Wi-CAT LLC
Wireless Comprehensive Advanced Technology. Build your network now.
Зло как оно есть (STB over WiFI)
Эта маленькая заметка уже просто крик души.
Дорогие операторы связи, пользователи и интеграторы. Ни для кого не секрет, что произошло за последние годы с эфиром в 2.4ГГц. Сейчас аналогичный процесс идёт в 5ГГц диапазоне. 5ГГц диапазон, хоть и шире, но чтобы добиться максимальных рэйтов, нужно использовать широкие (80МГц и выше) полосы. Т.е. в итоге в 5ГГц у нас, как и в 2.4ГГц (при 20МГц полосы), доступны только 2 участка спектра без пересечений.
Т.е. с точки зрения инсталляции забьёте вы его так же быстро, как и 2.4. Лишь эффект будет не так выражен, просто за счёт гораздо более существенного затухания.
Запомните правило. Все стационарные клиенты (TV/STB/PC/etc, всё что пользователь не носит с собой) должны быть подключены исключительно кабелем (Ethernet/PLC/etc), никаких Wi-Fi! И это факт.
Тяга навесить всё на WiFi неизбежно приводит к ситуации, когда на WiFi, например, оказывается 4К телевизор или STB. И всё время, пока один пользователь смотрит свой фильм, все ближайшие соседи вынуждены отдыхать. И хорошо, если оборудование соседей настроено правильно и за счёт механизма CCA (проверка доступности среды передачи) мы не получим интерференцию, а вместо этого эфирное время абы как поделится.
На практике это не так. Ваши же (в основном отличились ISP) вредные советы на тему выбора “свободного канала” всякими inSSIDer-ами приводят к тому, что CCA по сути никогда не будет работать, а эфир утонет в интерференции. Т.е. нормальная передача и достижение высших рэйтов будут невозможны по определению.
Это теория. Теперь практика. Сейчас 5ГГц более-менее свободен. И вот Васе провайдер ставит 4K STB (ну или Вася покупает 4K ТВ, или Вася качок и гоняет круглые сутки торренты)… И тут начинается самое интересное. Провод? Да нет же, у Васи ремонт. И всё радостно вешается на WiFi. В итоге Вася выбрал всю полосу в первом поддиапазоне (36-48 канал), ему же нужны максимальные скорости (те же 4к рипы нередко 160Мбит), при этом роутер в коридоре, а Вася на другой стороне квартиры с ТВ (или ещё с чем). Т.е. рэйт колеблется в 263Мбит, при этом утилизация полосы 100%.
И тут вы заходите к его соседу Пете, заводите кабель. История повторяется. И вы (ну если очень повезло и все клиенты Пети умеют работать во втором 52-64 поддиапазоне) садите туда Петю. И вот уже оба поддиапазона с точки зрения CCA заняты. А больше ёмкости нет… Выше 64го канала уже редкие клиенты умеют работать.
Появляется новый абонент Галя (ну чтобы так грозно). Галя – любитель 4к собачек рассматривать. И конечно у неё ровно та же история. Супер ремонт, кабели не проложены и т.д. И вот “умный монтажник” ставит всё то же самое и радостно выбирает по инсайдеру “свободный канал”. При этом, обоих соседей слышно с уровнями >-75. Это гарантированно добивает эфир. Выставь он тот же канал, что у Пети или Васи, работал бы CCA, и устройства бы старались не мешать друг другу и не орать совместно, т.е. у обоих бы упала скорость, но работа была бы стабильной. При этом, монтажник уходит, т.к. всё вроде работает.
А вечером приходят соседи и все втроём радостно решают посмотреть что-нибудь эдакое, да с битрейтом побольше. И вдруг выясняется, что у Пети и Гали вместо суперкачества сплошные квадраты, и даже вконтактик на купленном в кредит яблофоне тормозит.
Галя набирается мужества, подпитанного злостью, и звонит в ТП. ТП опять рекомендует выбрать какой-нибудь свободный канал, или сама выбирает, используя только сканер на AP (что вообще не очень разумно), и Галя уходит во второй поддиапазон. А там Вася вовсю тянет торренты. В итоге скорость закачки у Васи проваливается в хлам. А у Гали лучше не становится.
