Что было дальше: от 802.11 до Wi-Fi 6

Когда начинают рассказывать о какой-нибудь технологии, в первую очередь приводят расшифровку её названия. С Wi-Fi это сделать не так-то просто. Дело в том, что аббревиатура Wi-Fi — это игра слов. Изначально её расшифровывали как Wireless Fidelity, т. е. беспроводная точность. Это был намёк на созвучие с Hi-Fi (High Fidelity — высокая точность). То есть название одной из известнейших ныне технологий — обычная шутка.

Звучит как-то несерьёзно. Именно потому сейчас термин Wi-Fi вообще никак не расшифровывается.

Создали технологию в 1998 году в радиоастрономической лаборатории в Канберре. И изобретателем технологии принято считать Джона О’Салливана. Однако во многих источниках вы можете встретить информацию, что Wi-Fi был придуман некой голливудской актрисой. Как так?

Чтобы понять смысл этой истории, нам надо немного углубиться в протокол 802.11, пока ещё без букв. В нём используются две технологии: псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) и расширение спектра прямой последовательности.

Хеди Ламарр, голливудская актриса 30–50-х годов, изобрела именно ППРЧ. Она предложила менять несущую частоту передачи по определённому закону, известному отправителю и получателю. Изобретение было сделано для военных и выступало неким усилителем шифрования. То есть мы можем усложнить врагу жизнь, не просто шифруя наши сообщения, но и постоянно прыгая с одной рабочей частоты на другую.

История этого открытия нетипичным, мягко говоря, изобретателем заслуживает отдельной книги.

Мы не будем углубляться в историю, просто уточним, что один из методов первого протокола 802.11 ППРЧ был изобретён Ламарр. А О’Салливан уже собрал всё воедино.

Что интересно, ППРЧ позже перекочевала в Bluetooth, а вот в новых стандартах Wi-Fi уже не использовалась.

Что же давал нам тот старинный, почти 25-летний протокол?

1. Можно было передавать данные со скоростями 1 или 2 мегабита в секунду.
2. Передача осуществлялась через инфракрасные сигналы или частоту диапазона 2,4 ГГц.

Инфракрасная составляющая Wi-Fi как-то не прижилась, равно как и сама идея передачи информации по ИК, а вот радиоверсия накрыла весь мир.

Стандарт 802.11b у всех на слуху как устаревшее, но ещё поддерживаемое поколение Wi‑Fi. Но почему b? Где же a?

Стандарт 802.11a также существовал. Он вышел в 1999 году. Это была надстройка над 802.11, сильно опередившая своё время. Дело в том, что в 802.11a впервые включили в работу полосу 5 ГГц. Инженеры уже тогда предсказывали, что 2,4 ГГц забьют почти моментально и это вызовет проблемы с работой множества устройств в ограниченном пространстве.

Однако об это своё новаторство стандарт 802.11a и споткнулся. Существующие технологии не позволяли обеспечить нормальную связь на 5 ГГц, всё работало крайне нестабильно. А производство адаптеров для частоты 5 ГГц выходило дороже, чем для 2,4 ГГц. Стандарт пытались довести до ума, но параллельно с ним вышел 802.11b, который и забрал себе основную часть потребителей. 802.11a ещё какое-то время пожил в корпоративных сетях, а потом ушёл в прошлое окончательно.

А вот 802.11b стал настоящим хитом. Он работал в поддиапазоне 2,4 ГГц. Именно там появляется знакомая нам таблица из 13 частотных каналов с шириной в 5 МГц.

Псевдослучайную перестройку рабочей частоты заменили методом DSSS. Увы, детище Хеди Ламарр было не про скорость, поэтому ушло в прошлое практически сразу.

Однако скорость 802.11b была крайне скромной. Абсолютный максимум, практически недостижимый на практике, составлял всего лишь 11 Мбит/с. В случае ухудшения радиоусловий скорость соединения падала до 5,5, 2 или 1 Мбит/с. Но в начале нулевых у пользователей и запросы были скромнее. Такой полосы вполне хватало для комфортного сёрфинга, обмена файлами и просмотра почты. А вот возможность перемещаться с ноутбуком по дому или офису без проводов оценили моментально.

Опасения разработчиков 802.11a сразу не подтвердились. До 2007 года просто не было такого числа мобильных устройств, которые могли бы забить всю полосу 2,4 ГГц. Лишь с появлением iPhone и лавинообразным ростом смартфонов мы ощутили все прелести толкучки в эфире.

С этим же стандартом связаны первые попытки поставить беспроводной модуль куда-то помимо смартфонов и ноутбуков. Но чайники с Wi-Fi — это пока ещё диковинка для гиков, равно как и смарт-часы или детские игрушки.

Однако в сознании пользователей появляется сдвиг: жить без проводов куда удобнее и практичнее. Этот сдвиг порождает запрос рынку.

