- Вступ Якщо опустити деякі технічні нюанси, то при грубому наближенні можна сказати, що перший стандарт...
- Проблеми в Wi-Fi мережах з високим навантаженням
- Робота протоколу CSMA / CA
- Накладається обслуговування
- Спільне використання каналів
- Підвищення ефективності за рахунок зміни логіки роботи на рівні MAC
- від редакції
Вступ
Якщо опустити деякі технічні нюанси, то при грубому наближенні можна сказати, що перший стандарт 802.11b Wi-Fi мав максимальну швидкість передачі даних в 11 Мбіт / с. Потім через кілька років вийшли 802.11 a / g (2003 рік) і швидкість передачі даних була збільшена до 54 Мбіт / сек. Такий стрибок вдалося зробити завдяки впровадженню технології OFDM - мультиплексуванню з ортогональним частотним поділом. Пізніше з'явився 802.11n з революційними технологіями MIMO і агрегацією каналів, в результаті чого вдалося домогтися швидкостей до 600 Мбіт / сек. А в останні кілька років з виходом 802.11ac швидкості передачі даних наблизилися до 7 гігабіта, однак, як і в далекому 99-му році реальні швидкості передачі даних були в рази (а то й на порядки) менше.
Навіть розробники стандарту вже не заперечують факт того, що заявлені "на коробці" швидкості доступні лише в ідеальних лабораторних умовах. Насправді ж, користувачі відчувають розчарування при спробі перевірити свою пошту, підключившись до загальнодоступного Wi-Fi в жвавому місці.
Нова версія стандарту Wi-Fi-802.11ax, яку вже охрестили "Ефективною" (High Efficiency Wireless) призначена для вирішення проблем зі швидкістю доступу в високонавантажених мережах. Завданням HEW Wi-Fi (802.11ax) буде підвищення середньої пропускної здатності в бездротової мережі на одного користувача. Подібна спроба була зроблена раніше в стандарті 802.11ac, коли були запропоновані різні способи збільшення узгодженої роботи великої кількості пристроїв, але багато хто з них, виявляється, працюють недостатньо ефективно.
Основні характеристики 802.11ax HEW
При порівнянні з попереднім стандартом 802.11ac, можна відзначити, що з появою 11ax буде здійснено повернення в діапазон 2.4 ГГц. Раніше з цього діапазону пішли (в 802.11ac він не підтримувався), але, в кінцевому підсумку, зрозуміли, що 5-гігагерцовий діапазон має свої недоліки, і зокрема, малий радіус дії. Чи дасть повернення в діапазон 2.4 ГГц якісь переваги, момент спірний: в цьому діапазоні хоч і більший радіус дії, але старих пристроїв b / g / n теж значно більше, а значить, доведеться працювати в режимі сумісності з ними. Також, в новому стандарті в 4 рази зріс рівень застосовуваної модуляції з QAM-256 до QAM-1024. Більш докладний список змін наведено в таблиці нижче:
802.11ac802.11axДіапазон, ГГц
5 2.4 / 5 Ширина каналу, МГц 20,40, 80, 80 +80, 160 20,40, 80, 80 +80, 160 Розмір FFT в OFDM 62, 128, 256, 512 256, 512, 1024, 2048 Рівень модуляції 256-QAM 1024-QAM Швидкості передачі даних Мбіт / сек 433 (ширина каналу 80 МГц) 6933 (ширина каналу 160 МГц) 600.4 (ширина каналу 80 МГц) 9607.8 (ширина каналу 160 МГц)
- Як і в раніше випущених стандартах, 802.11ax матиме зворотну сумісність з лінійкою раніше випущеного обладнання Wi-Fi-стандартів: 802.11a / b / g / n / ac;
- Планується чотириразове збільшення середньої пропускної здатності мережі для кожного окремого користувача в сильно завантажених хот-спот (вокзалах, аеропортах, стадіонах і ін.);
- Швидкості передачі даних і ширину каналу планується залишити такий же, як і в 802.11ac, за винятком того, що будуть додані нові методи кодування: MCS 10 і MCS 11, підтримують модуляцію 1024-QAM;
- Передача даних Uplink і Downlink буде проводитися з використанням технології MU-MIMO і OFDMA;
- В 4 рази буде збільшено розміри OFDM FFT. Це означає, що піднесуть стануть ближчими один до одного (відстань між ними зменшиться в 4 рази), крім того, буде збільшена тривалість кожного символу (теж в 4 рази). Це дозволить підвищити надійність при передачі даних і продуктивність бездротових пристроїв в умовах багатопроменевого завмирання;
- Зміниться алгоритм доступу до каналу передачі даних.