И теперь уже все втроём названивают в ТП и крутят каналы. Результатом чего являются гневные маты в сторону провайдера, роутера и т.д. Пользователю невдомёк, что причина сего в физике процесса. В используемых подходах доступа к среде передачи данных в wifi, в отсутствии в wifi схемы с синхронизацией передачи, в непредсказуемости поведения соседей, которые, начитавших рекомендаций в интернете, крутят каналы и прочее.
В итоге всё закончится как и в 2.4ГГц, только гораздо быстрее. Т.к. переход от 2.4ГГц (который абы как шевелится) обусловлен зачастую попыткой найти палочку-выручалочку, чтобы не тянуть кабель.
Увы, WiFi такой палочкой не является. И если сейчас проблемы наблюдаются редко, то с началом радостной экспансии проводных ISP в 5ГГц диапазон, на стороне пользователя неизбежно возникнут проблемы. И коснётся это всех, кроме людей, живущих в частном секторе.
Ведь совсем не сложно описанное выше масштабировать на типовой картонно-бетонный муравейник.
Проблема взаимного влияния пользователей и их оборудования, возможно, решится с массовым приходом 60ГГц (802.11ad, 802.11ay), в котором просто в силу физических причин сигнал существенно затухает даже в тонком листе бумаги. Но это не решит проблемы использования радиоканала как замены кабеля в помещении.
А что же делать? Ну, например, использовать PLC (связь по электропроводке). Использовать плинтуса, которые сегодня поголовно идут с кабель-каналом и максимально дёшевы.
Есть правило, гласящее, что все стационарные клиенты должны быть подключены проводом. ТВ, STB, и прочие. Чем меньше вы навесите на WiFI – тем меньше в итоге получите проблем (пользователи с сервисом, операторы с ТП).
Используйте PLC, тяните кабель. Если уж надо wifi – размещайте оборудование там, где будут основные потребители в той или иной квартире. Объясняйте пользователям о потенциальных проблемах. Рассказывайте, что чем меньше они сами же нагружают эфир – тем меньше шансов через какое-то время получить проблемы.
Пользователям же рекомендую перестать слушать “умных монтажников” и пытаться навешивать всё на Wi-Fi. А при ремонте предусмотреть LAN розетки и разводку проводного сегмента так, чтобы не возникало необходимости вешать стационарные устройства и устройства, генерирующие очень много трафика исключительно на WiFi.
Такова природа радиосвязи, и это нужно учитывать.
P.S. О наболевшем, после очередного созерцания мучений пользователя, где ситуация с Петей, Васей и Галей уже случилась. Т.е. по мотивам реальных событий.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Методы увеличения производительности в беспроводных сетях Wi-Fi, часть первая: Bursting, Compression, Fast Frames, Concatenation
Практически во всех выпускаемых ныне беспроводных адаптерах стандарта 802.11g можно встретить суффиксы «super G», «turbo», «plus» и т.д. Причем суффиксами дело обычно не ограничиваются. Производители (точнее их маркетологи) красочно рисуют на коробках цифры 108, а некоторые — аж 125 Мбит/сек.
125 — звучит заманчиво. Неужели беспроводные адаптеры работают быстрее старого доброго Fast Ethernet по проводам? Может ну их… в баню, эти «древние» Fast Ethernet адаптеры? Выкидываем надоевшие кабели и да здравствует радиоезернет? 🙂
Но, как говорится, семь раз отмерь, один — отрежь. Что в нашем случае означает, что не мешало бы поподробнее узнать, что же это за такие загадочные технологии, как они работают и какие на самом деле скорости обеспечивают (и самое главное — при каких условиях). Другими словами, не забываем анекдот про физиков и из сферических коней в вакууме. А так же делаем скидку маркетологам на то, что для них важнее всего — продать решения своей компании.
Различных вариантов «разгона» стандартного 802.11g существует довольно много. Точнее — у каждого производителя чипов оно свое (по крайней мере — называется по-разному). К сожалению, не все производители объясняют, что именно представляют из себя их технологии. Информацию по технологиям мне удалось найти лишь у компании Atheros и Texas Instruments. Но наиболее информативный ресурс оказался у Atheros — у них даже есть отдельный сайт, посвященный их технологиям Super G и Super AG.
Собственно, бОльшая часть статьи — это компиляция информации с сайтов Atheros и Texas Instruments и по мелочи — из других источников.
