Что Такое DFS на WiFi Роутере — Алгоритм Службы Каналов Беспроводных Частот
Если заглянуть в описание технических характеристик современных роутеров с поддержкой нового стандарта беспроводной связи WiFi 6, то можно обнаружить работу с таким алгоритмом, как «DFS». Что это за служба и как она используется на wifi маршрутизаторе? Об этом пойдет речь в данной статье.
Что такое DFS?
Dynamic Frequency Selection, или сокращенно DFS, — это технология, позволяющая задействовать для трафика обмена данных по дополнительные частотные каналы. Дословно переводится как «Динамический выбор частот»
То есть алгоритмы DFS призваны улучшить качество беспроводного соединения с роутером. Давайте посмотрим подробнее, каким образом. Если помните, на заре появления беспроводных сетей пользовались WiFi в диапазоне 2.4 ГГц. Я бы и сейчас с удовольствием его использовал, поскольку сигнал на 2.4 GHz обладает гораздо лучшей способностью преодоления препятствий, что особенно важно в многокомнатных квартирах с толстыми перекрытиями.
Однако с повсеместным распространением роутеров и умных беспроводных устройств и комплектов умного дома частоты 2.4 ГГц сильно загрузились. В результате чего скорости wifi стали сильно снижаться. Чтобы это понять, достаточно просто посмотреть в специальной программе количество одновременно работающих сетей в одном диапазоне
Другой стороной проблемы стали ограниченные возможности по передачи больших объемов данных через wifi сеть. То есть не только большое количество гаджетов стали потреблять wifi соединение, но и размеры информации стали слишком велики. Простой пример — раньше мы смотрели видео в разрешении HD, вес которых редко доходил до 1 ГБ. Сегодня же мы смотрим фильмы в 4К, которые весят несколько десятков гигабайт.
Эпоха 5 GHz
Тогда разработчики решили задействовать другой диапазон частот WiFi в 5 ГГц. У него значительно больше пропускная способность и максимальная скорость. Только вот с дальностью сигнала есть проблемы, которые стали решать с помощью усилителей сигнала и комплектами mesh систем роутеров.
Все было хорошо поначалу, но есть одна незадача. Широкому кругу пользователей для работы доступно лишь небольшое количество разрешенных частот в диапазоне 5 ГГц. Остальные зарезервированы для военных нужд — на них обмениваются сигналами радары и радиолокационные станции.
Появление алгоритма DFS каналов на wifi роутере
Но как мы понимаем, количество устройств, которые работают в диапазоне 5 ГГц, тоже неуклонно растет. И объемы трафика становятся от года к году все больше. При это военные радары все-таки размещены не повсеместно, и постоянно отключать свободные и вполне доступные частоты в такой ситуации становится непозволительной роскошью. Поэтому разработчики придумали встроить в роутер алгоритм DFS, который дает следующий выход из положения. При сильной загруженности разрешенных для WiFi 6 частот в диапазоне 5 ГГц маршрутизатор автоматически задействует одну из ранее закрытых. Но при появлении в радиусе приема сигнала от военных радаров служба DFS автоматически отключается, и роутер продолжает раздавать Wi-Fi на стандартной для 5 GHz частоте.
В этом и заключается преимущество современных роутеров с поддержкой WiFi 6 и DFS, то есть динамического выбора каналов беспроводных частот. В пиковые моменты нагрузки при большом количестве одновременно работающих устройств и параллельных соседских сетей роутер делает все возможное, чтобы скорость wifi осталась неизменной. В том числе и переключает их на соседние свободные каналы через алгоритмы Dynamic Frequency Selection. И работает это более эффективно, чем даже если бы выставить ширину wifi канала в 40 или 80 МГц.
Если еще вчера технология DFS использовалась только в топовых wifi роутерах, то сегодня производители все чаще встраивают ее уже в относительно бюджетные модели, например TP-Link Archer AX50, который был у нас на обзоре. Так что при выборе маршрутизатора для дома или офиса обращайте внимание на наличие DFS в характеристиках. Особенно, если стоимость роутера исчисляется несколькими тысячами рублей.
