Технология Wi-Fi: настоящее и будущее. Все о стандартах 802.11ac/ad/ax/ah и WirelessHD

Думается, не стоит говорить в очередной раз, насколько незаменимой вещью в нашей жизни стали беспроводные сети. Почти в каждой квартире есть точка доступа Wi-Fi. С появлением все большего количества мобильных устройств без этого беспроводного стандарта уже попросту не обойтись. Wi-Fi-сетями начали покрываться не только крупные торговые центры, парки и организации общепита, но и общественный транспорт. Например, к концу 2015 года Wi-Fi сетью планируется покрыть весь наземный общественный транспорт Москвы. А уже к концу этого года выходить в Интернет через беспроводные точки доступа можно будет в любом месте московского метрополитена. Более того, в планы Правительства Москвы входит покрытие сетью Wi-Fi всего города к 2018 году, когда в России пройдет Чемпионат Мира по футболу. Как видите, перед беспроводным стандартом ставятся все более сложные задачи, поскольку точкам доступам приходится работать с довольно большим и при этом постоянно растущим числом пользователей.

Не так давно, чуть менее года назад, были приняты окончательные спецификации самого «свежего» на сегодня Wi-Fi стандарта — IEEE 802.11ac. В настоящее время маршрутизаторы с поддержкой IEEE 802.11ac еще только становятся массовыми, но в организации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) уже идет работа над следующим (шестым) поколением беспроводных сетей — 802.11ax. Сегодня мы расскажем вам, какими улучшениями может похвастаться версия «ac» и по какому пути пойдут инженеры IEEE при разработке 802.11ax, а также других беспроводных стандартов.

Источник изображения

802.11ac

Перед тем, как начать нашу «историю», необходимо в общих чертах рассказать о том, как происходит сам процесс принятия спецификаций Wi-Fi. Организация IEEE непосредственно разрабатывает эти спецификации и утверждает их. Однако кроме нее существует еще и объединение Wi-Fi Alliance. Этот консорциум состоит из многочисленных компаний, которые занимаются разработкой девайсов для беспроводных сетей. Так вот, Wi-Fi Alliance занимается тем, что сертифицирует всё выпускаемое железо на соответствие прописанным IEEE требованиям.

Источник изображения

Получение такого сертификата вовсе не обязательно. К тому же для вендоров оно и не бесплатно. Однако зачастую производителям намного выгоднее иметь метку о прохождении сертификации: как ни крути, но этот маркетинговый ход положительно влияет на продажи устройств, особенно на раннем этапе. Все дело в том, что процесс принятия окончательных спецификаций Wi-Fi, как правило, растягивается на несколько лет. Например, на утверждение стандарта 802.11n в свое время ушло около 5 лет. Его разработка началась в 2004 году, а в 2006 была принята первая предварительная драфт-версия. Окончательно 802.11n был утвержден только в 2009 году. Такая же судьба постигла и нынешнее поколение беспроводных сетей — 802.11ac. Его проектирование стартовало еще в 2008 году, а закончилось лишь в конце 2013.

Такое положение дел не совсем устраивает производителей. На протяжении последних лет они выпускали устройства, основываясь на предварительных версиях 802.11ac. А до 2009 года аналогичная ситуация была со стандартом 801.11n. В итоге первые 802.11ac девайсы появились еще в 2012 году, хотя дебютная программа сертификации организации Wi-Fi Alliance состоялась лишь в середине 2013 года. Да и сейчас на рынке можно встретить лишь те устройства, которые соответствуют драфт-версии 802.11ac (в дальнейшем будем называть их роутерами первой волны). В некоторых из них (например, в шестиантенном роутере Netgear Nighthawk X6) производители использовали собственные наработки, которые позволяли «выжать» из технологии еще больше производительности. Ну а появление роутеров второй волны, основанных на окончательной спецификации 802.11ac, ожидается совсем скоро — в первой половине 2015 года. Ожидается, что они смогут предложить более высокую производительность за счет поддержки некоторых новых функций.

Источник изображения

Необходимо сказать несколько слов о технической стороне стандарта 802.11ac. Он работает на частоте 5 ГГц. Этот диапазон загружен значительно меньше, чем 2,4 ГГц, поэтому сигнал меньше подвержен различным помехам. В новую технологию также перекочевала функция SU-MIMO (single-user multiple input/multiple output), которая была чуть ли не основной отличительной чертой 802.11n. Принцип ее работы заключается в том, что она позволяет передавать одному клиенту (устройству) сразу несколько потоков информации. В 802.11ac технология получила более производительную систему модуляции, которая обеспечивает максимальную пропускную способность каждого потока в 433 Мбит/с. При этом стоит отметить, что роутеры первой волны поддерживают передачу до трех потоков одновременно, поэтому их суммарная пропускная способность находится в районе 1300 Мбит/с. Это намного больше того, что позволяет стандарт 802.11n. В нем также была реализована параллельная передача данных по трем потокам, однако ширина каждого потока равнялась всего лишь 150 Мбит/с, что в совокупности составляло скромные 450 Мбит/с.