Рынок отвечает в 2003 году выходом стандарта 802.11g. Принципиальной новинки не получилось — скорее это было логичное развитие уже заложенных технологий. Максимальная скорость при этом возросла до 54 Мбит/с.

Повторим, ожидания пользователей тогда были куда скромнее. Увеличение средней скорости в 5 раз вполне устроило всех, и Wi-Fi продолжил своё победное шествие. Но пока это лишь дало возможность избавиться от проводов дома и в офисе. Все остальные кейсы были единичными и скорее нестандартными примерами использования технологии.

А потом случилось немыслимое…

Это сегодня десять беспроводных гаджетов в каждой квартире — обычное дело. В первой половине нулевых далеко не в каждом помещении был хотя бы один. Самые частые пользователи беспроводки — ноутбуки. Следом за ними шли КПК — карманные персональные компьютеры, прародители современных смартфонов. Но КПК стоили дорого и считались устройствами крайне специфичными, для определённых людей и под определённые задачи.

В 2007 году расстановка сил на рынке резко изменилась. Выходит iPhone, который заставляет пользователей полностью пересмотреть своё отношение к телефону и взаимодействию с ним.

Отныне телефон — не просто звонилка с будильником и змейкой. Со временем он становится полноценной заменой компьютера. Появляются огромные смартфоны — планшеты. Резко растёт рынок умных гаджетов — плееров, часов, фотоаппаратов, которые тоже умеют пользоваться беспроводными технологиями.

И если у телефона ещё есть пусть и дорогой, но канал в сеть — мобильная связь, то гаджетам тут ловить вообще нечего.

Стандарт 802.11g идеально подходил на эту роль, пока объём трафика не начал расти в геометрической прогрессии.

Уже наметилась толкучка в 2,4 ГГц. Но пока низкая скорость оставалась большей проблемой.

Потому выход нового стандарта 802.11n в 2009 году становится настоящей революцией.

Это не очередная надстройка над предыдущими поколениями. Тут уже появляются собственные наработки, которые серьёзно увеличивают скорость и стабильность в тех же радиоусловиях. Что же появилось?

1. Теперь полосу частот можно склеивать вплоть до 40 МГц. В хорошем эфире это даёт значительный выигрыш в скорости.
2. И наоборот, полосу можно сузить и получить выигрыш в стабильности.
3. Появляется прообраз MU-MIMO, разделение пространственных потоков. Теперь мы можем вести передачу на двух каналах (или даже четырёх), разнесённых не по частоте, а физически.
4. 802.11n умеет работать как в 2,4 ГГц, так и в 5 ГГц. Кому-то может показаться, что «пятёрка» не слишком прижилась в четвёртом поколении стандарта, но это не так. Жители частного сектора наверняка сталкивались с радиомостами от вышки до их крыши. Огромная часть таких радиомостов работала именно в 5 ГГц.

В совокупности всё это дало максимальную скорость соединения в 600 Мбит/с. Уже реально разогнаться быстрее Fast Ethernet! Радиомодуль круче кабеля!

Из-за массовости серьёзно снижается стоимость чипа. Привет, Wi-Fi в чайниках!

Чипы четвёртого поколения стали появляться буквально везде. Один только умный дом от Xiaomi сколько шума наделал. Широчайшая линейка датчиков присутствия, затопления, системы управления светом, камеры. Производители бытовой техники активно встраивают чипы в стиральные машинки и холодильники. Дачников радуют системами контроля влажности почвы и автоматического полива. Nikon и Canon дают возможность управлять своими зеркалками без пульта и проводов. Радиомосты умудряются запихнуть на Крайний Север, где они помогают держать связь на отдалённых объектах. Торговые комплексы стремились оснастить свою территорию покрытием 802.11n, чтобы привлечь посетителей. Офисные комплексы стремительно избавлялись от проводов, позволяя сотрудникам использовать ноутбуки и даря свободу перемещения внутри помещений.

Новинку подхватили даже медики и промышленность. Первые активно внедряли консультации через видеосвязь. И неважно, о чём шла речь: об обычном приёме или о сложной операции. Промышленники же начали разворачивать сети датчиков для мониторинга станков и рабочих помещений. На заводах опыт был не всегда удачный, т. к. промышленность часто связана с серьёзными помехами в радиоэфире. И всё же куда могли — ставили. Очень уж удобно было. Даже камеры наблюдения — и те стали беспроводными. Подводить к ним простое питание удобнее, чем питание с линком. Появились вопросы, которые раньше почти не задавались. К примеру, возник огромный спрос на корпоративные решения. Скажем, большому выставочному комплексу требовалось бесшовное покрытие с единой авторизацией. Такая задача решалась уже через единый контроллер управления всеми точками.

