WiFi на гигабитных скоростях

Если попробовать представить себе идеальную технологию WiFi, то как бы она выглядела? Это должно быть мультисервисное беспроводное решение, которое подходит для любых задач — от Web-серфинга и электронной почты до передачи потокового видео в формате HD. Иначе говоря, применяемая технология должна способствовать полному отказу от проводной сети с сохранением всех преимуществ последней в виде высокой скорости, надежности и поддержки множества приложений. Однако еще недавно типичное беспроводное соединение представляло собой малоэффективное подключение 802.11g с реальной скоростью «нетто» около 27 Мбит/c.

Максимальная скорость, которую поддерживает его наследник, стандарт 802.11n, в пять раз выше. Это отличное решение для таких «легковесных» задач, как обмен мгновенными сообщениями, доставка электронной почты, просмотр небольших видеороликов и фотографий. Однако он все еще не вполне подходит для видеоконференций и просмотра видео в качестве HD. Пытаясь увеличить пропускную способность, разработчики пошли на некоторые ухищрения применительно к обоим поддерживаемым частотным диапазонам 2,4 и 5 ГГц, но тут же натолкнулись на ряд проблем.

Для двукратного ускорения передачи данных в 802.11n два канала были объединены в один шириной 40 МГц, в результате в полосе 2,4 ГГц остался только один свободный канал 20 МГц (см. Рисунок 1). При таких ограничениях невозможно организовать многопользовательскую сеть с большим количеством точек доступа. Другая нерешенная проблема — помехи от устройств, которые работают в этом диапазоне: микроволновые печки, DECT, аналоговые камеры, системы радиомикрофонов на конференциях и прочее. Все они серьезно влияют на производительность сети и снижают скорость передачи.

Рисунок 1. В диапазоне 2,4 ГГц имеются только три неперекрывающихся канала, и если два из них объединяются в канал 40 МГц, свободным остается только один (в России разрешено использовать первые 13 каналов).

Другой мерой для увеличения пропускной способности стало применение нескольких антенн для передачи и приема (Multiple Input Multiple Output, MIMO — множественный ввод, множественный вывод). Такие системы позволили увеличить как дальность связи, так и скорость передачи вблизи точек доступа. Фактическое увеличение данных параметров сильно зависит от конкретных устройств и обстановки, в которых они работают.

Отчасти проблемы с названными ограничениями удалось разрешить в диапазоне 5 ГГц: здесь гораздо больше каналов, за счет объединения которых стало возможным развертывать полноценные сети с большим покрытием и высокой скоростью.

А поскольку этот диапазон до недавнего времени был закрыт, в нем работают и создают помехи существенно меньше устройств. Сигнал WiFi в полосе 5 ГГц хуже проходит сквозь стены, зато данный диапазон позволил обеспечить ускорение передачи и большую ширину канала.

Такой WiFi получился почти универсальным: он стал лучше справляться с передачей голоса и, как следствие, начал применяться в качестве замены проводной телефонии в виде беспроводных VoIP-решений (аппаратные телефоны WiFi). Стала возможной — но еще нецелесообразной — и передача больших объемов трафика.

В начале 2000-х инженеры взялись за разработку систем, способных обеспечить скорость канала наравне с проводным сегментом, то есть свыше 100 Мбит/с. На рынке уже появились первые устройства с поддержкой таких скоростей. Согласно проведенным исследованиям, имеющиеся маршрутизаторы (для домашнего сегмента) показывают достойные результаты, но широкого распространения они пока не получили из-за их высокой стоимости.

ЭВОЛЮЦИЯ ВЫСОКОСКОСКОРОСТНЫХ СТАНДАРТОВ

WiFi 802.11ac. 802.11ac стал уже пятым поколением беспроводных сетей, поэтому его иногда называют 5G WiFi. Перед разработчиками этого стандарта стояла задача более полно реализовать потенциал диапазона 5 ГГц, для которого максимальная теоретическая скорость составляет 1,5 Гбит/с. Одним словом, они были решительно настроены на взятие гигабитной планки, хотя их задача осложнялась необходимостью обеспечить совместимость с более ранними стандартами для работы в смешанных сетях.

