На страницах своего блога, я уже обращал внимание на проблему с доступом к сети Wi-Fi в многоквартирных домах. Суть ее в том, что эфир частот, на которых работает традиционная сеть Wi-Fi, катастрофически перегружен. Он перегружен до практически полной неработоспособности сети. В этой статье хочу попробовать разобраться в чем именно заключается проблема и как с ней бороться.

Из-за чего происходит перегрузка эфира на частотах Wi-Fi

Начнем с того, что сама технология Wi-Fi была разработана еще в 90-х года прошлого века. С тех пор успело вырасти целое поколение, а требования к компьютерным сетям, задержкам на передачу в этих сетях и объемам прокачиваемых данных, выросли многократно.

Как видели себе будущее разработчики Wi-Fi спецификаций первого поколения? Они трезво оценивали ситуацию и понимали, что высокой плотности и больших объемов данных не будет. По началу не будет. Да и технологическая база на которой можно построить сеть здесь и сейчас не позволяет дешево получить хоть какие-то выдающиеся результаты по производительности. И в действительности, чем можно было загрузить сеть Wi-Fi в 90-х? Просмотром web-страничек оптимизированных под Dial-Up с минимум картинок, без видео и множества подгружаемых библиотек, да перекачкой пары документов с локального файлового сервера к себе на лэптоп. Именно под такие запросы спроектировали технологию Wi-Fi работающую на частотах 2.4 ГГц позволяющую сразу покрыть значительную область пространства, и которая не будет стоить космически дорого для конечного потребителя. К слову сказать, в то же время был разработан стандарт и на 5 ГГц сеть, но ее решили отложить на будущее.

Радиосигнал на такой частоте (2.4 ГГц) относительно хорошо проходит через препятствия. Пара бетонных стен или перекрытий его не останавливают, поэтому одной точкой доступа Wi-Fi можно покрыть сразу существенную площадь (квартиру в панельном доме вместе с соседями — легко). Дешево и сердито. Не нужно тянуть кабеля, делать розетки. Данные сами приходят клиентам по воздуху.

Кстати, о клиентах. Радиочастотные диапазоны во всех странах, за исключением совсем отсталых, прибирали к рукам силовые и государственные структуры. Забирали широкие диапазоны самых удобных и практичных для работы частот. А гражданским доставались крохи, в которых они вынуждены ютиться. Да еще до кучи надо ограничить мощность передающего устройства, а то мало ли что, вдруг это шпионы транслируют разведданные. Исходя из технологических возможностей и регуляторных ограничений инженеры нарезали выделенный им диапазон на отдельные каналы. А поскольку в разных странах разные ограничения, то и каналов у кого-то больше, у кого-то меньше. Самое большое количество каналов в Wi-Fi 2.4 ГГц есть в Японии, целых 14, в большинстве стран мира их всего 13, а в Северной Америке власти зажали диапазоны и каналов американцам доступно всего 11. Но и это еще не все.

Несмотря на заявляемое солидное количество каналов в действительности их куда меньше. Дело в том, что радиоволны в выбранном частотном диапазоне могут интерферировать (накладываться) друг с другом и тем самым возникают ошибки, которые приводят к снижению скорости передачи. По факту при ширине канала в 20 МГц (чем шире канал, тем большую канальную скорость можно получить) в стандартном 13-ти канальном диапазоне умещается всего 4 рабочих канала. Работая на этих каналах устройства не будут мешать друг другу. Но если нужна скорость выше, то нужна и большая ширина канала. На частоте 2.4 ГГц в Wi-Fi можно задействовать ширину канала в 40 МГц. Но тогда таких не мешающих друг другу каналов в диапазоне поместится всего 2.

По данным Wi-Fi Monitor эфир на 2.4 ГГц загружен полностью. Все SSID не помещаются на экране, поэтому они периодически обновляются. Метки расстояния приложение ставит не самые точные.

