Какие виды Wi-Fi-сетей существуют?

Сети Wi-Fi играют важную роль в современном технологическом мире: к сетям Wi-Fi подключены миллиарды устройств. Уже сегодня большинство подключений к Интернету в мире происходят именно через беспроводные сети. По данным Juniper Research, к 2019 г. через них будет проходить 60 % мобильного трафика. Глобальный рынок Wi-Fi вырастет с $14,8 млрд в 2015 г. до $ 33,6 млрд к 2020 г. С распространением интернета вещей и автомобильных хотспотов сети Wi-Fi станут основным связующим звеном информационного пространства. Для большинства пользователей слово Wi-Fi — это синоним подключения к Интернету. Но на самом деле Wi-Fi является стандартом беспроводного подключения к локальной сети. Проще говоря, Wi-Fi — это связующее звено, способное объединять множество устройств с маршрутизатором (роутером), который может быть подключен к Интернету. При этом не нужны провода и есть возможность подключения "на лету", например во время пешеходной прогулки или езды на велосипеде.

 

Разные принципы, общая цель

Wi-Fi-сети могут строиться по разным принципам, в зависимости от задач, которые решает та или иная беспроводная сеть. Есть три основных принципа, по ним строится большинство Wi-Fi-сетей всех масштабов.

Точка доступа (Access Point, или сокращенно AP) является наиболее распространенным типом соединения. Используется дома или в офисах в виде сочетания беспроводной точки доступа и маршрутизатора. Обычно такие сети Wi-Fi предназначены для доступа в Интернет, но могут выполнять и другие задачи, например организовывать локальную сеть без доступа во Всемирную паутину. Точка доступа похожа на театр: множество зрителей (клиентских устройств) получают информацию от одного актера (точки доступа).

 

Фото 1: Принцип построения точки доступа Wi-Fi

 

Подключение имеет следующую структуру:

• маршрутизатор назначает IP-адреса и обеспечивает брандмауэр между сетью и Интернетом;
• беспроводная точка доступа (AP) создает беспроводной мост между маршрутизатором и устройствами пользователей;
• устройства пользователей — планшеты, смартфоны, ПК.

В небольших сетях маршрутизатор и точка доступа часто объединены в одном устройстве. Доступ в Интернет осуществляется с помощью кабеля или мобильных сетей 3G, 4G. В больших офисах используется множество точек доступа для равномерного покрытия беспроводной сетью всей площади офисного помещения. Также точки доступа могут иметь специальное исполнение для установки на улице, транспорте.

 

Соединение точка-точка (Point to Point, P2P) используется для беспроводной связи двух маршрутизаторов, когда нужно объединить две локальные сети или два ПК. Такое соединение можно использовать, например для соединения двух домов на расстоянии больше 100 м.

Фото 2: Рядовое оборудование для сетей точка-точка можно использовать для расстояний около 100 м в зоне прямой видимости

 

Обычно соединение точка-точка применяется для связи двух компьютеров или двух точек доступа на большом расстоянии. Для дальности свыше 500 м используются секторные, параболические или панельные направленные антенны. При стоимости примерно $300 такие антенны обеспечивают дальность передачи беспроводного сигнала в 5-10 км на частоте 5 ГГц (в режимах FDD, TDM).

Фото 3: . Устройства с направленными антеннами и мощными передатчиками позволяют организовать соединение точка-точка на расстоянии более 1 км

 

Соединение точка-точка может состоять из цепочки приемников и передатчиков. Таким образом можно передавать сигнал Wi-Fi на большое расстояние в условиях, когда прокладка кабелей затруднительна. Примером может служить Wi-Fi-сеть Napo Network в Перу. Она имеет протяженность 445 км и связывает 15 медицинских учреждений в сельской местности, окруженной джунглями. В таких ретрансляционных сетях (радиомостах) из-за больших задержек при передаче данных неприменим обычный сетевой метод доступа CSMA-CD, поэтому используются специальные режимы работы передатчика и приемника сигнала. Так, режим FDD имеет частотное разделение сигнала: приемник и передатчик работают на разных частотах и не мешают друг другу. В режиме TDM передатчик и приёмник работают на одной частоте в режиме полудуплекса (передача и приём разделены временными интервалами). Для избежания коллизий в TDM-радиомостах требуется чёткая синхронизация времени, часто для этого используется сигнал от GPS.

