Почему роутер AX3000 не дает 3000 Мбит/с, а BE9300 не дает 9300: как на самом деле считается скорость Wi-Fi

Затем из скорости соединения вычитаются служебный обмен Wi-Fi, подтверждения кадров, интервалы ожидания, конкуренция за эфир и потери при повторной передаче. На Wi-Fi 7 к этому добавились каналы 320 МГц, 4096-QAM и MLO, поэтому цифры на коробках выросли до 10, 20 и даже 30 Гбит/с, хотя типичный ноутбук по-прежнему имеет радиомодуль 2x2. Разобраться в этих цифрах можно без лаборатории: достаточно знать ширину канала, число пространственных потоков, MCS и то, к какому именно диапазону подключен клиент.

AX3000 и BE9300 складывают скорости разных диапазонов, хотя ноутбук видит только часть этой суммы

Обозначение AX3000 выглядит как характеристика одного соединения, но обычно это сумма нескольких независимых радиоинтерфейсов. Хороший реальный пример дает TP-Link Archer AX3000. Производитель заявляет 2402 Мбит/с в диапазоне 5 ГГц и 574 Мбит/с на 2,4 ГГц. Сумма составляет 2976 Мбит/с, которую для класса устройства округляют до AX3000. Но ноутбук с одним двухдиапазонным Wi-Fi адаптером не получает одновременно канал 2402 Мбит/с на 5 ГГц и еще 574 Мбит/с на 2,4 ГГц. В обычном режиме он выбирает один диапазон, поэтому максимум конкретного соединения в такой конфигурации составляет 2402 Мбит/с, причем только при поддержке клиентом 2x2, канала 160 МГц и максимальной модуляции Wi-Fi 6. Именно так расписана скорость у Archer AX3000 в официальной спецификации TP-Link: 2402 Мбит/с плюс 574 Мбит/с.

С Wi-Fi 7 числа стали еще сильнее отличаться от скорости одного устройства. TP-Link Archer BE550 относится к классу BE9300, однако производитель отдельно указывает 5760 Мбит/с на 6 ГГц, 2880 Мбит/с на 5 ГГц и 574 Мбит/с на 2,4 ГГц. В сумме получается 9214 Мбит/с. При этом роутер использует 2x2 MU-MIMO, то есть один типичный двухпоточный клиент получает не 9,2 Гбит/с из одного диапазона, а максимум, соответствующий конкретному радиолинку. Самый быстрый из них здесь находится на 6 ГГц и использует канал 320 МГц. На 5 ГГц тот же роутер ограничен примерно 2,88 Гбит/с PHY, а старое или недорогое устройство на 2,4 ГГц может вообще оставаться в пределах нескольких сотен мегабит. Цифра BE9300 описывает совокупную радиоемкость роутера, а не гарантированную скорость одного ноутбука.

Фото: Pascal

Еще интереснее ASUS RT-BE92U. В его спецификации класс BE9700 складывается из 5764 Мбит/с на 6 ГГц, 2882 Мбит/с на 5 ГГц и 1032 Мбит/с на 2,4 ГГц. При этом радиочасть роутера не одинакова во всех диапазонах: 6 и 5 ГГц работают как 2x2, а 2,4 ГГц как 3x3. Поэтому даже внутри одного корпуса суммируются соединения с разным числом потоков и разной шириной канала. Рядом можно поставить ноутбук Intel Wi-Fi 7 BE200, который тоже поддерживает 2x2, 320 МГц и 4096-QAM. Intel для него заявляет максимум 5,8 Гбит/с. Это почти ровно максимальная PHY-скорость одного 6-гигагерцевого линка современного двухпоточного Wi-Fi 7, но далеко не 9,7 Гбит/с, написанных в классе роутера.

