Моя дипломная работа

В совокупности эти три метода дают существенный результат. Из таблицы 3.2 следует, что минимально допустимая скорость для устройства стандарта 802.11ac в 4,4 раз больше, чем устройства 802.11n. Реальная пропускная способность будет зависеть от эффективности MAC-уровня

(редко бывает лучше, чем 70%) и возможностей устройства на каждом конце канала связи.

Рис.3.2. Эволюция точек доступа Cisco с 802,11 Физического уровня.

На рисунке 3.2. изображена эволюция технологий беспроводных сетей,

и показан переход от скоростей 1 и 2 Мбит/с на гигабитную скорость за 16-

летний период роста скоростей (от 1997 до 2013) в рамках стандарта IEEE 802.11ac

51

Табл. 3.2. Максимальные значения скоростей стандартовIEEE802.11a/n/ac по классам устройств

				Тип			Скорость
			Кол-во				передачи	Реальная
	Номинальная			сигнального
		Полоса	простран-			Защитный	на	пропускная
	конфигурация			созвездия	и
		(МГц)	ственных			интервал	физическо	способность
	(класс) устройств			скорость
			потоков				м уровне	(Мбит/с)*
				кодирования
							(Мбит/с)
				802.11a
	Максимально	20	1	64QAM3/4		Длинный	54	24
	возможная					(800 мкс)
				802.11n
	Минимально	20	1	64QAM5/6		Длинный	65	46
	возможная					(800 мкс)
	Низкого класса	20	1				72	51
	(только 2.4 ГГц)**
	Среднего класса	40	2				300	210
				64QAM5/6		Короткий
	Высокого класса	40	3				450	320
						(400 мкс)
	Максимально
	допустимая	40	4				600	420
	стандартом
				802.11ac
	Минимально	80	1	64QAM5/6		Длинный	293	210
	возможная					(800 мкс)
		80					433	300
	Низкого класса		1
		160					867	610
		80					867	610
	Среднего класса		2
		160					1730	1200
		80				Короткий	1300	910
			3	256QAM5/6
		160				(400 мкс)	2600	1800
	Высокого класса
		160	4				3470	2400
		80	8				3470	2400
	Максимально
	допустимая	160	8				6930	4900
	стандартом

*При условии эффективности MAC-уровня в 70%, исключая 802.11a, который не поддерживает агрегацию. ** Полагая, что канал 40 МГц недоступен из-за присутствия других точек доступа.

52

Таблица 3.3. Основные компоненты стандартов 802.11n/ас

Параметр			802.11n	802.11ac Draft		Ратифицированный
						802.11ac
Рабочий диапазон			2.4 ГГц, 5 ГГц	5 ГГц		<6 ГГц, исключая 2.4
						ГГц
Полоса пропускания			Обязательно: 20 МГц,	Обязательно: 20, 40 и 80 МГц
			Дополнительно:40 МГц	Дополнительно: 160 и 80+80 МГц
Модуляция			Обязательно:BPSK,	Обязательно:BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
			QPSK,16QAM, 64QAM	Дополнительно: 256QAM
			Обязательно:	Обязательно:
			2 (для точек доступа),
				2 (для точек доступа),
			1 (для остальных
Кол-во пространственных				1 (для остальных устройств)		Обязательно:1
			устройств)
потоков				Дополнительно:		Дополнительно: 2-8
			Дополнительно:
				до 4-х пространственных
			до 4-х пространственных
				потоков
			потоков
Быстрое	исправление			Обязательно: BCC
ошибок				Дополнительно: LDPC
			Дополнительно:	Дополнительно:		Дополнительно:
STBC			Базовые: 2×1 и 4×2	2×1 от точки доступа к
					2×1, 4×2, 6×3, 8×4
			Расширенные: 3×2 и 4×3	клиенту
Короткий	защитный			Дополнительно
интервал
Зондирование	канала для		Дополнительно: несколько	Дополнительно:
формирования луча			вариантов взаимодействия	единый протокол взаимодействия
CTS-ответ	наRTS	с	Нет	Обязательно
индикацией полосы
RTS с индикацией полосы			Нет	Дополнительно
			Обязательно:	Обязательно:
			TXиRXв формате	TXиRXв формате
Агрегация			A-MPDU,	A-MPDU,		Обязательно:A-MDPU;
			Дополнительно:	Дополнительно:		A-MDPU – A-MSDU
			RXв формате	RXв формате
			A-MPDU– A-MSDU	A-MPDU– A-MSDU
MU-MIMO			–	–		Дополнительно
Несимметричные			Да	Нет
модуляции
Короткий интервал (RIFS)			Дополнительно	Нет
Максимальный	размер		7 935 байт	11 454 байт
MPDU
Максимальный	размер A-		65535 байт	1 048 575 байт
MPDU

