В этой статье мы продолжим изучать историю технологии Wi-Fi. В прошлый раз мы остановились на то, что внимательно изучили передовую технологию 802.11a и очень расстроились, что она не снискала популярности. Но ведь в один год с ней вышла и другая версия стандарта  - 802.11b. Что с ней?

А упала, а В не пропала

Отлично, мы закопались в стандарт 802.11a, который хоть и не был совсем уж мертворожденным, но большого успеха не снискал. А что же 802.11b?

А вот 802.11b - это для массового использования. Там все куда проще. Частота 2,4 ГГц. В его основе, по-прежнему DSSS, который дополнили комплементарным кодированием. Комплиментарный код позволяют передавать несколько бит информации за один символ, что увеличивает скорость передачи данных. 

FHSS больше нет, так как он не слишком эффективно использует спектр сигнала. 

В целом, 802.11b научился разогнаться до внушительных 11 мегабит в секунду (в лабораторных условиях). Запросы людей из 1999 года куда скромнее, и их такая скорость устраивает.

В Wi-Fi b-стандарта впервые появляется привычная нам логика беспроводных каналов. Она ниже на схеме. 

Суть в том, что в диапазоне 2,4 ГГц выделено 13 каналов, которые пересекаются между собой. Полная ширина канала - 20 МГц (цифра 22 МГц справедлива для DSSS, с появлением в третьем поколении OFDM канал станет честные 20 МГц). 

Центральная частота каждого следующего отличается от предыдущего на 5 МГц. Т.е. каналы по определению пересекаются, соседи делят между собой аж 15 общих МГц. И “чистых”, без пересечений, частоты можно выделить всего три. Например, 1, 6 и 11.

В чем логика такого распределения? 

В том, что нелицензируемый поддиапазон очень ограничен в большинстве стран. В США легально можно работать на каналах с 1 по 11, в Европе с 1 по 13, в Японии есть еще канал №14 чуть в стороне от общей массы. 

Работать на непересекающихся каналах - роскошь, доступная немногим. В обычном помещении одновременно работающих устройств с Wi-Fi сильно больше трех. При этом, мы вынуждены упихиваться в тот диапазон, который нам выделили. 

Потому каналы Wi-Fi - это некий компромисс, для разнесения абонентов по нагрузке. Сделали бы изначально три непересекающихся канала - все бы на них и сидели, мешая друг другу. Тут же у нас есть некая свобода маневра. Да, абоненты на 8 и 10 каналах будут пересекаться и частично создавать проблемы друг для друга. Но это лучше, чем они оба усядутся на один канал.

Консорциум уже в те годы рассматривал сценарий большой плотности абонентов и точек доступа. Правда реального масштаба тогда представить было трудно…

Победа проигравшего

Итак, у нас есть два стандарта 802.11a и 802.11b. Подчеркну, они между собой вообще не совместимы. Ни набором технологий, ни частотами.

Считается, что 802.11a слишком опередил свое время и на тот момент оказался дорогим и ненадежным. Судите сами:

• 5 ГГц хоть и был чище от помех, но длина волны там вдвое меньше, нежели в 2,4 ГГц. А это значит меньшая дальность действия.

• OFDM несомненный прорыв. Но он требует куда большей нагрузки на процессор точки доступа (ибо слишком сложная математика), а значит оборудование будет дороже. 

• А главное, вот все ради чего? 54 Мбит/сек? Ну классно, но в 1999 году они не особо-то и нужны за такие деньги и с такими ограничениями.

Произойдет парадоксальная ситуация. Стандарт 802.11b вчистую выиграет битву у своего собрата 802.11a. Ветка последнего, по сути, прервется. А Wi-Fi b получит колоссальную популярность, станет составной частью многих устройств и укрепит идею “будущего без проводов”.

Ирония в том, что следующий стандарт (третье поколение Wi-Fi, 2003 год) 802.11g формально будет продолжателем 802.11b и будет иметь с ним обратную совместимость.

Но, по большому счету, ВСЕ третье поколение Wi-Fi - это про перенос технологий 802.11a в 2,4 ГГц. 

802.11g работает на тех же скоростях и типах модуляции, что и 802.11a. Максимальная теоретическая скорость: 54 Мбит/сек.

Ключевое отличие всего одно - 2,4 ГГц. Остальное - мелкий тюнинг. 

Четвертый, поворотный

В 2009 году выходит 802.11n - четвертое поколение Wi-Fi. Здесь уже в разы больше новинок, которые дают хороший прирост по скорости и стабильности.