У трехдиапазонных и четырехдиапазонных моделей суммирование особенно заметно. Производитель может установить отдельные радиомодули для 2,4, 5 и 6 ГГц, а в дорогой Mesh-системе добавить еще один радиомодуль 5 или 6 ГГц для связи между узлами. Тогда на коробке появляются десятки гигабит суммарной PHY-скорости. Такие цифры имеют смысл, если к точке доступа одновременно подключено много клиентов и каждый использует свою часть радиоресурса. Один телевизор может работать на 5 ГГц, ноутбук на 6 ГГц, смартфон передавать данные в соседнем диапазоне, а отдельный радиоканал обслуживать беспроводной backhaul Mesh. Суммарная производительность всей точки доступа действительно способна быть намного выше производительности одного клиента. Проблема начинается, когда число из названия воспринимают как результат, который должен показать Speedtest на одном телефоне.

Обозначения AC, AX и BE также нельзя напрямую сравнивать только по последующей цифре. AC относится к семейству Wi-Fi 5, AX к Wi-Fi 6/6E, BE к Wi-Fi 7. Один роутер AC5400 может иметь много пространственных потоков и три диапазона, а современный AX3000 состоять из двух более быстрых 2x2 радиолинков. В конкретном ноутбуке AX3000 иногда окажется быстрее старого AC5400, хотя число на коробке почти вдвое меньше. Для одного клиента важнее не сумма радиомодулей точки доступа, а пересечение возможностей точки доступа и клиента: поколение стандарта, число потоков, ширина канала и поддерживаемая модуляция.

Откуда берутся 574, 1201, 2402 и 5764 Мбит/с и почему число антенн почти ничего не объясняет

Скорость PHY формируется из вполне конкретных параметров. Сначала выбирается ширина радиоканала. Wi-Fi 6 поддерживает 20, 40, 80 и 160 МГц, Wi-Fi 7 добавляет 320 МГц. Затем учитывается число пространственных потоков, модуляция и кодирование, длина защитного интервала и другие параметры физического уровня. Поэтому один и тот же стандарт может показывать совершенно разные скорости соединения. Wi-Fi 6 при канале 80 МГц и двух пространственных потоках дает максимум около 1201 Мбит/с. Если увеличить ширину до 160 МГц, получаются примерно 2402 Мбит/с. Убрать один поток и оставить 160 МГц, получится около 1201 Мбит/с. Это одна из причин, по которой надпись Wi-Fi 6 в характеристиках ноутбука сама по себе почти бесполезна без данных 1x1 или 2x2 и 80/160 МГц.

Intel Wi-Fi 6 AX200 и AX201 дают удобный практический ориентир. Оба адаптера работают в конфигурации 2x2, поддерживают каналы 160 МГц и имеют заявленную максимальную скорость 2,4 Гбит/с. У Wi-Fi 6E AX210 максимальная PHY-скорость остается той же: 2,4 Гбит/с, хотя появляется диапазон 6 ГГц. Wi-Fi 6E не увеличил самую широкую полосу канала сверх 160 МГц и не заменил 1024-QAM новой модуляцией. Его ключевое отличие от обычного Wi-Fi 6 заключается в доступе к 6 ГГц там, где это разрешено регуляторными требованиями и поддерживается оборудованием. Поэтому AX210 на 6 ГГц не становится автоматически вдвое быстрее AX200 на чистом канале 5 ГГц с теми же 160 МГц и 2x2.

В Wi-Fi 7 максимальная ширина увеличилась с 160 до 320 МГц, а максимальная модуляция выросла с 1024-QAM до 4096-QAM. В 1024-QAM один символ может кодировать 10 бит, потому что используется 1024 возможных состояния. 4096-QAM дает 12 бит на символ. Отсюда часто встречающаяся цифра «на 20% больше данных» при сравнении 4096-QAM и 1024-QAM: 12 бит против 10 при прочих равных. Однако основной скачок максимальной скорости Wi-Fi 7 дает не одна 4K-QAM, а сочетание 320-МГц канала, более плотной модуляции и новых режимов работы. Intel для двухпоточного BE200 указывает 5,8 Гбит/с при 320 МГц и 4096-QAM, тогда как AX200 с 160 МГц и Wi-Fi 6 ограничен 2,4 Гбит/с.