Другая проблема заключается в возникновении коллизий. Когда эфир на одном канале используется одной точкой доступа, то она (точка доступа) распределяет эфирное время между своими клиентами позволяя наиболее эффективным образом использовать диапазон, обеспечивая наименьшие задержки и максимальную пропускную способность. Но, если на этом же или смежном (тот который интерферирует) канале работает другая точка доступа, то у нее нет нормальной возможности распределять время своих клиентов и согласовывать его с временем передачи на другой точке доступа. Получается, что данные, передаваемые одной точкой доступа, могут быть повреждены (заглушены) данными с другой точки доступа. Так возникают ошибки, которые требуют повторной передачи данных. А теперь представьте, что в зоне «видимости» не одна точка доступа, а порядка 40 и две сотни потребителей. И все это на 13 неполноценных каналах. В пиковое время, когда все школьники приходят с работы, работоспособность всей Wi-Fi 2.4 ГГц сети находится примерно на нулевом уровне. Весь эфир занят попытками повторной передачи неполученных данных.

Подавляющее большинство проблем, возникающих с Wi-Fi в многоквартирных домах, возникает как раз по причине использования чрезмерного количества точек доступа Wi-Fi, работающих в диапазоне 2.4 ГГц и сосредоточенных в относительно небольшом объеме. Но перебои в работе могут происходить и из-за других факторов. Например, из-за использования специального оборудования спецслужбами или просто эксплуатации неисправных бытовых приборов. Мифы про облучатели КГБ, которые глушат все и вся, не лишены под собой почвы, но населению проживающему в спальных районах они не угрожают. А вот неисправная дверца микроволновки способна заглушить эфир не только в рамках одной, конкретно взятой, кухни. Бытовые микроволновые печи работают как раз в диапазоне 2.4 ГГц, поэтому они могут влиять как на Wi-Fi, так и на Bluetooth связь, в случае если у такой печи нарушена радиоизоляция.

Но основным источником проблем все же является именно излишняя плотность Wi-Fi точек доступа с частотой 2.4 ГГц в жилых домах. Как правило, провайдер, который окучивает жилой массив, действует не слишком активно используя серое вещество. Каждому подключенному устанавливается роутер с точкой доступа. Оборудование используется подешевле, поэтому в нем только один диапазон Wi-Fi (т.е. 2.4 ГГц). Монтажники устанавливает роутеры и включает Wi-Fi на полную мощность. Затем довольный клиент подключает к беспроводной сети телевизор, смартфон, планшет, игровую приставку, ноутбук наконец. И наслаждается… Нет, не наслаждается, а с удивлением обнаруживает, что заявленных 80 Мбит тарифа ему явно не хватает. Странички на ноутбуке грузятся медленно, сетевая игра лагает, а со смартфона и вовсе «Кинопоиск» не открывается. Разумный вывод — скорости мало, надо докупить более дорогой тариф. И тут сосед запускает скачку торрентов на своем ноутбуке по Wi-Fi и сеть перестает работать принципиально. Вот за запуск торрентов по Wi-Fi вообще следует лишать доступа в сеть, так как технология BitTorrent и аналогичные способны утилизировать канал (и заглушить все вокруг) на 100%.

При перегрузке сети первыми сдаются смартфоны. У них небольшие антенны и самые худшие условия для приема.

У меня, в месте моего городского проживания, периодически даже переставала работать беспроводная мышка, использующая диапазон 2.4 ГГц. Курсор по экрану начинал двигаться рыками, периодически залипая. И приходилось искать решения с частотой в 5 ГГц или же использовать варианты с подключением по Bluetooth. Последний постоянно меняет каналы, чем нивелирует загруженность на некоторых из нах.

И вот что с этим делать, расскажу дальше.

Самый надежный способ исправить ситуацию с Wi-Fi

Самый надежный способ исправить ситуацию с Wi-Fi — не использовать Wi-Fi. И это серьезно. Все что можно подключить по кабелю, следует подключить именно кабелем. Подключение кабелем компьютера, ноутбука, игровой консоли и телевизора надежно решает проблемы с передачей данных. Более того, использование медиасервисов по кабелю работает куда лучше, чем по Wi-Fi, даже в сельской местности, где плотность точек доступа практически нулевая.

