Беспроводная эволюция, или Почему Wi-Fi 5 скоро отправится в музей технологий

С каждым годом объем данных, передаваемый пользователями по беспроводным сетям, растет. По прогнозам Cisco уже в следующем году почти половина всего передаваемого сетевого трафика ляжет на беспроводные сети Wi-Fi.

Одновременно растет и количество устройств, подключенных к сети. Это происходит как за счет увеличения количества повседневных устройств (телефоны, планшеты, умные часы) но и благодаря развитию новых направлений — вроде интернета вещей.

В этих условиях скорость и емкость беспроводной сети становятся критичными параметрами как во «внутреннем» офисе, для сотрудников, так и в зоне для клиентов (о том, как и чем полезна беспроводная сеть для клиентов писали в этой статье).

Как отвечают на эти потребности разработчики стандарта Wi-Fi? За почти четверть века, прошедших с момента выпуска первой версии, скорость передачи данных выросла в 3,5 тысячи раз. Казалось бы, такой шаг вперед должен обгонять потребности пользователей, а значит, бизнесу совершенно не обязательно торопиться с обновлением беспроводной сети.

Но на практике скорость соединения оказывается намного ниже, чем в спецификациях устройств, — по причине изменчивости и непредсказуемости реальной обстановки в эфире. Разберем ситуацию на примере одной из версий Wi-Fi — самой распространенной сейчас 802.11ac.

Wi-Fi 5 (или 802.11ac) был представлен 5 лет назад. Разработчики обещали максимальную теоретическую скорость в 6,77 Гбит/с. Устройства с поддержкой 802.11ac стали появляться еще на стадии драфта стандарта и к 2018 году модули доступа к сети, поддерживающие Wi-Fi 5, доминировали в объемах поставок.

Стандарт запускался в два этапа: сначала первая волна (Wave 1), а затем — вторая (Wave 2), которая принесла с собой несколько интересных нововведений. Дальше говорить о скорости будем применительно к Wave 2.

Wi-Fi 5 (Wave 2) — это первая версия стандарта, поддерживающая MU-MIMO, т.е. одновременную передачу данных нескольким устройствам. До появления этой технологии несколько устройств, подключенных к точке доступа, делили ресурс по времени (OFDM — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) — т.е. сначала поток данных направлялся одному, потом второму и т.д. При подключении множества устройств это существенно снижает скорость загрузки данных на каждое из них.

MU-MIMO, представленная в 802.11ac Wave 2, решает эту проблему. Технология с одной стороны, обеспечивает направленную передачу в сторону клиентского устройства, чтобы не создавать лишние помехи в эфире, а с другой, позволяет это делать одновременно для нескольких устройств.

Указанный теоретический порог скорости 802.11ac Wave 2 рассчитан для режима 8x MU-MIMO. Это значит, что точка доступа обеспечивает передачу одновременно до восьми клиентам, если это поддерживается на аппаратном уровне. Надо понимать, что при подключении нескольких устройств доступный канал делится между ними (и работать все будет на скорости самого медленного). А значит, вместо обещанных гигабитов мы скорее всего получим на тестах не более 433 МБит/с. Кстати, 802.11ac Wave 2 работает только в диапазоне 5 ГГц, т.е. при подключении старых устройств, не рассчитанных на этот диапазон, общая эффективность работы сети окажется еще ниже.

Еще момент. Беспроводная среда не замкнута. Вне зависимости от стандарта передача данных подвержена воздействию электромагнитных помех от бытовых приборов, офисной техники и прочих неожиданных источников, вплоть до военных. Да и сами беспроводные сети в соседнем помещении при неправильной настройке дадут о себе знать. Все это ведет к снижению качества сигнала, а значит, и скорости передачи данных (о том, как оценить электромагнитную обстановку, а также о том, как не помешать самому себе, выбирая неправильные частотные каналы, писали в этом материале).

Несмотря на ограничения реального мира, на базе Wi-Fi 5 строятся масштабные проекты, помогающие обслуживать сотни и тысячи мобильных клиентов. Например, в 2018 году на базе оборудования Cisco была развернута беспроводная сеть стадиона Лужники, обслуживающая до 80 тыс. болельщиков на территории в 220 тыс. м². Проект был реализован к проходившему в 2018 году Чемпионату мира по футболу, в рамках которого сеть и прошла жесткие тесты «на прочность». В периоды пиковых нагрузок она обслуживала до 20 тыс. одновременных соединений. Скорость на пользовательских устройствах достигала 5–8 Мбит/с (организаторы матчей ставили условие обеспечить скорость не менее 2 Мбит/с, что является общемировой практикой).