Как включить compliance test на UBNT и отключить DFS
Dynamic Frequency Selection (DFS),
это технология позволяющая автоматически регулировать мощность передатчика и избегать интерференцию с радарами. Вроде как это должно идти на пользу Wi-Fi, но по факту идет на пользу радарам. По этому, в случае срабатывания DFS, радио отключает подключенных клиентов и начинает сканировать свободные частоты. Порой выбор новоый частоты может занять до 10 минут и все это время точка доступа будет недоступна.
Выписка из брошбюры CISCO
DFS Actions
DFS-enabled radios monitor the operating frequency for radar signals. If radar signals are detected on
the channel, the wireless device takes these steps:
• Blocks new transmissions on the channel.
• Flushes the power-save client queues.1
• Broadcasts an 802.11h channel-switch announcement.
• Disassociates remaining client devices.
• Randomly selects a different channel:
– If the wireless device does not select a DFS-required channel, it enables beacons and accepts
client associations.
– If the wireless device selects a DFS-required channel, it scans the new channel for radar signals
for 60 seconds. If there are no radar signals on the new channel, the wireless device enables
beacons and accepts client associations. If a radar signal is detected, the wireless device selects
a different channel.
If a preferred channel is configurable and available, it is selected first.
В антеннах ubiquity DFS включается взависиммости от выбранной страны. Страна выбирается при первоначальной настройке и ее нельзя потом поменять в настройках веб интерфейса.
Чтобы снять все ограничения по усилиленю передатчика и дективировать функцию DFS, в антеннах предусмотрен compliance test.
Если по каким либо причинам у вас появилась необходимость изменить конфигурацию на рабочей антенне, то не обязательно ехать на место, сбрасывать настройки и включать этот режим. К тому же после версии 5.6 (точную версию не назову) даже при первоначальной конфигурации этот режим выбрать нельзя.
Но есть вариант поменять страну на compliance test даже без перезагрузки и дисконнекта радио.
Имейте ввиду, что за чрезмерное усиление сигнала или отключение DFS могут наложить штраф на владельца антенны
Для включение compliance test нужно:
(проверенно на версии v6.1.2 (XW))
1) Зайти через SSH/telnet на радио (можно делать только на AP, на Station необязательно)
2) Включить compliance test коммандой enable_ct
3) Отредактировать файл в /tmp/system.cfg
В строках radio.countrycode и radio.1.countrycode поменять код на 511 (это код compliance test).
В редакторе VI можно вомпользоваться автозаменой — :%s/428/511/gc/ (в моем случае была Латвия, код был 428)
4) Сохранить командой save
5) Обновить веб интерфейс
Все, теперь на антенне появилась возможность без ограничений выбирать частоты и усиление.
Возможные коды можно посмотреть в файле /var/etc/ccodes.inc
Если не включить enable_ct а просто отредактировать конфиг файл, то в выборе страны не будет выбрано никакой странны, в том числе и compliance test.
Отмечу, что при всех этих изменениях DFS сам не отключится. Без передергивания Wireless интерфейса этого сделать нельзя, точно так же, как нельзя поменять частоту или усиление.
Введение
С выходом новых стандартов Wi-Fi, а также в связи со всеобщим распространением гаджетов, работающих в нелицензируемом диапазоне частот, пользователи все чаще обращают внимание на то, что качество Wi-Fi сетей ухудшается, несмотря на выходы новых «прорывных» спецификаций этого стандарта. Согласно статистике, во всем мире сегодня используется 6,4 миллиарда подключенных устройств. К 2020 году ожидается, что количество беспроводных устройств будет составлять в среднем 2.8 на одного человека. Но причина для создания так называемых «виртуальных пробок» в Wi-Fi сетях заключается не только в увеличивающемся количестве устройств, сами сети могут создавать проблемные ситуации в сети.
