«Долгое прощание с Wi-Fi началось» — так озаглавлена недавняя статья в солидном онлайновом издании IEEE Spectrum, официальном органе Института инженеров электротехники и электроники — крупнейшей в мире некоммерческой организации в области разработки стандартов по радиоэлектронике, электротехнике и аппаратному обеспечению вычислительных систем и сетей. Материал провозглашает неотвратимое, пускай и растянутое во времени, вытеснение Wi-Fi как общепринятого стандарта цифровой радиосвязи. Чем именно? Ну конечно, сотовыми сетями пятого поколения.
В какой мере это утверждение в принципе обосновано, и не потеряет ли на самом деле актуальность семейство протоколов 802.11 на фоне успешного продвижения 5G по планете? Попробуем разобраться.
Десять лет без права передышки
Стейси Хиггинботем (Stacey Higginbotham), автор упомянутой статьи, открывает свой материал словами Аджара Хусейна (Azhar Hussain), главы развивающей направление Интернета вещей (IoT) компании Hanhaa: «Через десять лет нам не нужен будет Wi-Fi». И развивает мысль: 5G год от года лицензируется в мире более и более демократичным путём. Регулирующие органы — наряду с привычным выделением каждому из действующих на данной территории считанных супероператоров сравнительно широкого участка радиоспектра — всё чаще склоняются к раздаче множеству претендентов более узких (и потому более многочисленных) полос частот.
В результате муниципалитеты, университетские кампусы и даже отдельные компании, оперирующие на значительных площадях (управляющие портовым хозяйством, к примеру, или крупными складскими комплексами либо ведущие добычу полезных ископаемых открытым способом), получают возможность организовывать частные сети 5G на занимаемой ими территории с использованием узкой полосы частот. И задействовать эти сети для привычного обмена информацией с участием людей (веб-сёрфинга, видеоконференцсвязи, доступа к цифровым архивам и т. п.) тоже, но в основном — для межмашинных взаимодействий в рамках IoT.
При этом, кстати, решительно не имеет значения, активны ли уже на этой же самой территории публичные операторские сети пятого поколения. Если да, то рабочие частоты у них в любом случае будут другие — об этом позаботятся делившие радиоспектр между претендовавшими на него организациями регуляторы. Если нет — тем более никаких проблем не возникнет.
Стандартизованная 3GPP ещё в 2016 г. спецификация узкополосных радиокоммуникаций специально для Интернета вещей (narrowband IoT, NB-IoT) ориентирована на межмашинный беспроводной обмен данными. Она энергоэффективна, более дальнобойна, чем традиционные для IoT-приложений Bluetooth и ZigBee, и изначально оптимизирована для налаживания надёжной связи между сотнями и тысячами устройств в пределах зоны покрытия единичной базовой станции. При этом перспективное развитие NB-IoT предполагается уже в рамках дальнейшей эволюции стандарта 5G, что делает новые сотовые сети пятого поколения (более прогрессивные, чем действующие сейчас 5G NR) идеально подходящими для поддержки разветвлённых инфраструктур Интернета вещей: как связно взаимодействующих, так и независимых.
Технические спецификации 5G NR и наиболее актуальной на сегодня версии Wi-Fi 6 (по прежней номенклатуре — 802.11ax) в значительной мере схожи. Новый сотовый стандарт обеспечивает более высокие скорости и, самое главное, значительно сниженные задержки сигнала по сравнению с 4G LTE, поскольку имплементирует ряд технологий, реализованных, пусть несколько иначе, и в Wi-Fi 6: гибкое управление фреймами, новые схемы кодирования сигнала, активное использование MIMO и т. д. Принципиальное различие лежит не столько в технологической, сколько в юридической плоскости: сотовые сети оперируют в лицензируемых участках радиоспектра, Wi-Fi — в нелицензируемых.
Может показаться, что уже одно это делает Wi-Fi более предпочтительным вариантом для коммерческого использования. Там, где необходимо по-настоящему обширное покрытие радиосети — например, для цифрового контроля и управления парком грузовых фур на всей территории страны, — там и в самом деле имеет смысл делать ставку на сотовые решения. Но на ограниченной, пусть и большой, площади какого-нибудь порта либо карьера проще, казалось бы, организовать mesh-сеть на базе роутеров Wi-Fi 6, получая примерно то же качество сервиса без дополнительной мороки с лицензированием используемого частотного спектра.
