Dans les pays et les villes dotés d'une infrastructure de télécommunications développée, les utilisateurs se plaignent de plus en plus du Wi-Fi. Dans un environnement urbain densément saturé d'appareils clients utilisant le Wi-Fi, la qualité moyenne des communications se dégrade d'année en année. Y a-t-il un moyen d'inverser cette tendance?
Aujourd'hui, dans le monde, plus de
6,5 milliards d'appareils sont connectés au réseau via cette norme sans fil, et d'ici 2020, leur nombre atteindra près de 21 milliards, soit environ 2,8 appareils par personne sur la planète. Ainsi, le manque de canaux sans fil de bande passante ne fera qu'empirer. Cependant, pour résoudre ce problème, il ne suffit pas d'installer des routeurs plus puissants. La raison des «embouteillages virtuels» n'est pas seulement les «routes étroites», mais aussi un certain nombre d'autres facteurs.
Aujourd'hui, dans chaque maison et de nombreux appartements, il y a un routeur Wi-Fi, et dans certains - quelques-uns. L'augmentation de la vitesse de connexion est généralement associée à une utilisation plus dense des bandes passantes. En outre, les opérateurs mobiles empiètent sur la gamme Wi-Fi, y intégrant une partie du trafic, et avec l'avènement de la 5G, la situation pourrait s'aggraver.
Autrement dit, le Wi-Fi est en fait devenu victime de son propre succès. Que peut-on faire pour résoudre ce problème, ou du moins pour l'atténuer?
Foule dans l'air
Bien que dans différents pays, les régulateurs puissent imposer certaines exigences pour l'octroi de licences pour le spectre de fréquences Wi-Fi, cette gamme reste en général plus ou moins ouverte. Les utilisateurs doivent se conformer aux exigences techniques, y compris les limites de puissance de transmission, mais aucune autorisation spéciale n'est requise. Aujourd'hui, presque tous les réseaux Wi-Fi publics, y compris les réseaux domestiques, fonctionnent dans les bandes 2,4 et 5 GHz. Dans le même temps, les ondes de 2,4 gigahertz pénètrent mieux à travers les murs et les meubles, et sont en effet transmises plus loin que les 5 gigahertz, avec la même puissance de transmission.
Aux États-Unis, par exemple, le régulateur a alloué une bande passante de 84,5 MHz pour le Wi-Fi. Dans le cadre de la norme 802.11b / g / n, la largeur de canal est de 20 ou 22 MHz, de sorte que seuls trois canaux peuvent s'intégrer dans la bande commune sans chevauchement mutuel: 1, 6 et 11. En Europe, la situation est quasiment la même:
13 canaux , dont en même temps seuls trois peuvent être utilisés sans chevauchement mutuel. Au Japon, un peu plus facile: 14 canaux et 4 simultanés sans chevauchement.
Donc, si vous voyez plus de trois routeurs 2,4 GHz dans la liste des réseaux Wi-Fi, ou s'il y en a trois, mais que l'un utilise un canal autre que 1, 6 et 11, alors il y a une superposition de canaux.
Dans le Wi-Fi 5 GHz, la situation est différente: 38 canaux sans chevauchement de 10 et 20 MHz de largeur sont posés dans la plage de 5170 à 5905 GHz (aux États-Unis - 5180-5825 et 24 canaux de 20 MHz, en Europe et au Japon, il y a encore moins de canaux ) Il semblerait que plusieurs fois plus de canaux qui n'interfèrent pas les uns avec les autres devraient améliorer la qualité de la communication dans la gamme des 5 GHz. Mais ici, la spécificité régionale intervient: dans différents pays, certaines chaînes peuvent ne pas être accessibles au public, car les radars militaires et météorologiques et la télévision par satellite fonctionnent à ces fréquences. Par conséquent, en raison de la complexité du «montage» du trafic dans les fréquences «problématiques», la grande majorité des routeurs les ignorent simplement.
Ainsi, dans chacune des deux plages, nous avons une série de canaux qui ne se chevauchent pas. Mais en raison de l'abondance de routeurs et de périphériques clients, le chevauchement s'est transformé en une situation normale. Lorsqu'un conflit survient - deux transmissions Wi-Fi se croisent - tous les participants se taisent temporairement et, après une pause, ils retournent dans les airs. La durée des pauses augmente de façon exponentielle à mesure que le nombre de collisions augmente, de sorte que la vitesse et la fiabilité des connexions Wi-Fi diminuent.
Dans les zones densément peuplées, la congestion de l'éther peut être telle que la connexion dans la plage de 2,4 gigahertz se glisse à peine. Cela a conduit au fait que dans un certain nombre de pays, les fournisseurs ont commencé à fermer cette gamme pour la vidéo ou la voix, et la plupart des fabricants de smartphones ne recommandent généralement pas d'utiliser le Wi-Fi 2,4 gigahertz. La norme IEEE 802.11ac implique généralement un fonctionnement uniquement dans la plage de 5 GHz, bien qu'elle soit rétrocompatible avec l'ancienne IEEE 802.11n.
