Готовы ли вы к переходу на Wave 2?

Основными преимуществами 802.11ac Wave 2 являются четыре пространственных потока и многопользовательская схема MIMO, благодаря которым производительность и пропускная способность могут увеличиться на 30–50%. Но чтобы получить все выгоды в полной мере и заложить необходимый для этого фундамент, потребуется соответствующим образом перестроить систему электропитания и кабельную инфраструктуру.

На протяжении многих лет инженеры стремились к тому, чтобы энергопотребление точек доступа не превышало 15,4 Вт, поскольку при таком условии предприятиям не нужно модернизировать уже имеющуюся инфраструктуру PoE. Но с появлением четвертого потока обозначенные границы становятся чересчур узкими, и для достижения заметного прироста производительности инфраструктуру PoE придется обновить до уровня PoE+.

Другим важным нововведением и знаковым событием стала поддержка MU-MIMO. Впервые было признано, что не все устройства одинаковы, причем проблему решили очень элегантным способом. Однако пришлось пойти на определенные компромиссы, а рост производительности во многом зависит от конфигурации устройств, присутствующих в сети.

Какую же пользу может принести Wave 2 и что для этого нужно сделать?

РЕВОЛЮЦИЯ WI-FI ПРОДОЛЖАЕТСЯ

Исследовательские компании ABI Research и IDC подтверждают, что переход предприятий на стандарт 11ac осуществлялся гораздо активнее по сравнению c тем, как это было при появлении 802.11n. В первой половине 2016 года стандарт 802.11ac поддерживали почти 60% точек доступа, приобретенных предприятиями.

Осталось посмотреть, произойдет ли то же самое с продуктами Wave 2. Во многом это будет зависеть от того, какие преимущества Wave 2 обеспечит по сравнению с Wave 1 и готова ли инфраструктура электропитания, а также кабельная и коммутационная инфраструктура к его приходу.

Кто бы мог подумать в 1997 году, что нам удастся увеличить пропускную способность более чем в 100 раз? И теперь остается только догадываться, сколько еще можно «выжать» из того же самого эфирного пространства.

802.11ac Wave 2 — последний на сегодняшний день этап в длинном процессе непрерывного увеличения производительности, но впереди еще много интересного (см. табл. 1). В 2017 году новых стандартов не появится, зато ожидаются экзотические реализации Wave 2, поддерживающие большее число пространственных потоков по сравнению с существующими моделями.

Таблица 1. Развитие стандартов 802.11 на протяжении последних 20 лет

Между тем эксперты по стандартам и специалисты по радиосвязи упорно работают над определением спецификаций 802.11ax (так называемой высокоэффективной беспроводной связи). Утверждение этого стандарта должно состояться в 2019 году, а первые опытные реализации появятся в 2017-м.

Инженеры компании Huawei уже продемонстрировали в лабораторных условиях пропускную способность, превышающую 10 Гбит/с. Стандарт 802.11ax будет использовать более эффективный алгоритм мультиплексирования MIMO OFDMA, в котором каждый канал разделяется на десятки небольших подканалов, работающих на разных частотах.

OFDMA уже с успехом используется в сетях LTE. Ожидается, что в сетях Wi-Fi спектральная эффективность будет выше в четыре раза, чем в случае применения 11ac. Среди других предполагаемых улучшений — повышение устойчивости связи и снижение уровня помех. Пока же давайте подробно рассмотрим особенности 11ac Wave 2.

СРАВНЕНИЕ WAVE 1 И WAVE 2

Несмотря на появление большого числа заманчивых анонсов, преимущества Wave 2 над Wave 1, как ни странно, выражены не столь ярко, как различия между 11n и 11ac (см. табл. 2), поскольку во многом они зависят от конкретной конфигурации.

Таблица 2. Основные характеристики 802.11ac Wave 1 и Wave 2

160 МГц и 80 + 80 МГц

Увеличение ширины канала до 160 МГц обещает весьма впечатляющий рост производительности. Но не стоит обманываться: при организации клиентского доступа ширина 160 МГц востребована редко.

Использование полосы 160 МГц позволяет создать очень мало неперекрывающихся каналов. Лучшим применением широкополосных каналов связи является не организация клиентского доступа, а построение ячеистых сетей и создание прямых соединений.

На первый взгляд, доступность всего двух смежных каналов шириной 160 МГц в диапазоне 5 ГГц кажется непрактичной почти для любых задач. Выделение таких полос превращается в настоящий кошмар при планировании радиосвязи. Но Wave 2 позволяет объединить и два несмежных канала шириной 80 МГц. Это делает возможным 19 различных перестановок с последующим объединением двух каналов 80 МГц в один канал 160 МГц.