Фото: Irvine/NIST

Число антенн на корпусе роутера не равно числу потоков одного клиента. Четыре, шесть или восемь внешних штырей могут обслуживать несколько диапазонов, использоваться для разных пространственных цепей, обеспечивать diversity или быть частью сложной антенной системы. У ASUS RT-BE92U четыре внешние антенны, при этом производитель указывает 2x2 на 5 и 6 ГГц и 3x3 на 2,4 ГГц. TP-Link Archer BE550 вообще использует шесть внутренних антенн, но радиоконфигурация указана как 2x2 MU-MIMO. Поэтому формула «четыре антенны значит 4x4» не работает. Для определения максимальной скорости нужно искать именно количество spatial streams или конфигурацию transmit/receive, например 2x2 или 4x4.

У клиента ситуация еще жестче. Большинство современных ноутбуков и смартфонов используют 2x2, некоторые бюджетные устройства 1x1. Поэтому покупка роутера с 4x4 или 8x8 не превращает двухпоточный ноутбук в четырех- или восьмипоточный. Дополнительные цепи точки доступа полезны при работе с несколькими устройствами, для MU-MIMO и в других многопользовательских сценариях, но один клиент берет столько пространственных потоков, сколько поддерживает сам. Если ноутбук 2x2 подключить к четырехпоточному роутеру Wi-Fi 6 при 80 МГц, его максимум остается около 1201 Мбит/с, а не удваивается до 2402 только из-за более дорогой точки доступа.

Модуляция тоже не является постоянной характеристикой соединения. Значения 1024-QAM и 4096-QAM используются только при достаточно хорошем отношении сигнал/шум. По мере ослабления сигнала Wi-Fi снижает MCS и переходит на более устойчивое кодирование и менее плотную модуляцию. Поэтому связь на расстоянии продолжает работать, но PHY rate падает ступенями. Ноутбук рядом с роутером может показывать 2402 Мбит/с, за двумя стенами 1201, 864, 576 или меньше. Радиосистема не пытается любой ценой удерживать максимальный MCS: ошибки и повторные передачи сделали бы такой режим медленнее более консервативного.

Почему соединение 2402 Мбит/с не дает 300 МБ/с при копировании файла

Число, которое Windows или утилита адаптера показывает как скорость соединения, относится к PHY rate. Это скорость передачи кодированных данных физического уровня в выбранном радиорежиме. Полезная скорость приложения ниже уже в идеальной лабораторной сети, потому что Wi-Fi передает не один непрерывный пользовательский файл. В эфир уходят MAC-заголовки, PHY-преамбулы, служебные кадры и подтверждения. Передатчик должен получить доступ к общей среде, иногда ждать свободного эфира, делать паузу между операциями, агрегировать кадры и при ошибке повторять передачу. Затем поверх Wi-Fi работают IP, TCP или UDP и конкретный прикладной протокол, например SMB.

Cisco в своей инструкции по тестированию Wi-Fi 6, 6E и Wi-Fi 7 приводит очень полезный ориентир: для максимального MCS компания использует оценку около 65% MAC efficiency. Для двухпоточного клиента Wi-Fi 6 при максимальном режиме Cisco приводит достижимую производительность порядка 1,5 Гбит/с при соответствующем радиоканале, тогда как PHY может быть значительно выше. Это не универсальная константа для любого роутера и любого теста, но хорошо показывает масштаб разницы между link rate и полезным трафиком. В реальной квартире коэффициент дополнительно меняют помехи, соседние точки доступа, расстояние и число клиентов. Подробную методику Cisco публикует в документе по измерению throughput Wi-Fi 6/6E и Wi-Fi 7.

Для соединения 2402 Мбит/с нельзя даже просто поделить значение на восемь и ждать около 300 МБ/с в проводнике Windows. Деление дает теоретические 300,25 МБ/с еще до учета всех накладных расходов. Если на прикладном уровне остается около 60-70% PHY, речь идет примерно о 180-210 МБ/с в хороших условиях. Реальный результат может быть выше или ниже в зависимости от реализации, агрегации кадров, драйвера и направления передачи. Если тот же ноутбук подключен на 1201 Мбит/с, цифра около 100 МБ/с при передаче большого файла уже не выглядит странной. Сравнивать 2402 Мбит/с из окна состояния Wi-Fi с 200 МБ/с в SMB без учета единиц и протокольных расходов некорректно.

