Прежде, чем писать о волнах, поговорим об источнике, их породившем. В данном контексте это стандарт беспроводных локальных сетей 802.11ac, являющийся эволюционной итерацией предыдущего стандарта 802.11n, частично с ним совместимой. Частично, потому что, как мы узнаем позже, он работает только на частотном диапазоне 5ГГц. 802.11n, как известно, работал на обоих диапазонах — чистый лицензируемый 5ГГц, и диапазон 2,4 ГГц — никак не умирающий бодрячок, рассадник частотных помех и ограниченного фактора реюзинга (повторного переиспользования частотных каналов в пределах одной локации или беспроводного домена). Разработка стандарта в виде первых редакций началась в 2011 году, и тогда же пионеры WIFI-альянса стали выпускать первые чипсеты под новый беспроводной стандарт, стремясь не к прогрессу, но обогащению. Пройдя через муки рождения и становления, новый стандарт окончательно сформировался в 2014 году (новость о радостном событии можно прочитать здесь).
В основе идеи нового стандарта лежала та же маниловщина, которой народ начал болеть при разработке стандарта 802.11n — идея беспроводного офиса, когда благородные люди в белых одеждах с айпадами в руках, лежа на лужайке родного кампуса, правят миром. Но то ли с благородством широких масс проблемы, то ли самой идее не благоволили высшие силы, поэтому достичь подобной органичности и тождественности с собственным я удалось лишь немногим. Офисным IT-миром по-прежнему правит дьявол медных и кварцевых рудников и их прислужник — мелкий бес RG45. Многие креативные личности не согласятся и скажут, что в их офисах повсеместно развернут WIFI. И будут в чём-то правы. Да вот только это никак не соответствует самой идее беспроводного офиса — чистой и незамутнённой. Проверить доводы легко: если у вас офисный ноут или писюк в течении рабочего дня по-прежнему работает по медному проводу даже при наличии корпоративного WIFI, то можно смело утверждать, что идея не реализовалась в массе своей.
Только далеко в окруженной высокими горами Кремниевой долине брахманы секты Apple достигли подобного просветления на зависть всем. Ну или мы думаем, что достигли. В любой секте главное не знать, а верить!
Описание, отличия
Начиналось всё хорошо. Одной из прикладных целей разработки стандарта 802.11ac было желание превзойти скорость проводного Ethernet в 1Гб/с. На рисунке компании Cisco Systems, приведённом ниже, в графическом виде представлена эволюция развития стандартов беспроводных сетей с первых релизов и до наших дней. Отметим, что ПП — это пространственный поток, а цифры — это значения протокольных скоростей (или пропускной способности) стандартов.
Рис.1
Здесь хорошо показано, что есть максимум в пропускной способности, который теоретически достижим в рамках стандарта, но на практике он преобразуется в то значение, что предоставляет нам производитель беспроводного оборудования. Это первый звоночек о несоответствии желаемого и реального. Тем не менее, уже первая волна стандарта 802.11ac заявляла, что преодолела рубеж 1Гб/с. Обратите внимание на табличку в верхнем левом углу, где расписаны мобильные устройства с беспроводным подключением и характеристика их беспроводных модулей — 1ПП, 2ПП и так далее. То есть в зависимости от того, со сколькими пространственными потоками может работать беспроводной модуль типового мобильного устройства, оно и получит то значение пропускной способности, которое предлагает соответствующий стандарт. Как видно из рисунка, пропускной способности в 1300 Мб/с может обладать устройство, у которого беспроводной модуль формирует 4ПП. Это уже второе ограничение по скорости в рамках стандарта для разных классов мобильных устройств. Второе, но не последнее, как мы позже увидим. Максимальная теоретическая скорость стандарта 11ac wave2 — 6900 Мб/с при 8ПП говорит скорее о потенциале и служит в маркетинговом сопровождении стандарта, чем о реальном воплощении. Навряд ли беспроводные клиенты в ближайшем будущем смогут поддерживать по 8 ПП, хотя стандартом это определено.
