Роутеры 802.11ac: организуем супербыструю беспроводную сеть

Роутеры стандарта 802.11ac — это в три раза более высокая скорость и более широкий радиус действия. CHIP протестировал первые модели и готов рассказать, как выполнить переход на новую технологию. Будь то веб-серфинг или трансляция видео по беспроводной сети — в любом случае придется запастись терпением и, попеременно глядя то на песочные часы, то в окно, покорно ждать, пока загрузится сайт или полоса прогресса при буферизации видео достигнет конца. При увеличении расстояния между роутером и клиентом ситуация ухудшается. Покончить с мучительным ожиданием призван новый стандарт 802.11ac. Он обещает повышенную дальность действия сети благодаря использованию интеллектуальных технологий передачи данных. Кроме того, обмен файлами в сети, построенной на базе стандарта 802.11ac, окажется эффективнее, а для их передачи будут использоваться более широкие каналы, что в результате позволит достичь теоретической пропускной способности в 1,3 Гбит/с. В ходе  испытаний максимально возможная скорость передачи данных при оптимальных условиях составила 553 Мбит/с, то есть новый стандарт вплотную приблизился по своим показателям к гигабитной проводной сети. А благодаря подобной пропускной способности становится  возможной передача «по воздуху» одновременно нескольких HD-видеопотоков без каких-либо задержек.

CHIP расскажет о том, какие технические нововведения позволили добиться более высокой скорости передачи данных, а также о результатах тестирования первых роутеров стандарта 802.11ac. Стоит отметить, что отличная пропускная способность сохраняется даже при наличии двух стен на пути следования сигнала. Кроме того, вы узнаете, на какие моменты следует обратить внимание при переходе на новый стандарт беспроводной связи, совместим ли он со старым оборудованием и какие устройства с поддержкой 802.11ac в скором времени появятся на рынке. В заключение мы представим технологии беспроводной передачи данных WiGig и Visible Light Communication, которые обладают совсем иными скоростными характеристиками, однако ввиду небольшого радиуса действия могут использоваться скорее как дополнение к существующей беспроводной сети, нежели самостоятельное решение.

802.11AC: трехкратное увеличение скорости передачи данных

Серьезная прибавка в производительности стала возможной благодаря множеству технических инноваций. При этом 802.11ac сохранил обратную совместимость.

При разработке нового стандарта беспроводной связи основной целью было увеличение пропускной способности. К тому же он обеспечивает более эффективное излучение сигнала в пространстве, что особенно важно, когда к роутеру подключено одновременно несколько клиентских устройств. Кроме того, за один такт в сети IEEE 802.11ac передается больше информации, что обеспечивается за счет более совершенных методов модуляции. В совокупности все эти нововведения позволяют выйти на теоретическую пропускную способность в 3500 Мбит/с, что почти в шесть раз превышает возможности стандарта 802.11n (600 Мбит/с). Уже доступные в продаже 802.11ac-роутеры обеспечивают номинальную скорость передачи данных в 1300 Мбит/с и предполагают, что параллельно будет использоваться беспроводная сеть стандарта 802.11n (450 Мбит/с) без какого-либо взаимного негативного влияния.

Высокая пропускная способность на частоте 5 ГГц

Носителем информации в беспроводных сетях выступают радиоволны, частота колебаний которых в стандарте 802.11n составляет 2,4 ГГц. Беспроводная сеть 802.11ac работает на частоте 5 ГГц — отсюда и более высокая пропускная способность. Диапазон частот 5 ГГц предоставляет большее количество эффективных каналов большей ширины. Кроме того, этот диапазон в сравнении с 2,4-гигагерцевым менее загружен: последний занимают не только все традиционные роутеры стандарта 802.11n/g, но и беспроводные телефоны и радионяни. Свой «вклад» вносят также микроволновые печи, хотя они и выпускаются с хорошо экранированным корпусом. Вследствие большого количества источников помех устройства, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц, редко выходят на максимально возможную пропускную способность и переключаются на стабильный, но медленный режим передачи данных.

