DFS – рішення з проблемою обмеженості Wi-Fi частот

Багато хто з нас помітив, що якість wi-fi почала різко погіршуватися. Причиною цього є загальне використання безлічі гаджетів, що працюють у діапазоні частот, що не ліцензується. Навіть вихід ринку нових специфікацій цього стандарту неспроможна виправити ситуацію. Статистика говорить про 6,4 мільярди, що взаємодіють з wi-fi пристроїв по всьому світу. З такою кількістю у 2020 році очікується співвідношення бездротових пристроїв до кожної людини 2,8. Причиною віртуальних пробок, крім самої приголомшливої кількості wi-fi пристроїв, ще є мережі, які самі створюють проблемні ситуації.

Посилюється ситуація та іншими причинами. Першою є величезна кількість встановлених у кожному багатоквартирному будинку маршрутизаторів. Другою причиною є те, що запити користувачів на швидкість передачі інформації постійно збільшуються. Це призводить до необхідності збільшення смуги пропускання. Так скорочується кількість каналів з метою збільшення ширини смуги. Третя причина - це "скидання" стільниковими операторами трафіку з мобільних мереж у Wi-Fi, так званий Wi-Fi Offloading (+р). Рано чи пізно це призведе до складних ситуацій. А якщо й порівнювати, то можна уявити, як усі люди, які користувалися щодня послугами метро у Києві, одразу пересіли на власні автомобілі.

Як бачимо, Wi-Fi став жертвою свого ж успіху. Але в інженерів є низка ідей щодо виправлення ситуації, що склалася.

Ситуація у діапазонах без ліцензії

Для того, щоб використовувати технології Wi-Fi кожним користувачем повинні дотримуватися технічних вимог, які пред'являються частотними регуляторами. До однієї з вимог належить обмеження потужності. Сьогодні домашні мережі Wi-fi використовують в основному лише діапазони 2,4 та 5 ГГц. Саме в діапазоні 2,4 ГГц wi-fi може найкраще працювати. У цьому діапазоні частот радіосигнали майже без проблем проходять крізь стіни. До того ж при порівнянні з 5 ГГц, сигнал 2,4 ГГц за такої ж потужності явно поширюється далі.

Кожна країна дозволяє використовувати різну кількість каналів. Як приклад, у Європі та Україні можна використати 13 каналів. А технічно просунута Японія дозволяє використовувати 14 каналів. Тобто у них можна використовувати 4 канали, що не перекриваються. Тільки про це напишемо трохи далі. Таблиця нижче показує, скільки країна дозволяє використовувати каналів.

Кожним каналом у 2,4 ГГц-ої області частот під Wi-fi може бути зайнята ширина 22 МГц. З цієї причини лише кілька всіх задіяних каналів можуть бути використані одночасно без накладання один на одного. Здебільшого це 1, 6 та 11-ий. Але малюнок нижче показовий.

Через це, якщо в мережі діють більше 3 роутерів із частотою 2.4 ГГц (а в багатоповерхових будинках їх найчастіше куди і більше), то всі вони створюють один одному помітні перешкоди. Устаткування з автоматичним підбором каналів намагатиметься розподілитись по спектру таким чином, щоб не перекривати один одного. Нижче можна побачити приклад такого розподілу за допомогою зручної програми під назвою Wi-Fi Analuzer.

У разі самостійного налаштування роботи пристрою на доступні канали є можливість зробити ще гірше. Наприклад, якщо вибрати з даного малюнка канал 4 або 9. Все через те, що маршрутизатор однаково отримуватиме перешкоди від роутерів на сусідніх каналах, як би «з обох сторін».

У смузі на 5 ГГц сигнали поширюються більш короткому діапазоні. Зате дана смуга діапазону 5.80 – 5.825 ГГц має цілих 24 канали шириною, що не перекриваються. Так справи саме у США, а ось у Японії та Європі їх на 5 менше. Все одно їх багато та додаткові канали Wi-fi зв'язку могли б вирішити проблему відсутності вільних. Лише половина їх виділено для первинного застосування метеорологічними і військовими радарами.(+р) З цієї причини більшість звичайних роутерів ці смуги не використовують.

Як бачите, в будь-якому діапазоні присутня певна кількість каналів, що не перетинаються. Але оскільки кількість бездротових пристроїв стрімко збільшується, то проблеми з wi-fi стають чи не нормою. У wi-fi мережі під час колізії, кожен пристрій затихає. Через певний час воно знову намагається зробити передачу даних. Час стихання називають відстрочкою. Якщо збільшується кількість колізій, то збільшується час очікування. Так Wi-Fi робиться все повільніше та повільніше, а то й зовсім ненадійним.

