Как увеличить дальность WiFi сигнала. Маршрутизаторы. Часть 1.

У многих пользователей возникает потребность «улучшения» или «удлинения» дальности действия маршрутизатора WiFi (беспроводного подключения к Интернету, если немного упростить формулировку). Возможно, одним устройством не удается охватить большой загородный дом или хочется бесплатно подключиться к «халявной» точке доступа в кафе через дорогу. В обоих случаях и вне зависимости от уровня доходов или моральных принципов пользователя будет полезно понять особенности беспроводного доступа по протоколу WiFi и познакомиться с дополнительными устройствами для связи по этому протоколу.

Маршрутизатором (роутером) WiFi (или беспроводными) мы будем называть устройство, позволяющее связать по локальной радиосети несколько компьютеров или смартфонов с сетью Интернет, которая подключена проводным или беспроводным способом к выходному порту маршрутизатора.

Wi-Fi network diagram with glossy hi-tech devices

Раньше беспроводными маршрутизаторами также называли устройства, которые обеспечивали подключение к Интернету (провайдеру) по сети сотовой (мобильной) связи – это так называемые 3G-или 4G/LTE-маршрутизаторы. Сегодня маршрутизаторы WiFi обычно подключаются к провайдеру проводным способом и обычно это уже не модемное подключение, а выделенная линия связи (и обычно оптическая до распределительной коробки в подъезде или на этаже). Кроме того, раньше существовали «домашние» маршрутизаторы без беспроводного подключения по WiFi, т.е. только для локальной проводной сети. В противоположность им, в некоторые модели добавлялась поддержка WiFi и такие устройства назывались «маршрутизаторами с точкой [беспроводного] доступа» или просто точкой доступа. Сегодня термины «домашние маршрутизаторы», маршрутизаторы WiFi и точка доступа стали синонимами, поскольку практически все домашние маршрутизаторы имеют поддержку WiFi.

Мы не случайно упомянули название «домашний маршрутизатор» (категория SOHO, Small office/home office – домашний/небольшой офис). Маршрутизаторы этой группы имеют только один выходной порт (порт восходящей связи) для подключения к Интернету, хотя классические маршрутизаторы имеют несколько таких портов, чтобы маршрутизировать (перераспределять или коммутировать трафик между ними). Этот единственный порт, правильнее назвать его портом WAN (Wide Area Network, региональная сеть поставщика услуг Интернета в нашем случае), может успешно работать с таблицей маршрутизации всего лишь с одной записью. В данном случае можно говорить о «вырожденной», неполной таблице маршрутизации, поэтому многие компании называют такие домашние маршрутизаторы более правильными с технической точки зрения названиями «Интернет-шлюз» или «Интернет-центр».

На стороне выходного порта могут быть реализованы различные функции, которые как раз и определяют стоимость домашнего маршрутизатора в диапазоне от 1 до 10 тыс. рублей и выше. Многие из них предназначены для SOHO, а не для личного употребления, поэтому не имеет никакого смысла покупать самую дорогую из моделей на рынке – лучше предпочесть сегмент рынка SOHO именно для применения дома. Сейчас можно было бы начать длинный и нудный разговор о брандмауэрах, NAT (Network Address Translation, трансляция сетевых адресов), SPI (Stateful Packet Inspection, инспекция пакетов с учетом состояния), фильтрации по различным критериям (MAC-адресам, URL, IP-адресам, по ключевым словам и т.п.), защите от атак отказа в обслуживании (DoS, Denial of Service), предотвращении перехвата трафика ARP Spoofing и т.д., но можно с весьма малой точностью, но с большой уверенностью сказать, что сегмент «домашних» маршрутизаторов занимает примерно нижнюю половину (по стоимости) от общего рынка SOHO.

Однако на беспроводную связь по WiFi в домашней беспроводной сети нужно обратить самое пристальное внимание. Для чего придется познакомиться со стандартами группы IEEE 802.11. Беспроводные сети пока значительно отстают от проводных сетей по полосе пропускания и пропускной способности, например типовое бюджетной беспроводное устройство для рынка SOHO теоретически может достичь скорости передачи данных 300 Мбит/с по протоколу IEEE 802.11n (последняя версия) или 54 Мбит/с по протоколу IEEE 802.11g (наиболее популярный вариант), хотя аналогичные по стоимости проводные устройства давно уже работают на гигабитных скоростях. Более того, для всех протоколов семейства WiFi указана суммарная скорость передачи для всей точки беспроводного доступа (AP, Access Point) в целом, поэтому при подключении к ней двух компьютеров скорость передачи сократится вдвое. В реальных условиях точка доступа AP сможет использовать для передачи полезных (пользовательских) данных только половину от пропускной способности передачи сигналов «по воздуху». Проще говоря, реальная скорость передачи полезных данных для протокола IEEE 802.11g составляет не 54 Мбит/с, а примерно 20…25 Мбит/с для пересылки данных с помощью стека протоколов TCP/IP (т.е. по каналу Ethernet).

