Неиспользуемые резервы Wi-Fi


c79dfbad7ad241bf878585dc66303d40.jpg

В странах и городах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой у пользователей всё чаще возникают нарекания на работу Wi-Fi. В урбанистической среде, плотно насыщенной клиентскими устройствами, использующими Wi-Fi, среднестатистическое качество связи год от года ухудшается. Можно ли как-то переломить эту тенденцию?
Сейчас в мире более 6,5 млрд устройств, подключённых к сети посредством этого беспроводного стандарта, а к 2020-му году их количество достигнет почти 21 млрд. Это примерно 2,8 устройств на каждого человека на планете. Так что нехватка пропускной способности беспроводных каналов будет только усугубляться. Однако для решения этой проблемы недостаточно просто установить больше мощных маршрутизаторов. Причиной «виртуальных пробок» является не только «узость дорог», но и ряд других факторов.

Сегодня в каждом доме и многих квартирах есть по Wi-Fi-роутеру, а в некоторых — по несколько Повышение скорости соединения обычно связано с более плотным использованием полос пропускания. Кроме того, мобильны операторы покушаются на Wi-Fi-диапазон, упаковывая в него часть трафика, и с появлением 5G ситуация может ещё больше усугубиться.

То есть Wi-Fi фактически стал жертвой собственного успеха. Что можно сделать для решения этой проблемы, или хотя бы для её смягчения?

Толчея в эфире


Хотя в разных странах регуляторы могут накладывать определённые требования по лицензированию спектра частот Wi-Fi, в целом этот диапазон остаётся более-менее открытым. Пользователи должны соблюдать технические требования, включая ограничения по мощности передачи, но для этого не нужно получить никаких специальных разрешений. Сегодня почти все общественные Wi-Fi-сети, в том числе и домашние, работают в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. При этом 2,4-гигагерцовые волны лучше проникают сквозь стены и мебель, да и вообще передаются дальше по сравнению с 5-гигагерцовыми, при одинаковой мощности передачи.

К примеру, в США регулятор выделил для Wi-Fi полосу шириной 84,5 МГц. В рамках стандарта 802.11b/g/n ширина каналов — 20 или 22 МГц, так что в общую полосу можно без взаимного перекрытия уместить только три канала: 1, 6 и 11. В Европе ситуация почти такая же: 13 каналов, из которых одновременно можно использовать только три без взаимных перекрытий. В Японии чуть легче: 14 каналов и 4 одновременных неперекрывающихся.

52a413b6a7fd4fdeb80cba72fe56155a.png

Так что если в списке Wi-Fi-сетей вы видите более трёх 2,4-гигагерцовых роутеров, или если их три, но какой-то один использует канал, отличный от 1, 6 и 11, то имеет место наложение каналов.

В 5-гигацерцовом Wi-Fi ситуация иная: в диапазон от 5170 до 5905 ГГц уложено 38 неперекрывающихся каналов 10- и 20-мегагерцовой ширины (в США — 5180–5825 и 24 канала 20-мегагерцовой ширины, в Европе и Японии каналов ещё меньше). Казалось бы, в несколько раз больше каналов, которые не мешают друг другу, должны улучшить качество связи в 5-гигагерцовом диапазоне. Но тут вмешивается региональная специфика: в разных странах часть каналов могут быть недоступны для общественного использования, так как на этих частотах работают военные и метеорологические радары, спутниковое телевидение. Поэтому из-за сложности «вписывания» трафика в «проблемные» частоты подавляющее большинство роутеров их просто игнорируют.

Итак, в каждом из двух диапазонов у нас есть ряд неперекрывающихся каналов. Но из-за обилия роутеров и клиентских устройств перекрытие превратилось в нормальную ситуацию. Когда возникает коллизия — пересекаются две Wi-Fi-передачи — все участники временно замолкают, и через какую-то паузу снова возвращаются в эфир. Длительность пауз увеличивается экспоненциально по мере увеличения количества коллизий, в результате скорость работы и надёжность Wi-Fi-соединения снижаются.

