Беспроводная точность

Казалось бы, о технологии Wi-Fi, давно проникшей в повседневную жизнь, мы знаем все. Однако после этой статьи вы поймете, что она хранит в себе немало тайн и сюрпризов.

Беспроводная точность -- именно так следовало бы переводить сокращение Wi-Fi ¹ (Wireless Fidelity). Хотя на самом деле эту торговую марку придумали просто по аналогии с уже имевшейся в области звуковоспроизведения Hi-Fi, которая действительно означает «высокую точность». Wi-Fi – это технология беспроводного обмена цифровыми данными в Ethernet-сетях масштаба квартиры или офиса, т.е. в пределах нескольких десятков метров. Она получила широкое распространение в последнее десятилетие, став фактически стандартом для всех мобильных пользовательских устройств, от навороченных ноутбуков и планшетов до простеньких электронных ридеров. Wi-Fi в построении локальных сетей (LAN) оказалась отличной альтернативой дубовой и несгибаемой витой паре, привязывающей абонента к месту и заставляющей внимательно смотреть под ноги всех проходящих мимо.

Однако, как и любое другое беспроводное устройство, Wi-Fi имеет множество нюансов и ограничений, и куда менее надежна, чем провода. Радиоволны распространяются не в безвоздушном пространстве: им мешают различные препятствия (причем проводящие материалы вроде металлов их будут вообще останавливать), помехи от других подобных устройств и мощных промышленных или транспортных установок. И это не только трамваи и троллейбусы – любой автомобиль имеет, между прочим, импульсный распределитель зажигания, щедро разбрасывающий вокруг широкополосный электромагнитный шум. Кстати, на качество связи влияет даже неподходящая погода – не только прямые помехи при грозах, но и просто высокая влажность, не говоря уж о дожде, тоже не способствует прохождению радиосигналов – новомодный 5-ГГц диапазон действительно чувствителен к этому фактору. Приходится скорее удивляться гению инженеров, сумевших обеспечить относительно бесперебойную связь в таких условиях.

Прежде чем перейти к подробностям, стоит уточнить предмет разговора. Под Wi-Fi подразумеваются устройства, работающие согласно группе стандартов IEEE 802.11. Таких стандартов довольно много: существуют IEEE 802.11 практически со всеми английскими буквами алфавита (кроме, разве что, буквы Z), но к нашим устройствам имеют отношение лишь стандарты с буквами a, b, g и n, а также новый, еще только разрабатывающийся, который будет носить название 802.11ac.

Давайте разберемся в принципах работы Wi-Fi более подробно, чтобы понять, что и когда мешает установить качественное соединение и почему указанные в стандарте цифры скоростей никогда не достигаются на практике. Мы ограничимся рассмотрением Wi-Fi именно основного применения – в качестве решения для раздачи сигнала в масштабах квартиры или офиса, и не будем касаться всяческой экзотики вроде «раздать Интернет дружбану в здании за углом». Каждый такой эксклюзивный случай следует обсуждать отдельно и выбирать конкретное, наиболее подходящее решение (к тому же, не забудьте, подобные случаи зачастую выходят за рамки законодательства), так что данные вопросы мы обойдем.

Актриса и композитор

Как и многие другие инновации, определившие лицо информационного века, технология Wi-Fi связана с корпорацией Bell Labs. В начале 1990-х гг. знаменитая корпорация, к тому времени уже ставшая AT&T, поглотила небольшую компанию NCR Corporation, сотрудник которой, Вик Хейз, и считается «отцом Wi-Fi». Задача проектировщиков была очень непростой: в частотном диапазоне 2,4 ГГц, отведенном для свободного использования (так называемый ISM-диапазон -- Industrial, Scientific and Medical band), обеспечить бесперебойную работу сети в условиях большого количества других радиоисточников. В наше время в этом диапазоне работают устройства по протоколам Wi-Fi, DECT, Bluetooth и многие другие (например, ZigBee, большинство проприетарных протоколов для беспроводных клавиатур-мышей или наушников и т.п.).

Кроме того, – что немаловажно, – на частоте 2,4 ГГц работают такие мощные источники помех, как бытовые микроволновые печи. Формально, в идеальных условиях (плотное прилегание дверцы, хорошее заземление) уровень утечки излучения СВЧ-печей не превышает 0,3 мВт/см ² , что удовлетворяет санитарным нормам, но чувствительность Wi-Fi-оборудования находится на уровне пиковатт ² , т.е. в миллионы раз ниже этой величины. Заметим в скобках, что именно такой скученностью в этой области электромагнитного эфира объясняются требование лицензирования передатчиков мощностью более установленного порога и штрафование владельцев незарегистрированных открытых сетей Wi-Fi (хот-спотов), часто вызывающее возмущение не слишком образованных пользователей. Если бы не такое ограничение, обычные устройства, скорее всего, просто не смогли бы работать из-за взаимных помех.

