Rambler's Top100
Статьи ИКС № 03-04 2016
Антон КИРЬЯНОВ  Евгений ХОРОВ  25 апреля 2016

Wi-Fi: четверть века только начало

Разработка стандартов группы IEEE 802.11 идет более 25 лет, для обозначения дополнений к ним уже не хватает букв латинского алфавита. За это время сама технология сильно эволюционировала, а пропускная способность сетей выросла более чем на три порядка. 

 Антон КИРЬЯНОВ, научный сотрудник, лаборатория методов анализа и синтеза сетевых протоколов ИППИ РАН
 Евгений ХОРОВ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, лаборатория методов анализа и синтеза сетевых протоколов ИППИ РАН

Нынешним повсеместным распространением мобильного интернета мы во многом обязаны технологии Wi-Fi. Действительно, Wi-Fi есть практически везде, где бы мы ни находились: дома, в офисе, в гостинице, кафе, торговом центре, в школе, университете, на вокзале, в аэропорту, в метро, автобусе, электричке, на морском пляже и в самолете на высоте нескольких тысяч метров. И все же ставить знак равенства между Wi-Fi и мобильным интернетом нельзя.

На самом деле Wi-Fi – это технология построения локальных беспроводных сетей. Еще точнее, Wi-Fi – это торговая марка, под которой ассоциация Wi-Fi Alliance сертифицирует оборудование, работающее согласно стандартам группы IEEE 802.11.

Как у Wi-Fi появились буквы

История Wi-Fi началась чуть более 25 лет назад, когда в 1990 г. рабочая группа IEEE 802.11 приступила к подготовке одноименного стандарта. Сам стандарт появился через семь лет, он описывал работу беспроводных устройств в диапазоне 2,4 ГГц и позволял им обмениваться данными на скоростях до 2 Мбит/с. Предусматривались также устройства, работающие в инфракрасном диапазоне, но они не получили широкого распространения.

Скорость в 2 Мбит/с была слишком мала даже в те времена, и ее потребовалось увеличить. Для решения этой и прочих задач создавались специальные подгруппы, которым последовательно присваивалась буква латинского алфавита, а когда алфавит был исчерпан – две буквы. В результате работы этих подгрупп выпускались одноименные дополнения к стандарту. В 2007 и 2012 гг. изначальный стандарт и все завершенные на тот момент дополнения были объединены и опубликованы в виде отдельных новых версий стандарта. Следующая версия, четвертая по счету, ожидается в 2016 г. Какие же изменения претерпел Wi-Fi за это время?

В 1999 г. появились два первых дополнения к стандарту: 802.11a и 802.11b. Дополнение 802.11a специфицировало работу устройств в частотном диапазоне 5 ГГц и использовало мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), что позволило достичь скорости передачи данных в 54 Мбит/с. По ряду причин новые устройства не были доступны на рынке вплоть до 2001 г. Но за это время получили распространение устройства с поддержкой 802.11b, которые появились почти одновременно с этим дополнением. Они могли передавать данные на скорости до 11 Мбит/с в частотном диапазоне 2,4 ГГц благодаря применению новой модуляции.

Поскольку устройства 802.11a и 802.11b работали на разных частотах, они не могли передавать данные друг другу. Широкое распространение устройств для диапазона 2,4 ГГц и необходимость обратной совместимости с ними поставили перед разработчиками Wi-Fi задачу создать дополнение 802.11g, аналогичное 802.11а, но для диапазона 2,4 ГГц. Это дополнение появилось в 2003 г.

