802.11ac: в ожидании «второй волны»

С появлением технологии IEEE 802.11ac беспроводные сети Wi-Fi перешагнули гигабитный барьер. И хотя доля устройств с поддержкой новой технологии стремительно растет, некоторые эксперты рекомендуют дождаться второй волны решений — Wave 2, где преимущества 802.11ac в высокой скорости будут реализованы в полной мере.

Стремительный рост потребности в беспроводной передаче данных и доступе в Интернет стимулирует технический прогресс в области Wi-Fi. Как прогнозируют эксперты Cisco, к 2017 году половина всего трафика в корпоративных сетях будет генерироваться устройствами Wi-Fi. Этому в немалой степени поспособствует распространение устройств Wi-Fi нового стандарта 802.11ас, принятого институтом IEEE летом 2013 года.

Согласно данным ABI Research, в 2013 году доля точек доступа 802.11ас на потребительском рынке составила 8%, а всего было продано 139,1 млн различных инфраструктурных устройств Wi-Fi, включая маршрутизаторы и шлюзы. В этом году доля устройств 802.11ас в указанном сегменте приблизится к 45%. На корпоративном рынке доля устройств 802.11ас была ниже: 6% от 13,2 млн точек доступа, поставленных в 2013 году. Меньший процент объясняется тем, что оборудование корпоративного класса с поддержкой нового стандарта просто позже появилось на рынке.

Согласно прогнозу ABI Research относительно выпуска микросхем для сетей Wi-Fi, уже в текущем году число микросхем с поддержкой 802.11ac значительно превысит число микросхем, где эта новая технология не применяется (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Поставки микросхем с поддержкой различных технологий Wi-Fi (в млн штук).

Продукты 802.11ас принято делить на «две волны» (см. Рисунок 2). «Первая волна началась с выхода оборудования для домашнего применения в конце 2012 года, оборудование корпоративного уровня появилось позже, во II квартале 2013 года, одновременно с первыми смартфонами, поддерживающими новую технологию», — рассказывает Юлия Андрианова, менеджер по развитию бизнеса в области беспроводных технологий компании Cisco.

Рисунок 2. Увеличение скорости систем Wi-Fi (скорости указаны в Мбит/с; пп — пространственный поток).

«Высокие скорости передачи стандарта 802.11ас позволяют существенно экономить заряд батареи и, соответственно, способствуют увеличению времени работы мобильных устройств без подзарядки, — добавляет она. — Неудивительно, что производители мобильных устройств активно поддержали 802.11ас, и сегодня на рынке присутствует широкий спектр устройств, где эта технология реализована».

ДВА ПОДХОДА: СПЕШИТЬ ИЛИ НЕТ?

Компания Cisco, по данным ABI Research, лидирует на рынке оборудования 802.11ас корпоративного класса с долей около 20%. Она принимала активное участие в разработке стандарта, а в июне 2013 года первой получила сертификат 802.11ac от Альянса Wi-Fi на коммерческий продукт корпоративного уровня. Сегодня компания предлагает целый ряд решений 802.11ac, включая точки доступа Cisco Aironet серий 3600 и 3700, а также недавно выпущенные недорогие точки доступа Cisco Aironet 2700.

Многие решения Cisco построены по модульному принципу. Например, точка доступа Cisco Aironet серии 3600 стандарта 802.11n может быть модернизирована для поддержки 802.11ac путем добавления соответствующего внешнего модуля 802.11ас. Устройство поддерживает и другие внешние модули — например, модуль безопасности WSSI и модуль 3G Small Cell.

«Преимущество такого решения состоит в том, что в существующую сеть Wi-Fi можно точечно, где это необходимо, внедрять дополнительные сервисы. Таким образом, типовое решение не отягощается функциями, которые не всегда будут задействованы и стоят дополнительных денег, — поясняет Юлия Андрианова. — Сегодня в сети Wi-Fi, которые были построены год назад на базе точек доступа 3600, можно внедрить гигабитный Wi-Fi путем установки модулей 802.11ac. Эти модули начали поставляться в июле 2013 года, и к осени их продажи уже достигли 70 тыс. штук».