Если предыдущий абзац показался интересным, сменим маркетинговое название WiFi на правильное IEEE 802.11 и продолжим. Хотя постойте, протоколом WiFi заведует альянс Wi-Fi Alliance (www.wi-fi.org/ ), который в свое время привлек к поиску хорошего маркетингового названия компанию Interbrand Corporation, по мнению которой, название WiFi появилось как аналогия-заимствование от Hi-Fi. Эта же компания создала логотип и рекламный слоган «The Standard for Wireless Fidelity (стандарт для беспроводной точности передачи)» и по нему стали считать WiFi сокращением для Wireless Fidelity. Кстати, Wi-Fi Alliance не запрещает написание WiFi, поэтому я решил выпендриться и буду употреблять не самый популярный вариант.

Семейство протоколов IEEE 802.11 разрабатывается (в смысле: разрабатывалось, разрабатывается и будет разрабатываться) комитетом по локальным/региональным сетям (802.11) американского Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) и широко используется с 1999 года во всем мире под маркетинговым названием Wi-Fi (WiFi). Латинские буквы в названии стандарта 802.11 обозначают последовательные версии. Наиболее популярные версии стандартов 802.11 действуют в двух частотных диапазонах, выделенных подкомитетом по радиосвязи Международного союза радиосвязи (ITU-R, International Telecommunication Union — Telecommunications Radio Sector) для специального применения. Диапазон 2,4 ГГц (2400…2483,5 МГц с полосой 83,5 МГц) назначен для свободного использования в целях ISM (Industrial, Scientific and Medical; промышленность, наука и медицина) в первом регионе, куда входит Россия, и этот диапазон подтвержден нашими регулирующими органами. В этом же диапазоне работают не только сети Wi-Fi, но и беспроводные телефоны, сети Bluetooth, устройства NFC (Near Field Communication, связь близких полей), спутниковое телевещание, микроволновки и т.д. Диапазон 5 ГГц используется в протоколах 802.11a/h/j/n и, в общем случае, называется U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure, нелицензированные, т.е. свободно используемые, частоты для национальной информационной инфраструктурной связи). В России в этом диапазоне с 2010 года по решению ГКРЧ (Государственная комиссия по радиочастотам) Министерства связи доступны «для фиксированного беспроводного доступа юридическими и физическими лицами без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного юридического или физического лица» полосы радиочастот 5150…5350 МГц и 5650…6425 МГц. Обычному пользователю маршрутизатора SOHO можно не заботиться о соответствии устройства разрешенным в России частотным диапазонам, поскольку эта задача возложена на компании-изготовители и компании-импортеры. Проще говоря: всё, что продается в отечественном магазине, можно использовать без нарушения правил о частотных диапазонах в России.

Варианты стандарта IEEE 802.11 отличаются латинскими буквами: от IEEE 802.11a (от сентября 1999) до IEEE 802.11ay (планируется в 2017 году). Стандарты 802.11b, 802.11g и 802.11n-2.4 используют диапазон 2,4 ГГц, а 802.11a и 802.11n – 5 ГГц. В каждом из диапазонов происходит деление на каналы, причем диапазон 2,4 ГГц поделен на 14 каналов.

Kak-uvelichit-dalnost-wifi-2
Michael Gauthier, Wireless Networking in the Developing World (беспроводные сети в развивающихся странах)

Дальность передачи и область покрытия (подробнее ниже) зависят от частотного диапазона, выходной мощности радиосигнала, коэффициента усиления антенны и ее типа (конструкции), а также еще от множества логичных или неочевидных факторов, включая тип модуляции, расположение препятствий, отражение и рефракцию (на английском это звучит очень красиво: reflection and refraction), но главным правилом обеспечения устойчивой связи остается прямая видимость, нахождение в области покрытия и достаточная мощность сигнала в данной точке.