Роутеры второй волны получат несколько важных изменений. Во-первых, у них появится поддержка технологии MU-MIMO (multi-user multiple input/multiple output). Она работает по такому же принципу, как и SU-MIMO, однако в отличие от последней умеет передавать данные не одному, а сразу нескольким клиентам.

Источник изображения

Во-вторых, новые роутеры смогут объединять несколько каналов на частоте 5 ГГц в единый поток с полосой пропускания с частотой 160 МГц. Справедливости ради нужно отметить, что роутеры первой волны также умеют объединять несколько каналов, однако частота полосы пропускания составляет 80 МГц. В-третьих, новые роутеры будут поддерживать передачу по восьми потокам одновременно — вместо текущих трех. Помимо всего прочего, девайсы второй волны будут использовать более широкие каналы и дополнительные потоки, улучшенную технологию формирования направленного сигнала (beamforming) и другие функции. Это позволит нарастить скорость физической передачи данных до 7–10 Гбит/с.

Технология формирования направленного сигнала (beamforming)

О бимформинге стоит поговорить отдельно. По большому счету, в 802.11 эта технология используется не впервые. Стандарт n также поддерживал ее, однако только на уровне опций. IEEE не обязывала производителей внедрять бимформинг, а даже если они и решались на такой шаг, то четких указаний со стороны IEEE о том, как должна работать технология, не было. Поэтому возникали ситуации, когда маршрутизаторы и Wi-Fi-адаптеры по-разному формировали направленный сигнал, и технология не работала. Чтобы избежать этого, некоторые компании даже выпускали наборы устройств, одно из которых подключалось к роутеру, а другое — к компьютеру или какому-либо другому гаджету. Одним из таких наборов был Netgear WNHDB3004 Wireless Home Theater Kit, предназначенный для домашних кинотеатров. Стоимость устройств, само собой, была довольно высока и лишь единицы стремились переплачивать за незначительную прибавку производительности.

Источник изображения

С появлением 802.11ac ситуация с бимформингом изменилась. IEEE прописала четкие правила для имплементации технологии, хотя и не сделала ее обязательной. Теперь, если одно устройство поддерживает бимформинг, а другое — нет, то они все равно будут работать вместе, хотя раньше это было невозможно.

На практике формирование направленного сигнала позволяет более эффективно использовать полосу пропускания, что положительно отражается на передаче потокового видео, качестве аудиоданных и всех других операциях, чувствительных к пропускной способности и латентности сети.

Источник изображения

Итак, как же работает технология? Беспроводные роутеры и адаптеры сети, не поддерживающие бимформинг, одинаково транслируют данные во всех направлениях. В этом случае можно провести параллель с обыкновенной настольной лампой, которая одинаково освещает предметы в определенном радиусе. В свою очередь, девайсы, которые поддерживают данную технологию, осуществляют передачу данных в конкретном направлении — туда, где находится девайс, принимающий сигнал. Если клиентское устройство также умеет формировать направленный сигнал, то вместе с маршрутизатором они могут обмениваться информацией о своем местоположении и, исходя из этого, определять кратчайший друг к другу путь.

Среди роутеров первой волны встречалось не так много девайсов, которые поддерживали бимформинг. В основном это были продукты компании Netgear, но свои модели представили компании D-Link и Linksys. Окончательно прижиться бимформинг должен уже в маршрутизаторах второй волны.

IEEE 802.11ax — следующее поколение Wi-Fi

Стандарт 802.11ac был окончательно утвержден менее года назад, но в стенах организации IEEE уже кипит работа по разработке следующего поколения Wi-Fi — 802.11ax. Несмотря на это, по предварительным планам принять финальные спецификации IEEE намерена не раньше 2019 года. Однако, судя по развитию стандартов 802.11n и 802.11ac, первые 802.11ax устройства мы увидим значительно раньше. По самым оптимистическим прогнозам, новые девайсы могут появиться уже в 2016 году.

Немного пролил свет на новый стандарт вице-президент по технологиям объединения Wi-Fi Alliance Грэг Эннис (Greg Ennis): «К 802.11ax все проявляют очень большой интерес. И уже в настоящее время очень много людей в компании принимают участие в разработке технологии». Эннис также добавил, что разработка еще очень далека от завершения, ведь производителям нужно договориться о том, какие механизмы и технологии модуляции будут применяться в работе 802.11ax.