Переходим непосредственно к технологиям.
Для начала посмотрим на «чистый» 802.11g. Максимальная пропускная способность в этом режиме — 54 Мбит/сек. Думаю, большинство читателей знает, как перевести мегабиты в мегабайты? Правильно — делим мегабиты на восемь и получаем скорость 6.75 Мбайт/сек.
Но внимательные читатели (кто смотрит в статьях не только предисловие и выводы, а иногда пробегается, хотя бы одним глазом, по диаграммам замера скоростей) знают, что в обычном 802.11g режиме скоростей более
25 Мбит мы не получали. Так это же только половина от 54 Мбит! Куда делась вторая половина? Куда — это тема отдельной статьи, отмечу лишь, что на пользовательские данные действительно приходится примерно половина (в лучшем случае) пропускной способности канала.
Это первая плохая новость. Есть и вторая. Радиоволны (собственно, с помощью них и передается информация в беспроводных сетях) передаются во все стороны от источника сигнала (рассматриваем общий случай). Т.е. передающего слышат все. Эти «все» могут принимать данные или не принимать, это не важно. Главное — они не могут в этот момент что-либо передавать на той же частоте. Точнее говоря, попытаться то они могут, но сигналы обоих источников наложатся друг на друга, в результате чего информационная составляющая будет искажена и потеряна. Другими словами, в беспроводных сетях одновременно может передавать только один источник из нескольких, работающих на одной и той же частоте. Т.е. принцип рации — сначала говорим, потом молчим и слушаем.
Таким образом, щедро выделенные нам
25 Мбит делятся на всех участников беспроводной сети. Если количество клиентов составляет 5 хостов, то в момент интенсивной передачи данных с каждого, на одного придется канал пропускной способностью примерно 5 Мбит (а на самом деле даже чуть меньше).
Есть и третья плохая новость. Вторая «плохая новость» насчет «5 Мбит на 5 хостов» верна лишь в случае Ad Hoc сети, т.е. без точки доступа. Если брать более общий случай с точкой доступа, то эти жалкие 5 мбит придется поделить еще на два. Ведь в Infrastructure режиме беспроводной сети (с участием точки доступа) любой обмен с клиентами проходит через точку доступа. А она сначала должна принять данные, а потом ретранслировать их к получателю. В результате получаем по 2 с хвостиком мегабита на брата.
Теперь вернемся к цифрам 108 и 125, которые так любят крупным шрифтом рисовать на коробках производители. Ну, вы уже все поняли, да? 🙂
Смело делим на два (про сферического коня чуть позже). Получаем максимум 60мбит в случае одного клиента и соответственно в n-цать раз меньше, в случае N клиентов.
Для тех, кому надо было лишь выяснить, пора ли выкидывать провода или «еще погодить», дальнейшую часть статьи можно не читать. Ответ — выкидывать пока рано. Как минимум, надо дождаться WiMAX.
Теперь перейдем к более детальному рассмотрению рассмотрению технологий увеличения пропускной способности беспроводных сетей по сравнению со стандартным 802.11g режимом.
Полагаю, у всех производителей все их плюсы, турбо и т.д. представляют собой то же самое, что и у Atheros с TI, но с другим названием. Но детали реализаций могут различаться, поэтому не факт, что технологии различных производителей совместимы друг с другом.
Технология Atheros для 802.11g носит название Super G (есть еще одна — Super AG, это тоже самое, но для стандарта 802.11a, т.е. для сетей на 5 ГГц). Atheros Super G позволяет увеличить пропускную способность до 108 Мбит/сек. И, как честно заявляет Atheros, для пользователя скорость может достигать 60 Мбит.
Увеличение производительности достигается несколькими способами:
Atheros Super G / Super AG технологии:
У себя на сайте Atheros приводит красочную диаграмму, показывающую влияния различных технологий на скорость передачи данных:
В базовом режиме 802.11g или 802.11a, в котором все расширенные технологии отключены, можно получить скорость до 22 Мбит (чистых, т.е. доступных пользователю). Добавляя технологии, которые возможно будут в будущем стандарте 802.11e (Bursting, Fast Frames, Compression), можно увеличить скорость до 40 Мбит включительно. Активируя Dynamic Turbo режим, т.е. задействуя два канала под передачу данных, можно довести скорость до теоретического максимума в 60 Мбит.
