Wi-Fi 6 во сне и наяву: как новый стандарт избавляет заводы от проводов и почему до глобального внедрения далеко
В прошлом году на подмогу к Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac) пришёл новый стандарт — Wi-Fi 6 (IEEE 802.11aх). Он повысил ёмкость и изоляцию устройств, а также (в теории) максимальную скорость соединения. В 2020 году линейку дополнят ещё одной версией — Wi-Fi 6E (официальное название и индекс останутся такими же, как в прошлом году).
Если вы тоже запутались в наименованиях и версиях, есть хорошая новость: мы разобрались, что изменит появление Wi-Fi 6, нужно ли переходить на эту технологию сейчас и какие возможности она открывает.
Итак, IEEE 802.11aх, он же Wi-Fi 6 без индекса Е, — это стандарт, принятый в 2019 году. Он обеспечивает теоретическую пропускную способность до 9,6 Гб/с. Способен работать в старых диапазонах 2,4 и 5 гГц, а основной упор делает на повышение емкости и улучшенную изоляцию подключенных устройств. Это позволит избавиться от замусоренности каналов, как это было в 802.11n.
Технология OFDMA позволяет более эффективно использовать спектр радиочастот, за что особенно благодарны сервис-провайдеры: теперь они смогут упаковать свои тяжелые видео в 4−8K в сигнал «по воздуху» и уменьшить задержки. Адептам IoT в то же время больше не придется опасаться, что 40 «умных» лампочек в квартире, которым обязательно нужен доступ в интернет, будут драться за каждый свободный кусочек радиополосы с чайником и микроволновкой.
MU-MIMO же позволила нам превратить точки доступа в ощетинившегося антеннами ежа, благодаря чему каждая антенна работает с отдельным подключенным девайсом. Это повысило пропускную способность. Теперь точка доступа не раздает всем устройствам в доме пакет с данными для одного телефона, выстраивая остальные девайсы в очередь для ожидания своих пакетов. Роутер тихо-мирно отправляет курьеров к каждому устройству, не беспокоя остальные.
- Adaptive Power, который регулирует мощность сигнала так, чтобы она повышалась до максимальной, только если уровень сигнала до устройства упадет до критически низкого.
- BSS (он же device coloring), который нужен, чтобы точки доступа в одном частотном канале не ждали друг друга, а постоянно работали только со своими клиентами и не мешали остальным.
- Target Wake Time, на радость свидетелям IoT, позволяет снизить расход энергии на передачу данных практически до нуля за счет их передачи только по запросу. Примерно как Wake on LAN, только девайс просыпается, посылает свой пакетик и сразу уходит обратно спать.
В 2020-м в Wi-Fi Alliance решили, что нужно усилить эффект от Wi-Fi 6, введя Wi-Fi 6E, не принимая новое название стандарта. Главное изменение, достойное нашего внимания, — это переход на новую частоту 6 гГц. Спросите, зачем, если при повышении частоты сигнал начинает распространяться хуже? Тогда взгляните, для каких пространств Wi-Fi 6 будет наиболее эффективен.
Это расширение было нужно, чтобы ответить на крайне важный вопрос: как раздать Wi-Fi в просторном помещении, где очень много людей? Любой инженер по радиосвязи скажет вам, что это святой Грааль и нашедший правильный ответ обретет вечную славу. Вспомните, как это было раньше: идете на стадион или массовое гуляние, заходите в толпу и тут же остаетесь без сотовой связи. Причина была в том, что вышки не справлялись с таким количеством желающих подключиться. Со временем GSM-станции научились обслуживать большие потоки (хотя и не без временного развертывания дополнительных мощностей), а вот с Wi-Fi проблема оставалась, его нужно было сделать стабильнее.
На Хабре уже было несколько постов о том, как разворачивают беспроводные сети на стадионах, и каждый раз это был дорогой вау-проект. Чтобы это перестало быть «вау» и стало доступно, инженеры решили ввести новый диапазон с огромным количеством новых каналов и возможностью работать с большим количеством не мешающих друг другу подключенных устройств.
Для Wi-Fi ситуация уникальная, так как до этого все его развитие заключалось в гонке за высокой скоростью. Похоже, физику снова не удалось обмануть, и было решено оптимизировать использование уже имеющихся технологий.
