Технология Beamforming - одна из самых удивительных фич Wi-Fi. Ее первое появление состоялось еще в четвертом поколении (802.11n). Но в Wi-Fi 4 ее описание было опциональное и фрагментарное. Это приводило к особенностям реализации у разных вендоров, отчего случались проблемы совместимости. Пробел исправили в пятом поколении (802.11ac), а в шестом (802.11ax) довели до блеска.
Маркетинговое описание Beamforming буквально взрывает мозг: «роутер больше не светит во все стороны, он ведет лучом за пользователем». Хочется спросить — что??? Эта черная коробочка у меня в квартире получила встроенный радар? Когда я хожу, она реально водит за мной лучом сигнала?
А если я уйду в другую комнату?
А если устройств несколько?
А если…?
Давайте разберемся, что же такое Beamforming и как он на самом деле работает. Статья написана мак��имально доступным языком и рассчитана на широкий круг читателей Хабра. Надеюсь, коллеги радиоинженеры простят мне некоторые упрощения.
Основа основ
Как бы вы не хотели услышать ответ (так правда или нет?), начать придется с важных вводных. Без этого ответ будет неполный и, честно говоря, бессмысленный.
Для понимания Beamforming нам нужно узнать что такое антенная решетка. И как она работает.
Представьте себе передатчик с одной антенной. Он излучает электромагнитную волну, и в свободном пространстве эта волна расходится. Диаграмма направленности у бытовых Wi-Fi-антенн обычно близка к «бублику»: не идеальная сфера, но и не тонкий луч.
А теперь сделаем простую вещь: поставим рядом несколько антенн и заставим их излучать один и тот же сигнал, но с разными фазами и амплитудами.
Что произойдет в пространстве?
В каждой точке волны от всех антенн будут взаимодействовать друг с другом. По сути сложатся. Где-то они сложатся конструктивно (усилят друг друга), где-то - деструктивно (одна волна частично погасит другую). В итоге получится рисунок: в одних направлениях сигнал сильнее, в других - слабее.
Меняя фазу, амплитуду или положение антенн, мы можем менять этот рисунок. Имея на борту точки доступа вычислительные мощности XXI века мы можем с хорошей долей вероятности прогнозировать, каким рисунок станет, при изменении тех или иных параметров. А обратная связь от устройств поможет нам в коррекции нашего рисунка.
Это и есть антенная решетка. Излучение сигнала несколькими антеннами с контролируемыми весами: амплитудами, фазами и положениями.
Кстати, посмотрите на свой роутер. Он шевелится? Нет? Плохо, значит управлять положением антенн в моменте не получится. Придется использовать только фазу и амплитуду.
Скрытый текст
Устройство с моторизированными антеннами так и просится на рынок. Черт с ним, пусть будет в верхнем ценовом сегменте и давать не такой уж большой прирост в качестве сигнала. Зато как круто!
Конечно, рынок не зевает и автоматические поворотные антенны на роутерах встречаются. Например, TP-Link Archer AXE200 Omni. Однако, это экзотика. Хотя возможность вращать антеннами иногда может помочь, да.
Рисуем радиоволнами
Итак, мы динамически настраиваем и перестраиваем веса (амплитуды/фазы) так, чтобы в нужном направлении волны дружно «подпирали» друг друга, создавая нужный рисунок. Что это за рисунок?
Для примера. Если антенны стоят в линию, то чтобы усилить излучение под углом, обычно вводят постепенный сдвиг фазы между соседними элементами. В одном направлении волны приходят “в ногу” - и там максимум. В другом направлении они приходят вразнобой - и там провал.
Но это даже отдаленно не похоже на “луч”. Рисунок будет напоминать мазню, на которой часть краски согнали в определенное место. Это место не будет тонкой линией-лучом, оно будет ��ятном. А лист вокруг не будет чистым, просто мазня там будет попрозрачнее.
Даже у идеальной решетки будут боковые лепестки (пусть маленькие), а в реальном роутере - еще и ограничения по числу антенн, взаимным помехам, расположению в корпусе, отражениям от стены за роутером и вашим холодильником.
Решетка не сможет идеально согнать всю краску в одно место, она неизбежно помажет по бокам. С другой стороны, мы занимаемся не маркетингом и у нас нет задачи собрать тонкий луч сигнала. Ну осталось там вокруг что-то, ушла часть энергии. Что тут сделаешь? Это все равно лучше равномерного неуправляемого “бублика” одной антенны.
Приземляем на Wi-Fi
В Wi-Fi Beamforming обычно означает Transmit Beamforming: точка доступа подбирает веса для сигналов на своих антеннах, чтобы обеспечить на стороне клиента лучшее из возможных качество приема.
В основе современных поколений Wi-Fi лежит OFDM/OFDMA. Чуть подробнее про эти понятия и разницу между ними вы можете узнать здесь. Нам важно следующее: в этой технологии цельный сигнал разбивается на много узких подсигналов (поднесущих). И на каждой поднесущей своя фаза/амплитуда.
Направление распространения «комната+мебель+люди» для каждой поднесущей чуть разный. И нам надо не просто динамически изменять излучение нескольких антенн, мы еще делаем тоже самое внутри каждой антенны на уровне поднесущих.
Это действительно очень жесткая математика. Для вычислений используется матрица предкодирования, которая фактически говорит, как смешать амплитуды и фазы разных пространственных потоков так, чтобы в точке приема они сложились красиво.
Стандарты 802.11 используют понятия beamformer (тот, кто формирует - обычно точка доступа) и beamformee (тот, кто помогает оценить канал - обычно клиент). Процедура завязана на оценку канала и обратную связь. Это важно: чтобы «нарисовать максимум» в сторону клиента, надо понимать, как канал искажает сигнал.
Тут начинается самое интересное. В 802.11ac (Wi-Fi 5) и дальше используется процедура, которую часто называют channel sounding. В упрощенном виде:
Точка доступа отправляет специальные кадры/посылки, чтобы клиент мог оценить канал (они называются NDP/NDPA).
Клиент измеряет пришедший сигнал и отправляет на точку доступа сжатый отчет (beamforming feedback).
Точка доступа по этому отчету считает веса амплитудов и фаз всех поднесущих всех пространственных потоков. И на основании этих расчетов, собственно, излучает.
Для 802.11ax (Wi-Fi 6) логика сохраняется: sounding/feedback есть, а детали усложняются за счет и так непростой математики и новых режимов
Важный момент. Отчет клиента - это тоже компромисс. Чем чаще и подробнее он будет, тем лучше отработает настройка сигнала на него. Но это дорого с точки зрения пропуска трафика - beamforming feedback не несет полезной нагрузки. Можно формировать отчет хоть непрерывно на каждую поднесущую. И мы получим идеально настроенную на клиента систему, по которой ничего нельзя передать, ибо все забито служебными пакетами.
Поэтому отчет сжимают, квантуют, используют различные более экономичные методы представления. Именно поэтому в Wi-Fi 7 (802.11be) много внимания уделяется снижению веса обратной связи: чем больше антенн и потоков, тем больше таких отчетов нужно для работы технологии Beamforming.
Отсюда важный вывод. Скорость и возможности Beamforming по определению ограничены. Сигнал не будет успевать за вами, если вы будете гонять по квартире на велосипеде (ну вдруг). Или будет?
Реальный выигрыш
Какой прирост по уровню и качеству может дать нам Beamforming? Хороший вопрос. Думаю, вы уже догадались, что мы сейчас обязательно сделаем оговорку на условия в которых все это происходит. И все же?
Beamforming дает нам выигрыш по двум направлениям:
Лучше SNR у клиента (а значит - более высокая модуляция/кодирование, меньше потерь/перезапросов пакетов).
Возможность MU-MIMO/пространственного разделения, когда точка доступа пытается одновременно обслужить нескольких клиентов, минимизируя взаимные помехи предкодированием.
Последний пункт отвечает на вопрос, что делает роутер, если клиентов несколько. Рисует “картину” сигнала таким образом, чтобы каждый из клиентов получил наилучшее качество. Тут включаются еще больше взаимосвязей и математики и на пальцах это почти не объяснить.
Реальный выигрыш измеряется несколькими децибеллами, три-четыре - вполне адекватная цифра. На практике это может «подтолкнуть» скорость на ступеньку по MCS в средних радиоусловиях. Прямо скажем - не чудо и не революция. Но Wi-Fi из таких хитростей-кирпичиков и строится. Тут децибельчик вымутили, там два сэкономили, глядишь и скачали видосик.
Я не слежу за тобой!
Иногда Beamforming может не сработать и не дать вообще никакого выигрыша. Когда такое происходит? А вот когда:
Клиент может не поддерживать нужный режим. Beamforming - это история про согласованность сторон, а кто там окажется со стороны клиента всегда лотерея.
Мало антенн. Ноут с антенной формулой 3х3 будет играть в игру формирования лучей куда лучше, чем какой-нибудь захудалый девайс только с одной антеннкой.
Накладные расходы. Sounding и feedback - это эфирное время. На загруженном канале точка доступа может вести себя консервативнее, не расходуя драгоценные пакеты на отчетность по замерам.
Слишком высокая подвижность канала. Если вы быстро двигаетесь/поворачиваете телефон, состояние канала устаревает быстрее, чем роутер успевает выстроить направление сигнала на вас.
Последний пункт, кстати, интересный. А насколько быстро может работать Beamforming? И с какой скоростью нужно двигаться, чтобы убежать от него?
Странная математика
Как мы уже знаем, в Wi-Fi точка доступа периодически посылает служебные кадры (сначала кадр-оповещение NDPA, а потом кадр-замер NDP), клиент по NDP оценивает канал и возвращает сжатый отчет, после чего точка доступа строит новую матрицу. Это дискретная история. Измерения и подстройка на их основе происходят с определенным периодом. В реальных реализациях периоды могут быть порядка единиц–десятков миллисекунд. И это не фиксированное значение. Оно зависит от чипсета, нагрузки, числа клиентов, политики точки доступа, различных режимов у клиентов и т.д.
Следующий расчет очень примерный и спорный, он зависит от кучи факторов и прошу не судить его строго. Мы делаем очень приблизительную оценку.
Итак, есть такая штука, как время когерентности канала. Она помогает оценивать, как часто надо обновлять параметры канала, чтобы “успевать” за движением клиента.
Формула тут такая:
, где T — период обновления, λ — длина волны, а V — скорость движения.
На 5 ГГц длина волны будет порядка 6 см.
Т = 10 миллисекунд. Как уже говорилось выше, период обновления находится в границах единиц–десятков миллисекунд, возьмем цифру 10. И считать удобнее и значение вполне реалистичное.
Подставив все в формулу получаем, что надо двигаться со скоростью порядка 3 метров в секунду. Или 10,8 км/ч. Повторюсь, оценка крайне грубая, но дает понимание, что своими ногами от Beamforming убежать можно. Хотя уехать на велосипеде будет практичнее.
Но если очень хочется именно убежать, то вот вам лайфхак. В помещении канал меняется во многом из-за многолучевого распространения сигнала и переотражений. Достаточно небольшого перемещения (десятки сантиметров, иногда меньше), поворота корпуса смартфона и соотношение отраженных путей меняется так, что оптимальные веса уже перестают быть оптимальными. Поэтому бегать от Beamforming лучше в квартире с кучей мебели, там вероятность успеха выше.
Внезапно. Wi-Fi следит за тобой и твоими чувствами
Если за движущимся клиентом приходится все время перестраивать канал связи, то можно сделать обратный вывод. Если канал связи все время перестраивается, то клиент движется.
Это важная информация. Допустим, если клиент находится не в квартире, а в шахте, то его долгий “простой” может быть связан с тем, что клиенту плохо. Или на клиента что-то упало. Или клиент куда-то упал. Все варианты одинаково нехороши. Один хороший - с помощью такого способа можно понять, что произошла нештатная ситуация и выслать помощь.
История про отслеживание передвижений оформляется в отдельное большое направление: WLAN Sensing. 26 сентября 2025 года на эту тему опубликован даже целый стандарт 802.11bf (WLAN Sensing). Это большая и очень перспективная тема.
Итог: правда ли, что роутер «ведет лучом за пользователем»?
Что ж, думаю, после этой статьи вы поняли: ответ «да, но нет».
Да, точка доступа может подбирать веса на антеннах так, чтобы «рисунок» сигнала распространялся преимущественно в сторону клиента. Или подобрать наиболее оптимальный рисунок, если клиентов несколько.
Да, при движении человека рисунок меняется, и система может периодически перенастраиваться — из‑за чего ДОПУСТИМО сказать, что «Wi‑Fi следует за вами».
Нет, это не «узкий луч, как лазер», и нет, роутер не перестает излучать «в стороны». Он перераспределяет диаграмму, но эфир остается эфиром.
И самое главное: Beamforming — это жесткая математика сложения волн + процедура измерения канала, где, как и везде в Wi‑Fi, компромисс сидит на компромиссе. Beamforming не окажет магического воздействия и не улучшит вам канал в десятки раз. Но на следующую ступеньку MCS подтолкнет. За что ему спасибо.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget. Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