Аналогичные масштабные задачи решались в московском и питерском метро. Здесь ситуацию усложняли постоянные перемещения пассажиров, которым нужно обеспечить роуминг, хитрое электропитание, под которое надо было еще подобрать БП, да и в целом сложные условия эксплуатации в подземке. О деталях этих проектов уже писали на Хабре тут и вот тут.

Несмотря на успешные проекты на базе Wi-Fi 5, уже завтра его может оказаться недостаточно.

Вообще в рядовом бизнесе, где на точки доступа не возлагается никакой «особенной» нагрузки и ответственности, многие сети до сих пор работают на Wi-Fi 4 — 802.11n. Просто оборудование было куплено достаточно давно и не успело выработать свой ресурс. В этой версии нет ни MU-MIMO, ни широких частотных каналов. И в теории скорость даже не приближается к 1 Гбит/с, составляя 150 Мбит/с на один поток (в реальности — порядка 90 Мбит/с).

Много устаревших устройств и у пользователей. Это вынуждает даже современные точки доступа работать в режиме обратной совместимости, а значит на заметно меньших скоростях, что ухудшает производительность всего сегмента.

Но от прогресса не убежишь. По статистике потребительские устройства в среднем меняются раз в 2 года. Сейчас стандарт 802.11ас вполне зрелый, по статистике с Cisco Live 2017, проходившей в Берлине, количество клиентов 802.11ас было 76,5%. Конечно, это конференция гиков, но весьма показательно, насколько стандарт был подхвачен и популярен уже в 2017 году.

По мере естественного обновления потребительских устройств растет и потребность в более совершенном оборудовании для беспроводных сетей.

Распространенный сегодня 802.11ac ознаменовал переход от погони за скоростью одного клиента к погоне за максимальной емкостью сети. И следующий стандарт полностью поддерживает эту тенденцию.

Перед Wi-Fi 6 была поставлена задача обеспечить скорости до 10 Гбит/с. Конечно, цель теоретическая, так как такая скорость будет достижима в лучшем случае в относительно свободном диапазоне 5 ГГц для одного устройства неподалеку от роутера. Но прогресс все же впечатляет. Хотя технически стандарт был улучшен всего на 37%, в реальности за счет более эффективного использования частотного спектра (адаптации под ситуации из реального мира) он должен обеспечить рост пропускной способности в 4 раза.

В Wi-Fi 6 реализовано одновременно несколько идей, позволяющих повысить эффективность беспроводных сетей. Например, обсуждавшаяся выше MU-MIMO в этом стандарте работает не только на передачу данных от точки доступа к устройству, но и в обратном направлении (правда, устройства для этого должны также поддерживать MU-MIMO). Кроме того, в стандарте вместо OFDM была реализована поддержка OFDMA (множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов), когда пользователи делят частотный канал не только по времени, но и по поднесущим. Для еще большего уплотнения передаваемой информации используется модуляция QAM 1024.

Еще один важный аспект — востребованное бизнесом развертывание больших по площади беспроводных сетей. Для снижения помех, возникающих в одних сегментах сети из-за других, в Wi-Fi 6 воплощен механизм «раскрашивания» сегментов в разные «цвета» (с физическим понятием цвета, понятно, это свойство не имеет ничего общего; идею с названием, похоже, почерпнули из физики субатомных частиц). «Окрашивание» реализовано через назначение каждой точке доступа некого свойства, которым маркируются все ее пакеты. Когда устройство, подключенное к одной из точек, прослушивает нужный ему канал, пытаясь начать передачу, с помощью этих меток можно отличить, занята ли именно его подсеть.

Согласно прогнозам, в 2022 году более половины устройств будут поддерживать новый стандарт. Столь стремительное распространение ожидается не столько за счет поддерживаемых скоростей (хотя в мире 4К и 8К видео скорости играют определенную роль), сколько благодаря иному качеству обслуживания в сети нового стандарта — уменьшению задержки и джиттера, что важно в том числе и в бизнес-коммуникациях. И, естественно, поддержке сетей высокой плотности, которая может быть обусловлена не только обилием посетителей со своими гаджетами, но и устройствами IoT (для них в Wi-Fi 6 предусмотрены нововведения в области энергосбережения).

