Wi-Fi 6 — основные характеристики и новшества технологии

Ежедневно миллионы людей по всему миру пользуются Wi-Fi. Самая популярная технология беспроводной передачи данных упрощает доступ в интернет уже более двух десятков лет, но сама за всё это время практически никак не изменилась. В октябре 2018 года ассоциация Wi-Fi Alliance объявила о полной унификации стандарта, представив новые значки и более упрощённое название. Сегодня мы поговорим о следующей версии Wi-Fi под номером 6, какие у неё характеристики и какие новые возможности для пользователей она предложит.

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

 

Что нового принесет нам стандарт WI-FI 6 (802.11ax)?

Будущее серьёзное обновление стандарта обещает сделать Wi-Fi быстрее и лучше. Стандарт 802.11ax позиционируется как ‘высокоэффективный’ и часто маркируется Wi-Fi 6 — в соответствии с новой номенклатурой, введенной Wi-Fi Alliance, где прошлые поколения отмечены как Wi-Fi 5 (802.11ac) и Wi-Fi 4 (802.11n). Как предвидится, данная маркировка будет отражена в обозначении новых устройств.

Технически Wi-Fi 6 даёт отдельному абоненту на 37% большую скорость передачи данных сравнительно с 802.11ac, но что еще важнее — обновлённые спецификации сулят каждому юзеру в 4 раза большую пропускную способность в густо-населённых кругах (в условиях большой плотности пользовательских приборов), а также увеличенную энергетическую эффективность, каковая в итоге должна привести к росту автономности гаджетов.

Все это получается за счет использования в 802.11ax ряда современных технических решений, включая несколько технологий параллельного подключения множества абонентов, а именно — MU-MIMO и OFDMA; эти механизмы взятые из сотовой индустрии, серьёзно повышают нагрузочную способность и эффективность сети, обслуживая большее количество параллельных подключений и более полную эксплуатацию выделенного диапазона.

Хозяева и юзеры домашних сетей, решившие освежить аппаратное обеспечение, в будущем в состоянии рассчитывать на ряд положительных нюансов, которые приносят эти технологии, преимущественно когда увеличится число устройств, приходящееся на каждую домашнюю сеть: по анализам некоторых экспертов, в 2022 г. на средний дом будет приходиться примерно 50 узловых приборов.

Впрочем, как уже было сказано, Wi-Fi 6 будет крайне актуален в зонах с большой нагрузкой на сеть и, в итоге, сыграет главную роль в закладке основы новой “умной” инфраструктуры, включающей в себя, в частности, девайсы, взаимодействующие в условиях концепции Inter­net of Things (IoT). Кроме обеспечения параллельного адресного контактирования множества различных устройств и сетей, образующего суть концепции IoT, спецификации Wi-Fi 6 рассчитаны на покрытие возрастающих требований к скорости передачи данных при параллельном подключении различных 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.

Ограниченный частотный ресурс

Одна из главных трудностей “уплотняющихся” вайрлесс сетей — недостаток спектра.

Еще совсем недавно сообщество заговорило о недостаточности пространства в диапазоне 2,4 ГГц, незамедлительно наметилось движение Wi-Fi Alliance в область спектрального отрезка в зоне 5 ГГц, и Wi-Fi 5 даже потерял поддержку “перегруженного” 2,4 ГГц. Но в Wi-Fi 6 данный диапазон возвратился. Факторов тому много: от различных условий распределения сигнала и цены оконечных гаджетов, до стремления задействовать под знаменитый беспроводной стандарт все доступные частоты, поскольку сумма клиентских приборов растет в геометральной прогрессии. Более того, в теории, стандарт способен применяться и в смежных частотных полосах. Уже на повестке предложение Федеральной частотной комиссии (FCC) о том, чтобы выделить под него вспомогательные полосы в районе 6 ГГц. Хотя, эти дискуссии пока не затрагивают Россию.

Частотный ресурс возможно применять по-разному. Можно разбить его на предельно широкие отрезки, дабы гарантировать большую скорость передачи данных при небольшом количестве приборов — и Wi-Fi 6 обеспечивает выделение каналов шириной до 160 МГц, — а возможно выдать множество каналов меньшей ширины, чтобы функционирующие на них девайсы не препятствовали друг другу. И гибкость, с какой производится “переключение” между такими подходами, устанавливает универсальность стандарта.

Разделение частот

В Wi-Fi 6 (сообразно сетям 4G) пришла поддержка OFDMA — мульти доступа с ортогональным частотным расчленением каналов. Чтобы успешнее   спектр там, где на нём висят много клиентов, частотный канал делится на поднесущие шириной приблизительно 78 кГц. Передача производится на каналах, сформированных из определенного числа поднесущих, кратного 26.

По факту OFDMA (нижняя картинка) — это использовавшийся ранее OFDM (верхняя картинка), оптимизированный для большого количества пользователей сети.

 

OFDMA помогает улучшить передачу данных в вайрлесс сети с большой плотностью приборов. Параллельно понижается задержка подачи пакетов для каждого абонента в отдельности.

