Двадцать лет назад, в 1997 году, появился первый стандарт на Wi-Fi, обеспечивавший скромные по нынешним временам 1–2 Мбит/с. С тех пор поддерживаемая скорость возросла на три порядка и теперь составляет несколько гигабитов в секунду. А в разрабатываемых стандартах пропускную способность Wi-Fi планируется увеличить до нескольких десятков гигабит (см. таблицу). Так, стандарт 802.11ay обещает более 20 Гбит/с и, возможно, даже свыше 100 Гбит/с в диапазоне 60 ГГц.

На протяжении всего своего пути развития Wi-Fi проигрывал проводному Ethernet в скорости: все-таки радиоволны — не лучшая среда для передачи. Однако этот относительный недостаток оказался гораздо менее важным по сравнению с таким достоинством, как мобильность: Wi-Fi стал предпочтительным способом доступа в Сеть. Как сообщает Эдгар Фигуера, глава Wi-Fi Alliance, еще в 2015 году через Wi-Fi было передано более 50% интернет-трафика, а по данным Cisco, пользователи Wi-Fi и абоненты сотовой связи генерируют свыше двух третей всего сетевого трафика.

Краткая история Wi-Fi в стандартах
Краткая история Wi-Fi в стандартах

 

Без Wi-Fi как без рук. Этот способ передачи данных стал культурным явлением: наличие качественного беспроводного доступа теперь столь же насущная необходимость, как вода в кране или свет в розетке. Так, при выборе отеля большинство постояльцев обращают внимание на доступность Wi-Fi, и, согласно недавнему исследованию 2Europe Ltd, проведенному по заказу компании ZyXEL, его низкое качество является второй после внешнего шума причиной жалоб. Впрочем, это неудивительно, ведь 38% европейских отелей не могут обеспечить стабильный доступ в Интернет из-за того, что сеть не справляется с большим количеством подключенных устройств.

И хотя скорость по-прежнему имеет значение, при увеличивающейся плотности использования Wi-Fi, особенно в общественных местах, и растущем разнообразии применений на первое место в разработке стандартов выходят другие факторы: емкость, стоимость, управляемость, поддержка различных приложений — от низкоскоростных подключений IoT до высокоскоростного потокового видео 4K. Потребность удовлетворить разнообразные запросы находит отражение в новых стандартах. И конечно, поддержка более высоких скоростей никогда не будет лишней.

ГИГАБИТНЫЙ РУБЕЖ

Текущий уровень достижений в области беспроводных локальных сетей характеризуется стандартом 802.11ac Wave 2 — соответствующее оборудование Wi-Fi Alliance начал сертифицировать в прошлом году. По сравнению с Wave 1 скорость передачи данных на физическом уровне возросла с 1,3 до 2,3 Гбит/с в диапазоне 5 ГГц (хотя это все еще ниже специфицированного предела в 6,9 Гбит/с в стандарте IEEE на 802.11ac).

Помимо повышения скорости, была увеличена максимальная возможная ширина канала — с 80 до 160 ГГц. Теоретически это поможет облегчить передачу больших файлов. Кроме того, добавлена поддержка четвертого пространственного канала, что тоже должно способствовать повышению производительности. Расширен спектр рабочих частот в диапазоне 5 ГГц, поэтому доступных каналов стало больше. Таким образом, устройства будут меньше создавать помех друг другу.

Пожалуй, главным отличием второй волны от первой является поддержка многопользовательского множественного ввода-вывода (Multi-User Multi-In Multi-Out, MU-MIMO): на каждое устройство может направляться отдельный пространственный поток. Иначе говоря, точка доступа теперь способна осуществлять передачу данных на несколько устройств одновременно (до четырех клиентских устройств 1×1:1 MIMO в случае точки доступа 4×4:4 MIMO), что повышает эффективность использования спектра (см. рис. 1). Однако MU-MIMO в 802.11ac поддерживает трафик только от точки доступа к клиентам, возможность передачи в обратном направлении будет реализована в стандарте 802.11ax (см. следующий раздел).

Рис. 1. В случае MU-MIMO точка доступа может осуществлять передачу сразу нескольким клиентам, благодаря чему повышается эффективность использования спектра
Рис. 1. В случае MU-MIMO точка доступа может осуществлять передачу сразу нескольким клиентам, благодаря чему повышается эффективность использования спектра 

 

В конце прошлого года появились первые устройства стандарта 802.11ad, более известного как WiGig. В данном случае теоретический максимум пропускной способности составляет 8 Гбит/с (первые выпущенные устройства поддерживают только около 4,6 Гбит/с). Однако с точки зрения функциональности новый стандарт во многом похож на своих предшественников. Его главной отличительной чертой является работа в диапазоне 60 ГГц — точнее, в интервале от 57 до 66 ГГц в зависимости от страны (в России ГКРЧ разрешила использовать весь диапазон для устройств стандарта 802.11ad).

