Подробности о Wi-Fi 6

APC

Сегодня речь пойдет о новом беспроводном стандарте IEEE 802.11ax, также известном как Wi-Fi 6. Вы узнаете от Денисова Павла, системного инженера московского офиса компании Extreme Networks, чем объясняется смена его названия, чем хороша эта технология, какие возможности она открывает и почему для нее были разработаны отдельные решения.

Переименование стандартов

С приходом шестого поколения стандарта Wi-Fi была введена новая система наименований. В 2018 году произошло переименование: стандарт 802.11n получил название Wi-Fi 4 (стандарт четвертого поколения), стандарт 802.11ac стал стандартом Wi-Fi 5, а стандарт 802.11ax – стал стандартом Wi-Fi 6. Новая система наименований более интуитивна и позволит покупателям принимать более взвешенные решения при выборе Wi-Fi технологий.

В рамках стандарта Wi-Fi 4 диапазон был расширен с 20 до 40 МГц, а в стандарте Wi-Fi 5 - с 80 до рекордных 160 МГц. Все это было необходимо для того чтобы увеличить скорость обработки. К сожалению, на практике это не принесло ожидаемых результатов. Исследования показывают, что 75% доступных частот заняты управляющими кадрами и процессами управления сетевым трафиком. И хотя каждый из этих процессов по отдельности занимает не более 256 байт, в большом количестве они могут значительно снизить производительность. Пользователям в больших сетях редко требуется высокая скорость, но от них поступает большое количество запросов. Эффективность и качество работы сети значительно повышается, когда она использует каналы 20 МГц.

Стандарт Wi-Fi 6 предлагает кардинально новый подход к решению этой проблемы. В данном стандарте частота 20 МГц разделяется на небольшие субчастоты по 2 МГц каждая. Управляющие кадры выделяют пользователям необходимое количество частот в зависимости от их нужд. 

Единая частота 20 МГц - это словно шоссе с одной полосой. Если полоса занята даже небольшой единицей информации, другая информация не может одновременно “проехать” по этой полосе. В стандарте Wi-Fi 6 шоссе, наконец-то, разделено на несколько полос поэтому и большие, и малые объемы информации могут проезжать по нему одновременно.

На следующем слайде представлена история развития технологии Wi-Fi. Первый стандарт появился в конце 90-х годов. 

Со временем появились более высокоскоростные стандарты. Стандарт третьего поколения 802.11n привел не только к увеличению пропускной способности беспроводного канала, но и к заметному увеличению численности клиентов, которые стали этим стандартом пользоваться: появились смартфоны, планшеты, это привело к увеличению спроса на технологии беспроводной передачи данных.

802.11ax или Wi-Fi 6

Что общего во всех этих беспроводных стандартах? Когда речи идет о беспроводных сетях связи, то основная проблема в полудуплексной радиосреде заключается в том, что все клиенты вынуждены соперничать друг с другом за доступ к этой среде. В каждый момент времени только один клиент в беспроводной сети может передавать или принимать данные, соответственно все они постоянно соревнуются за доступ к радиосети. При этом не важно какой стандарт поддерживает клиент, не важно и какую информацию он собирается передавать. Если точка доступа обладает мощным передатчиком и использует всенаправленные антенны, то зона покрытия увеличивается, одновременно растет число клиентов, которые подключены к этой точке доступа, т.е. имеют возможность передать данные, а значит и увеличивается количество конкурирующих устройств за доступ. И чем больше конкурирующих устройств, тем сильнее увеличивается утилизация канала, тем сложнее становится получить шанс передать или получить информацию.

Ситуация усугубляется еще и тем фактом, что в современных сетях клиенты не так часто проводят модернизацию своих беспроводных устройств и по сих пор с легкостью можно встретить у пользователя устройства, поддерживающие стандарт 802.11 – a, b, g. В чем проблема, связанная с этими устройствами? 

Они не поддерживают скоростные модуляции, эти клиенты не смогут получить высокую скорость передачи данных. Основная проблема заключается в том, что конкретный клиент также будет конкурировать с другими клиентами беспроводной сети за доступ к среде передачи данных. И если он в этой конкуренции когда-то наконец-то получит доступ, а поскольку у его небольшая скорость передачи данных, он надолго захватит канал связи, много дольше, чем потратят на это времени современные клиенты.