Как мы теперь знаем, стандарт 11ac пошел по миру в два этапа, в две волны релизов и продуктов — wave1 начиная с 2011 года (релизы, драфты) и по 2013-15 год, и вторая волна wave 2 с 2015 года и по настоящее время. Почему так? Всё очень просто. В спецификации стандарта 802.11ac заявлены многие технические новации и производители выбрасывают продукты на рынок не дожидаясь, пока в металле они смогут реализовать их все. Законы рынка никто не отменял. В наши дни мы живём в ситуации наличия на рынке беспроводных устройств, работающих в реализациях wave1 и wave2. Будет ли третья и последующие волны – вопрос открытый. Скорее нет. Кстати, необходимо отметить, что устройства стандарта 802.11ac wave1 не понимают функционал и дополнения второй волны.
Продолжаем. За счёт чего стандарт достигает таких скоростей, в чём отличие от стандарта 802.11n, и чем вторая редакция стандарта отличается от первой? Ниже на рис.2 приведена таблица для лучшего сопоставления параметров (опять с сайта компании Cisco).
Рис.2
Итак, основное отличие стандарта 11ac от предыдущих — он нашёл в себе силы расстаться с частотным диапазоном 2,4ГГц, уютно расположившись в диапазоне 5ГГц. Преимущества «пятерки» всем давно и хорошо известны — низкая зашумленность, большее число не перекрываемых каналов для использования, быстрое затухание при прохождении как в открытой среде, так и через препятствия. Это, как ни странно, имеет больше преимуществ для построения высокоплотных сетей, имеющих большую ёмкость, в контрасте с сетями, созданными по критерию большей зоны покрытия.
Далее, в отличии от 11n, появились каналы шириной 80МГц в wave1 и 160 МГц в редакции wave2 (см. рис.2). Увеличилась плотность передачи в единицу времени — вырос индекс квадратурно-амплитудной модуляции до QAM 256.
Применение новых чипов позволило увеличить продолжительность работы беспроводных устройств за счёт более экономного использования энергоресурса в каждом такте передачи информации и более быстрой передачи единицы информации.
Увеличилось число пространственный потоков — до 8ПП в стандарте, текущее реализованное в wave2 — 4ПП (в wave1 3ПП, если кто забыл).
И главная фича, присущая только устройствам волны wave2 — MU-MIMO (MultiUser — Multiple input multiple output). По сути, это одновременная работа точки доступа с несколькими беспроводными клиентами сразу. В отличии от предыдущих стандартов, когда обмен данными в один момент времени происходил лишь с одним устройством, стандарт допускает одновременную работу с четырьмя устройствами, при числе пространственных потоков 8ПП (для всех клиентов суммарно). Но один клиент, на данный момент, не может принять больше, чем четыре пространственных потока. Обратите внимание также, что точка может лишь передавать данные четырём устройствам одновременно, но не получать их от них. Восходящий канал работает как обычно — одно устройство передаёт данные на точку доступа в один момент времени. Конечно, для такой многопользовательской работы релиз 802.11ac wave2 должны поддерживать не только точки, но и клиенты. Клиент wave1 не сможет работать в многопользовательском режиме с точкой релиза wave2. И ещё замечание: точка не может передавать потоков больше, чем имеет приёмопередающих антенн. То есть, если антенн четыре, то и потоков четыре или менее. Пример многопользовательской работы точки 802.11ac wave 2 показан на рис.3.
Рис.3
Ещё одна технология, применяемая в 802.11ac wave2 — это beamforming. Её смысл заключается в формировании направленной диаграммы с точки на клиента. Это позволяет эффективнее использовать полосу пропускания для передачи данных в нисходящем (downlink) канале. Нельзя сказать, что beamforming — это новая технология. Она была уже известна на рынке и предполагалась к использованию в стандарте 802.11n, но так и не стала частью стандарта. Тем не менее, производители в инициативном порядке разрабатывали и предлагали её на рынок. Наиболее известная реализация — это функционал Client Link от Cisco.
Как работал Client Link. Если коротко, то по переотраженным сигналам от клиента, точка вычисляла его примерное местоположение и формировала в его сторону направленный луч. А далее, в процессе работы, она анализировала данные от клиента, подстраивая своё излучение. Такой механизм носил название неявного (implicit) beamforming, так как клиент участвовал в процессе пассивным образом и для формирования диаграммы точка использовала как калибровочные данные от обычных служебных фреймов клиента. С версии Client Link 3.0 была заявлена поддержка клиентов стандарта 802.11ac и его стандартизованная реализация — explicit beamforming.