Кроме этого, ситуация усугубляется еще несколькими причинами. Во-первых, в каждом доме уже установлено большое количество беспроводных маршрутизаторов. Во-вторых, спрос на скорости передачи данных неуклонно растет, а это означает, что требуется увеличение полосы пропускания, и как следствие это ведет к тому, что каналов будет меньше, но с довольно широкими полосами. И третье, немаловажное – сотовые операторы «сбрасывают» трафик из мобильных сетей в Wi-Fi (Wi-Fi Offloading). К чему все это приведет? Можно провести аналогию с дорожным транспортом и представить, что все люди, которые ехали на поезде, внезапно начали передвигаться на личных автомобилях:
Вот так Wi-Fi стал жертвой собственного успеха, но давайте посмотрим, какие идеи есть у инженеров для того, чтобы улучшить сложившуюся ситуацию.
Ситуация в нелицензируемых диапазонах
Для использования технологией Wi-Fi пользователи должны соблюдать технические требования, предъявляемые частотными регуляторами, например, в виде ограничения мощности. Домашние Wi-Fi-сети в основном работают в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Считается, что диапазон 2,4 ГГц работает лучше всего: радиосигналы этого диапазона легко проникают сквозь стены, и сигналы обычно распространяются дальше по сравнению с 5-гигагерцовыми (при одинаковом уровне мощности).
В разных странах для использования разрешено различное количество каналов. Например, в Европе, как и в России, используется 13 каналов, а в Японии – 14, что позволяет им, кстати, использовать четыре неперекрывающихся канала, но об этом ниже. Информация по числу разрешенных каналов разных стран приведена на рисунке ниже.
В 2,4-гигагерцовой области радиочастот, выделенной для Wi-Fi, каждый канал может занимать ширину в 22 мегагерца, поэтому только некоторые из всех каналов могут использоваться одновременно, не мешая друг другу. Как правило, это 1, 6 и 11 каналы:
Поэтому, если вы видите в сети более трех маршрутизаторов с частотой 2,4 ГГц (а скорее всего это так, если вы не живете в сельской местности) то они однозначно создают друг другу помехи. Даже если вы не настраиваете работу своего оборудования целенаправленно на работу на неперекрывающихся каналах, то большая часть оборудования сама распределяется по спектру так, чтобы не мешать друг другу. Пример такого распределения устройств по спектру показан ниже (скрин из мобильной версии программы Wi-Fi Analuzer):
Если вы самостоятельно настраиваете работу устройства на другие доступные каналы (например, 4 или 9-й, как показано на рисунке), то есть большая вероятность еще больше ухудшить ситуацию, так как в этой случае ваше оборудование будет в равной степени получать помехи от оборудования на соседних каналах, так сказать «с двух сторон».
Сигналы в полосе 5 ГГц имеют более короткий диапазон распространения внутри помещений, но эта полоса (диапазон от 5,80 до 5,825 ГГц) имеет 24 неперекрывающих канала шириной 20 МГц в США. На пять меньше в Европе и Японии. Это довольно большое количество дополнительных каналов для беспроводной связи должно было решить проблему их занятости оборудованием. Но примерно половина этих каналов выделяется для первичного использования метеорологическим и военным радаром. Поэтому большинство потребительских маршрутизаторов не используют эти полосы.
Таким образом, в любом диапазоне мы имеем определенное количество каналов, которые не мешают друг другу. Поскольку все больше и больше беспроводных устройств получают доступ к сети, взаимные помехи становится нормой. В сети Wi-Fi, когда возникает коллизия во время передачи данных, все устройства затихают, а затем пытаются повторить передачу снова через некоторое время. Количество времени, на которое они «затихают», определяется экспоненциально увеличивающейся временной задержкой (называемой отсрочкой). С увеличением количества коллизий, время ожидания увеличивается, и Wi-Fi становится все более медленным и менее надежным.