Можно сколько угодно проклинать как военных, так и государственные службы, которые застолбили себе большую часть электромагнитного спектра еще тогда, когда устройств типа Wi-Fi не существовало даже в проекте, из-за чего приходится изгаляться. Благодаря гению Клода Шеннона, построившего строгую математическую теорию передачи сигналов по зашумленным линиям, существуют методы, позволяющие выделить полезный сигнал из шума теоретически любого уровня. Один из таких методов под названием «расширение спектра», согласно легенде, был придуман во время второй мировой войны актрисой Хеди Ламарр и композитором-авангардистом Джорджем Антейлом. Первоначально применялся для связи с радиоуправляемыми торпедами в условиях помех, устанавливаемых противником. Сейчас различные методы расширения спектра широко используются на практике – например, именно благодаря им мы способны ловить GPS-сигналы от спутника, удаленного на 20 тыс. км, без применения огромных антенн-тарелок, просто миниатюрным приемником, размещенным в наручных часах.

Метод расширения спектра под названием DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum -- расширение спектра методом прямой последовательности) используется в первой из широко распространившихся на практике версий стандарта IEEE 802.11b. Не углубляясь в довольно сложную суть этого метода, следует заметить, что любой из битов в нем передается одновременно 11 битами – каждый в своей частотной полосе. Такая чудовищная избыточность и позволяет ловить слабый сигнал на фоне шумов, одновременно не растягивая передачу во времени. В следующих версиях стандарта был применен еще более прогрессивный метод под названием OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing— мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Он вобрал в себя преимущества большой избыточности метода «расширения спектра», добавив к ним возможности пересылки нескольких бит за один раз (похожие способы используются для увеличения скорости, например, в проводных модемах). Однако для успешной передачи сигналов требуется достаточно широкая полоса частот – не менее 20 МГц (отсюда, как известно, и проистекают все сложности применения Wi-Fi на практике).

Полоса частотного невезения

С точки зрения стандартов группы 802.11, диапазон 2,4 ГГц подразделяется на ряд поддиапазонов, или, как их чаще называют, каналов, каждый шириной по 20 МГц (для устаревшего стандарта b -- по 22 МГц), расположенных, однако, с шагом 5 МГц. Каналы нумеруются обычными арабскими цифрами, начиная с первого, для которого центральная частота равна 2,412 ГГц. В разных странах разное число таких каналов разрешено для безлицензионного применения: в Северной Америке есть 11 каналов, большинство других стран, включая Россию, предоставляются 13 каналов, в Японии их 14 (правда, 14-й только для устаревшего стандарта b). В Испании ранее действовали всего два канала (10--11), во Франции — четыре (10-13). Впрочем, позднее эти ограничения были сняты и приведены в соответствие с общеевропейской политикой — каналы 1--13 (табл. 1).

Кстати, вопреки распространенному мнению, в диапазоне 2,4 ГГц максимальная разрешенная мощность передатчика в России для стандартов 802.11g/n составляет не 100, а 250 мВт. Ограничение в 100 мВт для диапазона 2,4 ГГц работает в некоторых других версиях стандарта и сохраняется для первого поддиапазона 5 ГГц в стандарте n. Поэтому сакраментальная цифра в 100 мВт есть лишь обобщение на все случаи жизни, чтобы не промахнуться.

В диапазоне 5 ГГц (ставшем после полного снятия ограничений в 2010 г. актуальным и для России) больше 5-МГц каналов, но используются они не все подряд, т.е. шаг между каналами может быть и 5, 10 или 20 МГц. По поводу применения этих каналов в России на интернет-ресурсах часто приводится противоречивая информация. Это связано с тем, что диапазон 5 ГГц открывался для гражданского применения постепенно, в 2009--2010 гг. Сейчас в нашей стране доступны без лицензии каналы из диапазонов 5150--5350 МГц и 5650-6425 МГц (номера каналов 36--64 и 132—165), причем во втором, верхнем диапазоне -- с передатчиками мощностью до 1 Вт. Разбивка на поддиапазоны обусловлена тем, что не удается построить антенны, одновременно работающие во всем диапазоне.

