Standardy Wi-Fi – kierunki rozwoju sieci bezprzewodowych

Minęło już ponad 20 lat od momentu gdy IEEE opublikował pierwszą wersję standardu 802.11, ale prace nad kolejnymi specyfikacjami idą pełną parą. Jakie są plany IEEE i Wi-Fi Alliance na najbliższe lata.

Mogłoby się wydawać, że parametry sieci bezprzewodowych osiągnęły poziom, którego dalsze ulepszanie nie ma dużego sensu. Ale tempo rozwoju technologii i nowych specyfikacji opracowywanych przez organizacje IEEE i Wi-Fi Alliance wcale nie zostało spowolnione i w najbliższych latach można oczekiwać publikacji wielu nowych, podstawowych oraz uzupełniających standardów.

W mniejszym niż dotąd stopniu koncentrują się one na zwiększaniu wydajności sieci, a bardziej na rozszerzeniu zakresu ich zastosowań np. w systemach sieciowych obsługujących korporacyjne aplikacje o krytycznym znaczeniu, oprogramowanie działające w czasie rzeczywistym lub urządzenia IoT. Nie oznacza to jednak, że przepustowość sieci Wi-Fi przestanie być zwiększana. Pojawią się bowiem również specyfikacje dla systemów bezprzewodowych o szybkości transmisji przekraczającej 20 Gb/s.

Zobacz również:

  • Wi-Fi w każdym pociągu Pendolino
  • IEEE, we współpracy z Wi-Fi Alliance, organizacją zrzeszającą ponad 600 znanych producentów sprzętu i oprogramowania przygotowuje bogaty zestaw kolejnych specyfikacji adresujących nowe zastosowania i wymagania pojawiające się na rynku. Warto tu zauważyć, że powszechnie używane określenie Wi-Fi nie jest zwrotem potocznym, a zastrzeżonym znakiem towarowym należącym do Wi-Fi Alliance, która zajmuje się m.in. certyfikacją zgodności produktów ze standardami 802.11.

    Można oczekiwać, że Wi-Fi będzie zwiększać dominację jako podstawowa sieć wykorzystywana w domach, firmach i obszarach publicznych. Niektóre inne technologie łączności bezprzewodowej takie, jak np. Bluetooth pozostaną na rynku, ale ich zastosowania będą ograniczone głównie do bezprzewodowej komunikacji audio (słuchawki, smartfony itp.).

    W firmach, Wi-Fi znajdzie powszechne zastosowania w systemach bezpieczeństwa, monitoringu, kontroli parametrów środowiska, zużycia energii i dystrybucji wideo w czasie rzeczywistym. Zdaniem specjalistów sieci bezprzewodowe będą też stopniowo wypierać kablowe systemy LAN i przejmować ich rolę jako podstawowego medium komunikacyjnego w lokalnych sieciach firmowych.

    IEEE 802.11 to dobry przykład efektywnie działającej organizacji

    W 1997 roku pojawił się pierwszy standard 802.11 (bez dodatkowych liter) o przepustowości 1-2 Mb/s. Natomiast najnowsza opublikowana specyfikacja 802.11ac Wave 2 ma maksymalną przepustowość 7 Gb/s, a więc nawet 7 tysięcy razy większą.

    Przez długi czas utrzymywana była zasada zapewnienia zgodności z przynajmniej dwoma poprzednimi generacjami sprzętu, choć rozwój technologiczny wymuszał również zmiany, które nie pozwalały na bezpośrednie jej zachowanie. Producenci poradzili sobie z tym problemem wprowadzając układy obsługujące różne standardy. W efekcie, z punktu widzenia użytkowników, transformacja do kolejnych wersji Wi-Fi z reguły przebiega gładko i nie stwarza większych problemów.

    Przez pierwsze 10-15 lat głównym celem inżynierów z IEEE było zwiększanie wydajności sieci. Ostatnio sytuacja uległa zmianie i choć wzrost przepustowości w dalszym ciągu towarzyszy nowym wersjom sieci Wi-Fi, ale znacznie większą wagę zaczęto przykładać do innych parametrów takich, jak obsługa środowisk o dużej gęstości użytkowników, niezawodność transmisji lub zmniejszanie wielkości jej opóźnień. Oprócz tego, gdy publicznie zostają udostępnione nowe nielicencjonowane częstotliwości, IEEE zaczyna je wykorzystywać (np. 45 lub 60 GHz).