В густонаселённых районах загруженность эфира может быть такова, что связь в 2,4-гигагерцовом диапазоне еле ползает. Это привело к тому, что в ряде стран провайдеры начали закрывать этот диапазон для передачи видео или голоса, а большинство производителей смартфонов вообще не рекомендуют пользоваться 2,4-гигагерцовым Wi-Fi. Стандарт IEEE 802.11ac вообще подразумевает работу только в 5-гигагерцовом диапазоне, хотя и обратно совместим с более старым IEEE 802.11n.

Современный Wi-Fi-эфир можно сравнить с загруженным шоссе в час пик. Но, как говорилось выше, дело не только в количестве клиентских подключений. Переход с 2,4 на 5 ГГц был призван решить проблему с перегруженностью каналов, но при этом пришлось пожертвовать покрытием. Это привело к тому, что многие пользователи начали применять аппаратные усилители и строить mesh-сети, чтобы добиться приличного уровня сигнала в каждой комнате. Усилители слушают эфир, получают от роутера сигнал и дублируют его с более высокой мощностью, иногда на другом канале. Это приводит к увеличению количества перекрытий Wi-Fi-передач в тех же частотных диапазонах.

Провайдеры и операторы


С этой точки зрения настоящим злом стали общественные точки Wi-Fi-доступа. В 2005 году испанский провайдер Fon Wireless впервые представил концепцию точек доступа для сообществ (community hotspots), которые создаются на базе частных роутеров, и сегодня это явление набирает популярность в мире. Некоторые интернет-провайдеры начали быстро развёртывать такие точки для подписчиков, используя для этого роутеры своих клиентов. Согласно данным исследовательской компании Juniper Research, в 2017-м треть домашних роутеров в мире смогут работать в режиме точки доступа для сообщества. На эти нужды будет выделяться часть Wi-Fi-спектра, причём владельцев самих роутеров даже не будут об этом предупреждать.

Но это ещё не всё. Стремительный рост поголовья смартфонов привёл к тому, что выделенные для мобильной связи полосы спектра оказались практически исчерпаны. И телеком-операторы планируют в ближайшие годы перенести существенную часть нагрузки по мобильной передаче данных в нелицензируемые Wi-Fi-диапазоны. Подобные технологии называются LTE-U (LTE-Unlicensed) и LAA (Licensed Assisted Access). Они подразумевают использование 4G LTE и роутеров для передачи данных в том же 5-гигагерцовом диапазоне, что и Wi-Fi. И хотя телеком-операторы уверяют, что это слабо скажется на пользователях Wi-Fi, ряд крупных компаний, включая Google и Microsoft, считают, LTE-U и LAA однозначно усугубят загруженность Wi-Fi-каналов и снизят качество связи.

853ec23982f34705922df66fe91e7694.jpg

Вам шашечки или ехать?


Идём дальше: в самом свежем стандарте IEEE 802.11ac уменьшено количество каналов в угоду увеличению скорости, чтобы транслировать потоковое видео в высоком разрешении и экономить аккумуляторы мобильных устройств, которые будут передавать данные на высоких частотах только в течение ограниченного времени. Максимальную пропускную способность подняли до 1,3 Гб/с. по сравнению с 450 Мб/с. в 802.11n. Но достигнуто это было в том числе и путём объединения каналов. В IEEE 802.11ac Wave 3 весь доступный Wi-Fi-спектр вообще разбивается всего на два канала по 160 МГц, то есть в это режиме одновременно без перекрывания могут работать только две пары устройств. Если, к примеру, ваш сосед использует один из этих двух каналов для просмотра кино, а другой сосед занял второй канал, то вам ничего не останется.

Как-то внезапно исчезло главное преимущество 5-гигагерцового диапазона перед 2,4-гигагерцовым — большое количество неперекрывающихся каналов.

Учитывая всё вышеописанное, в ближайшие годы Wi-Fi в больших городах рискует превратиться из быстрой альтернативы мобильному интернету в раздражающе медленную. Увы, но широкое распространение стандарта 802.11ac, предлагающего более широкие и быстрые, но малочисленные каналы лишь ухудшит ситуацию. К слову, телекоммуникационное агентство Ofcom ещё в 2013-м опубликовало исследование, в котором предсказан достижение критического уровня перегруженности Wi-Fi-спектра к 2020-му году.

DFS как временная мера


Помните про радары, имеющих приоритетное право использования части 5-гигагерцового диапазона? Сегодня эти каналы игнорируются потребительскими устройствами, но если начать массово их использовать, то это может полностью изменить картину.

