У Wi-Fi «закінчилися» частоти. Рішення

1. Вступ З виходом нових стандартів Wi-Fi, а також у зв'язку із загальним поширенням гаджетів, які працюють...
2. До чого привів "переїзд" в 5-гігагерцовий діапазон
3. Wi - Fi (IEEE 802.11 ac) ще більше зменшує кількість доступних каналів
4. DFS - рішення ситуації, що склалася
5. висновок

Вступ

З виходом нових стандартів Wi-Fi, а також у зв'язку із загальним поширенням гаджетів, які працюють в неліцензованому діапазоні частот, користувачі все частіше звертають увагу на те, що якість Wi-Fi мереж погіршується, незважаючи на виходи нових "проривних" специфікацій цього стандарту. Згідно зі статистикою, в усьому світі сьогодні використовується 6,4 мільярда підключених пристроїв. До 2020 року очікується, що кількість бездротових пристроїв становитиме в середньому 2.8 на одну людину. Але причина для створення так званих "віртуальних пробок" в Wi-Fi мережах полягає не тільки в збільшенні кількості пристроїв, самі мережі можуть створювати проблемні ситуації в мережі.

Крім цього, ситуація ускладнюється ще кількома причинами. По-перше, в кожному будинку вже встановлено велику кількість бездротових маршрутизаторів. По-друге, попит на швидкості передачі даних неухильно зростає, а це означає, що потрібно збільшення смуги пропускання, і як наслідок це веде до того, що каналів буде менше, але з досить широкими смугами. І третє, важливе - стільникові оператори "скидають" трафік з мобільних мереж в Wi-Fi ( Wi-Fi Offloading ). До чого все це призведе? Можна провести аналогію з дорожнім транспортом і уявити, що всі люди, які їхали на поїзді, раптово почали пересуватися на особистих автомобілях:

Ось так Wi-Fi став жертвою власного успіху, але давайте подивимося, які ідеї є у ​​інженерів для того, щоб поліпшити ситуацію, що склалася.

Ситуація в неліцензованому діапазонах

Для використання технологією Wi-Fi користувачі повинні дотримуватися технічні вимоги, що пред'являються частотними регуляторами, наприклад, у вигляді обмеження потужності. Домашні Wi-Fi-мережі в основному працюють в діапазонах 2,4 і 5 ГГц. Вважається, що діапазон 2,4 ГГц працює найкраще: радіосигнали цього діапазону легко проникають крізь стіни, і сигнали зазвичай поширюються далі в порівнянні з 5-гігагерцовий (при однаковому рівні потужності).

У різних країнах для використання дозволено різну кількість каналів. Наприклад, в Європі, як і в Росії, використовується 13 каналів, а в Японії - 14, що дозволяє їм, до речі, використовувати чотири неперекривающіхся каналу, але про це нижче. Інформація по числу дозволених каналів різних країн приведена на малюнку нижче.

У 2,4-гігагерцовий області радіочастот, виділеної для Wi-Fi, кожен канал може займати ширину в 22 мегагерца, тому тільки деякі з усіх каналів можуть використовуватися одночасно, не заважаючи один одному. Як правило, це 1, 6 і 11 канали:

Тому, якщо ви бачите в мережі більше трьох маршрутизаторів з частотою 2,4 ГГц (а швидше за все це так, якщо ви не живете в сільській місцевості) то вони однозначно створюють один одному перешкоди. Навіть якщо ви не налаштовуєте роботу свого обладнання цілеспрямовано на роботу на неперекривающіхся каналах, то більша частина обладнання сама розподіляється по спектру так, щоб не заважати один одному. Приклад такого розподілу пристроїв по спектру показаний нижче (скрін з мобільної версії програми Wi-Fi Analuzer):

Якщо ви самостійно налаштовуєте роботу пристрою на інші доступні канали (наприклад, 4 або 9-й, як показано на малюнку), то є велика ймовірність ще більше погіршити ситуацію, тому що в цій випадку ваше обладнання буде в рівній мірі отримувати перешкоди від обладнання на сусідніх каналах, так би мовити "з двох сторін".

Сигнали в смузі 5 ГГц мають більш короткий діапазон поширення всередині приміщень, але ця смуга (діапазон від 5,80 до 5,825 ГГц) має 24 неперекривающіхся каналу шириною 20 МГц в США. На п'ять менше в Європі і Японії. Це досить велика кількість додаткових каналів для бездротового зв'язку повинно було вирішити проблему їх зайнятості обладнанням. Але приблизно половина цих каналів виділяється для первинного використання метеорологічним і військовим радаром. Тому більшість споживчих маршрутизаторів не використовують ці смуги.

Таким чином, в будь-якому діапазоні ми маємо певну кількість каналів, які не заважають один одному. Оскільки все більше і більше бездротових пристроїв отримують доступ до мережі, взаємні перешкоди стає нормою. У мережі Wi-Fi, коли виникає колізія під час передачі даних, всі пристрої затихають, а потім намагаються повторити передачу знову через деякий час. Кількість часу, на яке вони "затихають", визначається експоненціально збільшується тимчасовою затримкою (званої відстрочкою). Зі збільшенням кількості колізій, час очікування збільшується, і Wi-Fi стає все більш повільним і менш надійним.

