Простыми словами: Как beamforming работает в Wi-Fi роутерах?
Большинство продаваемых Wi-Fi роутеров оснащено технологией — beamforming . Такие роутеры легко отличить по количеству антенн, которых четыре и более. Коротко производители объясняют, что луч от антенн как бы следует за устройствами, подключёнными к беспроводной сети. Но как он может изменять направление излучения, если антенны и само устройство не поворачиваются?
Действительно, роутеры не оснащены какими-то моторчиками, сервоприводами или внутренними поворотными механизмами, но луч действительно подстраивается под местоположение устройств в Wi-Fi сети. Объясню принцип работы простыми словами.
Главное, чем действительно должны быть оснащены Wi-Fi роутеры с beamforming — это несколькими антеннами. Чем их больше — тем лучше, но и четырёх вполне достаточно.
Все антенны на роутере принимают сигнал от устройства, подключённого к нему, допустим — это смартфон. Причём каждая из антенн примет сигнал с небольшими задержками друг относительно друга. Это будут очень маленькие задержки, какие-то доли микросекунд. Такие задержки не способны замедлить скорость передачи данных, но очень важно их точно измерить.
Фокус заключается в том, что если сигнал передать от роутера с точно такими же задержками, с какими сигнал был получен от этого устройства, максимум энергии придётся как раз на местоположение того самого устройства. По сути, роутер создаст луч, который будет направлен строго к смартфону .
Такой сигнал можно будет принять и в других точках. Но если задержки измерены максимально точно и роутер смог передать сигнал точно повторив эти задержки, сигнал в местоположении смартфона будет максимальным. В других точках пространства сигнал будет не таким мощным.
Понятно, что любое устройство в Wi-Fi сети может переместиться в пространстве. Поэтому величина задержек от конкретного устройства постоянно измеряется, много раз в секунду. Роутер непрерывно подстраивает свою работу и луч фактически следует за устройством.
Если передать сигнал с такими же задержками как он был принят — его мощность будет максимальной в местоположении смартфона
Что самое интересное: роутер знает местоположение устройства очень точно, но лишь в размерах задержек. А вот географические координаты, то есть широта и долгота всех работающих устройств, в том числе и самого роутера для него не известны.
То есть роутер создаёт вокруг себя новую систему координат, в которой нет высоты, ширины, долготы, но есть задержки передачи между каждой антенной и устройством. И чем больше будет таких антенн — тем больше измерений будет в таком новом пространстве. Четыре антенны — значит 4D, а 6 антенн — 6D, вместо нашего скромного 3D мира 🙂
К слову, beamforming в сотовых сетях работает по точно такому же принципу. Просто отдельные антенны на сотовых станциях скрыты в едином корпусе. Причём число таких антенн может достигать 64 или даже 128. Они могут разбиваться на группы и обслуживать разные кластеры вокруг себя одновременно.
Вот таким хитрым образом проблему, то есть задержки передачи сигнала, учёные обратили в пользу. Благодаря формированию лучей удаётся существенно повысить скорость передачи данных, ёмкость сети и, что очень важно, дальность связи.
Даже в высоrих частотных диапазонах, таких как 5 ГГц, Wi-Fi роутеры могут работать через стены. Хотя без этой технологии покрытие было бы доступно лишь в одном помещении, где установлен сам роутер.
Ставьте 👍 и подписывайтесь в Дзен и Telegram
Beamforming – что это в роутере?
ВОПРОС! Всем привет. Скажите, пожалуйста, а что такое Beamforming? На роутере наклеена подобная надпись, но не понимаю, что это.
БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это формирование направленного луча радиосигнала по Wi-Fi. Если говорить грубо, то роутер примерно понимает, где находится ваш ноутбук, телефон, планшет или даже телевизор, формирует концентрированный направленный сигнал в этом направлении, и клиентское устройство принимает лучший сигнал. А как мы знаем, чем лучше идет сигнал, тем больше скорость обмена данными. Данная технология впервые в работоспособном виде появилась в WiFi стандарте 802.11ac. А теперь более подробно про саму технологию ниже в статье.
