Wi-Fi 6 и 5G. Как развивались технологии беспроводной связи и к чему они пришли?

14.10.2020
104

Сегодня сложно себе представить использование телефона без возможности передачи информации и быстрого доступа в интернет. В этой статье рассмотрим как развивались и к чему пришли технологии обеспечивающие нам качественную связь практически из любой точки мира: Wi-Fi 6 и 5G.

От EEE 802.11 до Wi-Fi 6

Точкой отсчета создания Wi-Fi можно считать 1985 год, когда Федеральное агентство связи США позволило свободно использовать определенный спектр радиочастот для связи и передачи данных. Образовавшуюся нишу стали занимать коммерческие компании производящие различное оборудование для создания беспроводной сети, а практику отмены лицензии на радиоэфир переняли госструктуры других стран. Индивидуальные действия производителей привели к тому, что за несколько лет на рынке появилось большое количество несовместимых устройств, едва ли способных обеспечить стабильную локальную сеть со скоростью передачи данных до 2 Мбит/сек. Создание эффективной технологии беспроводной связи требовало приведения всех спецификаций к единому стандарту.

Провальный старт

В 1991 году его разработкой занялся американский Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), являющийся мировым авторитетным органом в области производства и утверждения стандартов для радиокоммуникаций. Работа велась в течение шести лет и в 1997 году был представлен первый стандарт связи для локальной сети — IEEE 802.11, который за это время оказался устаревшим. Согласно ему устройства передавали данные со скоростью всего 1-2 Мбит/сек, соединение часто обрывалось и имело маленький радиус действия. Технология все еще считалась перспективной, но нуждалась в доработке.

Заинтересованные в беспроводных технологиях компании 3Com, Cisco, Nokia, Symbol Technologies в 1999 году создают консорциум Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) и участвуют в разработке расширений IEEE 802.11a и IEEE 802.11b. Первое обеспечивало скорость передачи 54 Мбит/сек в закрытом диапазоне 5 ГГц. Второе использовало более свободные частоты 2,4 ГГц, а скорость передачи доходила до 11 Мбит/сек. Дальность действия сигнала достигала 35 м в закрытом помещении и доходила до 100 м на открытом пространстве.

Повальный успех

Именно стандарт IEEE 802.11b, принятый в 1999 году, обеспечивал лучшую скорость и стабильно соединение, чем принес WECA коммерческий успех. В 2000 году консорциум переименовывается в Wi-Fi Allians и регистрирует торговый бренд Wi-Fi. С того времени и по сей день все продукты поставляемые на рынок связи проходят проверку альянса на совместимость с протоколами IEEE 802.11 и затем маркируются знаком Wi-Fi. Принцип работы сети можно выразить так:

  • Связь между устройствами обеспечивается по радиоволнам в частотном диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Для создания сети необходимы минимум одна точка доступа и клиент (смартфон, планшет и т.д.), преобразующий получаемый от точки радиосигнал в цифровые данные и наоборот. Точка доступа имеет свой идентификатор (SSID), по которому клиент находит ее и подключается. Оба устройства должны находится на одинаковых субчастотах и использовать одинаковые модули шифрования/преобразования данных. Контроль совместимости обеспечивается протоколами IEEE 802.11.

В 2003 году появляется стандарт IEEE 802.11g совмещающий лучшие качества двух предыдущих: работу в доступном диапазоне IEEE 802.11b – 2,4 ГГц и скорость передачи IEEE 802.11a – 54 Мбит/сек. В этом же году альянс выпускает протокол безопасности WPA обеспечивающий защиту данных при передаче и контролирующий доступ к сетям. В следующим году выходит обновление протокола – WPA2.

К 2005 году адаптеры Wi-Fi устанавливаются практически в каждом цифровом устройстве. Ноутбуки, принтеры, игровые приставки, цифровые камеры и т.д. имели возможность подключится к глобальной сети без проводов. Имя “Wi-Fi” включается в словарь Уэбстера и Оксфордский словарь становясь нарицательным.

