WI-FI

gjОбновлено 22.10.2022

Описание WI-FI

WI-FI является наиболее популярной технологией передачи данных в беспроводных сетях.
Само название Wi-Fi является торговой маркой (брендом), которая принадлежит wi-fi alliance. Техническое описание технологии содержится в стандарте IEEE 802.11.
Раньше Wi-Fi расшифровывался как “Wireless Fidelity” – беспроводная точность. Сейчас просто похожа на игру слов Hi-Fi, то есть высокое качество.

Чтобы использовать в названии своего оборудование аббревиатуру WI-FI, необходимо сдать его на проверку в Wi-Fi Alliance. Эта компания проверяет насколько оборудование соответствует требованиям стандарта IEEE 802.11. После чего выдаётся разрешение на использование логотипов и названия компании.

Для сравнения для ethernet такая проверка не производится, производитель может создавать оборудование которое работает по стандарту 802.3 и его модификациям и называть его коммутатором Ethernet.

Wi-Fi в модели OSI

Fi-Wi, также как и Ethernet, находится на физическом и канальном уровне модели ISO/OSI. Причём на канальном используется два подуровня, подуровень управления доступа к среде MAC и подуровень управления логическим каналом LLC. Поэтому сетевые приложения и сетевые протоколы, которые работают в сети Ethernet (стандарт 802.3), такие, например, как TCP/IP, могут аналогичным образом использоваться и в Wi-Fi-сетях 802.11.

Следует понимать, что WI-FI – технология, которая использует физическую среду – воздух. Через неё передаются электрические сигналы – радиоволны, которые несут информационные данные.

Режим работы WI-FI устройств

Существуют несколько основных режима работы WI-FI устройств

Точка Доступа – Access Point (AP, акцесс пойнт). В это режиме устройство подключено к сети Internet или Ethernet и позволяет подключаться клиентам к себе. Самый распространённый режим работы. Когда говорят “раздаёт интернет по вай фай” – имеется ввиду именно этот режим.

Клиент – Client. В этом режиме устройство подключается к точке доступа, чтобы получить доступ в сеть Internet или Ethernet.

Повторитель – Repeater (репитер). Устройство в этом режиме принимает сигнал от точки доступа и передаёт на клиенты или такой же репитер. Является беспроводным удлинителем.

Существует множество комбинаций и расширений приведенных основных режимов работы, – это отдельная большая тема.

Так же в интернете и литературе можно найти упоминание о двух режимах работы инфраструктурный и Ad Hoc. Инфраструктурный режим – это режим взаимодействия точки доступа и клиента WI-FI. Ad Hoc – режим взаимодействия wi-fi устройств между собой по полносвязной схеме, применяется редко. Рекомендуется использовать вместо него режим инфраструктурный.

Частотные полосы и каналы

Для стандарта 802.11 были выделены следующие частотные диапазоны: 0,9 | 2,4 | 3,6 | 5 | 60 | 900 ГГц. Диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц используются наиболее активно.

В зависимости от частоты, стандарты 802.11 получают какие либо преимущества, недостатки имеются так же в каждом случае. Комбинирование частот для одного стандарта так же имеет место быть. Стоит отметить, что для WI-FI предусмотрен и оптический диапазон – IRD, – инфракрасный диапазон волн. Самый первый вариант вайфай был именно таким. Одна из последних перспективных разработок стандарта имеет физическую среду передачи – инфракрасный диапазон, как у пульта к телевизору.

Диапазон 2,4 ГГц

2,4 ГГц – наиболее популярный и широко используемый диапазон. Вместе с тем, он же и наиболее загруженный, особенно в районах многоэтажной застройки. Разрешенный в России диапазон включает в себя 13 каналов шириной в 20 МГц с шагом в 5 МГц. Из них непересекающимися являются три канала: 1, 6 и 11.

Диапазон 5 ГГц

Для решения проблемы загруженности диапазона 2,4 ГГц для Wi-Fi устройств был дополнительно выделен диапазон 5 ГГц.

5 ГГц – это не единый диапазон, а целый ряд диапазонов, порядок использования которых в различных странах может отличаться. Ниже представлена схема распределения каналов в этих диапазонах, картинка увеличивается. Разрешённые в России каналы отмечены синим цветом.

Сравнение диапазонов 2,4 и 5 ГГц

Скорость передачи данных

С увеличение частоты увеличивается и скорость передачи данных, но растёт затухание. Даже если не будет никаких препятствий, то волна затухнет куда быстрее. Именно поэтому для этой частоты разрешённая не лицензированная мощность увеличена в два раза по сравнению с 2,4 ГГц – 200 мВт.