Всего в области 5 ГГц доступно 22 (по другим сведениям, 23) не пересекающихся канала шириной 20 МГц. Реально в разных странах доступно различное число 5-ГГц неперекрывающихся каналов: 12 -- для США и Канады, 8 -- для Японии, 19 -- для стран Европейского союза. При высоких скоростях в стандарте n их можно объединить в двойные каналы шириной по 40 МГц, что, в любом случае, существенно больше, чем в диапазоне 2,4 ГГц. Почему это важно?

Для нормальной работы Wi-Fi современных стандартов требуется канал шириной в 20 МГц. Значит, один работающий Wi-Fi-передатчик в пределах своей зоны действия захватывает пять соседних каналов. Если проанализировать данные табл. 1, то становится ясно, что в диапазоне 2,4 ГГц могут совершенно независимо сосуществовать одновременно лишь три Wi-Fi-сети, но при условии, что они работают на первом, шестом и одиннадцатом каналах. Причем совсем не обязательно, что ваша точка доступа настроена на один из этих каналов. Проверка показала, что мой домашний роутер D-Link DSL-2050 по умолчанию настроен на десятый канал, т.е. он захватывает каналы с 8 по 12. Следовательно, со мной, не мешая, сможет существовать еще только одна сеть – на пятом канале или ниже.

Естественно, возникает вопрос, который почему-то обходят все авторы рекомендаций по беспроводным сетям: что же происходит, когда Wi-Fi-устройств оказывается больше и они пересекаются по каналам? В моем доме, который находится в обычном спальном районе Москвы, даже Windows всегда ловит три--пять сетей, а профессиональная программа TamoGraph (см. далее) при первом же включении поймала их более десятка. Я и не подозревал, что сетей так много. Ответ прост: наличие другой сети на том же или соседнем канале формально никак не сказывается на работе вашей: ведь это сеть с коммутацией пакетов, а не каналов, и безраздельно занимать канал, как в обычном проводном телефоне, она не в состоянии. Сети имеют разное имя SSID (Service Set IDentification — идентификация набора служб), и информация просто не дойдет до адресата. На практике же информационные пакеты одной сети пытаются вклиниться между пакетами других, и без помех и замедления данная сеть работает только тогда, когда остальные простаивают. Стоит одному из пользователей начать, например, закачивать фильм, как он заметно затормозит работу всех остальных. Причем важно, что этот эффект будет проявляться и на соседних каналах.

И все это еще больше осложняется тогда, когда устройств в каждой сети больше двух. Всегда кто-нибудь что-нибудь передает, из-за чего сеть оказывается забитой. Элементарная арифметика показывает, что, пытаясь, например, раздать скачиваемый фильм одновременно на ноутбук и на планшет, вы вдвое снижаете скорость сети для каждого из них. А что будет, если одновременно захотят обратиться к точке доступа десять клиентских устройств? Именно поэтому число подсоединенных к одной точке доступа беспроводных устройств ограничено примерно десятком-двумя (в зависимости от активности каждого из них), иначе они начнут мешать друг другу.

Рассмотрим поподробнее, что творится в реальных Wi-Fi-сетях .

Шум и интерференция

Под интерференцией в Wi-Fi-сетях понимается сигнал, передаваемый другими излучателями (они могут быть или не быть частью вашей Wi-Fi-сети) на том же канале, на котором вещает интересующая вас точка доступа (или, как мы уже знаем, на близком к нему канале). Интерференцию как одну из разновидностей помех следует отличать от простого шума, который генерируется источниками радиоволн, не принадлежащих стандарту 802.11 (в том числе, кстати, и 802.11-пакеты, поврежденные во время передачи). Пресловутые микроволновки, так же, как и всякие Bluetooth-источники, относятся именно к шуму, и его нужно рассматривать отдельно.

Отношение сигнал/шум (ОСШ) показывает, насколько уровень сигнала превосходит уровень шума. В обычных условиях большого города (без работающих поблизости микроволновок и DECT-телефонов), как ни странно, уровень шума на частоте 2,4 ГГц не слишком велик, и составляет около  90 дБм. Таким образом, уровень чувствительности 82 дБм стандартного приемника превышает уровень такого шума на 8 дБ (примерно в 6 раз). Это приемлемый показатель, так что сеть будет работать, но вряд ли с приличными скоростями. Значения ОСШ считаются неудовлетворительными, если они ниже указанного (когда, например, секретарша начинает болтать по беспроводному телефону). Но многое еще зависит от устраивающей вас скорости: для 6 Мбит/с достаточно ОСШ не более 5 дБ, а на 54 Мбит/с при ОСШ, равном 25 дБ, сеть будет работать уже на пределе.

