Wi-Fi 6 представляет: новое поколение беспроводных сетей

Что нового принесет нам стандарт 802.11ax?

     Грядущее основное обновление стандарта должно сделать Wi-Fi быстрее и лучше. Хотя в продаже уже появилось много роутеров, оснащенных чипами, поддерживающими черновые варианты спецификаций нового стандарта, сам стандарт Wi-Fi 802.11ax в окончательном виде выйдет не раньше декабря 2019 г. За это время появится еще больше модернизированных устройств, предлагающих новые потенциальные возможности беспроводной связи, которые будут способствовать развитию беспроводных сетей следующего поколения – более быстрых и рассчитанных на большее количество одновременно подключаемых пользователей.

     Стандарт 802.11ax позиционируется как 'высокоэффективный' и часто обозначается Wi-Fi 6 – в соответствии с новой номенклатурой, установленной Wi-Fi Alliance, где предыдущие поколения обозначены Wi-Fi 5 (802.11ac) и Wi-Fi 4 (802.11n). Как ожидается, эта номенклатура будет отражена в маркировке новых устройств.

     Технически Wi-Fi 6 обеспечит отдельному пользователю на 37% большую скорость передачи данных по сравнению с 802.11ac, но что еще более важно – новые спецификации обещают каждому пользователю в четыре раза большую пропускную способность в многолюдных местах (в условиях высокой плотности пользовательских устройств), а также повышенную энергетическую эффективность, которая в конечном счете должна привести к увеличению времени автономной работы устройства.



     Все это достигается за счет применения в 802.11ax ряда новых технических решений, в том числе нескольких технологий параллельного подключения многих пользователей, а именно – MU-MIMO и OFDMA; эти технологии, заимствованные из сотовой индустрии, значительно повышают нагрузочную способность и производительность сети, обеспечивая большее количество одновременных подключений и более полное использование выделенного диапазона.

     Владельцы и пользователи домовых сетей, решившие обновить аппаратное обеспечение, в будущем могут рассчитывать на ряд преимуществ, которые дают эти технологии, особенно когда вырастет количество устройств, приходящееся на каждую домовую сеть: по оценкам некоторых экспертов, в 2022 г. на каждый дом будет приходиться около 50 узловых устройств.

     Однако, как уже было сказано, Wi-Fi 6 будет особенно актуален в местах с высокой нагрузкой на сеть и, в конечном счете, сыграет важную роль в закладке фундамента новой «умной» инфраструктуры, включающей в себя, например, устройства, взаимодействующие в рамках концепции Internet of Things (IoT). Помимо обеспечения параллельного адресного взаимодействия множества разнообразных устройств и сетей, составляющего суть концепции IoT, спецификации стандарта Wi-Fi 6 рассчитаны на удовлетворение растущих требований к скорости передачи данных при одновременном подключении многих пользователей.



     В целом Wi-Fi 6 базируется на стандарте 802.11ac, в котором было обновлено более 50 специализированных технических решений, хотя, возможно, в финальную версию нового стандарта войдут не все нововведения.

     Вот некоторые характеристики, которые скорей всего войдут в итоговый стандарт Wi-Fi 6:

• повышенная средняя пропускная способность отдельного подключения, обеспечивающая возможность трансляции контента с разрешением ultra-HD и VR-трансляций;


• поддержка большего количества одновременных подключений с увеличенной пропускной способностью;


• расширенный диапазон (2,4 ГГц и 5 ГГц, в перспективе будут добавлены частоты 1 ГГц и 6 ГГц);


• выделенный диапазон подразделяется на большее число каналов, что обеспечивает большую вариативность при подключении;


• передаваемые пакеты содержат большее количество данных, при этом сеть может одновременно обрабатывать разные потоки данных;


• улучшенная (почти в 4 раза) производительность на максимальном расстоянии от точки доступа;


• улучшенная производительность/ надежность подключения на улице и в условиях высокой заполненности эфира;


• возможность получения трафика из сотовых сетей в местах со слабым приемом.

