Wi-Fi вчера и завтра - Время электроники

В статье рассмотрены основные направления развития стандарта Wi-Fi в ближайшие годы.

Под термином Wi-Fi понимается группа стандартов 802.11, различающихся как по скорости передачи, так и по области применения. За последние 10 лет скорость передачи увеличилась более чем в 100 раз – от 54 Мбит/с в IEEE 802.11g до 6,9 Гбит/с в IEEE 802.11ac (см. табл. 1, 2). Фактическая пропускная способность, т.е. скорость передачи данных пользователя получается ниже из-за пересылки служебных данных. В большинстве устройств 802.11 она составляет 70–80% от полной.

Таблица 1. Развитие физического уровня Wi-Fi

Год	Стандарт	Пиковая скорость, в т.ч. опциональ- ные режимы, Мбит/с	Типичная точка доступа	Ключевая технология
1997	802.11	2	2	Расширение спектра
1999	802.11b	11	11	Манипуляция дополнительным кодом (ССК), расширение спектра
1999	802.11a	54	54	OFDM
2003	802.11g	54	54	OFDM
2009	802.11n	600	300–450	MIMO OFDM, широкая полоса (40 МГц)
2013 (черновая версия)	802.11ac	6933	1300–3466	MU-MIMO в нисходящем направлении, широкая полоса (80 и 160 МГц)

Таблица 2. Характеристики стандартов 802.11

Стан- дарт	Год приня- тия	Диапа- зон, ГГц	Шири- на канала, МГц	Моду- ляция	Коли- чество антенн	Макс. ско- рость пере- дачи
802.11n	2009	2,4; 5	20, 40	OFDM, 64QAM	4×4	600 Мбит/с
802.11ас	Не принят	5	40, 80, 160	OFDM, 256QAM	8×8, MU-MIMO	6,93 Гбит/с
802.11аd	Не принят	60	2160	SC/OFDM	1×1	6,76 Гбит/с

Повышение скорости передачи данных – не единственное направление развития стандарта. Ниже речь пойдет о пяти важных направлениях, которые будут определять формирование инфраструктуры Wi-Fi в ближайшие 10 лет.

Насыщение рынка

Во-первых, на рынок будут выпущены продукты IEEE 802.11ac. Устройства IEEE 802.11ac текущей версии (релиз 1) имеют следующие характеристики:

полоса пропускания 80 МГц, диапазон передачи 5 ГГц;
три пространственных канала приема и передачи;
динамический выбор полосы (для каждого пакета);
модуляция 256 QAM.

По сравнению с 802.11n устройства 802.11ас имеют ряд преимуществ:

Точка доступа обеспечивает скорость передачи 1,3 Гбит/с (теоретический предел). Это в три раза выше, чем в 802.11n.
Более широкий диапазон покрытия и более стабильный сигнал, достаточный для работы в квартире при помощи одного маршрутизатора. Улучшения достигаются за счет технологии формирования луча, которая распознает местоположение устройства и направляет сигнал Wi-Fi прямо на него.
В релизе 2 полоса пропускания удвоена (160 МГц), количество антенн увеличено до 4×4. Скорее всего, во второй версии будет реализована поддержка многопользовательской передачи в нисходящем направлении. В первой версии эта функция не реализована (см. рис. 1).

Рис. 1. Разница между SU-MIMO (однопользовательская передача) и MU-MIMO .
Data – данные; Base station – базовая станция; Handset – устройство пользователя

Поскольку портативные устройства (ноутбуки, смартфоны) имеют, как правило, одну или две антенны, а большинство устройств IEEE 802.11ac – три или четыре, их потенциал используется не в полную силу. Повысить эффективность использования ресурсов поможет многопользовательская передача, когда данные отправляются одновременно нескольким пользователям (MU-MIMO).

В стандарте IEEE 802.11ac данная функция реализована только в нисходящем направлении, т.е. в направлении от точки доступа к абоненту. Таким образом, за счет сокращения количества коллизий можно увеличить емкость сети, уменьшить ее загрузку и ослабить взаимодействие с соседними сетями. Однако выигрыш, который обеспечивает многопользовательская передача, во многом зависит от пространственного расположения устройств и схемы распространения данных.

Беспроводные сети с высокой эффективностью

Второй тренд в развитии Wi-Fi – это развитие беспроводных сетей с высокой эффективностью. Поскольку Wi-Fi применяется повсеместно, в т.ч. в плотных средах с высоким уровнем интерференции (аэропортах, офисных зданиях, кафе). В таких местах, как правило, производительность сети намного ниже ожидаемой, поскольку стандарт ориентирован на передачу «точка-точка» в небольших сетях с одной точкой доступа и несколькими абонентами, когда уровень внешней интерференции невысок.

Год назад начала работу исследовательская группа High-Efficiency WLAN (HEW), целью которой является разработка эффективной беспроводной сети, функционирующей в условиях сильной интерференции. Это второй значимый прорыв после 802.11ac. В таблице 3 приведены основные различия между HEW и 802.11.

