Планируем Wi-Fi 6

Количество устройств во Всемирной паутине стремительно растет. По прогнозу Cisco, в 2022 году на каждого человека в России будет приходиться шесть подключенных к интернету устройств. Узким местом развития ИТ-инфраструктуры, обеспечивающей доступ пользователей и элементов интернета вещей к дата-центрам и работающим в них приложениям, становится «последняя миля» канала до клиента. На «последних метрах» в офисах, общественных пространствах и домах доминирует беспроводной Wi-Fi. Но требования к этой технологии постоянно растут… Готова ли она справится с новыми вызовами?

Первый стандарт Wi-Fi появился двадцать с лишним лет назад, в 1999 году. Он обеспечивал скромную по нынешним временам скорость – несколько мегабит в секунду. Гигабитный барьер технология Wi-Fi преодолела в 2013 году, когда был принят стандарт IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5), а 10-гигабитный – в 2019 году в стандарте IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6). В разрабатываемых сегодня стандартах пропускную способность Wi-Fi планируется увеличить до нескольких десятков гигабит. Так, стандарт IEEE 802.11be, работа над которым должна завершиться к 2024 году, обещает 30 Гбит/с. 

Повышение производительности технологий Wi-Fi традиционно осуществлялось с помощью трех основных механизмов:

Переход на схемы модуляции с большим числом позиций, например с 64 QAM на 256 QAM и далее на 1024 QAM, позволяет в единицу спектра закодировать значительно больший объем информации. Конечно, более высокая модуляция дает возможность поднять скорость передачи данных, но она будет работать только в идеальных условиях – при низком шуме и высоком уровне сигнала, – которые далеко не всегда достижимы на практике.

Точка доступа с несколькими приемопередатчиками может формировать несколько пространственных потоков, что также позволяет увеличить скорость обмена данными. Но клиентские устройства редко имеют больше одной-двух антенн. Поэтому чаще используют технологию многопользовательского множественного ввода-вывода (MU-MIMO), когда на каждое клиентское устройство направляется один пространственный поток. При этом точка доступа формирует несколько потоков для одновременной передачи разным клиентам. Но технология MU-MIMO эффективно работает только в случае достаточного пространственного разделения клиентов. На практике это не всегда имеет место, особенно в средах с высокой плотностью.

Объединение частотных каналов – еще один традиционный способ повышения скорости передачи данных. В полосе 5 ГГц для Wi-Fi выделено 17 каналов шириной 20 МГц каждый. Объединяя смежные каналы, можно получить восемь каналов по 40 МГц, четыре канала по 80 МГц или один канал 160 МГц. Таким образом, «склеивание» каналов уменьшает их число в сети, что не слишком хорошо, особенно в большой сети с множеством точек доступа. Не надо забывать, что из-за помех, создаваемых, скажем, оборудованием в соседнем офисе, от некоторых (сильно зашумленных) каналов приходится отказываться, что также снижает число доступных каналов.

И повышение уровня модуляции, и увеличение количества пространственных потоков, и объединение частотных каналов – все это позволяет поднять скорость передачи. Но в реальной сети все эти способы могут иметь серьезные ограничения. И основное ограничение связано с доступным радиоресурсом, который нельзя увеличить.

Разработчики стандарта IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6), конечно, использовали все традиционные способы повышения производительности: 

Но при этом они добавили алгоритмы повышения эффективности использования радиоресурса. Если при разработке предыдущих стандартов Wi-Fi акцент делался на повышении скорости передачи, то при создании стандарта Wi-Fi 6 – на росте эффективности всей сети, благодаря чему он стал революционным шагом в развитии Wi-Fi.

Предыдущие стандарты Wi-Fi предполагали, что в каждый конкретный момент времени радиоэфир может использовать только один передатчик, который имеет возможность отправить один фрейм размером 2300 байт. Но на практике за один раз передатчик передает в среднем только 350 байт. Таким образом драгоценный эфирный ресурс используется неоптимально: клиентское устройство передает примерно в шесть раз меньше данных, чем могло бы.

Стандарт 802.11ax решает эту проблему, позаимствовав из сотовой связи технологию множественного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA). В случае OFDMA каждый канал делится на множество более мелких подканалов и сразу несколько клиентов могут использовать канал сообща, вместо того чтобы ждать удобного момента для передачи. Устройства не борются за эфир, тратя свои ресурсы, а задействуют планировщик в нисходящем канале.

OFDMA делит спектр на так называемые частотно-временные ресурсные блоки (Resource Unit, RU). Точка доступа 802.11ax, которая выполняет функции центрального координатора, распределяет подканалы (RU) между станциями для приема и передачи, поэтому с точки зрения абонента сеть оказывается неперегруженной. OFDMA позволяет одновременно передавать трафик от девяти устройств, каждое может задействовать подканал шириной 2 МГц, передавая данные со скоростью до 14 Мбит/с. 