Загруженность эфира

Диапазон 2,4 ГГц становится все более загруженным по причине более раннего распространения и низкой цены на сетевые модули. По этому параметру выигрывает диапазон 5 ГГц, как более свободный эфир для применения.

Непрямая видимость и побочные помехи

Для сигнала диапазона 5ГГц даже деревья, листва и т.п. – существенные помехи. Поэтому для хороших показателей дальности и скорости оборудованию требуется чистая прямая видимость. Отличие частоты 2,4 ГГц в том, что для нее это не так критично. В то же время по другому параметру – наличию помех в эфире, частота 2,4 ГГц проигрывает. В этом диапазоне работают различные устройства – микроволновки, телефоны и т.д., в связи с чем, шум может быть очень существенным.

Дальность линка

Диапазон 5 ГГц характеризуется меньшей зоной Френеля, и как следствие – бОльшей дальнобойностью. Для радиомостов на дальние расстояния выбирают устройства 5 Ггц диапазона. Дальнобойность + отсутствие помех + свободный эфир =  идеальные для этого условия.

Группа стандартов WiFi IEEE 802.11

Требования к Wi-Fi-оборудованию описаны в наборе стандартов IEEE 802.11. Фактически, каждая буква вместе с номером семейства, например, IEEE 802.11a означает отдельный стандарт. Как правило, буквы присваиваются стандартам в алфавитном порядке по мере их разработки, поэтому можно легко определить, какой из них новее, например, 802.11a/b/n и т.д..

Разработано более двадцати технологий подключения, три из которых сегодня наиболее востребованы: 802.11n, 802.11ac и 802.11ax. Один из последних (2018 год) является 802.11аx, который позволяет передавать данные до 11 Гбит/с. Не все стандарты были направлены на увеличение скорости передачи данных, некоторые из них затрагивают вопросы безопасности (например, 802.11i), другие включали описание работы роуминга (802.11r) и т.д.

• 802.11a Первым из высокоскоростных стандартов как раз и был упомянутый выше 802.11а, представленный в 1999 году (однако первые устройства с его поддержкой появились только в 2001), работающий на частоте 5 ГГц и скорости до 54 Мбит/с
• 802.11b Одновременно с 802.11a был представлен и 802.11b. Но, несмотря на букву, он был всего лишь расширением изначального 802.11, и поддерживал скорости до 11 Мбит/с на частоте 2,4 ГГц.
• 802.11g – в 2003 году представлен обратно совместимый с 802.11b стандарт 802.11g. Он позволил устройствам обмениваться информацией на скорости до 54 Мбит/с при частоте 2,4 ГГц.
• 802.11n – перечисленные выше стандарты дали хороший толчок развитию беспроводных Wi-Fi сетей, но на данный момент все они считаются устаревшими и с каждым годом используются всё меньше, хотя обратную совместимость с 802.11a/b/g и сейчас сохраняет большинство оборудования. На сегодняшний день наиболее распространённым и универсальным стандартом считается представленный в 2009 году 802.11n. Этот стандарт применяется для сетей на частоте как 2,4 ГГц, так и 5 ГГц. Причём теоретически способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с при применении технологии MIMO.
• 802.11ac — при частоте 5 ГГц и восьми MIMO-антеннах способен обеспечить скорость до 6,77 Гбит/с. Имеют спецификации Wave1 Wave2.
• 802.11ax – стандарт технологии беспроводной передачи данных, работающий в общепринятых для WiFi диапазонах частот от 2,4 ГГц до 5 ГГц. Дополнительно стандартом IEEE 802.11 ax определена поддержка частот от 1 до 7 ГГц. Скорость (линейная) увеличена до 11 ГБит/с. Стандарт WiFi 6 анонсирован Wi-Fi Alliance в октябре 2018 года. WiFi 6 также называют High-Efficiency Wireless (HEW) — беспроводная связь высокой эффективности.

В таблице ниже приведены стандарты беспроводной связи Wi-Fi, в которых производилось увеличение скоростей передачи данных:

Новые названия Wi-Fi-стандартов (Wi-Fi 4, Wi-Fi 5, Wi-Fi 6)

В октябре 2018 года группа Wi-Fi Alliance представила новые названия для текущих и будущих стандартов Wi-Fi.