53

Устройство 802.11ас, поддерживающее только обязательные параметры (полоса 80 МГц, 1 пространственный поток и модуляция 64 QAM

со скоростью кодирования 5/6) будет способно к передаче данных на скорости, ~ 293 Мбит/с, а устройство, реализующее все дополнительные параметры (8 пространственных потоков, модуляцию 256 QAM со скоростью кодирования 5/6 и коротким защитным интервалом) теоретически будет в состоянии достичь почти 6,93 Гбит/с.

В таблице 3.3 представлены основные характеристики стандарта

802.11n, основные улучшения, введённые в черновой версии стандарта

802.11ac Draft и характеристики, планируемые для ратифицированного стандарта 802.11ac.

3.1.1 Формирование каналов

В отличие от устройств 802.11n, работающих в диапазонах 2,4 ГГц и 5

ГГц, устройства 802.11ac будут работать только в диапазоне 5 ГГц. Выбор,

ограничивающий использование только этим диапазоном частот, в основном обусловлен требованиями к ширине полосы пропускания каналов. Поскольку полоса пропускания канала значительно увеличивается, расположение канала становится проблемой, особенно в переполненном и фрагментированном диапазоне 2,4 ГГц (для 802.11n в нем доступно всего 3 неперекрывающихся канала). Диапазон 5 ГГц позволяет значительно увеличить полосу пропускания, доступную для беспроводной передачи. Также он позволяет избежать помех от устройств, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, включая устройства ранних стандартов 802.11b/g, Bluetooth-устройства,

микроволновые печи и др. Все каналы размещаются в трёх сегментах спектра: 5,170 – 5,330 ГГц; 5,490 – 5,730 ГГц и 5,735 – 5,835 ГГц (Рис. 3.3).

Стандарт 802.11n требовал от устройств обязательной поддержки каналов 20 МГц, а также разрешал дополнительно использовать каналы 40

МГц путём объединения двух каналов 20 МГц.

Стандарт 802.11ac перенимает этот простой подход к разделению полосы частот по каналам. Смежные каналы 20МГц сгруппированы попарно

54

для получения каналов 40МГц, смежные каналы 40МГц сгруппированы попарно для получения каналов 80МГц. Поддержка каналов 20, 40 и 80 МГц в 802.11ас является обязательной. При необходимости допускается также использование двух смежных каналов 80 МГц в режиме 160 МГц или двух несмежных каналов в режиме 80+80 МГц. Удвоение полосы канала с 40 до 80

МГц – это весьма эффективный способ повышения производительности с наименьшими затратами. Всего максимально возможно до 24каналов 20

МГц, до 11 каналов 40 МГц, до 5 каналов 80МГц, 2 канала 160МГц.

Рис. 3.3. Распределение каналов в сегментах спектра

Точка доступа со своими клиентами, использует различные полосы частот для различных целей, но использование, главным образом,

регулируется возможностями клиентов.

Путём удвоения полосы, каждый пространственный поток может поддерживать примерно вдвое большее количество бит на символ. Таким образом, передача одного потока с использованием полосы 80 МГц может обеспечить такую же производительность, как передача двух потоков с использованием полосы 40 МГц. Для поддержки двух потоков, передатчик и приёмник должны иметь, по крайней мере, каждый, по две антенны, в то время как для передачи (или приёма) одного потока требуется одна антенна.

Поэтому системе 80 МГц, требуется меньшее количество оборудования при той же производительности, что и системе 40 МГц. Это позволяет сократить энергопотребление устройства, используя меньшее количество радиочастотных компонентов. Конструкция 80 МГц будет более

55

требовательна, чем конструкция 40 МГц, но преимущество в стоимости останется у системы с более широкой полосой пропускания.