Беспроводная сеть стандарта 802.11ac работает на частоте 5 ГГц, в то время как устройства прошлого поколения, как правило, используют частоту 2,4 ГГц. Как известно, с каждым колебанием передается определенное количество информации — именно поэтому стандарт 802.11ac обеспечивает более высокую пропускную способность.

Напротив, приборы, соответствующие новому стандарту 802.11ac, способны использовать практически полностью свободный диапазон частот 5 ГГц. Роутеры старых стандартов беспроводной сети, работающие в этом диапазоне, более подвержены влиянию стен и потолочных перекрытий, чем устройства в диапазоне 2,4 ГГц. Несмотря на это, маршрутизаторы стандарта 802.11ac, как показало наше практическое тестирование, эффективно функционируют даже при наличии стен, так как способны целенаправленно излучать свой сигнал на клиентское устройство.

Технология быстрой передачи данных MIMO для всех клиентов

Следующим преимуществом диапазона 5 ГГц является полоса частот, которая здесь почти в десять раз шире, чем в случае с 2,4 ГГц. Это означает, что в беспроводной сети стандарта 802.11ac доступно больше каналов, то есть фиксированных частот, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Большое количество каналов предоставляет более  широкие возможности для уклонения от помех.

Увеличенная пропускная способность благодаря более широким каналам.В диапазоне 2,4 ГГц для беспроводной сети предусмотрена узкая полоса частот в 80 МГц, тогда как диапазон 5 ГГц охватывает около 380 МГц. Отсюда большее количество каналов большей ширины, обеспечивающих более высокую скорость передачи данных.

Помимо этого была оптимизирована модель взаимодействия роутера с несколькими клиентскими устройствами. Оборудование стандарта 802.11n излучает один сигнал равномерно во всех направлениях для всех имеющихся в помещении клиентов. В результате каждый конечный прибор взаимодействует с роутером в течение определенного промежутка времени, что ограничивает пропускную способность. Благодаря технологии MU-MIMO (MultiUser MIMO) роутер стандарта 802.11ac «знает», где находится каждый из клиентов, и целенаправленно передает на это устройство одновременно несколько потоков данных. Это стало возможным благодаря так называемой технологии Beamforming (формирование направленного сигнала). Ее суть заключается в следующем: роутер изменяет составляющие сигнала для каждой из своих разнонаправленных антенн таким образом, чтобы в сторону клиента сигнал усиливался, а во все другие — ослабевал. Для этого используется эффект конструктивной и деструктивной интерференции. Роутер стандарта 802.11ac с восемью антеннами способен таким образом эффективно взаимодействовать с четырьмя различными устройствами, каждое из которых оснащено двумя антеннами. Поддержка Beamforming имеется и в стандарте 802.11n, однако ввиду отсутствия общепринятых норм технология работает только между роутером и конечными устройствами одного производителя.

Более эффективная связь с клиентскими устройствами. В стандарте 802.11n передача данных осуществляется благодаря технологии MIMO (Multiple Input, Multiple Output) в несколько потоков, что увеличивает пропускную способность. А 802.11ac-роутеры благодаря технологии MU-MIMO (Multiple User MIMO) способны взаимодействовать с несколькими устройствами.

Увеличенное количество бит, передаваемых за один такт

Все описанные выше нововведения в стандарте 802.11ac направлены на то, чтобы обеспечить более высокую пропускную способность. Улучшения метода модуляции, предпринятые в новом стандарте, напротив, увеличивают плотность данных в сигнале беспроводной сети. А этот сигнал представляет собой не что иное, как поток данных, перемещаемый по радиоволнам.

