Технология WiFI IEEE802.11

Элементы технологии WiFi IEEE 802.11

Первое поколение Точек Доступа и других беспроводных устройств по стандарту WiFi 802.11n появилось на рынке в 2008-2009 годах. Эти устройства могли поддержать максимальные значения совокупной скорости передачи данных до 300Mbps. Такая скорость могла быть достигнута используя два пространственных потока, каждый из которых способен переносить до 75Mbps в двух частотных каналах шириной 20MHz каждый.
Общая формула выглядит так:
75Mbps * X пространственных потоков * Y частотных каналов.
Для 2-х пространственных потоков и 2-х каналов по 20MHz имеем:
75Mbps * 2 * 2 = 300 Mbps.

Важно понимать, что для того чтобы поддержать два пространственных потока двунаправлено минимум два приемника и два передатчика с поддержкой MIMO требуется на обоих сторонах - и на Точке Доступа WiFi и на Клентском устройстве WiFi.

Уже довольно давно на рынке появилось более продвинутое поколение беспроводных устройств с поддержкой стандарта WiFi 802.11n , которые поддерживают до 3-х пространственных потоков. Это означает, что теоретический максимум совокупных скоростей передачи данных, который может быть достигнут в системе, составляет теперь 75Mbps*3*2=450Mbps. Для поддержки данной максимальной скорости двунаправленно оба конца в соединении должны поддерживать три пространственных потока, что, в свою очередь, требует иметь как минимум три приемника и передатчика с MIMO на Точке Доступа и Клиентском устройстве WiFi.
Здесь имеет смысл добавить, что большинство распространенных мобильных устройств на рынке (смартфоны, планшетные компьютеры, разного рода КПК) поддерживают только один пространственный поток, даже не смотря на то, что они работают как 802.11n устройства. Это связано с необходимостью экономии батареи питания на таких устройствах. Три пространственных потока поддерживают лаптопы с новейшими наборами Wi-Fi-чипов от Intel (Intel Centrino Ultimate-N 6300), лаптопы от Apple (например MacBook Pro), некоторые внешние USB-донглы.

MIMO, Transmit Beamforming и стандарт WiFi 802.11n

Технология MIMO является стержнем 802.11n. Это радиосистема с множеством раздельных путей передачи и приема. MIMO-системы описываются с использованием количества передатчиков и приемников. Стандарт WiFi 802.11n определяет набор возможных комбинаций от 2х1 до 4х4.

В типичном случае развертывания WiFi-решения внутри помещения, например в офисе, цеху, ангаре, больнице радиосигнал редко идет по кратчайшему пути между передатчиком и приемником из-за стен, дверей и других препятствий. К счастью большинство подобных окружений имеют много различных поверхностей, которые отражают радиосигнал (электромагнитную волну) подобно зеркалу, отражающему свет. Когда множественные копии сигнала перемещаются различными путями от передатчика к приемнику сигнал шедший кратчайшим путем будет первым, а следующие копии (или переотраженное эхо сигнала) придут чуть позже из-за более длинных путей. Это называют многолучевым распространением сигнала (multipath). Условия множественного распространения постоянно меняются, т.к. Wi-Fi-устройства часто перемещаются (смартфон с Wi-Fi в руках пользователя), движутся различные объекты (люди, машины и т.п.). При этом одни объекты в основном отражают в то время как другие в основном поглощают сигналы WiFi.

В системах WiFi-стандарта 802.11n достоинства многолучевого распространения используются для одновременной передачи нескольких радиосигналов. Каждый из этих сигналов, называемых «пространственными потоками», отправляется с отдельной антенны с помощью отдельного передатчика. Вследствие наличия некоторого расстояния между антеннами каждый сигнал следует к приемнику по немного отличающемуся пути. Этот эффект называется «пространственным разнесением». Приемник также оборудован несколькими антеннами со своими отдельными радиомодулями, которые независимо декодируют поступающие сигналы, и каждый сигнал объединяется с сигналами от других приемных радиомодулей. В результате этого одновременно осуществляется прием нескольких потоков данных. Это обеспечивает значительно более высокую пропускную способность, чем в прежних системах 802.11, но требует, чтобы клиент с функциональностью 802.11n декодировал сигнал.
Больше информации можно найти на komway.ru здесь.

802.11n-системы используют преимущества от возникновения множественного распространения сигнала путем отправки множества радиосигналов одновременно (MIMO). Каждый из этих сигналов, называемый пространственным потоком, отправляется с собственного радиомодуля и собственной антенны. Т.к. всегда присутствует некоторое расстояние между антеннами, то каждый сигнал идет собственным путем к приемнику. Эта ситуация называется пространственным разнесением сигналов (spatial diversity). Приемник, в свою очередь, имеет также несколько антенн, каждая со своим собственным радиомодулем. Здесь каждое радио независимо декодирует пребывающие сигналы и, при этом, каждый сигнал комбинируется  с теми, которые получены другими радиомодулями. В результате можно получить множественные потоки данных одновременно. Это дает возможность получать значительно большую полосу пропускания, чем в предыдущих системах 802.11a/g, но также и требуется 11n-совместимый клиент для дешифровки данного сигнала.

