Адаптивный подход к оптимизации производительности беспроводных сетей

Что это такое: суть технологии

Wi-Fi – это технология беспроводной передачи данных в рамках локальной сети, осуществляемой устройствами на основе стандарта IEEE 802.11. Это официальное определение Wi-Fi.

Простыми словами, «для чайников» — это технология передачи данных без проводов, по воздуху, с помощью невидимых радиоволн. «Родственники» вайфай — сотовая связь, Bluetooth, радио. До появления этой технологии к интернету можно было подключиться только по проводам, через кабель.

Кстати, технология была придумана в 1991 году. Первая локальная вайфай-сеть связывала между собой кассовые аппараты.

Принцип работы следующий:

  1. Проводится интернет-кабель.
  2. Кабель подключается к роутеру, с помощью которого создается локальная сеть. Без него использовать вайфай невозможно.
  3. К роутеру по беспроводной сети подключаются различные устройства: ноутбуки, смартфоны, телевизоры и т.д. Создается локальная сеть с выходом в интернет.

Вайфай не равно интернет. Технология создает локальную сеть, в которой разные устройства (ноутбуки, принтеры, смартфоны) могут обмениваться данными без выхода во Всемирную сеть. При подключении к провайдеру (через роутер, модем, точку доступа) устройства этой сети получают доступ в интернет.

Подключиться к Wi-Fi можно только при условии, если сетевая карта устройства (ноутбука, смартфона, компьютера и т.д.) поддерживает беспроводное подключение. У мобильных устройств и ноутбуков с этим проблем нет, а вот компьютеры не всегда комплектуются поддержкой Wi-Fi, следовательно, могут подключиться к локальной сети роутера только по проводам LAN.

Отсюда вывод: Wi-Fi сеть – это локальная сеть из устройств, подключенных по беспроводной технологии к маршрутизатору, который и обеспечивает для них выход в интернет. Количество подключаемых устройств ограничивается техническими параметрами роутера.

Например, у вас не получится подключиться к Wi-Fi, если устройство находится за пределами области покрытия роутера. Если к сети вайфай подключено много устройств, которые одновременно используются, то они могут начать конфликтовать между собой. Это приведет к снижению скорости и стабильности подключения.

Сейчас существует несколько разновидностей Wi-Fi сетей. Если на роутере стоит соответствующий логотип, значит он прошел сертификацию в Wi-Fi Alliance. Альянс проверяет работоспособности беспроводной сети на маршрутизаторе на соответствие своим требованиям, которые представляют международный стандарт беспроводных сетей интернет-передачи. Сертификация проводится по стандарту IEEE 802.11.

В технических характеристиках роутера может стоять IEEE 802.11n или другой стандарт. Буква или буквы на конце определяют поколение, к которому принадлежит этот Wi-Fi.

Для чего нужен вайфай

Изначально скорость передачи данных по беспроводной сети была ниже, чем по кабелю. Сегодня она практически сравнялась. Через Wi-Fi удобно работать на устройствах, которые невозможно или сложно подключить через кабель: смартфоны, планшетники, ноуты.

Возможности вайфай позволяют использовать его не только в рамках одной квартиры, дома или офиса, но и промышленного объекта. Технология применяется на удаленных, опасных, секретных объектах. Рядовому пользователю Wi-Fi позволяет оставаться мобильным и не быть привязанным к проводам. В будущем предполагается, что вайфай сможет вытеснить традиционные сотовые сети.

Вайфай нужен для обмена данными между самыми разными устройствами.

Как работает роутер

Вайфай-роутер (его еще называют маршрутизатор, это синонимы) необходим для создания точки подключения к беспроводной сети. Его не нужно рассматривать в качестве средства доступа к интернету, так как за это отвечает либо модем, либо интернет-кабель, которые подключаются к роутеру.

Модем и роутер — это разные вещи. Однако сейчас различие между этими устройствами размыто, потому что модем часто встроен в корпус роутера по умолчанию. Через это подключение роутер создает точку доступа и локальную сеть. Все устройства, подключенные к локальной сети маршрутизатора, получают выход в интернет.