Если мы попытаемся оценить, чем же беспроводная сеть загружена, что передают пользователи, даже не опускаясь на уровень приложений, мы увидим безрадостную картину: большинство кадров, передаваемых по беспроводной сети, имеют достаточно небольшой размер, который представлен на следующем слайде.

Порядка 80% пакетов кадров сети имеет размер менее 256 байт, хотя технология поддерживает передачу кадров бОльшего размера, но клиенты поддерживают пакеты такого размера. Если вcпомнить какая избыточность заложена в протоколе Wi-Fi, то там есть подтверждение передачи и большое количество других служебных кадров, которые занимают радиосреду. Также есть протокольная избыточность на уровне кадра: большие заголовки и другие параметры, то эффективность использования беспроводного интерфейса достаточно невелика в сегодняшних сетях. Еще один усугубляющий ситуацию момент, все устройства в современной Wi-Fi-сети имеют один уровень, ни одно из устройств не является приоритетным, все одинаково конкурируют за доступ. И никакого устройства регулирующего эту ситуацию нет.

Конкуренция за доступ

Существует три основных типа конкуренции. Самый первый и очевидный приведен в левом углу следующего слайда.

В этом виде конкуренции есть одна точка доступа и подключенные к ней клиенты конкурируют друг с другом за доступ. 

В правой части слайда приведен второй вариант такой конкуренции, в данном случае есть две точки доступа, но они работают на одном и том же канале, однако находятся недалеко друг от друга и могут «слышать» передачу друг друга. Эта ситуация возникла вследствие неправильного дизайна, это ошибка инженера, занимавшегося проектированием этой беспроводной сети. И эти точки доступа начинают конкурировать за доступ к среде, более того, клиенты этих точек также конкурируют за доступ к радиосреде, для них же это один и тот же диапазон частот. Таким образом возник большой домен коллизий, состоящий из двух частей.

Третий вариант борьбы за доступ к среде представлен в левом нижнем углу слайда, здесь также есть две беспроводные точки доступа, работающие на одном канале и разнесенные далеко друг от друга, они друг друга не слышат, но клиенты, находящиеся на границе каждой из этих точек, отлично слышат друг друга. Так же мы замыкаем эти два домена коллизий в один, но не на уровне точек доступа, а через клиентов, но результат оказывается точно такой же. Объединение коллизионных доменов приводит к тому, что эффективность работы беспроводной системы заметно снижается.

Современные стандарты беспроводной связи поддерживают возможность объединение каналов в одну логическую группу и использование этих групп для передачи информации.

В зависимости от стандарта и желания можно объединить до 8 каналов в одну логическую группу и использовать ее для передачи данных, несмотря на техническую возможность осуществления такой группировки, это не является рекомендованным подходом для построения корпоративных решений. Это не рекомендуется по причине того, что количество каналов даже в диапазоне 5 ГГц не так велико. Если мы увеличивает ширину канала за счет такой группировки нескольких каналов в один, с одной стороны, мы увеличиваем теоретическую скорость передачи данных, но с другой стороны - снижаем доступное количество каналов, нам сложнее становится проектировать беспроводную сеть.

Есть и другой, не столь очевидный момент, и на следующем слайде слева дана спектрограмма, снятая в реальной сети у заказчика, у которого использовалась группировка каналов. 

В нижней части левой картинки каналы с 36-го по 48-й имеют загрузку, эти каналы были сгруппированы вместе, когда клиент использовал 80-ти мегагерцовый канал связи. Если посмотреть на утилизацию, то 36-й канал – основной для данной группы имеет ярко выраженную красную окраску, это значит что его утилизация велика, а 40-й канал загружен существенно меньше, 44-й – еще меньше, а 48-й канал практически не загружен.

В чем основная проблема такой группировки каналов? Если перегружен основной канал в группе, то остальные каналы не могут быть загружены также, т.е. клиент не сможет получить доступ к канальной группе и не важно в каком состоянии заходятся остальные каналы, входящие в группу. Возможно в этой сети было много старых клиентов, не поддерживающих группировку каналов. Клиенты заказчика жаловались на плохое качество услуги. Сетевой инженер предложил простое решение: он разбил канал 80 МГц на четыре 20 мегагерцовых канала, добавив еще 3 точки доступа, при этом снизилась скорость передачи данных за счет уменьшения ширины канала, но был разделен один домен коллизий на четыре части. В результате в правой части слайда появилась совсем «не красная» загрузка каналов с 4-мя точками доступа, работающих на тех же самых каналах. Как видно, утилизация этих канало снизилась и распределилась более равномерно по всем четырем каналам. В результате использование более узкого канала связи, дающего меньшую скорость передачи данных или меньшую полосу пропускания достаточно часто приносит больше пользы, чем вреда.

