Wi-Fi 6 во сне и наяву: как новый стандарт избавляет заводы от проводов и почему до глобального внедрения далеко

Итак, IEEE 802.11aх, он же Wi-Fi 6 без индекса Е, — это стандарт, принятый в 2019 году. Он обеспечивает теоретическую пропускную способность до 9,6 Гб/с. Способен работать в старых диапазонах 2,4 и 5 гГц, а основной упор делает на повышение емкости и улучшенную изоляцию подключенных устройств. Это позволит избавиться от замусоренности каналов, как это было в 802.11n.

В мир приходят такие замечательные вещи, как OFDMA и улучшенная MU-MIMO.

Технология OFDMA позволяет более эффективно использовать спектр радиочастот, за что особенно благодарны сервис-провайдеры: теперь они смогут упаковать свои тяжелые видео в 4−8K в сигнал «по воздуху» и уменьшить задержки. Адептам IoT в то же время больше не придется опасаться, что 40 «умных» лампочек в квартире, которым обязательно нужен доступ в интернет, будут драться за каждый свободный кусочек радиополосы с чайником и микроволновкой.

MU-MIMO же позволила нам превратить точки доступа в ощетинившегося антеннами ежа, благодаря чему каждая антенна работает с отдельным подключенным девайсом. Это повысило пропускную способность. Теперь точка доступа не раздает всем устройствам в доме пакет с данными для одного телефона, выстраивая остальные девайсы в очередь для ожидания своих пакетов. Роутер тихо-мирно отправляет курьеров к каждому устройству, не беспокоя остальные.

Из менее важных, но все еще интересных нововведений стоит отметить:

В 2020-м в Wi-Fi Alliance решили, что нужно усилить эффект от Wi-Fi 6, введя Wi-Fi 6E, не принимая новое название стандарта. Главное изменение, достойное нашего внимания, — это переход на новую частоту 6 гГц. Спросите, зачем, если при повышении частоты сигнал начинает распространяться хуже? Тогда взгляните, для каких пространств Wi-Fi 6 будет наиболее эффективен.

Это расширение было нужно, чтобы ответить на крайне важный вопрос: как раздать Wi-Fi в просторном помещении, где очень много людей? Любой инженер по радиосвязи скажет вам, что это святой Грааль и нашедший правильный ответ обретет вечную славу. Вспомните, как это было раньше: идете на стадион или массовое гуляние, заходите в толпу и тут же остаетесь без сотовой связи. Причина была в том, что вышки не справлялись с таким количеством желающих подключиться. Со временем GSM-станции научились обслуживать большие потоки (хотя и не без временного развертывания дополнительных мощностей), а вот с Wi-Fi проблема оставалась, его нужно было сделать стабильнее.

На Хабре уже было несколько постов о том, как разворачивают беспроводные сети на стадионах, и каждый раз это был дорогой вау-проект. Чтобы это перестало быть «вау» и стало доступно, инженеры решили ввести новый диапазон с огромным количеством новых каналов и возможностью работать с большим количеством не мешающих друг другу подключенных устройств.

Для Wi-Fi ситуация уникальная, так как до этого все его развитие заключалось в гонке за высокой скоростью. Похоже, физику снова не удалось обмануть, и было решено оптимизировать использование уже имеющихся технологий.

Дело тут не только во все повышающейся модуляции или еще более плотной нарезке каналов, что, несомненно, важно. Инженеры решили пересмотреть саму структуру дата-фреймов, которые раньше могли быть по 256 байт с неприличным оверхедом из служебной информации. К чести IEEE, удалось сохранить совместимость с 802.11a/b/g/n/ac.

Это порождает другую интересную особенность: обновить устройство до Wi-Fi 6, накатив патч от вендора, не получится. Нужны новые чипы, которые начинают выпускаться еще до того, как стандарт финализируют. Просто потом эти чипы автоматически попадают под сертификацию.

Как же тогда будет работать обратная совместимость? Со старыми точками связь будет устанавливаться через OFDM или HR-DSSS, а с 802.11ax — строго по OFDMA. Когда в эфире будут OFDMA-сигналы, классические механизмы отслеживания возможности послать сигнал RTS/CTS будут ожидать своей очереди.