Дело тут не только во все повышающейся модуляции или еще более плотной нарезке каналов, что, несомненно, важно. Инженеры решили пересмотреть саму структуру дата-фреймов, которые раньше могли быть по 256 байт с неприличным оверхедом из служебной информации. К чести IEEE, удалось сохранить совместимость с 802.11a/b/g/n/ac.
Это порождает другую интересную особенность: обновить устройство до Wi-Fi 6, накатив патч от вендора, не получится. Нужны новые чипы, которые начинают выпускаться еще до того, как стандарт финализируют. Просто потом эти чипы автоматически попадают под сертификацию.
Как же тогда будет работать обратная совместимость? Со старыми точками связь будет устанавливаться через OFDM или HR-DSSS, а с 802.11ax — строго по OFDMA. Когда в эфире будут OFDMA-сигналы, классические механизмы отслеживания возможности послать сигнал RTS/CTS будут ожидать своей очереди.
Получается, для полноценного перехода понадобятся не только новые точки доступа, но и новые клиентские устройства. Это главный фактор, не позволяющий моментально внедрить Wi-Fi 6 везде. Но пальма первенства все равно у клиентских устройств — новые смартфоны покупают часто, а установить в них новые чипы вместо старых, чтобы это не сильно сказывалось на цене, просто. Особенно благодаря компании Broadcom, которая выпускает львиную долю чипов на все случаи жизни.
А вот домашние роутеры с Wi-Fi 6 стоят раза в 2–3 дороже, чем их предшественники времен 802.11ac. Объяснить простому пользователю, зачем покупать нового ежа за 15 000, сложно, — с большей вероятностью человек купит модель на Wi-Fi 5 и сэкономит 10 000. К тому же мало кто покупает новый роутер, пока старый работает. Вся надежда на интерпрайз и сети предприятий.
Помните, выше мы говорили про стадионы и IoT? Так вот, если у вас есть производство с цехом площадью в пару стадионов, непременно возникнет вопрос организации связи между станками, датчиками и приборами у персонала. Скорее всего, выбор будет стоять между «развесить много Wi-Fi-точек» и «проложить десятки километров кабелей».
Первое проще и разумнее, но беспроводные технологии должны обеспечивать скорость и стабильность витой пары и оптики. Проблемы с сетью дома, скорее всего, закончатся развалившимся кадром в телевизоре, а вот на производстве они могут принести многомиллионные убытки из-за запоздалой реакции одной из систем. Так что ждем Broadcom, Qualcomm и Intel. Ожидается, что общий рынок чипов Wi-Fi 6 к 2022 году достигнет оборота в 1 млрд выпускаемых девайсов.
OFDMA — это многопользовательская версия старого доброго мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).
То есть если раньше модуляция просто обеспечивала хороший и стабильный канал связи, то теперь она еще и нарезает его на независимые участки, которые работают, не мешая друг другу. Они называются RU (Resource Unit), и за их распределение отвечает точка доступа. Это позволяет многократно повысить стабильность и скорость связи в условиях плотного размещения клиентов.
Фактически теперь мы можем одновременно отправлять фреймы сразу нескольким пользователям, что было невозможно в предыдущих версиях стандарта.
Например, классический канал в 20 Гц можно нарезать на девять подканалов и в один момент времени передавать фреймы сразу девяти клиентам. Но Wi-Fi Alliance будет тестировать одновременную передачу четырех RU с использованием OFDMA как на даунстриме, так и на апстриме.
Возникает вопрос: на каком размере RU у нас будет максимальный выигрыш при использовании OFDMA? Если отвечать в общем, то OFDMA показывает лучшие результаты при маленьких RU. На том же самом канале в 20 МГц точка доступа может нарезать 26, 52, 106 или 242 поднесущих RU. Данное распределение не статическое, а выполняется в зависимости от обстановки. Например, можно одновременно работать с одним 802.11ax-клиентом на 8 МГц и двумя 802.11ax-клиентами, использующими подканалы 4 МГц. И все это работает в обоих направлениях!
Теперь про упомянутую в начале MU-MIMO. Это тоже добротная переработка уже известной технологии. Ее представили во времена Wave-2 802.11ac, но только для даунлинка. А теперь можно расширить поддержку и для аплинка. Однако работающая MU-MIMO встречается довольно редко, так что широкое внедрение еще впереди.