Le Wi-Fi moderne peut être comparé à une autoroute très fréquentée aux heures de pointe. Mais, comme mentionné ci-dessus, il ne s'agit pas seulement du nombre de connexions client. La transition de 2,4 à 5 GHz a été conçue pour résoudre le problème de l'encombrement des canaux, mais en même temps j'ai dû sacrifier la couverture. Cela a conduit au fait que de nombreux utilisateurs ont commencé à utiliser des amplificateurs matériels et à construire des réseaux maillés afin d'obtenir un niveau de signal décent dans chaque pièce. Les amplificateurs écoutent l'éther, reçoivent un signal du routeur et le dupliquent avec une puissance plus élevée, parfois sur un autre canal. Cela conduit à une augmentation du nombre de superpositions de transmissions Wi-Fi dans les mêmes gammes de fréquences.
Fournisseurs et opérateurs
De ce point de vue, les points d'accès Wi-Fi publics sont devenus un véritable mal. En 2005, le fournisseur espagnol Fon Wireless a introduit pour la première fois le concept de hotspots communautaires, qui sont basés sur des routeurs privés, et aujourd'hui ce phénomène gagne en popularité dans le monde. Certains fournisseurs de services Internet ont commencé à déployer rapidement
ces points pour les abonnés, en utilisant pour cela les routeurs de leurs clients. Selon Juniper Research, en 2017, un
tiers des routeurs domestiques dans le monde pourront fonctionner comme point d'accès pour la communauté. Une partie du spectre Wi-Fi sera allouée à ces besoins, et les propriétaires des routeurs eux-mêmes n'en avertiront même pas.
Mais ce n'est pas tout. La croissance rapide du nombre de smartphones a conduit au fait que la bande passante du spectre allouée aux communications mobiles est pratiquement épuisée. Et les opérateurs de télécommunications prévoient dans les années à venir de transférer une part importante de la charge du transfert de données mobiles vers des bandes Wi-Fi sans licence. Des technologies similaires sont appelées LTE-U (LTE-Unlicensed) et LAA (Licensed Assisted Access). Ils impliquent l'utilisation de 4G LTE et de routeurs pour transmettre des données dans la même plage de 5 gigahertz que le Wi-Fi. Bien que les opérateurs de télécommunications affirment que cela aura peu d'effet sur les utilisateurs Wi-Fi, un certain nombre de
grandes entreprises , dont Google et Microsoft, pensent que le LTE-U et LAA aggraveront certainement les canaux Wi-Fi et réduiront la qualité de la communication.
Avez-vous des dames ou partez?
Pour aller plus loin: dans la dernière norme IEEE 802.11ac, le nombre de canaux a été réduit pour augmenter la vitesse afin de diffuser le streaming vidéo haute résolution et d'économiser les batteries des appareils mobiles qui ne transmettront des données à haute fréquence que pendant une durée limitée. Le débit maximum est passé à 1,3 Gb / s. contre 450 Mb / s. en 802.11n. Mais cela a été réalisé, entre autres, en combinant les canaux. Dans IEEE 802.11ac Wave 3, l'ensemble du spectre Wi-Fi disponible est généralement divisé en seulement deux canaux de 160 MHz, c'est-à-dire que dans ce mode, seulement deux paires d'appareils peuvent fonctionner simultanément sans se chevaucher. Si, par exemple, votre voisin utilise l'une de ces deux chaînes pour regarder un film et que l'autre voisin prend la deuxième chaîne, vous n'aurez plus rien.
D'une certaine manière, le principal avantage de la plage de 5 GHz sur la bande de 2,4 GHz a soudainement disparu - un grand nombre de canaux qui ne se chevauchent pas.
Compte tenu de tout ce qui précède, dans les années à venir, le Wi-Fi dans les grandes villes risque de passer d'une alternative rapide à l'Internet mobile à une alternative ennuyeusement lente. Hélas, l'adoption généralisée de la norme 802.11ac, qui offre des canaux plus larges et plus rapides, mais moins nombreux, ne fera qu'aggraver la situation. Soit dit en passant, l'agence de télécommunications Ofcom a
publié en 2013
une étude qui prédit la réalisation d'un niveau critique de congestion du spectre Wi-Fi d'ici 2020.
DFS comme mesure temporaire
Vous vous souvenez des radars qui ont le droit prioritaire d'utiliser une partie de la gamme 5 gigahertz? Aujourd'hui, ces canaux sont ignorés par les appareils grand public, mais si vous commencez à les utiliser massivement, cela peut complètement changer l'image.