Вже сьогодні у багатьох багатоквартирних будинках перевантаженість каналів досягла свого апогею і зробила діапазон 2.4 ГГц абсолютно непридатним для передачі з високою швидкістю. За кордоном вже багато провайдерів широкосмугових послуг не використовують 2.4 ГГц для передачі відео матеріалів і голосових трансляцій. Той самий виробник Apple вже рекомендує не використовувати у своїх смартфонах частоту 2.4 ГГц.

В останньому та найшвидшому варіанті Wi-Fi IEEE 802.11ac забезпечується робота лише в діапазоні 5 ГГц. Більшість пристроїв Wi-Fi підтримують обидві смуги. 2.4 ГГц здебільшого задіяний для підтримки застарілих мобільних пристроїв.

Результати переїзду в діапазон 5 ГГц

Перехід із частоти 2.4 до 5 ГГц ненадовго вирішив проблеми з перевантаженнями каналів. До того ж, від такого рішення постраждав радіус дії wi-fi. І багато хто почав задіяти спеціальні рішення для розширення зони. В основному в цьому допомагають підсилювачі та ретранслятори. Певну популярність набули і mesh-мережі. Вони дозволили отримати рівномірне wi-fi покриття.

Ретранслятор міститься в зону дії роутера. Прослуховує всі діапазони, а потім передає отримані сигнали з більш високою потужністю, а іноді навіть на іншому каналі. Результатом їхньої роботи стало збільшення кількості wi-fi сигналів, що перекриваються в одному діапазоні.

Загальнодоступні хот-споти ситуацію ще погіршили. Адже вони стали ще більш поширеними у всьому світі. Будь-який абонент може розгорнути свій спот.

Ситуацію додатково погіршили ще мобільні оператори. Вони вичерпали більшість доступного спектра. І в планах у них у найближчі 3 роки перенести передачу мобільних даних десь на 60% саме до неліцензійного спектру, який використовується Wi-fi. Така технологія вже створена і зветься LTE-U (LTE-Unlicensed). У ній будуть використані 4G LTE-базові станції з метою відправлення та прийому інформації за допомогою тих же 5 ГГц-их частот, що й задіяні у Wi-Fi. Багато хто припускає, що це ще сильніше погіршить становище. Вже почали впроваджуватися пробні LTE-U із завданням вивчення впливу на Wi-Fi.

IEEE 802.11ac знижує кількість можливих каналів

IEEE 802.11ac націлено на задоволення потреб користувачів, що збільшується, в швидкості. Тепер можна передавати навіть відео найвищої якості. Така специфікація вай-фаю дозволяє забезпечити гігабітні швидкості з'єднання. Тільки для того, щоб інформація могла переміщатися з такою високою швидкістю, 802.11ac об'єднує канали. Високопродуктивна конфігурація IEEE 802.11ac Wave 3 взагалі поєднує весь спектр 2 канали з шириною по 160 МГц. Це призводить до того, що лише 2 пари обладнання може бути задіяно на самому широкому каналі одночасно, не заважаючи один одному. У такій ситуації при сусідах, які в цих двох каналах дивляться фільми, Ви тільки створюватимете перешкоди втиснувши свій трафік у зайняті канали. Як результат цієї ситуації – те, що додаткові переваги діапазону 5 ГГц майже обнулилися.

Ще в 2013 році телекомунікаційне агентство з назвою Ofcom з Британії провело дослідження і за його прогнозами в 2020 році wi-fi мережі в парі з мобільними інтернет-мережами стануть критично перевантаженими. Та й самі розробники маршрутизаторів працювали над збільшенням швидкості передачі. І не подумали про те, що при поширенні 802.11ac, який здатний запропонувати ширші, але в той же час менші канали, ще більше вплине на проблему перевантаженості цих каналів.

Вирішити цю проблему може DFS

На початку статті ми говорили про те, що перші канали діапазону 5-ГГц не використовуються виробниками Wi-fi роутерів через їхню зайнятість військовими та радарами. Тільки відкриття даних частот для споживачів могло б сильно вплинути і навіть на деякий період вирішити проблему перевантаженості каналів.

Названий спектр був доступний для wi-fi у 2007 році. Регулятори звернули увагу на те, що радари та інші системи, що працюють у цьому діапазоні, знаходяться далеко не скрізь, та працюють не цілодобово. Тому можна було б перевести на ці частоти індустрію Wi-Fi зв'язку, а точніше використовувати обладнання з технологією Dynamic Frequency Selection. Динамічний вибір частоти DFS дозволив би заважати сигналам радіолокаційного характеру.