Малая распространенность может быть связана с физическими проблемами: клиенты должны быть разнесены в пространстве. В условиях офисов (и тем более залов), где плотность достигает нескольких девайсов на метр, достичь такого сложно. С другой стороны, технология формирования узкого луча требует внесения дополнительного оверхеда для и так перегруженных пакетов. Так что MU-MIMO во всей своей красе может показывать себя в условиях, где мало клиентов и нужна большая пропускная способность.
Кто из них важнее — OFDMA или MU-MIMO — это вопрос про борьбу кита и слона. Одна технология повышает эффективность, другая — емкость. Одна уменьшает задержки, другая повышает скорость. OFDMA хороша для маленьких пакетов, а MU-MIMO — для больших. Так что решать вам.
Можно рассказать про BSS Coloring, но про это уже многое написано, так что здесь мы его затронем вскользь. Основная решаемая проблема — дать возможность разным точкам работать на одинаковых каналах с разными клиентами и не мешать друг другу. Для этого было решено метить пакеты «свой/чужой», как это делалось со времен старого доброго VLAN. Дополнительно появятся механизмы, позволяющие снижать мощность передаваемых сигналов в обмен на привилегированный доступ к радиоканалу. Если хочется кровавых технологических подробностей, лучше пройдите по ссылке выше. Там можно узнать и про затухания, и про структуру пакетов, и про выбор наилучшей точки доступа, и про все остальное.
Wi-Fi 6: что у 802.11ax внутри
Новый Wi-Fi 6 интересен со всех сторон. Тут и физическое перестроение антенн, и поддержка OFDMA — множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов, и уплотнение информации за счет поддержки модуляции QAM 1024, что позволяет увеличить количество бит передаваемой информации в расчете на 1 Гц частотного диапазона, и маркировка пакетов в каналах с целью распознавания «свой-чужой», и спящие режимы. Плюс гибкость настройки и высокие скорости передачи данных.
В реальных условиях беспроводные сети с трудом справляются с поставленными задачами, но главная причина не в том, что у существующих стандартов не хватает скорости передачи. Просто устройств стало слишком много — теоретических показателей на практике достичь не удается из-за вынужденного ожидания, пока освободится среда передачи, взаимного влияния расположенных рядом точек доступа и т.п. И со временем проблема усугубляется. Поэтому при разработке очередной версии стандарта Wi-Fi Alliance уделил больше внимания повышению эффективности работы беспроводной сети.
Новая версия стандарта впервые была представлена осенью 2018 года — одновременно с переименованием последних двух версий — 802.11n и 802.11ac в Wi-Fi 4 и Wi-Fi 5 соответственно. «Ребрендинг» потребовался для того, чтобы избавиться от путаницы на рынке пользовательских устройств и упростить пользователям переход на новые версии.
Официальное утверждение стандарта запланировано на третий квартал 2019 года. Некоторые производители уже предлагают точки доступа с поддержкой Wi-Fi 6. Осенью же начнется сертификация конечных устройств, так что на рынке они могут появиться уже в этом году. Ну а пока можно обсудить, в каких случаях стоит поторопиться с обновлением до Wi-Fi 6.
Одна из основных проблем «уплотняющихся» беспроводных сетей — дефицит спектра.
Еще несколько лет назад сообщество заговорило о тесноте в диапазоне 2,4 ГГц, тогда же наметилось движение Wi-Fi Alliance в сторону спектрального отрезка в районе 5 ГГц, и Wi-Fi 5 даже лишился поддержки «перегруженного» 2,4 ГГц. Но в Wi-Fi 6 этот диапазон вернулся. Причин тому много: от разных условий распространения сигнала и стоимости оконечных устройств до желания задействовать под популярный беспроводной стандарт все доступные частоты, ведь количество клиентских устройств растет в геометрической прогрессии. Более того, теоретически стандарт может использоваться и в соседних частотных полосах. Уже обсуждается предложение Федеральной частотной комиссии (FCC) о том, чтобы выделить под него дополнительные полосы в районе 6 ГГц. Правда, эти обсуждения пока не касаются России.
Частотный ресурс можно использовать по-разному. Можно разделить его на максимально широкие отрезки, чтобы обеспечить высокую скорость передачи данных при малом количестве устройств — и Wi-Fi 6 поддерживает выделение каналов шириной до 160 МГц, — а можно выделить много каналов минимальной ширины, чтобы работающие на них устройства не мешали друг другу. И гибкость, с которой осуществляется «переключение» между этими подходами, определяет универсальность стандарта.