Руководство по категориям скорости Wi-Fi

29 Окт в 14:16

Введение

Покупая новый Wi-Fi роутер, я столкнулся со множеством их характеристик и как следствие классов скорости Wi-Fi: N300, AC2600, AX1800 и другие. По мере изучения параметров я решил написать эту статью, которую можно рассмотреть как памятку по основам Wi-FI. Главная цель этой статьи — рассмотреть основные характеристики и на что они влияют.

Важно: В статье представлена упрощенная информация, некоторые технические детали были сознательно опущены для удобства восприятия. Будут разобраны только с 4 по 7 поколения Wi-Fi.

Характеристики Wi-Fi

Начнем с определения, Wi-Fi — это технология беспроводной передачи данных. Выделяют 7 поколений. Все поколения имеют ряд характеристик, к ним относятся:

частота;
ширина канала;
метод кодирования;
и так далее.

Класс скорости

Класс скорости — это условная характеристика (скорее маркетинговая), которая отражает максимальную теоретическую пропускную способность устройства, применима к Wi-Fi роутерам. Класс скорости состоит из буквенной части и числовой. Буквенная часть указывает на поколение Wi-Fi. Таблица о соответствии представлена ниже.

Числовая часть класса скорости представляет собой максимальную суммарную возможную скорость. Здесь складываются скорости на всех возможных частотах для роутера, с максимально возможным числом потоков и шириной канала. Далее разберем каждую из составляющих.

Буквенная часть	Поколение	Стандарт IEEE
N	Wi-Fi 4	802.11n
AC	Wi-Fi 5	802.11ac
AX	Wi-Fi 6	802.11ax
AXE	Wi-Fi 6e	802.11ax
BE	Wi-Fi 7	802.11be

Частота

Wi-Fi работает на частотах:

2.4ГГц, максимальная ширина канала 40МГц;
5ГГц;
6ГГц.

Последняя частота (6ГГц) была добавлена в Wi-Fi 6e (расширенный) и используется в Wi-Fi 7. Тут нужно отметить, что в России частоты 6ГГц не выделены для использования, поэтому Wi-Fi 7 будет работать только на 2.4ГГц и 5ГГц. Сейчас идут процессы по выделению этой частоты для использования.

Важно выделить, что одна частота — это отдельная сеть, кроме 6ГГц, которая расширяет 5ГГц сеть. Исходя из этого можно разделить только 2.4ГГц и 5ГГц сети. Далее представлена таблица для соответствия частот и поколений Wi-Fi:

Поколение	Частота, ГГц	Примечание
Wi-Fi 4	2.4/5	Работа на 5ГГц возможна, но редко реализована
Wi-Fi 5	5
Wi-Fi 6	2.4/5
Wi-Fi 6e	2.4/5/6
Wi-Fi 7	2.4/5/6

Ширина канала

Каналы используемые в Wi-Fi могут быть 20/40/80/160/320 МГц. С увеличением ширины канала увеличивается объем передаваемых данных прямо пропорционально. То есть при увеличении с 20МГц до 80МГц увеличится объем в 4 раза, а при увеличении. Но с увеличением ширины канала, увеличивается и величина помех, что негативно сказывается на дальности передачи данных. Таблица с условным соотношением ширины и скорости представлена ниже.

Ширина канала	Дальность (от 20МГц)	Скорость (от 20МГц)
20МГц	100%	1x
40МГц	примерно 71%	2x
80МГц	примерно 50%	4x
160МГц	примерно 35%	8x

Для каждого поколения Wi-Fi доступна определенная ширина каналов:

Поколение	Ширина канала, МГц	Примечание
Wi-Fi 4	20/40
Wi-Fi 5	20/40/80/160*	Разделен на Wave 1(2013) и Wave 2(2016). Только в Wave 2 появилась ширина 160МГц.
Wi-Fi 6	20/40/80/160
Wi-Fi 6e	20/40/80/160
Wi-Fi 7	20/40/80/160/320

Пространственный поток

В Wi-Fi 4 появилась новая технология MIMO (Multiple Input and Multiple Output). Она добавляет пространственные потоки. Пространственные потоки — это отдельные каналы (потоки) передачи данных, которые за счет мультиплексирования передаются одновременно, для этого Wi-Fi роутеры имеют несколько антенн. MIMO 2×2 говорит нам о том, что две антенны используются для приема и две для передачи сигнала. Тем самым мы можем передавать и получать два пространственных потока, что теоретически увеличивает пропускную способность канала в два раза. Обычно Wi-Fi адаптер в телефоне, ноутбуке имеет MIMO 2×2, в силу размера и потребления энергии.

C Wi-Fi 5 был представлен MU-MIMO. И если раньше можно было одновременно взаимодействовать только с одним устройством, то теперь можно работать с несколькими. Например у нас MU-MIMO 16×16, он может передавать все 16 потоков на один приемник, либо разделить между участниками, используя разные схемы. Например, на 4 приемника по 4 поток, на 16 приемников по одному, либо на 2 приемника по 4 потока и на 8 по одному и так далее.

Разницу между MIMO (или SU-MIMO) и MU-MIMO можно увидеть на следующем изображении.

Соотношение пространственных потоков и поколения Wi-Fi представлено в таблице ниже.