Как работает технология?
Начнем с того, что сама технология впервые появилась в стандарте 802.11n, но была проблема в том, что каждый производитель своего оборудования по-своему её реализовывал с разными алгоритмами. И как итог – она могла работать только между устройствами одного производителя. И уже с выходом 802.11ac данная технология заработала как надо, так как появился один всеобщий стандарт. Даже сейчас стандарт 802.11n еще остается достаточно популярным, но вот TX Beamforming на нем работает только в очень редких случаях.
Beam forming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет за счет нескольких антенн передавать данные на несколько устройств одновременно. И вот MIMO уже появился при стандарте 802.11n.
MIMO позволяет создавать несколько потоков и по ним одновременно передавать данные. Есть два вида MIMO:
- SU-MIMO – когда данные в несколько потоков передаются на одно устройство.
- MU-MIMO – когда общение с роутером идет одновременно сразу с несколькими клиентами.
В скором времени вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии у роутера сразу нескольких антенн – то есть данные с каждой антенны передаются на одно конкретное устройство. Это достаточно удобно, ведь теперь не нужно ждать очереди, чтобы получить доступ к сети и интернету. У MU-MIMO есть схемы:
Если у роутера 3 антенны, и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно общаться сразу с 3-мя устройствами.
Transmit Beamforming использует сразу несколько антенн, для того, чтобы понять примерно расположение устройства в пространстве. На сам деле каждая антенна транслирует радиосигнал равномерно во все направления – тут ничего не поделаешь. И тут встает вопрос – как можно усилить и улучшить сигнал в конкретном место, там, где находится телефон, планшет или ноутбук?
На помощь нам приходит физика и понятие интерференции. Интерференция – это когда при наложении двух волн, мы видим, что в одном месте идет усиление колебания и сигнал становится лучше, а в другом колебания становятся слабее и сигнал ухудшается.
Давайте посмотри на примере. У нас есть роутер с двумя антеннами. Каждая антенна начинает испускать радиоволны. И есть два клиента. Пассивный клиент – это тот, который ждет своей очереди, то есть в данный момент времени информация на него не передается, и он ничего не принимает.
Активный клиент – это тот клиент, который принимает данные от роутера в данный момент времени. Beamforming работает таким образом:
- Обе антенны задают базовые колебания волны.
- При помощи сдвига фазы обе антенны начинают подстраивать амплитуду сигнала таким образом, чтобы она была максимальна в месте, где находится клиентское устройство.
На картинке выше активен 1-ый клиент, и антенны подстраивают радиоволны таким образом, чтобы в месте, где находится устройство, была максимальная интерференция и наложение двух волн, исходящих от двух антенн.
Потом второе устройство становится активным (смотрим на картинку ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.
Но не забываем, что не один роутер участвует в анализе расположения клиентских устройств. Сам клиент выступает главным звеном нашей задачи. Получается такая схема:
- Две антенны отправляют звуковой кадр, который называется Null Data Packets (NDP).
- У NDP есть свой заголовок, чтобы клиент понимал, от какой антенны был отправлен сигнал.
- Устройство записывает параметры приема радиоволны в матрицу с такими данными как сила сигнала, время получения сигнала.
- Для каждого используемого канала идет своя запись данных, так как у всех каналов частоты немного отличаются. А как мы помним, волны с разной частотой по-разному распространяются в определенной среде.
- Матрица со всеми этими данными (Channel State Information (CSI)) отправляется обратно к роутеру.
- Роутер на основе этих данных по формуле высчитывает примерное расположение клиента и уже начинает транслировать радиоволны таким образом, чтобы интерференция в месте клиентского устройства была максимальна.
Но это мы рассмотрели схему, при которой оба устройства поддерживают Beamforming. В таком случае считается, что луч формируется явно (implicit Beamforming, iBF). Если же клиентское устройство не поддерживает эту технологию, и не может передать лист с данными о приеме Channel State Information (CSI), то маршрутизатор все равно пытается примерно понять, где расположено устройство на основе принятых данных от клиента, а также оценивает канал связи.