Переход на 5 ГГц диапазон Wi-Fi

Вторым способом решить проблему с плохим качеством доступа в сеть по воздуху является переход на использование Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц. Большинство, если не все, современные устройства и роутеры с точками доступа двухдиапазонные. Они поддерживают работу как на частотах 2.4 ГГц, так и на 5 ГГц. На подходе устройства, работающие на больших частотах, но их применение скорее для сверхвысоких скоростей внутри одного помещения, например, комнаты. А 5 ГГц Wi-Fi способен обеспечить связью целую квартиру.

В чем преимущества 5 ГГц Wi-Fi? Во-первых, весь диапазон, отданный под беспроводную связь в этом случае заметно шире, чем у 2.4 ГГц. Соответственно удалось разместить в нем больше каналов. Во-вторых, радиоволны на частотах в районе 5 ГГц не так хорошо проходят сквозь материальные объекты, соответственно точку доступа 5 ГГц, установленную на 10-м этаже, на 8-м уже не видно и не слышно. Не будет коллизий, можно отдавать более широкие диапазоны одному потребителю. Тут уже не просто 20 и 40 МГц, а 20, 40, 80 и 160 МГц. Что, соответственно, позволяет установить существенно большую канальную скорость, нежели на 2.4 ГГц.

Вот такая вот картинка открывается на частоте 5 ГГц

Конечно, низкая пробивная способность с одной стороны не позволит покрыть одной точкой доступа большие площади, придется ставить «репитеры», но с другой — никакого вредного влияния соседей и практически свободный эфир.

Если все оборудование (смартфоны, умные лампы, лэптопы, телевизоры) используемые в вашем домохозяйстве современное и поддерживает как минимум протокол ax (это Wi-Fi 6), то имеет смысл использовать уже его. Так как Wi-Fi 6 работает на частотах 6 ГГц, где сейчас практически нет никого из соседей и эфир будет максимально чистым.

Мощность сигнала

Говорят, что если дать побольше мощность сигнала на Wi-Fi, то будет работать все намного лучше и интереснее. Но по факту получается далеко не всегда так. Излишне мощный сигнал может навредить. Переотражения сигнала могут усиливать интерференцию и вызывать дополнительные ошибки. А еще мешать соседям.

Проблема с Wi-Fi 2.4 ГГц в многоквартирных домах была бы куда менее выраженной, если монтажники устанавливали достаточную мощность сигнала, а не лепили везде максимальную. В любом случае, стоит поэкспериментировать с мощностью, снизить ее до необходимого предела. В современных роутерах, например, поддерживающих Wi-Fi 6 (протокол ax) обычно уже используется отдельный механизм автоматической регулировки мощности передатчика наравне с выделенным анализатором спектра, позволяющим выбирать наиболее оптимальные каналы и мощность для обеспечения максимальной скорости при высокой стабильности.

В некоторых роутерах, не будем показывать пальцами, есть специальные режимы повышенной мощности передатчика. Применяются они только для связи двух удаленных точек по воздуху между собой и с применением направленных антенн. Если применить повышенную мощность к обычным антеннам и рядовому использованию, то работать все будет хуже, чем на существенно более низкой мощности.

Ширина канала

Выше я уже упоминал, что на 2.4 ГГц может быть использована ширина канала в 20 или 40 МГц. Чем больше ширина, тем большую канальную скорость можно получить. Но в плотном эфире реальная скорость будет ниже, чем на менее широком канале из-за ошибок, вызванных коллизиями с другими точками доступа.

Поэтому, в многоквартирном доме лучше использовать ширину в 20 МГц на Wi-Fi 2.4 ГГц, так как результирующая пропускная способность будет выше, чем с более скоростным и широким каналом. Иными словами, лучше медленнее и надежнее, чем быстро, но без результата.

Канал

Выбор наименее загруженного канала позволяет существенно облегчить проблематику связи. Но если в 12 часов дня загруженность одного канала минимальна, то вечером, когда сосед Коля возвращается с работы и врубает свой ноут, ситуация может поменяться кардинально.