Получается, для полноценного перехода понадобятся не только новые точки доступа, но и новые клиентские устройства. Это главный фактор, не позволяющий моментально внедрить Wi-Fi 6 везде. Но пальма первенства все равно у клиентских устройств — новые смартфоны покупают часто, а установить в них новые чипы вместо старых, чтобы это не сильно сказывалось на цене, просто. Особенно благодаря компании Broadcom, которая выпускает львиную долю чипов на все случаи жизни.

А вот домашние роутеры с Wi-Fi 6 стоят раза в 2–3 дороже, чем их предшественники времен 802.11ac. Объяснить простому пользователю, зачем покупать нового ежа за 15 000, сложно, — с большей вероятностью человек купит модель на Wi-Fi 5 и сэкономит 10 000. К тому же мало кто покупает новый роутер, пока старый работает. Вся надежда на интерпрайз и сети предприятий.

Помните, выше мы говорили про стадионы и IoT? Так вот, если у вас есть производство с цехом площадью в пару стадионов, непременно возникнет вопрос организации связи между станками, датчиками и приборами у персонала. Скорее всего, выбор будет стоять между «развесить много Wi-Fi-точек» и «проложить десятки километров кабелей».

Первое проще и разумнее, но беспроводные технологии должны обеспечивать скорость и стабильность витой пары и оптики. Проблемы с сетью дома, скорее всего, закончатся развалившимся кадром в телевизоре, а вот на производстве они могут принести многомиллионные убытки из-за запоздалой реакции одной из систем. Так что ждем Broadcom, Qualcomm и Intel. Ожидается, что общий рынок чипов Wi-Fi 6 к 2022 году достигнет оборота в 1 млрд выпускаемых девайсов.

OFDMA — это многопользовательская версия старого доброго мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).

То есть если раньше модуляция просто обеспечивала хороший и стабильный канал связи, то теперь она еще и нарезает его на независимые участки, которые работают, не мешая друг другу. Они называются RU (Resource Unit), и за их распределение отвечает точка доступа. Это позволяет многократно повысить стабильность и скорость связи в условиях плотного размещения клиентов.

Фактически теперь мы можем одновременно отправлять фреймы сразу нескольким пользователям, что было невозможно в предыдущих версиях стандарта.

Например, классический канал в 20 Гц можно нарезать на девять подканалов и в один момент времени передавать фреймы сразу девяти клиентам. Но Wi-Fi Alliance будет тестировать одновременную передачу четырех RU с использованием OFDMA как на даунстриме, так и на апстриме.

Возникает вопрос: на каком размере RU у нас будет максимальный выигрыш при использовании OFDMA? Если отвечать в общем, то OFDMA показывает лучшие результаты при маленьких RU. На том же самом канале в 20 МГц точка доступа может нарезать 26, 52, 106 или 242 поднесущих RU. Данное распределение не статическое, а выполняется в зависимости от обстановки. Например, можно одновременно работать с одним 802.11ax-клиентом на 8 МГц и двумя 802.11ax-клиентами, использующими подканалы 4 МГц. И все это работает в обоих направлениях!

Теперь про упомянутую в начале MU-MIMO. Это тоже добротная переработка уже известной технологии. Ее представили во времена Wave-2 802.11ac, но только для даунлинка. А теперь можно расширить поддержку и для аплинка. Однако работающая MU-MIMO встречается довольно редко, так что широкое внедрение еще впереди.

Малая распространенность может быть связана с физическими проблемами: клиенты должны быть разнесены в пространстве. В условиях офисов (и тем более залов), где плотность достигает нескольких девайсов на метр, достичь такого сложно. С другой стороны, технология формирования узкого луча требует внесения дополнительного оверхеда для и так перегруженных пакетов. Так что MU-MIMO во всей своей красе может показывать себя в условиях, где мало клиентов и нужна большая пропускная способность.

Кто из них важнее — OFDMA или MU-MIMO — это вопрос про борьбу кита и слона. Одна технология повышает эффективность, другая — емкость. Одна уменьшает задержки, другая повышает скорость. OFDMA хороша для маленьких пакетов, а MU-MIMO — для больших. Так что решать вам.