Роутер может использоваться не только для доступа в интернет, но и для создания локальной сети из нескольких подключенных устройств. Их можно связать между собой через Wi-Fi, но в таком случае будет производиться только обмен данных между ними без выхода в интернет.

Роутеры можно поделить по типу работы на категории:

  • Проводной. Оснащен только WAN и LAN портами для выхода в интернет и создания локальной проводной сети. Использование в качестве точки доступа Wi-Fi невозможно.
  • Беспроводной. Помимо стандартных портов присутствует одна или несколько антенн. Они могут быть внешними, съемными, несъемными, встроенными в корпус. Наличие антенн позволяет создавать беспроводную точку доступа. Наиболее распространенный тип роутеров.

Плюсы и минусы

Однозначно ответить, что лучше — кабельный интернет или Вайфай — нельзя, так как много зависит от устройств и требований пользователя.

У Wi-Fi выделяют такие преимущества:

  • Для использования не нужно прокладывать кабель;
  • Можно подключать мобильные устройства к домашнему интернету;
  • Повышается уровень мобильности, так как вы больше ограничены длинной интернет-кабеля и можете выходить в интернет из любой точки, входящей в зону покрытия;
  • В пределах зоны покрытия интернетом могут пользоваться сразу несколько пользователей;
  • Все сетевое оборудование, прошедшее сертификацию у Wi-Fi Alliance, полностью совместимо друг с другом;
  • Зона покрытия Wi-Fi сигнала может быть расширена при необходимости.

Из недостатков Wi-Fi выделяют:

  • Большинство роутеров работает только с частотой 2,4 GHz. В этой же частоте работаю мобильные телефоны, Bluetooth, микроволновые печи и другие роутеры. Устройства могут перекрывать сигнал друг друга, создавая помехи. Современные роутеры поддерживают другие частоты, позволяя минимизировать этот недостаток.
  • Реальная скорость практически всегда ниже скорости, указанной производителем и скорости при подключении через кабель. Это связано с тем, что на скорость беспроводной сети виляет множество факторов.
  • К Wi-Fi, даже если он защищен паролем, легко подключиться. Хорошо, если кто-то просто будет пользоваться вашей точкой доступа бесплатно, но иногда хакеры могут взламывать Wi-Fi сети для своих нужд. Обычно это случается с общественными сетями, а не частными.
  • В некоторых странах законодательно могут накладываться ограничения на точки беспроводного доступа. Например, в России Wi-Fi, работающий вне помещения, требуется обязательно регистрировать.

Стандарты

Пока стандартны IEEE 802.11 являются единственными из представленных на рынке. Условно их делят на 4 поколения:

  • 11a, 802.11b, 802.11g, 802.11h и 802.11i появились в конце 90-х начале 2000-х. Максимальная скорость передачи до 54 Мбит/с. Официально не относятся ни к какому поколению.
  • 11n появился в 2009 году и позволяет обеспечивать среднюю скорость передачи до 150 Мбит/с. Относится поколению Wi-Fi 4. К нему же относятся стандарты 802.11-2012 и 802.11ad.
  • 11ac появился в 2013 году и относится к Wi-Fi 5. Максимальная скорость передачи данных до 6,77 Гбит/с.
  • 11ax – самый современный стандарт, относящийся к Wi-Fi 6. Максимальная скорость передачи – 11 Гбит/с.

Радиус действия

Средний радиус действия Wi-Fi покрытия зависит от модели роутера и того, какие помехи на его пути возникнут. Например, в чистом поле радиус может быть до нескольких сотен метров, но в многоквартирном доме или офисе сокращается до 30-40 метров. Сигнал заглушают стены и другие устройства, в том числе и другие роутеры.

Есть маршрутизаторы с большим количеством антенн и улучшенной конструкцией, что позволяет добиться увеличенной зоны действия. Дополнительно ее можно расширить за счет установки репитеров (повторителей сигнала) или роутеров, которые будут выполнять роль репитера. Правда, в этом случае качество сигнала все равно будет падать с расстоянием.