Топ нововведений выглядит так:

1. MIMO (Multiple Input Multiple Output). Технология, позволяющая использовать нескольких антенн для передачи и приёма данных. Главная революция четвертого поколения. Ее уже сложновато понять без подготовки, но я попробую объяснить простыми словами.

   Представьте, что у вас есть точка доступа и мобильное устройство. Они связаны через Wi-Fi и гоняют трафик. У каждого из них есть две антенны. С обеих антенн точки доступа идет трафик в двух пространственных потоках (но оба потока идут с обеих антенн одновременно, разделения по принципу поток-антенна на стороне передатчика нет). Потоки отличаются фазовыми сдвигами и кодировками. 

   Мобильное устройство, с помощью двух антенн может “настроиться” на каждый поток по отдельности. И принимать его, выделяя из общего куска пришедшей информации. За счет этого первоначально увеличивали помехозащищенность. В потоки клали одинаковую информацию и если ее часть потеряется в одном из потоков, то будет восстановлена в другом. Позже стали использовать разное наполнение потоков для увеличения емкости канала.

   Да-да, вы все верно поняли. В одно и то же время, на одних и тех же частотах, с одной и той же мощностью передается разная информация. Как это возможно? Они ж должны глушить друг друга! 

   Должны. Только в 802.11n используются методы обработки сигналов(матричные алгоритмы и пространственное кодирование), которые позволяют приемнику выделять каждый поток, даже если они приходят на одну и ту же частоту.

   А физическое разнесение антенн плюс многолучевое распространение сигнала создает уникальные “подписи” для каждого потока. Физика.

2. Агрегация частот. Два соседних канала в 20 МГц можно сшить в один на 40 МГц. Емкость будет больше, правда просядет помехозащищенность. В чистом эфире фокус сработает. 

3. Снова вернулись к диапазону в 5 ГГц. Де-факто 5 ГГц в 802.11n - это скорее удел специфичного оборудования, вроде радиомостов с ультра-направленными антеннами. Массовой публике эта сторона четвертого поколения известна мало и большая часть точек доступа выпускалась под 2,4 ГГц.

По итогу всех этих ухищрений, четвертое поколение в максимальной сборке (40 МГц полосы и схемы MIMO 4х4) в теории может разогнаться до 600 Мбит/сек. Реальная скорость ниже. Начиная с четвертого поколения, реальная скорость все сильнее “уплывает” от максимальной скорости соединения. Проблема в том, что не так уж много устройств-абонентов имеют на борту 4 и более антенн для работы в MIMO. Две-то уже хорошо. Но увидеть при чистом эфире 200 Мбит/сек вполне реально.

Пятый, улучшенный

Пятое поколение Wi-Fi, которое называлось 802.11ac (релиз - 2013 год), стало логичным развитием четвертого. Но именно развитием. Своих оригинальных идей там почти нет, зато глубоко проработаны новинки предшественника:

1. 5 ГГц становится не исключением, а правилом. Это рабочая частота 802.11ac. По сути, пятое поколение не предусматривает работы в 2,4 ГГц. Если требуется уйти на такую частоту, то включается 802.11n, благо они там все между собой совместимы. Теперь мы окончательно можем позволить себе работать в 5 ГГц. И вынуждены себе это позволять, ибо в 2,4 ГГц стало не протолкнуться. 

2. Появляется модуляция поднесущих в 256-QAM. Напоминаю, что при определенной чистоте эфира в эту игру можно играть почти бесконечно. 

3. Агрегация каналов до 160 МГц. “Сшивать” каналы всем понравилось и пятое поколение делает большой скачок в этом направлении.

4. Максимальное число MIMO становится 8х8. Кроме того, появляется Mu-MIMO (multiuser MIMO). Дело в том, что фокус с несколькими пространственными потоками четвертое поколение умело проделывать только с одним устройством. Т.е. невозможно на разные антенны точки доступа посадить разных абонентов. В пятом поколении такая возможность появилась. А точки доступа все чаще стали выглядеть как пауки с кучей лапок.   

   Тут стоить сделать оговорку, что первоначально, несмотря на восемь антенн, число пространственных потоков на точку доступа было не более трех. Это сознательное ограничение первоначальной версии стандарта. И лишь в поздних версиях спецификации (т.н. Wave 2) их стало реально восемь. Но мало какие роутеры поддерживали больше четырех.   

5. Первые попытки в BeamForming. Пока еще крайне робкие, потому подробнее про эту технологию я расскажу в обзоре шестого поколения.

В результате вдумчивой эволюции максимальная теоретическая скорость пятого поколения доходит до 6,93 Гбит/сек. Что, съел, Gigabit Ethernet???