В диапазоне 5 ГГц гигабитный WiFi обратно совместим с 802.11n. Ключевое отличие состоит в возможности объединения уже не двух, а четырех каналов в один, шириной 80 МГц. Таким образом, более высокая скорость передачи данных достигается посредством объединения большего количества подканалов, а значит, стандарт более устойчив к некоторым помехам — когда обычный канал шириной 20 МГц полностью подавляется помехами, данные передаются по трем другим.

В новой гигабитной разновидности WiFi 802.11ac использованы инновационные технологии MIMO. Первая — MU-MIMO — помогает разделить один канал между несколькими клиентами, вторая же — Beamforming (от англ. beam — луч) — позволяет динамически менять диаграмму направления неподвижных антенн в зависимости от местоположения устройства и усиливать сигнал именно в этом направлении (см. Рисунок 2). Формирование диаграммы направленности позволяет, с одной стороны, увеличить дальность и скорость соединения на открытой территории, а с другой — преодолевать препятствия в виде стен. Для диапазона 5 ГГц, в котором ослабление сигнала сильнее, чем в 2,4 ГГц, это очень существенная модификация. В режиме MU-MIMO точка доступа может теоретически обеспечивать суммарную пропускную способность до 7 Гбит/с — по 1,5 Гбит/с от четырех клиентских устройств. Распространение 802.11ac должно привести к миграции устройств в диапазон 5 ГГц и освобождению полосы 2,4 ГГц.

Рисунок 2. Управление диаграммой направленности с целью оптимизации передачи нескольким клиентам.

Фактически устройства систем 5G уже появились на прилавках, но пока что отсутствуют данные о тестах конкретных приложений, например, передачи видеопотока HD в реальном времени. При тестировании максимальной пропускной способности удалось достичь скорости свыше 260 Мбит/с при передаче файлов по TCP. Скорость передачи по UDP составляла порядка 600 Мбит/с, но на прием измерения не проводились, поэтому по поводу такого значениея не стоит обольщаться. В любом случае до 1000 Мбит/с пока еще далеко. Однако реальная четверть гигабита без проводов – отличный результат, и стоит ожидать улучшения этого показателя.

Потенциальная сфера применения у этого стандарта очень широка. Благодаря отличной помехоустойчивости, дальность связи на большой скорости увеличивается даже по сравнению со стандартом 802.11n, что крайне привлекательно с точки зрения его внедрения в офисной среде, на складах и в прочих помещениях большой площади, где требуется поддержка высокой скорости для множества клиентов.

Если необходимо обеспечить более высокую скорость на небольшой площади, можно использовать объединение каналов для высокоскоростной передачи всего трафика нескольким устройствам. Это полезно для систем конференц-связи с качеством HD или систем видеоприсутствия. Кроме того, появляется возможность беспроводного подключения оборудования для вывода изображения в формате HD на конечные устройства, например с планшетного ПК на широкоформатный монитор.

WiFi 802.11ad «WiGig». Cтандарт WiGig разрабатывается в качестве дополнения и расширения функционала существующих систем беспроводной связи 802.11a/b/g/n/ac. Это обозначило и первые плюсы WiGig — полную совместимость с перечисленными технологиями и «бесшовный» переход между ними по необходимости. «Фундамент» технологии остался тот же, главные изменения коснулись радиопередачи.

Для обмена данных задействуется диапазон 60 ГГц. Точно так же как 2,4 ГГц и 5 ГГц, он не подлежит лицензированию. В нем предусматривается четыре канала, каждый из которых имеет ширину 2,16 ГГц. Для сравнения: это в 50 раз больше, чем в конфигурации 40 МГц в 802.11n, а заявленная скорость передачи составляет 7 Гбит/с. При этом предполагается полная стандартизация гигабитных скоростей, то есть их должно поддерживать любое устройство этого стандарта. Данная поправка дает надежду на отсутствие проблем совместимости в будущем, характерных для более ранних систем, где конечная скорость соединения зависела от конфигурации оборудования и прошивки.