Наборы стандартов 802.11 переименованы на более простые и понятные имена:

802.11b → Wi-Fi 1
802.11a → Wi-Fi 2
802.11g → Wi-Fi 3
802.11n → Wi-Fi 4
802.11ac → Wi-Fi 5
802.11ax → Wi-Fi 6

Такая упрощенная нумерация позволит даже неопытным пользователям осуществить правильный подбор оборудования для обеспечения максимальной производительности сети Wi-Fi (например, чтобы современные гаджеты с адаптером 802.11ac не использовать в сети стандарта 802.11n). Сопоставить номера стандартов теперь будет намного проще, а последовательная нумерация легко позволит определить какой из стандартов новее.

Wi-Fi 3 (802.11g)

Стандарт работает на частотах 2,4-2,4835 ГГц и позволяет передавать данные с канальной скоростью 54 Мбит/сек, совместим со стандартом 802.11b. Практически 802.11g — это усовершенствованный вариант 802.11b. Для удобства передачи данных частота поделена на так называемые каналы.

Из изображения понятно что каналов всего 14, но в зависимости от страны, в которой мы находимся, разрешенными для использования могут быть только некоторые из них. Так например в Украине и России разрешено использовать с 1 по 13 канал, в Японии все 14. Но меньше всего повезло Франции и Испании, им разрешено использовать только 4 канала (2.457 — 2.472 ГГц). Так что если ваша точка доступа имеет каналов меньше 13, то возможно что она была ввезена серым путем, или на нее была залита прошивка не для вашего региона. Выделенная для 802.11g полоса частот в РФ составляет 2400-2483,5 МГц.

Wi-Fi 4 (802.11n)

Устройства 802.11n могут работать в двух диапазонах, 2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц. Стандарт обратно совместим со стандартами 802.11g (а соответственно и 802.11b) и 802.11a (на частоте 5,0 ГГц). На частотах в 5,0 ГГц доступно 24 не пересекающихся каналов. Теоретически канальная скорость передачи данных при использовании 802.11n может достигать 300 Мбит/сек (600 Мбит/сек при использовании 4-х антенн), но необходимо понимать за счет чего получилось увеличить скорость до таких показаний.

Стандарт 802.11n позволяет объединять смежные каналы для увеличения скорости передачи данных за момент времени.

Объединение каналов возможно использовать в обоих диапазонах, но так как в диапазоне 2,4 ГГц доступно только 3 не пересекающихся канала – 1,6,11, использовать данную возможность в этом диапазоне крайне не рекомендуется.

Wi-Fi 5 (802.11ac)

Главное достоинство нового стандарта заключается в десятикратном росте скорости и расширенной поддержке технологии MIMO. Отныне объединяться могут до восьми каналов. В результате теоретический поток данных составляет 6,93 Гбит/с (в модификации Wave2).

В стандарте 802.11ac увеличение скорости происходит за счет 3 улучшений:

1. Большая ширина канала, увеличено с максимума 40 МГц с 802.11n до 80 или даже 160 МГц (что дает увеличение скорости на 117 или 333 процента соответственно).
2. Более плотная модуляция, используется 256 квадратурно-амплитудная модуляция (QAM), по сравнению с 64-QAM в 802.11n (для увеличения скорости на 33 процента в более узких, но все еще пригодных для использования диапазонах).
3. Увеличено число приемников и передатчиков до 8, реализована схема MIMO 8×8, в то время как 802.11n остановился на четырех пространственных каналах (это еще одно увеличение скорости на 100 процентов).

Wi-Fi 6 (802.11ax)

В целом IEEE 802.11ax базируется на современном, актуальном стандарте 802.11ac (Wi-Fi 5, AC) и поэтому использует уже существующие технологии.

Основными особенностями Wi-Fi 6 являются:

Использование нескольких антенн для приема и передачи сигнала (технологий MIMO и MU-MIMO)
Режим ортогонального частотного мультиплексирования (OFDMA) для улучшения спектральной эффективности
Модуляция 1024-QAM для увеличения пропускной способности.

Скорость передачи данных в Wi-Fi 6 на 37% выше, чем у предыдущего стандарта IEEE 802.11an (Wi-Fi 5), а за счет более плотного потока и эффективного использования спектра радиоволн общая пропускная способность в 4 раза выше, чем на устроствах n-версии стандарта Wi-Fi. Такое развитие WiFi предоставляет более стабильный канал для беспроводной передачи потоковых данных при использовании стриминговых сервисов (игровых и IPTV).

Разное

Помехи и преграды для WI-Fi

Wi-Fi не имеет четкой границы распространения
Это значит что никто не проведя необходимой оценки не сможет дать вам гарантии что связь будет работать даже в пределах одного кабинета или комнаты.
Ввиду этого не рекомендуется использовать беспроводные сети как замену корпоративной ЛВС на витой паре или оптике.