Следующим шагом к увеличению скорости передачи данных стало вышедшее в 2009 г. дополнение 802.11n, работа над которым длилась ровно семь лет. Скорость передачи данных в нем повысилась на порядок, до 600 Мбит/с. Такой существенный скачок удалось сделать в основном благодаря двум подходам. Во-первых, это применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), которая позволяет передавать данные между парой устройств с помощью нескольких передающих и принимающих антенн. В ее основе лежит возможность распространения радиосигнала по нескольким путям в пространстве, например, из-за отражений от различных препятствий. За счет этого удается одновременно передавать разные данные с помощью каждой отдельной пары передающей и принимающей антенн. Таким образом, при наличии двух передающих и двух принимающих антенн (MIMO 2x2) теоретически можно повысить пропускную способность в два раза. Согласно дополнению 802.11n устройства могут поддерживать MIMO 4x4, т. е. одновременно передавать до четырех различных потоков данных, однако производители оборудования в основном ограничились тремя. Вторая особенность дополнения 802.11n – более широкие частотные каналы: если ранее передача данных велась в канале шириной 20 МГц, то сейчас можно использовать 40 МГц. Так как согласно закону Шеннона пропускная способность пропорциональна ширине канала, в два раза больший канал вдвое увеличивает пропускную способность.

Эволюционным развитием дополнения 802.11n стало вышедшее в 2013 г. дополнение 802.11ac, в котором стали доступны скорости до 7 Гбит/с. Новое дополнение позволило применять еще более широкие частотные каналы (80 и 160 МГц), а также MIMO 8x8. Но поскольку свободного частотного ресурса в диапазоне 2,4 ГГц не хватает для таких широких каналов, устройства 802.11ac работают только в диапазоне частот 5 ГГц – в отличие от устройств 802.11n, работающих в обоих диапазонах, 2,4 и 5 ГГц.

Дополнение 802.11ac содержит новые сигнально-кодовые конструкции, например, модуляцию 256-QAM (ранее самой «быстрой» модуляцией была 64-QAM), а также допускает многопользовательскую передачу, т. е. одновременную передачу точкой доступа различных данных нескольким станциям по технологии Multi-user MIMO (MU-MIMO), которая имеет целый ряд преимуществ. Действительно, чтобы с помощью технологии MIMO 8х8 передавать восемь пространственных потоков при однопользовательской передаче (один передатчик и один приемник), необходимо иметь восемь антенн как на передатчике, так и на приемнике. Разместить несколько антенн внутри маленького телефона весьма сложно, если вообще возможно, поэтому в отличие от точек доступа клиентские устройства, как правило, способны передавать не более двух потоков. Благодаря MU-MIMO точка доступа 802.11ac может передавать по два потока одновременно четырем клиентским устройствам, каждое из которых имеет только две антенны.

Кроме того, как упоминалось выше, для передачи нескольких пространственных потоков требуются определенные условия распространения сигнала, которые не всегда выполняются. В случае MU-MIMO, когда потоки адресованы удаленным друг от друга станциям, необходимые условия будут выполняться с большей вероятностью. Описанные механизмы позволяют устройствам 802.11ac более эффективно использовать беспроводную среду передачи данных. Однако, несмотря на то что дополнение 802.11ac появилось еще в 2013 г., далеко не все современные устройства Wi-Fi его поддерживают.

Следует отметить, что указанные выше скорости на практике не достигаются. Это объясняется большой долей «накладных расходов», которые возникают в сетях Wi-Fi. Например, каждый пакет начинается с преамбулы, длительность которой не зависит от дальнейшей скорости передачи данных. Кроме того, беспроводной канал делится между несколькими устройствами, работающими рядом друг с другом, а используемый метод случайного доступа допускает простаивание канала или же коллизии пакетов. Отдельные аспекты, связанные с повышением эффективности использования частотно-временных ресурсов, рассматривались и ранее, но никогда еще эта проблема не была такой актуальной.

802.11ax – быстрее, выше, сильнее!

ÃÂƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒ—ÃÂƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¥ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚²ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¢ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¥ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚°ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚²ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¼ ÃÂƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¢ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚¥ÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ªÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒÃƒ‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒ‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚ƒÃƒÃ‚ƒÃ‚Гѓ‚ƒ‚Ã‚Ã‚ГѓВѓ‚Гѓ‚  Wi–Fi

На сегодняшний день Wi-Fi практически полностью заменил проводной доступ к интернету. Стремительно растущая его популярность привела к быстрому увеличению как числа устройств в беспроводных сетях, так и числа беспроводных сетей, которые работают в одной области пространства. Поскольку ни 802.11ac, ни 802.11n не учитывали эти особенности, постоянно растущая внутрисетевая и межсетевая интерференция в скором времени может попросту парализовать работу сетей Wi-Fi.

