Wi-Fi — семейство технологий беспроводной локальной сети (Wireless Local Area Network, WLAN), основанное на стандартах серии IEEE 802.11. Технология применяется для организации беспроводного доступа к локальным и глобальным сетям с использованием радиоволн в нелицензируемых диапазонах частот.
Термин «Wi-Fi» является зарегистрированным товарным знаком организации Wi-Fi Alliance, которая занимается сертификацией оборудования и обеспечением совместимости устройств различных производителей.
История
Работы над стандартами беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 начались в начале 1990-х годов. Первый стандарт IEEE 802.11 был опубликован в 1997 году. В дальнейшем были разработаны новые редакции стандартов, обеспечившие увеличение скорости передачи данных, улучшение спектральной эффективности и повышение устойчивости к помехам.
В 1999 году была создана организация Wi-Fi Alliance, которая ввела термин «Wi-Fi» и начала сертификацию оборудования на соответствие стандартам IEEE 802.11.
С 2018 года для стандартов Wi-Fi используется маркетинговая нумерация (Wi-Fi 4, Wi-Fi 5, Wi-Fi 6 и последующие).
Назначение и область применения
Wi-Fi используется для организации локальных сетей без применения кабельной инфраструктуры, а также для предоставления доступа к глобальным сетям, включая сеть Интернет. Технология поддерживает подключение широкого спектра устройств, включая персональные компьютеры, мобильные устройства, серверное оборудование, бытовую электронику и устройства интернета вещей. Связь осуществляется посредством точек доступа, к которым подключаются клиентские устройства. Технология поддерживает как инфраструктурный режим работы, так и режим прямого соединения между устройствами (ad hoc).
Wi-Fi применяется в жилых помещениях, офисах, образовательных учреждениях, общественных пространствах, транспортных системах и промышленных объектах.
Передача данных реализуется на физическом и канальном уровнях модели OSI. Для доступа к среде передачи используется метод CSMA/CA, предназначенный для снижения вероятности коллизий в общем радиоканале.
Архитектура сети
Сети Wi-Fi могут функционировать в различных режимах:
- Инфраструктурный режим — клиентские устройства подключаются к точке доступа, обеспечивающей связь с другими сегментами сети.
- Режим ad hoc — прямое соединение между устройствами без использования точки доступа.
- Mesh-сети — сеть из нескольких узлов, обеспечивающих расширение зоны покрытия и резервирование каналов связи.
Каждая беспроводная сеть идентифицируется уникальным идентификатором SSID.
Принцип работы
Wi-Fi использует радиочастотные диапазоны 2,4 ГГц, 5 ГГц и 6 ГГц. Передача данных осуществляется в виде кадров, модулированных с применением различных схем цифровой модуляции. Современные стандарты используют технологии OFDM и OFDMA, а также системы множественного ввода и вывода (MIMO), позволяющие одновременно передавать несколько потоков данных.
Физический уровень и радиоинтерфейс
На физическом уровне используются различные схемы модуляции и кодирования, включая BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и 4096-QAM и OFDM. Для повышения пропускной способности и устойчивости соединения применяются:
- ортогональное частотное разделение каналов (OFDM, OFDMA), разделение канала на поднесущие для обслуживания нескольких абонентов;
- пространственное мультиплексирование (MIMO-пространственное мультиплексирование с использованием нескольких антенн и MU-MIMO-одновременная передача данных нескольким устройствам);
- формирование диаграммы направленности антенн (beamforming).
Диапазоны частот и каналы
Диапазон 2,4 ГГц характеризуется большей дальностью распространения сигнала, но высокой загруженностью и ограниченным числом неперекрывающихся каналов. Диапазон 5 ГГц обеспечивает более высокие скорости передачи данных и меньшее влияние помех. Диапазон 6 ГГц, введённый в рамках Wi-Fi 6E и последующих стандартов, предоставляет расширенную полосу частот и дополнительные каналы.