Предположим у нас есть точка доступа прикрученная к стене, а с другой стороны стены, на расстоянии метров пяти находится клиент с ноутбуком.

Преграда в виде стены толщиной в каких-то 10-20 сантиметров благодаря такому острому углу может вылиться в непроницаемые несколько метров железобетона. Сильно ухудшать сигнал могут так же зеркала из-за своего металлизированного покрытия. Массивные сейфы, расположенные между точкой и клиентом, так же могут свести на нет сигнал даже на небольшом расстоянии. Тонировочная пленка, которую зачастую клеят на стеклянные перегородки в офисах (аквариумы, коридорные двери, декоративные стекла) имеют слой металлизации и очень сильно ухудшают сигнал.
Это то, что касается сетей внутри помещения. Если же мы пытаемся прокинуть сигнал снаружи, здесь так же необходимо учитывать множество факторов: препятствия на пути прохождения сигнала, погодные условия и даже время года. Например если сеть разворачивали зимой, а в конце весны деревья покрылись листвой, и слабый, но более-менее приемлемый сигнал совсем сойдёт на нет.

Известно, что Wi-Fi-устройства начинают конфликтовать, когда работают в непосредственной близости друг к другу. В закрытых помещениях также существует проблема отражения от стен и массивного оборудования. Стоит также подумать и о выборе частоты. В частотном диапазоне 2,4 ГГц дальность действия больше. Однако перегруженность этого диапазона и наличие помех намного больше, чем в диапазоне 5 МГц.

Реальная скорость передачи по технологии WI-FI

Если предположить что нам удалось достичь скорости передачи до 300 Мбит/сек, то эффективная скорость передачи данных будет около 100 Мбит/сек т.к. Wi-Fi обладает большой избыточностью. Если добавить сюда шифрование, то скорость может упасть еще процентов на 7. И весь этот канал так же делится между всеми клиентами AP (точки доступа). Поэтому количество подключенных узлов и характер передаваемых данных имеет очень большое значение. Так, например 8-10 человек — любителей веб-сёрфинга вполне мирно могут сосуществовать на одной точке доступа. Но если среди них найдется парочка торрентистов, то они могут очень испортить всем остальным удовольствие. Если же в качестве клиентов у вас выступают какие-то специфичные контроллеры, которые раз в час/сутки передают небольшой объем информации, то уместить таких узлов на одной точке можно гораздо больше.

Важный практический момент, когда роутер будет искать максимально подходящий низкоскоростной сигнал. К примеру, если ваш ноутбук стандарта N, а планшет стандарта B, и Вы соединили оба устройства с Wi-Fi точкой – скорость не будет более чем 20 Мбит/с (стандарт B). Дальность и стабильность передачи также определяются стандартом оборудования и качеством используемого роутера.

Антенны

Прежде всего, антенна — пассивный усилитель. Это значит, что она может расширять зону вещания одного направления только за счет другого. Каждая антенна имеет одну важную характеристику — диаграмму направленности.
Допустим вы развернули в своем офисе беспроводную сеть. Сигнал, на этаже, на котором установлена точка доступа, приемлемый. Но вот этажом выше, прямо над AP находится еще один клиент, у которого прием очень слабый. Вы решаете поставить более мощную антенну, на первом этаже сигнал становится вообще замечательным, а вот на втором этаже ситуация еще ухудшилась. Все потому, что мы не учли диаграмму направленности. У стандартной всенаправленной антенны, которыми обычно комплектуются беспроводные устройства диаграмма направленности может выглядеть примерно так:

У направленной антенны по-другому:

Многие точки доступа помимо внешней антенны, имеют еще внутреннюю. При этом, по-дефолту, в качестве источника используется та, с которой в данный момент идет более уверенный сигнал. Поэтому если вдруг вы решите заменить стандартную антенну, направленной внешней, необходимо так же указать в настройках точки доступа  какую именно антенну необходимо использовать. Если этого не сделать, то мы рискуем ловить более мощный, но не интересующий нас сигнал на внутреннюю антенну. На SOHO-точках данная опция может быть не реализована в веб-интерфейсе. Но отчаиваться не стоит, очень часто возможно переключиться на нужную антенну через ssh или telnet. В любом случае стоит выкачать User Manual и изучить.

Мощность точки WI-FI

Таблица перевода дБм в Ватты

Полезные ссылки

Wi-Fi: неочевидные нюансы (на примере домашней сети) – прекрасная статья.
Обзор технологии Wi-Fi
Все полезные материалы по Wi-Fi в одном месте
А давайте сообща напишем «памятку населению» по настройке квартирных Wi-Fi
wi-life.ru – статьи от профессионалов