Не все беспроводные коммуникации одинаковы. К 2020 г., как утверждают эксперты консорциума Wi-Fi Alliance, 95% всех устройств, отвечающих различным изводам стандарта IEEE 802.11, будут двухполосными. При этом более половины всех точек доступа (домашних, офисных, индустриальных) окажутся соответствующими требованиям спецификации Wi-Fi 802.11ac Wave 2 — наиболее сежей и актуальной на сегодня. А на подходе ещё столько новых, волнующих цифробуквенных комбинаций: 802.11ax, HEW, Wi-Fi 6... Как же в них разобраться?

Бесконфликтный протокол

В 1997 г. ведущий международный орган в деле инженерной стандартизации Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), утвердил спецификацию 802.11 (точнее — IEEE 802.11-1997) для инфракрасного и радиодиапазонов. Основой для организации обмена данными в рамках этой спецификации стал CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance) — вероятностный сетевой протокол канального уровня с предотвращением конфликтов.

Предотвращение конфликтов — чрезвычайно важный инструмент, который позволяет избегать «загрязнения» радиоканала по мере того, как работающих в нём радиоустройств становится всё больше в ограниченном объёме пространства. Протокол CSMA/CA предусматривает, что перед началом сеанса информационного обмена активное устройство отправляет в сеть широковещательный сигнал — предупреждение другим станциям о том, что им следует воздержаться от передачи.

Таким образом удаётся избежать искажения радиосигналов за счёт их взаимовлияния при одновременной передаче. Очевидно, что количество одновременно поддерживаемых в радиоканале виртуальных линий обмена при таком подходе заведомо ограничено. Альтернативный вариант организации обмена с обнаружением конфликтов CSMA/CD (D вместо A; collision detection вместо collision avoidance) позволяет определять некачественную передачу данных уже постфактум. Увы, обнаружение конфликтов вместо их избегания стало частью стандарта беспроводной цифровой связи в пределах прямой видимости значительно позже.

Два года спустя после утверждения рамочного стандарта 802.11 была принята спецификация IEEE 802.11a-1999, или попросту 802.11а, для высокочастотной нелицензируемой полосы 5 ГГц (точнее, 5,8 ГГц). Новая спецификация предусматривала модуляцию по схеме OFDM (оrthogonal frequency-division multiplexing; мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) с 52 поднесущими частотами. Такая организация радиосвязи обеспечила повышенную стойкость передачи данных в канале неидеального качества, подверженном усиленному затуханию сигнала в присутствии узкополосных помех и прочих ухудшающих радиообмен факторов. Впрочем, подстандарт 802.11а ещё не называли «Wi-Fi».

Знакомое сегодня всем маркетинговое обозначение Wi-Fi было впервые использовано для другой модификации исходного стандарта 802.11 — IEEE 802.11b-1999, или попросту 802.11b. Эта модификация, как и изначальная рамочная, полагалась на нелицензируемый частотный диапазон 2,4 ГГц и на протокол CSMA/CA с модуляцией DSSS (direct-sequence spread spectrum, метод прямой последовательности для расширения спектра). В дополнение к двум возможным скоростным режимам оригинальной спецификации, 1,2 и 2 Мбит/с, b-стандарт установил ещё два — 5,5 и 11 Мбит/с.

Стандарт 802.11b для массового рынка (b-оборудование было заметно дешевле, чем созданное по спецификациям 802.11а корпоративное и промышленное) оказался настолько удачным, что прямой его наследник — IEEE 802.11g-2003, или попросту 802.11g — нашёл своё воплощение в коммерчески доступной аппаратуре лишь четыре года спустя. Теоретический верхний предел скорости для 802.11g был установлен на уровне 54 Мбит/с. Этот стандарт в определённой степени стал приближением к заданной 802.11a планке, но на более низкой частоте: сохраняя обратную совместимость с b-версией, он имплементировал модуляцию по прогрессивной схеме OFDM.

Дайте пять!

Нелицензируемый частотный диапазон 2,4 ГГц крайне популярен среди производителей бытового радиооборудования. Управляемые с пульта игрушечные машинки, беспроводные клавиатуры и мыши, радионяни, десятки иных наименований доступных рядовому покупателю (а также промышленных и даже медицинских) радиоустройств полагаются именно на этот диапазон для обмена данными между разнесёнными в пространстве своими компонентами. Неудивительно, что уже к середине первого десятилетия нынешнего века диапазон 2,4 ГГц в сколько-нибудь развитых странах, особенно в условиях городской инфраструктуры, оказался чрезвычайно зашумлён.

