Что такое Wi-Fi?

На сегодняшний день мало кто удивляется наличию Wi-Fi точки в каком ни будь месте. Если раньше зайдя в кафе говорилось “О! Тут есть вайфай“,  то теперь иногда можно услышать “Офигеть! Тут даже нет вайфая!”. Но меньше всего люди люди задумываются что это вообще такое, а уж тем более как это работает. А ведь небольшие знания всего этого помогут решить возникающие проблемы с работой по беспроводной сетью.
Wi-Fi это  бренд! Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi альянса, в котором объединены крупнейшие производители беспроводной аппаратуры и компьютерной техники. Wi-Fi звучит как Wireless Fidelity, в переводе с английского – беспроводное качество или беспроводная точность. Но! Термин Wi-Fi изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя «намёком» на Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECAфигурировало словосочетание «Wireless Fidelity» (англ. — беспроводная точность), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин «Wi-Fi» никак не расшифровывается.
Но все это маркетинговые штучки типа того, как на некоторых телевизорах виднеется гордая надпись Full HD, все для того, чтобы продукт было проще продавать простому обывателю. Мы же поговорим о том самом “вай-фай“, который мы себе представляем – беспроводной доступ в интернет. Причем не стоит это сравнивать с мобильным интернетом. Это ведь совершенно разные вещи. А некоторые и такое путают и смешивают в одну кашу.
WI-Fi сеть может быть построена очень просто. Достаточно установить беспроводное устройство и подключить к нему интернет. В качестве беспроводного устройства чаще всего используют готовый вариант – рутер со встроенным беспроводным модулем. Такое устройство достаточно подключить в квартире к заведенному заранее интернет кабелю и сразу появляется возможность организовать целую локальную сеть, состоящую из ноутбуков, телефонов, телевизоров, планшетов и других периферийных устройств с доступом в интернет. Существуют еще и аксесс поинты (анг. APAccess Point). Это такие же беспроводные устройства но без функции маршрутизации NAT. В этом случае необходимые настройки IP выдает другое устройство. В основном их применяют для расширения зоны действия беспроводной сети.
Преимущества Wi-Fi очевидны – Быстрое и недорогое развертывание локальной сети; Возможность иметь доступ к сети мобильным устройствам; Мобильность.
Есть, конечно же, и недостатки. Первый недостаток – это ограничение скорости передачи данных и он на порядок ниже кабельного способа. Ну и второй недостаток, а точнее особенность – это все таки радио волны. Отсюда и проблемы со стабильностью.

Wi-Fi является набором стандартов IEEE 802.11 и на сегодняшний день популярными являются стандарты 802.11g, 802.11n и 802.11ac. Последний был утвержден совсем недавно по этому его популярность только-только набирает обороты. Чтобы легче разобраться в чем разница стандартов, нужно понять как это работает.

Под нужды беспроводной сети выделена частота 2.4 ГГц, а конкретно небольшой диапазон частот от 2.401 ГГц до 2.495 ГГц (в зависимости от страны). Этот диапазон разделен на 14 частей, называемых каналами, каждый канал занимает ширину 5 МГц (за исключением 14 канала, он смещен на 12 МГц относительно 13 канала).

Распределение каналов для диапазона 2.4 ГГц

Ширина канала используемая в стандарте “G” 22 МГц. То есть при выборе в устройстве 6 канала, несущая частота будет 2.447 МГц а каналы расширения займут по 11 МГц с каждой стороны несущего канала. Это как в радио, между любой радиостанции есть пропуски 400-500 кГц. То есть несущая частота, к примеру радио Сконто — 107,2 МГц а следующей станции 107.7 МГц. На таблице выше указан диапазон 2.4 ГГц и там все должно быть понятным.

В частотном диапазоне 2.4 ГГц существует 3 непересекающихся канала. Это такие каналы, на которых точки доступа будут работать не создавая помех друг-другу, то есть каждая на своей частоте. Когда точки доступа начинают работать на одинаковых частотах, перекрывая друг-друга, создается интерференция, появляется нестабильность в работе вплоть до пропадания связи. Можно представить так, если две радио станции FM будут вещать на одной и той-же частоте. Появится шум, помехи и в итоге вы не услышите четко ни одну радиостанцию.
Ниже приведена диаграмма этих каналов.

Диаграмма непересекающихся каналов 2.4 ГГц

Кстати говоря, не во всех устройствах можно найти 12, 13 и уж тем более 14 канал. Связанно это с законодательствами разных стран. Как уже и говорилось, под нужды вайфай выделен небольшой диапазон частот и в каждой стране он может немного отличатся. К примеру, 14 канал разрешен только в Японии и используя стандарт 802.11b. В США, Канаде и странах Южной Америки 12 и 13 каналы разрешены только с использованием маломощных устройств, что по сути можно считать запрещено. В Израиле 1, 2, 3 и 4 каналы разрешены использовать только внутри помещениях.
Забегая вперед, скажу, что помимо частоты 2.4 ГГц, также используется 5 ГГц (в разработке 60 ГГц). Там количество каналов на порядок больше. Но не все так гладко, об этом ниже и для начала рассмотрим стандарты.