Сравнение стандартов 802.11n, 802.11ac и 802.11ax

Стандарт	802.11n (Wi-Fi 4)	802.11ac Wave 2 (Wi-Fi 5)	802.11ax (Wi-Fi 6)
Год утверждения	2009	2013	2019
Диапазон	2.4 ГГц, 5 ГГц	5 ГГц	2.4 ГГц, 5 ГГц, в перспективе – 1 и 6 ГГц
Ширина канала	20 МГц, 40 МГц (опционально)	20 МГц, 40 МГц, 80 МГц, 80+80 МГц, 160 МГц	2.4 ГГц: 20 МГц, 40 МГц; 5 ГГц: 80 МГц, 80+80 МГц, 160 МГц
Размер FFT	64, 128	64, 128, 256, 512	64, 128, 256, 512, 1024, 2048
Интервал между поднесущими	312.5 кГц	312.5 кГц	78.125 кГц
Длительность передачи символа OFDM	3.6 мс (с коротким интервалом); 4 мс (с длинным интервалом)	3.2 мс (контрольная сумма – 0.4/0.8 мс)	12.8 мс (контрольная сумма – 0.8/1.6/3.2 мс)
Максимальный уровень модуляции	64-QAM	256-QAM	1024-QAM
Скорость передачи данных	от 54 до 600 Мбит/с (максимум из 4 пространственных потоков)	433 Мбит/с (80 МГц, 1 пространственный поток); 6933 Мбит/с (160 МГц, 8 пространственных потоков)	600 Мбит/с (80 МГц, 1 пространственный поток); 9607.8 Мбит/с (160 МГц, 8 пространственных потоков)
Поддержка SU/MU-MIMO-OFDM/A	SU-MIMO-OFDM	SU-MIMO-OFDM (Wave 1), MU-MIMO-OFDM (Wave 2)	MU-MIMO-OFDMA

     Стандарт 802.11ac (теперь – Wi-Fi 5) был утвержден в 2013 г., и, хотя его спецификации в основном отвечают потребностям большинства сегодняшних домовых сетей, он использует только диапазон 5 ГГц и не поддерживает многопользовательские технологии на том уровне, который соответствовал бы современным темпам роста количества одновременно подключаемых устройств.

     В качестве опорных точек для оценки нововведений Wi-Fi 6 приведем здесь ряд изменений, которые получил стандарт 802.11ac (Wi-Fi 5) относительно 802.11n (Wi-Fi 4):

• увеличенная ширина канала (80 или 160 МГц по сравнению с максимальными 40 МГц в диапазоне 5 ГГц);


• восемь пространственных потоков взамен четырех;


• уровень модуляции 256-QAM против 64-QAM (большее количество битов данных на каждый передаваемый QAM-символ);


• многопользовательский MIMO (MU-MIMO) в версии 802.11ac Wave 2, позволяющий точке доступа одновременно передавать данные четырем подключенным устройствам, взамен однопользовательского SU-MIMO, когда в каждую единицу времени точка доступа работает только с одним устройством – как на прием, так и на передачу.

     В окончательной редакции Wi-Fi 6 спецификации будут обеспечивать обратную совместимость с предыдущими стандартами, объединяя оба существующих диапазона 2,4 и 5 ГГц, наряду с дополнительными диапазонами 1 и 6 ГГц, которые будут доступны в перспективе.

     Возможно, еще большего внимания, чем собственно расширение рабочего диапазона, заслуживают технологии его эффективного использования. В Wi-Fi 6 каждый из доступных диапазонов подразделяется на большее (по сравнению с предыдущим стандартом) число относительно узких подканалов, благодаря чему создается больше индивидуальных каналов связи для клиентов и обеспечивается поддержка дополнительных устройств, подключаемых к данной сети.

     Хотя точка доступа с поддержкой Wi-Fi 5 в режиме передачи может одновременно обслуживать четырех пользователей благодаря MU-MIMO – это значительное достижение по сравнению с однопользовательским MIMO в Wi-Fi 4 – на сегодняшний день стандарт AC (Wi-Fi 5) позволяет точке доступа в единицу времени принимать сигнал только от одного пользователя. Новый стандарт 802.11ax (пока на бумаге) позволит увеличить число одновременно обслуживаемых пользователей до восьми – как в режиме передачи (downlink), так и в режиме приема (uplink) – с возможностью предоставления отдельному клиенту четырех одновременных потоков данных.

     Однако есть информация о том, что первое поколение устройств с поддержкой 802.11ax не будет поддерживать функцию MU-MIMO uplink, и среди текущих моделей устройств найдется очень мало (точно меньше восьми) таких, которые смогут реализовать преимущества четырех пространственных потоков, так как большинство существующих смартфонов и ноутбуков с MU-MIMO обеспечивают формат подключения 2x2:2 или 3x3:3.