Беспроводное соединение устанавливается после того, как передающее устройство отправляет радиоволну определенной частоты, а принимающее — настраивается на нее. Биты транслируются благодаря тому, что передающая техника изменяет (модулирует) несущий сигнал. Приемное устройство анализирует изменения в сигнале и преобразует их в соответствующие биты. Существуют несколько методов модуляции — среди них и квадратурная (16-QAM), используемая в беспроводных сетях стандарта 802.11g/n. При этом передающее устройство делит поток данных на несколько частей размером четыре бита. При четырех битах допускаются 16 различных символов, которые могут быть объединены в любую последовательность битов. Символы точно соответствуют указанным в таблице координатам «фаза» и «амплитуда».

Для отправки символов передающее устройство излучает две радиоволны, обладающие для каждой части потока данных одинаковой амплитудой, но смещенные относительно друг друга по фазе на определенный промежуток времени. По этим двум координатам устройство приема определяет, какой из 16 символов подразумевается в данном случае, и вновь объединяет поток битов, используя четыре бита на такт. Если необходимо увеличить объем информации символа с четырех до восьми битов, потребуются более точные координаты. Метод модуляции 64-QAM стандарта 802.11n предусматривает до восьми бит на символ, тогда как в варианте 802.11ac (модуляция 256-QAM) их количество достигает 16. Если мощность сигнала низкая — например, по причине удаленности устройств друг от друга, то идентифицировать координаты с достаточно высокой точностью не представляется возможным. Механизмы контроля определяют это и переключаются на более простой метод модуляции с меньшим числом символов.

Изменения коснулись также структуры пакетов данных. Ввиду того что роутеры стандарта 802.11ac могут поддерживать работу беспроводных сетей одновременно двух типов (802.11а и 802.11n), они используют так называемые «наследуемые поля» (Legacy fields), которые позволяют избежать конфликтов между пакетами данных этих сетей. В совокупности все эти меры оптимизации обеспечивают более высокую пропускную способность и эффективность Wi-Fi-сети.

      Амплитуда (интенсивность) и фаза (взаимное смещение двух радиоволн) сигнала подвергаются анализу, после чего на основе этих значений формируется так называемый символ, который в стандарте 802.11ac содержит до 16 бит.

Новый стандарт на практике

Каковы возможности роутеров с поддержкой 802.11ac? Результаты тестирования впечатляют, однако потенциал технологии еще не исчерпан.

Экспертам тестовой лаборатории CHIP еще не приходилось работать с беспроводной сетью с такой пропускной способностью: скорость передачи данных между двумя устройствами D-Link DIR-865L, настроенными нами в качестве роутера и клиента, достигала 553 Мбит/с. Этого достаточно для трансляции одновременно пяти видеопотоков формата Full HD. На копирование образа диска размером 700 Мбайт ушло бы около 10 с.

Для сравнения было использовано мощное устройство прошлого поколения — роутер стандарта 802.11n TRENDnet TEW-692GR. В отличие от маршрутизаторов стандарта 802.11ac максимальную эффективность он показал при восьми активных соединениях. При этом он продемонстрировал лишь треть от производительности роутеров нового стандарта (порядка 200 Мбит/с).

802.11ac: скорость в 2,5 раза выше. Роутеры стандарта 802.11ac при оптимальных условиях (передачаданных на расстояние до двух метров в зоне прямой видимости) демонстрируют в три раза более высокую скорость работы, нежели 802.11n-модели. Однако и среди устройств с поддержкой 802.11ac существуют значительные различия.