Для обеспечения более высокого уровня сигнала и большей дальности реализуется уже известная по предыдущим стандартам технология MIMO, что необходимо для снижения влияния ключевого недостатка системы — высокого затухания сигнала в этом диапазоне частот. Радиоволны на частотах 60 ГГц крайне плохо проходят сквозь препятствия и по большей части отражаются от предметов, не проникая сквозь них. Таким образом, все преимущества в скорости реализуются только в зоне прямой видимости устройств или в пределах одного помещения. Дальность связи составляет около 10 м, что сравнимо с Bluetooth.

Но в этом есть и свой плюс: из-за сильного затухания сигнала в стенах, системы в соседних помещениях (например, в конференц-залах для подключения к проекторам, экранам и оборудованию для проведения видеоконференций) могут быть развернуты на максимальных скоростях. Будучи разделены всего одной стеной, они не станут мешать друг другу. Предыдущие стандарты не могут «похвастаться» такой особенностью.

Существует и еще одно полезное новшество — прямая передача мультимедийного контента пользовательским устройствам и между ними. Прямая аналогия Bluetooth и VWB, но с колоссальной скоростью. Кроме того, разработчики стандарта рассматривают возможность реализации поверх 802.11ad беспроводных аналогов HDMI, USB и PCIexpress.

Как видим, WiGig не претендует на большую дальность. Для обеспечения связи на большие расстояния есть другие диапазоны и стандарты, на которые осуществляется «бесшовный» переход при удалении устройства из зоны действия гигабитного стандарта (например, когда слушатель покинул конференц-зал).

Преимущества WiGig дают почву для новых идей и возможных применений этой технологии (см. Таблицу 1). Гигабитные скорости открывают путь для передачи несжатого видеопотока в высоком качестве с сохранением схем кодирования. К тому же технология отличается низким энергопотреблением, что крайне важно для портативных устройств. Все это значительно расширяет области применения устройств, а производителям дает шанс выйти на новые рынки и предложить что-то совершенно новое в сфере беспроводной передачи данных. Ввиду потенциально широкого его распространения есть шанс надеться на невысокую стоимость комплектов оборудования для WiGig.

К слову, начало сертификации устройств данного класса запланировано на конец 2013 года, тогда же ожидается и появление первых маршрутизаторов старшего и среднего класса. По прогнозам первых лиц WiGig Alliance и WiFi Alliance, полной интеграции WiFi и WiGig можно ожидать через пять лет.

Wireless HD. Стандарт WirelessHD разрабатывался как радиоудлинитель HDMI на расстояние до 20 м в условиях прямой видимости или в пределах одной комнаты. Основным назначением WirelessHD является замена проводного HDMI и реализация передачи несжатого потока видео высокого качества формата 3D, QHD (Quad High Definition), а также 2D 4K «по воздуху». Инженеры-разработчики обещают, что максимально возможная скорость составит 28,5 Гбит/с!

Стандарт поддерживает несколько сценариев применения — в зависимости от типа передаваемого потока. Он предусматривает три режима скорости: низкий — для служебной информации и поиска устройств (2,5–40 Мбит/с), средний — для двусторонней передачи данных с мобильного оборудования (0,5–2 Гбит/с) и высокий — для передачи видео высокого разрешения (1–7 Гбит/с). Для геймеров приятной новостью станет то, что WirelessHD будет способен передавать видео на монитор HD или HD 3D со скоростью до 28 Гбит/с и задержкой не более 2 мс (отклик геймерской мыши). Помимо беспроводной трансляции потокового видео в стандарте предусматривается и режим передачи данных на скорости от 1 Гбит/с (в том числе совместно с потоком видео).

