DFS – решение с проблемой ограниченности Wi-Fi частот

Многие из нас заметили, что качество wi-fi начало резко ухудшаться. Причиной этому является всеобщее использование множества гаджетов, что работают в не лицензируемом диапазоне частот. Даже выход на рынок новых спецификаций этого стандарта не способно исправить ситуацию. Статистика говорит о 6,4 миллиардах взаимодействующих с wi-fi устройств по всему миру. С таким количеством в 2020 году ожидается соотношение беспроводных устройств к каждому человеку равным 2,8. Причиной виртуальных пробок помимо самого ошеломляющего количества wi-fi устройств еще являются сети, которые сами создают проблемные ситуации.

Усугубляется ситуация и прочими причинами. Первой из них является огромнейшее количество установленных в каждом многоквартирном доме маршрутизаторов. Второй причиной является то, что запросы у пользователей на скорость передачи информации постоянно увеличиваются. Это приводит к необходимости увеличения полосы пропускания. Так сокращается количество каналов с целью увеличить ширину полосы. Третья причина – это «сбрасывание» сотовыми операторами трафика из мобильных сетей в Wi-Fi, так называемый Wi-Fi Offloading (+р). Рано или поздно это приведет к сложным ситуациям. А если и сравнивать, то можно представить, как все люди, пользовавшиеся ежедневно услугами метро в Киеве, сразу пересели на собственные автомобили.

Как видим, Wi-Fi стал жертвой своего же успеха. Но у инженеров есть ряд идей по исправлению сложившейся ситуации.

Ситуация в диапазонах без лицензии

Для того, чтобы использовать технологии Wi-Fi каждым пользователем должны соблюдаться технические требования, которые предъявлены частотными регуляторами. К одному из требований относится ограничение мощности. Сегодня домашние сети Wi-fi используют в основном только диапазоны 2,4 и 5 ГГц. Именно в диапазоне 2,4 ГГц wi-fi может лучше всего работать. В этом диапазоне частот радиосигналы почти без проблем проходят сквозь стены. К тому же при сравнении с 5 ГГц, сигнал в 2,4 ГГц при такой же мощности явно распространяется дальше.

Каждая страна разрешает использовать разное количество каналов. Как пример, в Европе и Украине можно использовать 13 каналов. А более технически продвинутая Япония разрешает задействовать 14 каналов. То есть у них можно использовать 4 неперекрывающихся канала. Только об этом напишем чуть дальше. Таблица ниже демонстрирует, сколько какая страна разрешает использовать каналов.

Страна	Диапазон частот, ГГц	Количество каналов
Украина	2.412-2.472	13
Европа (исключая Францию и Испанию)	2.412-2.472	13
Франция и Испания	2.457-2.472	4
США и Канада	2.412-2.462	11
Япония	2.412-2.484	14
Южная Корея	2.412-2.472	13
Чили	2.412-2.472	13
Австралия	2.412-2.472	13
Южная Африка	2.412-2.472	13
Юго-Восточная Азия (в их числе Сингапур, Малайзия, Таиланд)	2.412-2.472	13

Каждым каналом в 2,4 ГГц-ой области частот под Wi-fi может быть занята ширина в 22 МГц. По этой причине лишь несколько из всех задействованных каналов могут быть использованы одновременно без накладывания друг на друга. В большинстве это 1, 6 и 11-ый. Но рисунок ниже более показательный.

Из-за этого, если в сети действуют больше 3 роутеров с частотой 2.4 ГГц (а в многоэтажных домах их зачастую куда и больше), то все они создают друг другу заметные помехи. Оборудование с автоматическим подбором каналов постарается распределиться по спектру таким образом, чтобы не перекрывать друг друга. Ниже можно увидеть пример подобного распределения при помощи удобной программы с названием Wi-Fi Analuzer.

В случае самостоятельной настройки работы устройства на доступные каналы есть вероятность сделать еще хуже. К примеру, если выбрать из предоставленного рисунка канал 4 или 9. Все из-за того, что маршрутизатор будет одинаково получать помехи от роутеров на соседних каналах, как бы «с обеих сторон».

В полосе на 5 ГГц сигналы распространяются в более коротком диапазоне. Зато предоставленная полоса диапазона 5.80 – 5.825 ГГц имеет целых 24 канала шириной, что не перекрываются. Так обстоят дела именно в США, а вот в Японии и Европе их на 5 меньше. Всё равно их много и дополнительные каналы Wi-fi связи могли бы решить проблему отсутствия свободных. Только вот половина из них выделена для первичного применения метеорологическими и военными радарами.(+р) По этой причине большинство обычных роутеров эти полосы не используют.

