Аналитический обзор нововведений стандарта IEEE 802.11АХ

DOI:

В связи с увеличением сервисов, критичных к пропускной способности каналов связи, а также с общим увеличением количества пользователей сети производительности стандарта IEEE 802.11ac стало не хватать. Для

решения этой проблемы был разработан стандарта IEEE 802.11ax. В данном стандарте максимальную скорость передачи данных увеличили до 9,6 Гбит/c при использовании ширины спектра в размере 160 MHz. В стан- дарте 802.11ax разработчики сфокусировались на энергетической эффективности, емкости и пропускной способности канала связи. Улучшение этих параметров привело к 4-кратному увеличению средней пропускной способности на пользователя и повышению качества обслуживания клиентов. Эти улучшения актуальны как для наружных, так и внутренних абонентов [6].

Рассмотрим новые технологии, применяемые в стандарте 802.11ax.

MU-MIMO

Прежде всего, главной оставалась проблема падения производительности сети при нарастающем количестве подключений. Слабым местом в данном случае была технология SU-MIMO (Single-User), которая хоть и предполагала одновременную многопоточную передачу информации, но все же только на одно устройство, которое при этом должно иметь несколько антенн для мультипоточного приема. Таким образом, при наличии 10 подключенных абонентов точка доступа стандарта IEEE 802.11ac работает в режиме «разделения по времени», то есть в один момент времени только с одним устройством, в результате чего для других повышается задержка и производительность сети в целом падает.

Выходом из данной ситуации стало использование технологии MU-MIMO (Multi-User). Данная технологии позволяет точке доступа одновременно передавать данные нескольким абонентам (рис. 1). Минимально стандарт 802.11ax определя- ет передачу сразу на 2 устройства, максимально – на 8 устройств [3].

OFDMA

Wi-Fi 6, как и подобает новым стандартам, приносит с собой увеличение пропускной способности беспроводной сети, а также определяет сразу два диапазона частот – 5 и 2,4 ГГц одновременно. Первый обеспечивает наиболее быструю работу в сети, а второй – наибольшую зону покрытия и поддержку устаревших и бюджетных устройств [1].

За увеличение максимальной скорости передачи отвечает OFDMA (Orthogonal frequency-division multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Новая версия мультиплексирования также, как и MU-MIMO, была ориентирована на одновременную работу с несколькими устройствами. Общий канал передачи разделяется на 256 поднесущих вместо прежних 64, при ширине канала 20 МГц. Ширина занимаемого ими места в канале уменьшилась с 312,5 кГц до 78,125 кГц, что и позволило разместить больше поднесущих в канале. OFDMA объединяет взаимно ортогональные поднесущие в группы, которые называются подканалами или ресурсными единицами (Resource Unit, RU). Подканалы выделяются разным клиентам для передачи данных. Таким образом организуется многопользовательская передача. Ресурсные единицы могут быть динамически перераспределены, что позволяет выделять отдель-

Рис. 1. Пример работы технологии MU-MIMO

ным устройствам более 1 подканала или даже весь канал (рис. 2).

Количество возможных клиентов для одновременной передачи данных при выделении 1 подканала (26 поднесущих) каждому растет по мере увеличения ширины канала и может достигать 74 клиентов при канале 160 МГц. Такой вариант предполагает экстремальное использование существующих ресурсов, но он возможен, хоть и будет применяться в редких случаях. Это демонстрирует уникальные возможности OFDMA по сравнению с предшественником. Рекомендуется оставлять неиспользуемые поднесущие, так как в данном случае, они обеспечивают дополнительную защиту от помех.

Непосредственное повышение скорости передачи кадров было возложено на усовершенствование квадратурно-амплитудной модуляции. Она получила более высокий поря- док 1024 – QAM. По сравнению с предшественником 256 – QAM, с 8 до 10 увеличилось количество бит, которые могут переносить один символ, то есть прирост составил 25 % (рис. 3).

Теоретически скорость передачи в новом стандарте может достигать 9,6 Гбит/с, но в то же время существуют серьезные оговорки. Главным образом они связаны с состоянием среды и расстоянием до клиентского устройства. Также большое значение имеет тот факт, что QAM-модуляция по мере увеличения порядка становится все менее помехоустойчивой, как менее помехоустойчивым становится и более широкий канал. QAM-1024 может обеспечить более высокую скорость на небольшом расстоянии, поскольку на большей дистанции эффективная мощность сигнала уменьшается. Невозможность эффективно восстановить данные является результа-

Uteri Uteri Uteri Utert Uteri

Рис. 2. Структура OFDMA

Рис. 3. Разница сигнальных созвездий 802.11ac и 802.11ax

том чрезмерного снижения соотношения сиг-нал/шум при передаче на большое расстояние. Вследствие этого происходит большое количество ошибок и повторных передач, что негативно сказывается на производительности сети. По этой причине точки доступа имеют возможность уменьшать порядок модуляции в том случае, если невозможна нормальная передача данных при модуляции высшего порядка, в нашем случае 1024 – QAM.

COLOR CODE BSS

Следующим техническим новшеством стали изменения на уровне MAC, то есть на уровне доступа к среде [4]. В этой области находится проблема циркуляции трафика. Возникают ситуации, когда клиент находится в зоне покрытия сразу нескольких точек доступа и взаимодействует с одной из них. Так как доступ к среде в целях избегания коллизий предоставляется путем прослушивания среды и отправкой запроса на передачу, то, точки доступа, невзаимодействующие с этим клиентом, распознают активность в среде, из-за чего простаивают для того, чтобы позднее прослушать среду, несмотря на то, что передача ведется в другой беспроводной сети на той же частоте. В результате увеличивается время ожидания передачи и падает производительность сети. Необходим был механизм, разделяющий пакеты сетей на «свой-чужой». Решением стало введения понятия и механизма «Color Code», заключающегося в присвоении пакетам разных BSS определенного кода, по которому идентифицируется принадлежность к той или иной сети (рис. 4). Это стало называться «раскрашиванием пакетов» разных сетей [5].

BEAMFORMING

Еще одной из серьезных проблем 802.11ac была уменьшенная зона покрытия, поскольку данный стандарт определяет только диапазон частот 5 ГГц, который по сравнению с 2,4 ГГц имеет увеличенную максимальную скорость передачи, но отличается более плохим преодолением препятствий на пути радиоволн. Таким образом, точки доступа совмещали в себе радиовещание быстрого 802.11ac с небольшим покрытием и 802.11n на частоте 2,4 ГГц на большей площади покрытия [2].

Технология Beamforming сглаживает проблему покрытия для обеих частот таким образом, что точка доступа теперь с помощью своих антенн может перенаправлять энергию излучения в сторону клиентов, находящихся на значительном расстоянии, достаточном для поддержания стабильного соединения, тем самым увеличивая зону покрытия беспроводной сети во избежание новых затрат на

Пакеты с чужим Color Code

проигнорируются

011100110X100110001

П10101

M4D01100111000110*

802.11o/b/g/n/ac не различают пакеты, пришедшие из других сетей

Пакеты "со своим'

Color Code будут обработаны

802.Пах использует Color Code для определения принадлежности пакета к сети

Рис. 4. Принцип работы Color Code BSS дополнительные точки доступа для публичных сетей.

Таким образом, в статье были рассмотрены новые технологии, применяемые в стандарте IEEE 802.11ax.