Разумеется, приведенные цифры — это лишь максимально возможная скорость в данном режиме работы (тот самый сферический конь в вакууме). В реальности все будет зависеть от таких условий, как удаленность клиента от точки доступа, количество одновременно работающих клиентов, радиообстановка в месте, где расположена беспроводная сеть и так далее.
У Texas Instruments технологии повышения производительности носят название G-Plus. Часть из них похожа на технологии Atheros, часть — присуще только TI.
Texas Instruments G-Plus технологии:
Подробно остановимся на каждой из перечисленных технологий — bursting, compression, fast frames, dynamic turbo. Примечательно то, что все четыре технологии работают независимо друг от друга, тем самым добиваясь максимально возможной производительности одновременно несколькими способами.
1. Bursting.
Frame Bursting — технология, заложенная в предварительный вариант стандарта 802.11e QoS. Frame Bursting позволяет увеличивать пропускную способность линка при обмене (точка-точка) между 802.11a, b или g устройствами за счет уменьшения накладных расходов, возникающих при передаче данных в беспроводных сетях. Причем хорошие результаты достигаются как в гомогенных (однородных), так и в смешанных беспроводных сетях.
На рисунке 2 приведен пример стандартной передачи (without bursting).
В режиме стандартной передачи данных мы наблюдаем процесс передачи двух кадров (frame1 и frame2) во времени от источника Source к получателю Destination. Процесс передачи данных поделен на временные интервалы (по оси X — ось времени). Так как в любой момент времени передавать может лишь один источник, то каждая станция слушает эфир в течении времени DIFS (Distributed InterFrame Space), если она не услышала передачи другой станции, значит эфир свободен, можно передавать кадр. После передачи кадра (frame1), станция-передатчик ждет подтверждения об успешном приеме от получателя. Получатель обязан отослать подтверждение (ack), которое он отсылает практически сразу, после ожидания короткого промежутка времени SIFS — Short InterFrame Space (если подтверждения не было, то получатель считает, что кадр не был принят и должен перепослать его заново). После получения подтверждения передатчик опять обязан выждать интервал времени DIFS и только потом (если эфир по-прежнему свободен) начать отсылку второго кадра frame2. И так далее.
Таким образом, кадры ожидания DIFS отнимают достаточно существенную часть пропускной способности беспроводной сети.
Теперь посмотрим на картину передачи при использовании технологии Frame Bursting:
В этом режиме (рисунок 3), источник и получатель монопольно [по очереди] занимают канал под свою передачу. После передачи кадра frame1 и получения подтверждения об успешном приеме оного, передатчик не ждет положенный интервал времени DIFS. Передатчик выжидает лишь короткий временной интервал SIFS, после чего передает второй кадр данных и так далее. Тем самым, передатчик не дает возможности начать передачу другим станциям — им приходится ожидать окончания общего периода такой burst-передачи.
Разумеется, общий интервал передачи данных в таком режиме ограничен (а то передача нескольких гигабайтов данных полностью бы парализовала работу остальных клиентов той же беспроводной сети). Но удаление интервала DIFS позволяет за тот же период времени передать существенно бОльшее количество данных, тем самым экономя пропускную способность канала, т.е. увеличивая общую скорость передачи данных.
Atheros заявляет, что все ее продукты данную технологию поддерживают. Но очевидно, что устройства других производителей, в которых эта технология не встроена, могут и не понять такой «разрывной» режим работы. Поэтому, если подтверждение на посланный в начале burst-режима пакет не получено получателем, передатчик отключает bursting и переходит в базовый режим работы.
Реализация Bursting у TI аналогична технологии Atheros. TI приводит следующую картинку, иллюстрирующую работу их технологии (рис 4):
TI тоже удаляют «длинный» временной фрейм ожидания, тем самым сокращая накладные расходу на передачу.
Информация о совместимости burst-технологий в реализациях от TI и Atheros на сайтах обеих компний отсутствует.
Подобная «bursing» технология, вероятно, присутствует и у других производителей. Но Atheros пошла дальше и расширила ее до «dynamic bursting». По ее заверениям, эта технология особенно эффектна в сетях с количеством работающих беспроводных клиентов больше единицы.