    Z wyjątkiem pierwszej specyfikacji wszystkie pozostałe są oznaczone przez nazwę 802.11 do której dodawana jest jedna lub dwie litery. W ciągu 20 lat pojawiło się tyle standardów i sub-standardów, że ich lista urosła do pokaźnych rozmiarów. A ponieważ litery nie są dodawane w kolejności alfabetycznej, a w nazewnictwie nie są wyróżniane standardy podstawowe oraz uzupełniające, więc powoduje to pewne zamieszanie i utrudnia orientację. Na przykład niektóre specyfikacje są tworzone dla dużych, ale lokalnych rynków (np. rynku chińskiego) i mają zapewnić zgodność z obowiązującymi tam regulacjami prawnymi oraz dostępnymi częstotliwościami.

    Standardami Wi-Fi w IEEE zajmuje się tzw. grupa robocza (Work Group) 802.11. W jej ramach powoływane są mniejsze zespoły analizujące możliwości techniczne i zapotrzebowanie rynkowe na nowe standardy tzw. Study Group (grupa badawcza). Jeśli opinia zaprezentowana przez Study Group jest pozytywna to powoływana jest grupa zadaniowa (Task Group) przygotowująca nowy standard. W przypadku, gdy jakaś grupa członków IEEE jest zainteresowana wprowadzeniem nowej specyfikacji czasami powoływany jest zespół TIG (Topic Interest Group), który przygotowuje uzasadnienie dla powołania nowej grupy badawczej. Źródło: dokument IEEE 802.11-17/355r0

    Standardami Wi-Fi w IEEE zajmuje się tzw. grupa robocza (Work Group) 802.11. W jej ramach powoływane są mniejsze zespoły analizujące możliwości techniczne i zapotrzebowanie rynkowe na nowe standardy tzw. Study Group (grupa badawcza). Jeśli opinia zaprezentowana przez Study Group jest pozytywna to powoływana jest grupa zadaniowa (Task Group) przygotowująca nowy standard. W przypadku, gdy jakaś grupa członków IEEE jest zainteresowana wprowadzeniem nowej specyfikacji czasami powoływany jest zespół TIG (Topic Interest Group), który przygotowuje uzasadnienie dla powołania nowej grupy badawczej. Źródło: dokument IEEE 802.11-17/355r0

    Najważniejsze, już dostępne na rynku standardy Wi-Fi

    802.11ah

    Opublikowany w maju 2017 roku standard 802.11ah jest specyfikacją sieci Wi-Fi o przepustowości do 347 Mb/s działających w paśmie poniżej 1 GHz (najczęściej ok. 900 MHz). Wykorzystywana częstotliwość jest różna w różnych krajach i zależy od lokalnych regulacji. Specyfikacja została opracowana przede wszystkim pod kątem zastosowań Wi-Fi w systemach IoT (internet rzeczy). W porównaniu do standardowych sieci wykorzystujących częstotliwości 2,4 lub 5 GHz, mniejsza częstotliwość umożliwia znaczne zwiększenie zasięgu, a oprócz tego 802.11ah zapewnia istotne zmniejszenie poboru mocy co jest ważne w takich aplikacjach.

    802.11ad

    Standard opublikowany już w grudniu 2012 roku. Pracuje przy wykorzystaniu częstotliwości 60 GHz i zapewnia przepustowość do 6,7 Gb/s. Znajduje tylko specjalistyczne zastosowania, bo ma bardzo krótki zasięg wynoszący zaledwie 3,3 m.

    802.11ac

    Obecnie jest to najnowszy, podstawowy standard sieci Wi-Fi, którego pierwsza wersja została opublikowana w 2013 roku, a druga, ulepszona w 2015 roku. Wersje te są często określane jako Wave 1 i Wave 2, choć nie są to nazwy oficjalne. 802.1ac wykorzystuje tylko jedną częstotliwość 5 GHz, zapewnia praktyczną przepustowość do ok. 3,5 Gb/s.

    Jeśli chodzi o wsteczną zgodność to nie została ona zachowana. Specyfikacja 802.1ac nie przewiduje możliwości nawiązywania połączeń z urządzeniami wyposażonymi w interfejsy 802.11b/g/n pracujące z częstotliwością 2,4 GHz. Najczęściej nie powoduje to problemów, bo większość producentów oferuje obecnie produkty wyposażane w dwa układy radiowe obsługujące zarówno standard 802.1ac (5 GHz), jak i 802.11b/g/n (2,4/5 GHz).