На практике, однако, как раз коммерческие заказчики и предпочитают сотовые сети, хотя сегодня им доступны по большей части решения на базе 4G. В уже упомянутой статье цитируется Зак Сулала (Zach Sulalla), глава компании Particle, которая поставляет различные элементы Интернета вещей бизнес-структурам, который утверждает, что чем меньше заказчик смыслит в беспроводных сетях (то есть чем менее квалифицирован в этой области его ИТ-отдел), тем с большей охотой он выбирает компоненты для построения IoT-инфраструктуры с сотовыми модемами. Это предпочтение сохраняется даже в ситуации полного или почти полного покрытия действующей сетью Wi-Fi области, в которой эти компоненты будут активны (например, складского помещения при внедрении на нём автономных транспортных тележек).
Причина проста: сотовая сеть исходно строится так, чтобы работать «из коробки» на всей покрываемой ею площади. Уже на уровне базовых протоколов предусмотрено бесшовное сопряжение зон покрытия соседних базовых станций, автоматизированная передача подвижного клиента из одной такой зоны в другую без помех для налаженного цифрового канала связи и т. п. Wi-Fi позволяет благодаря тем же самым mesh-технологиям решать аналогичные задачи, однако решения эти администраторам обыкновенно приходится искать самим, используя нетривиальные настройки и прилагая дополнительные усилия.
Дополнительный плюс использования публичных сотовых сетей при организации коммерческого IoT — жёстко интегрированная система биллинга, не зависящая ни от поставщика услуг, оказываемых в пределах данной инсталляции Интернета вещей, ни от их потребителя. В результате при возникновении любой спорной ситуации имеется сторонний арбитр — провайдер — со скрупулёзно детализированными протоколами всего, что происходило с тем или иным умным устройством (точнее, с вмонтированным в него сотовым модемом) с точностью до долей секунды по времени и до метра-трёх по позиционированию.
Наконец, развёртывая на предприятии mesh-сеть Wi-Fi, заказчик оказывается заложником однажды выбранного поставщика оборудования. Организовать бесшовное сопряжение беспроводных точек доступа под разными брендами, признаётся Хиггинботем, неимоверно сложно — даже если они по счастливой случайности поддерживают один из двух проприетарных протоколов совместимости, актуальных на данный момент: от Amazon или от Google. Две эти компании вместе с Apple трудятся сейчас над разработкой ещё одного беспроводного стандарта для домашних сетей (домашних, подчеркнём, — речь не о промышленном IoT!), но его финальная спецификация не будет обнародована ранее 2021 г.
Остаётся ещё один аргумент в пользу Wi-Fi: финансовый. Сотовая связь стоит денег, и тем больших, чем обширнее парк элементов Интернета вещей у заказчика. Однако с течением времени аргумент этот всё заметнее теряет силу: в конце концов, многие ИТ-нужды коммерческого предприятия в наши дни готовы удовлетворять внешние поставщики услуг на основе аутсорсинговых контрактов. Чем организация беспроводной сети по подписке, спрашивается, хуже такой же организации подсистемы печати, или видеонаблюдения, или виртуальных серверов и рабочих мест в облаке?
Тем более, NB-IoT — чрезвычайно экономичный в плане объёмов трафика протокол. Сотовые операторы вскоре сами способны будут начать поставку услуг облачного Интернета вещей: развёртывать и обслуживать 5G-микросоты, оснащать необходимым оборудованием элементы IoT — и всё это на базе вполне разумной по цене и спектру оказываемых услуг регулярной подписки. В таких условиях системным интеграторам, делающим ставку на построение беспроводной инфраструктуры Интернета вещей на основе Wi-Fi с продажей (а не сдачей в лизинг, например) клиенту всего сопутствующего «железа», придётся чрезвычайно непросто.