Этот подход повышает эффективность использования не только спектра, но и электроэнергии – она не тратится на многочисленные попытки занятия радиоканала. Это особенно важно в свете бурного развития интернета вещей, так как экономит заряд батарей датчиков.

В Wi-Fi 6 появилась еще одна давно ожидаемая технология, заимствованная из мобильных сетей, которая отлично показывает себя в сценариях с высокой плотностью, когда рядом оказываются радиоустройства, использующие один и тот же радиоканал. Технология «окрашивания» BSS coloring – это способность точки доступа группировать своих клиентов, чтобы слушать только их и игнорировать чужих. В результате повышается эффективность использования эфирного времени, поскольку эфир не считается занятым, когда в нем работают чужие клиенты и точки доступа. Раньше в высокоплотных сценариях применялись направленные антенны и механизм RX-SOP. Однако BSS coloring существенно превосходит эти методы в эффективности.

BSS coloring помогает устранить и другую проблему сетей Wi-Fi. Она связана с тем, что раньше все клиентские устройства общались с точкой доступа на полной мощности. Даже если находились рядом с ней. В результате весь эфир забивался сигналами, что повышало уровень помех. Используя BSS-Coloring, точка доступа Wi-Fi 6 может «попросить» клиентские устройства уменьшить уровень сигнала до оптимального уровня, чтобы «не перекрикивать друг друга». В результате снижается общий уровень шума, и каждый клиент получает наилучшее качество соединения. Для тех устройств, которым не требуется передавать данные «прямо сейчас», предусмотрен механизм Target Wake Time, который позволит им перейти в режим ожидания на длительный срок. Это улучшит качество связи у всех пользователей и сохранит заряд аккумуляторов.

Еще одна проблема обусловлена тем, что в помещениях обычно есть не только полезные сетевые устройства Wi-Fi, но и оборудование, создающее радиопомехи. Для ее решения задействуются уже фирменные механизмы, реализованные в оборудовании Cisco. В точки доступа этого производителя интегрирован анализатор спектра (технология CleanAir), который позволяет выявить источники шумов и минимизировать их негативное влияние на функционирование беспроводной сети. Работает это так: отдельный процессор в точке доступа в режиме реального времени сканирует эфир, выявляет помехи и настраивает устройства Wi-Fi на работу на оптимальных частотах (где уровень помех минимален).

В сумме все новации Wi-Fi 6  вместе с фирменными механизмами Cisco дают примерно трехкратный прирост производительности, что особенно заметно в загруженных помещениях. Это значит, что, грамотно построив сеть сегодня, вы сможете эффективно использовать ее и завтра, она успешно справится с ростом трафика, увеличением числа пользователей и внедрением новых приложений. Но как грамотно построить сеть?

Преимущества любой беспроводной технологии, даже такой эффективной, как Wi-Fi 6, можно свести на нет неправильным размещением точек доступа. Если установить их слишком много, они будут создавать друг другу помехи (да и стоимость проекта существенно вырастет). Если установить недостаточное число точек доступа – пострадает качество связи, будут рваться соединения. В обоих случаях пользователи будут недовольны, пострадает работа бизнес-приложений, что чревато существенными убытками.

Решение этой проблемы – радиопланирование сети с учетом конкретной обстановки для расчета оптимального размещения точек доступа. С этой целью был создан комплекс решений Ekahau. Продукты этой компании стали индустриальным стандартом для радиообследования и радиопланирования помещений. Именно их рекомендуют многие ведущие производители сетевого оборудования, включая Cisco.

Базовый вариант – программа Ekahau Pro. В нее загружается план помещения в любом формате (AutoCAD, PNG, JPG…), после чего она, самостоятельно «разобравшись» в особенностях помещения (обнаружив стены, столы и другие препятствия на пути радиосигнала), построит математическую модель сети, рассчитает места для размещения точек доступа так, чтобы обеспечить наилучшую работу сети Wi-Fi.

Но план помещения не отражает действительной радиообстановки. На нее влияют множество вещей: от работающих микроволновок до точек доступа соседей по офису. Для более правильной расстановки точек доступа необходимо получить фактическую картину радиоэфира. Для этого предназначен аппаратный анализатор Ekahau Sidekick, который сканирует эфир в реальном времени и выявляет помехи. Он обнаружит проблемы в эфире и неожиданные препятствия для прохождения радиосигнала. Данные, собранные Ekahau Sidekick, позволяют оптимально разместить точки доступа. 

Грамотное радиопланирование позволяет не только обеспечить высокое качество связи, но и зачастую избежать покупки лишнего оборудования Wi-Fi.

Такое планирование желательно проводить для каждой инсталляции. Но надо также понимать, что для эффективного применения комплекса Ekahau требуются профессиональные знания. «КомпТек» – один из ведущих дистрибьюторов продукции Cisco и Ekahau в России. Компания обучает специалистов радиопланированию, ведет библиотеку знаний, доступную клиентам и партнерам, проводит бесплатные обучающие вебинары.

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