    802.11n

    Opublikowany w 2009 roku standard 802.11n był pierwszym wykorzystującym technologię MIMO (zestaw anten pozwalających na modyfikację przestrzennej charakterystyki sygnałów radiowych i jednoczesną obsługę wielu użytkowników), a także dwa układy radiowe obsługujące częstotliwości zarówno 2,4 GHz jak i 5 GHz. Maksymalna przepustowość to 600 Mb/s.

    Jeśli producent sprzętu Wi-Fi w jego opisie używa określenia „urządzenie dwu-pasmowe” (dual-band) to dotyczy to właśnie możliwości komunikacji w pasmach częstotliwości 2,4 oraz 5 GHz.

    802.11g/a/b

    Urządzenia wykorzystujące starsze specyfikacje Wi-Fi 802.11g/b/a już dawno zniknęły z rynku, choć taki ewidentnie przestarzały sprzęt czasami wciąż jest użytkowany. Obecnie nie sprawia to większych problemów, choć trzeba pamiętać, że będzie tak, dopóki dostępne będą routery wyposażone w interfejsy 802.11n.

    Nowe specyfikacje znajdujące się w przygotowaniu

    802.11aj

    Specyfikacja 802.11aj jest przykładem dopasowywania standardów do lokalnych regulacji obowiązujących na dużych liczących się rynkach, w tym przypadku dotyczy to rynku chińskiego. 802.11aj opisuje modyfikacje warstw fizycznej i MAC (Media Access Control) wcześniej zatwierdzonego standardu 802.11ad (60 GHz), które umożliwiają wykorzystanie dostępnych w Chinach częstotliwości 59-64 GHz (a dodatkowo również 45 GHz) przy zachowaniu wstecznej zgodności ze specyfikacją 802.11ad.

    802.11ak

    Niektóre urządzenia przemysłowe lub domowe są wyposażone zarówno w interfejs bezprzewodowy Wi-Fi, jak i złącze kablowe Ethernet. Specyfikacja 802.11ak ma na celu ułatwienie transmisji między tymi sieciami, dopasowanie szybkości transmisji danych oraz standaryzację i ulepszenie mechanizmów związanych z bezpieczeństwem i kontrolą jakości usług. Wstępna wersja 802.11ak została opublikowana w listopadzie 2017 roku.

    802.11ax

    Standard 802.11ax określany też jako High Efficiency WLAN (sieć bezprzewodowa o wysokiej efektywności) jest projektowany przy założeniu zapewnienia dużej przepustowości w środowiskach o wysokiej gęstości użytkowników (np. na stadionach lub w portach lotniczych). Ma on wykorzystywać częstotliwości zarówno 2,4, jak i 5 GHz, a bardziej efektywne wykorzystanie pasma radiowego ma pozwolić na przynajmniej 4-krotne zwiększenie praktycznej wydajności sieci Wi-Fi. Zgodnie z obecnymi planami publikacja specyfikacji 802.11ax jest przewidziana na lipiec 2019 roku.

    802.11ay

    802.11ay to standard znany również pod nazwą sieci Next Generation 60 GHz (nowej generacji sieć bezprzewodowa o częstotliwości 60 GHz). W porównaniu do istniejącego standardu 802.11ad ma zapewnić większą niezawodność, większy zasięg oraz 3-krotnie wyższą przepustowość wynoszącą przynajmniej 20 Gb/s. Specyfikacja ma zostać opublikowana we wrześniu-listopadzie 2019 roku.

    802.11az

    Standard 802.11az określany jako NGP (Next Generation Positioning) ma na celu wprowadzenie mechanizmów pozwalających na bardziej niż dotąd precyzyjne określenie parametrów bezwzględnej i względnej lokalizacji urządzeń Wi-Fi. Najprawdopodobniej będzie to wymagało wprowadzenia modyfikacji w warstwach fizycznej i MAC. Obecnie działa grupa badawcza (Study Group) opracowująca założenia, które będą podstawą do przygotowania specyfikacji przez grupę roboczą, która nie została jeszcze utworzona. Oczekuje się, że publikacja standardu 802.11az może nastąpić w marcu 2021 roku.