Однако одноантенные системы не обеспечивают надёжность, которая требуется в некоторых сценариях качества обслуживания. Чтобы обеспечить стабильную доставку видео, количество антенн должно быть выше, чем количество пространственных потоков. Пространственное разнесение является критической частью стабильной доставки данных с QoS. Поэтому,

даже системы 80 МГц, если они будут использоваться в приложениях,

требующих стабильной и надёжной передачи данных, должны быть построены с использованием нескольких антенн.

Кроме того, в реальных сценариях производительность зависит не только от скорости физического уровня, но также и от помех, создаваемых другими сетями, находящимися в непосредственной близости.

Так как в 802.11ас каналы шире, становится более вероятной ситуация перекрытия, когда одной точке доступа 80 МГц со всеми привязанными к ней клиентами становится гораздо труднее избежать помех от соседних сетей

(которые могут быть сетями 20/40 МГц стандарта 802.11n). Это означает, что точке доступа 802.11ас придётся делить тот же канал с каждой соседней точкой, получая доступ к нему только на часть времени. Кроме того, системе

80 МГц неблагоприятен тот факт, что все четыре канала по 20 МГц (или два по 40 МГц) должны быть свободны для того, чтобы начать полноценную 80

МГц-евую передачу. Передача 20/40 МГц в какой-либо части канала 80 МГц будет мешать использованию всего диапазона для передачи. Это уменьшает вероятность доступа к полному каналу системы 802.11ас в плотной среде.

Отметим, что 802.11ac предоставляет механизм для 80 МГц системы,

позволяющий вернуться к режиму сниженной полосы пропускания – «режим динамической пропускной способности». Этот механизм является дополнительным.

Для двух точек доступа стандарта 802.11ac в режиме 80 МГц разрешено выбрать для работы одну и ту же полосу 80 МГц, но, одна точка

56

доступа выберет свой первичный канал в пределах нижних 40 МГц полосы, а

другая точка доступа выберет свой первичный канал в пределах верхних 40

МГц полосы. Это означает, что клиенты 802.11n, привязанные к первой точке доступа, смогут передавать в каналах 20/40 МГц нижнего диапазона, в то же время клиенты 802.11n, привязанные ко второй точке доступа смогут параллельно передавать в каналах 20/40 МГц верхнего диапазона, не мешая друг другу. Ещё одно нововведение в стандарте 802.11ac – возможность для любого клиента 802.11ac, видящего, что вся полоса в 80 МГц свободна,

включить режим VHT и осуществить передачу с использованием всей свободной полосы (Рис. 3.4).

Рис. 3.4. Пример параллельных передач в двух BSS в одной полосе 80 МГц, но с

различными первичными каналами.

Возможность точек доступа работать с перекрытием, но на различных

первичных каналах возможна благодаря следующим новшествам:

•В 802.11ac по сравнению с 802.11n улучшены пороги чувствительности для обнаружения сигналов на вторичных каналах.

•Добавлена индикация пропускной способности в механизм обмена RTS/CTS.

С расширенным каналом больше клиентов получают возможность передать свои данные быстрее и, соответственно, могут завершить передачи гораздо раньше. В целом другие клиенты не будут долго ждать, энергии батареи потребляется меньше.

57

Т.к. количество каналов 160 МГц крайне мало, они не подходят для использования на типичном предприятии, где требуется довольно много неперекрывающихся каналов. По этой причине стандарт 802.11ac также допускает несмежный режим 80+80 МГц. Суммарный сигнал передаётся в диапазоне 160 МГц, но в двух разнесённых частотных сегментах, каждый из которых может находиться на любом разрешённом для него канале 80 МГц.

Для обеспечения дуплексности все так же используется временное разделение. В обоих частотных сегментах одновременно возможна только передача либо только приём; режим, в котором в одном сегменте происходит приём, а в другом сегменте передача не предусматривается.

Это позволяет предоставить значительно больше гибкости, с целью избежать наложения. Режим 80+80 МГц имеет 13 возможных вариантов по сравнению с двумя возможными для 160 МГц. Однако, устройство с поддержкой режима 80+80 МГц сложнее технически, чем устройство,

поддерживающее режим 160 МГц. Такому устройству требуется вдвое больше радиочастотных компонентов. Оно может работать в двух режимах:

либо как устройство с поддержкой полосы 80 МГц с двумя пространственными потоками либо как устройство 80+80 МГц с одним пространственным потоком.

Конечно, трудно получить максимальную отдачу от 802.11ac не контролируя назначение первичных каналов точек доступа. Это осуществляется, как правило, под руководством алгоритма эффективного централизованного управления радиоресурсами (Radio Resource Management, RRM). Обновив программное обеспечение существующих RRM-систем можно обнаруживать присутствие точек доступа 802.11ac по новым полям

802.11ac в маячковых кадрах и выделять влияющую полосу. Задача назначения каналов становится более сложной, появляются дополнительные требования:

• Избегать каналов сосуществования с радарами (если они присутствуют);

58

•Равномерно распределять полосу пропускания каналов и назначать первичные каналы;

•Стараться избегать каналов, которые перекрываются каналами

20, 40, 80, 160 или 80+80 МГц соседних точек доступа;

• В рамках канала 80 МГц (к примеру), решить, совмещать ли первичные каналы с другими точками доступа или целенаправленно не совмещать. Это неявный выбор.

– Если первичные каналы совмещены, то виртуальный контроль несущей работает полностью, однако весь трафик 20/40 МГц (включая широковещательный, групповой и трафик данных устройств 802.11a/n)

отправляется последовательно. В это время оставшаяся часть полосы пропускания не используется. Тем не менее, если клиенты преимущественно стандарта 802.11ac – это, как правило, лучший подход с точки зрения распределения пропускной способности и времени передачи.

– Наоборот, если основной канал одной точки доступа присваивается из нижней полосы 40 МГц, а основной канал другой точки доступа присваивается из верхних 40 МГц, то передачу 20/40 МГц трафика можно распараллелить. Если клиенты преимущественно 802.11a/n – это лучший выбор. Когда весь диапазон 80 МГц свободен, измерен на предмет обнаружения несущей, RTS/CTS с индикацией пропускной способности, то связь по каналу 80 МГц между устройствами 802.11ac по-прежнему разрешена.

3.1.2 Технология OFDM

Стандарт 802.11ac «повторно» использует там, где это возможно,

наработки стандарта 802.11n, модифицировав их для достижения своих целей. Одна из таких наработок – модуляция OFDM.

Количество OFDM-поднесущих сигнала 802.11ac зависит от полосы пропускания (см. Табл. 3.4). Поднесущие, которые не используются для передачи сигнала, являются нулевыми (защитными).

59

Таблица 3.4. Распределение поднесущих

	Полоса	Количество	Поднесущие, на		Пилотные
			которых передаётся		поднесущие (в VHT-
	(МГц)	поднесущих
			сигнал		LTF)
	20	64	с -28 по-1 и с 1 по 28		±7, ±21
	40	128	с -58 пo -2	и с 2 пo 58	±11, ±25, ±53
	80	256	с -122 пo -2	и с 2 пo 122	±11, ±39, ±75, ±103
	160	512	с -250 по-130, с -126 пo -6,		±25, ±53, ±89, ±117,
			с 6 пo 126 и со 130 пo 250		±139, ±167, ±203, ±231
	80+80	2х256	Как и в	80 МГц	Как и в 80 МГц

Так как устройства 802.11асдля сосуществования с устаревшими устройствами 802.11а/n будут отправлять преамбулу в каждых 20 МГц диапазона, появляется проблема высокого соотношения пиковой и средней мощности(PAPR), что снижает эффективность работы усилителей. Чтобы устранить этот эффект, фаза поднесущих в верхних полосах 20 МГц смещается, как показано в таблице 3.5.Смещение фазы поднесущих в случае канала 40 МГц повторяет случай стандарта 802.11n.

Таблица 3.5. Смещение фазы поднесущих в зависимости от полосы пропускания

	Полоса	Поднесущие со смещаемой фазой	Величина смещения
	(МГц)
	20	Нет	–
	40	>0	90 градусов
	80	>-64	180 градусов
	160	с -192 по -1 и>64	180 градусов
	80+80	Те же, что в 80 МГц для каждого 80 МГц сегмента	Та же, что и в 80 МГц

3.1.3 Схемы модуляции и кодирования

Так же как и стандарт 802.11n, стандарт 802.11ас требует обязательной поддержки устройствами модуляций BPSK, QPSK, 16QAM и 64QAM.

Однако существуют два ключевых различия между спецификациями

802.11ас и 802.11n.

60