  • 802.11 — изначальный 1 Мбит/с и 2 Мбит/c, 2,4 ГГц и ИК стандарт (1997)
  • 802.11a — 54 Мбит/c, 5 ГГц стандарт (1999, выход продуктов в 2001)
  • 802.11b — улучшения к 802.11 для поддержки 5,5 и 11 Мбит/с (1999)
  • 802.11g — 54 Мбит/c, 2,4 ГГц стандарт (обратная совместимость с b) (2003)
  • 802.11n — увеличение скорости передачи данных (600 Мбит/c). 2,4-2,5 или 5 ГГц. Обратная совместимость с 802.11a/b/g . Особенно распространён на рынке в США в устройствах D-Link, Cisco и Apple (сентябрь 2009)
  • 802.11ac — новый стандарт IEEE. Скорость передачи данных — до 6,77 Гбит/с для устройств, имеющих 8 антенн. Утвержден в январе 2014 года.
  • 802.11ad — новый стандарт с дополнительным диапазоном 60 ГГц (частота не требует лицензирования). Скорость передачи данных — до 7 Гбит/с.
  • 802.11as (предположительно) — новый стандарт, использующий резонаторно-щелевые антенны, работающие на частоте 135 ГГц. Скорости передачи данных — до 20 Гбит/c. Коэффициент усиления антенны равен 5,68 дБ.

Стандарт “G” практически уже уходит с рынка. Он отслужил верой и правдой многим пользователям. На этом стандарте используется частота 2.4 ГГц с шириной канала 20 МГц (4 канала). Максимальная теоретическая скорость 54 Мгбит/с. На практике это 20-23 Мгбит/с.
Сегодня в основном используется стандарт “N”. Он очень непростой, и у многих возникает много вопросов. Во-первых этот стандарт работает на частоте как на 2.4 ГГц так и на частоте 5 ГГц и от этого скорость не поменяется. Во-вторых ширина канала бывает 20 и 40 МГц и в этом случае от ширины канала скорость напрямую зависит. В третьих в этом стандарте применяется технология MIMO (Multi Input Multi Output), по этому некоторые устройства могут иметь от одной/двух до 4 антенн и от этого максимальная скорость меняется.
От стандарта “G” отличается в основном применением другой модуляции, при этом скорость выросла до 75 Мбит/с. Если использовать ширину канала уже не в 20 МГц а в 40 МГц, то скорость вырастет в два раза и уже будет 150 Мбит/с. Но отсюда возникают проблемы. Мы хотим бóльшую скорость и увеличиваем ширину канала, при этом мы сужаем количество непересекаемых каналов. При 20 МГц это было три канала, то при 40 МГц уже не будет даже второго не пересекающего канала. На практике выглядит так. Три точки доступа, работающие с шириной канала по 20 МГц, не имеют проблем с помехами. Как только эти три точки переключили канал на 40 МГц, то сразу появились проблемы с интерференцией отсюда и нестабильность работы.
На скриншотах видно, как это происходит в деле.

Неересекаемые каналы при работе с шириной 20 MHz

Неересекаемые каналы при работе с шириной 20 MHz

Пересекаемые каналы при работе с шириной 40 MHz

Пересекаемые каналы при работе с шириной 40 MHz

Каждая диаграмма это одна точка доступа. Ее высота указывает на уровень сигнала – чем выше диаграмма, тем сильнее сигнал. Ширина такой диаграммы и есть ширина канала точки доступа.
Про разницу между 2.4 ГГц и 5 ГГц расскажу ниже. Если коротко, то на 5 гигагерцах больше свободный спектр использования, по этому рядом могут стоять намного больше устройств и не мешать друг-другу. Главный факт – на скорость это никак не повлияет.

Следующий стандарт IEEE 802.11ac или просто “ac”. Главное отличие от предыдущих стандартов это использование ширины канала до 160 МГц и увеличение количества передающих и приемных антенн (технология пространственного потока MIMO) до 8  штук (комбинация 8×8). Т.к. канал в 160 МГц не поместить в разрешенный спектр 2.4 ГГц, стандарт “ац” работает только на частоте 5 ГГц.
Кроме этого используется другая модуляция что позволяет выжать максимум из одного канала при 20 МГц. Будет применяться и другие технологии типа MU-MIMO и формирование направленного сигнала (Beamforming).