Источник изображения

Кроме этого, по словам Энниса, едва ли не главным приоритетом в процессе разработки является не столько увеличение пропускной способности всей сети, сколько скорость передачи данных каждому отдельному клиенту. Причем инженеры пытаются достичь четырехкратного увеличения этого показателя. По информации, полученной из стана китайской компании Huawei, которая принимает активное участие в деятельности рабочей группы стандарта 802.11ax, скорость передачи данных уже достигает 10,53 Гбит/с на частоте 5 ГГц.

802.11ax также сможет похвастать увеличенной производительностью в сетях с большим количеством пользователей, например, в случае с точками доступа в общественных местах. Это будет возможно благодаря более эффективному использованию доступного спектра и улучшенной работе с интерференциями. Помимо этого, свою лепту в повышение быстродействия Wi-Fi внесет и изменения в работе основных протоколов — того же MAC (Medium Access Control). Все это сделает общественные точки доступа не только более производительными, но и более надежными.

Примечательно, что стандарт 802.11ax будет использовать четыре раздельных потока MIMO, каждый из которых обзаведется поддержкой технологии множественного доступа с ортогональным частотным разделением сигнала (OFDMA, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Это позволит роутерам передавать большие объемы данных. Принцип работы технологии OFDMA во многом совпадает с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). И OFDMA, и OFDM кодируют информацию на нескольких поднесущих частотах, однако OFDMA делает это эффективнее, размещая больше информации в единице воздушного пространства. Кстати, фраза Multiple Access как раз и говорит о средствах распределения поднесущих частот между различными пользователями.

Источник изображения

Если перевести все написанное в конкретные цифры, то легко подсчитать, что четырехкратное увеличение производительности позволит добиться пропускной способности около 3,5 Гбит/с для каждого отдельного потока. Например, этот же показатель у стандарта 802.11ac не превосходит 866 Мбит/с. А с учетом применения технологии MIMO производительность целой сети может составить 14 Гбит/с. Смартфоны и лэптопы обычно работают с двумя или тремя потоками — в этом случае пропускная способность составит 7 Гбит/с (что приравнивается 900 Мбайт/с) и 10,5 Гбит/с (1344 Мбайт/с) соответственно.

Но это в теории. На практике эти показатели будут значительно ниже. Вероятно, что скорость каждого отдельного потока на частоте 80 МГц составит около 1,6 Гбит/с (200 Мбайт/с). Ну а если клиентское устройство поддерживает MIMO, то скорость будет выше в 2-3-4 раза. Что касается людных мест, тех же супермаркетов и парков, то там частота канала обычно вдвое ниже — 40 МГц. Соответственно, снижается производительность каждого потока до 800 Мбит/с (100 Мбайт/с) и всей сети до 3,2 Гбит/с (400 Мбайт/с).

Главный вопрос заключается в том, сможет ли 802.11ax реализовать весь свой потенциал? Даже самая маленькая пропускная способность 100 Мбайт/с для 40 МГц сетей — это больше показателей чтения/записи для памяти, используемой в современных смартфонах. А для 80 МГц и 160 МГц потоков очевидно потребуются массивы из твердотельных накопителей.

Альтернативные стандарты

Несмотря на то, что представители IEEE уже нарекли стандарт 802.11ax наследником 802.11ac, в стенах компании ведется работа и над некоторыми другими проектами. Одним из них является стандарт 802.11ad, отличительной особенностью которого является работа в нелицензированном частотном диапазоне 60 ГГц. Пропускная способность таких сетей cможет достичь отметки примерно 7 Гбит/с, хотя при использовании иных способов формирования направленного сигнала она может составлять и все 25 Гбит/с.

Технология беспроводной сети с частотным спектром 60 ГГц появилась не так давно. В мае 2009 года было объявлено о ее создании, а в декабре того же года были приняты спецификации первого поколения. Разработкой технологии занимался Wireless Gigabit Alliance (WiGig), возглавляемый компаниями Marvell и Wilocity. Последняя, между прочим, в июле 2014 года была приобретена компанией Qualcomm Atheros.

Спустя всего лишь год после своего образования альянс WiGig подписал договор о сотрудничестве с организацией Wi-Fi Alliance. Такой ход обеспечил дальнейшую совместимость WiGig и Wi-Fi-девайсов между собой.