Как известно, чем выше частота, тем сильнее затухание. Соответственно, связь возможна только в условиях прямой видимости на расстоянии до 10 м, поскольку даже одна стена становится непреодолимым препятствием для сигнала WiGig. В случае соединений точка-точка при использовании специальных антенн дальность может быть увеличена, что позволит подключать станции сотовой связи.

Благодаря доступности широкого диапазона частот 9 ГГц WiGig позволяет передавать большие объемы данных (см. рис. 2). Изначально этот стандарт разрабатывался как замена кабельного подключения, по крайней мере в пределах комнаты. В качестве перспективных приложений рассматриваются обмен файлами (соединение компьютеров с принтерами и другой периферией), потоковая передача видео с высоким разрешением, дополненная реальность и т. п.

Рис. 2. При использовании всех трех диапазонов (800 Мбит/с на 2,4 ГГц, 1,733 Гбит/с на 5 ГГц и 4,6 Мбит/с на 60 ГГц) максимальная пропускная способность первого WiGig-маршрутизатора TP-Link AD7200, оснащенного четырьмя гигабитными Ethernet-портами, составляет 7,2 Гбит/с
Рис. 2. При использовании всех трех диапазонов (800 Мбит/с на 2,4 ГГц, 1,733 Гбит/с на 5 ГГц и 4,6 Мбит/с на 60 ГГц) максимальная пропускная способность первого WiGig-маршрутизатора TP-Link AD7200, оснащенного четырьмя гигабитными Ethernet-портами, составляет 7,2 Гбит/с 

 

Как и в случае с диапазоном 5 ГГц, вряд ли переход на 60 ГГц будет быстрым. Для ускорения этого процесса предусмотрена поддержка динамического переключения сеансов, то есть устройства Wi-Fi смогут динамически переключаться между стандартными диапазонами 2,4 и 5 ГГц и новым 60 ГГц. ABI Research прогнозирует, что до 2021 года будет продано 4,7 млрд устройств WiGig.

БОЛЬШИЕ НАДЕЖДЫ НА 802.11AX

Многие из выдвигаемых требований и запросов призваны удовлетворить разрабатываемый стандарт 802.11ax. Он должен будет обеспечить скорость до 10 Гбит/с в диапазоне не только 5 ГГц, но и 2,4 ГГц, что не предусмотрено в 802.11ac. Однако главным достоинством этого стандарта станут не повышение скорости и расширение диапазона, а увеличение плотности подключений. Он разрабатывается в расчете на поддержку таких ресурсоемких приложений, как потоковое видео, виртуальные частные сети и видеоконференции в гетерогенных сетях с множеством активных пользователей.

В случае проводных подключений соединений 100 Мбит/с вполне достаточно для большинства имеющихся приложений. Между тем Wi-Fi уверенно преодолел планку 1 Гбит/с. Однако проводные сети являются коммутируемыми, тогда как беспроводные — разделяемыми. Иначе говоря, доступная полоса пропускания делится между несколькими абонентами, и каждый получает свою долю. Соответственно, проблема не столько в пропускной способности беспроводной системы, сколько в устранении возможных перегрузок и конфликтов.

Предшествующие стандарты Wi-Fi были рассчитаны на более-менее нерегулярное использование, при этом предполагалось, что трафик асимметричный: объем загрузки больше объема выгрузки. 802.11ax решает проблему высокой плотности путем пересмотра механизмов работы Wi-Fi, для чего были заимствованы некоторые лучшие практики LTE. Одна из них — использование множественного доступа с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA).

В случае OFDMA каждый канал делится на множество более мелких подканалов со своей частотой и до 30 клиентов могут совместно использовать канал, вместо того чтобы ждать удобного момента для передачи. В результате повышается эффективность его использования, так как абонентам не приходится конкурировать за канал, рассылая широковещательные сообщения, когда канал освобождается.

OFDMA делит спектр на так называемые временно-частотные ресурсные блоки (Resource Unit, RU). Точка доступа 802.11ax, которая выполняет функции центрального координатора, распределяет подканалы (RU) между станциями для приема и передачи, поэтому с точки зрения абонента сеть оказывается неперегруженной.