Во многих современных роутерах есть возможность автоматического выбора канала, как по расписанию, так и вообще динамически по мере загрязнения эфира. Подстройка канала под эфир не панацея, но в некоторых случаях может помочь. Тут важно помнить, что далеко не всегда клиентское оборудование сможет адекватно отрабатывать смену канала на роутере. Возможны кратковременные обрывы связи.

Канал, на котором работает Wi-Fi можно выбрать и вручную. Опять же стоит помнить об интерференции и то, что каналов на самом деле не так много. В случае переполненного эфира имеет смысл рассматривать крайние каналы, 1-й или 13-й, тогда хотя бы часть их диапазона не будет затронута соседскими точками доступа.

Некоторые исследователи по жизни умудряются задействовать 14-й канал из 2.4 ГГц диапазона Wi-Fi и работать на нем. Меняют страну настроек, возможно еще и применяют протокол b. Но при этом нужно помнить, что незаконное (без разрешения) использование частоты может привести к правовым последствиям, особенно для юридических лиц. Частника на 18-м этаже многоэтажки в спальном районе и искать никто не будет, а вот контору с окнами на Маросейку и не особо грамотным системным администратором могут поставить на колени. Но при использовании 14-го канала нужно быть уверенным, что все остальное оборудование умеет на нем работать. Особо стоит обратить внимание на оборудование и гаджеты, выпущенные исключительно для североамериканского рынка, там того и гляди все, что выше 11-го канала будет уже недоступно, а тут 14-й.

При использовании Wi-Fi 5 ГГц тоже есть особенности. Частотный диапазон под использование выделен не весь. Например, в России доступны каналы с 32 до 68 и с 132 до 169. Чем ниже канал, тем на меньшей частоте он работает и тем лучшую «пробивную» способность имеет. Поэтому имеет смысл пробиваться в зону верхних каналов, где сосед Коля не сможет светить своим Wi-Fi на весь многоэтажный дом.

Протокол

По большому счету от смены протокола Wi-Fi больших изменений ожидать не стоит. Так задумано, чем современнее протокол, тем большую скорость он может показать. Но при этом нужно учитывать еще и загруженность эфира и канала в целом. В одной ситуации скорость может повыситься, передача одного набора данных будет занимать меньше времени и будет меньше коллизий. И ровно нам же, из-за помех в канале, более мелкие фреймы данных окажутся менее помехозащищенными. В общем нужно пробовать и желательно в самый час пик, когда сосед Николай вошел в раж и старается выжать из беспроводной сети последние остатки разума.

Протокол b (11 Мбит) стал первым массовым протоколом Wi-Fi, и он открывает дорогу семейству протоколов для частоты 2.4 ГГц. Дальнейшее его развитие выражается в более скоростном протоколе g (54 Мбит), а затем и n (450 Мбит). На этом развитие частотного диапазона 2.4 ГГц фактически завершается. Указанные скорости в скобках являются канальными скоростями, которые можно получить при хороших внешних условиях. Поэтому не стоит ожидать того, что переключившись на протокол b получится надежно, хоть и медленно, выкачивать интернет на скорости в 11 Мбит/сек. Реальная скорость, разумеется, будет меньше.

Только рабочие протоколы, узкий диапазон, пониженная мощность сигнала и крайний канал на Keenetic для 2.4 ГГц

Со стороны 5 ГГц диапазона первенцем стал протокол a (он увидел свет даже чуть раньше, чем b, но в то время приоритет отдали именно b). Затем последовал ac, обеспечивающий доступ на скоростях свыше 1 Гбит и именно его мы знаем как 5 ГГц протокол. А в последствии появился и ax, работающий на еще большей частоте. В природе существуют и другие протоколы, например, ah, работающий на частоте в 900 МГц, но устройства с его поддержкой еще поискать нужно.

Правду говоря, некоторые протоколы, например n, могут работать сразу на двух частотах. Но хорошо ли это? Не думаю. Так как не все роутеры могут работать одновременно сразу с несколькими протоколами на одной частоте. И если у вас в сети вдруг завелся древний ноутбук, у которого на борту только b, то есть вероятность, что все остальные устройства точно также будут переведены на протокол b, со всеми вытекающими отсюда последствиями в виде максимальной канальной скорости в 11 Мбит. И аналогично с протоколами n и ac при использовании их на частоте 5 ГГц. Что же тут делать? Придется обновлять парк оборудования до современных стандартов.