    802.11ba

    Standard określany też jako WUR (Wake-Up Radio), który ma zapewnić znaczne zmniejszenie poziomu energii wykorzystywanej przez urządzenia IoT (internet rzeczy), a w efekcie istotnie zwiększyć czas ich działania bez konieczności wymiany baterii lub doładowywania akumulatorów. Publikacja specyfikacji 802.11ba jest obecnie planowana na lipiec 2020 roku.

    Problemy z dostępnością pasma

    Organizacja Wi-Fi Alliance opublikowała raport Wi-Fi Spectrum Needs Study z którego wynika, że przewidywany wzrost ruchu w sieciach Wi-Fi będzie wymagał zwiększenia szerokości dostępnego pasma transmisji o 500-1000 MHz do roku 2025 i to przy założeniu, że 10-20% ruchu będzie obsługiwane przez systemy wykorzystujące pasmo 60 MHz. Jest mało prawdopodobne by instytucje rządowe regulujące dostęp do częstotliwości radiowych zdecydowały się na tak istotne rozszerzenie pasma częstotliwości nielicencjonowanych.

    Można stąd wyciągnąć wniosek, że standardy takie jak 802.11ad i 802.11ay mogą znaleźć znacznie szersze zastosowania niż to się obecnie wydaje.

    Najnowszy standard 802,11ac Wave 2 definiuje nominalną przepustowość na poziomie ponad 2 Gb/s, a opublikowany już w 2012 roku 802.11ad zapewnia przepustowość do 7 Gb/s, ale ma znacznie mniejszy zasięg (ok. 3,3 m) co wydaje się ograniczać możliwości masowych zastosowań. Ale mały zasięg ma też zalety, bo pozwala na zwiększenie gęstości stacji dostępowych i lepsze wykorzystanie dostępnych kanałów transmisji. W niektórych zastosowaniach umożliwia również zwiększenie bezpieczeństwa, bo sieć bezprzewodowa jest dostępna tylko w bardzo ograniczonym obszarze.

    Producenci sprzętu z rezerwą podchodzą do standardu 802.11ad i nie oferują wielu produktów wykorzystujących pasmo 60 GHz. Wynika to głównie z małego popytu spowodowanego m.in. przez to, że urządzenia 802.11ac spełniają obecnie większość wymagań stawianych przez aplikacje Wi-Fi. Kolejna wersja standardu 60 GHz 802.11ay ma zapewnić przepustowość przekraczającą 20 Gb/s, a potencjalnie może nawet do 100 Gb/s, a także większy zasięg (na razie nie wiadomo o ile większy).

    Obecnie producenci koncentrują swoją uwagę na przygotowywanym standardzie 802.11ax, który m.in. ma zapewnić zwiększenie przepustowości do 10 Gb/s w paśmie 5 GHz, a jednocześnie, inaczej niż 802.11ac, umożliwiać komunikację z urządzeniami pracującymi w paśmie 2,4 GHz.

    Można jednak oczekiwać, że popularyzacja sieci bezprzewodowych pracujących w paśmie 60 GHz będzie nieunikniona wraz ze wzrostem liczby użytkowników, aplikacji i urządzeń wymagających wysokiej przepustowości i małych opóźnień transmisji.

    Wi-Fi, internet rzeczy i autonomiczne samochody

    Standardy opracowywane przez IEEE obejmują szeroki zakres nowych zastosowań bezprzewodowych sieci Wi-Fi również w systemach IoT. A zdaniem specjalistów komunikacja wykorzystująca Wi-Fi może się stać dominującą technologią wykorzystywaną w rozwiązaniach internetu rzeczy.

    Na korzyść Wi-Fi przemawiają niski koszt komponentów, ich małe wymiary, niewielkie zużycie energii oraz inne fizyczne i elektroniczne parametry, które powodują, że sieci takie mogą znaleźć zastosowanie prawie we wszystkich systemach IoT. Dodatkowo, infrastruktura Wi-Fi jest powszechnie dostępna co może pozwolić na zasadnicze obniżenie kosztów wdrożeń rozwiązań IoT. Najprawdopodobniej, w tego typu aplikacjach, najszersze zastosowanie znajdą urządzenia zgodne ze standardem 802.11ah (częstotliwości ok. 900 MHz). Jego specyfikacja została opracowana głównie pod kątem takich wdrożeń.

    IEEE nie zapomina również o samochodach nowej generacji i pojazdach autonomicznych. Specjalnie do takich zastosowań przygotowywany jest standard 802.11p czyli DSCR (Dedicated Short-Range Communications).


    TOP 200