Как работает беспроводной интернет: Wi-Fi, 4G и 5G

Компьютеры и смартфоны работают с цифровыми данными — последовательностями битов. Чтобы передать их без кабеля, устройство кодирует информацию в радиосигнал и отправляет его через антенну. Принимающая антенна улавливает радиосигнал, а оборудование сети обрабатывает его и передаёт данные дальше.

В упрощённом виде процесс выглядит так:

Данные → радиосигнал → передача по воздуху → приём → данные.

Радиосигнал нужен только для беспроводного участка соединения. Например, при домашнем Wi-Fi смартфон обменивается информацией с роутером по радиоканалу, а роутер подключён к сети провайдера проводным соединением.

Wi-Fi обеспечивает беспроводное подключение устройства к локальной сети, а интернет связывает между собой множество сетей и устройств.

Когда смартфон открывает сайт через домашний Wi-Fi, он сначала передаёт запрос точке доступа. Обычно она встроена в роутер. Роутер получает данные и отправляет их дальше через соединение с провайдером. Ответ от сайта возвращается в обратном направлении: через сеть провайдера к роутеру, а затем по радиоканалу — на смартфон.

Получается такая последовательность:

Смартфон → Wi-Fi → роутер → интернет → роутер → Wi-Fi → смартфон.

Если у роутера пропадёт соединение с интернетом, смартфон может по-прежнему показывать, что подключён к Wi-Fi. Беспроводная связь с роутером сохранится, но сам роутер не сможет передавать данные дальше.

От чего зависит работа Wi-Fi

Частота сама по себе не определяет скорость — на неё также влияют ширина канала, стандарт Wi-Fi, возможности роутера и устройства, расстояние и помехи.

На более высоких частотах можно использовать широкие каналы, поэтому они позволяют передавать больше данных за единицу времени. При этом радиосигнал на высоких частотах обычно сильнее ослабевает при распространении и прохождении препятствий. Поэтому чем дальше устройство от роутера и чем больше между ними препятствий, тем слабее сигнал и ниже скорость соединения.

На сигнал влияют стены, перекрытия, металлические конструкции и другие препятствия. Насколько сильно они его ослабят, зависит от материала, толщины и конструкции. Помехи от других устройств, работающих в том же диапазоне, тоже могут ухудшать связь.

Они помогают расширить зону покрытия, но не гарантируют одинаковую скорость во всех точках.

Wi-Fi постоянно обновляется: новые стандарты позволяют передавать данные быстрее, подключать больше устройств и эффективнее использовать радиоканал. Поэтому два устройства с поддержкой разных поколений Wi-Fi могут работать с разной скоростью даже в одной сети.

Сейчас актуально поколение Wi-Fi 7, которое соответствует стандарту IEEE 802.11be. В нём появились, например, каналы шириной до 320 МГц и технология Multi-Link Operation, которая позволяет использовать несколько каналов одновременно.

Следующее поколение называют Wi-Fi 8. Его стандарт IEEE 802.11bn ещё разрабатывается: проект находится на стадии черновика D2.0.

В мобильной сети смартфон связывается по радиоканалу с базовой станцией оператора. Она принимает информацию от телефона и передаёт её в сеть оператора, а оттуда данные отправляются дальше.

Например, при открытии сайта на улице путь можно представить так:

Смартфон → базовая станция → сеть оператора → сервер сайта.

Ответ проходит в обратном направлении.

SIM-карта участвует в идентификации абонента и процедурах аутентификации в мобильной сети. Благодаря этому оператор может идентифицировать абонента и предоставить ему доступ к услугам связи.

Почему интернет не пропадает во время движения

Смартфон перемещается относительно базовых станций. Когда устройство переходит из одной зоны обслуживания в другую, сеть может передать соединение от одной станции к другой. Такой процесс называется handover, или передачей обслуживания.

Благодаря этому смартфон может продолжать пользоваться мобильной сетью, даже когда меняется обслуживающая его базовая станция.

По сравнению с 4G оно рассчитано на более высокую скорость, меньшую задержку и большое количество одновременно подключённых устройств.

LTE часто называют 4G, хотя формальным требованиям 4G соответствует более поздний стандарт LTE-Advanced. Для него теоретическая пиковая скорость загрузки достигает 3 Гбит/с.

У 5G теоретический максимум выше — до 20 Гбит/с на приём. Но это не значит, что смартфон будет постоянно скачивать данные с такой скоростью: реальная скорость зависит от частоты, расстояния до базовой станции, загрузки сети и возможностей устройства.

Ещё одно отличие 5G — возможность подключать больше устройств одновременно. Для сценариев массового подключения 5G рассчитан на плотность до 1 млн устройств на квадратный километр. Это важно для интернета вещей: датчиков, счётчиков и других устройств, которые постоянно обмениваются данными по сети.

Мобильная сеть может работать в разных диапазонах, и от выбранного диапазона зависят скорость связи и зона покрытия.