Есть еще один фундаментальный расход: Wi-Fi является общей радиосредой. У классического проводного Ethernet коммутатор может одновременно обслуживать несколько независимых полнодуплексных соединений. На одном радиоканале Wi-Fi устройства делят эфир. Клиент передает, затем доступ получает точка доступа или другое устройство. Современные механизмы OFDMA и MU-MIMO позволяют эффективнее распределять ресурс между пользователями, но не превращают один радиоканал в набор полностью независимых Ethernet-кабелей. Если в тот же момент соседний ноутбук качает резервную копию, телевизор принимает поток, а смартфон отправляет данные в облако, они используют общий airtime.

Соседские сети тоже расходуют этот ресурс, даже если подключены к другому роутеру. В 2,4 ГГц проблема особенно заметна из-за малого числа неперекрывающихся 20-МГц каналов. При ширине 40 МГц ситуация становится еще теснее. В 5 ГГц доступного спектра больше, поэтому 80 МГц обычно практичнее, но 160-МГц канал занимает большой участок диапазона. Чем шире канал, тем выше потенциальная скорость и тем выше вероятность встретить чужую передачу или ограничения DFS на части частот. 6 ГГц дает значительно больше свободного спектра в регионах, где диапазон доступен Wi-Fi, и именно поэтому 320 МГц практически связан прежде всего с этим диапазоном.

Фото: USA-Reiseblogger

К проводной части роутера применима отдельная проверка. AX3000 долгое время часто комплектовали гигабитными Ethernet-портами. В такой модели даже идеальное беспроводное соединение на 2402 Мбит/с не позволит одному клиенту скачать данные из проводной локальной сети быстрее предела 1GbE, если сервер подключен к гигабитному LAN. После накладных расходов TCP/IP и Ethernet практический потолок гигабитной линии обычно находится около 940 Мбит/с. Именно поэтому современные Wi-Fi 7 роутеры получили 2.5GbE, 5GbE и 10GbE. У Archer BE550, например, пять портов по 2,5 Гбит/с. Без Multi-Gigabit Ethernet быстрый Wi-Fi упирался бы в проводной интерфейс еще до достижения возможностей радиочасти.

То же относится к интернет-тарифу. Роутер AX3000 не ускоряет подключение провайдера 500 Мбит/с до 3 Гбит/с. Проверять производительность Wi-Fi через обычный Speedtest имеет смысл лишь тогда, когда интернет-канал гарантированно быстрее исследуемой беспроводной связи. Для AX3000 с гигабитным WAN Speedtest физически не покажет 1,5-2 Гбит/с даже рядом с роутером. При оценке самой беспроводной сети точнее использовать локальный сервер по 2.5/5/10GbE и iperf3 либо копирование большого файла с быстрого SSD/NAS, если известно, что накопитель и сеть сервера не являются ограничением.

Почему 160 и 320 МГц, 4096-QAM и мощные антенны перестают давать рекордные цифры уже через несколько стен

Удвоение ширины канала приблизительно удваивает максимальную PHY-скорость при остальных одинаковых параметрах, поэтому переход с 80 на 160 МГц сделал возможными 2402 Мбит/с на двухпоточном Wi-Fi 6, а 320 МГц стал одной из причин появления 5,8 Гбит/с на двухпоточном Wi-Fi 7. Однако широкий канал требует большого непрерывного участка спектра и хороших радиоусловий. В загруженном диапазоне узкий 80-МГц канал иногда дает более стабильную полезную скорость, чем 160 МГц, который пересекается с несколькими активными сетями и постоянно делит эфир. Поэтому автоматический режим роутера не всегда выбирает максимальную ширину, а ручная установка 160 МГц не гарантирует ускорение.