Фото 4: Сеть Napo Network, Перу

 

Радиомосты, размещенные на крыше зданий, используются только для передачи сигнала к другим домам в пределах прямой видимости. Обычно они не могут обеспечить качественный Wi-Fi-сигнал внутри зданий из-за несовместимости технологий и существенного затухания сигнала. Соединение точка-мультиточка (Point to Multipoint, P2MP) использует один мощный передатчик, который транслирует сигнал Wi-Fi множеству пользователей. Обычно такая схема подключения используется провайдерами для предоставления услуг доступа в Интернет. Подключение точка-мультиточка имеет следующую структуру:

• модем с доступом в Интернет;
• точка доступа с мощной всенаправленной антенной для трансляции сигала Wi-Fi;
• клиентские принимающие устройства, которые передают сигнал на беспроводную точку доступа пользователя.

Фото 5: Соединение точка-мультиточка позволяет подключить к сети множество пользователей на значительной площади

 

Соединение точка-мультиточка широко применяется в условиях города, например для организации сети видеонаблюдения, в которой видеокамеры могут быть удалены от операторского центра на километры. Чаще всего соединение P2MP используется для беспроводного доступа в Интернет и IP-телефонии.

Количество абонентов в сети точка-мультиточка зависит от характеристик оборудования и требуемой скорости подключения у каждого из конечных пользователей. Количество абонентов ограничено пропускной скоростью базовой станции, подключенной к основному сетевому ресурсу (сервер, Интернет). Рост количества абонентов ведет к снижению скорости доступа в сеть у каждого из абонентов, подключенного к своей точке доступа. Также скорость доступа снижается вместе с падением уровня сигнала.

Небольшие точки доступа оборудованы низкопроизводительным чипсетом поэтому обычно обеспечивают скорость около 50 Мбит/с и обслуживают 10-15 абонентов.

Когда нужно обеспечить связью большее количество абонентов или обеспечить надежную связь на сложном рельефе местности, применяют производительные точки доступа с секторными антеннами. Они направляют все излучение точки доступа в сторону абонентов в пределах сектора от 30 до 180 градусов. Это позволяет повысить качество связи при той же или меньшей мощности передатчика. Например, точка доступа Edimax EW-7303APn V2 со встроенной секторной антенной обеспечивает скорость до 150 Мбит/сек (802.11n, 2,4 ГГц). Усиление антенны 15 дБм обеспечивает устойчивый приём сигнала в секторе 90 градусов на дальности до 500 м.

Фото 6: Точка доступа Edimax EW-7303APn V2 со встроенной секторной антенной

 

Сети точка-мультиточка с секторными антеннами и множеством точек доступа способны обслуживать до 1000 абонентов. Часто, такие сети развёртывают для обеспечения общественного доступа в Интернет в торговых центрах, аэропортах, вокзалах. Для повышения пропускной способности применяются принцип «микросоты» — увеличивается плотность установки точек, работающих на пониженной мощности.

Высокая пропускная способность Wi-Fi может использоваться операторами мобильной связи для разгрузки сетей (Wi-Fi-offload). Передача данных со смартфонов производится через Wi-Fi сеть, а весь радиодиапазон GSM/3G резервируется под «голос». Регистрация смартфонов в сети осуществляется по протоколу SIM-EAP (на основе номера сим-карты). Такой подход распространён в Европе, однако при проектировании такой Wi-Fi сети приходится сталкиваться со сложностями организации биллинга.

 

Сеть MESH – это концептуально новый подход к Wi-Fi. По-сути - это схема подключения мультиточка-мультиточка. MESH не требует проводов, точки доступа подключают друг к другу по радио. Таким образом, можно быстро и не дорого «накрыть» сетью Wi-Fi большие пространства. Существуют разные подходы к проектированию такой сети. Наиболее популярный — это использование Wi-Fi точек с 2-мя или 3-мя независимыми радиоинтерфейсами. Один из них (чаще 2,4 ГГц) используется для подключения клиентских устройств. Второй (5 ГГц) — для поддержания транспортной сети, связи с другими точками доступа MESH. Маршрут к Интернет-шлюзу может быть задан жёстко администратором или могут использоваться динамические протоколы маршрутизации (802.11k, RIP, OSPF) для выбора оптимального маршрута с учётом динамической загруженности каналов.

