Що таке Wi-Fi? Варіанти бездротових мереж.

За свою професійну практику в телекомунікаціях я часто стикаюся з різним сприйняттям бездротових підключень. Слово Wi-Fi, або «вайфай», здебільшого символізує підключення поза дорогою мобільною передачею даних оператора LTE, коли наймолодші члени родини нарешті можуть дивитися відео від своїх друзів. Звичайне підключення вдома. Тобто щось позитивне. З іншого боку, від різних продавців xDSL я часто чую, що підключення Wi-Fi не працює в погану погоду, має багато «але» і що ніщо не зрівняється з належними кабелями. 

Час для технічного відступу. Усе обертається навколо двох показників, із яких обчислюється швидкість передачі. Перший — смуга пропускання, другий — схема модуляції. Щоб не заглиблюватися в технічні подробиці, я сильно спрощу цей зв’язок. Модуляція — це кількість станів за один цикл сигналу. За чотирирівневої амплітудної модуляції сигнал може набувати 4 значень, а передане слово даних має певну комбінацію чотирьох бітових символів, наприклад 0101, 1101… Решту спробуйте уявити. Чим вища модуляція, тим більша пропускна здатність, але водночас зростають вимоги до середовища передачі. Це знайоме Вам із практики: Ви віддаляєтеся від домашнього Wi-Fi, швидкість падає, і зрештою зв’язок зникає. Так само це працює із заміною мідної мережі або з відстанню від базової станції мобільного оператора. 

Ще одним принципово важливим чинником є смуга пропускання. Кількість слів даних зростає стільки разів, скільки МГц у Вас є. Популярно це можна пояснити кількістю підканалів в одному середовищі. Чому все так складно?

Причина в тому, як усе розвивалося. Колись ніхто не планував загальнонаціональну мережу передачі даних. Будівництво телефонної мережі на основі мідного дроту, що покривала всю країну, тривало кілька десятиліть. Вона була розрахована на передачу голосу, навіть аналогового, і для таких невеликих обсягів вистачало тонких жил у широких кабельних пучках. Кожен будинок мав належно розраховане відгалуження, а така домашня лінія закінчувалася на станції десь у зоні обслуговування, інколи за кілька кілометрів від дому абонента. Для телефонних розмов цього було достатньо, а після переходу на цифрові станції проблем теж не виникало. Через перехресні завади між жилами використовувалася низька несуча частота, тож придатної смуги пропускання вистачало лише для телефонії, а коли комусь усе ж були потрібні дані, він користувався комутованим підключенням (DIAL-UP). Але без зайвих подробиць: поступовий розвиток технологій для цієї старої, давно сформованої телефонної мережі призвів до вищих несучих частот у середовищі, а завдяки цьому — до вищих швидкостей модуляції і, насамперед, до більшої смуги пропускання. Сьогодні ці параметри в місцях розташування цифрових станцій цілком чудові. Наприклад, сучасний VDSL2 може використовувати 35 МГц смуги пропускання за досить високої швидкості модуляції. Якщо передавати дані якісним кабелем на короткій відстані, скажімо до 300 метрів, швидкість передачі може становити жваві 100 Мбіт/с. Завдяки подальшим методам зменшення перехресних завад, розрахунку завад у модемах і керуванню векторами в кабельному пучку мережа xDSL має шанс досягти теоретичних 250 Мбіт/с.

Є два суттєві «але»: 

а) за самим принципом мідного середовища Ви не отримаєте значної пропускної здатності для відправлення даних на сервер

б1) швидкість значно падає, буквально обвалюється, зі збільшенням відстані від станції

б2) швидкість значно падає за поганої якості мідного підключення 

Тож навіть у модернізованих частинах мережі одні це мають, а інші — ніколи не матимуть… 

Де ж тут Wi-Fi? 