Во многих регионах (особенно в мегаполисах) перегруженность доступных каналов достигла такого уровня, что она в значительной степени сделала непригодную полосу 2,4 ГГц для передачи данных с высокой скоростью. Зарубежный опыт таков, что некоторые провайдеры широкополосных услуг (например, AT&T, British Telecom, Comcast и др.) больше не используют 2,4 ГГц для передачи видео или голоса. Почти все производители смартфонов, включая Apple, больше не рекомендуют использовать свои смартфоны на частоте 2,4 ГГц. Последний и самый быстрый вариант Wi-Fi, IEEE 802.11ac, обеспечивает работу только в диапазоне 5 ГГц, хотя большинство оборудования Wi-Fi поддерживает обе полосы (но в основном для поддержки старых мобильных устройств).
К чему привел «переезд» в 5-гигагерцовый диапазон
Переезд Wi-Fi-коммуникаций с частот 2,4 ГГц в 5 ГГц на какое-то время решил проблему с перегрузкой каналов, но от этого пострадал радиус действия сетей, поэтому многие потребители обратились к простым решениям для увеличения зоны охвата (например, к различным усилителям и ретрансляторам). Популярны стали и mesh-сети, которые стали использовать для получения равномерного Wi-Fi покрытия во всех частях здания.
Ретрансляторы в этом случае помещаются в пределы работы маршрутизатора, прослушивают все диапазоны, а затем переизлучают полученные сигналы на более высоком уровне мощности, иногда на другом канале. Но это привело к тому, что теперь появилось еще больше сигналов Wi-Fi, перекрывающихся в одном частотном диапазоне.
С появлением общедоступных «хот-спотов» (концепцию которых впервые разработал в 2005 году поставщик Wi-Fi в Испании Fon Wireless) ситуация несколько ухудшилась, так как с тех пор и они стали все более распространены во всем мире. Зарубежные интернет-провайдеры (например, AT&T, Comcast и Verizon в США) быстро развертывают споты, доступные любому из абонентов.
Ситуация усугубляется еще и тем, что мобильные операторы связи исчерпали большую часть своего эксклюзивного спектра и планируют в течение следующих трех лет переносить передачи мобильных данных на 60% в нелицензионный спектр, используемый Wi-Fi. Технология для этого решения называется LTE-Unlicensed (LTE-U). Она использует 4G LTE-базовые станции для отправки и приема данных через те же 5-гигагерцовые частоты, что и Wi-Fi. Некоторые организации, такие как Cable Television Laboratories, Google и Microsoft, отмечают, что LTE-U будет в целом ухудшать работу Wi-Fi сетей. В США Verizon и T-Mobile начали пробные развертывания LTE-U, чтобы определить его влияние на Wi-Fi. Операторы в Европе и Азии также планируют подобные испытания.
Wi—Fi (IEEE 802.11ac) еще больше уменьшает количество доступных каналов
В 2013 году британское национальное телекоммуникационное агентство Ofcom опубликовало исследование, в котором прогнозировалось, что к 2020 году сети Wi-Fi и мобильные интернет-сети могут стать критически перегруженными.
Таим образом, разработчики и производители маршрутизаторов, которые работали над улучшением скоростей передачи беспроводных данных в течение последних 15 лет, хорошо решили вопросы обеспечения высоких скоростей, но игнорировали эти вопросы. В частности, они не обратили внимание на тот факт, что распространение 802.11ac, способное предлагать более широкие, но меньшие каналы, значительно ухудшит проблему их перегруженности.
DFS — решение сложившейся ситуации
Выше мы упомянули, что первые каналы спектра 5-ГГц производители беспроводных маршрутизаторов Wi-Fi не используют в связи с тем, что эти частоты отведены для радаров и военных целей. Открытие этих частот для потребителей может иметь огромное значение и временно решит проблему перегруженности каналов.