Диапазоны частот и регулирование
Используемые диапазоны частот относятся к нелицензируемым, однако их применение регулируется национальными и международными нормативными актами. В различных странах допускаются различия в доступных каналах, уровнях излучаемой мощности и правилах использования диапазона 6 ГГц.
Стандарты IEEE 802.11
Основные стандарты Wi-Fi включают:
- IEEE 802.11b — диапазон 2,4 ГГц, скорость до 11 Мбит/с
- IEEE 802.11g — диапазон 2,4 ГГц, скорость до 54 Мбит/с
- IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) — диапазоны 2,4 и 5 ГГц, скорость до 600 Мбит/с, поддержка MIMO
- IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) — диапазон 5 ГГц, скорость до нескольких гигабит в секунду, каналы до 160 МГц
- IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6 / 6E) — диапазоны 2,4, 5 и 6 ГГц, повышение эффективности работы в сетях с высокой плотностью устройств
Wi-Fi 7
Wi-Fi 7 соответствует стандарту IEEE 802.11be (Extremely High Throughput, EHT). Стандарт ориентирован на дальнейшее увеличение пропускной способности и снижение задержек. Он поддерживает каналы шириной до 320 МГц, усовершенствованные схемы модуляции (4096-QAM), а также расширенные возможности многопоточной передачи данных.
Wi-Fi 7 предназначен для применения в задачах, требующих высокой скорости и минимальной задержки, включая потоковое видео сверхвысокой чёткости, виртуальную и дополненную реальность, а также беспроводные корпоративные сети.
Wi-Fi 8
Wi-Fi 8 разрабатывается в рамках стандарта IEEE 802.11bn (Ultra High Reliability, UHR). Основной целью данного стандарта является повышение надёжности соединения, стабильности передачи данных и предсказуемости задержек, а не только увеличение максимальной скорости.
Wi-Fi 8 ориентирован на использование в критически важных сетевых средах, включая промышленные системы, корпоративные сети и приложения реального времени. На момент разработки стандарт находится на стадии формирования технических требований.
Совместимость и обратная поддержка
Оборудование Wi-Fi, как правило, поддерживает обратную совместимость с более ранними версиями стандартов IEEE 802.11. Это обеспечивает возможность одновременной работы устройств разных поколений в одной сети, хотя при этом может снижаться общая производительность.
Сертификация и Wi-Fi Alliance
Wi-Fi Alliance осуществляет тестирование и сертификацию устройств на соответствие стандартам IEEE 802.11. Сертификация направлена на обеспечение совместимости оборудования различных производителей и стабильной работы сетей Wi-Fi.
Маркировка устройств как Wi-Fi Certified указывает на прохождение соответствующих испытаний.
Качество обслуживания
Для поддержки приложений с повышенными требованиями к задержкам и пропускной способности в стандартах Wi-Fi реализованы механизмы качества обслуживания (QoS). В частности, используется стандарт IEEE 802.11e, предусматривающий приоритизацию трафика, включая голосовые и мультимедийные данные.
Энергопотребление
Для мобильных и встраиваемых устройств важным параметром является энергопотребление. В стандартах IEEE 802.11 реализованы режимы энергосбережения, позволяющие устройствам снижать активность радиомодуля при отсутствии передачи данных. В более поздних версиях стандартов данные механизмы были усовершенствованы.
Безопасность
Для защиты беспроводных сетей используются механизмы аутентификации и шифрования. Современные сети применяют протоколы WPA2 и WPA3. Протокол WEP считается устаревшим и не обеспечивает необходимого уровня защиты.
Ограничения технологии
К ограничениям Wi-Fi относятся ограниченная дальность действия, подверженность радиопомехам и снижение пропускной способности при высокой плотности абонентов.
Заблуждения
Распространённым заблуждением является отождествление Wi-Fi с доступом в Интернет. Wi-Fi представляет собой технологию локальной беспроводной связи и может использоваться без подключения к глобальной сети.