Для решения назревающей проблемы уже в 2013 г. внутри комитета по стандартизации IEEE 802 была создана группа для разработки к 2019 г. нового дополнения 802.11ax, позволяющего повысить эффективность работы сетей Wi-Fi в сценариях с плотным размещением станций, а также с высокой плотностью самих беспроводных сетей.

Помимо плотности пользовательских устройств и базовых станций дополнение 802.11ax должно учитывать сильную неоднородность трафика в сетях Wi-Fi нового поколения. Еще одна немаловажная его черта – активное использование восходящего канала, т.е. передача больших объемов данных от клиентских устройств к базовой станции Wi-Fi, что обусловлено частой загрузкой фото, видео и документов в социальные сети и облачные сервисы.

На сегодняшний день работа над основными техническими решениями, которые будут включены в новое дополнение, еще в самом разгаре, но многие особенности уже достоверно известны. Например, многопользовательские передачи с использованием технологии MU-MIMO будут возможны не только в нисходящем канале, т. е. от точки доступа к нескольким клиентским устройствам (как в 802.11ac), но и в восходящем – от нескольких клиентских устройств к точке доступа. А это намного более сложная задача: передающие клиентские устройства должны начать передачу в один и тот же момент времени, что требует хорошей синхронизации между ними.

Другой особенностью 802.11ax является множественный доступ к радиоканалу. Традиционно в сетях Wi-Fi применялся множественный доступ с разделением по времени. Это означает, что если, например, у точки доступа есть несколько пакетов для передачи разным станциям, то эти передачи будут выполняться последовательно (если, конечно, не используется технология MU-MIMO). Дополнение 802.11ax впервые в истории Wi-Fi позволит реализовать множественный доступ с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA). Теперь для каждой передачи канал может быть «нарезан» по частоте на несколько ресурсных блоков, и в каждом таком блоке точка доступа может передавать данные разным станциям. Аналогично несколько станций могут одновременно вести передачу своих данных точке доступа в разных ресурсных блоках.

С точки зрения практического результата технологии OFDMA и MU-MIMO похожи: обе они позволяют организовать многопользовательские передачи. Однако в основе этих технологий лежат совсем разные принципы. В случае OFDMA передачи ведутся на разных частотах и не влияют друг на друга, а MU-MIMO позволяет сформировать несколько «пространственных потоков» за счет нескольких пар передающих/принимающих антенн. Это позволяет применять OFDMA и MU-MIMO совместно, т. е. в отдельном ресурсном блоке точка доступа может передавать разные данные нескольким станциям, установив несколько пространственных потоков.

Однако возникает вопрос: быть может, использование OFDMA только излишне усложняет устройства и для организации многопользовательских передач можно обойтись MU-MIMO? Чтобы дать объективный ответ, необходимо учитывать следующие особенности MU-MIMO. Во-первых, не всегда есть возможность установить несколько пространственных потоков – для этого требуется несколько путей распространения радиосигнала в пространстве. Во-вторых, с помощью восьми передающих антенн базовая станция сможет установить не более восьми пространственных потоков, т. е. вести одновременную передачу не более чем восьми пользователям (а согласно дополнению 802.11ac число пользователей ограничено четырьмя). С учетом большой ширины частотных каналов (вплоть до 160 МГц) число одновременных передач может оказаться невелико. А в чем, собственно, заключается плюс многопользовательских передач с помощью OFDMA? Казалось бы, не менее эффективный способ – выполнять однопользовательские передачи последовательно каждой станции, но с большей скоростью передачи данных за счет задействования всего частотного канала. С одной стороны, это верное замечание. Однако широкополосные передачи подвержены частотно-селективным замираниям радиоканала. Проще говоря, не весь частотный диапазон одинаково хорош в данный момент времени для передачи определенной станции. Нарезая частотный ресурс на ресурсные блоки с помощью OFDMA, можно выделять станциям хорошие, с их точки зрения, части спектра и таким образом повысить пропускную способность сети. Конечно, будут возникать накладные расходы из-за необходимости обратной связи и актуальных данных о качестве передачи в определенных ресурсных блоках, но потенциальный выигрыш намного существеннее.