Для маршрутизаторов с WiFi по протоколу 802.11b или 802.11g со штыревой антенной дальность передачи составляет до 100 м в чистом поле или 20 м в помещении со стенами (благодаря вдвое большей тактовой частоте, IEEE 802.11n имеет примерно вдвое большую дальность связи). Для сравнения: в том же самом гигагерцовом диапазоне передатчик с внешней полупараболической антенной (коэффициент усиления 15 дБ) обеспечивает дальность связи 30 км. Или еще: в том же гигагерцовом диапазоне излучатель микроволновой печи позволяет быстро разогревать продукты. У дилетантов ту же возникает вопрос: «Тупые компании, поставьте нормальную антенну в маршрутизатор!». Но эти компании и так поставили наилучшую антенну для планируемой области эксплуатации. Поэтому придется пристальнее посмотреть на коэффициент усиления антенны, дальность передачи и область покрытия.

Антенной называют электрическое устройство для преобразования электрического сигнала из проводной электрической цепи в беспроводные радиоволны и наоборот. Для штыревой антенны такое преобразование не может выдать в эфир более 40% мощности подводимого проводного сигнала, т.е. коэффициент полезного действия (или эффективность/производительность антенны) всегда отрицательный. Но коэффициентом усиления антенны решили считать не мощность сигнала, а относительную величину при сравнении данной антенны с идеальной, которая равномерно передает сигнал во всех направлениях. Такую идеальную антенну называют изотропным излучателем (isotropic), а отношение для сравнения с ней измеряют в дБи (dBi, где i – isotropic). Штыревая антенна имеет практически идеальную круговую область покрытия по горизонтали, поэтому ее называют всенаправленной (ненаправленной) антенной – omnidirectional antenna. В вертикальной плоскости штыревые антенны сравниваются по величине dBi (которая напрямую зависит от длины антенны), причем чем она меньше, тем ближе антенна к изотропной по вертикали, а чем больше величина dBi, тем на большее расстояние «вытягивается» лепесток диаграммы направленности по вертикали (для линейной поляризации, чтобы быть абсолютно точным).

Kak-uvelichit-dalnost-wifi-3

Итак, мудрые изготовители выбирают штыревых антенн с коэффициентом 2 dBi для уверенного приема в любой точке не слишком большой области, а не менее квалифицированные сторонние компании выпускают съемные антенны 9 dBi для пользователей, которые хотят получить неравномерную область покрытия, но увеличить дальность приема. При этом непонятно, почему не слишком мудрые и малоквалифицированные пользователи считают, что первые из антенн в четыре с половиной раза хуже вторых.

Кстати, можно дополнительно урезать распространение радиоволн по горизонтали за счет рефлекторов (отражателей), например как в тарелках спутникового телевидения, чтобы получить направленную антенну. Но делать это нужно аккуратно, чтобы «сконцентрировать» в одну точку (приемник) сигнал, собранный по всей площади тарелки, и правильно направить эту самую тарелку (примерно как навести фокус при фотосъемке). Всяческие самодельные банки-жестянки в роли рефлекторов скорее портят сигнал из-за несогласованности при сборе в одну точку (как расфокусировка в фотографии), хотя, конечно же, есть редкие случаи, когда сигнал сохраняется, несмотря на помехи, и вся система работает, вопреки дилетантским рефлекторам.

Антенны маршрутизаторов WiFi работают в диапазоне ISM, в котором ограничена излучаемая мощность для нашей с вами защиты. Коммерческие системы узконаправленной связи (например, космической) могут иметь большую мощность, но она не распространяется за пределы узконаправленного луча передачи, поэтому безопасна. С другой стороны, полностью изолированы от нас в железном корпусе излучатели микроволновых печей. Но для антенны WiFi c излучением во все стороны специальным параметром установлено ограничение мощности – эквивалентная мощность, излучаемая изотропной антенной (Equivalent isotropically radiated power, EIRP), которая в ЕС равна 20 dBm (100 мВт). В США этот параметр допускается до 4 Вт (похоже, им не жалко своих граждан).

Еще одно, последнее, замечание о нескольких антеннах в маршрутизаторах WiFi. Чтобы повысить скорость передачи (пропускную способность), можно занять не один, а несколько каналов одновременно, например технология MIMO (Multiple Input Multiple Output, несколько входов – несколько выходов) создает три одновременных потока данных в трех разных частотных каналах, причем на каждой из сторон эти три потока сначала получаются из одного, передаются как для трех разных устройств, затем объединяются в один. В результате, одно устройство получает пропускную способность как у трех отдельных устройств, если конечно на это хватает частотных каналов. Для каждого такого канала нужна отдельная антенна и, разумеется, совместимость на другой стороне линии связи.

Теоретический минимум закончен, переходим к практическому описанию того, как увеличить дальность WiFi сигнала (см. вторую часть).

Интересные записи