Вариант 80+80 представляется более практичным, но реализовать его непросто: необходимо обеспечить хорошее разделение с более узкими каналами шириной 20 и 40 МГц, выделенными для соседних точек доступа.

Конечно, без учета используемого оборудования все это остается только теорией. Во-первых, для организации каналов 160 МГц необходимо наличие чипсета Wave 2. Во-вторых, смартфоны и другие компактные устройства, возможно, никогда не будут поддерживать каналы 160 МГц из-за малой емкости батареи. Что касается фаблетов и планшетов, то эта возможность будет реализована далеко не во всех моделях.

Единственные устройства, которые наверняка будут поддерживать каналы шириной 160 МГц, — ноутбуки старшего класса. Их обладатели получат ощутимые преимущества на той территории, где они являются единственными пользователями.

Владельцам различных портативных компьютеров и карманных устройств, к тому же не относящихся к числу новых моделей, каналы шириной 160 МГц никаких улучшений не обеспечат. Более эффективным окажется выделение каналов по 20 или 40 МГц, которые каждое из таких устройств может использовать в полной мере.

Увеличение числа пространственных потоков

Поддержка нескольких пространственных потоков (MIMO) и возможность объединения каналов шириной 40 МГц стали одними из главных факторов роста производительности 11n. С каждым дополнительным потоком пропускная способность увеличивается, то есть с появлением в Wave 2 еще одного, четвертого, скорость связи возрастает на 30%.

Хотя стандарт допускает до восьми пар антенн и восьми потоков, у существующих точек доступа Wave 2 имеются только четыре пары антенн, поддерживающих до четырех пространственных потоков. На сегодняшний день антенная технология (особенно в случае устройств размером с датчик дыма) еще не позволяет встраивать 16 антенн в небольшую точку доступа.

На практике даже установка четырех пар антенн зачастую вызывает затруднения. Обратите внимание на то, что у многих устройств 11ac Wave 2 снова появились уродливые антенны в форме заячьих ушей. Происходит разворот назад от тенденции выпуска изящных точек доступа с защищенными интегрированными антеннами.

Чипсеты Wave 2 с поддержкой шести или восьми потоков пока недоступны, но совсем скоро ситуация может измениться (Qualcomm, Quantenna и Marvel объявили о соответствующих планах еще в 2014 году). В ближайшие несколько лет стоит ждать появления экзотических вариантов точек доступа с шестью и восемью парами антенн, предназначенных для наружного использования, построения ячеистых сетей и организации прямых соединений.

Влияние на PoE и коммутацию

К сожалению, повышение производительности на 30% оказывает влияние и на инфраструктуру коммутации и электропитания. При появлении 11ac Wave 1 проводить модернизацию и переходить с PoE 802.3af на 802.3at никто не хотел. В ответ поставщики предложили точки доступа 1×1:1 и 2×2:2, чтобы потребляемая мощность оставалась в пределах 15,4 Вт. В конечном итоге им удалось настолько улучшить управление энергопотреблением, что точки доступа 3×3:3 теперь можно подключать по той же самой инфраструктуре PoE 802.3af.

Но с Wave 2 такой трюк уже не пройдет. Для антенн 4x4:4 нужно слишком много электроэнергии, а инициировать какие-то преобразования без четвертого потока не имеет смысла. В дальнейшем в точках доступа появятся еще более значительные усовершенствования.

Итак, пришла пора переходить на PoE+ (802.3at), но для большинства предприятий это означает полную модернизацию коммутаторов доступа при масштабном развертывании оборудования Wave 2.

Влияние на кабельную систему

В зависимости от местонахождения точек доступа Wave 2 на протяженных кабельных участках, возможно, придется переходить на кабельную инфраструктуру Категории 6a, 7 или 7a, если, конечно, вы уже не проделали этого раньше (см. табл. 3).

Таблица 3. Длина кабеля и скоростные характеристики

В случае точек доступа Wave 2 переполнение каналов со скоростью 1 Гбит/с может произойти даже при объединении двух каналов, то есть когда общая пропускная способность составит 2 Гбит/с. Если длина кабеля близка к 100 м или он находится под воздействием электромагнитного излучения, то, как правило, трафик передается cо скоростью менее 1 Гбит/с. Таким образом, теоретически кабель Категории 5 или 5a с оборудованием Wave 2 использовать можно, но есть риск не получить желаемой скорости.