К примеру, в беспроводной сети две станции, одна расположена близко к точке доступа, другая удалена от нее. Разумеется, дальний клиент работает с точкой доступа на более низкой скорости (из-за расстояния). Поэтому для передачи данных определенного размера (для ближайшего клиента) ему потребуется больше времени, чем ближайшему — для приема этих данных. В этом случае активация bursting для дальней станции позволит ей сократить время передачи порции данных и, как ни странно, это же позволит ближайшей станции еще быстрее эти данные принять (так как она меньше будет ожидать на линии освобождения эфира). Интервалы, на которые клиенты могут занять эфир «burst»-передачей, также зависят от удаленности (точнее, скорости работы) клиентов. Ближайший клиент получит грант на более длинную burst-передачу, так как за единицу времени он передает больше данных (и быстрее освободит эфир).
Atheros Compression technology.
Вторая технология от Atheros, расширяющая стандарт 802.11 — аппаратная компрессия данных. Она встроена во все 802.11a,b,g чипсеты компании. Используемый алгоритм — Lempel Ziv. Этот же алгоритм используется в архиваторах gzip, pkzip, winzip. Данные «на лету» упаковываются перед пересылкой и распаковываются на принимающей стороне.
К сожалению, данные предварительно не анализируются, а сжимаются все кадры подряд. Тем самым, выигрыш достигается не всегда — например, пересылка уже упакованного файла может увеличить размер передаваемых по беспроводной сети данных.
С другой стороны, хорошо подверженные компрессии данные будут переданы кадрами меньшего размера, тем самым передатчик займет меньше эфирного времени на свою передачу. Это время может быть использовано для работы других беспроводных клиентов.
Atheros Fast Frames.
Технология Fast Frames предлагает слияние двух кадров в один, большего размера. Тем самым, мы избавляемся от служебной информации (в заголовке второго пакета — остается лишь один заголовок нового кадра) и временных пауз ожидания между кадрами:
Причем размер полученного кадра-фрейма может достигать 3000 байт, что в два раза больше максимального размера кадра стандартного ethernet-пакета. Таким образом, даже если идет поток данных из проводной сети с пакетами максимального (1500 байт) размера, технология Fast Frames все равно будет работать, объединяя каждые два ethernet-пакета в один бОльшего размера. Как только FastFrames-алгоритм будет согласован между точкой доступа и станцией, все дальнейшие пересылки данных между этими двумя устройствами будут происходить с использованием таких, увеличенных вплоть до 3000 байт, кадров.
С учетом того, что Fast Frames может работать совместно с Frame Bursting, мы получаем очень неплохие результаты по скорости передачи. Кстати говоря, как заявляет Atheros, большинство производителей, реализовавших в своих чипах технологию Frame Bursting, тем не менее, не поддерживают Fast Frames. У Atheros тут все впорядке — их продукты держат и то и другое.
Технология Fast Frames — тоже часть черновой версии стандарта 802.11e. Тем не менее, ее совместимость с продуктами других производителей не гарантируется. С другой стороны, технология работает в рамках стандартных временных интервалов (в отличии от Frame Bursting, которая монопольно занимает полосу на некоторое время). Именно поэтому Fast Frames лучше вписывается в беспроводные сети, где используется оборудования различных производителей.
Texas Instruments Frame Concatenation
Технология Frame Concatenation, реализованная в продуктах компании Texas Instruments, использует те же принципы, что и Fast Frames у Atheros.
Но TI пошли дальше. У них объединению подвергаются два и более кадров (рисунок 7):
Тем самым, они выигрывают на удалении служебной информации и межкадровых интервалов ожидания от одного и более кадров. TI заявляет, что их технология Frame Concatenation будет работать с любыми 802.11b/b+/g продуктами от TI и (!)других производителей. Не совсем ясно, что они имели ввиду под другими производителями, если у последних поддержка этой технологии не будет реализована… Возможо имелась ввиду работа с кадрами, размер которых не превышал стандартного (1500 байт) размера.
В технологию Frame Concatenation заложен алгоритм, позволяющий упаковывать в мега-кадры не все пакеты подряд. Например, если в очереди отправки на заданное направление находится лишь один кадр, то он будет отослан незамедлительно. Другими словами, сливаться будут лишь те кадры, у которых одинаковый адрес получателя (destination address, в данном случае имеется ввиду MAC адрес получателя). Причем, алгоритм действует только на unicast-пакеты — широковещательные (multicast), а так же служебные пакеты отсылаются без изменений.