Несколько иное отношение к новой технологии проявила компания Ruckus Wireless. «Мы не торопились с выпуском точек доступа с поддержкой 802.11ас», — говорит Дмитрий Оськин, технический директор московского офиса Ruckus Wireless. По утверждению специалиста Ruckus Wireless, на начальном этапе доступные на рынке микросхемы имели ряд ограничений. В частности, при питании точки доступа от коммутатора PoE 802.11af требовалось отключать поддержку диапазона 2,4 ГГц (системы 802.11ас работают на частоте 5 ГГц. — Прим. авт.), а для ее полноценной работы необходимо было организовать питание в соответствии со стандартом PoE 802.3at, что, в свою очередь, могло потребовать замены коммутаторов, так как далеко не все они поддерживают указанный вариант PoE.

Дмитрий Оськин обращает внимание на то, что принятый на данный момент стандарт 802.11ас Wave 1 не является конечным вариантом технологии 802.11ас, а его преимущества спорны. «Что дает нам 802.11ас Wave 1? Прежде всего это более высокий индекс модуляции (256-QAM) и более широкие каналы (до 80 МГц). А значит, для обеспечения всех преимуществ нового стандарта требуется более качественный радиоканал (с высоким отношением сигнал/шум на приемнике. — Прим. авт.). Иными словами, применение традиционных всенаправленных антенн не позволяет ощутить всей прелести 802.11ас в условиях реальной эксплуатации», — говорит он.

Рисунок 3. Благодаря использованию фирменной технологии BeamFlex+ на базе многоэлементных антенн (антенных решеток) точка доступа Ruckus способна формировать множество независимых диаграмм направленности и благодаря этому подбирать оптимальную диаграмму для каждого пакета и каждого клиента — сигнал фактически направляется точно в сторону клиента.

Компания Ruckus Wireless выпустила свою первую точку доступа с поддержкой 802.11ас Wave 1 (R700) только недавно — в марте 2014 года. Благодаря использованию фирменной технологии BeamFlex+ на базе многоэлементных антенн (антенных решеток), эта точка доступа способна формировать множество независимых диаграмм направленности и тем самым подбирать оптимальную диаграмму для каждого пакета и каждого клиента — сигнал фактически направляется точно в сторону абонента (см. Рисунок 3). «В результате достигается серьезное усиление сигнала при приеме на антенне клиента и, соответственно, повышение скорости передачи и надежности беспроводного соединения, а также увеличение эффективной зоны покрытия точки доступа, — поясняет Дмитрий Оськин. — В итоге мы можем обеспечить работу клиентов 802.11ас на большем расстоянии от точки доступа на высокой скорости, как того ожидают пользователи от нового стандарта».

Еще одно преимущество технологии BeamFlex+ в том, что поддерживающие ее антенны работают в обеих поляризациях: вертикальной и горизонтальной. Тем самым достигается более качественное взаимодействие с мобильными клиентами типа смартфонов и планшетов, постоянно меняющими свою ориентацию в пространстве относительно антенн точки доступа. Представители Ruckus указывают и на то, что точка R700 способна обеспечить всю функциональность в полном объеме при питании от стандартных коммутаторов по PoE 802.11af.

КОГДА РАСТЕТ ПЛОТНОСТЬ

В условиях роста числа персональных мобильных устройств — смартфонов, планшетов, персональных компьютеров и пр. — актуальной становится поддержка высокой плотности пользователей. Примерами объектов, которые представляют настоящее испытание для радиосетей, могут служить различные выставочные комплексы и стадионы. Например, на трибунах стадиона нередко находятся десятки тысяч людей одновременно, которые сидят очень плотно друг к другу, причем многие активно используют сетевые сервисы.

По мнению Сергея Монина, руководителя направления Центра прикладных исследований компьютерных сетей (ЦПИКС), успешность проекта сети для зон с высокой плотностью во многом зависит от выбора мест размещения точек доступа, антенного хозяйства и производительности самих точек. «Для таких решений ЦПИКС разработал контроллер с алгоритмами распределения пользователей между точками доступа и оптимизации частотно-мощностного ресурса, — говорит он. — В некоторых случаях применяемые алгоритмы могут быть эффективны даже при использовании не самых производительных точек доступа».