Гримуар шестого поколения

Технология Wi-Fi усложняется с каждой итерацией. И ее ключевая сложность не в чем-то одном. Wi-Fi в принципе становится все более комплексной историей. Это набор техник, ухищрений и оригинальных решений, которые все вместе помогают нам выжимать из эфира какие-то сумасшедшие скорости. Так было до шестого поколения.

802.11ax выходит в 2019 году. Это не эволюция, это колоссальный сдвиг вперед, сравнимый с появлением 802.11a. В 2019 году Wi-Fi перестает быть просто сложной и комплексной технологией. Теперь это царство черной магии. Ибо в крошечной точке доступа скрыто уже столько решений, что это просто взрывает мозг. Судите сами:

1. OFDMA. Наверное, ключевое (но не единственное) отличие Wi-Fi-6 от собратьев. Помните, мы разбирались, что такое OFDM и как ловко О’Салливан разбил сигнал внутри большой трубы на трубки поменьше? Ширину канала заполнял не один широкополосный сигнал, а множество поднесущих? Так вот, все это время канал и все поднесущие мог занять только один абонент. Если точка доступа общалась с несколькими абонентами, то она делила их по тайм-слотам. К примеру, у нас на связи телефон и ноутбук. Сначала мы выделяем тайм-слот для связи телефону, потом ноутбуку, потом снова телефону и так далее. Их не обязательно чередовать, можно выделить несколько тайм-слотов подряд ноуту, если он усиленно что-то качает. 

   Такой подход не экономен. Ноут может качать как не в себя, а телефон всего лишь запросил погоду. Но каждому в свой тайм-слот досталась вся ширина полосы и вся емкость эфира, хотя телефону это избыточно. 

   OFDMA ломает эту порочную практику и теперь мелкие поднесущие тоже можно распределять между разными абонентами. Это значительно увеличивает эффективность передачи. 

2. BeamForming. Робкие попытки этой технологии были еще в Wi-Fi пятого поколения, но лишь в шестом она раскрылась на полную мощность. Вкратце - BeamForming - это когда точка доступа формирует направленный узкий луч, который “светит” в сторону абонента, не создавая лишних помех. Достигают этого сложной системой антенн и математики. Но вы же понимаете, что это объяснение очень формальное. Истинная причина такого - черная магия, других вариантов тут нет.

3. TWT (Target Wake Time) - технология для  передачи данных лишь тогда, когда в этом есть необходимость. В этом режиме не требуется постоянное соединение точки и устройства. Таким образом, большую часть времени передатчик находится в режиме сна и не расходует драгоценный заряд батареи.

4. Ну и… 1024-QAM. Игры продолжаются!

Важно отметить вот еще что. В шестом поколении решается важный запрос рынка. К тому времени растет число устройств “Интернета вещей”, то есть всяких умных девайсов, которым зачем-то нужен канал в сеть. 

Wi-Fi понятен и хорошо обкатан. Потому, еще с третьего поколения, его пихают в IoT без особой оглядки на ограничения. А проблема многих IoT устройств в том, что им не нужен широкий канал на мегабиты. Им по мелочи. Ежечасно передать показания температуры или посуточно показания воды, например. 

Зато им критична работа от батарейки. И они не могут позволить себе постоянно поддерживать связь с точкой доступа. 

Кроме того, таких устройств может быть десятки на одну точку. Потому, выделять каждому целый таймслот - непозволительная роскошь. Они так емких абонентов тормозить будут.

Благодаря OFDMA, BeamForming и TWT шестому поколению удается совместить в себе как концепцию Интернета Людей, так и Интернета Вещей. 

Седьмой пошел!

В июле 2024 года утверждена спецификация IEEE 802.11be, она же Wi-Fi-7. Опыта его использования пока мало, потому в назывном порядке пройдемся по его ключевым новинкам:

1. Главный посыл седьмого поколения - снижение задержки. Необходимо сделать ее контролируемой и, до крайности, минимальной. В беспокойном эфире задача еще та, но 802.11 не привыкать работать в тяжелых условиях.  MLO (Multi-Link Operation) позволяет вести одновременную передачу из диапазонов 2,4, 5 и 6 ГГц. Это главный инструмент для борьбы с задержками. Возможность мгновенно переключаться между диапазонами или агрегировать их позволяет улучшить пинг в разы.

2. Еще одна новинка тоже связана с MLO. Wi-Fi-7 достиг каких-то нереальных высот в занятии свободных частот. Агрегация каналов уже до 320 МГц. И передача из диапазонов 2,4, 5 и 6 ГГц. Короче, сшивают и занимают все, что доступно. А если на какой-то части канала зазвенит помеха, эту часть можно “выключить”. 