Благодаря возможности одновременного использования диапазонов 2,4 и 5 ГГц число доступных для передачи данных каналов может быть дополнительно увеличено. А использование квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) позволяет передавать больше данных в одном пакете. Если в 802.11ac многопользовательская передача осуществлялась только при загрузке, то в 802.11ax поддержка MU-MIMO MU стала двунаправленной.

Среди других улучшений 802.11ax — значительное увеличение времени работы от батареи. С помощью функции «Пробуждение по расписанию» (Wake Time Scheduling) точка доступа сможет сообщать клиенту, когда ему можно заснуть и когда проснуться. Периоды сна непродолжительны, но их достаточно много, что позволяет значительно сэкономить заряд батареи.

Появление первых продуктов 802.ax ожидается уже в следующем году, хотя стандарт вряд ли будет принят ранее 2019 года.

Wi-Fi ДЛЯ РАЗНЫХ ЗАДАЧ

До недавнего времени каждая очередная версия стандарта Wi-Fi была призвана заменить своего предшественника. Так, например, 802.11ac быстрее, менее чувствителен к помехам и поддерживает больше клиентов, чем его предшественник 802.11n. Однако из-за разнообразия задач, для которых используется Wi-Fi, подход «один стандарт на все случаи жизни» перестает соответствовать предъявляемым требованиям. Это проявляется в разработке специфических стандартов для различных применений.

Первым таким стандартом стал 802.11ad (WiGig). Он обеспечивает высокую скорость передачи, но на небольшом расстоянии (см. подробнее раздел «Гигабитный рубеж»). Одним из целевых приложений является трансляция потокового видео с мобильного устройства на телевизор. Так, по оценкам Strategy Analytics, передача видео ультравысокой четкости (UHD) объемом 60 Гбайт займет менее 2,5 мин.

Возможность использовать широкую, если не повсеместную, инфраструктуру удешевляет подключение устройств Интернета вещей и делает Wi-Fi естественным кандидатом для этих целей. Многие из них, вероятно, будут подключаться с помощью разрабатываемого стандарта 802.11ah. Если WiGig предназначен для передачи больших объемов данных на короткие расстояния, то 802.11ah, получивший название HaLow, наоборот, ориентирован на передачу меньших объемов на весьма значительные расстояния, причем, что важно для приложений IoT, стандарт рассчитан на очень малое потребление энергии.

Спецификация HaLow одобрена, чипсеты доступны на рынке, но некоторые аналитики считают, что из-за слишком позднего появления ему будет трудно составить конкуренцию стандартам сотовой связи, предлагающим схожие возможности, например LTE-M. К тому же распространению HaLow будет препятствовать и его работа в нетипичном для Wi-Fi субгигагерцевом диапазоне, причем в разных регионах мира используются разные частоты: 700 МГц в Китае, 850 МГц в Европе и 900 МГц в США. По оценкам ABI Research, к 2020 году ежегодно будет продаваться 11 млн устройств с чипсетами 802.11ah. С учетом прогнозов роста Интернета вещей это совсем немного.

Впрочем, для подключения устройств IoT могут использоваться и другие стандарты Wi-Fi. Так, например, 802.11ax рассматривается в качестве одного из кандидатов для обеспечения работы IoT; в частности, благодаря поддержке MU-MIMO и меньшим интервалам между каналами (78,125 кГц), 18 клиентов могут одновременно отправлять данные в канале 40 МГц. А стандарт 802.11p предусматривает поддержку выделенных коротких соединений (Dedicated Short-Range Communications, DSRC), которые могут применяться, например, в беспилотных автомобилях.

Еще один новый стандарт, 802.11af (так называемый White-Fi или SuperWi-Fi), расcчитан на передачу больших объемов данных на большие расстояния. Он использует свободный частотный спектр между телевизионными каналами (полосы 6–8 МГц). Конкретные частоты в диапазоне от 54 до 790 МГц каждая страна определяет самостоятельно. Благодаря дальности передачи до нескольких километров, основное предназначение этого стандарта — обеспечение связи в сельской местности.

 

Какое решение Wi-Fi выбрать?

За неполные 20 лет своей истории технология Wi-Fi проникла почти во все электронные устройства. Точки доступа теперь работают на гигабитных скоростях, научились управлять диаграммой направленности и могут обслуживать нескольких абонентов одновременно. У комитета 802.11 давно закончились буквы для обозначения новых технологий (и соответствующих рабочих групп), и он перешел на двухбуквенные наименования.