У багатьох регіонах (особливо в мегаполісах) перевантаженість доступних каналів досягла такого рівня, що вона в значній мірі зробила непридатну смугу 2,4 ГГц для передачі даних з високою швидкістю. Зарубіжний досвід такий, що деякі провайдери широкосмугових послуг (наприклад, AT & T, British Telecom, Comcast і ін.) Більше не використовують 2,4 ГГц для передачі відео або голосу. Майже всі виробники смартфонів, включаючи Apple, більше не рекомендують використовувати свої смартфони на частоті 2,4 ГГц. Останній і найшвидший варіант Wi-Fi, IEEE 802.11ac, забезпечує роботу тільки в діапазоні 5 ГГц, хоча більшість обладнання Wi-Fi підтримує обидві смуги (але в основному для підтримки старих мобільних пристроїв).

До чого привів "переїзд" в 5-гігагерцовий діапазон

Переїзд Wi-Fi-комунікацій з частот 2,4 ГГц в 5 ГГц на якийсь час вирішив проблему з перевантаженням каналів, але від цього постраждав радіус дії мереж, тому багато споживачів звернулися до простих рішень для збільшення зони охоплення (наприклад, до різних підсилювачів і ретрансляторів). Популярні стали і mesh-мережі, які стали використовувати для отримання рівномірного Wi-Fi покриття у всіх частинах будівлі.

Ретранслятори в цьому випадку поміщаються в межі роботи маршрутизатора, прослуховують всі діапазони, а потім переизлучают отримані сигнали на більш високому рівні потужності, іноді на іншому каналі. Але це призвело до того, що тепер з'явилося ще більше сигналів Wi-Fi, перекриваються в одному частотному діапазоні.

З появою загальнодоступних "хот-спотів" (концепцію яких вперше розробив у 2005 році постачальник Wi-Fi в Іспанії Fon Wireless) ситуація дещо погіршилася, тому що з тих пір і вони стали все більше поширені в усьому світі. Зарубіжні інтернет-провайдери (наприклад, AT & T, Comcast і Verizon в США) швидко розгортають споти, доступні будь-якому з абонентів.

Ситуація ускладнюється ще й тим, що мобільні оператори зв'язку вичерпали велику частину свого ексклюзивного спектра і планують протягом наступних трьох років переносити передачі мобільних даних на 60% в неліцензійний спектр, який використовується Wi-Fi. Технологія для цього рішення називається LTE-Unlicensed (LTE-U). Вона використовує 4G LTE-базові станції для відправки і прийому даних через ті ж 5-гігагерцові частоти, що і Wi-Fi. Деякі організації, такі як Cable Television Laboratories, Google і Microsoft, відзначають, що LTE-U буде в цілому погіршувати роботу Wi-Fi мереж. У США Verizon і T-Mobile почали пробні розгортання LTE-U, щоб визначити його вплив на Wi-Fi. Оператори в Європі і Азії також планують подібні випробування.

Wi - Fi (IEEE 802.11 ac) ще більше зменшує кількість доступних каналів

IEEE 802.11ac задовольняє зростаючі потреби користувачів в швидкості, що дозволяє передавати відео високої якості. Ця специфікація Wi-Fi забезпечує гігабітні швидкості з'єднання. Але щоб дані могли переміщатися з вказаною швидкістю, 802.11ac повинен об'єднувати канали. У своїй високопродуктивної конфігурації IEEE 802.11ac Wave 3 він об'єднує весь доступний спектр Wi-Fi в два канали шириною по 160 МГц. Це злиття означає, що тільки дві пари пристроїв можуть взаємодіяти на найширшому каналі одночасно без взаємних перешкод. Тому, якщо один з ваших сусідів використовує один з цих двох каналів для перегляду фільмів, а інший сусід використовує інший, вам нічого не залишиться як "втиснутися" в уже зайняті канали та створювати перешкоди. В результаті ситуації, що склалася, раптово, все ті додаткові переваги, які давав діапазон 5 ГГц в порівнянні з 2,4 - зникли.

У 2013 році британський національне телекомунікаційне агентство Ofcom опублікувало дослідження , В якому прогнозувалося, що до 2020 року мережі Wi-Fi і мобільні інтернет-мережі можуть стати критично перевантаженими.

Таїмо чином, розробники і виробники маршрутизаторів, які працювали над поліпшенням швидкостей передачі бездротових даних протягом останніх 15 років, добре вирішили питання забезпечення високих швидкостей, але ігнорували ці питання. Зокрема, вони не звернули увагу на той факт, що поширення 802.11ac, здатне пропонувати більш широкі, але менші канали, значно погіршить проблему їх перевантаженості.

DFS - рішення ситуації, що склалася

Вище ми згадали, що перші канали спектра 5-ГГц виробники бездротових маршрутизаторів Wi-Fi не використовують у зв'язку з тим, що ці частоти відведені для радарів і військових цілей. Відкриття цих частот для споживачів може мати величезне значення і тимчасово вирішить проблему перевантаженості каналів.