Предыдущие стандарты Wi-Fi обладают существенным недостатком, если в сети много медленных клиентов, при этом не важно какой скоростью обладает ваш клиент, вы вынуждены ждать до того момента как он закончит передачу, если занят основной канал, то дополнительные каналы пользы не принесут.

Цель, поставленная перед разработчиками Wi-Fi 6 заключалась в повышении эффективности беспроводной сети и сделать загрузку более прогнозируемой.

Что появилось нового в 802.11ax

Одно из основных новшеств Wi-Fi 6 – использование технологии OFDMA. В предыдущих стандартах Wi-Fi поддерживалась модуляция OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием, это схема модуляции, использующая множество несущих). Добавление символа «А» меняет термин (МА – multiple access). Т.е. несколько клиентов, судя по названию этой технологии, могут передавать данные одновременно. Что же инженеры предложили? 

Они взяли двадцатимегагерцовый канал и разбили его на подканалы меньшей ширины, и каждый из них может использоваться. Набор подканалов называется Resource unit (RUs), их на слайде девять. И каждый из них может использоваться клиентом для приема либо передачи информации. В один и тот же момент времени несколько клиентов могут использовать разные Resource units, принадлежащие одному каналу связи для передачи своих данных. На слайде разными цветами отображены разные клиенты. Первый из пяти клиентов по времени (фиолетовый клиент) использует всю ширину канала, далее три клиента параллельно передают или принимают свою информацию, потом один (голубой) клиент опять использует всю ширину канала, потом работают два клиента и т. д. Кроме того, появляется и арбитр, который занимается распределением ресурс-юнитов и роль такого арбитра играет точка доступа.

По сути, реализовав такой подход, разбиение одного 20 мегагерцового канала на несколько частей, привело к тому что однополосное «шоссе» превратилось в многополосное, которое позволяет работать клиентам параллельно.

Еще одно новшество заключается в том, что Wi-Fi шестого поколения сертифицирован для использования в диапазоне 2,4 ГГц, который не использовался в стандарте Wi-Fi пятого поколения. Разработчики решили вернуться в этот диапазон и попытаться оживить его. В этом диапазоне поддерживается тот же тип модуляции OFDMA и может параллельно передаваться/приниматься информация несколькими клиентами. Технология достаточно многообещающая, но ждать существенного улучшения ситуации в ближайшее время, пожалуй, не стоит. 

Такой не очень оптимистичный прогноз связан с тем, что на сегодняшний день существует большое количество клиентов, работающих в диапазоне 2,4 ГГц. Те кто, кто занимается проектированием беспроводных сетей связи, сталкивались с ситуациями, когда этот диапазон настолько сильно перегружен, что использовать его для какой-либо передачи данных практически невозможно.

По мере появления на рынке новых точек доступа и клиентов, такая загрузка постепенно будет уменьшаться за счет использования технологии OFDMA, но произойдет это не сразу, поэтому ожидать быстрой корректировки ситуации не приходится.

Из нового можно отметить появление новой модуляции с большим числом битов на символ. Технология 802.11ac использовала модуляцию 256QAM, а технология 802.11aх использует модуляцию 1024QAM, что приводит к увеличению информационной скорости, доступной клиентам. С высокой вероятностью чаще будет использоваться эта модуляция. 

При использовании технологии 802.11ac применять модуляцию 256QAM клиент мог очень редко, поскольку для этого у него должно быть хорошее соотношение сигнал/шум, значит клиент должен находиться сравнительно близко к точке доступа. То же справедливо и для Wi-Fi шестого поколения. Однако учитывая тот факт, что клиенты используют каналы меньшей ширины, есть общеизвестное правило, что при уменьшении ширины канала в два раза возрастает соотношение сигнал/шум на 3 дБ.

Таким образом за счет существенного сокращения ширины канала ожидается сильный прирост качества сигнала, и клиенты на большем удалении от точки доступа смогут воспользоваться высокоскоростной модуляцией.