С последующим развитием точкам доступа понадобится больше двух гигабитных каналов. Поставщики могут принять стандарт с пропускной способностью 2,5 Гбит/с или 5 Гбит/с либо сразу перейти на медное соединение, обеспечивающее скорость 10 Гбит/с. В любом случае поддержка этих стандартов при любых расстояниях потребует прокладки кабеля Категории 6А или выше (стандарты 2,5/5Gbase-T разрабатывались в расчете на Категорию 5е и 6. — Прим. ред.).

ФОРМИРОВАНИЕ ЛУЧА

До появления стандарта 802.11ac тема формирования луча бурно обсуждалась, и многие поставщики утверждали, что их проприетарная версия работает лучше. На уровне стандартов об этой проблеме впервые было упомянуто в спецификациях 802.11n. Однако об обязательной сертификации речи тогда не шло, и в массовых продуктах технология так и не появилась. Все изменилось, когда в спецификациях 802.11ac появилось определение стандартного метода замкнутого цикла.

Формирование луча предусматривает сложение сигналов всех антенн, но предварительно для каждой из них нужно установить определенный сдвиг по фазе. Благодаря этому в определенном направлении сигнал усиливается, а в других ослабляется.

При установлении соединения 802.11ac для каждого клиента используется процедура квитирования с вычислением оптимального сдвига по фазе для фокусирования луча на конкретном устройстве. В результате увеличивается дальность его действия, прежде чем появится необходимость снизить уровень модуляции (например, при переходе от QAM 256 к QAM 64).

Формирование лучей в системах SU-MIMO и MU-MIMO происходит по-разному и представляет собой взаимоисключающие процессы. В MU-MIMO точка доступа использует расширенную технологию формирования луча, обеспечивающую максимизацию передачи в направлении желаемого клиента и минимизацию в направлении нежелательных, что достигается за счет регулирования положения нуля диаграммы направленности (null steering) (см. рис. 1).

Рис. 1. Направленная передача MU-MIMO

В системе SU-MIMO наложение лучей от всех трех антенн происходит в одном направлении — скажем, по красной линии при установлении соединения с устройством 1 и по желтой при соединении с устройством 2 (см. рис. 2).

Рис. 2. Наибольшее усиление и нулевые точки в профиле луча

На рис. 2 видно, что в системе MU-MIMO «зона наилучшего приема» для каждого луча (точка на профиле луча с максимальным усилением) простирается в одном направлении, в то время как нежелательные клиенты получают самый слабый сигнал (вогнутые части в профиле луча). Аналогичным образом лучи всех прочих потоков фокусируются на разных клиентах (как показано на рис. 1).

SU-MIMO ПРОТИВ MU-MIMO

Основная идея многопользовательской системы MIMO заключается в следующем: вместо направления трех или четырех потоков на одно клиентское устройство эти потоки следует разделить и направить на разные устройства.

Сначала немного теории: в стандартной системе MIMO, называемой также однопользовательской MIMO (SU-MIMO), все антенны задействуются для передачи и приема данных в нескольких потоках, но в каждый конкретный момент связь поддерживается только с одним устройством.

Это замечательно, если все конечные устройства относятся к классу портативных компьютеров и могут использовать преимущества всех потоков. Но для тех, у которых только одна или две антенны, такая система неэффективна. Например, когда точка доступа 4×4:4 взаимодействует с планшетом 2×2:2 или смартфоном 1×1:1, ресурсы одного или большего числа потоков расходуются впустую. А чего можно добиться, если использовать все потоки одновременно?

Как раз для этого и предназначены многопользовательские системы MIMO, одновременно направляющие один поток на каждое из четырех устройств (в схеме 4×4:4). Такой подход позволяет одновременно обслуживать больше клиентов и эффективнее использовать имеющийся спектр. Но система MU-MIMO работает только в нисходящем направлении: поддержка обратного потока была признана слишком сложной для Wave 2 и отложена до принятия стандарта 802.11ax. К счастью, устройства, как правило, принимают гораздо больше данных, чем передают, и на нисходящий поток MU-MIMO приходится львиная доля потенциальных преимуществ этой системы.

Для MU-MIMO стандартом предусмотрена процедура Group ID Management, позволяющая сформировать клиентские группы. При планировании передачи данных с использованием технологии формирования луча MU-MIMO клиенты из одной группы рассматриваются вместе.