Низкие частоты позволяют передавать сигнал на большое расстояние и лучше проходят через стены. Поэтому их удобно использовать для покрытия больших территорий. Высокие частоты работают на меньшем расстоянии, зато позволяют передавать больше данных.

К самым высоким частотам, которые используют в некоторых сетях 5G, относятся миллиметровые волны. Это обычные радиоволны, только с очень высокой частотой: длина такой волны составляет от 1 до 10 мм. Они позволяют передавать данные с высокой скоростью, но хуже проходят через стены и другие препятствия. Поэтому их используют там, где нужно обеспечить очень быструю связь на небольшом расстоянии — например, в местах с высокой нагрузкой на сеть.

Из-за этого один и тот же смартфон может показывать 5G, но работать с разной скоростью в разных местах. Всё зависит от используемого диапазона, расстояния до базовой станции, препятствий и загрузки сети.

Даже при хорошем уровне сигнала интернет может работать медленно. Причина зависит от того, на каком участке соединения возникает проблема.

Слишком много устройств используют одну сеть. Когда к роутеру или базовой станции одновременно подключается много устройств, доступный ресурс распределяется между ними, и передача данных может замедлиться.

Сигнал плохо доходит до устройства. Чем больше расстояние до роутера или базовой станции и чем больше между ними препятствий, тем сильнее ослабевает радиосигнал. Из-за этого данные передаются медленнее.

Радиосигналы мешают друг другу. Если рядом работает много устройств на тех же или близких частотах, возникают помехи. Они ухудшают качество соединения и могут снижать скорость передачи данных.

Устройство не поддерживает возможности сети. Например, новый роутер поддерживает современный стандарт Wi-Fi, а старый смартфон — только часть его возможностей. В таком случае телефон не сможет использовать максимальную скорость сети.

Медленно работает сам сайт или сервер. Интернет-соединение может быть быстрым, но нужный сайт долго обрабатывает запрос или перегружен. Тогда страница будет загружаться медленно независимо от качества Wi-Fi или 5G.

Например, интернет может быть достаточно быстрым для загрузки видео, но при этом иметь высокую задержку. Тогда во время видеозвонка или онлайн-игры между действием пользователя и ответом сервера возникает заметная пауза.

Задержку часто измеряют с помощью ping. Он показывает, сколько времени занимает путь тестового запроса до узла и обратно. Чем меньше это время, тем быстрее устройство получает ответ.

На задержку влияет весь маршрут между устройством и сервером: Wi-Fi или мобильная сеть, сеть провайдера или оператора, промежуточное оборудование и расстояние до сервера.

Для защиты Wi-Fi используют протоколы безопасности WPA2 и WPA3. Они шифруют данные между устройством и точкой доступа. Например, когда смартфон отправляет пароль от сайта через домашний Wi-Fi, эта информация передаётся по радиоканалу в зашифрованном виде.

Поэтому для защиты данных важна ещё одна технология — HTTPS. Она шифрует соединение между устройством и сайтом. Если сайт использует HTTPS, передаваемые ему данные остаются зашифрованными даже при подключении через открытую Wi-Fi-сеть.

Проверить это можно в адресной строке браузера: адрес защищённого сайта начинается с https://. При работе с паролями, данными карты и другой личной информацией это особенно важно.

Получается, WPA2 и WPA3 защищают один участок пути — от устройства до точки доступа, а HTTPS — другой — от устройства до сайта.

5G использует радиоволны — тот же тип электромагнитного излучения, что и Wi-Fi, радио и другие беспроводные технологии. Сети 5G работают на разных частотах, в том числе на более высоких, чем некоторые предыдущие поколения мобильной связи.

Чем выше частота радиоволны, тем меньше глубина её проникновения в ткани. Поэтому радиоволны высоких частот в большей степени поглощаются у поверхности тела.

Воздействие радиоволн на здоровье продолжают изучать.

При этом исследований именно частот, используемых в 5G, пока меньше, чем исследований радиочастотного воздействия в целом.

Международные рекомендации устанавливают допустимые уровни воздействия радиочастот. Они распространяются и на диапазоны, которые используют сети 5G.

• Данные можно передавать без кабеля. Устройство превращает цифровые данные в радиосигнал, отправляет его через антенну, а принимающее оборудование преобразует сигнал обратно в данные.
• Wi-Fi и мобильный интернет работают по-разному. В Wi-Fi устройство подключается к точке доступа, обычно встроенной в роутер. В мобильной сети смартфон связывается с базовой станцией оператора.
• 5G — это не просто «более быстрый интернет». По сравнению с 4G оно рассчитано на более высокую скорость, меньшую задержку и большее количество одновременно подключённых устройств.
• Значок Wi-Fi или 5G не показывает реальную скорость. На неё влияют частота, ширина канала, стандарт связи, расстояние до роутера или базовой станции, препятствия, помехи, загрузка сети и возможности устройства.
• Скорость и задержка — разные характеристики. Скорость определяет, сколько данных можно передать за определённое время, а задержка — как быстро устройство получает ответ от сервера.