     Данная форма записи (AxB:C) показывает максимальное число передающих антенн (A), максимальное число приемных антенн (B) и максимальное число пространственных потоков данных (C), поддерживаемое приемопередающим MIMO-устройством. И если Wi-Fi-устройства с поддержкой MU-MIMO получают от новой технологии непосредственные преимущества, то устройства без MU-MIMO могут получить косвенные преимущества в виде дополнительного эфирного времени, предоставляемого точками доступа с MU-MIMO.



     В Wi-Fi 6 также вводится двухсторонняя (uplink и downlink) поддержка технологии мультиплексирования большого количества абонентов в общей полосе пропускания с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) – данная схема модуляции по сути представляет собой многопользовательскую версию технологии OFDM (входящей в спецификации 802.11ac/n). Это позволит уменьшить задержки и увеличить нагрузочную способность сети с возможностью одновременного обслуживания в общей полосе пропускания целых 30 пользователей.

     Для лучшего понимания сути этих технологий представьте, что сочетание технологий MU-MIMO и OFDMA дает нам вместо схемы, где один оператор поочередно обслуживает клиентов на одной линии, схему со многими операторами и многими линиями, где каждый оператор может одновременно обслуживать несколько клиентов.



     Кроме того, в случае перегрузки в сетях с поддержкой 802.11ax клиенту вместо борьбы за эфир будет предоставлена более четкая информацию о том, когда роутер станет доступен; также предлагается увеличение количества данных в пакетах за счет более высокого уровня модуляции – 1024-QAM против 256-QAM в стандарте Wi-Fi 5 и 64-QAM в Wi-Fi 4.

     Хотя в Wi-Fi 6 средние скорости передачи данных и размеры полосы пропускания – того же порядка, что и в Wi-Fi 5, десятки технологий, воплощенные в обновленных спецификациях, должны значительно улучшить эффективность и пропускную способность будущих сетей Wi-Fi, которые потенциально смогут обслуживать десятки устройств в одной полосе пропускания со скоростью порядка нескольких гигабит в секунду.

     Вот некоторые ключевые технологии, отличающие стандарт Wi-Fi 6 от текущих спецификаций Wi-Fi:

• MU-MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output) – многопользовательский (Multi-User) MIMO был введен в Wi-Fi 5 Wave 2, но только с поддержкой четырех одновременных подключений в режиме передачи (и одного в режиме приема), тогда как Wi-Fi 6 сможет обеспечить не только одновременную передачу, но и одновременный прием сигнала от восьми пользователей; это позволит в четыре раза увеличить теоретическую максимальную пропускную способность по сравнению с Wi-Fi 5.
  Точки доступа с поддержкой MU-MIMO обеспечивают также более качественную обработку сигнала по сравнению с точками доступа с SU-MIMO; они передают конечным устройствам служебную информацию об управлении сигналом, что позволяет регулировать MU-MIMO-трафик, поступающий от конечных пользователей.
  
  
  


• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) – не входит в стандарт Wi-Fi 5, который включает в себя обычную технологию OFDM. Данное нововведение взято из стандарта сотовых сетей 4G LTE и позволяет «нарезать» в выделенной полосе пропускания узкие подканалы; наименьший подканал называется Resource Unit (RU). Благодаря этому в Wi-Fi 6 в общей полосе пропускания могут обслуживаться сразу 30 клиентов – без привычного ожидания; эффективность повышается также за счет комбинирования различных видов трафика. OFDMA – это многопользовательская версия OFDM.
  
  


• 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – повышен уровень модуляции по сравнению с Wi-Fi 5 (256-QAM), хотя некоторые роутеры текущего поколения поддерживают 1024-QAM в виде экспериментальной опции. Высокий уровень модуляции повышает пропускную способность за счет более плотного заполнения каждого пакета данных.
  В 1024-QAM каждый символ OFDM содержит 10 бит данных – против 8 бит в 256-QAM, то есть емкость пакета увеличилась на 25%; в результате теоретическая скорость передачи одного потока данных в канале шириной 80 МГц выросла до 600 Мбит/с, что на 39% больше аналогичного параметра в Wi-Fi 5 (433 Мбит/с).
  
  


• Увеличена длительность передачи символов OFDM – с 3,2 мс в Wi-Fi 5 до 12,8 мс в Wi-Fi 6, а также длительность передачи контрольной суммы каждого символа.
  Контрольная сумма (Cyclic Prefix, CP) содержит конец символа OFDM, который добавляется к началу полезной информационной нагрузки; это обеспечивает необходимый интервал для защиты от межсимвольных помех и повышает надежность приема, так как контрольную сумму при необходимости можно использовать для идентификации символа. Данная характеристика может варьироваться в зависимости от конкретных требований (более длинная контрольная сумма содержит больше информации, но при этом занимает больший объем, что приводит к снижению скорости передачи данных).


• Динамическая фрагментация – в отличие от Wi-Fi 5 со статической фрагментацией, требующей, чтобы все фрагменты пакета данных (за исключением последнего) имели одинаковый размер, в Wi-Fi 6 используется более эффективная динамическая фрагментация, позволяющая разбивать пакет на фрагменты разной длины.


• Пространственное «цветовое» разделение каналов /BSS – если несколько точек доступа работают в одном и том же канале (каналах), они могут передавать данные с уникальным "цветовым" идентификатором и устанавливать параллельные беспроводные подключения, не создавая друг другу помех, поскольку цвет позволяет им различать данные друг друга.
  
  
  


• Автоматическое формирование диаграммы направленности в сторону абонента (Beamforming) – поддерживается и в Wi-Fi 5, но в Wi-Fi 6 количество поддерживаемых антенн увеличено с четырех до восьми. Beamforming позволяет увеличивать скорость передачи и радиус действия сети за счет формирования сигнала большей мощности в направлении конкретного абонента вместо равнонаправленного сигнала. Это способствует повышению эффективности технологии MU-MIMO, которая в условиях быстрого перемещения клиентского устройства работает не так хорошо. В устройствах Wi-Fi 4 beamforming был доступен опционально, но в стандарт Wi-Fi 5 Wave 2 вошел как неотъемлемая составляющая MU-MIMO.


• TWT (Target Wake Time) – подключение клиентских устройств в установленное время вместо предоставления доступа к сети «на конкурентной основе». Роутер может указать клиенту время перехода в «спящий» режим и время включения, что должно положительно сказаться на продолжительности автономной работы, так как устройства будут «знать», когда переходить в активный режим приема.
  
  
  


• Установленное время передачи – аналогично, вместо часто наблюдаемого сегодня конфликта пользовательских устройств в режиме передачи, в Wi-Fi 6 пользователю назначается время перехода в передающий режим, что позволяет более эффективно использовать ресурсы сети.


• Задание времени доступа (определяется случайным образом) с помощью триггерного кадра – тоже направлено на уменьшение конфликтов в эфире; управляющий триггерный кадр среди прочих атрибутов сообщает пользовательскому устройству информацию о продолжительности «окна передачи», что также повышает эффективность использования ресурсов сети.


• Два вектора NAV (Network Allocation Vector) – когда беспроводное устройство работает в режиме передачи, оно объявляет о длительности передаваемого кадра, так что другие устройства могут настроить свои NAV соответствующим образом, чтобы избежать конфликтов в эфире. Стандарт Wi-Fi 6 вводит два вектора NAV: один для сети, к которой относится данное устройство, и один для соседних сетей. Это должно уменьшить энергопотребление за счет снижения требований к чувствительности приема несущей.


• Улучшенная работоспособность на улице – является результатом некоторых из этих нововведений, включая новый формат пакета, увеличенные интервалы между пакетами и усовершенствованные методы избыточного кодирования и коррекции ошибок.

Расширение диапазона (добавление полосы на частоте 6 ГГц)

     Лидеры отрасли, в частности, Qualcomm, полагают, что в будущем для адекватного качества сервиса сетям потребуется более широкий диапазон, чем могут обеспечить стандартные 2,4 и 5 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц уже давно заполнен разными электронными устройствами, а 5 ГГц предоставляет недостаточную полосу для каналов повышенной ширины (например, 80 или 160 МГц), к тому же отдельные части диапазона 5 ГГц подразумевают ограничения на его использование.

     Компания Qualcomm предложила выделить в свободной области частот в районе 5 ГГц полосу шириной около 1280 МГц под открытые информационные технологии.