Фото 7: Один из примеров смешанной сети, построенной на устройствах в режиме Ad-Hoc

 

Примером может служить сеть, которая основана на беспроводных узлах, установленных на крышах зданий. Эти узлы разделяют все ресурсы, такие как местные серверы, приложения и подключения к Интернету. Узлы могут подключаться к ПК, маршрутизаторам, точкам доступа внутри и вне зданий. Пользователи могут получить доступ к ресурсам сети из любого места, куда "добирается" сигнал Wi-Fi. В реальных условиях для проектирования крупной Wi-Fi-сети обычно приходится применять гибридные решения, которые используют несколько принципов построения беспроводных сетей. Спроектировать и развернуть такую сеть сложно, поэтому для создания надежной Wi-Fi-сети всегда пользуются услугами специалистов.

 

 

Старые стандарты Wi-Fi-сетей

Беспроводная связь Wi-Fi получила зеленый свет в 1985 г., когда частоты 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц были открыты для свободного использования без лицензии.

Фото 8: Поколения стандартов Wi-Fi

 

Стандарт 1-го поколения IEEE 802.11 обеспечивал скорость до 2 Мбит/с на дальности до 20 м внутри помещений. Основным недостатком было использование частот 2,4 ГГц, на которых присутствуют помехи от бытового и промышленного оборудования. Стандарт 802.11b: та же частота 2,4 Ггц, но скорость выросла до 11 Мбит/с. Это был первый массовый стандарт, который вывел Wi-Fi на глобальный рынок. Стандарт 802.11a/g работает в диапазоне 2,4 ГГц, как 802.11b, но при этом использует более быстрое OFDM стандарта 802.11a. Скорость выросла до 54 Мбит/с. Современный стандарт 802.11n имеет скорость до 600 Мбит/с и дальность внутри помещений до 70 м. Использует антенные системы MIMO, работает на частоте 2,4 ГГЦ. Опционально он может работать на 5 ГГц, что экономит ресурс батарей у мобильных устройств. На его базе был создан стандарт IEEE 802.11ac-2013.

 

Будущие стандарты Wi-Fi-сетей —  больше устройств, выше скорость

В мае 2015 г. Минкомсвязи РФ утвердило стандарт 802.11ac, который имеет канал шириной 80 МГц и обеспечивает скорость беспроводной передачи до 1300 Мбит/с.

Фото 9: Точка доступа дальней связи Edimax WAP1750 3x3 MIMO. Стандарт 802.11ac

 

Весной 2015 г. на рынке появились первые устройства стандарта 802.11ac Wave 2. Этот стандарт имеет скорость передачи данных до 3,47 Гбит/сек, более широкий канал связи (160 МГц) и использует программную технологию Multi-User MIMO. Алгоритмы MU-MIMO обеспечивают передачу нескольких потоков данных разным пользователям, а не последовательно от пользователя к пользователю, как в обычной технологии SU-MIMO. Поскольку исчезают очереди на доступ, а данные обрабатываются одновременно, MU-MIMO резко повышает эффективность использования частоты. В отличие от старых технологий, MU-MIMO не делит общую скорость канала на количество клиентских устройств, а позволяет обеспечить максимальную скорость канала для всех устройств. MU-MIMO требует более сложных алгоритмов обработки данных и больше вычислительных ресурсов, но максимально реализует преимущества многоантенных систем. В конечном итоге стандарты Wi-Fi с MU-MIMO позволят увеличить масштаб беспроводных сетей и увеличить их пропускную способность. Это особенно важно для Интернета вещей.

По прогнозам зарубежных экспертов, массовый переход на решения 802.11ac Wave 2 состоится в течение нескольких лет, когда появится множество клиентских устройств с поддержкой MU-MIMO.

Многообразие принципов построения Wi-Fi -сетей, множество стандартов и наименований оборудования требуют профессионального участия при проектировании и развертывании беспроводных коммуникаций. Без квалифицированных специалистов велик риск ошибиться при выборе оборудования и потерять время и деньги.

 

 

Смотрите также:

• Из чего состоит Wi-Fi сеть?
• Как построить Wi-Fi сеть?
• Реклама в Wi-Fi сетях