А ещё стандарты b, g и n обладали огромным преимуществом обратной совместимости друг с другом. Да, появление старого устройства b в современной радиосети n сильно тормозило её пропускную способность. И всё же это было удобно. Древние ноуты спокойно цеплялись к современным точкам доступа. И это также был крайне важный фактор.

Прогнозы разработчиков 802.11а сбылись в четвёртом поколении Wi-Fi. Хотя n и работал в двух диапазонах, бóльшая часть пользователей знает его всё же по 2,4 ГГц. И вот эти частоты очень быстро закончились. Уже к 2015 году в среднем российском панельном доме можно было поймать 40–50 сетей. Пользователи толкались и роняли скорость друг друга. А старые устройства b и g подливали масла в огонь, ещё больше снижая ёмкость и так заполненного радиоэфира.

Стало ясно, что бесконечно расширять ёмкость 13 каналов в 2,4 ГГц не получится. Да, определённый задел по технологиям ещё оставался, но всё же разработчики решили вернуться к старой идее 5 ГГц и перевести часть пользователей туда. Благо развитие технологий передачи и производства уже позволяло это сделать.

Так родился стандарт 802.11ac. Он вышел в 2013 году. Из новинок в нём можно отметить более ёмкую модуляцию 256-QAM и развитие технологии MU-MIMO. И всё же главный финт ушами нового поколения — повторный уход в 5 ГГц и использование этого диапазона уже по полной.

Толчок, данный n-стандартом, было уже не остановить.

Самый заштатный ТРК, расположенный в глубинке, считал своим долгом развернуть собственную Wi-Fi-сеть.

Гости на ресепшене гостиницы интересовались не наличием Wi-Fi в их номере, а лишь способом подключения к нему. Сам Wi-Fi в номере считался чем-то заложенным по умолчанию.

Стремительно начали развиваться технологии умного дома, огромная часть оборудования для которого производилась с Wi-Fi-модулями. Теперь это была уже не игрушка для гиков, миллионы людей буквально впитали все прелести удалённого контроля дома или квартиры, где даже розетку можно отключить из приложения с другого конца земного шара.

Конечно, для IoT 802.11ac ещё был слабоват. Интернету вещей не требовались космические скорости, а вот возможность работы тысяч датчиков на ограниченном пространстве ему была необходима. Кроме того, 802.11ac был весьма энергозатратным, устройствам с батарейным питанием он был противопоказан. Но даже тут находились решения, связанные с переводом передатчика в сон.

В общем, когда казалось, что больше Wi-Fi быть уже не может, его становилось ещё больше.

В 2018 году Wi-Fi Alliance понимает, что технология Wi-Fi ориентирована во многом на обычных людей. Эти люди начинают путаться в сложных обозначениях. Поэтому было принято решение упростить названия.

Сейчас это выглядит так:

• 802.11n → Wi-Fi 4,
• 802.11ac → Wi-Fi 5,
• 802.11ax → Wi-Fi 6.

Предполагалось, что простое обозначение поколения цифрой поможет пользователям лучше ориентироваться в происходящем. Новинка прижилась, хотя и старые обозначения b/g/n/ac/ax до сих пор используются в обиходе.

Нельзя сказать, что 5 ГГц так же быстро заполнился устройствами, как 2,4 ГГц. Но разработчики не стали ждать очередного обострения, и в 2019 году выходит новейший стандарт Wi-Fi 802.11ax, он же Wi-Fi 6.

По доброй традиции это не расширение предыдущего поколения, а уже привычная нам революция.

Несколько слов о том, почему революция стала возможной.

У разработчиков накопился огромный опыт. Они прекрасно понимали все слабые места предыдущих поколений. И знали, что нужно исправлять в первую очередь.

На их стороне был рынок. Wi-Fi настолько прочно вошёл в жизнь людей, что была стопроцентная гарантия — технология взлетит.

И пожалуй, важнейшая причина. Технологии не стояли на месте. Обычная точка доступа сейчас может позволить себе впечатляющие вычислительные мощности вкупе с новейшими антеннами. Всё это позволило разработчикам сделать действительно потрясающую вещь. Кратко пройдёмся по новинкам.

Внедрена технология OFDMA. Раньше все пользователи занимали в эфире определённый временной слот и ждали своей очереди, если слот принадлежал не им. Это можно сравнить с проездом фур через узкие ворота. У каждой фуры своё время проезда, независимо от того, пустая она или полная. На этом терялась куча ёмкости. Ведь один пользователь мог качать торрент, а второй сёрфить в сети. Но каждому полагался свой временной слот, и часть из них использовалась неоптимально. OFDMA устранила эту проблему.