Поколение	Пространственных потоков	MIMO (Максимум)
Wi-Fi 4	До 4	MIMO 4×4
Wi-Fi 5	До 8* (чаще всего максимум 4)	MU-MIMO 4×4
Wi-Fi 6	До .	MU-MIMO 8×8
Wi-Fi 7	До 16	MU-MIMO 16×16

Метод модуляции

Для передачи сигнала в Wi-Fi его необходимо закодировать. Для этого чаще всего используют квадратурную модуляцию (QAM). Чем выше уровень модуляции — тем условно более плотно передаются данные, выше максимальная скорость. Но тут важно чтобы был высокий уровень сигнала и низкий уровень шума. Если уровень сигнала падает, то модуляция переключается на предыдущий уровень, который являет более устойчивым к помехам.

Можно выделить следующие типы модуляции:

16-QAM
64-QAM (максимальный по спецификации для Wi-Fi 4)
256-QAM (максимальный по спецификации для Wi-Fi 5)
1024-QAM (максимальный по спецификации для Wi-Fi 6)
4096-QAM (максимальный по спецификации для Wi-Fi 7)

Для вычисления класса скорости используется максимально доступный тип модуляции.

Ниже представлено наглядное сравнение 256-QAM и 1024-QAM.

Ниже представлены скорости, которые могут служить для ориентира, но не являются точными, так как скорость зависит и от других параметров, о которых не упомянуто в статье:

Модуляция	Поколение Wi-Fi	Ориентировочная базовая скорость для 1 пространственного потока и 20МГц ширины канала, МБит/c
16-QAM	4/5/6/7	44
64-QAM	4/5/6/7	72,2
256-QAM	5/6/7	100
1024-QAM	6/7	143
4096-QAM	7	172

Как рассчитывается максимальная суммарная скорость

Максимальная суммарная скорость будет равна округленной сумме скоростей на каждой частоте (2.4ГГц и 5ГГц).

$V_{\text{max}} \approx V_{2.4 \text{GHz}} + V_{5 \text{GHz}}$

Для точного определения максимальной скорости на определенной частоте есть таблицы для каждого поколения, с привязкой ширины канала, количеством пространственных потоков и так далее. Но мы упростим схему и представим приблизительную формулу:

$V_{\text{freq}} \approx V_{\text{mod}} \times C_{\text{bw}} \times C_{\text{sp}}$

Vfreq — скорость на определенной частоте,
Vmod — скорость на максимально доступной модуляции для данного поколения Wi-Fi,
Cbw — коэффициент ширины канала,
Csp — коэффициент пространственных потоков.

Примеры

AC1200: AC — 5 поколение Wi-Fi. 1200 — суммарная скорость.

Для частоты 2.4ГГц — Wi-Fi 4 (так как в Wi-Fi 5 нет 2.4) — максимальная скорость будет 300Мбит/c (ширина канала 40МГц (коэффициент 2x), 2 потока (2x) и базовая скорость на модуляции 64-QAM примерно — 72мбит/c):

$V_{2.4GHz} \approx 72 * 2 * 2 \approx 300$

Для частоты 5ГГц — Wi-Fi 5 — максимальная скорость будет 867Мбит/c (ширина канала 80МГц (4x), 2 потока (2x) и базовая скорость на модуляции 256-QAM примерно — 100 Мбит/c):

$V_{5GHz} \approx 100 * 2 * 4 \approx 867$

AX3000: AX — 6 поколение Wi-Fi. 3000 — суммарная скорость.

Для частоты 2.4 — Wi-Fi 6 — максимальная скорость 574Мбит/c (ширина канала 40МГц (2x), 2 потока (2x) и базовая скорость на модуляции 1024-QAM примерно — 143Мбит/c):

$V_{2.4GHz} \approx 143 * 2 * 2 \approx 574$

Для частоты 5 — Wi-Fi 6 — максимальная скорость 2402Мбит/c (ширина канала 160МГц (8x), 2 потока (2x) и базовая скорость на модуляции1024-QAM примерно — 143Мбит/c):

$V_{5GHz} \approx 143 * 2 * 8 \approx 2402$

N600: N — Wi-Fi 4, только частота 2.4ГГц. Максимальная суммарная скорость — 600Мбит/c.

Для частоты 2.4 — Wi-Fi 4 — максимальная скорость 600Мбит/c (ширина канала 40МГц (2x), 4 потока (4x) и базовая скорость на модуляции 64-QAM примерно — 72мбит/c):

$V_{2.4GHz} \approx 72 * 2 * 4 \approx 600$

Подведем итоги

Мы разобрали, что такое класс скорости и из чего он состоит, научились его считать, а также рассмотрели основные характеристики Wi-Fi. Теперь мы знаем, что все рассмотренные характеристики увеличивают пропускную способность. Но роутер выбирает в зависимости от уровня сигнала и помех (дальности), какую ширину, модуляцию и схему MIMO использовать. Таким образом разные устройства в одной Wi-Fi сети будут иметь разную максимальную скорость.

Примечание: В данной статье опущены некоторые технические моменты, такие как OFDMA, скорость кодирования и защитные интервалы.

Дополнение: Сигнал Wi-Fi на частоте 2.4 ГГц (длина волны 12.5 см) имеет лучшую проникающую способность и лучше огибает препятствия, чем сигнал на 5 ГГц (длина волны 6 см).

Источник