Дальность действия: 802.11ac «пробивает» все стены

С особым нетерпением мы ждали результатов тестирования при передаче данных на расстояние более 12 м с одной бетонной и одной гипсокартонной стеной, а также многочисленными помехами в виде чужих беспроводных сетей. Наш острый интерес объясняется еще и тем, что волны беспроводной сети стандарта 802.11ac, работающей в диапазоне частот 5 ГГц, сильнее подвержены влиянию различных препятствий на пути следования сигнала, нежели волны в диапазоне 2,4 ГГц. Хотя стандарт 802.11ac предусматривает механизмы для увеличению радиуса действия (Beamforming, оптимизированная технология MIMO), мы рассчитывали на то, что сигнал 802.11n-сети, работающей на частоте 2,4 ГГц, будет эффективнее преодолевать стены, чем 802.11ac. Однако мы ошиблись: в то время как роутер стандарта 802.11n с трудом устанавливал соединение и едва передавал данные со скоростью 1 Мбит/с, ASUS RT-AC66U уверенно «пробивал» стены, выдавая 374 Мбит/с, что почти в два раза превосходит результат 802.11n-маршрутизатора при трансляции сигнала на короткое расстояние в зоне прямой видимости.

Прогресс, достигнутый стандартом 802.11ac по части дальности действия, наглядно виден на примере следующего теста. Мы решили испытать способность роутеров стандарта 802.11n передавать данные сквозь обе стены при работе в диапазоне частот 5 ГГц. Результат: ни одно из устройств не смогло установить соединение. При таком расстоянии беспроводная сеть стандарта 802.11n работала только в диапазоне 2,4 ГГц, обеспечивая низкий уровень эффективности.

«Дальнобойность»: Эффективность при передаче данных на большое расстояние. Особенно впечатляет преимущество роутеров стандарта 802.11ac, когда речь заходит о работе при наличии помех и препятствий в виде двух стен: модель от ASUS в сравнении с устройством стандарта 802.11n показала в 374 раза более высокую скорость.

В плане функций безопасности и оснащения маршрутизаторы стандартов 802.11ac и 802.11n практически ничем не отличаются: все устройства поддерживают актуальный метод шифрования WPA2 и поставляются со стандартными идентификаторами SSID и данными доступа к веб-интерфейсу. Все роутеры обладают четырьмя портами Gigabit Ethernet, а также одним или двумя (как у Netgear) разъемами USB. К последнему можно подключить жесткий диск или флеш-накопитель, чтобы воспользоваться функциями NAS или потокового вещания медиаданных. Устройства от ASUS и Netgear также способны предоставлять общий доступ к USB-принтеру в беспроводной сети.

Что касается потребляемой при передаче данных мощности, то в этом отношении 802.11ac-роутеры далеко не всегда производят приятное впечатление. В режиме «Standby», то есть во включенном состоянии, когда данные не передаются, устройства затрачивают приблизительно  на 10 Вт больше, чем модели стандарта 802.11n. Потребности последних весьма скромны — от 2 до 6 Вт.

Потребляемая мощность. Роутеры стандарта 802.11ac в состоянии покоя расходуют больше энергии, чем 802.11n-модели. При передаче данных уровень энергопотребления находится приблизительно на одинаковом уровне, однако в реальных условиях большую часть времени устройства бездействуют.

В пользовательском интерфейсе отличия достаточно велики. Оболочка от ASUS выглядит как обычная, установленная на ПК программа. Netgear использует дизайн, предлагающий базовый и расширенный режимы. Веб-интерфейс Buffalo работает корректно только в Internet Explorer. А в маршрутизаторе D-Link ставка сделана на понятный для начинающих мастер настройки.

Пользовательский интерфейс. Роутеры значительно отличаются друг от друга по оформлению веб-интерфейса: ASUS (1) делает ставку на современный внешний вид, а Buffalo (2) выглядит несколько старомодно. Netgear (3) предоставляет стандартный (упрощенный) режим, в D-Link (4) имеется встроенный мастер настройки.

Взаимодействие устройств

Маршрутизатор должен работать со многими конечными аппаратными средствами, поэтому мы подключили друг к другу все роутеры и провели тестирование. Результат: беспроводная сеть стандарта 802.11ac функционирует независимо от производителя устройства.