На данный момент, максимальный размер Concatenation-пакета может достигать 4096 байт (что косвенно говорит о том, что эта технология не совместима с подобной же технологией от Atheros).
Заключение.
Как видно, производители не дожидаются официального объявления стандартов (в данном случае 802.11e), а интегрируют новые технологии в свои продукты. В результате, с одной стороны, достигаются неплохие результаты в виде увеличения скорости, с другой — технологии различных производителей часто оказываются несовместимы друг с другом.
Не рассмотренной осталась технология агрегирования каналов у Atheros (Dynamic Turbo). Про нее — во второй части статьи.
А если к тому времени найдутся документы, описывающие реализации super/plus/etc технологий у других производителей беспроводных решений (или мне подскажут ссылки них в форуме (ссылка чуть ниже)), то обзор этих технологий также будет добавлен во вторую часть статьи.
Методы оптимизации приема/передачи в сетях Wi-Fi
Одной из ключевых технологий для развития беспроводных сетей (например, Wi-Fi) в последние годы является технология MIMO. MIMO — это множественная передача информации с нескольких передатчиков и её получение, а также обработка на нескольких приемниках. Основные задачи MIMO – повысить пропускную способность беспроводного канала и качество связи.
Главным методом увеличения пропускной способности в системах MIMO является мультиплексирование, то есть параллельная передача нескольких потоков информации с разных антенн (о нем ниже). Частными случаями MIMO являются системы передачи, где на приемнике или передатчике используется одна антенна. Называются такие системы Multiple-input single-output (MISO) и Single-input multiple-output (SIMO). В них нельзя организовать параллельную передачу нескольких потоков информации, однако можно использовать дополнительные антенны для повышения качества приёма или передачи сигнала. В описании точек доступа различных вендоров мы можем узнать сколько передающих и приемных антенн есть на устройстве, сколько пространственных потоков MIMO оно поддерживает. Например, это может быть значение 3×4:3, что означает 3 передатчика, 4 приемника и 3 пространственных потока. Кроме этих параметров можно встретить такие аббревиатуры или обозначения, как MRC, STBC, CSD, 802.11ac Tx BF и пр. Все эти технологии также направлены на улучшение качества сигнала. Итак, давайте попробуем разобраться какие варианты ухищрений используют современные точки доступа, чтобы ваш девайс получил хороший сигнал. Стоит отметить, что на Хабре уже есть статьи с довольно подробным описанием работы указанных технологий — MIMO, OFDM, STBC и MRC. В данном материале хотели бы сделать общий обзор по технологиям повышения качества связи, наглядно отобразить, как работает та или иная функция и какой прирост она дает. Рассмотрена работа с точки зрения 802.11 Wi-Fi, хотя, разумеется, указанные методы используются и в других беспроводных стандартах (LTE, 802.16 WiMAX).
Пространственное мультиплексирование (MIMO SDM)
Ключевым преимуществом MIMO является возможность передавать несколько независимых информационных потоков с разных антенн на одном канале. Это позволяет кардинально увеличить пропускную способность беспроводного канала. Технология называется пространственное мультиплексирование, или SDM (Spatial Division Multiplexing). Основным условием для работы MIMO SDM является многолучевое распространение сигнала. Если мы отправим данные с двух антенн, при прямой видимости сигнал придет к получателю одновременно, и мы получим их наложение (интерференцию). А значит сделаем только хуже. Но если при прохождении сигнал отражается, преломляется и т.п., получатель может распознать (скоррелировать) пришедший сигнал для разных потоков. Затем, получатель вычисляет текущее состояние каналов передачи (потоков) для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки (по служебным заголовкам). И далее с помощью математических преобразований, восстанавливает исходные потоки. В случае MIMO отправитель не знает о состоянии канала, то есть он никак не оптимизирует сигнал при передаче. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, поддерживаемое двумя сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, точка доступа тоже будет передавать единственный поток.
Стоит отметить, что при передаче нескольких потоков (да и вообще при одновременной передаче с нескольких антенн) общая излучаемая мощность делится на количество передающих антенн. Например, если мы передаём сигнал одновременно с двух антенн, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, в данном случае мы передаем информацию по двум или более каналам одновременно.Также, за счет совместного использования SDM и множественной передачи (об этом ниже) можно увеличить значение SNR (отношение сигнал-шум) на приемнике.