Как видите, в любом диапазоне присутствует определенное количество не пересекающихся каналов. Но так как число беспроводных устройств стремительно увеличивается, то проблемы с wi-fi становятся чуть ли не нормой. В wi-fi сети при коллизии, каждое устройство затихает. Через определенное время оно снова пытается произвести передачу данных. Время затихания называют отсрочкой. Если увеличивается количество коллизий, то увеличивается и время ожидания. Так Wi-Fi делается все медленнее и медленнее, а то и совсем ненадежным.

Уже сегодня во многих многоквартирных домах перегруженность каналов достигла своего апогея и сделала диапазон 2.4 ГГц совершенно непригодным для передачи информации с высокой скоростью. За рубежом уже многие провайдеры широкополосных услуг не используют 2.4 ГГц для передач видео материалов и голосовых трансляций. Тот же производитель Apple уже рекомендует не использовать в своих смартфонах частоту 2.4 ГГц.

В последнем и самом быстром варианте Wi-Fi IEEE 802.11ac обеспечивается работа лишь в диапазоне 5 ГГц. Большинство же устройств Wi-Fi поддерживают обе полосы. 2.4 ГГц в основном задействован для поддержки устаревших мобильных устройств.

Результаты переезда в диапазон 5 ГГц

Переход с частоты 2.4 в 5 ГГц ненадолго решил проблемы с перегрузками каналов. К тому же от такого решения пострадал радиус действия wi-fi. И многие стали задействовать специальные решения для расширения зоны. В основном в этом помогают усилители и ретрансляторы. Некоторую популярность обрели и mesh-сети. Они позволили получить равномерное wi-fi покрытие.

Ретранслятор помещается в зону действия роутера. Прослушивает все диапазоны, а после передает полученные сигналы с более высокой мощностью, а иногда даже на другом канале. Результатом их работы стало увеличение количества wi-fi сигналов, что перекрываются в одном диапазоне.

Общедоступные “хот-споты” ситуацию еще ухудшили. Ведь они стали еще более распространенными по всему миру. Любой абонент может развернуть свой спот.

Ситуацию дополнительно ухудшили еще и мобильные операторы. Они исчерпали большинство своего доступного спектра. И в планах у них в ближайшие 3 года перенести передачу мобильных данных где-то на 60% именно в нелицензионный спектр, который используется Wi-fi. Такая технология уже создана и носит название LTE-U (LTE-Unlicensed). В ней будут использованы 4G LTE-базовые станции с целью отправки и приема информации при помощи тех же 5 ГГц-ых частот, что и задействованы в Wi-Fi. Многие предполагают, что это еще сильнее ухудшит положение. Уже начали внедряться пробные LTE-U с задачей по изучению влияния на Wi-Fi.

IEEE 802.11ac снижает количество возможных каналов

IEEE 802.11ac нацелено на удовлетворение увеличивающейся потребности пользователей в скорости. Теперь можно передавать даже видео высочайшего качества. Такая спецификация вай-фая позволяет обеспечить гигабитные скорости соединения. Только вот для того, чтобы информация могла перемещаться с такой высокой скоростью, 802.11ac объединяет каналы. Высокопроизводительная конфигурация IEEE 802.11ac Wave 3 вообще объединяет весь спектр в 2 канала с шириной по 160 МГц. Это приводит к тому, что лишь 2 пары оборудования может быть задействовано на самом широком канале в одно и тоже время, не мешая друг другу. В такой ситуации при имеющихся соседях, которые в этих двух каналах смотрят фильмы, Вы только будете создавать помехи втиснув свой трафик в занятые каналы. Как результат этой ситуации – это то, что дополнительные преимущества диапазона 5 ГГц почти обнулились.

Еще в 2013-ом году телекоммуникационное агентство с названием Ofcom из Британии провело исследование и по его прогнозам в 2020 году wi-fi сети в паре с мобильными интернет-сетями станут критически перегруженными. Да и сами разработчики маршрутизаторов работали только над увеличением скорости передачи. И не подумали о том, что при распространении 802.11ac, который способен предложить более широкие но в тоже время меньшие каналы, еще сильнее повлияет на проблему перегруженности этих каналов.

Решить эту проблему может DFS

В начале статьи мы говорили о том, что первые каналы диапазона 5-ГГц не используются производителями Wi-fi роутеров из-за их занятости военными и радарами. Только вот открытие данных частот для потребителей могло бы сильно повлиять и даже на некоторый период решить проблему перегруженности каналов.