- Точка доступа отсылает вопрос: с какой скоростью, дескать, мне отправлять тебе информацию?
- Клиент отправляет ответ – ну давай, вот так попробуем!
- Маршрутизатор начинает потихоньку менять скорость и фазовый сдвиг на обеих антеннах. Тем самым, как мы помним интерференция должна усилиться или уменьшиться, и как итог – сигнал будет или ухудшаться, или улучшаться.
- Если клиент отвечает, что все норм, можно повышать скорость, то значит роутер попал с настройками фазового сдвига правильно. Если сигнал ухудшился и скорость уменьшилась, то роутер ищет другие настройки сдвига.
- Так продолжается до тех пор, пока не найдется максимальная скорость передачи, что будет символизировать, что настройки антенн найдены.
Так называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В интернете можно встретить огромное множество комментариев по поводу того, что данная технология является просто маркетинговым ходом. Но на деле она сильно увеличивает качество связи и скорость передачи данных.
Beamforming в теории может обнулять помехи, за счет отправки в сторону источника помех определенного сигнала, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.
Напомню, что активно данная технология используется в Wi-Fi 6-го поколения – про него можете подробно почитать тут. Также если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую почитать дополнительные материалы:
Видео
Технология TX Beamforming — Что Это В Роутере ?
Читая технические спецификации современных wifi маршрутизаторов, все чаще на глаза попадается такое понятие, как TX Beamforming. Что это в роутере, я расскажу в этой статье.
Технология TX Beamforming
Говоря простым языком, beamforming — это технология формирования направленного луча в сторону принимающего беспроводной сигнал устройства. Ее ещё называют TX Beamforming, то есть «концентрирование излучения».
Обычные антенны роутера ретранслируют вайфай с одинаковой амплитудой во все стороны, покрывая равномерную площадь вокруг. При этом более дорогие модели бывают оснащены сразу несколькими антеннами в одном частотном диапазоне. Их излучение накладывается друг на друга, благодаря чему увеличивается качество wifi.
Благодаря формированию луча beamforming можно дополнительно улучшить за счёт того, что он распространяется не равномерно вокруг себя, а как бы вытягивается в сторону подключенного к нему девайса.
Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий и других источников радио помех.
Но как быть, если с роутером в одно время работает несколько смартфонов, ноутбуков и других гаджетов? Здесь включается умный алгоритм Beamforming, который автоматически определяет, от каких из них ответ приходит быстрее, от каких медленнее, и в какую соответственно сторону нужно направить более мощный сигнал.
Главной сложностью при ее внедрении в устройства является особая настройка антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. Поэтому в недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является больше маркетинговым ходом, нежели действительно фактором, сильно повышающим стабильность приема в отдаленных участках помещения.
Если речь идёт о стандарте wifi 802.11n, то для достижения максимального эффекта нужно, чтобы и приемник, и передатчик работали по одной и той же технологии beamforming. Поэтому рекомендуется использовать оба устройства одной фирмы — роутер и wifi адаптер.
В более новом 802.11ac beanforming уже является составной частью стандарта, поэтому производитель значения не имеет.
Формирование луча на практике
Подведем итог — каким образом эти знания могут нам пригодиться на практике? Нужно ли обращать внимание на наличие технологии формирования направления излучения TX Beamforming в маршрутизаторе?
- Определяющего значения при выборе она не имеет и может быть лишь дополнительным плюсом
- Сильного прироста в стабильности wifi только лишь из-за beamforming ожидать не стоит. Это достигается за счёт сочетания многих факторов, одним из которых он может являться
- Для получения максимальной отдачи от наличия технологии формирования луча по wi-fi стандарта 802.11 N (это большинство недорогих роутеров, работающих на частоте 2.4 ГГц) необходимо, чтобы все устройства были одного производителя