Источник изображения

К слову, 802.11ad не является единственным 60 ГГц стандартом. Конкуренцию ему составляет технология WirelessHD, разрабатываемая одноименным консорциумом, в состав которого входят такие крупные компании, как Intel, LG, Samsung, Silicon Image и другие. Технические характеристики WirelessHD почти ничем не отличаются от таковых у 802.11ad. Теоретическая пропускная способность стандарта равна 28 Гбит/с. Примечательно и то, что эта технология изначально создавалась с прицелом на передачу аудио- и видеоданных в HD, поэтому список поддерживаемых WirelessHD технологий включает в себя всевозможные 3D-форматы, разрешение 4K и защиту HDCP. Кроме этого, поддерживается и режим энергосбережения для мобильных устройств. В принципе, главным отличием WirelessHD от 802.11ad является то, что технология не совместима с Wi-Fi. Станет ли это впоследствии минусом стандарта или же, наоборот, сыграет ему на руку, сказать пока что сложно. Ясно одно — WirelessHD будет пытаться занять несколько иную нишу, и, на первый взгляд, несовместимость с Wi-Fi никак не должна повлиять на развитие технологии. Однако, как мы знаем, далеко не всегда всё идет по плану.

Стандарты 802.11ad и WirelessHD могут похвастаться высокой производительностью, однако, если говорить в целом про 60-гигагерцовые сети, то у них есть два существенных недостатках. Во-первых, большие сверхкороткие волны, используемые в этих технологиях, с трудом проходят сквозь стены. Во-вторых, на частоте 60 ГГц молекулы кислорода начинают поглощать электромагнитную энергию. Эти минусы не позволяют WiGig- и WirelessHD-устройствам распространять сигнал на большие расстояния — чаще всего их рабочая площадь не выходит за границы того помещения, где они установлены. Вот почему на рынке представлено так мало девайсов, соответствующих этому стандарту. Таковыми, к примеру, является устройство Dell Wireless Dock D5000, использующее сеть 802.11ad. А также DVDO Air, которое работает посредством WirelessHD и предназначено для передачи аудио- и видеоконтента высокой четкости с Blu-ray проигрывателя на проектор.

Источник изображения

Что касается будущего этих технологий, то многие эксперты опасаются повторения ситуации с конкуренцией Blu-ray и HD DVD. Однако для начала нужно дождаться появления первых массовых устройств, благо ждать осталось недолго: на 2015 год запланирована первая сертификация WiGig-девайсов.

Полной противоположностью 802.11ad является стандарт 802.11ah. В отличие от первого, эта технология работает в нелицензированном частотном диапазоне 900 МГц. Это означает, что сигнал такой беспроводной сети легко преодолевает препятствия в виде стен. В то же время его пропускная способность снижается. По предварительным данным, скорость 802.11ah может варьироваться от 100 Кбит/с до 40 Мбит/с. Скорее всего, такие беспроводные сети найдут себе применение в домашней автоматизации, где их будут использовать как альтернативу технологиям Z-Wave и Zig Bee. Пока что окончательные спецификации стандарта 802.11ah не приняты. Их утверждение запланировано на начало 2016 года.

Проблема полудуплекса

Одним из самых больших ограничений сотовой связи, LTE и Wi-Fi в частности, является то, что они работают по полудуплексному принципу. Это означает, что в конкретный момент времени устройство может только или принимать, или отсылать информацию. Если делать это одновременно, то между сигналами возникают помехи, что не дает возможности работать с ними. Но инженеры из Техасского университета в Далласе считают, что изобрели устройство, которое поможет решить проблему полудуплекса. Оно называются циркулятором (circulator).

Источник изображения

Циркулятор представляет собой девайс, который передает сигнал через цепочку портов таким образом, что сигнал, вошедший в первый порт, всегда выходит через второй, а вошедший во второй — через третий, и так далее. При этом в Техасском университете в Далласе создали циркулятор без движущихся частей и типичного для такого вида устройств магнитного поля. Благодаря своей архитектуре он умеет разделять входящие и выходящие потоки. Также из-за отсутствия магнита, магнитопроводов и наличию электронного управления частота циркулятора может изменяться прямо во время работы. Это невозможно сделать при использовании классических магнитных циркуляторов, которые, к слову, давно используются для реализации дуплекса в дорогостоящих системах связи.

Пока что непонятно лишь то, насколько энергозатратным будет использование такого циркулятора. При увеличении пропускной способности возрастает и энергопотребление устройств. Понятно, что сферой применения циркулятора будут и мобильные девайсы, которые и так не отличаются долгим временем автономной работы. Поэтому разработчикам определенно стоит уделить внимание данному аспекту. Благо время еще есть: вряд ли циркуляторы попадут в массовое производство до перехода на 10-нм технологические нормы.

Заключение

Подводя итог всему вышесказанному, приятно осознавать то, что никаких сомнений в дальнейшем качественном развитии беспроводных стандартов нет. IEEE не только усовершенствует классические Wi-Fi-сети, но и создаст новые в лице 802.11ad и 802.11ah, которые можно будет использовать во всех сферах жизни. Интересно посмотреть и на технологию WirelessHD: создаст ли она достойную конкуренцию 802.11ad и к чему это приведет? Так или иначе, не сомневайтесь — будущее беспроводных сетей находится в надежных руках.