В качестве примера можно привести выставочный комплекс «Казань Экспо». Владельцы стендов представляют там множество новинок, которые завязаны на беспроводную сеть комплекса. Кто-то гонит VR, а кто-то лишь синхронизирует базу данных. Для поддержки такого объёма трафика на территории экспоцентра установили 337 высокоскоростных точек доступа с поддержкой Wi-Fi 6. Эта сеть позволяет держать до 4000 одновременных подключений с хорошей адаптивной скоростью. Такие числа — вынужденная мера, ведь площадь «Казань Экспо» примерно 143 тысячи м². Популярная конференция может пропустить через себя порядка 300 тысяч участников. К примеру, прошедшая в 2019 году конференция WorldSkills собрала 270 тысяч специалистов. И это не просто случайные гости, это люди, которым близки высокие технологии, это люди с мощными гаджетами и серьёзными запросами на полосу пропускания. Они создают дополнительную нагрузку плюсом к экспонентам. И если бы не Wi-Fi 6, трудно представить, как было бы возможно удовлетворить запросы такой публики

Полностью раскрыт потенциал технологии MU-MIMO. То есть теперь мы можем передавать информацию по разнесённым в пространстве потокам. И число этих потоков увеличилось до 8. Это позволяет разгонять беспроводную сеть до 9 Гбит/с. Преимущество оценили, в частности, в Национальной комиссии по водным ресурсам Мексики. В их кампусе была развёрнута сеть Wi-Fi 6 на основе точек доступа Huawei AirEngine 8760-X1-Pro. Она имеет 16 встроенных двухдиапазонных интеллектуальных антенн и поддерживает до 16 пространственных потоков. Такая точка может пропускать через себя максимальный трафик огромного числа пользователей. До прихода Wi-Fi 6 в кампусе работало четвёртое поколение, и специалисты отмечают, что на новом оборудовании сеть не только увеличила свою пропускную способность, но и стала значительно проще архитектурно. Ведь спланировать сеть четвёртого поколения для высоких нагрузок — та ещё задача.

Target Wake Time (TWT) позволяет не поддерживать постоянное соединение с точкой доступа, а передавать данные лишь тогда, когда в этом есть необходимость. Таким образом, бóльшую часть времени передатчик находится в режиме сна и не расходует драгоценный заряд батареи.

Интересный пример использования этой технологии демонстрирует шведская компания ShoreLink. Эта морская судоходная и логистическая компания работает в четырёх шведских портах и обеспечивает доставку 5 млн тонн товаров ежегодно. При логистике контейнеров активно используются различные датчики, информация с которых помогает чётко отправить товар из каждого контейнера в пункт назначения. Интернет вещей на основе Wi-Fi 6 тут пришёлся как нельзя кстати.

Не будем забывать, что порт — не самое спокойное место в плане погодных условий. Поэтому для покрытия были использованы точки доступа Huawei AirEngine 8700 Series. Помимо всех преимуществ шестого поколения, они крайне устойчивы к внешним факторам, т. к. имеют защиту IP68. Что ещё раз подтверждает — Wi-Fi уже давно перестал быть историей внутри помещений и может быть использован в самых суровых условиях.

Beamforming. Использование фазированной антенной решётки: точка доступа как бы формирует луч, который направлен на конкретного пользователя и следит за ним в пространстве. Это увеличивает эффективность использования спектра и улучшает качество сигнала для конечного потребителя. Нечто подобное уже использовалось в пятом поколении, но нынешнее развитие технологий позволяет нам лучше раскрыть потенциал стандарта.

В качестве примера можно привести офис ВТБ на Трубной улице в Москве. Изначально здание не было рассчитано на использование беспроводных технологий в таком количестве. Как следствие — там много «тёмных углов». А современные реалии удалёнки накладывают на банк определённые ограничения. Чтобы преодолеть все возникшие проблемы, в здании полностью обновили телекоммуникационное оборудование. Вместо 4 линков по 1 Gbps здание с опорной сетью банка соединили через 4 линка по 10 Gbps. В качестве точек доступа использовали AP7060DN. Эти устройства поддерживают скорость до 6 Гбит/с для сервисов, требующих высокой пропускной способности: интерактивного обучения с применением технологий виртуальной и дополненной реальности, потокового HD-видео качества 4K/8K, мультимедиа, облачных рабочих столов и других корпоративных сервисов беспроводного доступа.

Ценность Wi-Fi сейчас ни у кого не вызывает сомнений. Пожалуй, главный вопрос, который могут задать читатели: пришло ли время обновлять инфраструктуру до Wi-Fi 6, или годик-другой это ещё потерпит? Ведь шестое поколение требует именно аппаратного обновления оборудования.

Ответ здесь однозначный: современное развитие технологий происходит с такой скоростью, что через год-другой Wi-Fi 6 будет у подавляющего числа пользователей. А перестройка инфраструктуры требует времени. Поэтому процесс необходимо начинать уже сейчас.