От чего зависит скорость

Скорость передачи данных по беспроводной сети зависит от:

  • Наличия помех в виде других устройств, использующих одинаковые частоты;
  • Препятствий для сигнала в виде стен и габаритной мебели;
  • Дальности от источника сигнала;
  • Выбранного тарифного плана у провайдера;
  • Используемой модели роутера и поддержки современных стандартов;
  • Количества устройств, подключенных к текущей точке доступа.

Вред излучения: правда или миф

Да, эта технология использует радиодиапазон. Но распространенное представление про вред Wi-Fi в большей степени является мифом. От того же мобильника (с выключенным интернетом) излучение намного сильнее. Излучение от маршрутизаторов не способно вызвать серьезных изменений в теле человека. Исключения могут составлять замкнутые пространства, где находится много одновременно работающих роутеров.

В таком случае Wi-Fi может представлять опасность для здоровья. Однако роутеры, устанавливаемые в квартирах, офисах и общественных местах, во-первых, находятся не так близко друг от друга, во-вторых, они не настолько мощные, чтобы оказывать значимое влияние на здоровье человека.

Отвечая на вопрос, вредно или нет излучение от Wi-Fi роутера, можно сказать, что существенного вреда здоровью оно не принесет. В обычных условиях, например, квартиры, оно безобидно.

Сложные и перенаселенные беспроводные среды

Из-за-за резкого роста спроса на беспроводные локальные сети ситуация в этом сегменте далека от идеальной. Пользователи могут столкнуться с множеством неудобств, поскольку в короткие промежутки времени беспроводные среды могут претерпевать существенные изменения. В одном офисе или доме может функционировать множество устройств, использующих тот же нелицензируемый частотный диапазон, в котором работает и беспроводная сеть 802.11 — это и устройства Bluetooth, и СВЧ-печи, и беспроводные телефоны, причем все они могут создавать серьезные помехи для сети. Кроме того, отсутствуют единые отраслевые стандарты в области эффективного управления беспроводными сетями.

Например, в переполненном кафетерии из-за большого количества пользователей могут возникать проблемы с пропускной способностью на уровне узлов доступа. Работающие там же устройства Bluetooth и СВЧ-печи могут, в свою очередь, создавать помехи для беспроводной локальной сети. Для пользователя все эти проблемы проявляются в виде замедленного доступа к Интернету, медленной загрузки файлов и общего снижения производительности. Другая, хотя и более редкая проблема может возникать в ситуации, когда мешающие сигналы настолько сильны, что доступ клиентских устройств к беспроводной сети становится вообще невозможным.

До последнего времени большинство исследований по повышению качества работы беспроводных сетей было направлено в основном на корректировку какого-либо одного параметра MAC-уровня (уровень доступа к среде передачи). Однако беспроводная среда может страдать от множества факторов, начиная с помех и низких уровней сигнала и заканчивая коллизиями пакетов, в результате которых резко увеличивается количество попыток, необходимых для отправки каждого пакета. Динамическая среда порождает многообразные проблемы, которые невозможно разрешить корректировкой одного параметра.

Например, при высоком уровне помех возникает соблазн снизить скорость передачи, чтобы улучшить пропускную способность устройства. Однако снижение скорости передачи означает, что каждый пакет будет проводить больше времени «в эфире» на пути от передатчика к приемнику, вследствие чего увеличивается вероятность коллизий с другими пакетами. Иначе говоря, при изменении скорости передачи может потребоваться одновременное изменение другого параметра MAC-уровня во избежание коллизий пакетов. Изменение лишь одного параметра, скорее всего, даст лишь частичное повышение производительности

Среды с высокой плотностью пользователей

Еще одна нетривиальная проблема связана с тем, каким способом беспроводное устройство выбирает узел доступа для установления связи. В беспроводной сети каждое мобильное устройство поддерживает связь с узлом доступа. В настоящее время устройства выбирают узлы доступа по величине сигнала — это позволяет определить ближайший к устройству узел доступа. К сожалению, большая величина сигнала не обязательно означает хорошую пропускную способность. Например, если большинство находящихся в конференц-зале ноутбуков установят связь с беспроводной сетью через узел доступа, расположенный над дверью в зал, то общее количество компьютеров, подключившихся к этому узлу, будет исчисляться десятками, если не сотнями. В то же самое время другие узлы доступа в зале окажутся недозагруженными.

