Технология TX Beamforming — Что Это В Роутере?
Читая технические спецификации современных wifi маршрутизаторов, все чаще на глаза попадается такое понятие, как TX Beamforming. Что это в роутере, я расскажу в этой статье.
Технология TX Beamforming
Говоря простым языком, beamforming — это технология формирования направленного луча в сторону принимающего беспроводной сигнал устройства. Ее ещё называют TX Beamforming, то есть «концентрирование излучения».
Обычные антенны роутера ретранслируют вайфай с одинаковой амплитудой во все стороны, покрывая равномерную площадь вокруг. При этом более дорогие модели бывают оснащены сразу несколькими антеннами в одном частотном диапазоне. Их излучение накладывается друг на друга, благодаря чему увеличивается качество wifi.
Благодаря формированию луча beamforming можно дополнительно улучшить за счёт того, что он распространяется не равномерно вокруг себя, а как бы вытягивается в сторону подключенного к нему девайса.
Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий и других источников радио помех.
Но как быть, если с роутером в одно время работает несколько смартфонов, ноутбуков и других гаджетов? Здесь включается умный алгоритм Beamforming, который автоматически определяет, от каких из них ответ приходит быстрее, от каких медленнее, и в какую соответственно сторону нужно направить более мощный сигнал.
Главной сложностью при ее внедрении в устройства является особая настройка антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. Поэтому в недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является больше маркетинговым ходом, нежели действительно фактором, сильно повышающим стабильность приема в отдаленных участках помещения.
Если речь идёт о стандарте wifi 802.11n, то для достижения максимального эффекта нужно, чтобы и приемник, и передатчик работали по одной и той же технологии beamforming. Поэтому рекомендуется использовать оба устройства одной фирмы — роутер и wifi адаптер.
В более новом 802.11ac beanforming уже является составной частью стандарта, поэтому производитель значения не имеет.
Формирование луча на практике
Подведем итог — каким образом эти знания могут нам пригодиться на практике? Нужно ли обращать внимание на наличие технологии формирования направления излучения TX Beamforming в маршрутизаторе?
Что такое Beamforming
Формирование луча одно из тех понятий, которое кажется настолько простым, что удивляешься, почему раньше никто про это не думал. Вместо того, чтобы транслировать сигнал во все стороны в надежде, что он достигнет пункта назначения, почему бы не сфокусировать этот сигнал, и не направить его прямо в цель?
Иногда самые простые понятия являются наиболее сложными для реализации, особенно в начальном ценовом диапазоне (SOHO сегмент). Начиная с пятого поколения Wi-Fi (802.11ac) эта функция, наконец, появилась в домашних маршрутизаторах.
История развития Beamforming
Немного предыстории: формирование луча было на самом деле дополнительной функцией более старого стандарта 802.11n, но IEEE (международный орган, который устанавливает эти стандарты) не разъяснил, как именно это должно было быть реализовано. И могло получиться так, что вы купили роутер, и он использует одну реализацию, а Wi-Fi адаптер в вашем ноутбуке использует другую, в этом случае формирование луча не заработает.
Некоторые производители разрабатывали свои комплекты 802.11n, но они, как правило, были дорогими и не пользовались широким спросом на рынке.
Формирование луча фокусирует сигналы, которыми обмениваются Wi-Fi маршрутизатор и клиенты, с которыми он связан.
Формирование луча способствует более эффективному использованию полосы пропускания беспроводной сети и увеличивает радиус ее действия. Это, в свою очередь улучшает потоковую передачу видео, качество голоса и работу других приложений, чувствительных к пропускной способности, задержке и джиттеру.
Beamforming стал возможным благодаря передатчикам и приемникам, которые используют технологию MIMO (множественный вход, множественный выход): данные отправляются и принимаются с использованием нескольких антенн для увеличения пропускной способности и дальности. MIMO был впервые представлен стандартом 802.11n, и он остается важной функцией стандарта 802.11ac и 802.11ax. MIMO может работать по схеме 1×1, 2×2 и 3×3, последний означает поддержку 3-х пространственных потоков для передачи и приема.