  Роутеры 802.11ac в сравнении

Переход на 802.11ac

С помощью роутеров стандарта 802.11ac, имеющих и обратную совместимость с предыдущими стандартами, вы сможете значительно увеличить пропускную способность домашней сети.

С одной стороны на рынке уже доступно некоторое количество роутеров на базе технологии 802.11ac, с другой — остальное сетевое оборудование с поддержкой нового стандарта пока еще большая редкость. На момент подготовки номера беспроводной сетевой мост Buffalo AirStation 1300 Gigabit Dual Band Media был единственным таким устройством. Из числа доступных роутеров мы выбрали две одинаковые модели, одну из которых настроили как маршрутизатор, а другую — в качестве моста. Такое сочетание позволит вам организовать высокоскоростной сетевой мост с поддержкой стандарта 802.11ac. Так, роутер можно разместить, например, рядом с розеткой выделенной линии и подключить к нему по проводной и беспроводной связи необходимые устройства. А в гостиной можно установить сетевой мост или второй маршрутизатор, настроенный на работу в режиме моста, и связать с первым роутером по высокоскоростной беспроводной сети стандарта 802.11ac. Данные устройства будут предоставлять доступ в сеть для телевизора и/или HTPC по проводной связи. В результате вы сможете, например, просматривать на телевизоре в гостиной HD-фильмы, размещенные в сетевом хранилище (NAS) в кабинете, или копировать ТВ-передачи с ресивера на компьютер в рабочей комнате со скоростью стандарта 802.11ac.

Высокоскоростная беспроводная сеть в качестве моста. Сеть стандарта 802.11ac с большим радиусом действия может выступать в качестве связующего звена между сетями в рабочем кабинете и гостиной. Ее производительности будет вполне достаточно для того, чтобы транслировать или копировать одновременно несколько HD-видеопотоков.

Новые устройства — уже в этом году

В ближайшее время технология 802.11ac постепенно вытеснит стандарт 802.11n, поэтому производители планируют выпуск новых моделей устройств. Так, ASUS намерена в этом году представить помимо RT-AC66U модель RTAC67U, а также адаптер PCI-E PCE-AC66 для установки в ПК и USB-адаптер USB-AC53. Компания D-Link наряду с DIR-865L анонсировала выход этой осенью USB-адаптера с двумя антеннами, который обеспечивает номинальную пропускную способность на уровне 866 Мбит/с. Cisco намерена представить роутер EA6500, а также универсальный адаптер WUMC710N, который обещает высокую производительность при передаче потокового видео. TRENDnet анонсировала на третий квартал роутер и сетевой мост, Edimax в четвертом квартале планирует выпуск двух маршрутизаторов стандарта 802.11ac и USB-адаптера.

Первым ноутбуком с поддержкой 802.11ac станет геймерская модель ASUS G75VW, которая появится осенью после обновления аппаратной платформы. А до выхода смартфонов и планшетов пройдет несколько месяцев. Компании Atheros, Broadcom и Marvell уже представили чипы, соответствующие новому стандарту, однако производителям мобильных телефонов потребуется время для их интеграции. Отметим, что антенны для работы в диапазоне частот 5 ГГц имеют небольшие размеры, поэтому внутри мобильного устройства их можно будет разместить в количестве нескольких штук.

Cвязь малого радиуса действия

По имеющейся информации, стандарт беспроводной связи 802.11ad обеспечит скорость передачи данных до 7 Гбит/с, однако только на расстояние до нескольких метров.

В то время как стандарт 802.11ac нацелен на то, чтобы увеличить пропускную способность беспроводной сети, параллельно развиваемая технология 802.11ad призвана избавить пользователя от проводов при использовании систем домашнего кинотеатра и сделать возможным беспроводное подключение мобильных приборов к мониторам, дискам и устройствам ввода. При передаче данных в зоне прямой видимости на расстояние не более нескольких метров пропускная способность может достигать 7 Гбит/с. Первые такие устройства появятся не ранее 2014 года.