Comme le suggère le capitaine, loin de tous les coins des grandes villes, il y a des radars militaires et météorologiques, dont beaucoup ne fonctionnent pas 24 heures sur 24. Par conséquent, cette partie du spectre peut être utilisée par les appareils grand public à condition que le mécanisme DFS (
Dynamic Frequency Selection ) soit massivement implémenté: le routeur surveille en permanence l'activité des sources de signaux prioritaires, et dès que le radar commence à fonctionner, il bascule sur un autre canal ou réduit la puissance d'émission. DFS implique de libérer le canal pendant 10 secondes pour la prochaine demi-heure, même si une impulsion de 1 milliseconde est détectée à partir de la source prioritaire.
La plupart des appareils grand public commercialisés au cours des 3 à 4 dernières années - principalement les smartphones, tablettes et ordinateurs portables - peuvent comprendre les commandes DFS, mais pour cela, les routeurs doivent être des maîtres DFS. Autrement dit, ce sont les routeurs qui sont chargés de surveiller le spectre et de libérer les canaux adjacents.
Mais il n'est pas si simple de mettre en œuvre la fonction maître DFS dans le routeur: les impulsions radar peuvent être très difficiles à détecter en raison de leur transitoire (0,5 ms) et de leur niveau d'énergie extrêmement faible (-62 ..- 64 dB par mlW). De plus, les outils de détection d'impulsions radar consomment une partie de la bande passante du routeur, car il est obligé de l'écouter pendant 60 secondes avant d'utiliser le canal avant de décider qu'il est libre, et aussi d'écouter entre les sessions d'échange de données.
À ce jour, la fonction maître DFS ne se trouve que dans les routeurs coûteux, qui sont généralement utilisés dans les grandes entreprises. Mais progressivement, DFS pénètre dans les segments de prix inférieurs. Certes, ce n'est pas non plus une panacée: après tout, lorsqu'un signal est détecté depuis une source prioritaire, le routeur est obligé de basculer sur l'un des canaux par défaut, vers la partie non DFS du spectre 5 GHz, et là, il est assez "encombré". De plus, les routeurs modernes ne reviennent généralement pas sur les canaux DFS avant d'être redémarrés. Dans les systèmes d'entreprise, cela se fait quotidiennement et les routeurs domestiques peuvent fonctionner sans redémarrer pendant des semaines et des mois, jusqu'à ce que les propriétaires se rendent compte que la vitesse Wi-Fi est trop faible et qu'il est temps de redémarrer.
Le fait est que dans les implémentations DFS modernes, le module radio n'écoute qu'un seul canal à la fois. Et lorsque le maître DFS surveille le canal, son module radio ne doit rien transmettre aux autres canaux pendant 60 secondes, afin de ne pas interférer avec l'écoute en cours. Pour éviter de telles situations, la plupart des implémentations DFS nécessitent un redémarrage du routeur pour revenir au canal DFS ouvert.
Mais si vous créez une technologie plus efficace pour détecter les sources prioritaires, les canaux qui sont inactifs aujourd'hui aideraient à décharger le spectre Wi-Fi 5 GHz. Par exemple, vous pouvez équiper le routeur d'un système de détection - un module radio supplémentaire pour balayer le spectre et un processeur séparé pour détecter les impulsions radar et contrôler les canaux. Dans le même temps, le système de détection doit être complètement séparé du système de réception / transmission Wi-Fi, ce qui résoudra la plupart des problèmes inhérents aux implémentations DFS modernes, lorsqu'un processeur est responsable à la fois du transfert de données et de la recherche des sources de signaux prioritaires. Un module radio séparé vous permettra de balayer régulièrement tous les canaux, et lorsqu'une source prioritaire apparaît dans le canal actuel, le routeur saura s'il y a un autre canal DFS actuellement ouvert, transférant la connexion là-bas, et non vers le canal public par défaut. De même, le routeur peut revenir automatiquement au canal DFS précédent après une limite d'une demi-heure sans interrompre la connexion.
Dans le même temps, un processeur supplémentaire aidera à minimiser le nombre de fausses détections, augmentant ainsi la durée de travail dans les canaux DFS. Étant donné la charge croissante sur les processeurs des routeurs modernes, le deuxième processeur ne ressemble pas à un excès.
En principe, tout cela est également une mesure temporaire: plus les routeurs commencent à utiliser des canaux inactifs, plus ils seront surchargés rapidement. Mais d'ici là, d'autres gammes pourraient être convenues pour une utilisation par les réseaux Wi-Fi. Ou nous devrons simplement accepter le fait que dans quelques années, le Wi-Fi ne fonctionnera pas dans les mégapoles, pour le dire doucement, pas rapidement.