Перегруженные узлы доступа — это не просто неэффективное использование ресурсов. В современных беспроводных локальных сетях для организации доступа устройств к сети используется так называемая функция распределенной координации (DCF). Эффективность этой функции напрямую зависит от загрузки каналов и количества пользователей, подключенных к узлу доступа. Если узел доступа перегружен, пропускная способность в расчете на одного пользователя падает. В результате производительность снижается для всех пользователей, а не только для тех, кто подключился последним.

Беспроводные устройства должны быть в состоянии переключаться с одного узла доступа на другой при возрастании загрузки беспроводной среды или при других подобных изменениях. Реализация таких динамических интеллектуальных функций требует алгоритмов с высокой степенью адаптивности, способных корректировать в реальном времени сразу несколько параметров.

Новый стандарт 802.11k

Перегрузка узлов доступа и динамическая природа беспроводной среды ставят перед пользователями задачи повышения и поддержания производительности беспроводной сети. Для решения этой задачи компании отрасли сформировали в рамках IEEE рабочую группу 802.11k, которая занимается разработкой расширений существующих стандартов 802.11 в области управления радиоресурсами (RRM). Технология RRM должна улучшить оценку производительности узлов доступа и клиентских устройств, а также состояния среды в целом, чтобы повысить производительность и управляемость сети.

Данные измерений, полученные в рамках спецификации 802.11k, передаются для дальнейшего анализа драйверам вышележащих уровней. Анализируя эти данные, беспроводное устройство, подключающееся к беспроводной сети или переходящее из одной сети в другую, может оценивать качество сигнала, загрузку каналов и другие факторы.

Помимо измерения мощности сигнала, предусмотренного стандартом 802.11h, нынешняя версия спецификации 802.11k рекомендует измерение следующих новых параметров:

• Channel Load (загрузка каналов);

• Noise (уровень шума);

• Histogram (гистограмма);

• Beacon Frame (кадры-маяки);

• Hidden Node (скрытые узлы);

• Medium Sensing (измерение характеристик среды передачи);

• Time Histogram (временная гистограмма);

• STA Statistics (статистика станции или устройства).

Проект стандарта 802.11k в настоящее время находится в стадии рассмотрения. Ожидается, что голосование по утверждению этого стандарта состоится в конце текущего года

Адаптивный подход

Значительная часть исследований по улучшению работы беспроводных локальных сетей посвящена адаптивной настройке, позволяющей устройству оптимизировать свои параметры в зависимости от характеристик среды. Корпорация Intel довольно давно ведет исследования в области сложных динамических беспроводных сред, в результате чего были созданы два динамических интеллектуальных адаптивных алгоритма.

Эти алгоритмы позволяют беспроводному устройству динамически оптимизировать сразу несколько параметров доступа к среде передачи (MAC-уровень) в ответ на изменения среды, в которой работает устройство. Это означает, что устройство само изменяет свои параметры, выбирая наиболее подходящий узел доступа, минимизирует влияние помех, оптимизирует работу беспроводной локальной сети и улучшает условия работы пользователей.

Поскольку весьма трудно прогнозировать состояние среды, окружающей беспроводное устройство, то почти невозможно заранее выбрать набор параметров, который гарантирует оптимальную производительность всех приложений. Адаптивные алгоритмы решают эту проблему, позволяя устройству самостоятельно корректировать свои настройки по мере изменения среды — если, например, внезапно исчезает помеха или возникает перегрузка узла доступа. Эти алгоритмы также упрощают развертывание беспроводных устройств, поскольку разработчикам не приходится строить догадки относительно характера сетевого трафика, с которым будет работать устройство в процессе эксплуатации.