Как работает формирование луча
Беспроводные маршрутизаторы (или точки доступа) и беспроводные адаптеры, которые не поддерживают формирование луча, ведут широковещательную передачу данных во всех направлениях. Представьте лампу без абажура в качестве беспроводного маршрутизатора: лампа (передатчик) излучает свет (данные) во всех направлениях.
Устройства, поддерживающие формирование луча, фокусируют свои сигналы на каждом клиенте, ведя передачу данных таким образом, чтобы больше данных достигало целевого устройства, а не излучалось в пространство. Теперь установим на лампу (беспроводной маршрутизатор) абажур, чтобы уменьшить количество света (данных), излучаемых во всех направлениях. Сделаем отверстия в абажуре, чтобы концентрированные лучи света перемещались в определенные места (ваши клиенты Wi-Fi) в комнате.
Если Wi-Fi клиент также поддерживает формирование луча, маршрутизатор и клиент могут обмениваться информацией об их соответствующих местоположениях, чтобы определить оптимальный путь прохождения сигнала. Устройство, которое формирует луч и его сигналы, называется beamformer, а любое устройство, которое принимает сформированные лучом сигналы, называется beamformee.
Сигналы, исходящие с антенн роутера откалиброваны с необходимым смещением фаз и амплитудой, и они испытывают конструктивную (усиливающую) интерференцию непосредственно в области приемной антенны абонентского оборудования, а в других направлениях проявляется деструктивная (гасящая) интерференция.
Роутер отправляет со всех своих антенн зондирующий сигнал клиенту. Клиент отвечает роутеру то, что он увидел и отправляет набор комплексной матрицы с параметрами местоположения, фазовым сдвигом и амплитудой сигнала.
Роутер вычисляет местоположение клиента, делает, если нужно поправки в сигнале и формирует узконаправленный главный лепесток в направлении от точки доступа к клиенту. А чем выше соотношение сигнал/шум на клиенте, тем выше модуляция и тем большей скорости можно достигнуть.
В чем разница между неявным и явным формированием луча?
Формирование луча может значительно повысить уровень сигнала устройств, которые фактически не поддерживают формирование луча, хотя и не так сильно, как это происходит на поддерживаемом устройстве.
Явное формирование диаграммы направленности означает, что луч формируется, только если устройство на другом конце поддерживает формирование луча (explicit Beamforming – eBF). В этом случае используются специальные калибровочные кадры от клиента. Поддержку eBF реализована в стандартах 802.11ac и ax.
Неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF) будет пытаться сформировать луч, даже если конечное устройство его не поддерживает. Это упрощенный вариант алгоритма eBF. Роутер оценивает канал связи на основании принятых данных от клиента. Точка доступа объявляет, на каких скоростях она может работать. Клиент в зависимости от параметров принятого сигнала отвечает, что он будет работать на такой-то скорости. Путем итераций точка доступа меняет скорость и фазовый сдвиг на антеннах, и смотрит, что ответит клиент. Если клиент повысил скорость, принимается решение что все хорошо. Так продолжается до тех пор, пока не будет установлена максимальная скорость со стороны клиента.
Технология Beamforming это еще один метод для улучшения скорости беспроводной сети, и используя ее совместно с MIMO можно получить очень хорошие результаты.
Что значит функция «beamforming» в беспроводных устройствах?
Во многих новых роутерах появилась такая функция как beamforming (обычно переводится как «формирование луча» или «концентрирование излучения»). Иногда ее называют «spatial filtering» (пространственное фильтрование). Расскажем, что это такое.
Сама по себе идея не нова, но она недавно нашла себе место в беспроводных устройствах. Это технология обработки и формирования сигнала, которая позволяет поддерживать достаточно высокую скорость передачи в местах, где распространение сигнала затруднено. То есть – толстые стены, перекрытия, или множество интерферирующих устройств. Эта технология позволяет устройству «почувствовать» в каком направлении возникают потери сигнала, и скорректировать работу передающей части соответствующим образом.