Суть DFS у тому, що коли з'являється в каналі радіолокаційний сигнал, Wi-Fi трафік відразу переноситься на іншу смугу. Роутер з DFS повинен не менше 60 секунд прослуховувати весь спектр і тільки після оголошувати вільний канал для застосування. Прослуховування і після повинне бути продовжене доти, доки йде трафік Wi-Fi. У разі, якщо маршрутизатор виявляє радіолокаційний імпульс, його передавач повинен миттєво очистити канал тимчасово о пів години. Нижче наведено малюнок, де відображено діапазон для DFS.

Мобільні пристрої, випущені в період останніх 3-4 років, у своїй абсолютній більшості забезпечені радіопередавальними модулями, що можуть без проблем виконувати функції даних смугах частот. І створити програмне забезпечення для DFS зовсім не проблема. Тобто впровадити Dynamic Frequency Selection не є проблемою.

Тільки створення DFS-майстра в роутерах не є основною проблемою. Вся суть у тому, що виявити радарні імпульси дуже важко. Вони дуже швидкі – імпульс триває лише половину мікросекунди. До того ж може транслюватися на дуже низьких рівнях потужності в межах від -62 до -64 дБмВт. Сьогодні DFS-майстер доступний у деяких дорогих роутерах. І такі маршрутизатори використовують лише великі компанії. DFS-майстер переносять і в дешевші роутери для споживачів поки що лише у Японії та Європі. Тільки дорогі версії і дешеві не зовсім розумні в цьому плані. При виявленні радара, такі роутери переносять Wi-Fi трафік знову на встановлений за замовчуванням канал діапазону 5 ГГц, що не використовується DFS.

Нещодавно був випущений роутер користувача з DFS, який носить назву Portal. Маршрутизатор забезпечений повнофункціональним радіосканером та центральним процесором, що дозволяє виявляти радари та керувати каналами разом із виконанням функцій стандартного маршрутизатора.

Виробник Ignition Design Labs заявив, що роутер Portal здатний забезпечити на 300% більший доступ до радіохвиль порівняно з будь-яким іншим маршрутизатором. Такий пристрій стане ідеальним при вирішенні проблем у переповнених і страшенно зашумлених середовищах, де відбувається перевантаженість через безліч роутерів.

Portal обладнаний двома окремими радіотрактами. Перший виявляє сигнали радіолокації (DFS), а другий здійснює передачу даних по Wi-Fi. Якщо виявляється радіолокаційний імпульс, система сама перетворюється на відкриту кожному частину спектру без перерви передачі. За рахунок окремих радіотрактів, роутер здатний автоматично після 30 хвилин очікування повертатися назад і перевіряти ще раз той канал без закриття поточних передач.

До того ж Portal має окремий CPU, щоб працювати з DFS. Це мінімізує кількість виявлення хибних сигналів від радарів і зводить до мінімуму той час, за який Wi-Fi трафік залишає канал.

Висновки

До цього часу виробники пристроїв для бездротових мереж займалися здебільшого питаннями щодо збільшення швидкості передачі. І ось вони вже замислюються про доступний спектр і про «автоматичний» вибір каналів. Може бути вже в найближчому майбутньому технологічне рішення DFS зможе збирати дані не тільки про радари, а й про різні перешкоди і потім відправляти такі дані на хмарні сервери. Для цього у фахівців є назва і звучить воно «Мережева самооптимізація».

Така система дозволить знайти найкращі канали для Wi-Fi пристроїв у будь-яких місцях. Як варіант ситуація наступного характеру – Нам відомо про те, що о 9-й вечора канал 104 сильно перевантажується. Тоді система сама переносить трафік одного користувача на канал 136, а іншого на 153-й. Таке координування позитивно вплине на Wi-Fi комунікації.

Всеосяжна інтелектуальна система має бути розроблена до того, як Wi-Fi стане синонімом чогось ненадійного та непридатного для застосування.

Якщо дивитися на довгострокові перспективи, то настав час виробникам почати розробляти технології з перенесення трафіку на зовсім інші типи мереж зв'язку, що ніяк не сумісні з нинішніми специфікаціями вай-фай. Для перерозподілу спектра вже сьогодні розглядаються частоти 3.5, 4.9 та 5.9 ГГц. Тільки діапазони знову ж таки зайняті військовими та промисловим спектром. А значить, навіть за умови їх схвалення потрібно буде використовувати технологію DFS.