Ориентироваться в этом многообразии стандартов, подстандартов и дополнений становится все сложнее: помимо имеющихся технологий, необходимо принимать во внимание и те, которые вот-вот появятся, ведь они обещают скорость 5–10–20 Гбит/с. Но мы живем здесь и сейчас, и зачастую нас интересует более практическая задача: как выбрать решение на ближайшие пять лет, чтобы впоследствии не пожалеть об этом. Поэтому позвольте сфокусироваться на этом вопросе, не претендуя на всеобъемлемость.

Выбор стандарта: n, ac Wave 1, ac Wave 2. На данный момент при построении сети Wi-Fi нельзя полностью отказаться от стандарта n, потому что стандарты ac используются в диапазоне 5 ГГц, а значительная часть конечных устройств работает в 2,4 ГГц. Поэтому, скорее всего, новая точка доступа будет двухдиапазонной: n (2,4 ГГц) + ac Wave 1/2 (5 ГГц). В офисе есть смысл использовать ТД 802.11ac Wave 2: возможно, уже совсем скоро многие ваши коллеги будут иметь устройства с поддержкой каналов 160 МГц и режима MU-MIMO. Что касается уличных сетей, в России вряд ли удастся извлечь преимущество от реализации ac Wave 2: если повезет, на одну точку доступа вам выделят канал 20 МГц для 5 ГГц и еще 20 МГц вы займете в 2,4 ГГц, сославшись на положение об устройствах малого радиуса действия. Кроме этого, из-за жуткой помеховой обстановки в городе вы, скорее всего, предпочтете использовать направленные антенны, поэтому про MU-MIMO придется забыть.

Wi-Fi требуется инфраструктура. К каждой точке доступа должен быть проложен кабель от коммутирующей подсистемы (существующей или планируемой). В офисе это обычно витая пара, на улице — витая пара или оптика. На сегодняшний день и на ближайшую перспективу вполне достаточно гигабитных каналов: несмотря на описываемые в стандартах высокие скорости, все они являются предельным случаем и относятся к передаче данных в радиоканале. Реальный трафик через порт Ethernet гораздо меньше.

Отдельные точки доступа можно объединить по радио с помощью технологии Mesh/WDS, поэтому убедитесь в том, что эта функциональность поддерживается. Кроме того, уже на этапе планирования инфраструктуры стоит задуматься о питании. Если используемые коммутаторы не поддерживают PoE, рядом с коммутатором или точкой доступа придется разместить инжектор питания, которому потребуется розетка 220 В.

Контроллеры Wi-Fi. Контроллер Wi-Fi не описывается стандартами 802.11, поэтому на рынке представлено много различных решений. Современный контроллер выполняет две основные задачи: управление сетью Wi-Fi и ее мониторинг. Контроллер может быть реализован программно или аппаратно. Программный контроллер — это либо ПО, запускаемое на одной из точек доступа в сети (как правило, это применимо только в небольших сетях, скажем до 30 точек доступа), либо ПО, устанавливаемое на сервере. Отдельно следует отметить облачные решения: некоторые вендоры предлагают такой сервис, так что пользователям не нужно устанавливать в сети собственный сервер, следить за его обновлением и т. д.

Аппаратный контроллер представляет собой отдельное устройство, как правило, того же производителя, что и точки доступа. По своей сути, это тот же сервер управления, но в маленьком корпусе и с логотипом вендора. Некоторые производители совмещают контроллер с коммутатором. Одно время была даже мода на «тупые» точки доступа, которые передавали всю информацию в сыром виде на контроллер, а последний осуществлял всю обработку, но этот подход не прижился.

Антенны. Большое количество антенн у современных точек доступа — это вынужденная необходимость. Поскольку самое простое решение — использовать отдельную внешнюю антенну на каждый приемопередатчик (chain), то общее количество антенн может достигать шести и даже восьми. В результате такая точка доступа выглядит как паук и своим внешним видом может привлечь, пожалуй, только вандала. Современные технологии позволяют внутри корпуса разместить сложные антенные системы, в том числе направленные антенны с выcоким коэффициентом усиления и антенны с поддержкой MU-MIMO. Если в сети, уличной или офисной, планируется большая плотность размещения абонентов, обратите внимание на наличие в портфолио у производителя антенны с узкой диаграммой направленности.

Поддержка старых клиентов a/b/g. Массовый выпуск таких устройств закончился более 10 лет назад, поэтому им можно смело сказать «до свидания» и отключить их поддержку в свойствах точек доступа. Если же вы один из тех «счастливчиков», кто использует в своем хозяйстве старые (как правило, специализированные) устройства a/b/g, то поинтересуйтесь, поддерживает ли приобретаемое оборудование режим Airtime Fairness. Это не панацея, но хотя бы не позволит старым устройствам «съесть» всю пропускную способность точек доступа.

Бесшовный роуминг / хэндовер. Сегодня почти все обладатели смарфонов используют приложения для передачи голоса и видео реального времени (WhatsApp, Viber, Skype, Telegram, FB Messenger и др.). При перемещении абонента между точками доступа, смена точки может занять некоторое время и вызвать задержку переключения (handoff-time). При OPEN-аутентификации или доступе с паролем (Pre-shared Key, PSK) задержка переключения минимальна (при условии использования качественного оборудования от ведущих вендоров) и не влияет на работу таких приложений.

Когда используется сервер RADIUS, смена точки доступа потребует повторной аутентификации клиента на RADIUS, что может занять 500 мс и более, так что перебои в связи гарантированы! Один из механизмов обеспечения бесшовности в этом случае — стандарт 802.11r. Его основная задача — кешировать ключ на точках доступа, чтобы абонента не нужно было повторно аутентифицировать на сервере RADIUS при смене точки доступа. 802.11r поддерживается только современными мобильными устройствами, поэтому разные вендоры предлагают проприетарные методы для «старых» клиентов, например Opportunistic Key Caching (OKC).

Расширенная функциональность. Описание возможностей современных точек доступа может занять несколько листов, поэтому остановимся на основных функциях, которые вам наверняка потребуются:

а) умное управление радиопараметрами (сканирование соседних каналов без сброса абонентских сеансов, возможность переключения канала при ухудшении помеховой обстановки, управление выходной мощностью для снижения внутрисистемной помехи или для управления покрытием территории);

б) поддержка собственного гостевого портала и/или возможность http/https-редиректа на внешние гостевые порталы;

в) поддержка Band Steering для подключения двухдиапазонных клиентов в диапазоне 5 ГГц, который, как правило, менее загружен помехами;

г) балансировка нагрузки, обеспечивающая равномерное распределение клиентов между несколькими точками доступа, что исключает наличие перегруженных точек при пустующих соседних;

д) технология Passpoint (Hotspot 2.0) заинтересует, пожалуй, только мобильных операторов: она позволяет аутентифицировать абонента на основе SIM-карты и направлять мобильный трафик через сеть Wi-Fi, когда абонент оказывается в зоне ее действия;

е) API для разработчиков будет востребован там, где сеть Wi-Fi строится для решения нестандартных задач (например, для получения данных о местоположении абонентов либо для интерактивных приложений с учетом поведения абонентов).

Цена. Последний пункт в этом перечне, но не последний по своему значению для заказчика — это цена решения, которая складывается из стоимости точек доступа, лицензий для разблокирования нужного функционала (например, 802.11r или 802.11s), контроллера, лицензий на подключение точек доступа к контроллеру, услуг техподдержки. Если вы ориентируетесь на решения из высшей лиги, то будьте готовы заплатить по всем перечисленным статьям. Но альтернатива есть — например, платформа cnPilot с контроллером cnMaestro: последний можно использовать бесплатно, так же как и услуги техподдержки.

Wi-Fi всякий-разныйСергей Голованов,

региональный технический директор

Cambium Networks,

sergey.golovanov@cambiumnetworks.com

 

СВЕТЛОЕ БУДУЩЕЕ WI-FI

Wi-Fi осваивает все новые и новые территории, помогая решать все более сложные задачи: масштаб претензий сторонников этой технологи на новые рыночные ниши растет вот уже несколько лет. Так, в прогнозе Wi-Fi Alliance на текущий год указывается, что благодаря новым стандартам Wi-Fi способен справиться с большинством тех сценариев, где требуются высокая емкость и низкая задержка, для реализации которых и создается следующее поколение сотовой связи 5G.

Помимо описанных в статье стандартов, ведутся и другие многочисленные разработки для улучшения характеристик и функциональности Wi-Fi, в которых наряду с IEEE активную роль играет Wi-Fi Alliance. Так, например, в рамках инициатив Multiband Operations и Optimized Connectivity Experience ведется поиск способов автоматического распределения клиентов между точками доступа и частотными диапазонами.

Все прогнозы по дальнейшему распространению Wi-Fi весьма оптимистичны. Количество используемых устройств Wi-Fi уже превысило численность населения Земли. По данным Wi-Fi Alliance, только в этом году будет продано около 3 млрд устройств с поддержкой Wi-Fi, а к концу года их общее число составит почти 9 млрд. Так что лучшее для этой технологии, несмотря на ее солидный 20-летний возраст и обилие конкурентов, конечно, впереди.

Дмитрий Ганьжа, главный редактор «Журнал сетевых решений/LAN»

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF