Wi-Fi – не очень очевидные нюансы (на примере домашнего Wi-Fi) [часть 1]

Сейчас многие покупают точки доступа 802.11n, но хороших скоростей достичь удается не всем. В этом посте поговорим о не очень очевидных мелких нюансах, которые могут ощутимо улучшить (или ухудшить) работу Wi-Fi. Всё описанное ниже применимо как к домашним Wi-Fi-роутерам со стандартными и продвинутыми (DD-WRT & Co.) прошивками, так и к корпоративным железкам и сетям. Поэтому, в качестве примера возьмем «домашнюю» тему, как более родную и близкую к телу. Ибо даже самые администые из админов и инженеристые из инженеров живут в многоквартирных домах (или поселках с достаточной плотностью соседей), и всем хочется быстрого и надежного Wi-Fi.

Несколько примечаний перед началом:

• Стиль изложения нарочито упрощен, т.к. некоторые вещи вам, возможно, придется объяснять соседям.
• Из любого правила есть исключения, которые опущены для краткости. Предельные случаи можно обсудить в комментариях.
• Пожалуйста, обратите внимание на слово «неочевидные». Критика приветствуется, если вы хотя-бы разбираетесь в проектировании радиосетей и стандарте 802.11.
• Всего у меня 11 тезисов, для удобства они сгруппированы и пронумерованы. В этой заметке мы рассмотрим и обсудим первые два.

1. Как жить хорошо самому и не мешать соседям.

[1.1] Казалось бы – чего уж там? Выкрутил точку на полную мощность, получил максимально возможное покрытие – и радуйся. А теперь давайте подумаем: не только сигнал точки доступа должен достичь клиента, но и сигнал клиента должен достичь точки. Мощность передатчика ТД обычно до 100 мВт (20 dBm). А теперь загляните в datasheet к своему ноутбуку/телефону/планшету и найдите там мощность его Wi-Fi передатчика. Нашли? Вам очень повезло! Часто её вообще не указывают (можно поискать по FCC ID). Тем не менее, можно уверенно заявлять, что мощность типичных мобильных клиентов находится в диапазоне 30-50 мВт. Таким образом, если ТД вещает на 100мВт, а клиент – только на 50мВт, в зоне покрытия найдутся места, где клиент будет слышать точку хорошо, а ТД клиента — плохо (или вообще слышать не будет) – асимметрия. Сигнал есть – а связи нет. Или downlink быстрый, а uplink медленный. Это актуально, если вы используете Wi-Fi для онлайн-игр или скайпа, для обычного интернет-доступа это не так и важно (только, если вы не на краю покрытия). И будем жаловаться на убогого провайдера, глючную точку, кривые драйвера, но не на неграмотное планирование сети.

Вывод: может оказаться, что для получения более стабильной связи мощность точки придется снизить. Что, согласитесь, не совсем очевидно :)

Обоснование (для тех, кому интересны подробности):
Наша задача обеспечить как можно более симметричный канал связи между клиентом (STA) и точкой (AP), дабы уравнять скорости uplink и downlink. Для этого будем опираться на SNR (соотношение сигнал-шум).
SNR(STA) = Rx(AP) — RxSens(STA); SNR (AP) — Rx(STA) — RxSens(AP)
где Rx(AP/STA) — мощность принятого сигнала с точки/клиента, RxSens(AP/STA) — чувствительность приема точки/клиента. Для упрощения примем, что порог фонового шума ниже порога чувствительности приемника AP/STA. Подобное упрощение вполне приемлемо, т.к. если уровень фонового шума для AP и STA одинаков — он никак не влияет на симметрию канала.
Далее,
Rx(AP) = Tx(AP) [мощность передатчика точки на порту антенны] + TxGain(AP) [усиление передачи антенны точки с учетом всех потерь, усилений и направленности] — PathLoss [потери сигнала на пути от точки до клиента] + RxGain(STA) [усиление приема антенны клиента с учетом всех потерь, усилений и направленности].
Аналогично, Rx(STA) = Tx(STA) + TxGain(STA) — PathLoss + RxGain(AP).
При этом стоит заметить следующее:

• PathLoss одинаков в обеих направлениях
• TxGain и RxGain антенн в случае обычных антенн одинаков (верно и для AP и для STA). Здесь не рассматриваются случаи с MIMO, MRC, TxBF и прочими ухищрениями. Так что можно принять: TxGain(AP) === RxGain(AP) = Gain(AP), аналогично для STA.
• Rx/Tx Gain антенны клиента мало когда известен. Клиентские устройства, обычно, комплектуются несменными антеннами, что позволяет указывать мощность передатчика и чувствительность приемника сразу с учетом антенны. Отметим это в наших выкладках ниже.

Итого получаем:
SNR(AP) = Tx*(STA) [с учетом антенны] — PathLoss + Gain(AP) — RxSens(AP)
SNR(STA)=Tx(AP) + Gain(AP) — PathLoss -RxSens*(STA) [с учетом антенны]

Разница между SNR на обоих концах и будет асимметрией канала, применяем арифметику: D = SNR(STA)-SNR(AP) = Tx*(STA) — Tx(AP) — (RxSens*(STA) — (RxSens(AP)).

Таким образом, асимметрия канала не зависит от типа антенны на точке и на клиенте (опять же, зависит, если вы используете MIMO, MRC и проч, но тут рассчитать что-либо будет довольно сложно), а зависит от разности мощностей и чувствительностей приемников. При D<0 точка будет слышать клиента лучше, чем клиент точку. В зависимости от расстояния это будет значить либо, что поток данных от клиента к точке будет медленнее, чем от точки к клиенту, либо клиент до точки достучаться не сможет вовсе.
Для взятых нами мощностей точки (100mW=20dBm) и клиента (30-50mW ~= 15-17dBm) разность мощностей составит 3-5dB. До тех пор, пока приемник точки чувствительнее приемника клиента на эти самые 3-5dB — проблем возникать не будет. К сожалению, это не всегда так. Проведем рассчеты для ноутбука HP 8440p и точки D-Link точки DIR-615 для 802.11g@54Mbps:

• 8440p: Tx*(STA) = 17dBm, RxSens*(STA) = -76dBm@54Mbps
• DIR-615: Tx(AP) = 20dBm, RxSens(AP) = -65dBm@54Mbps.
• D = (17 — 20) — (-76 +65) = 3 — 11 = -7dB.

Таким образом, в работе могут наблюдаться проблемы, причем, по вине точки.

[1.2] Также далеко не самым известным фактом, добавляющим к асимметрии, является то, что у большинства клиентских устройств мощность передатчика снижена на «крайних» каналах (1 и 11/13 для 2.4 ГГц). Вот пример для iPhone из документации FCC (мощность на порту антенны).

Как видите, на крайних каналах мощность передатчика в ~2.3 раза ниже, чем на средних. Причина в том, что Wi-Fi – связь широкополосная, удержать сигнал чётко в пределах рамки канала не удастся. Вот и приходится снижать мощность в «пограничных» случаях, чтобы не задевать соседние с ISM диапазоны. Вывод: если ваш планшет плохо работает в туалете – попробуйте переехать на канал 6.

Раз уж речь зашла о каналах — в следующий раз поговорим о них поподробнее.

Автор: apcsb