С 4096-QAM зависимость от качества сигнала еще жестче. Чтобы надежно различать 4096 состояний сигнала, приемнику требуется более высокое отношение сигнал/шум, чем для 1024-QAM, 256-QAM или QPSK. Поэтому рекламные 4K-QAM и максимальный MCS являются режимами для хороших условий, а не характеристикой, которая остается неизменной по всей квартире. Пользователь может купить Wi-Fi 7 роутер, увидеть 5,7 Гбит/с PHY рядом с ним, отойти в соседнюю комнату и получить заметно меньшую скорость без какой-либо неисправности. Радиосистема выбрала более устойчивый MCS, потому что это дает меньше ошибок и выше итоговый throughput.

Диапазон тоже влияет на результат. При прочих равных более высокая частота обычно сильнее затухает при прохождении препятствий, но реальная квартира сложнее одной формулы. Материал стены, арматура, двери, мебель, отражения и расположение антенн способны полностью поменять картину. Железобетонная стена может оказаться серьезнее нескольких перегородок из гипсокартона. Радиатор, металлический шкаф или зеркало меняют многолучевое распространение. Поэтому сравнивать покрытие 2,4, 5 и 6 ГГц только по расстоянию нельзя. На практике 2,4 ГГц сохраняет ценность именно там, где нужна дальность и небольшая скорость для IoT, тогда как 5 и 6 ГГц используют для клиентов, которым нужен большой throughput.

Антенна тоже не создает дополнительную мощность. Коэффициент усиления измеряется в dBi и показывает перераспределение энергии по направлениям относительно эталонного изотропного излучателя. Антенна с большим усилением формирует более выраженную диаграмму направленности: в одних направлениях сигнал становится сильнее, в других слабее. Именно поэтому замена штатной всенаправленной антенны на очень длинную не обязана улучшить связь во всей квартире. Особенно легко получить обратный эффект в двухэтажном доме, когда антенна сильнее концентрирует излучение в горизонтальной плоскости.

Фото: LordOider

Beamforming тоже часто описывают слишком буквально как «роутер направляет луч прямо в смартфон». В реальной многoантенной системе передатчик изменяет параметры сигнала разных антенных цепей так, чтобы использовать особенности распространения и увеличить качество приема у клиента. Это не радиолуч в геометрическом смысле. Beamforming помогает получить более высокий SNR в подходящих условиях и тем самым дольше удерживать высокий MCS, но не пробивает железобетон независимо от законов распространения радиоволн.

Есть еще один предел, который не исправляется более мощным роутером: обратный канал. Точка доступа и клиент должны слышать друг друга. Если увеличить только передающую способность роутера, смартфон может прекрасно видеть сеть, но его собственный маломощный передатчик уже не обеспечивает стабильный uplink. Именно поэтому идея поставить маршрутизатор с огромным числом мощных антенн в одном углу большого дома часто хуже двух правильно расположенных точек доступа с умеренной мощностью. Для Wi-Fi важна двусторонняя связь.

В Mesh-сетях появляется дополнительный расход радиоресурса. Если узлы соединены беспроводным backhaul и передают клиентский трафик через тот же радиоинтерфейс, каждый пакет приходится сначала принять, затем передать дальше. Современные трехдиапазонные Mesh-системы могут иметь отдельный диапазон для межузловой связи или использовать MLO, но физический канал все равно имеет конечную пропускную способность. Проводной Ethernet backhaul снимает этот класс ограничений и часто дает больший эффект, чем замена Wi-Fi 6 Mesh на более дорогую систему следующего поколения при сохранении плохого расположения узлов.

OFDMA, MU-MIMO и MLO полезны в разных задачах, поэтому их нельзя складывать в еще один множитель скорости

OFDMA появился в Wi-Fi 6 как один из механизмов повышения эффективности общей радиосреды. В старых режимах точка доступа могла отдавать клиенту сравнительно крупный временной участок канала даже тогда, когда тому требовалось передать небольшой пакет. OFDMA делит канал на Resource Units и позволяет обслуживать несколько клиентов внутри одного временного интервала. Смысл особенно заметен не в одиночном Speedtest, а в сети с множеством одновременно активных устройств, где часть клиентов передает небольшие порции данных. Поэтому включение OFDMA не обязано увеличить скорость одного ноутбука с 900 до 1500 Мбит/с. Иногда однопользовательский тест почти не меняется, хотя сеть под смешанной нагрузкой работает эффективнее.

