-Fi 5 (256-QAM), хотя некоторые роутеры текущего поколения поддерживают 1024-QAM в виде экспериментальной опции. Высокий уровень модуляции повышает пропускную способность за счет более плотного заполнения каждого пакета данных.
  В 1024-QAM каждый символ OFDM содержит 10 бит данных – против 8 бит в 256-QAM, то есть емкость пакета увеличилась на 25%; в результате теоретическая скорость передачи одного потока данных в канале шириной 80 МГц выросла до 600 Мбит/с, что на 39% больше аналогичного параметра в Wi-Fi 5 (433 Мбит/с).
  
• Увеличена длительность передачи символов OFDM – с 3,2 мс в Wi-Fi 5 до 12,8 мс в Wi-Fi 6, а также длительность передачи контрольной суммы каждого символа.
  Контрольная сумма (Cyclic Prefix, CP) содержит конец символа OFDM, который добавляется к началу полезной информационной нагрузки; это обеспечивает необходимый интервал для защиты от межсимвольных помех и повышает надежность приема, так как контрольную сумму при необходимости можно использовать для идентификации символа. Данная характеристика может варьироваться в зависимости от конкретных требований (более длинная контрольная сумма содержит больше информации, но при этом занимает больший объем, что приводит к снижению скорости передачи данных).
• Динамическая фрагментация – в отличие от Wi-Fi 5 со статической фрагментацией, требующей, чтобы все фрагменты пакета данных (за исключением последнего) имели одинаковый размер, в Wi-Fi 6 используется более эффективная динамическая фрагментация, позволяющая разбивать пакет на фрагменты разной длины.
• Пространственное «цветовое» разделение каналов /BSS – если несколько точек доступа работают в одном и том же канале (каналах), они могут передавать данные с уникальным «цветовым» идентификатором и устанавливать параллельные беспроводные подключения, не создавая друг другу помех, поскольку цвет позволяет им различать данные друг друга.
  
• Автоматическое формирование диаграммы направленности в сторону абонента (Beamforming) – поддерживается и в Wi-Fi 5, но в Wi-Fi 6 количество поддерживаемых антенн увеличено с четырех до восьми. Beamforming позволяет увеличивать скорость передачи и радиус действия сети за счет формирования сигнала большей мощности в направлении конкретного абонента вместо равнонаправленного сигнала. Это способствует повышению эффективности технологии MU-MIMO, которая в условиях быстрого перемещения клиентского устройства работает не так хорошо. В устройствах Wi-Fi 4 beamforming был доступен опционально, но в стандарт Wi-Fi 5 Wave 2 вошел как неотъемлемая составляющая MU-MIMO.
• TWT (Target Wake Time) – подключение клиентских устройств в установленное время вместо предоставления доступа к сети «на конкурентной основе». Роутер может указать клиенту время перехода в «спящий» режим и время включения, что должно положительно сказаться на продолжительности автономной работы, так как устройства будут «знать», когда переходить в активный режим приема.
  
• Установленное время передачи – аналогично, вместо часто наблюдаемого сегодня конфликта пользовательских устройств в режиме передачи, в Wi-Fi 6 пользователю назначается время перехода в передающий режим, что позволяет более эффективно использовать ресурсы сети.
• Задание времени доступа (определяется случайным образом) с помощью триггерного кадра – тоже направлено на уменьшение конфликтов в эфире; управляющий триггерный кадр среди прочих атрибутов сообщает пользовательскому устройству информацию о продолжительности «окна передачи», что также повышает эффективность использования ресурсов сети.
• Два вектора NAV (Network Allocation Vector) – когда беспроводное устройство работает в режиме передачи, оно объявляет о длительности передаваемого кадра, так что другие устройства могут настроить свои NAV соответствующим образом, чтобы избежать конфликтов в эфире. Стандарт Wi-Fi 6 вводит два вектора NAV: один для сети, к которой относится данное устройство, и один для соседних сетей. Это должно уменьшить энергопотребление за счет снижения требований к чувствительности приема несущей.
• Улучшенная работоспособность на улице – является результатом некоторых из этих нововведений, включая новый формат пакета, увеличенные интервалы между пакетами и усовершенствованные методы избыточного кодирования и коррекции ошибок

Расширение диапазона (добавление полосы на частоте 6 ГГц)

Лидеры отрасли, в частности, Qualcomm, полагают, что в будущем для адекватного качества сервиса сетям потребуется более широкий диапазон, чем могут обеспечить стандартные 2,4 и 5 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц уже давно заполнен разными электронными устройствами, а 5 ГГц предоставляет недостаточную полосу для каналов повышенной ширины (например, 80 или 160 МГц), к тому же отдельные части диапазона 5 ГГц подразумевают ограничения на его использование.
Компания Qualcomm предложила выделить в свободной области частот в районе 5 ГГц полосу шириной около 1280 МГц под открытые информационные технологии.
В ответ на публичный опрос, проведенный FCC в июле 2017 г. касательно расширения использования среднечастотного диапазона (от 3,7 до 24 ГГц), более 30 компаний, включая Qualcomm, внесли предложение, в котором утверждается, что полоса частот от 5925 до 7125 МГц (так называемый «диапазон 6 ГГц») – это «именно то, что отвечает всем требованиям следующего поколения широкополосных беспроводных средств связи общего назначения».