Какие отличия стандартизованной редакции — explicit beamforming от предыдущих, нестандартных решений? Суть в том, что теперь в процессе формирования луча с точки на клиента принимают участие и клиент, и точка в явном виде. Точка отправляет sound-пакеты (ndp — null data packet), в которых содержится матрица сигналов излучения каждой антенны точки и фазовые сдвиги. Клиент, приняв эту матрицу, отвечает точке с указанием тех уровней сигнала, с которыми он слышит точку доступа, формируя ответную матрицу (матрицу направленности). То есть клиент отправляет специальные калибровочные пакеты точке доступа в ответ на её запрос. И точка доступа, анализируя полученную информацию, вычисляет уровни сигнала, фазы на каждую антенну, чтобы сформировать диаграмму направленности на клиента (рис.4).
Обязательное условие такого хендшейка в том, что клиент должен поддерживать данные стандарт и реализацию beamforming. Необходимо заметить, что способность клиента участвовать в процедуре explicit beamforming имеет опциональный, а не обязательный характер в рамках стандарта 802.11ac wave 2. Это сделано для обратной совместимости нового стандарта с устройствами первой волны и более ранних стандартов. Таким образом, вторая волна стандарта подразумевает работу с клиентами как в явном, так и в неявном режиме работы функционала beamforming. И общее требование для обоих типов beamforming — explicit и implicit, он применим только для точек с всенаправленными антеннами.
Рис.4
Подведём итоги. Многопользовательская одновременная работа точки доступа и клиентов в рамках стандарта 802.11ac wave2 позволяет сделать сеть более плотной (насыщенной беспроводными клиентами в ограниченном пространстве с работой без простоя), тем самым приблизив нас к концепции беспроводного офиса. Возросшая скорость передачи данных и большая ёмкость сети — это два ключевых достижения нового стандарта, как заявляется разработчиками.
Из прекрасного далёка на грешную землю
О чём не сказали и что может огорчить: о каналах, точнее о частотном ресурсе в диапазоне 5ГГц. При текущей разблюдовке с ограничениями на DFS-каналы, каналов 160 МГц — аж целых два можно создать. Шикарный фактор реюзинга). Смотрим картинки — американских и европейских товарищей рис.5 и 6 соответственно:
Рис.5
Рис.6
Без каналов, выделенных желтым цветом — печаль тоска. Наши американские друзья и партнёры, а также бюрократия в Брюсселе работают над тем, чтобы каналов, доступных в диапазоне 5ГГц, стало побольше, не взирая на сопротивление со стороны различных датчиков погоды и медицинского оборудования. Цель благородная: 4-160 МГц-х канала, 9-80МГц-х, 18-40МГц-х и аж 36-20МГц-х. Битва в пути ещё продолжается. У нас, несмотря на то, что на вопросы смотрят ширше, а с людьми помягше, забивая на DFS страдальцев, также пока всего два возможных канала 160МГц (Рис.7). То есть тут мы идем в ногу со всем беспроводным миром. Точнее хромаем.
Рис.7
С другой стороны, не рационально в решениях по построению корпоративных беспроводных сетей вообще использовать каналы в 160 МГц. Если речь идёт о беспроводных сетях в концепции HD или VHD (высокоплотных или очень высокоплотных), то для их развёртывания рекомендуется использовать каналы в 20/40 МГц. Это делается для минимизации интерференции между точками доступа, как со своими, так и с чужими, действующими в пределах корпоративного беспроводного домена. А на домашнем роутере запросто можно использовать один из двух доступных на данный момент 160 МГц каналов и не печалиться нехваткой частотного ресурса.
Ещё момент: если кто забыл, скорость протокола — это совсем не реальная пропускная способность (throughput). Чтобы понять, какие значения скоростей будут максимально достижимы, необходимо умножать скорость протокола на 60-70 % от номинала. Это и будет максимум на одно устройство при идеальных условиях. Если устройств в сети много, и они все разные — 1SS, 2SS,3SS и так далее, то реальная скорость на одну сессию ещё больше просядет. У производителей есть соответствующие результаты тестовых замеров скоростей в лабораторных условиях. На рис.8 приведена сводная таблица от компании Cisco по скоростям протокола и throughput на каналах 80 и 160 МГц для клиентов с различным числом поддерживаемых пространственных потоков. Обратите внимание на значения MAC Throughput в последнем столбце.