Этот дополнительный спектр был доступен для Wi-Fi-трафика в 2007 году. Регуляторы поняли, что радары и прочие системы, под которые занят диапазон, не находятся повсюду, а многие не работают в режиме 24/7. Таким образом, индустрия Wi-Fi могла бы перевести Wi-Fi-связь на эти частоты, пока устройства, использующие эти каналы, реализуют механизм под названием Dynamic Frequency Selection (DFS – динамический выбор частоты), чтобы не мешать радиолокационным сигналам.
DFS действует примерно так: когда он видит радиолокационный сигнал в одном из этих защищенных каналов, он быстро переносит весь трафик Wi-Fi на другую полосу. Маршрутизатор с DFS должен прослушивать весь спектр не менее 60 секунд, прежде чем объявлять канал свободным для использования, а затем продолжить прослушивание, пока на канале будет использоваться трафик Wi-Fi. Если механизм обнаруживает радиолокационный импульс, передатчик Wi-Fi должен очистить канал и оставить его на полчаса. Диапазон, в котором будет работать алгоритм DFS показан на рисунке ниже:
Подавляющее большинство мобильных устройств, появившихся за последние три или четыре года, имеют радиопередающие модули, которые могут работать в этих полосах частот, а программное обеспечение для ответа на инструкции от так называемого «мастера DFS» дописать не составит особого труда. Так что, внедрение DFS не такая большая проблема.
Не так давно был представлен пользовательский маршрутизатор с DFS под названием Portal, который включает в себя полнофункциональный радиосканер и центральный процессор, предназначенный для обнаружения радаров и управления каналами наряду со стандартным оборудованием маршрутизатора:
Согласно данным производителя Ignition Design Labs, маршрутизатор Portal обеспечивает доступ к радиоволнам на 300% больший, чем любой другой маршрутизатор. Это делает его идеальным решением для переполненных и зашумленных сред, страдающих от перегруженности из-за массы маршрутизаторов, конкурирующих за доступный диапазон.
Portal имеет два отдельных радиотракта, один из которых используется для обнаружения радиолокационных сигналов (DFS), а второй – для передачи данных в Wi-Fi-среде. Когда в канале обнаружен радиолокационный импульс, система переходит в открытую для всех часть спектра, не прерывая передачи данных. Благодаря двум отдельным радиотрактам, маршрутизатор может автоматически вернуться назад и перепроверить этот канал после 30-минутного требуемого периода ожидания, не закрывая текущие передачи.
Также Portal имеет отдельный CPU для работы с DFS, что позволяет свести к минимуму количество обнаружения ложных радиолокационных сигналов, и сокращает время, в течение которого Wi-Fi-трафик должен покинуть канал.
Заключение
До последнего времени в беспроводных сетях работали в основном над увеличением скорости передачи данных, и только недавно стали задумываться о доступном спектре, а точнее об «интеллектуальном» выборе каналов. Возможно, в будущем предложенная технология DFS будет собирать информацию не только о радарах, но и о любых видах помех, а также отправлять эту информацию на облачный сервер. Специалисты уже называют это сетевой самооптимизацией.
С помощью этой системы можно определить наилучшие каналы для использования Wi-Fi-устройствами в разных местах. Допустим, мы знаем, что в 8 часов вечера канал 100 становится очень перегруженным, затем мы можем перенести трафик одного пользователя на канал 132, а трафик соседнего на 154-й. Такая координация может оказать большое положительное влияние на качество Wi-Fi-коммуникаций. Крайне важно получить такую всеобъемлющую интеллектуальную систему для управления ресурсами Wi-Fi в мире до того как Wi-Fi станет настолько ненадежным, что станет непригодным для использования.
В более долгосрочной перспективе будут разработаны технологии для переноса трафика на другие типы сетей связи, которые несовместимы с текущими спецификациями Wi-Fi. В настоящее время рассматривается несколько частот для возможного перераспределения спектра, включая 5.9, 4.9 и 3.5 ГГц. Но этот процесс перераспределения спектра может занять годы. И все эти диапазоны сейчас используются для промышленных и военных целей, поэтому, если эти диапазоны будут одобрены, они также потребуют использования технологии DFS.
