Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity) переводится дословно «беспроводная точность, правильность, лояльность». Для организации обмена данными выделены два радиочастотных гражданских канала — 2,4 и 5 МГц, которые не требуют регистрации в государственных органах и не представляют опасности для человека ввиду низкой мощности и проникающей способности. Этой информации достаточно большинству пользователей, которые не задаются вопросами типа: «Почему режется скорость интернета по Wi-Fi по сравнению с входящей по проводам?» и «Как ее увеличить?». Но для понимания процесса необходимо понять принципы организации беспроводной передачи данных.

Стандарт 802.11n определяет состав и последовательность передачи пакета данных (ПД) от передатчика-роутера к приемнику-клиенту и обратно. В зависимости от архитектуры электроники и количества линий приема-передачи информации различают одно-и двухрадиомодульные роутеры.

Прием и передача происходит с использованием пары приемник-передатчик в виде одной антенны. ПД объемом 256 байт содержит служебную информацию и данные пользователя. После проверки целостности пакета приемник получает следующий пакет или прерывает поток сообщением об ошибке. Отсюда вытекает требование к устойчивости и помехозащищенности связи при достаточной мощности пары. Для определения реальной скорости интернета по Wi-Fi необходимо учитывать время отклика (ping), которое зависит от загруженности точки доступа (ТД), скорости обработки процессорами роутер-клиент и других факторов: удаленности и количества объектов, наличия сторонних пользователей на этой частоте и наведенных помех.

Максимальная скорость передачи данных по этой схеме 30 Мбит/с при исходящем ПД 3 Мбит/с. При подключении каждого нового пользователя скорость снижается на 3…5 %. При многопользовательском режиме эксплуатации сети Wi-Fi с собственным именем и паролем (локальная сеть со статистическим IP и адресом шлюза) скорость передачи устанавливается по «слабому звену» — устройству с самой низкой производительностью WiFi-модуля и процессора.

ПД передается по двум линиям связи. Процессор роутера разбивает ПД пользователя или интернета и формирует последовательность пакетов, которые направляются на два передатчика. ПД получают два приемника, если они есть. При одной антенне приемника пакеты кешируются и обрабатываются последовательно процессором клиента. На практике это видно по парному количеству антенн роутера, причем приемная антенна располагается строго вертикально. В технических характеристиках на роутер указывается количество линий (например., 2х100 Мбит/с).

Максимальная скорость передачи ПД не превышает 75 Мбит/с. Если в ТД (роутере) с двухрадиомодульной конфигурацией линии связи работают на разных каналах в пределах 20 или 40 МГц и на радиочастоте 5 ГГц (стандарт 802.11ac), то возможно получение скорости обмена данными до 90 Мбит/с. При плотно загруженной частоте 2,4 ГГц получение скорости 45…50 Мбит/с считается хорошим результатом. Принцип «слабого звена» остается в действии, что необходимо учитывать при проектировании беспроводных сетей.

Производители предлагают трехрадиомодульные роутеры с расчетной скоростью приема-передачи более 1 Гбит/с, но количество возможных приемников у потребителей составляет не более 1% от числа работающих по стандарту 802.11n, а пропускная способность порта (канальная скорость — data rate) общедоступного оборудования не превышает 100 Мбит/с. Опять сработает правило «слабого звена».

Стандарты 802.11ac, LTE и другие развиваются в направлении:

Реализация этих направлений позволит увеличить скорость передачи в десятки раз, но при условии, что приемники клиента поддерживают эти стандарты. В противном случае вступает в действие правило «слабого звена» или устройство не будет подключено к сети.

В технических характеристиках роутеров прописаны значения скорости 100, 150, 300 или 500 Мбит/с, что говорит только о теоретической пропускной способности портов роутера. При этом не учитываются реальные условия эксплуатации, которые включают в себя:

• Характеристики приемника (число ядер, многопоточность, объем RAM и т.п.).
• Мощность сигнала в конкретных условиях (препятствия, удаленность, работающее электрооборудование).
• Количество абонентов (например., для однорадиомодульной сети при скорости потока данных 3 Мбит/с количество клиентов не превышает 10, двухрадиомодулей — 32…35).
• Рабочая частота (2,4 или 5 ГГц) и наличие других сетей в указанных частотах. При работе нескольких сетей на одной частоте резко увеличивается время ответа (ping) и время случайных помех (jitter), т.к. доступ к общим радиочастотным каналам сети осуществляется на конкурентной основе.
• Количество ненужных перекрестных опросов и подключений типа «клиент-клиент», «роутер-роутер» в пределах одной локальной сети. При подключении к сети с общим доступом без пароля этот фактор увеличивается кратно.
• Фактическое время формирования и обработки пакета (например., рис. 1).

Рис.1. Графики соотношения времени подготовки, передачи, обработки ПД и получения ответа. Такое количество вспомогательных действий, ограничений и препятствий — это особенности беспроводной сети или плата за отсутствие проводных коммуникаций.

Роутер — это самостоятельный компьютер с одним или двумя процессорами, RAM, блоком питания и программным обеспечением (ПО). В большинстве случаев первичные установки обеспечивают оптимальную работу сети, т.к. используются алгоритмы динамической настройки (мощности сигнала и/или выбора незагруженного канала) в зависимости от реальных условий эксплуатации. Требуется только сменить наименование сети, установить вид шифрования (WEP — открытая сеть, WPA или WPA2 по технологии AES) и придумать пароль. Возможность тонкой настройки определяется функциональностью ПО, но практика показывает, что обновление драйверов и ПО более эффективно, чем ручное управление, если этого не требуют особенности проекта сети.

Достаточно дорогой роутер известного производителя обеспечит оптимальные показатели сети. Вся проблема сводится к размещению роутера в пространстве, учета производительности принимающего оборудования по «слабому звену» и своевременному обновлению ПО у производителя оборудования. С другой стороны, перегруженность ПО разными «фичами» отражается на стоимости продукта.

Рекомендуется размещать роутер в центре или равноудалено от клиентов на уровне приемников (в горизонтальной плоскости сферы распространения сигнала). Необходимо учитывать количество препятствий, особенно с толщиной стенки более 125 мм, т.к. длина волны при частоте 2,4 ГГц составляет 124.3…121.3 мм. Приемная антенна роутера и клиента должна размещаться вертикально. Правильное размещение не влияет напрямую на скорость передачи, но уменьшает время ожидания и ответа на запрос и сокращает вероятность ошибки передачи ПД из-за помех, что сказывается на трафике. Наглядно можно увидеть на смартфоне с программой мониторинга или сканирования Wi-Fi.

Рис 2. Графики загруженности, скорости и мощности каналов. Приемник сети Sams-PC58_AP находится на удалении 5 м без препятствий, resha — за стеной, TP-Link_4064 — этажом ниже. В качестве роутера служит USB-адаптер («свисток»). Wi-Fi стандарта 802.11n уходит в прошлое, но остается достаточно много устройств, которые его используют, и здесь срабатывает правило «слабого звена». Стандарты 802.11ac/ax и другие требуют сложного оборудования и алгоритмов на сторонах сервера и клиента одновременно, что сдерживает их распространение.