Wi-Fi – это технология беспроводной локальной сети на основе стандартов IEEE 802.11. Большинство людей используют ее для подключения к интернету мобильников, телевизоров и ноутбуков, но также данная технология применяется и в локальных сетях организаций (для подключения беспроводного принтера, например), и при построении беспроводного видеонаблюдения или домофонии, и даже в умном доме, которому и посвящен данный сайт. В общем везде, где или нет возможности протянуть кабель или устройства не поддерживают проводное подключение.
В сети Wi-Fi зачастую используется два типа устройств – точка доступа и клиенты, которые к ней подключаются. В качестве точки обычно выступает роутер, но также точкой можно сделать и смартфон или ноутбук, раздав Wi-Fi с них.
Содержание:
- Используемые частотные диапазоны Wi-Fi. Разница между 2.4 и 5 ГГц
- Частотные каналы Wi-Fi. Частоты 802.11ac и 802.11n
- Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi
- MIMO и Beamforming
Используемые частотные диапазоны Wi-Fi. Разница между 2.4 и 5 ГГц
Передача Wi-Fi сигнала осуществляется при помощи радиоволн в частотных диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц. Какую частоту Wi-Fi выбрать и какая разница между 2.4 и 5 ГГц? У каждого диапазона есть свои плюсы и минусы. Сети, которые работают на 2.4 ГГц обладают большей площадью покрытия по сравнению с сетями, работающими в диапазоне 5 ГГц. Меньшая дальность покрытия на пятерке связана с тем, что волны на высоких частотах затухают сильнее, а также с большей чувствительностью сигнала к различным препятствиям, что актуально в многоквартирных домах. Казалось бы, выставляй везде 2.4 и радуйся хорошему приему в любом уголке квартиры, но не тут-то было. Большое количество сетей в данном диапазоне создают помехи друг на друга, ухудшая качество сигнала, а соответственно и скорость соединения. И сетей этих действительно много – это и точки доступа соседей, и умные лампы, розетки и выключатели, и беспроводные камеры видеонаблюдения. Bluetooth-устройства, беспроводные клавиатуры, мышки и наушники, Zigbee датчики умного дома и даже микроволновки так же работают в диапазоне частот 2.4 ГГц.
2.4 или 5 ГГц: что лучше? Все современные роутеры уже давно работают в двух частотных диапазонах одновременно, так что если вы живете в многоквартирном доме, то лучшим решением будет перекинуть на пятерку все поддерживающие ее устройства, а недостаток покрытия решить добавлением усилителей. В моем случае пятерка отлично покрывает двухкомнатную квартиру в монолитном доме, показывая близкие к максимальной от провайдера скорости в любой ее части, так что все лампочки и прочие устройства умного дома у меня висят на 2.4 (5 ГГц они не поддерживают), а все смартфоны – на пятерке.
Для использования сетей 5 ГГц и клиент и точка доступа должны их поддерживать.
Частотные каналы Wi-Fi. Частоты 802.11ac и 802.11n
Как уже было сказано выше, большое количество работающих вокруг сетей будет создавать помехи для вашего соединения. Для минимизации таких помех роутеры могут использовать разные частотные каналы для связи с устройствами. Что это значит? Возьмем, к примеру, частотный диапазон 2.4 ГГц (устройства на 802.11n), в него входят частоты от 2400 МГц до 2483.5 МГц (в Японии до 2495 МГц). Стандартная ширина канала, которую использует роутер для связи с устройствами в данном частотном диапазоне составляет 22 МГц и таких каналов при работе в 2.4 ГГц может быть до 14 шт. Точное значение зависит от страны – для США это 11, для России и Украины – 13, а для Японии – 14. Исходя из вышесказанного, получается, что тот же айфон, купленный в штатах, будет видеть только первые 11 каналов и если ваш роутер работает на 13, то смартфон его просто не увидит. Так что если ваше устройство не видит роутер, то зайдите в его (роутера) настройки и выберите любой канал из первых одиннадцати.
С точками доступа все проще – при первом запуске зачастую предлагается выбрать страну проживания и исходя из этого и будет программно ограничено количество каналов и мощность сигнала.
Как уже было сказано выше – всего в диапазоне от 2400 МГц до 2483.5 МГц имеется 13 каналов (японский 14, находящийся за пределами данного диапазона в расчет не берем). Как они там поместились, учитывая ширину каждого в 22 МГц? Все просто – центральная частота каждого следующего канала равна +5 МГц к центральной частоте предыдущего. Для наглядности приведу картинку:
Как видим, каждый канал пересекается с частью других и, соответственно, создает на них помехи. Например, точка работающая на 4 канале будет оказывать сильные помехи на 3 и 5 каналы и немного меньшие на 2 и 6. А вот если ваш роутер будет работать на первом, а два соседских на шестом и одиннадцатом каналах, то все они не будут создавать друг другу помехи, т к не будет пересечения каналов. Но это в теории, на практике они все же пересекаются, т к всегда остается “неучтенка” и, расположив рядом две точки с непересекающимися каналами, они будут создавать друг другу помехи. Выглядит это следующим образом:
Как бы то ни было, в любом многоквартирном доме сейчас куда больше роутеров и трех непересекающихся каналов явно недостаточно. Можно легко поймать сигнал соседа слева, справа, сверху, снизу и даже через несколько этажей. Частично решить данный вопрос можно переходом на 802.11ac, работающий на 5 ГГц (при условии, что используемые устройства поддерживают данную частоту), тут и каналов больше и загруженность меньше. А учитывая меньшую дальность действия еще и не все соседские точки добьют до вашей квартиры. В России, согласно Постановлению Правительства РФ от 12 октября 2004 года № 539 “О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств” (с изменениями на 22 декабря 2018 года) внутри помещений разрешено использовать частотные диапазоны 5150 – 5350 МГц и 5650 – 5850 МГц, что дает 17/8/4/1 (при 20/40/80/160 МГц соответственно) непересекающихся каналов в 5 ГГц:
Чтобы проверить каналы Wi-Fi на загруженность и найти среди них свободные можно воспользоваться специальным приложением для смартфонов Wi-Fi Analyzer. А для того, чтобы измерить скорость Wi-Fi соединения можно воспользоваться программой SpeedTest для смартфона или их сайтом для замера на ПК.