Названный спектр был доступен для wi-fi в 2007 году. Регуляторы обратили внимание на то, что радары и другие системы, работающие в этом диапазоне, находятся далеко не везде, да и работают не круглосуточно. Поэтому можно было бы перевести на эти частоты индустрию Wi-Fi связи, а точнее использовать оборудование с технологией Dynamic Frequency Selection. Динамический выбор частоты DFS позволил бы не мешать сигналам радиолокационного характера.

Суть DFS в том, что когда появляется в канале радиолокационный сигнал, то Wi-Fi трафик сразу переносится на другую полосу. Роутер с DFS должен не менее 60 секунд прослушивать весь спектр и только после объявлять канал свободным для применения. Прослушивание и после должно быть продолжено до тех пор, пока идет трафик Wi-Fi. В том случае, если маршрутизатор обнаруживает радиолокационный импульс, то его передатчик должен мгновенно очистить канал на время в пол часа. Ниже мы демонстрируем рисунок, где отображен диапазон для DFS.

Мобильные устройства, выпущенные в период последних 3-4 лет, в своем абсолютном большинстве снабжены радиопередающими модулями, что могут без проблем выполнять функции в данных полосах частот. И создать ПО для DFS совершенно не проблема. То есть внедрить Dynamic Frequency Selection не является проблемой.

Только вот создание DFS-мастера в роутерах не является основной проблемой. Вся суть в том, что обнаружить радарные импульсы весьма трудно. Они очень быстрые – импульс длиться всего половину микросекунды. К тому же может транслироваться на уж очень низких уровнях мощности в пределах от -62 до -64 дБмВт. Сегодня DFS-мастер доступен в некоторых дорогих роутерах. И такие маршрутизаторы используют только большие компании. DFS-мастер переносят и в более дешевые роутеры для потребителей пока что только в Японии и Европе. Только вот дорогие версии и дешевые не совсем умны в этом плане. При обнаружении радара, такие роутеры переносят Wi-Fi трафик снова на установленный в них по умолчанию канал диапазона 5 ГГц, что не используется DFS.

Недавно был выпущен пользовательский роутер с DFS, который носит название Portal. Маршрутизатор снабжен полнофункциональным радиосканером и центральным процессором, позволяющим обнаруживать радары и управлять каналами вместе с выполнением функций стандартного маршрутизатора.

Производитель Ignition Design Labs заявил, что роутер Portal способен обеспечить на 300% больший доступ к радиоволнам по сравнению с любым другим маршрутизатором. Такое устройство станет идеальным при решении проблем в переполненных и ужасно зашумленных средах, где происходит перегруженность из-за множества роутеров.

Portal оборудован двумя отдельными радиотрактами. Первый обнаруживает радиолокационные сигналы (DFS), а второй осуществляет передачу данных по Wi-Fi. Если обнаруживается радиолокационный импульс, то система сама переходит в открытую для каждого часть спектра без перерыва передачи информации. За счет отдельных радиотрактов, роутер способен автоматически после 30 минут ожидания возвращаться назад и перепроверять тот канал без закрытий текущих передач.

К тому же Portal снабжен отдельным CPU, чтобы работать с DFS. Это минимизирует количество обнаружения ложных сигналов от радаров и сводит к минимуму то время, за которое Wi-Fi трафик покидает канал.

Выводы

До этого времени производители устройств для беспроводных сетей занимались в основном лишь вопросами по увеличению скорости передачи данных. И вот они уже задумываются о доступном спектре и об «автоматическом» выборе каналов. Может быть уже в ближайшем будущем технологическое решение DFS сможет собирать данные не тоько о радарах, а и о различных помехах и затем отправлять такие данные на облачные сервера.(+р) Для этого у специалистов есть название и звучит оно «Сетевая самооптимизация».

Такая система позволит найти наилучшие каналы для Wi-Fi устройств в любых местах. Как вариант ситуация следующего характера – Нам известно о том, что в 9 вечера канал 104 сильно перегружается. Тогда система сама переносит трафик одного пользователя на канал 136, а другого на 153-ий. Такое координирование положительно повлияет на Wi-Fi коммуникации.

Всеобъемлющая интеллектуальная система должна быть разработана до того, как Wi-Fi станет синонимом чего-то ненадежного и непригодного для применения.

Если смотреть на долгосрочные перспективы, то пора производителям начать разрабатывать технологии по переносу трафика на совершенно другие типы сетей связи, что никак не совместимы с нынешними спецификациями вай-фай. Для перераспределения спектра уже сегодня рассматриваются частоты 3.5, 4.9 и 5.9  ГГц. Только диапазоны опять же заняты военными и промышленным спектром. А значит, даже при их одобрении нужно будет использовать технологию DFS.