     В ответ на публичный опрос, проведенный FCC в июле 2017 г. касательно расширения использования среднечастотного диапазона (от 3,7 до 24 ГГц), более 30 компаний, включая Qualcomm, внесли предложение, в котором утверждается, что полоса частот от 5925 до 7125 МГц (так называемый "диапазон 6 ГГц") – это "именно то, что отвечает всем требованиям следующего поколения широкополосных беспроводных средств связи общего назначения".



     Применительно к Wi-Fi это предложение означает, что диапазон 6 ГГц будет открытым и будет подразделяться на четыре поддиапазона с различными техническими требованиями, в том числе в части помехозащищенности.

     Принимая во внимание то, что стандарт Wi-Fi 6 в настоящий момент находится в разработке, а Соединенные Штаты входят в число стран, принимающих решение об открытии диапазона 6 ГГц, рабочая группа IEEE закрепила поддержку этого диапазона в стандарте следующего поколения Wi-Fi 802.11ax (Wi-Fi 6).

     Объявление диапазона 6 ГГц открытым является привлекательным решением для компаний, поскольку в этом случае они смогут использовать данную полосу частот без дополнительных согласований с FCC; ожидается, что это станет новым стимулом для инноваций и инвестиций, которые в результате приведут к так называемой «четвертой технологической революции».

     "Объявив данный диапазон радиочастот открытым для локальных беспроводных сетей, Комиссия даст нам возможность предоставить пользователям быстрый сервис с меньшей задержкой и большей зоной охвата, что будет способствовать росту экономики и общественного правопорядка, которые напрямую связаны с развитием общедоступных информационных технологий," – говорится в обращении компаний к FCC.

     Wi-Fi 6 или 802.11ax – это только один из многих разрабатываемых в настоящее время новых стандартов беспроводной связи, которые будут определять требования к разнообразным сетям с различными типами устройств.



     Новые стандарты – от 802.11aj/ay, которые предлагают скорость порядка десятков Гбит/с в миллиметровом диапазоне (60 ГГц), до низкочастотных (до 1 ГГц) спецификаций, например, 802.11ah, который предлагает относительно низкую пропускную способность при большей дальности действия (актуально для устройств IoT), – войдут в перечень стандартов 5G, регламентирующих использование открытых и специальных (требующих дополнительного согласования) диапазонов частот.

Заключение: перспективы Wi-Fi 6

     Идущий на смену стандартам 802.11n и 802.11ac стандарт следующего поколения беспроводных сетей 802.11ax или Wi-Fi 6 разрабатывается с целью заметного повышения эффективности и емкости (нагрузочной способности) сетей Wi-Fi в многолюдных местах, а также – умеренного стабильного повышения скорости передачи данных, которая не будет падать при увеличении количества одновременно подключаемых к сети устройств.

     Потому что, по выражению Qualcomm, "вопрос не в том, насколько быстрым может быть Wi-Fi, а в том, обладает ли сеть Wi-Fi достаточной емкостью, чтобы удовлетворять растущие потребности многочисленных пользователей различных клиентских устройств и сервисов".

     Так как Wi-Fi 6 должен оказать непосредственное влияние на производительность сетей в местах с высокой концентрацией людей, например, на стадионах или в многоквартирных домах, ожидается, что этот стандарт будет принят быстрее, чем предыдущие версии Wi-Fi, и в перспективе станет необходимым для пользователей домовых сетей, поскольку сделает широкополосные подключения со скоростью от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с более доступными, а широкое внедрение концепции «интернета вещей» (IoT) сделает доступным в режиме онлайн «что угодно».

     Если посмотреть на Wi-Fi 6 шире, то можно увидеть, что усиление поддержки многопользовательских технологий, и особенно – введение поддержки одновременного приема сигнала от нескольких пользователей, совпадает с ростом требований к качеству обработки пользовательских данных, которые будут собираться с устройств IoT и обрабатываться с помощью технологий ИИ (например, алгоритмов машинного обучения); то есть в будущем новый стандарт может быть интегрирован в целостную систему цифровой экономики.

     Как уже было упомянуто в начале статьи, некоторые роутеры уже поддерживают черновые варианты спецификаций 802.11ax, хотя окончательную версию стандарта должны утвердить только в декабре 2019 г. И еще раз заметим: первая волна устройств, официально поддерживающих новый стандарт, возможно, будет поддерживать не весь функционал Wi-Fi 6, а полная поддержка – в частности, более высокий уровень MU-MIMO и диапазон 6 ГГц – появится только в устройствах второй волны.