Четвертый по счету стандарт – IEEE 802.11n – был утвержден 11 сентября 2009 года и повысил скорость передачи по сравнению с предыдущим до 150 Мбит/с. Протокол позволяет устройствам работать сразу в двух диапазонах – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Это повысило надежность связи и снизило влияние радиопомех. Дальность сигнала возросла с 35 м до 75 м в помещениях и со 100 до 250 м на открытом пространстве без помех.

На разработку пятого стандарта ушло два года. В 2013 году был представлен IEEE 802.11ac увеличивший пропускную способность до 433 Мбит/с и до 6,77 Гбит/с при использовании антенн. Протокол работает на частоте 5 ГГц, но совместим и с предыдущими стандартами реализуемыми в диапазоне 2,4 ГГц.

Чего ждать от Wi-Fi 6?

Спустя шесть лет, осенью 2019 года, появился шестой и последний на данный момент протокол IEEE 802.11ax. С этим обновлением, Wi-Fi Allians решили отказаться от сложного цифро-буквенного обозначения упростив маркировку актуальных стандартов до понятного всем слова Wi-Fi. Так, IEEE 802.11ax стал Wi-Fi 6, IEEE 802.11ac – Wi-Fi 5, а IEEE 802.11n – Wi-Fi 4.

Изменения коснулись всех ключевых сторон в работе современного Wi-Fi, а именно:

  • Скорость передачи. За счет повышения производительности микросхемы упаковывают значительно большее количество данных в радиочастоты, а использование двух диапазонов (2,4 ГГц и 5 ГГц) позволяет им свободнее преодолевать радиоэфир и преграды транслируясь от точки доступа к клиенту. В результате по сравнению с Wi-Fi 5 прирост скорости Wi-Fi 6 составил 40% и увеличился до 11 Гбит/сек.
  • Энергоэффективность. Стандарт получил функцию Target Wake Time (TWT). Она запускает адаптер Wi-Fi внутри смартфона, ноутбука или другого устройства только при запросе подключения к точке доступа. Это существенно экономит энергию и повышает автономность гаджета в режиме ожидания.
  • Пропускная способность. Точка доступа Wi-Fi 6 лучше срабатывает при подключении большого числа клиентов и сохраняет высокую скорость, за счет использования технологии OFDMA. Она разделяет беспроводной канал на несколько подканалов, каждый из которых перед на себя отдельный гаджет и обрабатывает одновременно с другими. Так, подключая смартфон, ноутбук и планшет к одному роутеру потеря скорости передачи и обработки будет минимальной.
  • Безопасность. Cтандарт использует новый протокол шифрования WPA3 надежнее защищающий слабые пароли и сетевые устройства от взлома.

Первые смартфоны с адаптером Wi-Fi 6 стали флагманы 2019 года iPhone 11/Pro/Pro Max и Samsung Galaxy S10/S10 Plus. Сегодня все устройства выходящие после утверждения протоколов IEEE 802.11ax получают данный адаптер. Однако в разработке уже находится Wi-Fi 7, который будет поддерживать также диапазон 6 ГГц и обеспечит скорость до 40 Гбит/сек. Релиз запланирован на 2024 год.

От WAP до 5G

В 90-е годы прошлого века ведущие компьютерные и коммуникационные компании были заинтересованы в создании технологий, которые бы соединяли устройства без проводов для передачи данных и вместе. Для этого они объединялись в организации разрабатывая общие стандарты. Так, одни за другим возникли консорциум SIG по разработке Bluetooth, ассоциация IrDA для внедрения ИК-порта, упомянутая организация WECA.

Появление WAP

В 1997 году компании лидирующие в области сотовой сети — Ericsson, Motorola и Nokia — объединились, чтобы разработать технологию объединяющую мобильную связь и интернет с помощью WAP (Wireless Application Protocol).

Протокол WAP предлагал способ, с помощью которого мобильное устройство могло получить доступ к всемирной паутине без использования роутера или модема. Уже в мае 1998 года была представлена первая спецификация WAP v.1.0, которая обеспечивал скорость передачи данных – 9,6-56 Кбит/с. В 1999 году был запущен первый WAP-сайт. С появлением в 2001 году более скоростного и стабильного соединения GPRS протоколы WAP утратили актуальность, но просуществовали вплоть до 2013 года. Стандарт GPRS именовался как 2G и обеспечивал скорость – 56-114 Кбит/сек.