Динамический выбор частоты
Успешно сдайте бесплатный сертификационный экзамен в Академии «Инфинет» и получите статус сертифицированного инженера Инфинет.
Введение
Масштабирование и рост производительности беспроводных систем связи в частотном диапазоне 5 ГГц требовал увеличения числа разрешённых частотных каналов за счёт использования каналов, используемых для обмена данными с военными и метеорологическими радарами. Для снижения влияния систем БШПД на радары в требования протокола обмена данными были включены требования по обнаружению радаров и немедленного прекращения использования частот, на которых они работают.
Динамический выбор частоты и обнаружение радаров
Говоря о DFS, следует разделять механизмы динамического выбора частоты и обнаружения радаров:
Регуляторные требования
Требования регулирующих органов к эксплуатации беспроводных систем связи зависит от страны. Наиболее распространены требования к реализации динамического выбора частоты и обнаружения радаров в устройствах, сформированные федеральной комиссией по связи (FCC) и европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI).
Устройства Инфинет могут быть ограничены лицензией по набору частот, используемых в конфигурации, и наличию опции обнаружения радаров. Лицензия может быть выписана в соответствии с регулированием, применяемым на той или иной территории.
Принцип работы DFS
Алгоритм динамического выбора частоты состоит из следующих этапов:
Поясним алгоритм динамического выбора частоты на примере (см. видеоролик 1).
Сектор базовой станции (БС) и абонентская станция (АС) установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка динамического выбора частоты. После включения, БС начинает выполнять последовательное сканирование доступных частотных каналов, фиксируя в таблице DFS соответствие зафиксированного уровня сигнала. Таблица принимает следующий вид:
Смена центральной частоты приводит к разрыву беспроводного соединения. Устройство АС начинает перебирать список разрешённых частотных каналов, находясь в поиске устройства БС. После обнаружения БС, беспроводные устройства выполняют ассоциацию, устанавливая канал связи, после чего возобновляется обмен данными.
Принцип обнаружения радаров
Работа алгоритма обнаружения радаров может быть описана следующими этапами :
Поясним работу механизма обнаружения радаров на примере ( см. видеоролик 2 ).
БС и АС установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка механизма динамического выбора частоты с обнаружением радаров. На соседнем с БС здании установлен метеорологический радар, использующий частотный канал F3.
По аналогии с рассмотренным примером ( см. видеоролик 1 ), после включения БС сканирует доступные частотные каналы, формируя таблицу состояния эфира. Выполняя сканирование на частотном канале F3, БС детектирует работу системы радаров. Несмотря на том, что уровень сигнала в канале F3 ниже, чем в остальных каналах, он исключается из процесса принятия решения. Таким образом, обновлённая таблица выглядит следующим образом и БС устанавливает в качестве рабочей частоту F1:
Instant DFS
В устройствах Инфинет используется фирменная технология Instant DFS, позволяющая получать актуальную информацию о состоянии радиоэфира без разрыва связи.
Принцип работы Instant DFS
Принцип работы Instant DFS схож с рассмотренным алгоритмом работы DFS, но имеет следующие отличия :
Поясним работу фирменной технологии Instant DFS на примере (см. видеоролик 3):
Схемы использования Instant DFS
Поддержка Instant DFS в устройствах Инфинет
Поддержка фирменной технологии Instant DFS реализована в устройствах семейств InfiLINK 2×2 и InfiMAN 2×2, функционирующих в частотном диапазоне 5 ГГц, через установку дополнительного радиомодуля. О наличии второго радиомодуля можно судить по наличию строчной буквы «s» в названии устройства, например R5000-Mmxbs/5.300.2×500.2×16.
Среди устройств семейств InfiLINK XG и Vector 5 поддержка технологии Instant DFS реализована на всех устройствах, функционирующих в частотном диапазоне 5 ГГц.