Хотя еще не принята окончательная версия спецификации, поддержка уже заявленных функций есть в ряде продуктов, присутствующих на рынке, например в точках доступа корпоративного уровня Cisco Catalyst 9100.

Таким образом уже сейчас имеет смысл строить беспроводные сети с поддержкой Wi-Fi 6. Затраты на изменения в беспроводной инфраструктуре площадке WiFi весьма высоки, поэтому стоит рассматривать более новые варианты инфраструктуры, чтобы использовать максимальный срок жизни оборудования. В то же время необходимо реально смотреть на вещи и не рассматривать продукты типа pre-standard, т. е. те, которые никогда не будут сертифицированы. Отдача от этой инвестиции появится при массовом появлении абонентских устройств.

Поддержкой более современных стандартов нововведения в оборудовании не ограничиваются. С момента выпуска 802.11ac до 802.11ax появились и дополнительные функции — «надстройки» над беспроводным стандартом, обеспечивающие более стабильную связь и безопасность подключения. Например, Cisco в свои устройства Wi-Fi встраивает RF ASIC — инструмент, собирающий аналитику по сети и позволяющий зафиксировать несанкционированные подключения.

Пока не завершилось внедрение Wi-Fi 6, говорить о следующем стандарте и проблемах, которые он должен решить, пока рано. Но можно обсудить перспективы.

Еще на стадии разработки текущей версии стандарта отрасль заговорила о том, чтобы решать вопрос «перенаселения» беспроводных диапазонов не только через появление более совершенных протоколов (эффективнее утилизирующих спектр), но и через расширение частотного диапазона. Предполагается, что под Wi-Fi будет задействован отрезок частот около 6 ГГц (обсуждается диапазон 5925–7125 МГц).

Ну и конечно же Wi-Fi — не единственная технология беспроводной связи. Уже сегодня скорость мобильного интернета по технологии 4G в ряде стран (например, в Австралии, Чехии, Катаре, ОАЭ и других) выше, нежели средняя скорость Wi-Fi подключений. Еще больше частных потребителей предпочтет мобильные сети, когда запустится в массовую коммерческую эксплуатацию 5G. Однако у этих сетей совсем иная экономика и цели, поэтому полностью вытеснить Wi-Fi с рынка они все равно не смогут. А благодаря инициативе Open Roaming 5G станет вполне может стать продолжением и дополнением Wi-Fi, но никак не конкурентом.

Open Roaming — идея вендоронезависимого бесшовного роуминга между сетями Wi-Fi (в том числе 6 версии) и мобильной сетью (в том числе, 5G), которая на данный момент находится на стадии бета-тестирования. Инициатива подразумевает более безопасное подключение к Wi-Fi, где это возможно с помощью одной из существующих учетных записей, например SIM-карты. Это снимет проблему небезопасности передачи данных через «гостевой» Wi-Fi, т.е. частично разгрузит мобильные сети. Open Roaming и новые сервисы для бизнеса поможет создать, поскольку с таким бесшовным переходом из мобильной сети в локальную беспроводную ей будут пользоваться гораздо большая доля клиентов.

Да и сам Wi-Fi не стоит на месте — существуют стандарты для работы в диапазонах 60 ГГц — как раз для обеспечения высокоскоростного подключения на коротких расстояниях (в рамках одного помещения). Это 802.11ad и его преемник 802.11ay. Судьба разработки во многом зависит от успеха Wi-Fi 6: если пользователи не будут удовлетворены возможностями нового стандарта, 802.11ay может ждать большое будущее в сегменте стационарных устройств (стандарт обеспечивает высокие скорости при подключении техники с фиксированным местоположением, например, телевизора; конкуренция с Wi-Fi 6 на рынке смартфонов и планшетов — сомнительна).

Уже несколько лет идет работа над приемником Wi-Fi 6 - 802.11az. Среди поставленных перед разработчиками задач - улучшение определения местоположения пользовательских устройств (при помощи GPS), что позволит быстрее подключаться к ним, не расходуя каждый раз время и ресурсы на поиски правильного направления передачи. Кроме того, рабочая группа обещала поработать над энергосбережением.

Развивается и идея отключения и включения беспроводных устройств по расписанию, чтобы не только экономить заряд батареи, но и не создавать лишних помех в эфире. Однако представлен как стандарт 802.11az будет не скоро, а значит до реального внедрения не дойдет ближайшие пару - тройку лет.