Beamforming – что это в роутере?

ВОПРОС! Всем привет. Скажите, пожалуйста, а что такое Beamforming? На роутере наклеена подобная надпись, но не понимаю, что это.

БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это формирование направленного луча радиосигнала по Wi-Fi. Если говорить грубо, то роутер примерно понимает, где находится ваш ноутбук, телефон, планшет или даже телевизор, формирует концентрированный направленный сигнал в этом направлении, и клиентское устройство принимает лучший сигнал. А как мы знаем, чем лучше идет сигнал, тем больше скорость обмена данными. Данная технология впервые в работоспособном виде появилась в WiFi стандарте 802.11ac. А теперь более подробно про саму технологию ниже в статье.

Хотите узнать все тайны Wi-Fi, то идем сюда.

Как работает технология?

Начнем с того, что сама технология впервые появилась в стандарте 802.11n, но была проблема в том, что каждый производитель своего оборудования по-своему её реализовывал с разными алгоритмами. И как итог – она могла работать только между устройствами одного производителя. И уже с выходом 802.11ac данная технология заработала как надо, так как появился один всеобщий стандарт. Даже сейчас стандарт 802.11n еще остается достаточно популярным, но вот TX Beamforming на нем работает только в очень редких случаях.

Beam forming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет за счет нескольких антенн передавать данные на несколько устройств одновременно. И вот MIMO уже появился при стандарте 802.11n.

MIMO позволяет создавать несколько потоков и по ним одновременно передавать данные. Есть два вида MIMO:

• SU-MIMO – когда данные в несколько потоков передаются на одно устройство.
• MU-MIMO – когда общение с роутером идет одновременно сразу с несколькими клиентами.

В скором времени вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии у роутера сразу нескольких антенн – то есть данные с каждой антенны передаются на одно конкретное устройство. Это достаточно удобно, ведь теперь не нужно ждать очереди, чтобы получить доступ к сети и интернету. У MU-MIMO есть схемы:

• 2х2
• 3х3
• 4х4
• 8х8

Если у роутера 3 антенны, и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно общаться сразу с 3-мя устройствами.

Transmit Beamforming использует сразу несколько антенн, для того, чтобы понять примерно расположение устройства в пространстве. На сам деле каждая антенна транслирует радиосигнал равномерно во все направления – тут ничего не поделаешь. И тут встает вопрос – как можно усилить и улучшить сигнал в конкретном место, там, где находится телефон, планшет или ноутбук?

На помощь нам приходит физика и понятие интерференции. Интерференция – это когда при наложении двух волн, мы видим, что в одном месте идет усиление колебания и сигнал становится лучше, а в другом колебания становятся слабее и сигнал ухудшается.

Давайте посмотри на примере. У нас есть роутер с двумя антеннами. Каждая антенна начинает испускать радиоволны. И есть два клиента. Пассивный клиент – это тот, который ждет своей очереди, то есть в данный момент времени информация на него не передается, и он ничего не принимает.

Активный клиент – это тот клиент, который принимает данные от роутера в данный момент времени. Beamforming работает таким образом:

• Обе антенны задают базовые колебания волны.
• При помощи сдвига фазы обе антенны начинают подстраивать амплитуду сигнала таким образом, чтобы она была максимальна в месте, где находится клиентское устройство.

На картинке выше активен 1-ый клиент, и антенны подстраивают радиоволны таким образом, чтобы в месте, где находится устройство, была максимальная интерференция и наложение двух волн, исходящих от двух антенн.

Потом второе устройство становится активным (смотрим на картинку ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.

Но не забываем, что не один роутер участвует в анализе расположения клиентских устройств. Сам клиент выступает главным звеном нашей задачи. Получается такая схема:

1. Две антенны отправляют звуковой кадр, который называется Null Data Packets (NDP).
2. У NDP есть свой заголовок, чтобы клиент понимал, от какой антенны был отправлен сигнал.
3. Устройство записывает параметры приема радиоволны в матрицу с такими данными как сила сигнала, время получения сигнала.
4. Для каждого используемого канала идет своя запись данных, так как у всех каналов частоты немного отличаются. А как мы помним, волны с разной частотой по-разному распространяются в определенной среде.
5. Матрица со всеми этими данными (Channel State Information (CSI)) отправляется обратно к роутеру.
6. Роутер на основе этих данных по формуле высчитывает примерное расположение клиента и уже начинает транслировать радиоволны таким образом, чтобы интерференция в месте клиентского устройства была максимальна.

Но это мы рассмотрели схему, при которой оба устройства поддерживают Beamforming. В таком случае считается, что луч формируется явно (implicit Beamforming, iBF). Если же клиентское устройство не поддерживает эту технологию, и не может передать лист с данными о приеме Channel State Information (CSI), то маршрутизатор все равно пытается примерно понять, где расположено устройство на основе принятых данных от клиента, а также оценивает канал связи.

1. Точка доступа отсылает вопрос: с какой скоростью, дескать, мне отправлять тебе информацию?
2. Клиент отправляет ответ – ну давай, вот так попробуем!
3. Маршрутизатор начинает потихоньку менять скорость и фазовый сдвиг на обеих антеннах. Тем самым, как мы помним интерференция должна усилиться или уменьшиться, и как итог – сигнал будет или ухудшаться, или улучшаться.
4. Если клиент отвечает, что все норм, можно повышать скорость, то значит роутер попал с настройками фазового сдвига правильно. Если сигнал ухудшился и скорость уменьшилась, то роутер ищет другие настройки сдвига.
5. Так продолжается до тех пор, пока не найдется максимальная скорость передачи, что будет символизировать, что настройки антенн найдены.

Так называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В интернете можно встретить огромное множество комментариев по поводу того, что данная технология является просто маркетинговым ходом. Но на деле она сильно увеличивает качество связи и скорость передачи данных.

Beamforming в теории может обнулять помехи, за счет отправки в сторону источника помех определенного сигнала, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.

Напомню, что активно данная технология используется в Wi-Fi 6-го поколения – про него можете подробно почитать тут. Также если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую почитать дополнительные материалы:

• Что такое роутер
• Статья про Wi-Fi каналы и для чего они нужны
• Ширина канала
• Про частоты Wi-Fi (2,4 и 5 ГГц)

Видео