Диапазон 5 ГГц, напротив, практически не использовался никаким бытовым оборудованием. Осознавая это, эксперты IEEE в 2007-м опубликовали предварительную спецификацию 802.11-2007, на основе которой чуть позже был в первом практическом приближении формализован стандарт IEEE 802.11n-2009 — всем сегодня прекрасно известный 802.11n. Стандарт весьма логично сочетал достоинства 2,4-ГГц версии «g» и 5-ГГц версии «а», обеспечивая теоретический верхний предел «сырой» скорости обмена данными на уровне 600 Мбит/с за счёт одновременного использования четырёх независимых пространственных потоков в радиоканалах 40-МГц ширины.

Дополнительными нововведениями n-стандарта стала поддержка технологии MIMO (multiple-input multiple-output, чрезвычайно гибкий метод пространственного кодирования сигнала, в том числе при неравном количестве передающих и принимающих антенн) и агрегации фреймов (пересылки в рамках одного сеанса двух или более фреймов данных). Немаловажным новшеством оказалась имплементация более стойкого алгоритма шифрования и переход к использованию расширенных до 40 МГц радиоканалов.

Последнее, впрочем, сразу же ограничило совместимость n-оборудования с более ранними решениями 802.11 для 2.4-ГГц диапазона, поскольку те полагались на 20-МГц (g) и 22-МГц (b) каналы. Если волюнтаристски выставить в настройках точки доступа 802.11n 40-МГц ширину канала, терминалы прежних стандартов попросту не смогут к этой точке подключиться. Если же разрешить режим обратной совместимости (автовыбор ширины канала между значениями 20 и 40 МГц), подключение будет налажено — однако общая скорость обмена данными в этой беспроводной сети окажется примерно вдвое ниже фактически достижимой.

Переход на 5-ГГц диапазон из замусоренного 2,4-ГГц не был, увы, ни быстрым, ни массовым. Дело здесь не только в необходимости разработать и изготовить новые микроконтроллеры вместе с антеннами, но и в неизбежном снижении энергетической эффективности радиосетей. Да, высокочастотный радиосигнал обеспечивает повышенную скорость передачи данных в сравнении с низкочастотным. Однако — законы физики неумолимы — ВЧ-излучение гораздо сильнее поглощается на пути своего распространения, в особенности в такой типичной для современного офиса или квартиры среде, как железобетон. А значит, для покрытия той же площади с тем же уровнем сигнала 5-ГГц точек доступа потребуется больше, чем 2,4-ГГц.

Официально пришедший на смену 802.11n стандарт IEEE 802.11ac был утверждён не так уж давно — в январе 2014-го, а разработка его заняла около трёх лет. Повышенная производительность и надёжность ас-канала связи вовсе не бесплатны; для его реализации необходимо ещё более дорогостоящее и материалоёмкое оборудование.

Основное значимое отличие стандарта 802.11ас от n — в ориентации исключительно на высокочастотный сигнал для формирования канала обмена данными. Хотя полная версия стандарта 802.11n предусматривает работу и в 5-ГГц диапазоне, фактически тот во множестве реальных инсталляций так и оставался незанятым, даже если точка доступа готова была его активно использовать. Причина — в нехватке клиентских n-адаптеров с реальной поддержкой 802.11n 5 ГГц, которые в более-менее массовом порядке начали появляться в мобильных терминалах лишь в 2012 г.

Технология 802.11ac предоставляет в распоряжение разработчиков беспроводного коммуникационного «железа» ещё более широкие каналы: 80 МГц (реализованы уже в первом поколении ас-устройств) и 160 МГц (для второго поколения). Соответственно, для имеющегося в продаже ас-оборудования с единичным пространственным потоком в 80-МГц канале теоретически доступны скорости обмена 433 Мбит/с, с двумя потоками — 867 Мбит/с, а с тремя — 1,3 Гбит/с.

Другое достоинство самого актуального стандарта беспроводной цифровой радиосвязи — в усилении плотности транслируемых данных за счёт более изощрённых алгоритмов модуляции. Уже стандарт 802.11n предполагает использование квадратурной амплитудной модуляции (QAM), то есть формирования плотного значимого кода (последовательности единиц и нулей) за счёт суперпозиции нескольких относительно низкочастотных плоских волн. На смену отлично отработанному создателями n-аппаратуры Wi-Fi методу 64-QAM в ас-версии пришёл метод 256-QAM, то есть в единичном итогового интервале сигнала, образованного наложением плоских волн, оборудование 802.11ac способно передавать не шесть, как прежде, а восемь бит данных.