3. Напротив, теперь официально поддерживается ширина канала в 5 и 10 МГц. Это удобно тогда, когда не требуется прокачивать большие скорости или мы работаем в сложных радиоусловиях. На самом деле, урезание каналов - давно известный фокус. К примеру, в радиомостах Ubiquiti он использовался еще в четвертом поколении (там можно было выбрать ширину от 5 до 40 МГц). Но до Wi-Fi-7 эти фокусы стандартом не регламентировались.

4. Multi-Resource Unit (MRU) и улучшения OFDMA / MU-MIMO. Улучшены технологии распределения частот (поднесущих) между устройствами. 16 пространственных потоков.

5. Ну и бесконечная история - 4096-QAM.

По пропускной способности новое поколение приближается к 50 Гбит/сек, чего не каждая оптика сможет. Как там будет на практике узнаем буквально через пару лет. 

Подарок к юбилею

Восьмое поколение планируется к выходу в 2028 году, хотя к 2027 могут попробовать выпустить хотя бы черновую спецификацию IEEE 802.11bn (именно так планируется назвать Wi-Fi-8). Революции в передаче данных там не обещают, говорят, что сосредоточатся на надежности и стабильности. То есть выкатят еще что-то такое, что опять обхитрит бушующий эфир.

Впрочем, Wi-Fi - это не про простые решения. Зажатая в спектре довольно низкого качества, окруженная кучей собратьев, урезанная по мощности, эта, исключительно гражданская технология, даст сто очков вперед многим военным разработкам.  

Нагрузка на процессор

Оглядываясь назад, не могу не ответить на еще один важнейший вопрос.

Как вообще так получается, что каждое следующее поколение Wi-Fi или той же сотовой связи оказывается на голову выше предыдущего? Эфир, между прочим, не резиновый! Да, совершенствуются технологии, аппаратная база, делаются новые открытия. И все-таки почему раньше в 20 МГц могли упихнуть только 11 Мбит/сек, а сейчас и 50 Гбит/сек не предел?

Важно понимать, что развитие технологий беспроводной связи - это во многом развитие математики. Появляются все более сложные алгоритмы кодирования, модуляции и многопотоковой передачи сигналов. Это не новинки. Если смотреть годы изобретения и развития этих “уловок”, то все они открыты еще до первого 802.11. Но проблема в том, что для обработки столь сложных алгоритмов даже поодиночке требуются значительные вычислительные мощности. Что уж говорить, когда все их собирают в одном корпусе и используют одновременно.

Раньше точка доступа просто не могла себе позволить хоть что-то подобное. Ну либо она получалась золотой по цене. Однако, с новыми процессорами современный роутер легко порвет суперкомпьютер прошлых лет и еще останется место на Тетрис. 

Кратное увеличение и удешевление вычислительных мощностей - главная причина, почему связь становится все быстрее. И уже потом идет развитие элементной базы для антенн, новые открытия и прочие вещи. 

А расшифруете?

На первый взгляд Wi-Fi кажется акронимом и явно сокращением от чего-то. Если вы погуглите, то можете найти вариант “Wireless Fidelity” - беспроводная точность. Но это не расшифровка.

На самом деле Wi-Fi не имеет расшифровки. Изначально его название - это игра слов, в которой угадывается Wireless - беспроводной и созвучие с акронимом Hi-Fi. Такая технологическая шутейка.

После бешеной популярности технологии начались упражнения по его расшифровке. Но это уже задним числом. 

Заключение

Ну что ж, подведем итоги нашего обзора:

1. Мы узнали, что технология Wi-Fi - это технология без конкретного изобретателя. Точнее, к ее созданию приложили руку столько людей (многие невольно), что выделить кого-то одного будет ошибкой.

2. Мы узнали, что Wi-Fi - это не конкретный механизм, это набор из нескольких технологий, которые очень хитро увязаны между собой. И всю свою историю Wi-Fi таким был есть и будет. Именно благодаря такому подходу, слабенький гражданский сигнал светит буквально из каждого чайника.

3. Мы узнали, что начиная с шестого поколения использование Wi-Fi в IoT вполне оправдано, с разумными ограничениями.

Конечно, в двух частях этой статьи невозможно уложить все. Хочется побольше рассказать про концепцию Интернета Вещей, рассказать о радиомостах на основе Wi-Fi (десятки километров, на минуточку!), рассказать про контроллеры и почему они так важны для переключения между точками, про поллинг и подход к построению сетей, шифрование, особенности одновременной работы стандартов разных поколений, ленивых клиентов и проблему восходящего канала. Но оставим это на будущее. 

А пока сделаем пометку в календаре и через год с небольшим не забудем мысленно поздравить технологию, благодаря которой нам больше не нужны провода для связи.