На Wi-Fi, як і раніше покладають великі надії, а конкретно до offloading (можливості робити розвантаження стільникового трафіку за допомогою Wi-Fi), адже за прогнозованими даними, до 2020 року через Wi-Fi-мережі операторів зв'язку буде прокачуватися 38.1 ексабайт даних щомісяця . Ще в минулому році прогнозована цифра не перевищувала 30 ексабайт. У перерахунку на фільми в форматі Blue-ray, це понад 6 тисяч фільмів в хвилину.
Проблеми в Wi-Fi мережах з високим навантаженням
Мабуть, найголовніша проблема Wi-Fi пристроїв полягає в тому, що вони є хабами. Так, ці Хаби напхані новими можливостями за останнім словом техніки, але це Хаб, який, як і в далеких 90-х роках, "вмирає" від збільшення кількості абонентських пристроїв.
Взагалі, основні проблеми Wi-Fi-пристроїв (як в загальному і будь-яких інших пристроїв зв'язку) можуть бути розглянуті на двох рівнях моделі OSI : На фізичному рівні і на рівні MAC. Грубо кажучи, фізичний рівень включає в себе радіотехнології, методи модуляції та ін., А рівень MAC - це рівень доступу до середовища передачі, тобто включає в себе логіку роботи пристроїв в мережі (і відповідно проблеми, що виникають в результаті цього). У цій статті ми розглянемо зміни, які з'являться на MAC-рівні, а в другій частині статті буде проведений аналіз фізичного рівня.
Взагалі, можна виділити 3 основні проблеми, які не дозволяють Wi-Fi працювати швидко з великою кількістю абонентів:
- Особливості роботи протоколу доступу до середовища передачі CSMA / CD - MAC-рівень моделі OSI;
- Накладається обслуговування різних Wi-Fi-пристроїв - Фізичний рівень моделі OSI;
- Спільне використання каналів шириною до 160 МГц - Фізичний рівень моделі OSI.
Робота протоколу CSMA / CA
Протокол 802.11 використовує метод множинного доступу до середовища з контролем несучих і запобіганням колізії CSMA , В якому бездротові станції спочатку прослуховують канал зв'язку і намагаються передавати дані тільки тоді, коли канал не активний. Тим самим, вони намагаються уникнути колізій при передачі пакетів. Коли станція Wi-Fi виявляє в каналі активність іншого обладнання, вона очікує певну кількість часу, перш ніж знову прослухати канал і спробувати передати пакет. У ті проміжки часу, коли канал виявляється вільний, пристрій Wi-Fi намагається передати свої дані. Зрозуміло, що чим більше пристроїв працює в одній мережі, тим довше доводиться чекати для передачі пакета.