Чем же тогда отличается использование частоты 5 ГГц от 2.4 ГГц? Увеличением спектра частот! Но на скорости это никак не отразится. Все абсолютно тоже самое, только на других частотах По этому мнение о том, что чем выше частота тем быстрее скорость является ложным. И зачем-же тогда нужно менять частоту? Ну во-первых в этом спектре намного больше непересекающихся каналов, целых 19 штук. Первый диапазон от 36 канала и до 64 (5.180 МГц – 5.320 МГц) и второй от 100 до 140 (5.500 ГГц – 5.700 ГГц). Правда почти на все эти частоты наложены различные ограничения, где-то нельзя использовать вне помещения, где-то с определенной мощностью, но в целом свободы больше. Во-вторых, этот диапазон на данный момент практически полностью чист. Чист как от точек доступа, т.к. пока их еще очень мало, которые работают в этой частоте, так и от бытовых устройств (микроволновые печи, радионяни, беспроводные гарнитуры и т.д.. Но с внедрением стандарта “ac” все очень быстро поменяется.
Подводя итог, можно можно сказать в двух словах о разнице между стандартами. Конечно-же это применение разного типа модуляции, что позволяет уместит в один канал побольше данных. Но по по большому счету все сводится к применению большего числа антенн и увеличению ширины канала.

Разница между стандартами g, n, ac

Разница между стандартами g, n, ac

Отходя от темы, хочу сказать пару слов о двух вещах – о скорости и интерференции.
Немного о скорости. Скорость, которую указывают производители на коробках не является реальной скоростью передачи данных. Дело в том, что помимо пользовательских данных существует и служебный трафик, по этому теоретическую скорость можно смело делить пополам. Даже в брошюре от Fluke это указано

Реальная скорость и заявленная

Кроме того, производители иногда указывают сложенную скорость из двух частот. Например, 2.4 ГГц 300 Мбит/сек + 5 ГГц 300 Мбит/сек, итого 600 Мбит И это не в коем случае не означает, что это и будет ваша скорость соединения. А все потому, что устройства клиента работают либо на 2.4 ГГц либо на 5 ГГц но не одновременно на двух частотах. По этому либо 300 на частоте 2.4 либо 300 на частоте 5 делим пополам – получается 150 Мбит. И это при идеальных условиях. Но на эти условия влияют различные факторы. Помимо интерференции, о которой я напишу ниже, скорость может зависеть и от клиентского устройства. Важно чтобы технологию поддерживали как и точка доступа так и клиент. Мобильные устройства, к примеру в “n” стандарте не поддерживают MIMO больше 2×2, по этому скорость соединения будет максимум 150 Мбит. Чаще всего это и вовсе 75 Мбит.
И последнее слово о интерференции. На сегодня весь спектр 2.4 ГГц это мусорная помойка! С ростом числа планшетов мобильных телефонов с желанием посмотреть ютуб и проверить соц. сеть лежа на диване или сидя в туалете, вынуждает людей приобретать беспроводные точки доступа. Никто не заморачивается на настройках, оставляют все как есть тем самым забивая частоты. Но это не все! Нас окружают огромное количество устройств, которые мешают нашим вай фаям. Вы даже не можете себе представить, что это за устройства. А ведь бытовая микроволновая печь тоже работает на частоте 2.4 ГГц. К ней, конечно, нельзя подключится 🙂 но радиошум, который создают печи сильно мешает работе Wi-Fi. Продолжая список – радионяни, беспроводные мыши Bluetooth, современные пульты управления телевизорами (которые с гироскопами и прочими вкусностями), игровые джойстики, всевозможные датчики для сигнализации, радиотелефоны.

Интерференция от не Wi-Fi устройств

К счастью есть выход – 5 ГГц Это как глоток свежего воздуха на улице после выхода из прокуренного бара. Эфир чист как от устройств не стандарта Wi-Fi так и пока что от них самих. В скором времени это конечно поменяется. Пусть и не увеличением точек доступа, работающих на частоте 5 ГГц, но от использования ширины канала. Ну кто-же будет оставлять 20 МГц в “ac” стандарте, если там можно выставить уже сейчас 80 МГц. Ну и пусть, что вайфай нужен в основном для мобильных устройств, которым скорость больше реальных 20 Мбит не нужна да и сами мобильные устройства толком не будут поддерживать такой канал. Вот и получается, что каждый будет выкручивать точку на максимум, а при возникновении интерференции резко упадет стабильность появятся частые обрывы в сети. А это еще хуже, чем стабильные  20 Мбит/сек. Замкнутый круг…

Вот диаграмка, где визуально видно, как быстро забьется частотный диапазон, если использовать ширину в 160 МГц.

Ширина канала в частотном диапазоне 5 ГГц