Таблица 3. Цели классического IEEE 802.11 и HEW SG

Традиционный 802.11	HEW SG
Сети с невысокой плотностью (например, в пределах одной семьи)	Сети с высокой плотностью (на предприятии, в аэропорту и т.д.)
Фокус на пиковых скоростях передачи «точка-точка»	Акцент на среднюю скорость передачи данных в пересчете на пользователя и на единицу площади
Ограниченное управление взаимодействием между точками доступа	Управление интерференцией для улучшения использования спектра и повышения надежности
Фокус на производительности внутри сети	Рассматривается производительность внутри и вне сети

В HEW будут внесены изменения на физическом уровне, реализованы передача MU-MIMO в восходящем направлении, контроль интерференции, динамический контроль чувствительности. Исходная цель группы разработчиков HEW заключается в повышении средней производительности станции, по крайней мере, в 4 раза в условиях высокой плотности сети.

Пример

В связи с предстоящим переходом на LTE и 5G операторы сотовой сети готовятся к увеличению объема передаваемых данных в 1000 раз против нынешнего объема. На этом фоне перенос части передаваемого трафика на Wi-Fi выглядит привлекательным решением. Операторы сотовой связи уже заключают соответствующие партнерства с поставщиками Wi-Fi.

На рисунке 2 показан упрощенный пример гетерогенной сотовой сети следующего поколения со встроенным Wi-Fi. Кроме традиционных макроячеек здесь присутствуют небольшие ячейки Wi-Fi с разной зоной охвата. Они расположены как в помещении, так и на открытом пространстве – везде, где плотность сети велика (деловые центры и т.д.).

Рис. 2. Беспроводная сеть со встроенным Wi-Fi.
Access point – точка доступа; Macro cell – макроячейка (сотовая связь); Wi-Fi enabled small cell – малая ячейка (Wi-Fi)

В большинстве малых ячеек имеется точка доступа для сотовой связи и Wi-Fi, в некоторых доступен только один вид связи. В настоящее время эффективно реализовать данную идею на основе имеющихся стандартов Wi-Fi сложно, отсюда и вытекает потребность в HEW.

Интернет вещей

На будущее Wi-Fi, безусловно, окажет влияние распространение таких технологий, как интернет вещей и взаимодействие между устройствами без участия человека (связь машина-машина, М2М).

Беспроводная связь рассматривается как важный шаг в развитии сетей датчиков и приборов учета, применяемых в таких областях как интеллектуальные коммунальные сети, защита здоровья, фитнес, потребительские беспроводные носимые устройства, промышленный контроль.

Для данной области применения наилучшим образом подходит стандарт IEEE 802.11ah, поскольку имеет меньшую мощность потребления. Снижение потребления достигнуто за счет использования дополнительных низкочастотных полос (1 МГц и 2 МГц обязательны) и более низких скоростей передачи (как правило, не более 2 Мбит/с).

В IEEE 802.11ah используется нелицензируемый диапазон 900 МГц. Усовершенствования на канальном уровне (МАС) коснулись масштабирования сети и режимов пониженного энергопотребления. В итоге точки доступа эффективно осуществляют обмен между большим количеством датчиков с низкой скоростью передачи.

В качестве примера использования можно привести сети электропитания. Каждая точка доступа 802.11ah подсоединена к столбу воздушной линии. Связь с датчиками и приборами учета в близлежащих домах осуществляется по беспроводному каналу. Информация о расходе энергии передается на процессор и далее – поставщику электроэнергии для корректировки распределения мощностей, а также пользователю для оплаты услуг. В большинстве случаев в описанной системе используются низкие скорости и узкий канал передачи.

Стандарт IEEE 802.11ah конкурирует с Zigbee и Z-Wave в сфере строительства и домашней автоматизации. За счет большего радиуса действия, чем у более высокочастотных версий Wi-Fi, он может применяться для разгрузки мобильных сетей, а также для обеспечения связи в сельской местности. Другие сферы применения могут включать сети датчиков и связь «машина-машина».

Интеллектуальные транспортные системы

Четвертым направлением развития Wi-Fi являются интеллектуальные транспортные системы. Для этой области предназначен IEEE 802.11p. Данный стандарт обеспечивает обмен данными между транспортными средствами, а также между транспортным средством и дорожной инфраструктурой.

На рисунке 3 показан пример использования IEEE 802.11p для связи между автомобилем и светофором. Данные о движении автомобилей, полученные в режиме реального времени, позволяют предупредить столкновения на перекрестках и других опасных участках, а также помогают выстраивать маршрут следования с учетом текущей дорожной ситуации и оповещать участников движения о перекрытии дорог, авариях и т.д.