Технология 802.11n также определяет как MIMO может быть использована для улучшения уровня SNR (Signal to Noise Ratio) на приемнике используя управление диаграммой направленности на передаче (transmit beamforming). С данной техникой возможно управлять процессом отправки сигналов с каждой антенны так чтобы улучшились параметры принимаемого сигнала в приемнике.  Другими словами в дополнение к отправке множественных потоков множество передатчиков могут использоваться, чтобы достичь более высокого SNR и, в результате, большей скорости передачи данных.  Необходимо отметить две вещи:
1. Процедура управления диаграммой направленности (transmit beamforming), определенная в стандарте WiFi 802.11n, требует совместной работы с приемником для получения обратной связи о состоянии сигнала на приемнике. Здесь необходимо иметь поддержку этой функциональности на обеих сторонах канала – как на передатчике, так и на приемнике.
2. В силу сложности данной процедуры управление диаграммой направленности (transmit beamforming) не было поддержано в первом поколении чипов 802.11n как на стороне терминалов, так и на стороне Точек Доступа.
--- Для общей информации: существуют частные реализации управления диаграммой направленности, например, функция ClientLink в Точках Доступа стандарта Wi-Fi от Cisco. Данная реализация не требует обратной связи от клиента и не зависит поддерживает ли клиент данный функционал. Но в первом поколении ClientLink поддерживались только клиенты 802.11g, 11a. Клиенты 802.11n и 802.11ac поддерживаются в ClientLink 3.0 в современном поколении Точек Доступа Cisco линеек 1700, 2700, 3700. Подробнее о ClientLink и других специальных функциях читайте здесь.

Проблема многолучевого распространения сигнала (multipath).

Многолучевое распространение это феномен распространения сигнала, в результате которого появляются две или более копий сигнала WiFi и, соответственно, путей прибытия сигнала на антенну приемника Wi-Fi в одно и то же время или с минимальным отличием по времени (наносекунды разницы). При обычном распространении волн в привычных каждому окружениях при распространении возникают такие эффекты как:
- отражение,
- отражение с разбиением на множество малых волн,
- прохождение волн через препятствия с изменением характеристик,
- огибание волнами препятствий и изменение направления волны при достижении крупного препятствия.
И все это всякий раз проявляется по разному. Также важно понимать, что в определенных условиях отдельные эффекты проявляются значительно сильнее, например существенное отражение возникнет когда в комнате есть большие металлические шкафы или антенна находится рядом с шахтой и дверьми лифта и, вероятнее всего, в таком случае этот эффект будет преобладать.  В любом случае данные эффекты будут создавать условия возникновения множественных копий и множественных путей одного исходного сигнала.

Внутри помещений отраженные сигналы и их эхо-сигналы могут вызываться такими условиями как длинные коридоры, стены, столы, пол, шкафы, а также большим количеством других препятствий. Такие внутренние зоны с большим количеством металла, как ангары аэропортов, складские ангары, цеха заводов и фабрик изначально являются объектами с высоким уровнем многолучевого распространения из-за большого количества отражающих поверхностей. Обычно именно отражение является основной причиной многолучевого распространения сигнала.

На улице (вне помещений) многолучевое распространение может вызываться отражением от дороги, от большого зеркала воды (озеро, река и т.п.), от зданий или от атмосферы при возникновении специфических условий.

Для радиосигналов эффект многолучевого распространения может становиться положительным или отрицательным (иногда говорят: конструктивным или деструктивным).  Значительно чаще результат является отрицательным. Из-за разницы в фазах множества путей копий сигналов комбинированный сигнал на приемнике чаще будет затухать или будет повреждаться.

Основными проблемами являются следующие четыре результата возникновения многолучевого распространия сигнала:

Прирост (Upfade) сигнала/амплитуды

Снижение (Downfade) сигнала/амплитуды

Обнуление (Nulling) сигнала/амплитуды

Повреждение данных (Datacorruption)

Подробнее смотрите в нашей Академии, здесь.

Многолучевое распространение может иметь негативный эффект  на общую производительность, пропускную способность и увеличение задержек вашей сети стандарта Wi-Fi из-за необходимости выполнения перепосылок фреймов 2-го уровня, прямой причиной которых является межсимвольная интерференция.  Это касается любой сети WiFi.

Многолучевое распространение является очень серьезной проблемой для сетей устаревших стандартов WiFi 802.11 a/b/g. Использование направленных антенн нередко может позволить снизить негативный эффект. Также может положительно влиять разнесение приемных антенн (diversity).  Иногда снижение мощности излучения на передаче или использование антенн с меньшим коэффициентом усиления (конечно это работает пока поддерживается необходимый уровень связи с ответной стороной).

Для современных сетей стандарта WiFi 802.11n существует значительно больше механизмов компенсации проблем многолучевого распространения сигнала. Здесь большой положительной эффект оказывает применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) с разнесением антенн как на передающей стороне, так и на принимающей, а также такие техники, как комбинирование принятых сигналов с цифровой обработкой для искусственного создания условий положительной интерференции и результирующего усиления (MRC / Maximum Ratio Combining). Подробнее смотрите на Wi-Life.ru раздел Академия Wi-Fi > 802.11n-MIMO, здесь.

 

Для получения анонсов при выходе новых тематических статей или появлении новых материалов на сайте предлагаем пройти простую подписку

Присоединяйтесь к нашей группе на Facebook: www.facebook.com/Kom.Way.ru
Мы публикуем новости, информацию о выходе новых статей и расширении контента основных модулей ресурса komway.ru
 

Kom-Way.Team

Использование материалов этого сайта разрешено только с согласия komway.ru и наличии прямой ссылки на источник.

 

blog comments powered by Disqus