Если у вас сеть находится в зоне с повышенными шумами, то такую проблему можно решить двумя способами: или повышая уровень сигнала, или снижая уровень шума. Кажется, что повышать уровень сигнала некуда: для данной точки доступа он и без того обычно установлен на максимум по умолчанию. Кстати, выходная мощность передатчика редко достигает сакраментальных 100 мВт (20 дБм), не говоря уже о 250 мВт. Обычная величина (особенно у мобильных клиентов) находится на уровне 13--17 дБм и, кстати, снижается к краям отведенной частотной полосы, чтобы меньше мешать устройствам в других диапазонах. Непродуманное повышение мощности может быть невыгодно не только соседям из-за того, что вы повышаете уровень интерференции, но и вам самому: забьете собственный сигнал от клиентских устройств.

Снижение уровня шума обычно находится за пределами наших возможностей. Однако есть простой прием, доступный всем пользователям и позволяющий при удаче существенно повысить ОСШ: подобрать наиболее выгодную ориентацию антенны. Не вдаваясь в сложную теорию поляризации антенных сигналов, просто адресуем читателя к эффектному опыту, поставленному сотрудниками Tom's Hardware Guide (http://go.osp.ru/84254). Они установили надежное соединение iPad 2 с точкой доступа, находящейся в прямой видимости, при горизонтальном положении планшета и вертикальном размещении антенны точки. При повороте планшета в вертикальное положение соединение банально пропадало. Так что зря многие пользователи не интересуются, зачем антенны Wi-Fi-устройств делают поворотными.

Интерференция может доставить еще больше неприятностей, чем шум: с десяток одновременно работающих сетей в современном многоквартирном доме совсем не редкость. Спасают только принципы устройства сетей с коммутацией пакетов: в реальности степень загруженности Wi-Fi-сети практически никогда не бывает настолько большой, чтобы совсем остановить остальные передачи. Это уменьшает интерференцию и увеличивает отношение сигнал/интерференция (ОСИ). Если у нашей точки доступа (ТД) и у источника интерференции (роутер у соседа за стенкой) равный уровень сигнала, значение ОСИ должно составлять 0 дБ. В классических, нецифровых радиоустройствах значение ОСИ в 0 дБ делает прием сигнала невозможным, но 802.11-устройства могут функционировать при его нулевой или даже отрицательной величине, что на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Но принцип пакетной передачи делает невероятное возможным: если каждая из конкурирующих ТД передает всего несколько сотен пакетов в секунду, то передачи «сталкиваются» довольно редко, что и обеспечивает практически нулевую интерференцию.

Таким образом, влияние интерференции будет тем значительнее, чем загруженнее конкурирующие сети.

Реальная скорость в беспроводных сетях Wi-Fi

Вследствие указанных выше причин, которые в условиях квартиры и офиса, расположенных в большом городе, обычно действуют все сразу, наблюдаемые на практике скорости передачи значительно отличаются от приведенных в стандарте. Скорость беспроводной сети настолько зависит от условий, что очень трудно поддается однозначным численным характеристикам — нельзя сказать, что вы построили сеть, например, 54 Мбит/с, даже если все точно подсчитали. Цифры, указанные в описании стандарта, означают всего лишь верхний теоретический порог. Он сознательно завышен относительно реального количества данных, переданного в единицу времени, потому что в случае беспроводной сети только такой порог и поддается хоть какому-нибудь точному расчету. Для практических нужд можно руководствоваться следующим правилом: в идеальных условиях скорость передачи будет равна ориентировочно трети--половине от заданной в стандарте цифры.

Остальное займут служебная информация, повторы потерянных пакетов, преодоление коллизий. Неизбежные помехи еще больше снизят эту цифру. Например, беспроводной адаптер, поддерживающий стандарт IEEE 802.11g (теоретическая скорость 54 Мбит/с), на небольшом расстоянии в том же помещении и в отсутствие помех обеспечит скорость передачи данных примерно 20–23 Мбит/с. За тремя стенками, даже поблизости, эта скорость может снизиться втрое-вчетверо, а включенная на кухне по соседству микроволновка способна уменьшить скорость еще в 2 раза. Не забываем также, что уровень сигнала убывает пропорционально квадрату расстояния, потому скорость быстро падает естественным путем по мере удаления от точки доступа. На рис. (см. ниже) приведена типовая картина зависимости скорости от расстояния для стандарта g в отсутствие помех и препятствий, составленная по данным фирмы TRENDnet. 