По сути, система разработана исключительно для домашних кинотеатров, игровых консолей, медиацентров и, в некоторой степени, высокоскоростной передачи медиаконтента. Как и у WiGig, сигнал WirelessHD не способен «проникать сквозь стены» из-за применения диапазона 60 ГГц. WirelessHD не сжимает видео и с легкостью передает HD-видео (1080p) и звук 7.1 через стандартный канал. А при активации двух параллельных потоков MIMO способен передать и 3D-видео высокого качества.

Кто же заинтересован в этом стандарте? Главным образом производители домашней медиатехники (ЖК-панелей, игровых консолей, медиацентров, STB-приставок, хранилищ NAS и т. д.). Сегодня на российском рынке уже есть устройства с поддержкой данного стандарта: телевизоры LG, Panasonic, Sony. Среди ноутбуков «отметился» стильный Dell Alienware. Полный список устройств с WirelessHD можно найти на официальном сайте стандарта http://www.wirelesshd.org.

WiDi Intel. Помимо решений, призванных обеспечивать скорости выше 1 Гбит/с, стоит упомянуть Intel WiDi. Он значительно проигрывает по скорости описанным выше стандартам, но обеспечивает передачу потокового видео на панели HD через интегрированный WiFi-адаптер Intel. Это закрытый стандарт, и Intel не распространяет информацию о его внутренней архитектуре. Известно только, что он функционирует как надстройка над существующим соединением WiFi и сертифицирован WiFi Alliance. Максимум, на что способен WiDi, — передача потока 1080p со скоростью 30 кадров в секунду.

По результатам некоторых исследований, передача FullHD происходит с длительным откликом (примерно 60 мс — отставание от звука), к тому же эта технология поддерживается только в продуктах Intel. У нас нет данных о ее последних тестах, но хочется надеяться, что проблема с задержкой была решена производителем. В целом технология показывает неплохие результаты и достаточно востребована, что с точки зрения маркетинга является весьма успешным ходом.

ВЫВОДЫ И ПРОГНОЗЫ

Сегодня главным направлением развития беспроводных сетей можно назвать передачу видеоконтента, что означает передачу большого объема трафика с малой задержкой. Борьба за увеличение дальности соединения отступает на второй план, поскольку это прерогатива уже используемых технологий, например WiFi 802.11n. Современный WiFi также настойчиво стремится проникнуть в менее зашумленные диапазоны для реализации более скоростных методов передачи данных. Мощное улучшение качественных характеристик радиоканала было достигнуто в последние годы за счет применения систем MIMO с несколькими антеннами, благодаря которым увеличиваются скорость, дальность и количество обслуживаемых клиентов. Совместное развитие этих технологий позволяет многократно наращивать пропускную способность новейших стандартов.

Негативными же последствиями прогресса можно назвать удорожание конечного устройства. При этом круг задач, решаемых посредством высокоскоростных беспроводных сетей, пока еще ограничен главным образом передачей видеотрафика HD. Поэтому рынок гигабитных решений в среднем и нижнем ценовом сегменте оборудования в ближайшее время будет развиваться именно в этом направлении.

В корпоративной среде ожидается высокий спрос на системы 802.11ac, уже востребованные в российском домашнем сегменте.

По мнению экспертов, гигабитные технологии 802.11ac и 802.11ad имеют хорошие перспективы благодаря обратной совместимости с существующими стандартами WiFi a/g/n. В России в скором времени можно ожидать быстрого расширения рынка 5G WiFi — как клиентских устройств, так и точек доступа и маршрутизаторов. Сейчас в стране действует запрет на применение оборудования этого диапазона (5 ГГц) вне закрытых помещений. Но как показывает практика, разрешение использования перспективных диапазонов — дело времени. Полоса 60 ГГц разрешена для применения повсеместно, что делает развитие работающих в ней систем неизбежным и ожидаемым.

Артем Иванов — инженер отдела сетевых решений компании «ЛанКей». С ним можно связаться по адресу: network@lankey.ru.