В стандарте 802.11n оба устройства, например роутер и компьютер, должны использовать один и тот же тип этой технологии (как правило это достигается использованием продуктов одного и того же производителя – роутера и 802.11n-брелка в ноутбуке), иначе не будет эффекта.
В стандарте 802.11ас эта технология стала частью стандарта, поэтому эффект от нее будет заметным даже на 802.11ac-устройствах разных производителей, но и здесь не стоит ожидать от нее чудес. Она действительно помогает, но это всего лишь некоторое значительное улучшение скорости передачи, речь идет не об изменениях в разы.
Технология эта бывает в «явной» и «скрытой» реализации (explicit и implicit в англоязычных источниках). В «явном варианте» оба источника обмениваются информацией друг с другом о радиоканалах, и их местоположении друг относительно друга. В «скрытом» варианте, роутер пытается это сделать самостоятельно – не получая дополнительной информации от подключенного другого устройства. Очевидно, что первый вариант дает больший выигрыш, поскольку более эффективен.
Beamforming – что это в роутере?
ВОПРОС! Всем привет. Скажите, пожалуйста, а что такое Beamforming? На роутере наклеена подобная надпись, но не понимаю, что это.
БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это формирование направленного луча радиосигнала по Wi-Fi. Если говорить грубо, то роутер примерно понимает, где находится ваш ноутбук, телефон, планшет или даже телевизор, формирует концентрированный направленный сигнал в этом направлении, и клиентское устройство принимает лучший сигнал. А как мы знаем, чем лучше идет сигнал, тем больше скорость обмена данными. Данная технология впервые в работоспособном виде появилась в WiFi стандарте 802.11ac. А теперь более подробно про саму технологию ниже в статье.
Как работает технология?
Начнем с того, что сама технология впервые появилась в стандарте 802.11n, но была проблема в том, что каждый производитель своего оборудования по-своему её реализовывал с разными алгоритмами. И как итог – она могла работать только между устройствами одного производителя. И уже с выходом 802.11ac данная технология заработала как надо, так как появился один всеобщий стандарт. Даже сейчас стандарт 802.11n еще остается достаточно популярным, но вот TX Beamforming на нем работает только в очень редких случаях.
Beam forming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет за счет нескольких антенн передавать данные на несколько устройств одновременно. И вот MIMO уже появился при стандарте 802.11n.
MIMO позволяет создавать несколько потоков и по ним одновременно передавать данные. Есть два вида MIMO:
В скором времени вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии у роутера сразу нескольких антенн – то есть данные с каждой антенны передаются на одно конкретное устройство. Это достаточно удобно, ведь теперь не нужно ждать очереди, чтобы получить доступ к сети и интернету. У MU-MIMO есть схемы:
Если у роутера 3 антенны, и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно общаться сразу с 3-мя устройствами.
Transmit Beamforming использует сразу несколько антенн, для того, чтобы понять примерно расположение устройства в пространстве. На сам деле каждая антенна транслирует радиосигнал равномерно во все направления – тут ничего не поделаешь. И тут встает вопрос – как можно усилить и улучшить сигнал в конкретном место, там, где находится телефон, планшет или ноутбук?
На помощь нам приходит физика и понятие интерференции. Интерференция – это когда при наложении двух волн, мы видим, что в одном месте идет усиление колебания и сигнал становится лучше, а в другом колебания становятся слабее и сигнал ухудшается.
Давайте посмотри на примере. У нас есть роутер с двумя антеннами. Каждая антенна начинает испускать радиоволны. И есть два клиента. Пассивный клиент – это тот, который ждет своей очереди, то есть в данный момент времени информация на него не передается, и он ничего не принимает.
Активный клиент – это тот клиент, который принимает данные от роутера в данный момент времени. Beamforming работает таким образом:
На картинке выше активен 1-ый клиент, и антенны подстраивают радиоволны таким образом, чтобы в месте, где находится устройство, была максимальная интерференция и наложение двух волн, исходящих от двух антенн.