Для обслуживания зон с высокой плотностью пользователей чрезвычайно важны технологии для повышения эффективности использования ресурсов радиоканалов, что, в частности, позволяет передать больше данных. Примером такой технологии как раз и служит рассмотренная выше BeamFlex. Стоит также упомянуть еще об одной фирменной технологии Ruckus Wireless — ChannelFly — для выбора наиболее оптимального с точки зрения производительности радиоканала. При использовании этой технологии точка принимает решение о том, на каком канале ей работать, на основе реальных статистических данных, и это дает серьезный прирост производительности в условиях интерференции.

Огромный опыт в области построения сетей Wi-Fi с высокой и очень высокой плотностью клиентов накоплен компанией Cisco. В частности, ее сети Wi-Fi развернуты на более чем 40 стадионах в разных странах мира. Оборудование Cisco обеспечивало связь Wi-Fi на Олимпийских играх 2012 в Лондоне, а на прошедшем недавно в Барселоне Всемирном конгрессе мобильной связи Fira de Barcelona и GSMA построили одну из крупнейших в мире сетей Wi-Fi, охватывающую территорию в 240 тыс. м² и обслуживающую более 80 тыс. устройств.

Важнейшим этапом реализации сети с высокой плотностью пользователей являются проведение радиообследования и разработка качественного радиодизайна. Для таких сетей специалисты Cisco рекомендуют использовать точки доступа с направленными антеннами, чтобы минимизировать зону покрытия каждой точки и таким образом добиться максимальной емкости беспроводной сети. Кроме того, они советуют задействовать реализованные в оборудовании Cisco инновации для поддержки высокой плотности клиентов — High Density Experience (HDX).

Компания Cisco адаптировала для решений 802.11ac свои технологии CleanAir и ClientLink. Технология CleanAir обеспечивает обнаружение и категоризацию источников помех в эфире, а также перенастройку сети для достижения наилучшей производительности. Ее вариант CleanAir 80 МГц адаптирован для более широких каналов, которые используются системами 802.11ас. ClientLink — это набор радиотехнологий, включающий как стандартизованные, так и собственные механизмы для обеспечения наилучшего покрытия (например, устранения белых пятен) и производительности (повышения скорости передачи) независимо от клиента. Версия ClientLink 3.0 расширяет возможности этой запатентованной технологии обработки сигналов для применения в сетях 802.11ас. Ожидается, что в оборудовании 802.11ас будет активно использоваться стандартизованная технология формирования луча (Explicit Compressed Beam Forming, ECBF), чего не случилось с 802.11n, где ECBF практически не используется. Дополняя технологию ECBF, алгоритмы ClientLink 3.0 смогут еще больше улучшить производительность.

Специалисты Cisco выделяют еще ряд технологий для улучшения эффективности работы в условиях большого количества клиентов. Это, например, набор алгоритмов по обработке пакетов Turbo Performance, включая обслуживание очередей, их планирование и собственно передачу пакетов. В ходе тестирования точек доступа 3700 с технологиями HDX не было отмечено какого-либо ухудшения качества услуг, даже когда к точке доступа одновременно подключалось 60 клиентских устройств, каждое из которых работало с мультимедийными приложениями.

ЧТО ДАСТ WAVE 2

Итак, решения 802.11ас «первой волны» поддерживают до трех пространственных потоков и полосу шириной до 80 МГц. Возможные скорости при этом — до 1,3 Гбит/с (при использовании всех трех пространственных потоков), что достижимо в основном при работе с ноутбуков. При использовании одного потока (смартфоны) и двух потоков (планшеты) максимальные скорости пропорционально ниже — 430 и 870 Мбит/с соответственно (см. Рисунок 2).