Можно рассказать про BSS Coloring, но про это уже многое написано, так что здесь мы его затронем вскользь. Основная решаемая проблема — дать возможность разным точкам работать на одинаковых каналах с разными клиентами и не мешать друг другу. Для этого было решено метить пакеты «свой/чужой», как это делалось со времен старого доброго VLAN. Дополнительно появятся механизмы, позволяющие снижать мощность передаваемых сигналов в обмен на привилегированный доступ к радиоканалу. Если хочется кровавых технологических подробностей, лучше пройдите по ссылке выше. Там можно узнать и про затухания, и про структуру пакетов, и про выбор наилучшей точки доступа, и про все остальное.

А вот о чем еще действительно стоит поговорить, так это о самом частотном спектре. Почему было решено вернуться на родные 2,4 гГц и что там с лицензированием?

Ответ на первый вопрос лежит на пересечении областей экономической выгоды от производства конечных устройств, условий распространения сигнала (физику еще никто не отменял) и новых возможностей по уплотнению используемых каналов. Количество устройств растет в геометрической прогрессии, а доступных для связи частот больше не становится. Так что бросать хорошо изученный диапазон было бы странновато: там, конечно, свалка, но на ней можно прибраться.

В общем случае подходов к использованию доступного частотного ресурса два: либо делим его на максимально широкие участки и обеспечиваем большую скорость малому количеству участников (каналы шириной 160 МГц передают привет), либо нарезаем диапазон максимально мелкой лапшой, чтобы его участники не мешали друг другу.

Второй вариант накладывает серьезные обязательства по эффективному использованию каждого канала. Не то чтобы в первом варианте их не было, но там они не так критичны. А гибкость нового стандарта, обеспечивающего динамическое масштабирование под текущие условия, становится его главным преимуществом.

Возьмем классическую кампусную сеть: много студентов и сотрудников (реальная цифра — 20 000 человек), высокая плотность размещения клиентских устройств, а значит, просадка скорости.

Теоретически он может работать в новых полосах около 6 гГц, однако понимания с контролирующими органами в самых разных странах пока не найдено: радиочастотный спектр нарезан очень плотно, и, чтобы выделить новые частоты одним, надо запретить их использование другим и обеспечить это на технологическом уровне. Погодные радары, например, не перепрыгнут по щелчку пальцев на пару гигагерц в сторону.

Теперь про контролирующие органы. В 2008 году FCC (американский аналог российской ГКРЧ) задумалась о расширении спектра для Wi-Fi и передачи ему диапазона 6 гГц. Сейчас там частично обитает спутниковая связь. Ключевое слово — «частично», было целое расследование, в результате которого подтвердили, что новые частоты можно передать в пользу Wi-Fi и спутниковая связь от этого работать не перестанет. В итоге 23 апреля FCC проголосовала «за» и одобрила использование нового диапазона.

Осталось решить две проблемы: производители чипов должны начать выпускать новое оборудование и надо что-то делать с теми, кто исторически находится в этом диапазоне. По злой иронии, часто там можно найти представителей экстренных служб. В других странах новый диапазон еще закрыт. В России Минкомсвязь уже подготовила документ с требованиями к оборудованию Wi-Fi 6 для сертификации, а там, глядишь, и до 6 гГц дело дойдет.

Получается вот такой интересный набор технологий, который должен работать как единый механизм. OFDMA будет оптимизировать передачу каждого фрейма, BSS Coloring позволит точечно работать с каждым устройством, а не заполнять весь радиоэфир, MU-MIMO повысит емкость каналов.

И все это будет невозможно без поддержки со стороны покупателя. Пока не наберется критическая масса клиентских устройств, изменений мы не заметим. Но все-таки и Wi-Fi 6 не прямая замена Wi-Fi 5. Это две разные технологии беспроводной связи, каждая из которых предназначена для своего рынка.

Можно посмотреть на примере решений, внедренных Cisco.

Большое количество устройств влечет за собой большое их разнообразие, включая редкие и непопулярные контроллеры, создатели которых не утруждают себя следовать требованиям стандарта. Ну и конечно же, вечная проблема с обновлением самих точек, поиск узких мест в радиопокрытии и возможность реагировать на возникающие проблемы только в реактивном режиме. Никакой предиктивности. Словом, типичная сеть, где царит хаос, который надо как-то устранять.

В качестве мозгового центра возьмем контроллер Cisco Catalyst серии 9800. Он умеет подключать новые точки доступа без прерывания сетевого сервиса, находит злонамеренное ПО в зашифрованном трафике (ETA) и проверяет подключенные устройства, убеждаясь, что они не взломаны и не выдают себя за что-то другое. Вдобавок поддерживает набор API для интеграции и создания многоуровневой автоматизации.