Також, в Wi-Fi мережах може виникати проблема "прихованого терміналу". У бездротових мережах можлива ситуація, коли два пристрої А і В віддалені один від одного досить далеко, щоб не чути один одного, проте обидва потрапляють в зону охоплення третього устрою С. Якщо обидва пристрої А і В почнуть передачу даних до C, то вони принципово не зможуть виявити конфліктну ситуацію і визначити, чому пакети не доходять:
Для вирішення проблеми прихованого терміналу, станція, яка хоче захопити середу, замість кадру даних спочатку має послати станції призначення короткий службовий кадр RTS (Request To Send - запит на передачу). На цей запит станція призначення повинна відповісти службовим кадром CTS (Clear To Send - вільна для передачі), після чого станція-відправник може відправити кадр даних. Кадр CTS повинен оповістити про захоплення середовища ті станції, які знаходяться поза зоною дії сигналу станції-відправника, але в зоні досяжності станції-одержувача, тобто є прихованими терміналами для станції-відправника.
Потім, станція чекає пакет підтвердження ACK про отримання даних від точки доступу. Отримання ACK є свого роду підтвердженням того, що пакет був коректно переданий. Якщо станція не отримує ACK протягом певного інтервалу часу, то пакет вважається втраченим в результаті колізії. Після цього станція збільшує період відстрочки і повторно намагається передати свій пакет. Детальніше роботу RTS і CTS можна почитати тут .
Хоча протокол CSMA добре підходить для рівноправного розподілу каналу серед всіх учасників в загальній зоні радіопокриття, ясно, що зі збільшенням кількості пристроїв в мережі, його ефективність досить швидко зменшується. Зі збільшенням кількості пристроїв в мережі відбувається також і збільшення службових кадрів, а час очікування для отримання доступу нелінійно збільшується.
Накладається обслуговування
Іншим фактором, який призводить до колізій в бездротової Wi-Fi-мережі, є наявність безлічі точок доступу з перекриваються областями обслуговування. На малюнку нижче зображено "Пристрій A", яке працює в мережі My BSS. "Пристрій B" також працює в мережі My BSS і буде намагатися отримати доступ до середовища передачі нарівні з "Користувачем А" в своїй зоні обслуговування. Однак цей B-користувач може частково знаходитися в зоні обслуговування іншої точки доступу і чути трафік від Overlapping BSS справа:
В цьому випадку трафік з OBSS змушуватиме "Пристрій B" викликати процедуру відстрочки, описану в попередньому пункті. Через те, що абонентські пристрої чують трафік з інших мереж, це призводить до того, що пристроїв доводиться довше чекати своєї черги для передачі, що також знижує середню пропускну здатність в мережі.
Спільне використання каналів
Третій фактор, який слід враховувати, - це спільне використання широких каналів. Як відомо, в 802.11ac є можливість працювати з каналами шириною до 160 МГц:
Але каналів шириною по 160 МГц в неліцензованому діапазоні 5 ГГц можна організувати лише 1 або (в деяких країнах) 2. Це призводить до того, що пристрої в мережі повинні працювати на одному каналі, створюючи тим самим один одному перешкоди. Широкі канали дозволяють багаторазово збільшувати швидкості передачі даних, але вже з виходом 802.11ac було ясно, що для великих мереж краще використовувати якомога більше вузькі канали, щоб клієнтські пристрої якомога менше заважали один одному.
Працюючи на одному каналі (нехай навіть і дуже широкому - 160 МГц!), Користувачі будуть відчувати взаємні перешкоди, що погіршує продуктивність і позбавляє переваги від використання Carrier Aggregation в принципі. Це особливо актуально для високих швидкостей передачі даних MCS 8, 9, 10 і 11, які набагато більш вимогливі до відношенню сигнал / шум. Крім того, при поточній реалізації мереж 802.11, досить багато пристроїв працює на каналах з шириною 20 МГц, що робить канали в 40, 80 і 160 МГц марним, адже використовує їх обладнання при виявленні пристроїв, що працюють на вузьких каналах, повинен буде "впасти" в режим сумісності з ними.