Потом второе устройство становится активным (смотрим на картинку ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.
Но не забываем, что не один роутер участвует в анализе расположения клиентских устройств. Сам клиент выступает главным звеном нашей задачи. Получается такая схема:
Но это мы рассмотрели схему, при которой оба устройства поддерживают Beamforming. В таком случае считается, что луч формируется явно (implicit Beamforming, iBF). Если же клиентское устройство не поддерживает эту технологию, и не может передать лист с данными о приеме Channel State Information (CSI), то маршрутизатор все равно пытается примерно понять, где расположено устройство на основе принятых данных от клиента, а также оценивает канал связи.
Так называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В интернете можно встретить огромное множество комментариев по поводу того, что данная технология является просто маркетинговым ходом. Но на деле она сильно увеличивает качество связи и скорость передачи данных.
Beamforming в теории может обнулять помехи, за счет отправки в сторону источника помех определенного сигнала, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.
Напомню, что активно данная технология используется в Wi-Fi 6-го поколения – про него можете подробно почитать тут. Также если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую почитать дополнительные материалы:
Видео
Что такое Wi-Fi: стандарты, ширина канала, MIMO и Beamforming
Wi-Fi – это технология беспроводной локальной сети на основе стандартов IEEE 802.11. Большинство людей используют ее для подключения к интернету мобильников, телевизоров и ноутбуков, но также данная технология применяется и в локальных сетях организаций (для подключения беспроводного принтера, например), и при построении беспроводного видеонаблюдения или домофонии, и даже в умном доме, которому и посвящен данный сайт. В общем везде, где или нет возможности протянуть кабель или устройства не поддерживают проводное подключение.
В сети Wi-Fi зачастую используется два типа устройств – точка доступа и клиенты, которые к ней подключаются. В качестве точки обычно выступает роутер, но также точкой можно сделать и смартфон или ноутбук, раздав Wi-Fi с них.
Содержание:
Используемые частотные диапазоны Wi-Fi. Разница между 2.4 и 5 ГГц
Передача Wi-Fi сигнала осуществляется при помощи радиоволн в частотных диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц. Какую частоту Wi-Fi выбрать и какая разница между 2.4 и 5 ГГц? У каждого диапазона есть свои плюсы и минусы. Сети, которые работают на 2.4 ГГц обладают большей площадью покрытия по сравнению с сетями, работающими в диапазоне 5 ГГц. Меньшая дальность покрытия на пятерке связана с тем, что волны на высоких частотах затухают сильнее, а также с большей чувствительностью сигнала к различным препятствиям, что актуально в многоквартирных домах. Казалось бы, выставляй везде 2.4 и радуйся хорошему приему в любом уголке квартиры, но не тут-то было. Большое количество сетей в данном диапазоне создают помехи друг на друга, ухудшая качество сигнала, а соответственно и скорость соединения. И сетей этих действительно много – это и точки доступа соседей, и умные лампы, розетки и выключатели, и беспроводные камеры видеонаблюдения. Bluetooth-устройства, беспроводные клавиатуры, мышки и наушники, Zigbee датчики умного дома и даже микроволновки так же работают в диапазоне частот 2.4 ГГц.
2.4 или 5 ГГц: что лучше? Все современные роутеры уже давно работают в двух частотных диапазонах одновременно, так что если вы живете в многоквартирном доме, то лучшим решением будет перекинуть на пятерку все поддерживающие ее устройства, а недостаток покрытия решить добавлением усилителей. В моем случае пятерка отлично покрывает двухкомнатную квартиру в монолитном доме, показывая близкие к максимальной от провайдера скорости в любой ее части, так что все лампочки и прочие устройства умного дома у меня висят на 2.4 (5 ГГц они не поддерживают), а все смартфоны – на пятерке.