GPRS и EDGE

В 2003 году на базе GPRS появилась надстройка EDGE для более скоростной передачи данных, сохраняющая прежний протокол доступа. Данные разделялись на пакеты и передавались по каналу, который предоставлялся пользователю на время сеанса GPRS, а благодаря внедрению сложных методов кодирования скорость передачи повышалась до 236 Кбит/сек.

Революционный 3G

Распространение в начале 00-х мобильных устройств и их доступность все большему количеству пользователей требовало увеличения пропускной способности, которую 2G обеспечить уже не мог. Для этого в 2001 году была создана новая технология – 3G, представленная в Японии. С 200 Кбит/сек скорость возросла до 2 Мбит/сек. Стандарт оказал сильное влияние на развитие мобильной индустрии. Стабильная связь и высокая скорость позволяли просматривать потоковое видео, играть в мультиплеер и совершать видеозвонки, что являлось стимулом для производителей выпускать соответствующей мощности мобильные аппараты. Так начали появляться первые коммуникаторы и смартфоны. Сильным толчком в направлении развития карманных компьютеров стало внедрение в 2005 году технологии High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) повышающей теоретическую скорость до 14,4 Мбит/сек. С другой стороны такой поток трафика перегружал сеть, поэтому требовался новый стандарт, который бы справлялся с таким количеством данных.

Эволюционный 4G

В 2008 году индустрия сосредоточилась на разработке новой технологии, которая в начале следующего года была представлена, так появился 4G. Стандарт был представлен в США. По сравнению с предыдущим была повышена скорость загрузки, снижена задержка и улучшено качество передачи голоса. Пропускная способность составляла 180 Мбит/сек, что позволяло скачать фильм в формате HD размером 2 Гб за менее чем 4 минуты, когда 3G для этого требовалось около получаса. За ним последовало расширение 4G LTE с более высокой скоростью загрузки потокового видео и стабильным соединением.

Противоречивый и неизбежный 5G

Разработки следующего поколения мобильной связи начались в 2015 году, когда Международный союз электросвязи разработал план развития новой технологии называемый – “Высокоскоростной интернет по технологии 5G”. Его воплощение обеспечивало прирост скорости с 1 Гбит/с до 10 Гбит/с.

С 2017 года стандарт постепенно внедряется в среду мобильных устройств. Среди функций нового стандарта также является уменьшение расхода энергии, улучшение покрытия беспроводной сети. Обладая мощным потенциалом технология 5G имеет широкий спектр внедрения:

  • Интернет вещей. Благодаря 5G предполагается объединение устройств и отдельных систем в общую сеть с дистанционным управлением и контролем. Технология может быть внедрена в концепцию умного дома и инфраструктуру умного города, использована в промышленных предприятия для объединения станков и контроля измерительных приборов.
  • Беспилотный транспорт. С развитием стандарта множество видов транспорта может быть переведено в автономный режим, например такси, сельхоз техника, грузоперевозки.
  • Облачные технологии. Обеспечивая высокую скорость и стабильную связь, 5G поспособствует развитию облачных хранилищ, позволяя быстро загружать, надежно хранить и передавать данные.

Технология 5G обрела негативную популярность весной 2020 года в начале развития пандемии COVID-19. Тогда широко распространялась информация о вреде 5G и распространению через вышки опасного вируса. Однако эти данные не подтверждаются научным сообществом, так как не имеют для этого достаточных оснований, а в большей степени являются мнением сторонников теории заговоров. Тем не менее, современные флагманские смартфоны оснащают процессорами с поддержкой модуля 5G и ожидается, что со временем он будет установлен в каждом мобильном аппарате, а сотовая связь в течение нескольких лет полностью перейдет на новый стандарт.

Анонс и заключение

В этой части цикла мы рассмотрели основополагающие стандарты связи без которых было бы невозможно использовать телефон и тем более смартфон для звонков и доступа в интернет. В следующей статье расскажем как телефоны научились фотографировать и зачем современному смартфону по 4 камеры.