Еще одно новшество, появившееся в стандарте Wi-Fi шестого поколения, это новая технология, носящая название BSS coloring. Здесь идея заключается в том, что точки доступа будут иметь разные цвета.

Каждая BSS будет иметь свой номер, которые разработчики назвали цветом, таких номеров в стандарте предполагается 63 и процедура, по которой клиент беспроводной сети оценивает занят ли канал, по которому он общается с точкой доступа, этот алгоритм будет модифицирован для клиентов, поддерживающих Wi-Fi шестого поколения и эта модификация будет использовать цвет как еще один параметр. Зачем это делается? Один из типов конкуренции между клиентами: возникают, ситуации, когда есть две точки доступа, работающие на одном канале, друг другу мешают, их клиенты вынуждены конкурировать друг с другом за доступ к среде. Если те же самые точки доступа ровно в той же ситуации поддерживают технологию Wi-Fi шестого поколения, они могут подкрасить свои сигналы разными цветами и тогда клиенты, находящиеся на границе зон действия этих точек доступа, это оценят. Клиент слышит сигнал от соседней точки доступа, он понимает что этот сигнал идет на том же канале, что работает сам клиент и его точка доступа, ну например, если уровень этого сигнала достаточно не высок и он относится к другой точке доступа, с которой ассоциирован данный клиент, факт того, что на этом канале передача не будет мешать ему попытаться передать ему собственные данные. Это позволит улучшить эффективность использования беспроводной сети.

Наиболее вероятные сценарии использования 802.11ах

Наибольший эффект будет получен при внедрении технологии Wi-Fi шестого поколения в местах с высокой плотностью абонентов: на стадионах, в концертных залах и в местах подобного рода, где мы ожидает встретить большое количество клиентов.

Естественно, данное утверждение справедливо в том случае, когда количество клиентов, поддерживающих технологию Wi-Fi шестого поколения, будет велико. Никаких плюсов от внедрения новой технологии при использовании старых клиентов, поддерживающих старые стандарты беспроводной связи, мы не получим.

Если вы проектируете сеть нового поколения, нужно обратить внимание на мощности питания, потребляемые данными точками. 

В зависимости от формулы радиоинтерфейса мы можем увидеть у точек различные требования по питанию. Точки в формуле (8 на 8) будут потреблять достаточно много электричества. Для этого потребуется новый стандарт 802.3bt (PoE++) до 45 Вт и соответственно коммутаторы беспроводной сети должны также обеспечивать необходимый бюджет по PoE для таких точек доступа.

Еще один новый подход, который появится с введением этого стандарта: точки доступа будут поддерживать возможность использования двух радиоинтерфейсов в диапазоне 5 ГГц.

Это даст возможность использовать различные сценарии, можно использовать точки в режиме Dual 5G. В стандартной беспроводной сети иногда приходится выключать второе радио, работающее в диапазоне 2,4 ГГц. Особенно если сеть с высокой плотностью клиентов, и мы не можем обеспечить большее количество неперекрывающихся каналов, поэтому некоторые радиоинтерфейсы мы вынуждены выключать. Если у нас будет точка, поддерживающая возможность перевода второго интерфейса в 5 ГГц режим, то мы сможем использовать одновременно два сценария, помимо использования радио как сенсора, мы можем одно радио использовать в диапазоне 5 ГГц и дать ему выбрать канал mediFS диапазона, правда, для России этот диапазон не очень актуален, не все клиенты поддерживают работу в DFS каналах. В данном случае можно на точке использовать два радио в режиме 5 ГГц, в одном радио использовать mediFS канал, а в другом - DFS канал.

С одной стороны, это создает два домена коллизий и увеличивает плотность подключений, но с другой стороны, это не создает проблем для клиентов, которые не поддерживают DFS диапазон, они смогут подключиться к другой точке доступа, таким образом улучшаются параметры беспроводной сети.

Второй режим использования очевиден: второе радио может использоваться как сенсор. Еще один сценарий использования точки с двумя 5 ГГц каналами заключается в возможности предоставить выделенную SSID для новых клиентов, поддерживающих 802.11ах. Один радиоинтерфейс работает с 802.11ас, второй радиоинтерфейс работает на другом канале с клиентами с 802.11ах.