Выбор наилучшего узла доступа

Первый из новых алгоритмов корпорации Intel помогает беспроводному устройству выявлять и выбирать наилучший из имеющихся узлов доступа. В рамках этого алгоритма устройство собирает информацию о соотношении «сигнал/шум», о загрузке каналов и трафике конкретного узла доступа и о беспроводной локальной сети в целом.

В беспроводной сети каждое мобильное устройство поддерживает связь с узлом доступа в рамках базовой зоны обслуживания (Basic Service Set, BSS). Мобильные устройства периодически принимают от различных узлов доступа кадры-маяки (beacon frames). В зависимости от интенсивности принятых сигналов мобильная станция может выбирать, к какому узлу доступа ей подключаться. Однако большая интенсивность принятого сигнала не гарантирует, что выбранная базовая зона обслуживания предоставит мобильной станции максимальную пропускную способность. Причина состоит в том, что в существующих беспроводных локальных сетях в качестве механизма доступа к среде передачи используется функция распределенной координации (DCF).

Эффективность этой функции напрямую зависит от загрузки каналов и от количества пользователей, подключенных к узлу доступа. Пропускная способность в расчете на узел, а вместе с ней и производительность падают при увеличении количества пользователей, пользующихся каналом. Если же станция выбирает узел доступа исходя исключительно из качества принятого сигнала, и отказывается от соединения с менее загруженным узлом, это ухудшает использование сети.

Разработанный Intel алгоритм выбора оптимального узла доступа предусматривает определение характеристик канала и оценку пропускной способности на основе соотношения «сигнал/шум» и загруженности узла. В зависимости от оцениваемой пропускной способности, для каждого из имеющихся узлов доступа мобильное устройство выбирает, к какому из них лучше подключиться.

Одновременно анализируя несколько факторов, беспроводное устройство может выбрать такой узел доступа, который обеспечит самую лучшую пропускную способность, а не просто узел с максимальным уровнем сигнала. Это позволяет распределить нагрузку со стороны пользователей по множеству узлов доступа и повысить общую эффективность работы сети.

Адаптивное управление MAC-уровнем

Корпорация Intel ведет и разработку адаптивного управления MAC-уровнем. Этот алгоритм, также предусматривающий анализ характеристик беспроводной среды, должен дать беспроводному устройству возможность динамически менять различные параметры MAC-уровня в зависимости от изменений среды. Как и алгоритм выбора наилучшего узла доступа, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти оптимальные настройки для конкретной среды. Алгоритм учитывает:

• скорость передачи, которая определяется целевым значением частоты ошибочных битов (BER) при заданном соотношении «сигнал/шум». При разных скоростях передачи используются различные методы модуляции, поэтому для поддержания требуемого значения BER следует правильно выбрать скорость передачи;

• порог фрагментации, определяющий размер MAC-кадров (из которых состоят пакеты), передаваемых по радиоканалу. Если порог слишком мал, то накладные расходы, связанные с заголовками MAC- и физического уровней, снижают общую пропускную способность, доступную клиентскому устройству. Если же порог чересчур велик, MAC-кадры становятся уязвимыми для помех;

• порог RTS (готовность к передаче), который определяет, требуется ли обмен сигналами RTS-CTS перед передачей MAC-кадра. Обмен кадрами RTS-CTS служит для резервирования среды передачи перед передачей кадров данных, чтобы исключить коллизии в среде передачи.

В типичном офисе в одном нелицензируемом диапазоне частотного спектра обычно работает несколько устройств. При этом к каждому узлу доступа, как правило, тоже подключено несколько беспроводных устройств. В такой ситуации беспроводные устройства снижают скорость передачи из-за увеличения уровня помех по сравнению с уровнем сигнала совместно используемого узла доступа.

При применении адаптивного алгоритма одновременно со снижением скорости передачи данных снижается и порог RTS. Это уменьшает вероятность коллизий при одновременной передаче нескольких пакетов. Меняется и порог фрагментации с целью установления наилучшего размера для новых пакетов. Проблема состоит в том, чтобы определить оптимальную конфигурацию для множества взаимосвязанных параметров. Изменение одного параметра (например, скорости передачи) влияет на оптимальные значения других параметров (например, порога RTS).