Системы MIMO продолжают развиваться и в стандарте 802.11ac (wave2) реализована множественная одновременная передача в режиме MIMO нескольким клиентами (Multiuser-MIMO). То есть, если есть два клиента, поддерживающие один и два потока, система MU-MIMO будет передавать им сигнал одновременно. Как мы помним, до появления технологии MU- MIMO в один момент времени передачу данных могла осуществлять только одна система. Работает технология только в направлении от точки доступа к клиенту (DownLink). Текущие точки доступа позволяют работать с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков (суммарно). Технология MU-MIMO требует поддержки и на точке доступа и на клиентском устройстве. Также она требует дополнительных вычислений на точке доступа и накладывает определенные условия при использовании. Например, её работа невозможна без предварительной калибровки и адаптивной передачи (Explicit Transmit Beamforming), о которой будет рассказано ниже.
Развитие механизмов множественной передачи\приема разумеется привело к увеличению количества антенн на 802.11n-устройствах. Сегодня для точек доступа корпоративного уровня (802.11n/ac) уже стало стандартом наличие 3-4 антенн. При этом, количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На самом деле, много ли клиентов поддерживающих, например, 3 потока? Конечно, не много. Если это смартфон, то чаще поддерживается только один пространственный поток. Это дает точке доступа использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны.
Оптимальное весовое сложение (MRC)
MRC позволяет улучшить значение SNR для входящего сигнала (от клиента к точке доступа). Если на точке доступа есть дополнительный свободный приемник(и), она складывает полученный на этом приемнике сигнал с остальными. Так как на приемнике уже есть информация о текущем состоянии канала передачи (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы (на каждой из приемных антенн), провести их выравнивание и оптимальное сложение, получив лучшее соотношение сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что MRC в некоторых случаях позволяет существенно увеличить значение SNR, а значит увеличить и скорость передачи, дальность действия ТД. MRC работает только на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента. Технология может использоваться совместно с другими – CSD, SDM, STBC.
Разнесенная передача (CSD/SE)
Технология Cyclic Shift Diversity (CSD) позволяет передать копии одного сигнала с дополнительных свободных антенн. Делается это поочередно c небольшим интервалом (200 нс). Если передать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (мощность делится), получить выигрыш на приеме не удастся. Если же передать сигнал независимо (на максимальной мощности) с небольшим интервалом с каждой из антенн, можно получить разнесение сигнала на приеме, а значить улучшить сигнал. Приемник в свою очередь по определенному критерию выбирает лучший сигнал. Метод разнесенной передачи довольно старый и не очень удобен для распознавания на приемнике (требует вычислительной мощности, плохо масштабируется). Однако, он поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих поколений – 802.11a/g. В современных стандартах (802.11n и далее) используется механизм STBC либо адаптивная передача (Beamforming).
Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)
STBC позволяет передавать разные сигналы одновременно с нескольких антенн за несколько тактовых интервалов. Для передачи используется схема Аламоути. Для простейшего случая 2х1, эта схема позволяет за два интервала времени передать два сигнала два раза. На двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала. Таким образом, мы получаем разнесение сигналов по времени и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. С точки зрения приема, метод STBC является достаточно удобным, т.к. не требует большой вычислительной мощности. Как можно догадаться, STBC не работает одновременно с CSD. В противовес MRC, который мы рассмотрели ранее, STBC позволяет нам улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически, поддерживается работа в режимах более высоких порядков или для нескольких потоков (например, в режиме 2х1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). STBC может использоваться одновременно с MIMO SDM.
Влияние на производительность
Итак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотрим графики*. На первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1×1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – Packet Error Rate) он на
4 dB лучше SE. MRC** дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.
*взято из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac
Адаптивная передача (802.11ac Explicit Beamforming)
Мы рассмотрели различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, а также показали какой прирост они могут дать. В реальных условиях будет наблюдаться более комплексная картина. Добавляются дополнительные факторы, влияющие на работу беспроводной сети (расстояние до клиента, количество клиентов, нагрузка на канал, поддерживаемые клиентом методы передачи и др.). Точка доступа на основе встроенных алгоритмов решает какие методы передачи использовать в тот или иной момент времени.