Данный стандарт, называемый также WiGig, использует традиционные для Ethernet и беспроводных сетей элементы, однако работает в диапазоне частот 60 ГГц и обладает в 50 раз более широким частотным спектром по сравнению с каналами стандарта 802.11n. Это обеспечивает очень высокую пропускную способность, достаточную для передачи несжатых видеоданных формата Full HD — например, для воспроизведения видео на телевизоре с мощного смартфона.

Однако короткие волны стандарта WiGig крайне подвержены влиянию различных препятствий. Компенсировать этот недостаток призваны трехполосные устройства, которые в зависимости от расстояния и наличия помех работают в диапазоне 2,4, 5 или 60 ГГц. Если расстояние между устройствами превышает десять метров, но они находятся в зоне прямой видимости, WiGig использует методы Beamforming, как в стандарте 802.11ac.

Высокоскоростные режимы передачи данных (7 Гбит/с), задействующие те же методы модуляции, что и стандарт 802.11ac, отнимают у мобильных устройств слишком много энергии. Поэтому технология 802.11ad предусматривает энергосберегающий режим «Single Carrier» (одночастотная передача), который обеспечивает достаточно высокую скорость передачи данных (до 4,6 Гбит/с).

Потолочный светильник с пропускной способностью до 800 Мбит/с

Видимый свет — это не что иное, как радиоволна с частотой в сотни тысяч колебаний в секунду. Следовательно, данные можно передавать с помощью света, используя те же методы, что и в технологии Wi-Fi. Компания Siemens разработала технологию Visible Light Communication (VLC), с помощью которой можно передавать информацию со скоростью 800 Мбит/с. Модулятор работает так же, как и в беспроводном роутере, только с более высокой скоростью. В качестве точек доступа служат LED-лампы на потолке или в торшерах, а устройства приема оснащены фотоматрицами и собственными светодиодными лампами для организации канала обратной передачи данных. Светодиодные лампы «мерцают» с такой высокой скоростью, что человеческий глаз этого абсолютно не замечает. Преимущество технологии в том, что благодаря возможности экранирования потока света можно добиться снижения количества помех, ослабляющих мощность сигнала. Кроме того, сигнал сети VLC достаточно хорошо защищен от перехвата, так как устройство приема всегда находится в пределах светового потока. Данная технология могла бы стать востребованной, прежде всего, в областях, где традиционная беспроводная сеть является потенциальным источником опасных помех или оказывается неработоспособной вследствие наличия электромагнитного поля, — например, в больницах, самолетах или на производстве.

LTE Advanced: гигабитная сеть для путешественников

В то время как расширение LTE-сетей продвигается семимильными шагами, уче
ные завершили работу над следующей версией стандарта передачи данных в
мобильных сетях. По имеющейся информации, LTE Advanced на открытом пространстве обеспечит скорость до 1 Гбит/с при загрузке данных из сети и до 500 Мбит/с при их передаче в сеть. Новый стандарт, обладающий полной обратной совместимостью, был оптимизирован с помощью тех же средств, что и сеть 802.11ac: здесь также используются технология MIMO и более широкие каналы, которые могут быть объединены для достижения более высокой пропускной способности. Некоторые изменения коснулись и инфраструктуры: помимо традиционных базовых станций LTE предусмотрены небольшие передатчики радиорелейных станций, которые увеличивают дальность действия. Они работают так же, как и повторители. Кроме того, конечные устройства могут функционировать в гибридных сетях, то есть поддерживать связь одновременно с несколькими базовыми станциями. Это позволяет избежать перегрузки отдельных радиомачт и улучшает общую производительность сети на основе технологии LTE Advanced. На существующих базовых станциях LTE (см. фото) поддержку нового стандарта можно добавить путем обновления программного обеспечения, а вот устройства приема изначально должны быть совместимы с данной технологией.