Изменение одного отдельно взятого параметра — не лучший, в принципе, способ адаптации беспроводного устройства к постоянным изменениям сложно устроенной среды. По сути, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти такой набор параметров, который способен обеспечить оптимальную общую пропускную способность беспроводного устройства.

Современные проблемы

Честно, очень сложно сейчас очертить вашу проблему – с адаптивным вайфаем на рынке есть много прецедентов, но какой из них выбрать в текущей ситуации неизвестно. Поэтому попробуем методом «обо всем понемногу».

Современная проблема (особенно крупных городов) – рост числа точек доступа. С ростом числа точек доступа растет уровень шума, а с ним – теряется качество сети и ее пропускная способность. Итого – точек доступа много, но чем их больше, все работает только хуже.

Способы разрешения

Для разрешения этой проблемы был разработан ОДИН из множества методов – адаптивной передачи. В таком режиме ПЕРЕДАТЧИК получает информацию от приемников о качестве сигнала по КАЖДОЙ АНТЕННЕ. Т.е. мы отправляем сигнал, а в ответ получаем, насколько он был хорошим.

В последних разработках стандарта 802.11k было включено множество параметров оценки качества – загрузка каналов, уровень шума, гистограмма, кадры-маяки, скрытые узлы, измерение характеристик среды передачи, временная гистограмма, статистика станции.

Исходя из принятых сведений можно на ходу по каждой антенне изменять передающие параметры – например, регулировать мощность передатчика. Как итог – даже в зашумленной среде такой адаптивной заменой можно достичь улучшения пропускной способности. А особенно это интересно выглядит при использовании нескольких антенн.

Как альтернатива понимания – роутер, например, может сканировать окружающие сети, и в случае, если он мешает их передаче, может временно выключать свое вещание.

Что такое MIMO?

MIMO – технология увеличения спектральной эффективности радиоканала (его пропускной способности и помехоустойчивости), достигается это методом пространственного кодирования сигнала, когда прием и передача данных ведется системами из нескольких антенн на одном канале. Реализовано как пространственное разнесение на приёме, так и пространственное разнесение на передаче. Чтобы МИМО работал нужно многолучевое распространение сигнала. Эта технология широко применяется в беспроводных сетях протокола 802.11ax, ac, n, а также в более старших — LTE и WiMAX.

SU-MIMO и MU-MIMO: в чем различие?

MU-MIMO означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход и является беспроводной технологией, поддерживаемой маршрутизаторами и конечными устройствами. MU-MIMO — это следующая эволюция однопользовательского MIMO (SU-MIMO), когда роутер в один момент времени отправляет данные одному клиенту.

Технология MIMO была создана для того, чтобы помочь увеличить количество антенн на беспроводной точке доступа, которые используются как для приема, так и для передачи, и повысить пропускную способность беспроводных соединений.

Работа многопользовательского МИМО начинается с 802.11ax, 802.11ac Wave2. Старшие стандарты, такие как 802.11b, g и n его не поддерживают. Когда в 2015 году вышел стандарт ac Wave 2, с этой технологией могли работать только маршрутизаторы и точки доступа.

На 2019 год многие конечные устройства теперь поддерживают MU-MIMO. Начинаz с 802.11ax MU-MIMO двунаправленный, т.е. работает с входящим и исходящим потоками.

Технология MU-MIMO изнутри

В 2008 году стандарт 802.11n представил технологию multi-in multi-out (MIMO), предназначенную для повышения пропускной способности Wi-Fi между точками доступа и клиентскими устройствами. Чтобы MIMO работал, две беспроводные станции (т.е. и точка доступа, и клиентское устройство) должны иметь несколько антенн, которые идентичны и физически отделены друг от друга фиксированным расстоянием, чтобы отсутствовала разность фаз на рабочей длине волны.