Регіональні інтернет-провайдери для підключення від станції до клієнта старі мідні лінії не використовують. По-перше, раніше вони до них не мали доступу, та й особливих причин для цього не було. Для підключення клієнтів добре слугувало бездротове середовище. І аналогія, використана раніше в статті, стосується й бездротового доступу до фіксованої мережі. Wi-Fi — це стандартизований спосіб зв’язку між бездротовими пристроями. Wi-Fi, скорочено від Wireless Fidelity, — це назва організації Wi-Fi Alliance і позначення певного стандарту, або протоколу, який виробники застосовують, щоб їхні пристрої розуміли один одного. Для такого зв’язку спільнота регуляторів виділила частотний діапазон, у якому такі пристрої можуть працювати за умови дотримання правил. Спершу це був діапазон 2,4 ГГц, а згодом значно ширша ділянка в діапазоні 5 ГГц. А Інститут інженерів з електротехніки та електроніки, IEEE, почав визначати стандарти відповідно до можливостей тогочасної технології. Так виник стандарт 802.11.

Огляд стандартів IEEE 802.11

Зверніть увагу, що початкова швидкість давнього стандарту 802.11 становить 2 Мбіт/с. Це приблизно швидкість лінії ISDN, яка в багатьох випадках є єдиною можливістю підключення до мідної мережі. У бездротових мережах доступу утвердилися стандарти 802.11n та 802.11ac. (Стандарт 802.11ad поки що не дозволено для зовнішніх установок.) 

Що ж із цими бездротовими мережами? Самі точки доступу, які виглядають як невеликі передавачі, подібно до мережі LTE, часто використовують власні розширення протоколів Wi-Fi від різних виробників. Вони можуть собі це дозволити, адже це пристрої, створені спеціально для інфраструктурних цілей. Їхні розробники застосовують різні способи збільшення пропускної здатності та підвищення стійкості до взаємних завад. Вони оснащені засобами, що запобігають зіткненням із радіолокаційними системами, та потужними процесорами для обчислень, які коригують перехресні завади під час роботи. 

За правильних антен і добре налаштованого керування пропускною здатністю сучасні бездротові мережі здатні без проблем надавати послуги з такою самою або більшою пропускною здатністю, ніж мідна мережа. Але, щоб бути чесними, тут знову є дві умови:

а) коли спектр завантажений, приймач клієнта не має бути надто далеко від точки доступу

б) і приймач, і передавач мають працювати з достатнім енергетичним запасом на втрати в дощ, тобто з відповідними антенами

Швидкість передачі в середовищі за тієї самої модуляції зростає прямо пропорційно смузі пропускання. Швидкість модуляції в бездротових технологіях Wi-Fi вже не можна значно підвищити. Найкращі пристрої досягають 256 QAM, а завдяки методам MIMO та OFDM, які тут не описано, протокол 802.11n/ad забезпечує високі швидкості передачі. Майбутнє бездротових мереж, будь то Wi-Fi чи LTE, полягає саме в збільшенні смуги пропускання. Найближчим часом бездротові оператори використовуватимуть навіть міліметрові діапазони 60 ГГц, де спрямованість антен означає відсутність ризику взаємних завад. Водночас європейські регулятори спектра реагують на вимоги ринку та домовляються про виділення ще кількох ділянок у верхній частині діапазону 5 ГГц для збільшення пропускної здатності послуг. Одночасно розширюються й оптичні частини мереж. 

Але про це детальніше наступного разу. 

Достатня пропускна здатність, доведена до точки доступу

Професійно побудована мережа повинна мати багато точок підключення, і ці точки мають бути з’єднані якісною інфраструктурою. Але це належить до дещо іншої технічної частини інтернет-інфраструктури — мережі доступу. 

У наступній статті ми розглянемо мережу доступу. Я опишу радіорелейні лінії в професійних діапазонах, тобто такі, що не мають із Wi-Fi нічого спільного, окрім слова «радіо». А оптичні волокна також є частиною інфраструктури доступу та магістральної інфраструктури. 

Далі буде… 

Автор: Jakub Moník