Аргументированное сосуществование
В заочную полемику с IEEE Spectrum вскоре вслед за публикацией статьи Хиггинботем вступило издание eWeek, чей колумнист и редактор Уэйн Раш (Wayne Rash) весьма скептически воспринял громкое заявление об относительно скором сошествии Wi-Fi со сцены истории: «Когда вы получаете столько имеющих отношение к 5G пресс-релизов, сколько получаю их я, особенно в преддверии MWC в Барселоне, вы сталкиваетесь со множеством заявлений, часто сомнительных. Эти заявления порой абсурдны, нередко ошибочны, а в ряде случаев откровенно идут вразрез с законами физики. Хотя по большей части, разумеется, это не более чем самодовольная маркетинговая болтовня».
Не углубляясь в разбор коммерческих обоснований предпочтения 5G перед Wi-Fi при построении инфраструктуры промышленного IoT, Раш указывает в своей опосредованной отповеди Хиггинботем на ряд препятствий, которые придётся преодолеть сотовой сети пятого поколения на пути к предполагаемому вытеснению Wi-Fi на обочину ИТ-прогресса. И первое из этих препятствий — чисто техническое: нынешняя имплементация нового стандарта, 5G NR, отнюдь не раскрывает всего потенциала сетей пятого поколения. Однако чтобы внедрить полнофункциональные сети 5G, которые действительно смогут обеспечить ожидаемые запредельные скорость передачи данных и уровень задержки сигнала, понадобятся ощутимые инвестиции в сотовое оборудование.
Тонкость заключается в том, что в полную силу воплощённые в спецификациях 5G протоколы проявляют себя при использовании миллиметровых радиоволн, иными словами, частот от 30 до 300 ГГц. В то время как самые прогрессивные сети 5G NR, уже действующие и предполагаемые к введению в строй в ближайшие год-два, все сплошь оперируют на частотах менее 6 ГГц. Основная причина — как раз законы физики: плотность энергии электромагнитного излучения в вакууме ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния и квадрату же частоты волны, а в земной атмосфере дополнительным фактором ослабления сигнала на миллиметровых волнах становятся поглощение и рассеяние на капельных образованиях (дождь, туман; в меньшей степени — град, снег), а также на твёрдых частицах (пыль, дым и т. д.).
Бороться с ослаблением сигнала можно двумя способами: увеличивая мощность каждого излучателя либо расставляя сами излучатели на меньшем расстоянии один от другого, чем это требуется для более низкочастотных сетей (4G, 3G). Слишком сильно мощность повышать нельзя: о влиянии микроволнового излучения на биологические объекты знает каждый, кто хотя бы однажды разогревал бутерброды в СВЧ-печи. Но и ставить сотовые вышки ещё гуще, чем они размещаются сейчас, на городских улицах и в плотной застройке — задача крайне непростая. Особенно с учётом того, что модулей сотовой связи потребуется больше на порядок при переходе к
В то же время Wi-Fi 6 (как и 5, он же IEEE 802.11ac) уже достигает своих весьма достойных показателей скорости передачи и задержки сигнала на частоте 5 ГГц. В перспективе рассматривается вариант открытия для использования без лицензий довольно широкой частотной полосы в районе 6 ГГц, что позволит (в тех странах, которые пойдут на такой шаг) ощутимо улучшить рабочие показатели сетей Wi-Fi при минимуме дополнительных инвестиций в инфраструктуру.
В США, напоминает Уэйн Раш, широко разрекламированные операторами T-Mobile и AT&T «сети 5G», широкое развёртывание которых намечено как раз на
В итоге, судя по всему, никакого обратного отсчёта на грядущее десятилетие для технологии Wi-Fi объективно не ведётся. Она продолжит своё развитие, как и 5G (а затем, как раз начиная примерно с
Если же сам факт предоставления некоему устройству беспроводного доступа в сеть важнее, чем конкретные значения скорости и задержки при передаче данных, то внутри помещений заказчики и интеграторы по-прежнему будут отдавать предпочтение Wi-Fi, а вне их — сотовой связи. Это мирное сосуществование продлится ещё как минимум десяток лет. Причём многие эксперты уверены, что для бизнес-приложений с высокомобильными автономными устройствами предпочтительнее год от года будут становиться как раз 5G-решения, тогда как область применений Wi-Fi 6 продолжит оставаться значительно более широкой.