«Текущая реализация технологии 802.11ac пока не является революционной, — считает Сергей Монин. — Ясно, что простое увеличение ширины канала не самый правильный путь». Большие надежды многие специалисты возлагают на ожидаемую ратификацию стандарта 802.11ac Wave 2. «Вторая волна 802.11ac предполагает внедрение технологии Multi-User MIMO (MU MIMO), поэтому можно рассчитывать на реализацию интересных алгоритмов реального управления полосой пропускания для каждого клиента», — добавляет специалист ЦПИКС.

Решения 802.11ас Wave 2, помимо режима MU MIMO, обеспечат поддержку до восьми пространственных потоков и полосы шириной до 160 МГц. Такие усовершенствования позволят увеличить скорости передачи в сети Wi-Fi до 6,9 Гбит/с. Однако надо четко понимать, что компактные мобильные устройства не смогут поддерживать восемь пространственных потоков (именно по причине своего небольшого размера). Преимущества в скорости, реализуемые второй волной, будут доступны в основном пользователям ноутбуков.

Технология MU MIMO позволяет обеспечить одновременную передачу данных сразу нескольким пользователям. Другими словами, точка доступа сможет в одно и то же время и в одном и том же частотном диапазоне пересылать пакеты нескольким клиентским устройствам, что увеличивает общую производительность. В режиме Single-User MIMO (SU MIMO), который поддерживается системами 802.11n и продуктами 802.11ac первой волны, все пространственные потоки в конкретный момент времени могут передаваться только одному клиенту. В результате, когда среди клиентов, обслуживаемых точкой доступа, имеются как быстрые, так и медленные устройства, последние сильно задерживают работу более производительных терминалов.

Точка доступа с поддержкой 802.11ac MU MIMO может одну часть пространственных потоков направлять на одного клиента, другие — на других, что делает такое решение особенно эффективным при большой их плотности, например на тех же стадионах.

На Рисунке 4 показан пример использования технологии MU MIMO. Точка доступа передает два потока данных на ноутбук и смартфон: один выделен голубым цветом, другой, соответственно, — зеленым. Точка доступа оснащена четырьмя антеннами, ноутбук — тремя, смартфон — одной. В данном примере передатчик задействует три антенны для обслуживания ноутбука: «голубой» поток разделяется на три потока, которые пересылаются на все три антенны приемника. Четвертая антенна передатчика выделена для обслуживания смартфона.

Рисунок 4. Пример использования режима MU MIMO.

ПОЛНАЯ КАРТИНА

Решения 802.11ac для корпоративных сетей предлагают, конечно, не только упомянутые выше производители. Подобные продукты есть в «арсенале» таких компаний, как Aruba Networks, Meru Networks, Ubiquiti Networks, Xirrus. Станислав Рыбалко, руководитель направления беспроводных технологий «КомпТек», в тройку лидеров в области решений 802.11ac на российском рынке наряду с Cisco и Ruckus включает Ubiquiti Networks. Если Cisco и Ruckus выделяются разработкой хитроумных алгоритмов повышения эффективности работы сетей Wi-Fi, то Ubiquiti Networks делает ставку на привлекательную цену, что оказывается важным во многих проектах в России.

По мнению Юлии Андриановой, внедрение нового стандарта задерживается в России ввиду отсутствия необходимой нормативной базы. Для стандарта 802.11ас не существует нормативно-правовых актов, поэтому сертификация оборудования невозможна. Тем не менее, как указывает Станислав Рыбалко, устройства с поддержкой 802.11ас активно внедряются в проектах, хотя «юридически» они оформляются как продукты 802.11n.

В целом, как считают в ABI Research, половина всех новых устройств, выпущенных в текущем году, будет поддерживать технологию 802.11ас, но пока это решения Wave 1. Появление первых устройств второй волны 802.11ас ожидается в 2015 году. Рост скоростей не только открывает новые возможности, но и накладывает новые требования на проводную инфраструктуру, обеспечивающую подключения точек доступа. Об особенностях подготовки сетей к высокоскоростным решениям 802.11ас можно прочитать в статье Степана Большакова и Романа Китаева «Инфраструктурное обеспечение беспроводных решений нового поколения», опубликованной в этом номере.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.