Для использования сетей 5 ГГц и клиент и точка доступа должны их поддерживать.
Частотные каналы Wi-Fi. Частоты 802.11ac и 802.11n
Как уже было сказано выше, большое количество работающих вокруг сетей будет создавать помехи для вашего соединения. Для минимизации таких помех роутеры могут использовать разные частотные каналы для связи с устройствами. Что это значит? Возьмем, к примеру, частотный диапазон 2.4 ГГц (устройства на 802.11n), в него входят частоты от 2400 МГц до 2483.5 МГц (в Японии до 2495 МГц). Стандартная ширина канала, которую использует роутер для связи с устройствами в данном частотном диапазоне составляет 22 МГц и таких каналов при работе в 2.4 ГГц может быть до 14 шт. Точное значение зависит от страны – для США это 11, для России и Украины – 13, а для Японии – 14. Исходя из вышесказанного, получается, что тот же айфон, купленный в штатах, будет видеть только первые 11 каналов и если ваш роутер работает на 13, то смартфон его просто не увидит. Так что если ваше устройство не видит роутер, то зайдите в его (роутера) настройки и выберите любой канал из первых одиннадцати.
С точками доступа все проще – при первом запуске зачастую предлагается выбрать страну проживания и исходя из этого и будет программно ограничено количество каналов и мощность сигнала.
Как уже было сказано выше – всего в диапазоне от 2400 МГц до 2483.5 МГц имеется 13 каналов (японский 14, находящийся за пределами данного диапазона в расчет не берем). Как они там поместились, учитывая ширину каждого в 22 МГц? Все просто – центральная частота каждого следующего канала равна +5 МГц к центральной частоте предыдущего. Для наглядности приведу картинку:
Как видим, каждый канал пересекается с частью других и, соответственно, создает на них помехи. Например, точка работающая на 4 канале будет оказывать сильные помехи на 3 и 5 каналы и немного меньшие на 2 и 6. А вот если ваш роутер будет работать на первом, а два соседских на шестом и одиннадцатом каналах, то все они не будут создавать друг другу помехи, т к не будет пересечения каналов. Но это в теории, на практике они все же пересекаются, т к всегда остается “неучтенка” и, расположив рядом две точки с непересекающимися каналами, они будут создавать друг другу помехи. Выглядит это следующим образом:
Как бы то ни было, в любом многоквартирном доме сейчас куда больше роутеров и трех непересекающихся каналов явно недостаточно. Можно легко поймать сигнал соседа слева, справа, сверху, снизу и даже через несколько этажей. Частично решить данный вопрос можно переходом на 802.11ac, работающий на 5 ГГц (при условии, что используемые устройства поддерживают данную частоту), тут и каналов больше и загруженность меньше. А учитывая меньшую дальность действия еще и не все соседские точки добьют до вашей квартиры. В России, согласно Постановлению Правительства РФ от 12 октября 2004 года № 539 “О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств” (с изменениями на 22 декабря 2018 года) внутри помещений разрешено использовать частотные диапазоны 5150 – 5350 МГц и 5650 – 5850 МГц, что дает 17/8/4/1 (при 20/40/80/160 МГц соответственно) непересекающихся каналов в 5 ГГц:
Чтобы проверить каналы Wi-Fi на загруженность и найти среди них свободные можно воспользоваться специальным приложением для смартфонов Wi-Fi Analyzer. А для того, чтобы измерить скорость Wi-Fi соединения можно воспользоваться программой SpeedTest для смартфона или их сайтом для замера на ПК.
На что влияет ширина канала Wi-Fi? Все просто – чем шире канал, тем больше скорость передачи данных, но если вокруг будет много других сетей с пересекающимися с вами каналами, то и помех будет больше. Помехи – повышение значения уровня шума и уменьшение соотношения сигнал/шум. Как итог – уменьшение реальной скорости соединения.
Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi
Сети Wi-Fi описываются стандартами связи IEEE 802.11, берущими свое начало аж с 1997 года. Стандарты 802.11a и 802.11b появились в 1999 (выход первых устройств на 802.11a состоялся в 2001), 802.11g в 2003, 802.11n в 2009, 802.11ac в 2014 и 802.11ax в 2019. Немалое количество получается и что бы не запутаться во всем этом обычному пользователю, было принято решение дать стандартам альтернативные, простые для запоминания названия. Так в 2018 году и появились более удобные обозначения: 802.11n стал Wi-Fi 4, 802.11ac – Wi-Fi 5, а 802.11ax – Wi-Fi 6.
Четвертая версия (802.11n) работает в диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц (при этом на 2.4 ГГц работает большинство устройств в данном стандарте) и наиболее распространена на данный момент. Максимальная теоретическая скорость 802.11n при использовании одной антенны – до 150 Мбит/с, а при использовании четырех – до 600 Мбит/с. Доступная ширина канала – 20 и 40 МГц.
Wi-Fi 5 (802.11ac), вышедший в 2013 году работает только на частоте 5 ГГц. Максимальная скорость 802.11ac при использовании восьми MU-MIMO антенн может доходить до 6,77 Гбит/с, а среди основных отличий от предыдущего стандарта можно выделить:
Последние две технологии будут рассмотрены более подробно чуть ниже.
Wi-Fi 6 (802.11ax) – последний вышедший на данный момент стандарт Wi-Fi. Количество поддерживающих его устройств все еще невелико, но оно постоянно увеличивается.
Максимальная теоретическая скорость, заявленная для Wi-Fi 6 – до 11 Гбит/с. Он работает на частотах 2.4 и 5 ГГц, поддерживает ширину канала до 160 МГц, а также в нем были внедрены новые технологии – OFDMA, модуляция 1024QAM, BSS Coloring, Target Wake Time. Подробнее про шестую версию можно почитать в статье «Wi-Fi 6 802.11ax: Target Wake Time, BSS Coloring, OFDMA«.
MIMO и Beamforming
Ну и напоследок хотелось бы рассказать про несколько технологий, применяемых в беспроводных сетях.
Что такое MIMO в роутере. SU-MIMO и MU-MIMO
MIMO – одно из самых важных нововведений стандарта Wi-Fi 802.11n. Если просто, то MIMO – это технология, позволяющая в один момент времени передавать или принимать несколько потоков данных с использованием нескольких антенн устройства. Больше потоков – выше скорость соединения.
Согласно стандарту могут быть различные конфигурации принимающих и передающих антенн, начиная с 1×1, где одна принимающая и одна передающая и заканчивая 4×4 (для 802.11n, в новых стандартах их количество увеличили еще больше). Зачастую в первой (1х1) конфигурации можно передать один пространственный поток, а в 4×4 – до четырех одновременно. Главное тут, чтобы не только роутер, но и клиент обладал соответствующим количеством антенн, а с этим могут возникнуть проблемы, так как, например, большинство смартфонов имеет MIMO 1×1. Да и указывают эти параметры далеко не все производители смартфонов и роутеров.
Существует два варианта MIMO: однопользовательский (SU-MIMO) и многопользовательский (MU-MIMO, впервые появившейся в стандарте 802.11ac Wave 2). В первом случае роутер в один момент времени отправляет данные только одному устройству, во втором – может отправлять данные нескольким пользователям одновременно.
Beamforming
Beamforming – технология формирования направленного луча в сторону подключенного клиента. Обычно сигнал транслируется во все стороны, создавая равномерную зону покрытия. Технология Beamforming позволяет маршрутизатору определить нахождение клиента в пространстве и сформировать сигнал в данном направлении. Изначально данный функционал появился в стандарте 802.11n, но из-за отсутствия стандартного способа реализации каждый производитель реализовывал ее по-своему и нормально она не работала. Начиная с 802.11ac был введен стандартный способ формирования диаграммы направленности, что позволило любым устройствам с поддержкой данной технологии корректно работать с любыми другими устройствами, так же ее поддерживающими.