Підвищення ефективності за рахунок зміни логіки роботи на рівні MAC
Як було зазначено раніше, в першій частині статті ми розглянемо, які нововведення нас чекають на рівні MAC з виходом 802.11ax. Для підвищення продуктивності пристроїв і ефективного використання спектра, на рівні MAC в стандарті 802.11ax бездротові пристрої навчать ідентифікувати сигнали від перекриваються BSS, і на основі цієї інформації запобігати конфліктним ситуаціям. Для того щоб відрізняти пакети від різних BSS в стандарті ввели нове поняття - "Color Code". Переводити його дослівно особливого сенсу немає, але для простоти розуміння досить відзначити, що це певний код, за яким можна буде ідентифікувати пакети різних BSS.
Коли станція, яка активно прослуховує спектр, виявляє в ньому кадр 802.11ax, вона перевіряє його Color Code BSS або MAC-адресу в заголовку пакета. Якщо Color Code BSS у виявленому пакеті має той же тип, що і в "рідній" мережі, тоді станція буде обробляти цей кадр. Однак якщо виявлений кадр має інший Color Code, тоді вона його проігнорує:
Крім цього, стандарт буде визначати ще деякі механізми фільтрації трафіку від перекриваються BSS. Наприклад, буде реалізовано автоматичне підвищення порога виявлення сигналу для кадрів від суміжних BSS, при збереженні більш низького порога для трафіку всередині BSS. Таким чином, трафік від сусідніх OBSS не створюватиме непотрібні конфлікти доступу до каналу:
Тобто, станції 802.11ax крім використання Color Code також зможуть самостійно регулювати поріг виявлення сигналу OBSS разом з управлінням потужністю передачі. Передбачається, що це поліпшить продуктивність пристроїв на рівні MAC і забезпечить більш оптимальне використання каналу.
На додаток до вищесказаного, в стандарті 802.11 використовується алгоритм логічного визначення доступності середовища передачі (Network Allocation Vector, NAV), який працює в такий спосіб.
Якщо при прослуховуванні ефіру вузол приймає будь-якої пакет, то, виходячи з інформації, що міститься в його заголовку (довжини пакета), він визначає, скільки часу буде ще тривати ця передача, і встановлює таймер. Наступне прослуховування середовища буде проводитися тільки після закінчення інтервалу часу, відрахувавши цим таймером. Таким чином, NAV забезпечує середню резервування для кадрів, критично важливих для роботи протоколу 802.11, таких як керуючі кадри, дані і ACK після обміну RTS / CTS. Цільова група 802.11, що працює над Wi-Fi HEW, включить в новий стандарт два різних NAV: один NAV буде працювати всередині BSS, а другий між перекриваються станціями - OBSS NAV. Це допоможе станціям прогнозувати трафік в межах своєї власної BSS і знати стан трафіку з перекривається мережі.
З виходом 802.11ax, Wi-Fi пристрої як і раніше залишаться хабами, у яких спробували "підкрутити" логіку роботи і тим самим збільшити середню швидкість в мережі. За фактом, збільшення швидкості буде вироблено за рахунок зменшення конфліктних ситуацій, що виникають при роботі пристрою в перекриваються мережах. Пристрої навчили розрізняти трафік з перекриваються мереж, дали їм можливість автоматично регулювати чутливість каналу і додали NAV, який буде передаватися між перекриваються станціями. Також в Wi-Fi HEW крім змін до логіці роботи на рівні MAC, також планується доопрацювати фізичний рівень, і всі значущі зміни на цьому рівні ми більш детально розглянемо в другій частині нашої статті.
від редакції
Ми попросили дати коментар до статті технічного експерта компанії "НАГ" Михайла Ваняшкіна. І ось, що він сказав:
"Стандарт 802.11ax, дійсно, несе в собі багато змін, але істотних змін в короткі терміни чекати не варто.
1. Практична реалізація "в залізі" зазвичай далека від максимальних можливостей, закладених в стандарт.
2. Велика кількість клієнтських пристроїв, випущених в стандартах 802.11ac / n, ще довго будуть заважати отримати результат від нововведень 802.11ax. "
