У багатьох користувачів виникає потреба «поліпшення» або «подовження» дальності дії маршрутизатора WiFi (бездротового підключення до Інтернету, якщо трохи спростити формулювання). Можливо, одним пристроєм не вдається охопити великий заміський будинок або хочеться безкоштовно підключитися до «халявної» точки доступу в кафе через дорогу. В обох випадках і незалежно від рівня доходів або моральних принципів користувача буде корисно зрозуміти особливості бездротового доступу по протоколу WiFi і познайомитися з додатковими пристроями для зв'язку з цим протоколом.

Маршрутизатором (роутером) WiFi (або бездротовими) ми будемо називати пристрій, що дозволяє зв'язати по локальній радіомережі кілька комп'ютерів або смартфонів з мережею Інтернет, яка підключена дротових або бездротових способом до вихідного порту маршрутизатора.

Раніше бездротовими маршрутизаторами також називали пристрої, які забезпечували підключення до Інтернету (провайдеру) по мережі стільникового (мобільного) зв'язку - це так звані 3G-або 4G / LTE-маршрутизатори. Сьогодні маршрутизатори WiFi зазвичай підключаються до провайдера провідним способом і зазвичай це вже не модемне підключення, а виділена лінія зв'язку (і зазвичай оптична до розподільної коробки в під'їзді або на поверсі). Крім того, раніше існували «домашні» маршрутизатори без бездротового підключення по WiFi, тобто тільки для локальної провідної мережі. На противагу їм, в деякі моделі додавалася підтримка WiFi і такі пристрої називалися «маршрутизаторами з точкою [бездротового] ​​доступу» або просто точкою доступу. Сьогодні терміни «домашні маршрутизатори», маршрутизатори WiFi і точка доступу стали синонімами, оскільки практично всі домашні маршрутизатори мають підтримку WiFi.

Ми не випадково згадали назву «домашній маршрутизатор» (категорія SOHO, Small office / home office - домашній / невеличкий офіс). Маршрутизатор цієї групи мають тільки один вихідний порт (порт висхідній зв'язку) для підключення до Інтернету, хоча класичні маршрутизатори мають кілька таких портів, щоб маршрутизировать (перерозподіляти або коммутировать трафік між ними). Цей єдиний порт, правильніше назвати його портом WAN (Wide Area Network, регіональна мережу постачальника послуг Інтернету в нашому випадку), може успішно працювати з таблицею маршрутизації всього лише з одним записом. В даному випадку можна говорити про «виродження», неповної таблиці маршрутизації, тому багато компаній називають такі домашні маршрутизатори більш правильними з технічної точки зору назвами «Інтернет-шлюз» або «Інтернет-центр».

На стороні вихідного порту можуть бути реалізовані різні функції, які як раз і визначають вартість домашнього маршрутизатора в діапазоні від 1 до 10 тис. Рублів і вище. Багато з них призначені для SOHO, а не для особистого вживання, тому не має ніякого сенсу купувати найдорожчу з моделей на ринку - краще віддати перевагу сегмент ринку SOHO саме для застосування вдома. Зараз можна було б почати довгий і нудний розмову про брандмауери, NAT (Network Address Translation, трансляція мережевих адрес), SPI (Stateful Packet Inspection, інспекція пакетів з урахуванням стану), фільтрації за різними критеріями (MAC-адресами, URL, IP-адресами , за ключовими словами і т.п.), захист від атак відмови в обслуговуванні (DoS, Denial of Service), запобігання перехоплення трафіку ARP Spoofing і т.д., але можна з дуже малою точністю, але з великою впевненістю сказати, що сегмент «домашніх» маршрутизаторів займає приблизно нижню половину (за вартістю) від загального ринку SOHO.

Однак на бездротовий зв'язок по WiFi в домашньої бездротової мережі потрібно звернути найпильнішу увагу. Для чого доведеться познайомитися зі стандартами групи IEEE 802.11. Бездротові мережі поки значно відстають від провідних мереж по смузі пропускання і пропускної здатності, наприклад типове бюджетної бездротовий пристрій для ринку SOHO теоретично може досягти швидкості передачі даних 300 Мбіт / с по протоколу IEEE 802.11n (остання версія) або 54 Мбіт / с за протоколом IEEE 802.11g (найбільш популярний варіант), хоча аналогічні за вартістю провідні пристрої давно вже працюють на гігабітних швидкостях. Більш того, для всіх протоколів сімейства WiFi вказана сумарна швидкість передачі для всієї точки бездротового доступу (AP, Access Point) в цілому, тому при підключенні до неї двох комп'ютерів швидкість передачі скоротиться вдвічі. В реальних умовах точка доступу AP зможе використовувати для передачі корисних (для користувача) даних тільки половину від пропускної здатності передачі сигналів «по повітрю». Простіше кажучи, реальна швидкість передачі корисних даних для протоколу IEEE 802.11g становить не 54 Мбіт / с, а приблизно 20 ... 25 Мбіт / с для пересилки даних за допомогою стека протоколів TCP / IP (тобто по каналу Ethernet).