Пространственное мультиплексирование (Spatial Mutiplexing)

Пространственный поток представляет собой набор данных, посланный передающими антеннами, который может быть математически реконструирован на антеннах приемника. В MIMO каждый пространственный поток передается с разных антенн в том же частотном канале, на котором работает передатчик. Рисунок ниже иллюстрирует это для случая с двумя потоками.

Приемник принимает каждый поток на идентичную радио цепь. Поскольку он знает смещения фазы своих собственных антенн, он может использовать математические методы обработки сигналов для реконструкции исходных потоков. Чтобы повысить пропускную способность нужно увеличивать количество потоков. Каждый пространственный поток содержит набор уникальных данных, а количество независимых пространственных потоков ограничено тем, какое Wi-Fi устройство имеет наименьшее количество радиолиний.

Как правило, этим ограничением является клиентское устройство: поскольку каждая радио цепь (антенна) потребляет энергию и требует место для размещения. Вот почему большинство мобильных смартфонов и планшетов способны поддерживать только однопотоковую или двухпотоковую связь, и даже высокопроизводительные ноутбуки и ПК обычно поддерживают только до трех потоков.

В первой волне 802.11ac пропускная способность повышалась не только за счет использования MIMO, а применялись и другие механизмы:

  • использование большей ширины канала;
  • более сложная схема модуляции и кодирования 256-QAM.

Однако общая ширина полосы в любом частотном диапазоне является «конечной» и это накладывает свои ограничения. Чем шире канал, тем больше он подвержен помехам.

Федеральная комиссия связи ведет работу над открытием большего количества нелицензированного спектра в 5 ГГц для Wi-Fi. Но каналы шириной в 80 и 160 МГц на практике остаются редко достижимыми из-за наличия помех. Чем выше модуляция, тем чище должен быть сигнал. Это означает одно — между точкой доступа и клиентами должен быть действительно хороший сигнал, практически такое возможно только когда они находятся на близких расстояниях в отсутствии помех.

Beamforming (адаптивное формирование диаграммы направленности луча)

Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) повышает пропускную способность канала за счет одновременной передачи данных на множество клиентов. Но есть еще другая эффективная технология – формирование диаграммы направленности луча в нисходящем канале – TxBF.

TxBF впервые была представлена в стандарте 802.11n, но широкого распространения не получила. Если в MIMO с каждой антенны отправляются разные пространственные потоки, то при формировании луча с нескольких антенн отправляется один и тот же поток со сдвигом фаз.

Роутер отправляет служебную информацию к клиенту со всех своих антенн, а клиент в обязательном порядке отвечает роутеру матрицей, которая указывает, что он увидел от каждой из антенн. Программное обеспечение маршрутизатора вычисляет примерное местоположение клиента и вносит поправки в работу всех своих передатчиков таким образом, что бы максимизировать сигнал на клиенте.

Например, для устранения замираний на одной из антенн изменяется фазовый сдвиг или увеличивается амплитуда сигнала для прохождения преграды. Если сигнал с разных антенн приходит синфазно и с одинаковой мощностью, он складывается – это понятие называется конструктивной интерференцией. В этом случаем за счет увеличения мощности сигнала возрастает скорость передачи данных и максимальное расстояние до клиента. И наоборот если приходит два сигнал с противоположной фазой они гасятся, и результирующая амплитуда сигнала может быть равна нулю – это называется деструктивной интерференцией радиоволн.

Для формирования диаграммы направленности требуется использование фазированной антенной решетки, в которой имеется множество одинаковых антенн и они разнесены на фиксированное друг от друга расстояние (для работы в противофазе)

За счет одновременной передачи данных сразу нескольким клиентам и поддержки множества пространственных потоков MU-MIMO позволяет увеличить канальную скорость в полосе.

Умея контролировать фазовую диаграмму направленности антенны, можно управлять зонами с максимальной конструктивной интерференцией — там, где сигнал является самым сильным, так и зонами с максимальной деструктивные интерференцией — там, где сигнал является самым слабым. А имея матрицу с параметрами сигналов от клиентов и зная их относительное положение, можно создавать шаблон для связи сразу с несколькими клиентами одновременно и независимо

Механизм передачи информации в MU-MIMO

  1. AP передает сигнальный зондирующий кадр;
  2. Каждое MU-MIMO-совместимое клиентское устройство передает назад точке доступа матрицу с данными;
  3. AP вычисляет относительную позицию каждого связанного клиентского устройства;
  4. Точка доступа выбирает группу клиентских устройств для одновременной связи;
  5. AP вычисляет необходимые смещения фазы для каждого потока данных для каждого клиента в группе и передает все потоки данных группе клиентов;
  6. AP отправляет BlockAckRequest каждому клиентскому устройству в группе отдельно, чтобы получить подтверждение того, дошли ли данные до клиентского устройства;
  7. AP получает BlockAck от каждого клиентского устройства в группе, которая успешно получила данные;
  8. Связь установлена и начинается передача данных.

Максимальное количество одновременно работающих клиентов на единицу меньше, чем общее количество доступных потоков роутера. Это математическое ограничение и вот почему. Точка доступа должна контролировать как зоны максимальной конструктивной интерференции для фокусирования самого сильного сигнала на клиентском устройстве, так и зоны максимальной деструктивной интерференции, чтобы минимизировать сигнал на других клиентских устройствах в этой группе.

Математически число переменных превышает число неизвестных, поэтому одним потоком нельзя управлять независимо. Таким образом, для текущего поколения точек доступа 802.11ac Wave 2 с поддержкой MU-MIMO 4×4: 4 допустима следующая комбинация групп:

  • Одно потоковое клиентское устройство 3×3: 3 и одно потоковое клиентское устройство 1×1: 1;
  • Два потоковых клиентских устройства 2×2: 2;
  • Одно потоковое клиентское устройство 2×2: 2 и до двух потоковых клиентских устройств 1×1: 1;
  • До трех потоковых клиентских устройств 1×1: 1.

Совместное использование пространственного мультиплексирования и адаптивного формирования диаграммы направленности луча позволяет:

  1. повысить помехоустойчивость системы (уменьшить вероятность ошибки);
  2. повысить скорость передачи информации в системе;
  3. увеличить зону покрытия;
  4. уменьшить требуемую мощность передатчика.

IoT (Интернет вещей) и MU-MIMO

Стандарт 802.11ax может поддерживать одновременно восемь передач MU-MIMO, по сравнению с четырьмя в 802.11ac. Одновременная поддержка восьми выделенных каналов позволяет большему количеству IoT устройств установить связь с точкой доступа и избежать проблем с пропускной способностью, которые существовали в более ранних версиях Wi-Fi, включая 802.11ac. Это особенно актуально, если в помещении большое количество устройств, обладающих низкой скоростью передачи данных (а это как раз и есть IoT).

Практические ограничения MU-MIMO

  1. Работа возможна только с клиентами поддерживающими 802.11ac и ax. Клиент должен принять информацию, предназначенную сразу нескольким клиентам, вычленить оттуда то, что предназначено только ему, обработать данные и отправить в матричном виде обратно роутеру. А для этого он должен уметь обрабатывать сигнальные кадры в дейтограммах, иначе он не сможет принять информацию.
  2. Клиенты должны находиться на значительном друг от друга расстоянии, что бы роутер мог сформировать потоки с разнесением во времени и пространстве. Если на столе будет лежать ноутбук, планшет и телефон, роутер не сможет вычислить пространственное положение каждого устройства и сформировать для него пространственно-временной сдвиг фаз. В этом случае он переключится на обычный МИМО-режим.
  3. Скорость передачи всегда будет выравниваться по самому медленному клиенту! ВСЕГДА!
Источники

  • https://help-wifi.ru/tekh-podderzhka/chto-takoe-wi-fi/
  • https://compress.ru/article.aspx?id=10735
  • https://buildsbb.ru/info/adaptivnoe-upravlenie-vaj-faj/
  • https://WiFiGid.ru/besprovodnye-tehnologii/adaptivnyj-rezhim-wi-fi
  • https://www.sit-com.ru/what-is-mu-mimo.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Переход на цифровое телевидение в России 2019
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: