В этой ситуации весьма кстати пришлась технология 802.11n, появление которой требует, однако, переосмысления процесса проектирования WLAN.
К главным аргументам в пользу стандарта 802.11n относят высокую пропускную способность вплоть до планируемых 600 Мбит/с, а также передачу данных на более дальние (по сравнению с предыдущими стандартами) расстояния. Наиболее значимый полезный эффект для многих пользователей при этом заключается в лучшем покрытии больших площадей. Однако с развитием технологий WLAN возрастает и их сложность, как в плане конструкции аппаратных компонентов, так и с точки зрения разработки концепции и проектирования сетей.
СТАТУС КВО СТАНДАРТА IEEE 802.11N
На данный момент стандарт 802.11n существует в виде проекта Draft 5.0, принятого в июле 2008 г. Его окончательная ратификация запланирована рабочей группой IEEE 802.11n на ноябрь 2009 г. Однако уже с весны 2007 г., с момента принятия проекта Draft 2.0, пользователи могут без больших опасений приобретать и использовать продукты 802.11n. Многие производители собираются обеспечить совместимость своих компонентов 802.11n с окончательной версией стандарта путем обновления микропрограммного обеспечения. Таким образом, пользователям предоставляются необходимые гарантии, заручившись которыми, они уже сейчас могут сделать ставку на новую технологию. Однако, даже если обновления микропрограммного обеспечения будет достаточно для соответствия окончательному стандарту, между сетями 11n на основе уже принятых проектов стандарта и на базе окончательного варианта будут существовать значительные различия.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Наиболее известное техническое новшество группы стандартов 802.11 — применение многоантенных систем множественного ввода/вывода (Multiple Input Multiple Output, MIMO), где используется как минимум две передающих и две принимающих антенны. В продуктах 802.11n всегда указывается параметр NхM антенн, где N — количество передающих, а M — количество принимающих антенн.
Принцип множественных антенн известен по некоторым устройствам стандарта 802.11g, но в 802.11n он обладает еще одной новой характеристикой: речь идет о пространственном мультиплексировании (Spatial Multiplexing), когда принимающая сторона определяет, какая антенна получает сигнал лучшего качества, а передатчик, отправляя поток бит, распределяет его между своими передающими антеннами. Это значит, что в случае MIMO 4х4 битовый поток разделяется на четыре отдельных потока, передаваемых параллельно (см. Рисунок 1). Каждая из четырех принимающих антенн получает от передающих суммированный сигнал, который необходимо декодировать.
Теоретически такие устройства способны за одно и то же время передать четырехкратный объем данных в том же самом диапазоне частот. Однако необходимой предпосылкой для этого является возможность декодирования входящих сигналов на каждой из принимающих антенн. Это возможно в том случае, если при распространении сигнала по различным путям возникает достаточное количество его отражений.
Практические измерения и сравнительные тесты показывают, что при отражении сигналов продукты 802.11n достигают более высоких скоростей передачи данных и позволяет разнести передающие и принимающие устройства на большее расстояние, чем в средах с незначительным отражением или совсем без него. Таким образом, правило, согласно которому при проектировании WLAN необходимо обеспечить свободную линию видимости (Line of Sight, LOS), для 802.11n становится излишним. Более того, его соблюдение может привести к снижению скорос-ти передачи. Гораздо важнее, чтобы окружающая среда способствовала получению достаточного числа отраженных сигналов. Если отправитель и получатель находятся слишком близко друг к другу и поэтому между антеннами практически не возникает отражений, а сигналы напрямую достигают приемной антенны, пользователям продуктов 802.11n не удастся достичь максимально возможной пропускной способности.
Однако в описанной ситуации даже более низкая скорость передачи между компонентами 802.11n существенно превышает ее значения для устройств стандартов 802.11b/g или 802.11a. Так, в неоптимальных средах скорость передачи в сетях 802.11n составляет, как правило, около 30-40 Мбит/с, а в сетях 802.11g — 13-16 Мбит/с. В типичной офисной среде, где происходит отражение сигналов, пропускная способность 802.11n на удалении до 15 м достигает 50-70 Мбит/с, а в реальных средах с наилучшими условиями может составлять 100 Мбит/с.
МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ
С помощью архитектуры 2х2, то есть при двух раздельных потоках, в соответствии с проектом стандарта 802.11n теоретически достижима скорость передачи данных в 300 Мбит/с, о скорости 600 Мбит/с можно говорить только в случае архитектуры 4х4. Кроме того, для обеспечения высоких скоростей привлекаются сложные методы модуляции.
802.11n предусматривает использование модуляции BPSK, QPSK, 16 QAM и 64 QAM. Эти механизмы встроены в приемопередатчик, работающий по технологии мультиплексирования с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), и применяются в зависимости от качества входящего сигнала. Метод BPSK мало подвержен помехам, но поддерживает низкую скорость передачи данных. Модуляция по методу 64 QAM, напротив, достаточно чувствительна к помехам, но позволяет достичь высоких скоростей, правда, при этом она предъявляет более высокие требования к наборам микросхем.
Различные измерения показали, что современные устройства 802.11n демонстрируют гораздо лучшие результаты, чем предшествующие им продукты 802.11g/a. Благодаря оптимизированной производительности аппаратного обеспечения, устройства 802.11n позволяют повысить пропускную способность и увеличить дальность передачи даже при совместной работе с оборудованием 802.11g/a. И хотя решения на базе стандарта 802.11g не выигрывают от наличия технологий MIMO, пространственного мультиплексирования или объединения каналов, применение аппаратного обеспечения 802.11n повышает производительность сети в целом.
При создании новых инфраструктур WLAN за счет использования точек доступа 802.11n можно улучшить производительность архитектур, состоящих только из клиентов 802.11g/a. Дополнительно открывается возможность постепенной интеграции клиентов 802.11n с последующим переходом к сети, полностью состоящей из компонентов 802.11n (с сохранением точек доступа).
ОБЪЕДИНЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ
В Европе диапазон частот WLAN в полосе 2,4 ГГц простирается с 2400 МГц до 2485 МГц. Для 802.11b/g и 802.11n в общей сложности имеется 13 различных каналов. Ширина одного канала около 20 МГц. Таблица распределения каналов показывает, что некоторые из них перекрываются, поскольку интервал между двумя соседними каналами составляет всего 5 МГц (Таблица 1). Однако для обеспечения необходимого затухания -20дБ нужно, чтобы минимальный интервал составлял 22 МГц. К примеру, если используется канал под номером 1, то следующий свободный канал – номер 6. Поэтому имело бы смысл распределять каналы таким образом: 1, 6, 11 или 1, 7, 13, или 1, 6, 13 и так далее.
Для повышения пропускной способности проект стандарта 802.11n Draft 2.0 предусматривает объединение каналов. Это означает, что два канала, по 20 МГц каждый, объединяются в один канал 40 МГц. Одновременно происходит сдвиг средней частоты. Как результат, для каналов с 1 по 4 для объединения доступны каналы, расположенные выше, а начиная с канала 5 — те, что находятся ниже (см. Таблицу 2).
Этот эффект объединения каналов лучше всего изобразить с помощью спектрального анализа. Такое спектральное отображение наглядно демонстрирует, что, начиная с канала 5, объединение осуществляется с нижележащим каналом (см. Рисунок 2).
Если на одной территории применяются устройства 802.11n и 802.11g, то при использовании каналов шириной 40 МГц устройства 802.11n взаимодействуют на высоких скоростях, но блокируют свободные частоты для клиентов 802.11g. В результате снижается общая пропускная способность всей сети WLAN. Для обеспечения одновременного сосуществования 802.11b/g/n продукты 802.11n поддерживают режим только 20 МГц, а также автоматический режим 20/40 МГц. При использовании 20 МГц всем станциям приходится ограничиваться полосой такой ширины. Автоматический режим 20/40 МГц позволяет предоставить клиентам как 20 МГц, так и 40 МГц. Если в частотном диапазоне слишком много помех, то точка доступа автоматически переключается на режим 20 МГц.
Следует также упомянуть, что каналы 40 МГц занимают значительную часть общей полосы и без того сильно загруженного диапазона 2,4 ГГц. Поэтому в гетерогенных сетях WLAN, где используются устройства 802.11b/g, следует выбирать режим 20 МГц. Задание нужного параметра необходимо проверить при конфигурации устройств. Следует добавить, что пропускная способность каналов 40 МГц по сравнению с каналами 20 МГц увеличивается не двукратно, как это можно было бы предположить. Как показали сравнительные измерения в реальных средах, наибольший выигрыш при использовании каналов 40 МГц (в процентном отношении) достигается лишь при подключении одной передающей и одной принимающей антенны.
Эти результаты оказывают влияние и на текущее развитие проекта стандарта 802.11n. Так, в окончательной версии стандарта будут специфицированы только каналы 20 МГц, что особенно важно для существующих архитектур, где используются решения 802.11b/g. Таким образом, окончательный стандарт 802.11n в диапазоне 2,4 ГГц позволит достичь максимальной номинальной скорости в 290 Мбит/с вместо заявленных 600 Мбит/с. Правда, на эффективную скорость указанные нововведения повлияют незначительно.
802.11N И ЛИНИИ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ
В стандартах 802.11b/g/a архитектура линий радиорелейной связи определялась только для одной узконаправленной антенны — как для отправителя, так и для получателя. Для устройств 802.11n реальные измерения показали другой результат.
Благодаря технологии MIMO максимальная пропускная способность достигается при отражениях сигнала. Так, для применения 802.11n в качестве линий радиорелейной связи (к примеру, для обеспечения соединения между двумя зданиями) рекомендуется устанавливать несколько внешних антенн. В идеале достаточно трех антенн, причем каждая должна обладать характеристикой направленности с относительно большим углом раскрыва.
Стандартные продукты, как правило, оснащаются лишь простыми многонаправленными антеннами 2 дБи. Кроме того, устройства 802.11n выигрывают за счет функции «формирование луча» (Beamforming), которая изменяет конус излучения, автоматически настраивая антенны на соответствующую корреспондирующую станцию. Эта операция осуществляется с помощью электроники и остается совершенно прозрачной для пользователя.
802.11N И ДВУХДИАПАЗОННЫЕ УСТРОЙСТВА
С недавних пор появились устройства, соответствующие проекту стандарта 802.11n и функционирующие как в диапазоне 2,4 ГГц, так и 5 ГГц. Стандарт предусматривает возможность работы в обоих диапазонах и допускает, ко всему прочему, использование только диапазона 5 ГГц. На этой частоте для 802.11n актуальны уже известные преимущества: наличие неперекрывающихся каналов, все еще малая загруженность данной частоты, а значит, и меньшее «загрязнение эфира» по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц.
Очень важный для архитектуры WLAN аспект — применение действительно «параллельных» устройств 2,4/5 ГГц. До сих пор остаются значительные различия между доступными двухдиапазонными устройствами стандарта 802.11n. «Параллельные» устройства должны быть способны одновременно работать в обоих диапазонах: например, точка доступа может подключать имеющихся клиентов 802.11g/n в диапазоне 2,4 ГГц и в то же время обслуживать устройства 802.11a и 11n в диапазоне 5 ГГц. Полная производительность стандарта 802.11n будет достигаться во всех случаях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
802.11n — на верном пути к тому, чтобы на несколько лет стать доминирующей технологией WLAN. С помощью стандарта 802.11n можно достичь не только более высокой пропускной способнос-ти, но и в два-три раза увеличить дальность действия как в помещениях, так и на открытых пространствах. В результате достигается расширение зоны покрытия, а для обслуживания одной и той же территории требуется меньшее количество точек доступа. При развертывании сетей WLAN с поддержкой 802.11n необходимо учитывать тот факт, что технология MIMO использует отражения. Прежде всего это касается линий радиорелейной связи и сред с незначительным отражением. Кроме того, администраторам необходимо провести детальное сканирование окружающей среды (Site Survey) с учетом имеющихся в наличии клиентов WLAN, чтобы оценить эффективность каналов 20/40 МГц и, в случае снижения пропускной способности, установить причину происходящего.
Майк Ланге – менедждер по маркетингу и развитию бизнеса в D-Link Deutschland.