Как подсказывает Капитан, далеко не на каждом углу в больших городах встречаются военные и метеорологические радары, многие из которых к тому же не работают круглосуточно. Поэтому эта часть спектра может быть задействована потребительскими устройствами при условии массового внедрения механизма DFS (Dynamic Frequency Selection): роутер постоянно отслеживает активность приоритетных источников сигнала, и как только начинает работать радар, происходит переключение на другой канал или снижение мощности передачи. DFS подразумевает освобождение канала в течение 10 секунд на последующие полчаса даже при обнаружении 1-миллисекундного импульса от приоритетного источника.

f20c54559fb34beeba99180086adfe58.jpg

Большинство выпущенных в последние 3–4 года потребительских устройств — в первую очередь, смартфонов, планшетов и ноутбуков — могут понимать команды DFS, но для этого роутеры должны быть DFS-мастерами. То есть именно на роутеры ложится ответственность по мониторингу спектра и освобождению каналов смежного использования.

Но не так просто внедрить в роутер функцию DFS-мастера: радарные импульсы могут быть очень труднообнаруживаемы из-за их скоротечности (0,5 мс) и крайне низкого уровня энергии (-62…-64 дБ на млВт). Более того, инструменты обнаружения радарных импульсов съедают часть пропускной способности роутера, поскольку он вынужден перед началом использования канала прослушивать его в течение 60 секунд, прежде чем решить, что тот свободен, а также прослушивать между сеансами обмена данными.

На сегодняшний день функция DFS-мастера встречается только в дорогих роутерах, которые обычно используются в крупных компаниях. Но постепенно DFS проникает и в более низкие ценовые сегменты. Правда, это тоже не панацея: ведь при обнаружении сигнала от приоритетного источника роутер вынужден переходить на один из каналов по умолчанию, в неDFS-часть 5-гигагерцового спектра, а там довольно «тесно». Более того, современные роутеры обычно не возвращаются на DFS-каналы, пока их не перезагрузят. В корпоративных системах это делается ежедневно, а домашние роутеры могут работать без перезагрузки неделями и месяцами, пока владельцы не сообразят, что скорость Wi-Fi слишком низкая и пора перезагрузиться.

Дело в том, что в современных реализациях DFS радиомодуль прослушивает единовременно только один канал. И когда DFS-мастер мониторит канал, его радиомодуль в течение 60 секунд не должен ничего передавать в другие каналы, чтобы не мешать текущему прослушиванию. Во избежание подобных ситуаций большинство DFS-реализаций требуют перезагрузки роутера для возвращения в открытый DFS-канал.

Но если создать более эффективную технологию обнаружения приоритетных источников, то фактически простаивающие сегодня каналы помогли бы разгрузить 5-гигагерцовый Wi-Fi-спектр. Например, можно оснастить роутер детекторной системой — дополнительным радиомодулем для сканирования спектра и отдельным процессором для выявления радарных импульсов и управления каналами. При этом детекторная система должна быть полностью отделена от системы приёма/передачи Wi-Fi, что позволит решить большинство проблем, присущих современным реализациям DFS, когда один процессор отвечает и за передачу данных, и за поиск приоритетных источников сигнала. Отдельный радиомодуль позволит регулярно сканировать все каналы, и когда в текущем канале возникает приоритетный источник, роутер будет знать, есть ли другой открытый в данный момент DFS-канал, перенося соединение туда, а не в публичный канал по умолчанию. Точно также роутер может автоматически возвращаться в предыдущий DFS-канал по истечение получасового лимита без прерывания соединения.

При этом дополнительный процессор поможет минимизировать количество ложных обнаружений, тем самым увеличив длительность работы в DFS-каналах. Учитывая рост нагрузки на процессоры современных роутеров, второй процессор совсем не выглядит излишеством.

В принципе, всё это тоже временная мера: чем больше роутеров начнут использовать ныне простаивающие каналы, тем быстрее они тоже окажутся перегружены. Но к тому времени могут быть согласованы для использования Wi-Fi-сетями и другие диапазоны. Либо нам придётся просто смириться с тем, что через несколько лет в мегаполисах Wi-Fi будет работать, мягко говоря, не быстро.

© Geektimes