Еще один немаловажный аспект – те накладные расходы, длительность которых фиксирована и не зависит от ширины используемого канала (например, передача преамбулы пакета для настройки приемника на поступающий сигнал). В случае последовательной передачи нескольких коротких пакетов разным станциям каждый пакет начинается со своей преамбулы, время передачи которой будет значительно превышать время передачи полезных данных. В случае же многопользовательской передачи с использованием OFDMA преамбула для всех получателей будет общей.

Новое дополнение 802.11ax содержит также новые схемы модуляции. Например, впервые в Wi-Fi будет использоваться модуляция 1024-QAM, которая позволит закодировать в одном символе 10 бит информации, в то время как в 802.11ac использовалась модуляция вплоть до 256-QAM (8 бит/символ), а в 802.11а/g/n – до 64-QAM (6 бит/символ). Конечно, модуляция такого высокого порядка, как 1024-QAM, потребует хорошей мощности сигнала и низкого уровня шума в канале, но при выполнении этих условий она на четверть повысит скорость передачи данных по сравнению с дополнением 802.11ac. 

Помимо модификаций физического уровня новое дополнение содержит ряд других механизмов для более эффективного использования среды передачи данных, а также снижения энергопотребления мобильными устройствами. В частности, авторами данной статьи были разработаны и представлены в рабочей группе IEEE 802.11 модификации механизма виртуальной занятости среды, которые уже вошли в разрабатываемое дополнение IEEE 802.11ax, а также внесен ряд других предложений, обсуждение которых еще продолжается.

Освободимся от проводов

Сравнивая дополнения 802.11ac и 802.11ax, можно прийти к выводу, что номинальная скорость передачи данных изменилась не сильно: всего в полтора раза, но зато повысилась эффективность использования канальных ресурсов. Означает ли это, что дальнейшее увеличение скорости передачи никому не нужно? Отнюдь нет! И дело здесь даже не в приложениях, которые требуют гигабитных скоростей, как передача видеоизображения сверхвысокого разрешения с планшета на телевизор или беспроводная передача информации в ЦОДах.

Потребность-то есть, но вот возможности, а именно свободные частоты в традиционных для Wi-Fi диапазонах 2,4 и 5 ГГц, весьма ограничены. А ведь именно от ширины канала зависит его пропускная способность. В поисках свободного для некоммерческого использования спектра нельзя не обратить внимание на миллиметровый диапазон (частоты около 60 ГГц). Именно так в свое время поступили разработчики дополнения 802.11ad: использование канала шириной более 2 ГГц в этом диапазоне позволило достичь скорости 7 Гбит/с без использования MIMO. Дополнение 802.11ad позволит в скором времени воплотить в жизнь то, о чем мечтают многие: избавиться от бесчисленных проводов, соединяющих мониторы, проекторы, мультимедийные плееры и другие периферийные устройства, требующие передачи данных на больших скоростях.

Однако передача радиосигнала в диапазоне 60 ГГц имеет свои особенности. Во-первых, такой радиосигнал резко затухает при увеличении расстояния, и любой предмет, находящийся между двумя станциями, может помешать передаче. С другой стороны, малая длина волны, всего лишь 5 мм, позволяет сложить решетку из антенн на площадке размером с монетку (порядок расстояния между антеннами определяется длиной волны) и совместить антенну, радиомодуль и управляющий контроллер в одной микросхеме (концепция System-on-a-chip). Антенные решетки дают возможность сфокусировать радиосигнал, что, с одной стороны, снижает энергопотребление, а с другой – улучшает пространственное разделение передач. При этом выбору наилучшего направления передачи предшествует достаточно длительная процедура оценки состояния канала. Если устройства подвижные, например, пользователь поворачивает телефон в руке, то направление передачи нужно постоянно корректировать, что может приводить к значительным паузам при передаче данных и к падению пропускной способности.

