Wi-Fi 6 изнутри

Автор: Николай Жеребцов

Должность: Руководитель отдела развития сети

15.05.20

Технологии не стоят на месте, всё меняется и наш любимый W-iFi тоже. Хотелось бы слегка осветить новый виток развития этой технологии беспроводного доступа. Итак, встречайте - Wi-Fi 6.

Возможно вы никогда не слышали ни о каком Wi-Fi 4 или Wi-Fi 5, а краем глаза на упаковочный коробках роутеров или при выборе роутера в онлайн магазинах, видели загадочные цифры как 802.11, а дальше не менее загадочные буквы “b” , “a” , “g”, “n”, “ac” или “ax”. Это не совсем привычно для обычного человека. Многие  давно привыкли, что после iphone 5 выходит в свет iphone 6, следом iphone 7 и т.д . Есть правда дыры в некоторых последовательностях, но это оставим на совести маркетологов. Wi-Fi появился в конце 90-х. Инженеры не думали о маркетинге, поэтому стали по-простому именовать поколения технологий по номеру стандарта.   Сами стандарты именовались международной организацией IEEE (Институт Инженеров Электротехники и Электроники). С тех давних пор технология стала массовой, теперь приходится долго объяснять пользователю в чём отличия разных версий Wi-Fi. Наконец, к инженерам присоединились маркетологи. Они устранили досадное упущение - дали стандартам более “человеческие” имена. Таким образом, стандарт 2009 года “802.11n” стал  Wi-Fi 4, стандарт 2014 года “802.11ac”  - Wi-Fi 5, а стандарт 2019 года “802.11ax” - Wi-Fi6.

Вы можете задать вопрос: а зачем нам новый стандарт, наши роутеры и так неплохо справляются? Скажем, не так уж неплохо. Кто - кто, а наша служба технической поддержки может поведать много интересного про Wi-Fi. Даже мемчики свои приведёт. Будем надеяться, что 6-я версия стандарта облегчит жизнь и пользователей, и поддержки операторов связи.  А ещё, давайте заглянем в недалекое будущее, где вы можете стать владельцем “умного дома”. И что вы получите в довесок к своим существующим гаджетам (планшетам, смартфонам,ноутбукам, смарт телевизорам)? Правильно, кучу всякой приятной мелочи. Со временем разберёмся зачем нам все эти умные лампочки, умные розетки, умные выключатели, умные холодильники, камеры видеонаблюдения и прочие мелочи, которые помогут в домашнем хозяйстве. За умные пылесосы хозяйки расскажут уже сейчас. И все эти замечательные устройства будут стучаться к вашему роутеру постоянно и с разными, но важными целями. А как вы думаете, наш роутер разруливает эту ситуацию? Правильно,  в полном соответствии со старой доброй русской поговоркой “кто первый встал, того и тапки”. Я конечно слегка утрирую ситуацию, но давайте рассмотрим такой пример: Вы стримите на “ТВИЧ” просто крутейший геймплей и для вас нет ничего важнее этого священного действа, но только для вас. Но  в этот же самый момент в очередь к вашему роутеру уже выстроились и лампочки, и холодильник, и ваши часы, и ещё десяток других устройств из мира IoT (Интернета вещей), чтобы получить долгожданное обновление ПО или обменяться данными с Облаком. Замечу, чем больше устройств, тем выше конкуренция.

Вот ровно для того, чтобы разрулить весь этот хаос - создали Wi-Fi 6. Далее в тексте будут встречаться умные буквы, но их можно игнорировать и читать дальше. Итак, в Wi-Fi 6 применена технология OFDMA - множественный доступ с ортогональным частотным разделением..., фу-х выговорил :). Эта страшная штука пришла на смену OFDM, и давайте попробуем понять чем они отличаются, кроме буквы “A” на конце. Вот простая иллюстрация для наглядности, - вам нужно отправить 5 посылок 5-и клиентам, которые находятся в одном здании. Что сделает OFDM? Он отправит эти посылки пятью разными машинами по очереди. А что же сделает OFDMA? Он упакует посылки в одну машину и отправит клиентам, а они разберутся сами, что и кому забирать. Причём посылки клиентам отдадут почти одновременно (задержка измеряется тысячными долями секунды). Такой подход существенно сокращает время ожидания из-за отсутствия конкуренции за канал между конечными устройствами. Т.е. за одну единицу времени передается информация от большего количества устройств. А лабораторные исследования показали , что в условиях высокой плотности сети (до 30 устройств одновременно) скорость передачи Wi-Fi 6, в сравнении с Wi-Fi 5, увеличивается в 4 раза. 

Теперь ещё немного непонятных слов, но без них - никуда. Дело в том, что Wi-Fi 6 делит канал передачи данных на множество подканалов, которые называются “ресурсные единицы”. Эти единицы динамически распределяются между клиентами. В какой-то момент весь канал может быть выделен одному клиенту, если это тому нужно и нет больше желающих. В описании технологии сказано, что ресурсных единиц может быть до 74 штук, а значит всего 74 устройства могут получать данные одновременно. Кстати, аналогичное решение используется на сетях 4G (LTE).

А что же Wi-Fi 5? Неужели не было никакой многозадачности и всё так плохо... Она была и базировалась на принципиально другой технологии MU-MIMO. Давайте чуть подробнее о ней. Все, наверное, обратили внимание, что если раньше роутеры были с одной антенной, то сейчас они похожи на пауков. Во многом благодаря именно MU-MIMO (расшифровывается как многопользовательская система со множественным входом, множественным выходом). Эта технология позволяет выделить нескольким устройствам по своей персональной антенне на передачу, и ещё одной на приём. А потом одновременно отправлять и принимать данные. Например, роутер с 8-ю антеннами может одновременно работать с 4-мя устройствами, каждая антенна работает в одном направлении. В Wi-Fi 6 про MU-MIMO не забыли и существенно её прокачали. Она теперь может одновременно работать с 8 устройствами и в обе стороны. В довесок прикрутили ещё и BEAMFORMING (эта технология была реализована и в Wi-Fi 5) - формирование направленного луча. И опять немного умных букв. Существуют 2 технологии формирования луча:

EXPLICIT (явный) BEAMFORMING - в этом случае роутер посылает “сигнальные” пакеты со всех антенн в разные стороны, потом спрашивает у клиента о том, что ему прилетело, так вычисляется положение клиента и оптимальные для него настройки: используемые антенны роутера, мощность сигнала и оптимальная длина волны для преодоления препятствий. Тут есть одна закавыка - клиентское устройство должно уметь ответить на такой запрос. Но если оно не умеет, не расстраивайтесь, есть вторая технология: IMPLICIT (неявный) BEAMFORMING - в этом случае роутер, путём перебора, меняет направление и силу сигнала, и делает это до тех пор, пока не будет достигнута максимальная скорость у клиента. Понятно, что неявное формирование  луча будет работать несколько медленнее и менее надежно.

Есть ещё один небольшой нюанс, на который нельзя не обратить внимание. Дело в том, что Wi-Fi, в любой его реинкарнации, использует радиоканал. А радиоканал, по своей сути, является разделяемой средой. И никто не может запретить вашему соседу по лестничной площадке пользоваться Wi-Fi в том же частотном диапазоне, что и вы. Следовательно, как и на дороге, возникнет пробка: ваши роутеры и гаджеты будут мешать друг другу. Поэтому большинство роутеров постоянно “слушают” частоту, на которой сами передают данные и постоянно проверяют свободен ли канал для передачи, и если летает много “пакетов” информации, в том числе и чужих, то роутер думает “не вопрос, я подожду” и, как только канал освобождается, отправляет данные. И самое печальное, что роутеры, в большинстве своём,  не могут отличить свои пакеты от “залётных” от другого роутера, именно поэтому из-за пересечения сигналов, роутер думает, что канал загружен и простаивает. Вот это то самое, с чем наша техническая поддержка сталкивается каждый день, и что раздражает абонентов. Представьте, ваш сосед что-то качает, а ваш роутер думает, что это вы хотите ему что-то отправить. Пример ситуации:

В Wi-Fi 6 эту проблему попытались решить с помощью функции BSS Color. Эта функция позволяет роутеру отличить свою передачу от чужой. Каждый пакет своей сети “закрашивается” определенным цветом. Не стоит это воспринимать в буквальном смысле, такая терминология введена для простоты понимания. На самом деле, на пакетах появляется цифровая подпись, и роутер, слушая частоты, понимает какие пакеты из его сети, а какие нужно игнорировать, тем самым решая проблему с пересечением частот. 

Теперь поближе посмотрим, что же у нас со скоростью передачи данных. Давайте не будем углубляться в увеличение плотности кодирования сигнала и квадратурные амплитудные модуляции, ибо с помощью тех формул и чертежей, можно нечаянно вызвать Ктулху. Мы просто посмотрим на эксперименты сотрудников CNET.COM - сайт англоязычный, но очень информативный (куча статей, блог и обзоры,посвящённые компьютерным технологиям и их внедрениям в нашу повседневную жизнь).

Ребята сделали замеры скорости на практике, используя различные роутеры. Судя по данным, прирост может достигать 50 % (все пруфы в скринах. Или можете посмотреть видео на сайте)

Теперь разбавим всю эту красоту небольшим количеством дёгтя (машинного масла, нефти и её производных), выбирайте на свой вкус. Чтобы все эти технологии работали, вам нужен не только роутер, но и клиентское устройство с поддержкой Wi-Fi 6, в противном случае, всё будет работать в обычном режиме. А если у вас большая сеть, то для более эффективной работы необходимо, чтобы более половины устройств работало в стандарте Wi-Fi 6. Прогнозируется, что переход на новую технологию пойдёт семимильными шагами в течение 3-х последующих лет.  Сейчас она точно доступна на флагманских смартфонах от Apple и Samsung и некоторых других. Всё это дело легко гуглится, я брал пруфы отсюда.

Надеюсь, статья оказалась для Вас полезной, отдельное спасибо сайтам Хабр и cnet  за предоставленную информацию.

P.S. На момент написания статьи наткнулся на первые упоминания о новейшем стандарте Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be), если кому-то интересно, кликаем сюда