Эти большие волны

Ещё один важный момент: именно в стандарте 802.11ac впервые в истории Wi-Fi реализована технология MU-MIMO (где MU обозначает multi-user), прежде бывшая отличительной чертой WiMAX/LTE. Суть MU-MIMO — в том, что сигнал не просто разделяется на поднесущие (для более высокоскоростной коммуникации с одним клиентом), но различные поднесущие частоты могут назначаться для формирования виртуальных беспроводных каналов связи с разными клиентами базовой станции. Таким образом, возможен параллельный обмен данными со множеством оконечных устройства разом — чего предыдущие версии Wi-Fi, увы, не обеспечивают.

Иными словами, передача затребованных различными клиентами точки доступа пакетов в рамках стандарта 802.11n и ранее производится последовательно. И если таких клиентов достаточно много (причём часть из них — низкоскоростные), вся беспроводная ЛВС работает, что называется, со скрипом. И наоборот: ас-оборудование способно эффективно задействовать всю полосу пропускания беспроводного маршрутизатора, и при этом медленные клиенты (вроде смартфонов с поддержкой одного только n-стандарта и с единственной внутренней антенной) не станут причиной сбоев при трансляции потокового HD-видео.

Спецификация Wi-Fi 802.11ac Wave 2 была окончательно утверждена Wi-Fi Alliance в первой половине 2016 г. и содержит целый ряд весьма существенных расширений пределов функциональности, установленных первой версией стандарта. В частности, повышает теоретический верхний предел пропускной способности до 2,34 Гбит/с. Кроме того, Wave 2 допускает одновременную работу с большим числом подключённых устройств одновременно, поскольку в большей степени задействует потенциал технологии MU-MIMO. Это достигается за счёт повышения эффективности использования доступного радиодиапазона. Производительность радиосети также существенно повышается — и из-за включения каналов шириной 160 МГц в рамки обновлённого стандарта, и вследствие добавления четвёртого пространственного потока к тем трём, что были заданы спецификациями Wave 1.

Казалось бы, дальнейший вектор прогресса очевиден: чем выше частота, тем лучше. Однако новейший стандарт 802.11ax, известный также как High-Efficiency Wireless (HEW) или Wi-Fi 6, предусматривает куда большую частотную гибкость. Он уже задействует нелицензируемые диапазоны 2,4 и 5 ГГц, а в будущем, по мере того как в достаточном количестве стран для свободной эксплуатации откроют дополнительные каналы 1 ГГц и 6 ГГц, сразу же заработает и там — как только будут готовы соответствующие чипы и антенны, конечно.

У 802.11ax целый ряд преимуществ перед 802.11ac Wave 2: модуляция 1024-QAM, более узкие «слепые» частотные промежутки между соседними поднесущими, усовершенствованная реализация OFDM, особые средства повышения надёжности соединений на больших открытых пространствах, где важно не пробить радиосигналом бетонную стену, а обеспечить уверенную связь со значительно удалённым абонентом безо всяких экстендеров и mesh-нод.

Кроме того, 802.11ax первым в семействе 802.11 воплотил многопользовательскую OFDMA-технологию, которая, кстати, нашла применение и в уже утверждённом первом официальном стандарте сотовой связи 5G NR. Эта технология вместе с улучшенной диспетчеризацией запросов от клиентских устройств обеспечивает значительное повышение скорости аплинка для точки доступа 802.11ax по сравнению с 802.11ac при тех же рабочих характеристиках.

Wi-Fi Alliance анонсировал Wi-Fi 6 (802.11ax) лишь в начале октября, а появление первых коммерческих устройств с поддержкой этого стандарта ожидается не ранее конца 2019 г. Но до тех пор, пока точки доступа нового стандарта вынуждены будут работать в режиме обратной совместимости с выпущенным ранее оборудованием, существенного прироста производительности их внедрение не принесёт. Вероятно, лишь с освоением новых открытых диапазонов — 1 и 6 ГГц, — в которых попросту не будет устаревших оконечных устройств, позволит Wi-Fi 6 в полной мере раскрыть свой действительно немалый потенциал.