Якщо попередній абзац видався цікавим, змінимо маркетингова назва WiFi на правильне IEEE 802.11 і продовжимо. Хоча постійте, протоколом WiFi завідує альянс WiFi Alliance (www.wi-fi.org/), який свого часу привернув до пошуку хорошого маркетингового назви компанію Interbrand Corporation, на думку якої, назва WiFi з'явилося як аналогія-запозичення від Hi- Fi. Ця ж компанія створила логотип і рекламний слоган «The Standard for Wireless Fidelity (стандарт для бездротового точності передачі)» і по ньому стали вважати WiFi скороченням для Wireless Fidelity. До речі, WiFi Alliance не забороняє написання WiFi, тому я вирішив випендритися і буду вживати не найпопулярніший варіант.

Сімейство протоколів IEEE 802.11 розробляється (в сенсі: розроблялося, розробляється і буде розроблятися) комітетом з локальним / регіональних мережах (802.11) американського Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) і широко використовується з 1999 року в усьому світі під маркетинговою назвою WiFi (WiFi). Латинські букви в назві стандарту 802.11 позначають послідовні версії. Найбільш популярні версії стандартів 802.11 діють в двох частотних діапазонах, виділених підкомітетом по радіозв'язку Міжнародного союзу радіозв'язку (ITU-R, International Telecommunication Union - Telecommunications Radio Sector) для спеціального застосування. Смуга пропускання 2,4 ГГц (2400 ... 2483,5 МГц із смугою 83,5 МГц) призначений для вільного використання в цілях ISM (Industrial, Scientific and Medical, промисловість, наука і медицина) в першому регіоні, куди входить Росія, і цей діапазон підтверджений нашими регулюючими органами. У цьому ж діапазоні працюють не тільки мережі Wi-Fi, але і бездротові телефони, мережі Bluetooth, пристрої NFC (Near Field Communication, зв'язок близьких полів), супутникове телемовлення, мікрохвильовки і т.д. Діапазон 5 ГГц використовується в протоколах 802.11a / h / j / n і, в загальному випадку, називається U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure, неліцензовані, тобто вільно використовуються, частоти для національної інформаційної інфраструктурної зв'язку). У Росії в цьому діапазоні з 2010 року за рішенням ГКРЧ (Державна комісія з радіочастот) Міністерства зв'язку доступні «для фіксованого бездротового доступу юридичними і фізичними особами без оформлення окремих рішень ГКРЧ для кожного конкретного юридичної або фізичної особи» смуги радіочастот 5150 ... 5350 МГц і 5650 ... 6425 МГц. Звичайному користувачеві маршрутизатора SOHO можна не піклуватися про відповідність пристрою дозволеним в Росії частотних діапазонах, оскільки це завдання покладено на компанії-виробники і компанії-імпортери. Простіше кажучи: все, що продається в вітчизняному магазині, можна використовувати без порушення правил про частотних діапазонах в Росії.

Варіанти стандарту IEEE 802.11 відрізняються латинськими буквами: від IEEE 802.11a (від вересня 1999) до IEEE 802.11ay (планується в 2017 році). Стандарти 802.11b, 802.11g і 802.11n-2.4 використовують діапазон 2,4 ГГц, а 802.11a і 802.11n - 5 ГГц. У кожному з діапазонів відбувається поділ на канали, причому діапазон 2,4 ГГц поділений на 14 каналів.

Michael Gauthier, Wireless Networking in the Developing World (бездротові мережі в країнах, що розвиваються)

Дальність передачі і область покриття (докладніше нижче) залежать від частотного діапазону, вихідної потужності радіосигналу, коефіцієнта посилення антени і її типу (конструкції), а також ще від безлічі логічних або неочевидних факторів, включаючи тип модуляції, розташування перешкод, відображення і рефракцію (на англійською це звучить дуже красиво: reflection and refraction), але головним правилом забезпечення стійкого зв'язку залишається в зоні прямої видимості, знаходження в області покриття і достатня потужність сигналу в даній точці.