Репитер vs экстендер vs Mesh

Для покрытия надежной беспроводной сетью загородного дома даже средних размеров, как правило приходится прибегать к расширению зоны покрытия путем добавления дополнительных точек доступа. В условиях одноуровневой городской квартиры применение дополнительной точки доступа, как правило, не принесет облегчения в работе. Соседи эфир не очистят, а дополнительный источник радиосигнала ситуацию только усугубит. Лучше постараться установить единственную точку доступа (считай роутер с Wi-Fi) максимально по центру всех помещений. Тогда сигнал будет добираться в приемлемом качестве до всех уголков квартиры. Единственным исключением тут может служить конфигурация квартиры, с хитрыми изгибами и лабиринтом из комнат. Тут уже можно говорить о дополнительном источнике Wi-Fi на другом конце жилплощади.

Работающая система Mesh на Keenetic с исключительно проводным подключением

Добавлять дополнительные точки доступа можно разными способами. Самый правильный — использование проводных точек доступа. Такой способ подключения присутствует во всех современных роутерах нормальных производителей. Беспроводной вариант объединения точек доступа в одну сеть в условиях перегруженного эфира скорее даст отрицательный эффект, эфир окажется еще более загруженным, а максимальная скорость ниже, так как один канал будет задействован дважды (от клиента к точке и от точки к корневому роутеру). Хотя и тут есть исключение. В протоколе ax уже реализована возможность объединения точек доступа без проводов на канале отличном от рабочего. А реализация столь полезной функции зависит от производителя устройства.

В роутерах Keenetic, можно организовать Mesh систему Wi-Fi с работой как проводному каналу, так и по беспроводному. Лучше везде, где возможно, стараться использовать проводной вариант, соответственно желательно работать именно по проводу при построении Mesh сети.

Band Steering

Многие современные устройства поддерживают сразу несколько Wi-Fi диапазонов. Другими словами, могут работать как с Wi-Fi 2.4 ГГц, так и с Wi-Fi 5 ГГц. А самые современные устройства уже работают и с Wi-Fi 6 ГГц. Понятно, что для того, чтобы работать на Wi-Fi 5 ГГц нужно чтобы и клиентское устройство, например, смартфон, и роутер поддерживали этот стандарт. Иначе они просто не смогут соединиться.

Для максимальной поддержки всех возможных устройств, роутеры конфигурируются сразу для работы на частотах 2.4 и 5 ГГц. Аналогично и клиентские устройства, если уж и оснащены 5ГГц Wi-Fi, то не обделены и 2.4 ГГц версией. Соответственно одно и тоже устройство в одной и той же физической инфраструктуре способно работать как на частоте 2.4, так и 5 ГГц (не говоря уже о 6 ГГц и других диапазонах).

Настройки Band Steering в Keenetic

Как мы уже выяснили диапазон 2.4 ГГц загружен точками доступа и клиентами до невозможности. Работать в таком режиме практически невозможно. Но в таком случае на помощь должен прийти механизм Band Steering, который, при правильной настройке, предложит двухдиапазонному беспроводному устройству подключиться к 5 ГГц сети, где намного свободнее, а скорости выше.

Так должно происходить в теории, но на практике получается несколько иначе. Возвращаясь с улицы, я еду на лифте и мой смартфон успешно подключается к моей 2.4 ГГц сети. Лифт скоростной, Wi-Fi мощный, подключается уверенно и сразу на большой канальной скорости.

Далее я вхожу в квартиру, попадаю в зону действия 5 ГГц сети. Роутер предлагает телефону подключится к 5 ГГц сети, но мой смартфон отказывается переключаться (на врезке ниже). Переключение диапазона — дело добровольное. Хочешь переключайся, хочешь нет. Причина нежелания закодирована в лаконичном ответе bndstrg-демона на стороне Keenetic. Телефон так и остается подключенным к 2.4 ГГц сети, а я начинаю страдать, так как работать в диапазоне 2.4 ГГц решительно невозможно.