На что влияет ширина канала Wi-Fi? Все просто – чем шире канал, тем больше скорость передачи данных, но если вокруг будет много других сетей с пересекающимися с вами каналами, то и помех будет больше. Помехи – повышение значения уровня шума и уменьшение соотношения сигнал/шум. Как итог – уменьшение реальной скорости соединения.
Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi
Сети Wi-Fi описываются стандартами связи IEEE 802.11, берущими свое начало аж с 1997 года. Стандарты 802.11a и 802.11b появились в 1999 (выход первых устройств на 802.11a состоялся в 2001), 802.11g в 2003, 802.11n в 2009, 802.11ac в 2014 и 802.11ax в 2019. Немалое количество получается и что бы не запутаться во всем этом обычному пользователю, было принято решение дать стандартам альтернативные, простые для запоминания названия. Так в 2018 году и появились более удобные обозначения: 802.11n стал Wi-Fi 4, 802.11ac – Wi-Fi 5, а 802.11ax – Wi-Fi 6.
Четвертая версия (802.11n) работает в диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц (при этом на 2.4 ГГц работает большинство устройств в данном стандарте) и наиболее распространена на данный момент. Максимальная теоретическая скорость 802.11n при использовании одной антенны – до 150 Мбит/с, а при использовании четырех – до 600 Мбит/с. Доступная ширина канала – 20 и 40 МГц.
Wi-Fi 5 (802.11ac), вышедший в 2013 году работает только на частоте 5 ГГц. Максимальная скорость 802.11ac при использовании восьми MU-MIMO антенн может доходить до 6,77 Гбит/с, а среди основных отличий от предыдущего стандарта можно выделить:
- Поддержку каналов шириной 20, 40, 80 и 160 МГц.
- Поддержку модуляции 256QAM, что дает увеличение скорости до 33% по сравнению с 64QAM, использующемся в Wi-Fi 4.
- Поддержку до 8 пространственных потоков (Wi-Fi 4 поддерживает до 4).
- Полноценно работающий между оборудованием разных производителей Beamforming.
- Поддержку MU-MIMO (появилась во второй редакции стандарта 802.11ac (Wave 2)).
Последние две технологии будут рассмотрены более подробно чуть ниже.
Wi-Fi 6 (802.11ax) – последний вышедший на данный момент стандарт Wi-Fi. Количество поддерживающих его устройств все еще невелико, но оно постоянно увеличивается.
Максимальная теоретическая скорость, заявленная для Wi-Fi 6 – до 11 Гбит/с. Он работает на частотах 2.4 и 5 ГГц, поддерживает ширину канала до 160 МГц, а также в нем были внедрены новые технологии – OFDMA, модуляция 1024QAM, BSS Coloring, Target Wake Time. Подробнее про шестую версию можно почитать в статье «Wi-Fi 6 802.11ax: Target Wake Time, BSS Coloring, OFDMA«.
MIMO и Beamforming
Ну и напоследок хотелось бы рассказать про несколько технологий, применяемых в беспроводных сетях.
Что такое MIMO в роутере. SU-MIMO и MU-MIMO
MIMO – одно из самых важных нововведений стандарта Wi-Fi 802.11n. Если просто, то MIMO – это технология, позволяющая в один момент времени передавать или принимать несколько потоков данных с использованием нескольких антенн устройства. Больше потоков – выше скорость соединения.
Согласно стандарту могут быть различные конфигурации принимающих и передающих антенн, начиная с 1×1, где одна принимающая и одна передающая и заканчивая 4×4 (для 802.11n, в новых стандартах их количество увеличили еще больше). Зачастую в первой (1х1) конфигурации можно передать один пространственный поток, а в 4×4 – до четырех одновременно. Главное тут, чтобы не только роутер, но и клиент обладал соответствующим количеством антенн, а с этим могут возникнуть проблемы, так как, например, большинство смартфонов имеет MIMO 1×1. Да и указывают эти параметры далеко не все производители смартфонов и роутеров.
Существует два варианта MIMO: однопользовательский (SU-MIMO) и многопользовательский (MU-MIMO, впервые появившейся в стандарте 802.11ac Wave 2). В первом случае роутер в один момент времени отправляет данные только одному устройству, во втором – может отправлять данные нескольким пользователям одновременно.
Beamforming
Beamforming – технология формирования направленного луча в сторону подключенного клиента. Обычно сигнал транслируется во все стороны, создавая равномерную зону покрытия. Технология Beamforming позволяет маршрутизатору определить нахождение клиента в пространстве и сформировать сигнал в данном направлении. Изначально данный функционал появился в стандарте 802.11n, но из-за отсутствия стандартного способа реализации каждый производитель реализовывал ее по-своему и нормально она не работала. Начиная с 802.11ac был введен стандартный способ формирования диаграммы направленности, что позволило любым устройствам с поддержкой данной технологии корректно работать с любыми другими устройствами, так же ее поддерживающими.