К нему добавим Cisco Catalyst серии 9100 Embedded Wireless Controller, а в качестве точек доступа можно использовать Cisco Catalyst серий 9115, 9120, 9130. Все они полноценно поддерживают Wi-Fi 6 и технологию Embedded Wireless Controller, которая управляет точкой доступа изнутри, без необходимости покупать и обслуживать отдельный беспроводной контроллер. Это подходит для распределенных сетей и организаций с ограниченным IT-ресурсом. С помощью EWC можно в несколько шагов запустить сеть из мобильного приложения.

В качестве свитчей можно использовать что-то из серии Cisco Catalyst 9k.

Чтобы автоматизировать сеть, берем в оборот Cisco DNA Center и Assurance. Эти решения переведут администраторов из консолей в наглядный веб-интерфейс, через который можно контролировать систему, самостоятельно распределяющую нагрузку на компоненты сети. Она заранее сообщает оператору о возможных проблемах и вариантах их решения. По сути, это проактивный поиск неисправностей и автоматизация управления сетью.

Точки доступа доставляют в DNA Center глубокую аналитику о состоянии радиоэфира, сети и клиентских устройств. В результате сеть диагностирует себя и показывает аномалии. Открытие доступа для групп пользователей происходит с учетом контекста подключения. Подсвечивается тип устройства, степень безопасности подключения, запрашиваемое приложение, роль пользователя и т.д.

Подобные проекты уже были реализованы в Университете штата Калифорния в Сан-Хосе, Университете Вуллонгонг и некоторых других учебных заведениях.

Это про «классические» сетевые проблемы. Есть и более интересные примеры. Недавно в содружестве с компанией Canary Wharf Group, которая владеет недвижимостью в Англии (бизнес-центры, отели и жилые дома), Cisco анонсировали проект OpenRoaming.

Суть в следующем: вместо 4G и 5G пользователи будут автоматически подключаться к Wi-Fi-сети с бесшовным роумингом между точками доступа без необходимости переподключаться, вводить пароли или делать что-либо еще. То есть это не просто переключение с мобильной сети на Wi-Fi, как это происходит сейчас, а передача идентификатора пользователя и всех его политик связи между сетями. Именно за счет этого и будет достигаться бесшовность связи.

Чтобы понимать масштабы: у Canary Wharf Group примерно 120 000 сотрудников, 170 000 посетителей за неделю и около 4300 объектов, где нужно развернуть эту функцию. Концепт продемонстрировали еще в феврале 2019 года на MWC Barcelona, а сейчас все проходит обкатку на реальных объектах. Так что ждем и надеемся на скорый релиз.

Закончим рассказ историей успеха Mettis Aerospace. Это тот самый случай, когда на производстве устали закупать тонны кабелей, решив дать шанс беспроводным решениям. Mettis Aerospace — поставщик деталей для Airbus, Boeing и Rolls-Royce, так что производство у них нешуточное. Под тестовый стенд компания выделила один из своих производственных объектов в Великобритании площадью 11 гектаров. На самом верхнем уровне задача была стандартной: обеспечить сквозную связь между всеми этажами здания, включая производственную часть.

Наибольшее внимание уделили надежности связи между производственными линиями и центральной системой мониторинга. Было нужно без проводов достичь минимальных задержек с возможностью приоритизации трафика. В качестве тестов гоняли видеотрансляции с производства в 4K, собирали метрики с IoT-датчиков и проверяли непрерывность работы оборудования в переговорках, параллельно передавая тяжелые файлы.

Одновременно с этим проводились тесты по использованию дополненной реальности в условиях масштабного производства. Для этого каждому задействованному устройству нужен стабильный видеопоток.

Тесты на предыдущих поколениях Wi-Fi проваливались, но с Wi-Fi 6 из оборудования удалось выжать стабильные 700 Мбит/с при использовании каналов в 80 МГц. Средняя задержка составила 6 мс, что весьма достойный результат. В тестах были задействованы точки доступа Catalyst серии 9100, сконфигурированные в сторону максимальной стабильности сигнала.

К слову, в том же регионе сейчас обкатывают сеть 5G, так что ждем новостей о других интеграциях.