Зависимость теоретической скорости Wi-Fi от расстояния на открытом пространстве (по данным фирмы TRENDnet)

По этим причинам стоит иметь в виду, что в реальных условиях скорость сети с адаптерами данного стандарта в среднем примерно равна скорости стандарта ступенью ниже: g (теоретически 54 Мбит/с) будет с большой вероятностью работать на теоретическом уровне b (до 11 Мбит/с), а самый простой вариант n (150 Мбит/с) выдаст до 50 Мбит/с, т. е. на теоретическом уровне g. Не забывайте и то, что все работающие устройства в сети должны поддерживать один стандарт, иначе скорость при обмене с более медленными устройствами будет снижена до их порога.

При этом для IEEE 802.11n в диапазоне 2,4 ГГц производители утверждают, что этот стандарт значительно меньше ослабляется перегородками и посторонними помехами вроде тех же микроволновок. Говорят, что адаптер g может за одной перегородкой потерять в скорости вдвое, тогда как n утратит всего несколько процентов. Но пока я ни разу не встречал наблюдений, подтверждающих данное утверждение на практике.

Стандарт n стоит обсудить более подробно. IEEE 802.11n имеет четыре варианта — 150 Мбит/с, 300, 450 и 600 Мбит/с, различающихся попросту количеством антенн, работающих параллельно на разных каналах. Трехантенный адаптер n и обеспечит теоретически 450 Мбит/с (практически около 100–150 Мбит/с), но только в случае отсутствия помех со стороны соседних сетей, например на даче. Другое дело адаптеры n, работающие на частоте 5 ГГц, где свободных каналов больше, а помех куда меньше. Но зато и ослабление за счет различных препятствий, включая неудовлетворительное состояние атмосферы, в этом диапазоне также растет.

Как видим, эффективное расстояние составляет величину, на которую уменьшится радиус действия после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством. Например, если на открытом пространстве радиус действия Wi-Fi достигает 400 м, то после прохождения первой межкомнатной стены он уменьшится до 15% от этой величины, т.е. до 60 м, а после второй -- до 15% уже от этого значения (до 9 м) и т.д. Обратите внимание, что деревянная стена, которая, по идее, должна быть прозрачна для радиоволн, тем не менее ослабляет сигнал аж на целых 10 дБ.

Таким образом, через три межкомнатные бетонные стены, скорее всего, беспроводное соединение либо не получится установить, либо оно будет работать с неприемлемо низкой скоростью. На рисунке (см. ниже) показано пространственное распределение мощности Wi-Fi-роутера D-Link, установленного в типовой трехкомнатной квартире в бетонном девятиэтажном доме. Картинка получена с помощью профессиональной программы TamoGraph фирмы Tamosoft, любезно предоставленной мне компанией для тестирования, и с использованием ноутбука с адаптером Atheros AR5007 802.11b/g (поэтому, к сожалению, изображение для стандарта n получить не удалось). Эта схема, в частности, объясняет, почему, несмотря на распахнутые двери, сеть у меня отказывалась удовлетворительно работать в углу комнаты близ лоджии, на которой и вовсе не обнаруживалась. В то же время сигнал на кухне (через две межкомнатные гипсолитовые перегородки!) получился вполне приемлемый.

Реальное распределение мощности роутера D-Link в трехкомнатной квартире

Резюме к нашему поневоле краткому обзору проблем Wi-Fi такое: если у вас домашняя сеть работает удовлетворительно, ничего трогать не надо. В устройстве и функционировании беспроводных сетей столько нюансов, что любой рецепт «улучшения», касающийся только одного из них, может на деле ухудшить ситуацию. И вы вместо наслаждения работой в отлаженной среде будете обречены вечно копаться в настройках. Что, впрочем, при надлежащем упорстве и терпении также может обернуться положительной стороной: в конце концов, вы станете опытным специалистом и будете получать неподъемные деньги, настраивая сети «чайникам».

Полная версия статьи на "Мир ПК-диске"

¹ Название Wi-Fi правильно пишется именно так – через дефис (см., например, на официальном сайте wi-fi.org), хотя «Яндекс» последнее время все запутал своей привычкой переспрашивать и даже исправлять на слитное написание -- WiFi.

² На разных частотах и при разных скоростях, и к тому же у разных марок оборудования, чувствительность Wi-Fi-приемника может сильно различаться (например, — 87дБм при 6 Мбит/с и — 70 дБм при 64 Мбит/с), но обычная величина для достаточных скоростей составляет не менее – 82 дБм, что в переводе в обычные ватты составляет 6,3x10^-12Вт.