Более высокоуровневое частотное распределение могут предоставлять решения от изготовителей оборудования. Скажем, Huawei интегрирует в свое оборудование с поддержкой Wi-Fi 6 технологию DFA, которая реализует динамическое присвоение частотных каналов — подбор неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц, переход в диапазон 5 ГГц (при наличии подобный возможности) и т.п.

Уплотнение информации

Использование частотной полосы устанавливает не только качество ее наполнения пакетами разных абонентов, но и то, насколько сжато туда упакованы передаваемые данные.

Кроме модуляции QAM 256 (из прошлой версии стандарта), в Wi-Fi 6 реализован QAM 1024 (в способах кодирования MCS 10 и MCS 11), что даёт возможность повысить количество бит передаваемых данных в расчете на 1 Гц диапазона. Это приносит увеличение скорости передачи данных приблизительно на 25% по сравнению с Wi-Fi 5, хотя, только в том варианте, если качество канала реально даёт возможность использовать эту модуляцию.

В теории, скорость новой технологии вайфай при эксплуатации ультраширокой полосы пропускания — 9,6 Гбит/с. Естественно, в реальности скорость зависит от подсоединенных пользовательских приборов, их количества и общей насыщенности электромагнитного спектра в округе. Качество вайрлесс сетей прошлых версий Wi-Fi значительно падает при увеличении числа клиентов, но в Wi-Fi 6 были вписаны механизмы, которые могут уменьшить конфликты и простой гаджетов из-за загруженной среды передачи, так что начало перспективное.

Сети высокой плотности

Приобретению высоких скоростей вайрлесс передачи препятствуют конфликты и некачественная утилизация частотного спектра в ситуациях, когда девайсы предварительно не договариваются между собой, как и когда выполнять передачу. С подобными практическими трудностями призваны совладать сразу ряд нововведений Wi-Fi 6.

«Разноцветный» спектр

Сейчас не так много вайрлесс сетей обитает в изоляции. А если в округе присутствует еще 5–10 точек доступа, значит их зоны покрытия перекрываются, инициируя те самые конфликты.

В основе Wi-Fi изначально был добавлен механизм доступа к функции передачи CSMA / CA с отправкой служебных кадров RST и CTS (требование на передачу — свободен для передачи). Если приспособлению требуется передать данные, оно сканирует среду, и, когда та занята — ожидает определенное время, чтобы попробовать вновь. В случае, если же среда свободна, оно посылает запрос на передачу (RST) и исключительно после подтверждения (CTS) передает данные. Данный механизм до последнего времени не понимал “свой — чужой”: кто-то передает, следовательно, надо молчать и дожидаться своей очереди. Это инициировало падение скорости передачи информации и повышение времени отклика в сетях с чрезмерным количеством приборов в прямой близости друг от друга.

Для разрешения данной проблемы в Wi-Fi 6 вписан механизм “раскрашивания” (а точнее, разметки) пакетов в одинаковых частотных каналах, применяемых различными устройствами — BSS col­or­ing. При таком подходе, заприметив пакет с “чужим” кодом, девайс проигнорирует его. Оказать содействие процессу должно автоматическое управление порогами выявления сигнала для “своих” и “чужих”, а также улучшение механизма фокусировки передачи в ориентированности клиентских приборов (о нем подробнее — далее).

К слову, время ожидания в вайрлесс сетях устанавливается механизмом NAV (Net­work allo­ca­tion vec­tor), который указывает станции “подглядывать” в продолжительность передаваемого кем-то иным пакета, чтобы установить, когда появиться возможность снова попытаться передать свой. И в Wi-Fi 6 добавилось два отдельных NAV: для приборов внутри “своей” и “чужих” сетей. Новшество даёт возможность не “сбивать” опции чужими передачами и не ошибаться с поиском времени для запроса передачи.

Разделение в пространстве

Помимо логической разметки “свой-чужой” Wi-Fi способен разделить клиентов пространственно.

Девайсы прошлого стандарта уже “умели” изменять диаграмму направленности передачи для ряда отдельных абонентов (MU-MIMO). По сути технология даёт возможность создать отдельный луч для юзера с пакетами, предназначенными конкретно для него. Но в Wi-Fi 5 это функционировало только на down­link. В Wi-Fi 6 такой же механизм добавился и на uplink, при этом как и с down­link частотное распределение производится на стороне точки доступа. Также было увеличено количество вероятных подключений в два раза — до 8×8.

Бесспорно, что технология MU-MIMO 8×8 обязана поддерживаться прибором, а продуктивность формирования единичных пространственных лучей исходит от применяемых изготовителями решений, а именно, направленных антенн.

К примеру, у нас есть личная разработка — Smart Anten­na, являющая собой антенную решетку, на которой для передачи или приема с конкретного направления в пространстве подбирается заданный набор элементов (каждый элемент сам по себе в силах быть как всенаправленным, так и узконаправленным). В этом случае антенна — это уже не столько “железка”, а скорее комбинация аппаратной части и алгоритма подбора конфигурации.

У каждой антенны 16 режимов функционирования, что для 4‑х антенн (в одной полосе частот) дает 416 комбинаций. Процедура выбора среди этих комбинаций срабатывает по времени при поключении нового девайса или при значимом изменении параметров приема ранее подключенным. Для переконфигурации посылается определенное число обучающих пакетов (с разных конфигураций антенн) — так подбирается новая подходящая схема. Все это даёт возможность обеспечить лучшее покрытие беспроводной сети при присутствии препятствий, в том числе для пользователей находящихся в движении.

 «Спящий» интернет вещей

Все большая доля устройств, подключенных к беспроводным сетям, так или иначе относится к IoT. Поэтому в Wi-Fi 6 был заложен механизм, который позволяет сократить энергопотребление устройств и уменьшить количество конкурентов за среду передачи в каждый конкретный момент времени. Этот механизм получил название TWT (tar­get wake time). Он подразумевает пробуждение устройств интернета вещей по таймеру только тогда, когда требуется собрать данные. В остальное время устройство «спит» и не претендует на среду передачи.

В итоге новая версия стандарта позволяет строить сети с более высокой емкостью, нежели Wi-Fi 5. Четырехкратный рост теоретической емкости поможет развертыванию сетей в местах с высокой плотностью потребителей — в общественных и учебных зонах, деловых центрах, на объектах с большой плотностью датчиков интернета вещей. Наряду с этим Wi-Fi 6 остается очень гибким — т.е. с его помощью можно организовать как доступ множества терминалов, так и беспроводную сеть для передачи к каждому участнику, например, 4К-видео с минимальными задержками.

Роуминг — надстройки от производителей

Обсуждая сети высокой плотности, нельзя не упомянуть роуминг при перемещении клиентских устройств между точками доступа. В стандарт заложены механизмы, которые позволяют точкам не мешать друг другу, а также не «сбивать с толку» соседнюю подсеть, если устройство ею не обслуживается. Но распределением устройств между точками должны заниматься более высокоуровневые системы — решения от производителей железа. Например, устройства Huawei поддерживают балансировку нагрузки — равномерное распределение пользователей между точками доступа в зонах с большой плотностью сетей. При этом для бесперебойной передачи данных в момент переключения клиентского устройства пакеты для него буферизуются и отправляются на новую точку.

Большинство описанных нововведений в подсетях будет доступно только при условии их поддержки клиентскими устройствами. С учетом развития рынка и цикла жизни устройств доминирующим на рынке Wi-Fi 6 должен стать уже через два года, о чем также говорят прогнозы IDC.

Wi-Fi 6 на практике

Первые точки доступа с поддержкой Wi-Fi 6 уже засветились на рынке. Также стали появляться первые мобильные устройства с Wi-Fi 6 на борту, и в ближайшей перспективе их покупка и внедрение могут стать неплохой инвестицией в усовершенствование пользовательского опыта.

Например, в нашем активе есть точка доступа Huawei 7060DN — по факту первый коммерчески доступный продукт, поддерживающий Wi-Fi 6, который мы выпустили в 2018 году. На текущий момент она поддерживает все описанные нововведения очередной версии стандарта, обеспечивая обслуживание до 1024 пользователей.

Максимальная теоретическая скорость передачи данных по Wi-Fi составляет 6 Гбит/с (на практике в тестах была достигнута согласованная скорость в 3 Гбит/с). Для поддержки устройств из мира IoT в ней реализованы протоколы ZigBee/RFID/Bluetooth, которые помогут разгрузить Wi-Fi диапазон в условиях активного развития интернета вещей. При этом можно не опасаться, что сейчас они поддерживают лишь черновой варианта стандарта, поскольку практически со 100% вероятностью их можно будет «дотянуть» до финальной версии простой сменой прошивки.

Кстати, на внутреннем рынке Китая можно найти уже не только отдельные устройства, но и реализованную инфраструктуру Wi-Fi 6. Так что в ближайшие годы нас ждет множество интересных проектов по обновлению тех же кампусов, а также по построению беспроводных сетей, ориентированных на сервисы.

Какие гаджеты сейчас поддерживают Wi-Fi 6

Поскольку производители подготовились заранее, на рынке уже доступны устройства, совместимые с новым стандартом.

Роутеры:

• Net­gear Nighthawk AX8 — $400
• ASUS RT-AX88U — $360
• TP-Link Archer AX6000 — $250
• ASUS ROG Rap­ture GT-AX11000 — $545

Смартфоны:

• iPhone 11, 11 Pro, 11 Pro Max — от $933
• Sam­sung Galaxy S10/S10+ — от 68990 руб.

Ноутбуки:

• на базе процессоров Intel Ice Lake
• на базе процессоров Intel Comet Lake
• Dell XPS 13 2‑в-1

Спустя несколько недель после старта сертификации «шестёрка» остаётся дорогим удовольствием. Но уже к середине или концу 2020-го, новые телефоны и лэптопы с поддержкой Wi-Fi 6 будут выходить десятками.