Цей додатковий спектр був доступний для Wi-Fi-трафіку в 2007 році. Регулятори зрозуміли, що радари та інші системи, під які зайнятий діапазон, не перебувають всюди, а багато хто не працюють в режимі 24/7. Таким чином, індустрія Wi-Fi могла б перевести Wi-Fi-зв'язок на ці частоти, поки пристрої, що використовують ці канали, реалізують механізм під назвою Dynamic Frequency Selection (DFS - динамічний вибір частоти), щоб не заважати радіолокаційним сигналам.

DFS діє приблизно так: коли він бачить радіолокаційний сигнал в одному з цих захищених каналів, він швидко переносить весь трафік Wi-Fi на іншу смугу. Маршрутизатор з DFS повинен прослуховувати весь спектр не менше 60 секунд, перш ніж оголошувати канал вільним для використання, а потім продовжити прослуховування, поки на каналі буде використовуватися трафік Wi-Fi. Якщо механізм виявляє радіолокаційний імпульс, передавач Wi-Fi повинен очистити канал і залишити його на півгодини. Діапазон, в якому буде працювати алгоритм DFS показаний на малюнку нижче:

Переважна більшість мобільних пристроїв, що з'явилися за останні три або чотири роки, мають радиопередающие модулі, які можуть працювати в цих смугах частот, а програмне забезпечення для відповіді на інструкції від так званого "майстра DFS" дописати не складе особливих труднощів. Так що, впровадження DFS не така велика проблема.

Але реалізація DFS-майстра в маршрутизаторі не є тривіальною для реалізації. Радарні імпульси досить важко виявити, тому що вони досить швидкі (кожен імпульс триває близько половини мікросекунди) і може бути присутнім на дуже низьких рівнях потужності (від -62 до -64 дБмВт). В даний час технологія DFS-майстер доступна в дорогих маршрутизаторах, які зазвичай встановлюються тільки великими компаніями. Він переноситься на деякі дешевші маршрутизатори на рівні споживача в Європі і Японії. Але і дорогі бізнес-версії, і дешевші споживчі версії не так вже й розумні: коли вони виявляють радар, вони швидко переносять трафік назад на встановлений за замовчуванням канал в не-DFS-частини діапазону 5 ГГц.

Не так давно був представлений для користувача маршрутизатор з DFS під назвою Portal, який включає в себе повнофункціональний радіосканером і центральний процесор, призначений для виявлення радарів і управління каналами поряд зі стандартним обладнанням маршрутизатора :

Згідно з даними виробника Ignition Design Labs, маршрутизатор Portal забезпечує доступ до радіохвиль на 300% більший, ніж будь-який інший маршрутизатор. Це робить його ідеальним рішенням для переповнених і зашумлених середовищ, які страждають від перевантаженості через маси маршрутизаторів, що конкурують за доступний діапазон.

Portal має два окремих радиотракта, один з яких використовується для виявлення радіолокаційних сигналів (DFS), а другий - для передачі даних в Wi-Fi-середовищі. Коли в каналі виявлено радіолокаційний імпульс, система переходить у відкриту для всіх частина спектра, не перериваючи передачі даних. Завдяки двом окремим радіотракт, маршрутизатор може автоматично повернутися назад і перевірити ще раз цей канал після 30-хвилинного необхідного періоду очікування, не закриваючи поточні передачі.

Також Portal має окремий CPU для роботи з DFS, що дозволяє звести до мінімуму кількість виявлення неправдивих радіолокаційних сигналів, і скорочує час, протягом якого Wi-Fi-трафік повинен покинути канал.

висновок

До останнього часу в бездротових мережах працювали в основному над збільшенням швидкості передачі даних, і тільки недавно стали замислюватися про доступне спектрі, а точніше про "інтелектуальному" виборі каналів. Можливо, в майбутньому запропонована технологія DFS буде збирати інформацію не тільки про радарах, але і про будь-яких видах перешкод, а також відправляти цю інформацію на хмарний сервер. Фахівці вже називають це мережевий оптимізація.

За допомогою цієї системи можна визначити найкращі канали для використання Wi-Fi-пристроями в різних місцях. Припустимо, ми знаємо, що о 8 годині вечора канал 100 стає дуже перевантаженим, потім ми можемо перенести трафік одного користувача на канал 132, а трафік сусіднього на 154-й. Така координація може надати великий позитивний вплив на якість Wi-Fi-комунікацій. Вкрай важливо отримати таку всеосяжну інтелектуальну систему для управління ресурсами Wi-Fi в світі до того як Wi-Fi стане настільки ненадійним, що стане непридатним для використання.

У більш довгостроковій перспективі будуть розроблені технології для перенесення трафіку на інші типи мереж зв'язку, які несумісні з поточними специфікаціями Wi-Fi. В даний час розглядається кілька частот для можливого перерозподілу спектра, включаючи 5.9, 4.9 і 3.5 ГГц. Але цей процес перерозподілу спектра може зайняти роки. І всі ці діапазони зараз використовуються для промислових і військових цілей, тому, якщо ці діапазони будуть схвалені, вони також вимагатимуть використання технології DFS.