Для маршрутизаторів з WiFi по протоколу 802.11b або 802.11g з штирьовою антеною дальність передачі складає до 100 м в чистому полі або 20 м в приміщенні зі стінами (завдяки вдвічі більшій тактовій частоті, IEEE 802.11n має приблизно вдвічі більшу дальність зв'язку). Для порівняння: в тому ж самому гігагерцовий діапазоні передавач з зовнішньої полупараболіческой антеною (коефіцієнт посилення 15 дБ) забезпечує дальність зв'язку 30 км. Або ще: в тому ж гігагерцовий діапазоні випромінювач мікрохвильової печі дозволяє швидко розігрівати продукти. У дилетантів ту ж виникає питання: «Тупі компанії, поставте нормальну антену в маршрутизатор!». Але ці компанії і так поставили найкращу антену для планованої області експлуатації. Тому доведеться пильніше подивитися на коефіцієнт посилення антени, дальність передачі і область покриття.

Антеною називають електричний пристрій для перетворення електричного сигналу з провідний електричного кола в бездротові радіохвилі і навпаки. Для штирьовий антени таке перетворення не може видати в ефір більше 40% потужності, що підводиться проводового сигналу, тобто коефіцієнт корисної дії (або ефективність / продуктивність антени) завжди негативний. Але коефіцієнтом посилення антени вирішили рахувати не потужність сигналу, а відносну величину при порівнянні даної антени з ідеальною, яка рівномірно передає сигнал у всіх напрямках. Таку ідеальну антену називають ізотропним випромінювачем (isotropic), а відношення для порівняння з нею вимірюють в дБи (dBi, де i - isotropic). Штирьова антена має практично ідеальну кругову область покриття по горизонталі, тому її називають всенаправленной (ненаправленої) антеною - omnidirectional antenna. У вертикальній площині штирові антени порівнюються за величиною dBi (яка безпосередньо залежить від довжини антени), причому чим вона менша, тим ближче антена до ізотропної по вертикалі, а чим більше величина dBi, тим на більшу відстань «витягується» пелюстка діаграми спрямованості по вертикалі ( для лінійної поляризації, щоб бути абсолютно точним).

Отже, мудрі виробники вибирають штирьових антен з коефіцієнтом 2 dBi для впевненого прийому в будь-якій точці не надто великий області, а не менш кваліфіковані сторонні компанії випускають знімні антени 9 dBi для користувачів, які хочуть отримати нерівномірну область покриття, але збільшити дальність прийому. При цьому незрозуміло, чому не дуже мудрі і малокваліфіковані користувачі вважають, що перші з антен в чотири з половиною рази гірше друге.

До речі, можна додатково урізати поширення радіохвиль по горизонталі за рахунок рефлекторів (відбивачів), наприклад як в тарілках супутникового телебачення, щоб отримати спрямовану антену. Але робити це потрібно акуратно, щоб «сконцентрувати» в одну точку (приймач) сигнал, зібраний по всій площі тарілки, і правильно направити цю саму тарілку (приблизно як навести фокус при фотографуванні). Усілякі саморобні банки-бляшанки в ролі рефлекторів швидше псують сигнал через неузгодженість при зборі в одну точку (як расфокусировка в фотографії), хоча, звичайно ж, є поодинокі випадки, коли сигнал зберігається, незважаючи на перешкоди, і вся система працює, всупереч дилетантським рефлектора.

Антени маршрутизаторів WiFi працюють в діапазоні ISM, в якому обмежена яку випромінює потужність для нашої з вами захисту. Комерційні системи вузьконаправленої зв'язку (наприклад, космічної) можуть мати більшу потужність, але вона не поширюється за межі узконаправленного променя передачі, тому безпечна. З іншого боку, повністю ізольовані від нас в залізному корпусі випромінювачі мікрохвильових печей. Але для антени WiFi c випромінюванням на всі боки спеціальним параметром встановлено обмеження потужності - еквівалентна потужність, яку випромінює ізотропної антеною (Equivalent isotropically radiated power, EIRP), яка в ЄС дорівнює 20 dBm (100 мВт). У США цей параметр допускається до 4 Вт (схоже, їм не шкода своїх громадян).

Ще одне, останнє, зауваження про декілька антенах в маршрутизаторах WiFi. Щоб підвищити швидкість передачі (пропускну здатність), можна зайняти не один, а кілька каналів одночасно, наприклад технологія MIMO (Multiple Input Multiple Output, кілька входів - кілька виходів) створює три одночасних потоку даних в трьох різних частотних каналах, причому на кожній зі сторін ці три потоки спочатку виходять з одного, передаються як для трьох різних пристроїв, потім об'єднуються в один. В результаті, один пристрій отримує пропускну здатність як у трьох окремих пристроїв, якщо звичайно на це вистачає частотних каналів. Для кожного такого каналу потрібна окрема антена і, зрозуміло, сумісність на іншій стороні лінії зв'язку.

Теоретичний мінімум закінчений, переходимо до практичного опису того, як збільшити дальність WiFi сигналу ( см. другу частину ).