Рис.8
Но и эти цифры в идеальных условиях. Действительность ещё хуже — большое число клиентов, большая состязательность за возможность передавать, низкие SNR, микс из 11n и non-MU-MIMO устройств wave1, интерференция CCI и ACI. В высокоплотной сети сложно ожидать, что хотя бы одно устройство получит чистый гигабит на сессию. Так что действительность не так радужна, как громадьё рекламных заголовков.
Ещё немного правды жизни — даже работа основной фичи второй волны 802.11ac — MU-MIMO носит непредсказуемый характер, и зависит от большого числа случайных факторов:
- числа клиентов;
- расстояний до точки;
- типов клиентов с разницей по количеству пространственных потоков.
А как мы знаем, беспроводная корпоративная сеть всегда гетерогенна по клиентам, что отрицательно влияет на общую пропускную способность в сети в целом и на каждого конкретного клиента в частности.
Что хорошего можно вынести из всего этого, так это то, что нет необходимости под новый беспроводной стандарт заниматься модернизацией проводного сегмента сети, восходящего в уровень access layer uplinka от новых точек доступа. Реклама гласит — что аж до 6,9 Гб/с разгоняется стандарт 802.11ac wave2 и нам непременно нужны более скоростные проводные подключения под новые требования к пропускной способности. Кто-то даже подсуетился на этот счёт — Cisco, например. Они выпустили новую линейку Cisco Catalyst Multigigabit Switching коммутаторов, которые имеют порты доступа со скоростями 2,5 -5 Гб/с (стандарт 802.3 bz). Соответственно и точки тоже обладают такими портами (например, 38 серия).
Хотя, если просто проанализировать реальные возможности стандарта или опереться на какие-либо официальные и не очень лабораторные тесты оборудования, в подавляющем большинстве инсталляций корпоративной беспроводной сети, построенной на новом стандарте 802.11ac wave1 и даже на wave2, скорость на точку будет ниже гигабита почти в 100 процентов случаев. Можно спокойно пропустить этап модернизации на новую проводную инфраструктуру, чтобы вам там не говорили производители беспроводного оборудования. Одного гигабита в проводе будет достаточно, по крайней мере, наш опыт внедрения и эксплуатации сетей 802.11ac указывает на это.
Применение и рекомендации
Если вы строите новую сеть, можно совершенно спокойно развернуть сеть 802.11ac wave2, благо цены на эти точки вполне доступны. Хотя число клиентов ещё пока не велико (wave2). Но до 2018 года их появится товарное количество (год заявленного появления стандарта 802.11ax).
Если вы счастливый обладатель сети стандарта 802.11abgn, или тем более 802.11abg, то стоит рассмотреть вариант модернизации под новый стандарт в рамках как плановой модернизации, так и возросших требований, особенно в рамках концепции BYOD. А также с учетом появления на рынке большего числа капризных беспроводных клиентов (iphone), работающих с новыми беспроводными модулями. Хотя, конечно, если вас не достают запросами о неработоспособности новых девайсов, то модернизацию можно и отложить. Особенно это актуально для беспроводных сетей в таких вертикальных рынках как ритейл и логистика.
Кто поторопился обладать точками доступа первой волны, вполне может почивать на лаврах, и, проводя соответствующие обновления софта, наслаждаться жизнью в ожидании чего-то более революционного. Тут скорее важнее даже не фичи от новой волны стандарта, а новые или вылизанные фичи от конкретного производителя оборудования — band steering, clean air, optimized roaming, Smart RF и другие. Можно будет спокойно дождаться стандарта 802.11 ax. Тот заявляется как по-настоящему революционный.
Ну и общие благие пожелания. Если вы планируете разворачивать сеть стандарта 802.11ac wave2 в офисе, как некую альтернативу проводной сети, есть смысл обращаться к профессиональным интеграторам таких сетей. Ибо вопрос их развертывания не носит скучного и тривиального характера. Нужно правильное формирование ТрЗ, анализ клиентской части, расчёт производительности сети, проведение процедуры радиообследования на объекте, подбор оборудования — точек доступа и АФУ, поверочное радиообследование и тестирование.
Автор: pilot-retail