Применительно к Wi-Fi это предложение означает, что диапазон 6 ГГц будет открытым и будет подразделяться на четыре поддиапазона с различными техническими требованиями, в том числе в части помехозащищенности.
Принимая во внимание то, что стандарт Wi-Fi 6 в настоящий момент находится в разработке, а Соединенные Штаты входят в число стран, принимающих решение об открытии диапазона 6 ГГц, рабочая группа IEEE закрепила поддержку этого диапазона в стандарте следующего поколения Wi-Fi 802.11ax (Wi-Fi 6).
Объявление диапазона 6 ГГц открытым является привлекательным решением для компаний, поскольку в этом случае они смогут использовать данную полосу частот без дополнительных согласований с FCC; ожидается, что это станет новым стимулом для инноваций и инвестиций, которые в результате приведут к так называемой «четвертой технологической революции».
«Объявив данный диапазон радиочастот открытым для локальных беспроводных сетей, Комиссия даст нам возможность предоставить пользователям быстрый сервис с меньшей задержкой и большей зоной охвата, что будет способствовать росту экономики и общественного правопорядка, которые напрямую связаны с развитием общедоступных информационных технологий,» – говорится в обращении компаний к FCC.
Wi-Fi 6 или 802.11ax – это только один из многих разрабатываемых в настоящее время новых стандартов беспроводной связи, которые будут определять требования к разнообразным сетям с различными типами устройств.

Новые стандарты – от 802.11aj/ay, которые предлагают скорость порядка десятков Гбит/с в миллиметровом диапазоне (60 ГГц), до низкочастотных (до 1 ГГц) спецификаций, например, 802.11ah, который предлагает относительно низкую пропускную способность при большей дальности действия (актуально для устройств IoT), – войдут в перечень стандартов 5G, регламентирующих использование открытых и специальных (требующих дополнительного согласования) диапазонов частот.

Заключение: перспективы Wi-Fi 6

Идущий на смену стандартам 802.11n и 802.11ac стандарт следующего поколения беспроводных сетей 802.11ax или Wi-Fi 6 разрабатывается с целью заметного повышения эффективности и емкости (нагрузочной способности) сетей Wi-Fi в многолюдных местах, а также – умеренного стабильного повышения скорости передачи данных, которая не будет падать при увеличении количества одновременно подключаемых к сети устройств.
Потому что, по выражению Qualcomm, «вопрос не в том, насколько быстрым может быть Wi-Fi, а в том, обладает ли сеть Wi-Fi достаточной емкостью, чтобы удовлетворять растущие потребности многочисленных пользователей различных клиентских устройств и сервисов».
Так как Wi-Fi 6 должен оказать непосредственное влияние на производительность сетей в местах с высокой концентрацией людей, например, на стадионах или в многоквартирных домах, ожидается, что этот стандарт будет принят быстрее, чем предыдущие версии Wi-Fi, и в перспективе станет необходимым для пользователей домовых сетей, поскольку сделает широкополосные подключения со скоростью от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с более доступными, а широкое внедрение концепции «интернета вещей» (IoT) сделает доступным в режиме онлайн «что угодно».
Если посмотреть на Wi-Fi 6 шире, то можно увидеть, что усиление поддержки многопользовательских технологий, и особенно – введение поддержки одновременного приема сигнала от нескольких пользователей, совпадает с ростом требований к качеству обработки пользовательских данных, которые будут собираться с устройств IoT и обрабатываться с помощью технологий ИИ (например, алгоритмов машинного обучения); то есть в будущем новый стандарт может быть интегрирован в целостную систему цифровой экономики.
Как уже было упомянуто в начале статьи, некоторые роутеры уже поддерживают черновые варианты спецификаций 802.11ax, хотя окончательную версию стандарта должны утвердить только в декабре 2019 г. И еще раз заметим: первая волна устройств, официально поддерживающих новый стандарт, возможно, будет поддерживать не весь функционал Wi-Fi 6, а полная поддержка – в частности, более высокий уровень MU-MIMO и диапазон 6 ГГц – появится только в устройствах второй волны.