[I] Sep 15 16:48:58 bndstrg: band steering: send BTM request to 46:18:23:dc:9e:d3 for roam to 5GHz band 
[I] Sep 15 16:49:03 bndstrg: band steering: send BTM request to 46:18:23:dc:9e:d3 for roam to 5GHz band 
[W] Sep 15 16:49:04 bndstrg: band steering: WNM client 46:18:23:dc:9e:d3 rejected 5GHz band (code: 6)

Телефон еще некоторое время сопротивляется, но потом все же, по решению своей правой задней пятки решается на переключение и интернет наконец-то начинает работать так как должен. Ведь 5 ГГц большой и он практически свободен. К счастью, не каждый сосед дорос до использования современных технологий, ну и железобетон решает.

И что же в такой ситуации делать? У меня выработалось целых два варианта.

Сегрегация точки доступа

В этом варианте вместо двух сетей (2.4 и 5 ГГц) с одним и тем же названием (SSID) я организую две сети: MyNet и MyNet5G. В телефоне отключаю автоматический вход в сеть MyNet и подключаюсь к сети MyNet5G.

В этом варианте телефон не будет вообще подключаться к моей сети в диапазоне 2.4 ГГц, а будет работать только и исключительно с 5 ГГц вариантом. Благо он отлично покрывает всю жилую площадь.

Отключение доступа устройства на стороне роутера

Разделение на две сети хоть и максимально простое, но не самое удачное решение если используется Mesh или другая агрегация точек доступа. В этом случае часть функций работать не будет.

Отключение доступа к 2.4 ГГц сети в настройках конкретного устройства на Keenetic

К счастью, в Keenetic присутствует возможность определить для каждого из отдельных устройств сеть, к которой он может подключиться. В этой настройке я оставляю только подключение к сети с диапазоном 5 ГГц и смартфон уже не может подключиться к 2.4 ГГц варианту. Название (SSID) обоих сетей при этом остается единым.

Выводы

Мир беспроводных сетей загадочен и пугающе многообразен, но он стал незаменимым атрибутом каждого дома. У нас слишком много устройств, требующих беспроводной доступ к глобальной сети. И зачастую Wi-Fi приносит не радость от доступа к информации и комфорт, а разочарование и недовольство. Дабы снизить уровень недовольства и повысить довольства можно попробовать выполнить следующие простые рекомендации:

• Перейти на подключение кабелем там, где это только возможно.
• Использовать только 5 ГГц (ac) и выше (ax). При необходимости применить принудительное подключение к сетям 5 ГГц и выше через разделение сетей на разные SSID или ограничение доступа к диапазону 2.4 ГГц со стороны роутера.
• Отключить старые протоколы (b, g) если их не использует никакое оборудование или обновить сетевые карты там, где это возможно до современных стандартов.
• Попробовать понизить мощность передатчика на роутере/точке доступа.
• Не использовать репитеры, экстендеры, Mesh там, где достаточно одной точки доступа.
• На частотах 2.4 ГГц использовать только 20 МГц ширину канала.
• Использовать каналы на границах диапазона, например, 13 или 1.
• На 5 ГГц частотах, если позволяют площади, использовать каналы свыше 132-го для лучшей изоляции от соседей.

В моем случае, я использую проводное подключение везде, где возможно. А для лучшего доступа с мобильных устройств разделил сети по частотам и разрешил подключаться только к 5 ГГц сетям.

Update.01.01.23: В версиях прошивки 3.9 для Keenetic появился крайне удобный инструмент мониторинга за Wo-Fi сетями.

Данные мониторинга присутствия Wi-Fi сетей на частотах 2.4 ГГц

Циферки в синих столбиках отображают количество присутствия сетей на том или ином канале. Нет, мой роутер не ловит 260 сетей, просто при использовании 40 МГц занимается сразу несколько каналов. Всего сетей в зоне видимости 40 штук.

Загруженность эфира на диапазоне 5 ГГц

А вот на гистограмме 5 ГГц диапазона все куда более прозаичнее. Есть свободные каналы, а сетей обнаружено всего 12 штук. Что позволяет вполне комфортно существовать в эфире.