Рис. 3. Взаимодействие между транспортным средством и дорожной инфраструктурой

Другой пример применения – парковки гипермаркетов. Каждый, наверняка, сталкивался с проблемой поиска свободного места. Интерактивная карта помогла бы решить эту проблему. Кроме того данная технология может быть использована и в беспилотных средствах передвижения.

Интересно сравнить стандарты 802.11р и мобильный WiMAX в этой области применения. Их основные характеристики приведены в таблице 4. В таблице 5 приведены параметры моделирования.

Таблица 4. Сравнение характеристики мобильного WiMAX и 802.11р

Параметр	802.11р	802.16е
Степень готовности	Черновой вариант	Принят
Частотный диапазон	5,470…5,925 ГГц	10… 66 ГГц
Ширина канала	10 МГц	Зависит от конфигурации (3,5, 5, 7,5, 10 МГц и др.)
Безопасность	Перед обменом процедура аутентификации не производится. Вместо нее в пакете имеется цифровая подпись	Инкапсуляция данных, криптографическая защита
Метод доступа	CSMA/CA без сканирования	TDMA, FDD или TDD

Таблица 5. Параметры моделирования

Параметр	802.11р	802.16е
Частотный диапазон	5,87 ГГц	3,5 ГГц
Ширина канала	10 МГц	10 МГц
Мощность передачи (RSU)	23 дБм (200 мВт)	33 дБм (2 Вт)
Высота передающей антенны (RSU)	2,4 м	32 м
Усиление передающей антенны (RSU)	3 дБи	15 дБи
Мощность передачи (МS)	23 дБм (200 мВт)	23 дБм (200 мВт)
Высота передающей антенны (МS)	1,5 м	1,5 м
Усиление передающей антенны (МS)	0 дБи	–1 дБи
Тип антенны	Ненаправленная

Данный пример подробно разобран в работе [1]. Мы только анализируем результат. Моделирование показало, что технология мобильного WiMAX является сильным конкурентом для 802.11р в области передачи данных между транспортными средствами и дорожной инфраструктурой. В частности WiMAX обеспечивает не только большое покрытие и высокие скорости передачи, но и короткие задержки. В свою очередь 802.11р показывает лучшие характеристики на дорогах с низкой интенсивностью движения. Задержка на распространение сигнала оказывается еще меньше, даже при высокой скорости движения транспортного средства.

Нелицензированный спектр

Последний тренд – освоение нелицензируемого спектра. В настоящее время сети Wi-Fi занимают два нелицензируемых диапазона: 2,4 ГГц и 5 ГГц (гораздо реже ввиду высокой стоимости и нормативных сложностей).

В IEEE 802.11ac передача осуществляется только на полосе 5 ГГц, чтобы не нагружать полосу 2,4 ГГц. Полностью использовать потенциал 802.11ac возможно только при условии использования дополнительного спектра. В прошлом году Федеральная комиссия связи США предложила прибавить почти 200 МГц к этой полосе (см. рис. 4), чтобы упростить нормативные требования. В других странах будут приняты аналогичные меры.

Рис. 4. Расширение диапазона 5 ГГц.
Channel number – номер канала; New – новый; Currently available channels – доступные в настоящее время каналы; MHz – МГц

Небольшой диапазон свободен на полосе 60 ГГц (57…64 ГГц в США и 57…66 ГГц в Европе). Десять лет назад этот диапазон технологически невозможно было использовать, однако с появлением сравнительно недорогих СВЧ КМОП-интегральных схем ситуация изменилась. Они пока дороже менее высокочастотных компонентов, но могут применяться для обмена данными на коротких расстояниях (несколько метров).

Для использования полосы 60 ГГц требуется внесение изменений в физический и канальный уровни, что было реализовано в 802.11ad (неофициальное название – WiGig). Например, для ослабления потерь при распространении применено адаптивное формирование луча. Антенна испускает лучи с высокой степенью направленности, которые быстро адаптируются к изменению канала передачи.

Стандарт WiGig может применяться при связи на коротких расстояниях, для подключения беспроводных интерактивных дисплеев, внешних жестких дисков и других периферийных устройств, а также для передачи по беспроводной сети больших объемов данных, например, несжатого HD-видео. В настоящее время он еще не готов.

Заключение

Хотя технология Wi-Fi появилась давно и получила широкое распространение, инновации на этом рынке только ускоряются. Мы рассмотрели пять направлений, которые, вероятно, определят развитие технологии в ближайшее время. Отслеживать процесс работы над стандартом 802.11 можно через сайт рабочей группы.

Литература

Msadaa и др. A Comparative Study between 802.11p and Mobile WiMAX-based V2I Communication Networks//www.eurecom.fr/en/publication/3128/download/cm-publi-3128.pdf.

Источник: журнал «Электронные компоненты»

Насыщение рынка

Беспроводные сети с высокой эффективностью

Пример

Интеллектуальные транспортные системы

Нелицензированный спектр

Оставьте отзывОтмена