Чтобы настроить пиковый/нулевой сигнал при формировании луча в системе MU-MIMO, точка доступа должна иметь информацию о матрице антенн/каналов Tx-Rx для каждого клиента в группе MU-MIMO. Стандарт определяет механизм явной обратной связи для изучения каналов, с помощью которого точка доступа передает зондирующие пакеты (Null Data Packet), а клиент отвечает кадрами, в которых содержатся данные о канале.

Очевидно, такая процедура требует поддержки MU-MIMO со стороны как точки доступа, так и клиента. В противном случае у последнего не будет возможности прослушивать данные в зоне наибольшего усиления и игнорировать данные луча минимальной мощности (предназначенные для другого клиента в группе MU-MIMO).

Для лучшего понимания реального воздействия MU-MIMO рассмотрим, что происходит в системе SU-MIMO, где присутствует множество клиентов с разными возможностями, а затем сравним это с тем же сценарием в MU-MIMO.

В приведенном ниже простом примере каждый столбец отражает временной отрезок, в течение которого происходит передача данных между точкой доступа и одним (SU-MIMO) или несколькими устройствами (MU-MIMO) (см. рис. 3).

Рис. 3. Сравнительное использование спектра в MU-MIMO и SU-MIMO на пяти временных интервалах

При использовании MU-MIMO и SU-MIMO в первом окне передачи все выглядит одинаково. Во втором точка доступа одновременно обслуживает два смартфона 1×1:1 и один планшет 2×2:2, не растрачивая ресурсы зря. При третьей передаче MU-MIMO обслуживает ноутбук на два временных интервала раньше, чем SU-MIMO. В результате MU-MIMO экономит эфирное время для других устройств.

Вскоре после появления в IV квартале 2016 года чипсета Qualcomm Snapdragon 820 в продажу поступили несколько моделей смартфонов и планшетов с поддержкой MU-MIMO. С учетом того, что средний цикл обновления смартфонов составляет менее трех лет, к концу 2017 года поддержкой MU-MIMO будут обладать 20–30% мобильных устройств, используемых сотрудниками типичного предприятия. Поскольку в системе MU-MIMO продвинутые устройства обслуживаются быстрее, на поддержку менее эффективных унаследованных устройств остается больше времени.

Однако следует помнить о некоторых особенностях. При включении MU-MIMO именно эта система используется по умолчанию для каждого соединения. И только если устройство ее не поддерживает, происходит переключение на SU-MIMO. Но поддерживающий MU-MIMO портативный компьютер 4×4:4 не может сообщить точке доступа о том, что для него предпочтительна четырехпотоковая SU-MIMO. При радиопередаче четыре потока делятся между несколькими клиентами, иногда предоставляя портативному компьютеру меньше четырех потоков (в зависимости от спроса со стороны других устройств). Таким образом, при полной загрузке сети совокупная пропускная способность увеличивается, а пропускная способность отдельных устройств старшего класса, напротив, снижается.

Следует помнить, что процессы формирования луча SU-MIMO и MU-MIMO являются взаимоисключающими. На практике MU-MIMO обеспечивает меньшую дальность и не подходит для сетей с низкой плотностью, оптимизированных для обеспечения максимального покрытия, а не максимальной емкости. Для пользователей, находящихся на границе зоны покрытия и ранее подключавшихся в режиме SU-MIMO, такие соединения могут оказаться менее устойчивыми. По этой причине большинство поставщиков используют в режиме MU-MIMO только три потока, а четвертая антенна служит для повышения устойчивости соединения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на заявления о впечатляющих показателях производительности, оборудование Wave 2 не сулит такого же гигантского скачка в этой области, который наблюдался при переходе от стандарта 11n к 11ac. Скорее всего, прирост составит от 30 до 50% и во многом будет зависеть от конкретной конфигурации портативных компьютеров, планшетов, смартфонов и другого оборудования, в том числе мобильных кассовых терминалов и медицинских устройств.

Главными преимуществами Wave 2 являются добавление четвертого пространственного потока и многопользовательский режим MIMO. Но для их реализации, как и для получения всех выгод от использования последующих версий стандарта, необходимо модернизировать инфраструктуру электропитания до уровня PoE+ (802.3at), поддерживающего мощность до 30 Вт.

Оптимальное начало перехода на Wave 2 будет зависеть от того, какие устройства применяются в вашей компании. При отсутствии новых моделей преимущества окажутся минимальными. Поэтому до того момента, когда Wave 2 будет поддерживаться большей частью вашего оборудования, наилучшим и экономичным решением останется избирательное развертывание точек доступа Wave 2 в перегруженных областях с высокой плотностью оборудования.

Юрий Захаров, системный инженер Fortinet