MU-MIMO решает родственную, но другую задачу. Несколько пространственных потоков точки доступа можно использовать для параллельной связи с несколькими совместимыми клиентами. При этом рекламная характеристика 4x4 или 8x8 снова не означает, что один смартфон получит все потоки. Устройство 2x2 остается двухпоточным. Польза дополнительной пространственной емкости появляется, когда несколько клиентов можно обслуживать параллельно и радиоусловия позволяют системе реально использовать такой режим.

BSS Coloring в Wi-Fi 6 работает с проблемой соседних сетей. Кадры получают идентификатор «цвета» BSS, благодаря чему устройство может отличать передачу собственной сети от чужой. При подходящих условиях это позволяет более эффективно повторно использовать эфир, а не считать любую обнаруженную передачу одинаково мешающей. Но BSS Coloring не создает новые мегагерцы спектра и не отменяет сильную интерференцию. Если соседняя точка физически создает высокий уровень сигнала на том же канале, один новый идентификатор не превращит эфир в два независимых канала.

Wi-Fi 7 добавил Multi-Link Operation. Это уже принципиально интереснее для одного клиента: совместимые устройства могут использовать несколько радиолинков между одной точкой доступа и клиентом. В зависимости от реализации MLO способен повышать throughput, снижать задержку или повышать надежность за счет работы с несколькими диапазонами. Но MLO не означает автоматическое сложение всех цифр на коробке роутера. Конкретный клиент должен поддерживать MLO, определенные диапазоны и соответствующую аппаратную конфигурацию. Intel указывает для двухпоточных Wi-Fi 7 решений максимум около 5,8 Гбит/с, а также отдельно связывает Wi-Fi 7 с 320 МГц, 4096-QAM и Multi-Link Operation. Intel подробно описывает эти возможности Wi-Fi 7, одновременно приводя для 2x2 клиента теоретические 5,76 Гбит/с при 320 МГц и 4096-QAM.

Еще одна функция Wi-Fi 7, Multi-RU, позволяет гибче выделять одному клиенту несколько Resource Units. Preamble puncturing решает близкую практическую проблему широких каналов: если часть широкого диапазона занята помехой, система может исключить проблемный участок вместо отказа от всего канала. Именно такие механизмы иногда дают в реальной загруженной сети больший выигрыш, чем увеличение максимальной QAM. Пользователь смотрит на коробку и видит 4096-QAM, но стабильность в многоквартирном доме может сильнее зависеть от того, насколько хорошо точка доступа работает с занятым спектром.

Маркировка Wi-Fi 7 при этом тоже не гарантирует полный набор максимальных режимов. Intel Wi-Fi 7 BE202, например, имеет два пространственных потока, но ограничен каналом 160 МГц и 1024-QAM, поэтому Intel заявляет максимум 2,4 Гбит/с. Это практически уровень максимальной PHY-скорости хорошего двухпоточного Wi-Fi 6/6E адаптера, хотя устройство относится уже к Wi-Fi 7. В той же линейке BE200 поддерживает 320 МГц и 4096-QAM и заявлен на 5,8 Гбит/с. Поколение стандарта описывает набор технологий, а не фиксированную скорость каждого чипа.

Подобная ситуация уже была с Wi-Fi 6. Intel AX101 имеет один пространственный поток и заявленный максимум 600 Мбит/с, AX203 с двумя потоками дает до 1,2 Гбит/с, а AX200/AX201 с 2x2 и 160 МГц доходят до 2,4 Гбит/с. Все они относятся к Wi-Fi 6. Поэтому фильтр магазина «Wi-Fi 6» объединяет устройства, максимальные PHY-скорости которых различаются в четыре раза. У Wi-Fi 7 разброс становится еще больше из-за необязательности максимальной ширины 320 МГц и различий в поддержке MLO.