Одно из возможных решений этой проблемы – сеть, состоящая из стационарных главной точки доступа и нескольких вспомогательных. Главная точка доступа передает данные вспомогательным, расположенным на достаточно большом расстоянии от нее, используя узконаправленные передачи. А вот вспомогательные точки доступа передают информацию мобильным клиентам, находящимся на расстоянии до 10 м от них, используя всесторонне направленные передачи или направленные передачи с большим углом.

Еще одно направление развития миллиметрового Wi-Fi – дальнейшее повышение пропускной способности за счет использования технологии MIMO. В 2019 г. ожидается выход в свет нового поколения миллиметрового Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11ay), который будет обеспечивать скорости в десятки Гбит/c и сможет служить для передачи информации между отдельными узлами компьютера.

Wi-Fi и интернет вещей

Большой успех технологии Wi-Fi, а также невероятный интерес к интернету вещей с его громадным рынком в миллиарды устройств побудил разработчиков Wi-Fi адаптировать технологию для сценариев IoT. В январе нынешнего года Wi-Fi Alliance анонсировал появление технологии Wi-Fi HaLow, которая позволит предоставить доступ к интернету тысячам автономных устройств, питающихся от аккумуляторов. Основой для технологии станет дополнение 802.11ah, работа над которым уже заканчивается.

Устройства 802.11ah работают на частотах меньше 1 ГГц и используют гораздо более узкие каналы: от 1 до 16 МГц, что увеличивает расстояние для надежной передачи до 500–1000 м. Кроме того, дополнение описывает множество механизмов, позволяющих существенно снизить энергопотребление устройств. Планируется, что 802.11ah будет использоваться в «умных домах», в «умном производстве», для связи между «умными автомобилями». Хотя работа над стандартом еще не завершена, в рабочей группе IEEE 802.11 уже сформирована новая исследовательская подгруппа, которая рассматривает вопросы улучшения данного стандарта.

Протокол как коммерческая ценность

Помимо модификаций, позволяющих увеличить скорость или расстояние, на которое можно передавать информацию, группа IEEE 802.11 разработала широкий набор протоколов, улучшающих работу Wi-Fi в разнообразных сценариях. Эти протоколы включают методы доставки данных с выполнением требований к качеству обслуживания, что актуально при передаче речевых или видеопотоков; методы организации и доставки данных в многошаговой (mesh) сети Wi-Fi; алгоритмы безопасности, позволяющие передавать данные в зашифрованном виде; методы точного позиционирования клиентских устройств внутри помещений, где системы GPS/ГЛОНАСС недоступны, и многие другие.

Будучи широко используемым и динамично развивающимся стандартом, IEEE 802.11 содержит множество протоколов, направленных на решение самых разных актуальных задач. Однако как именно использовать эти протоколы, стандарт не описывает, хотя от этого в конечном счете зависит производительность устройств. Вот почему наряду со стандартизованными протоколами сетевые устройства содержат множество интеллектуальных алгоритмов выбора параметров протоколов для наиболее эффективной доставки данных.

Некоторые из этих алгоритмов открыты, другие составляют хранящуюся за семью печатями интеллектуальную собственность компаний – производителей телекоммуникационного оборудования. Еще бы! Несмотря на низкую стоимость устройств, мировой объем рынка Wi-Fi, по данным Markets&Markets, в 2015 г. составил $15 млрд. Стабильно высокие темпы роста позволяют аналитикам с уверенностью прогнозировать, что к 2020 г. он увеличится более чем в два раза. И чтобы усилить свои позиции на растущем рынке Wi-Fi завтра, ведущие телекоммуникационные компании уже сегодня инвестируют большие средства в исследования и разработку новых решений.  

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: