скорость в 108 Мбит/с, а порой даются и более щедрые обещания. Однако эти параметры очень часто подгоняются или достигаются при помощи определенных приемов, поддерживать которые в состоянии далеко не всякое аппаратное обеспечение.

Как и во многих других технических областях, в беспроводных локальных сетях главным параметром является максимальная скорость передачи данных. Беспроводные локальные сети с пропускной способностью 54 Мбит/с (стандарта 802.11a или 801.11g) присутствуют на рынке уже три года, следующий — более высокий — уровень будет утвержден в стандарте 802.11n. Между тем различные производители выпускают собст-венные решения, где уже поддерживается повышенная пропускная способность. Предприятия с крупными инсталляциями редко приобретают подобные специальные решения (это объясняется необходимостью защиты инвестиций), а вот домашним пользователям, покупающим комплект оборудования WLAN, они представляются привлекательным вариантом.

В случае беспроводных локальных сетей в глаза бросается большая разница между номинальной скоростью передачи данных (ранее — 11 Мбит/с, сегодня — 54 Мбит/с) по радиоканалу и фактической скоростью передачи данных. В то время как кабельные сети позволяют достичь свыше 90% от номинальной скорости передачи, в беспроводных сетях нередко приходится довольствоваться половиной номинала, и даже меньше. Причина заключается в необходимости переговоров о доступе, поскольку беспроводные сети являются «разделяемой средой».

ПРАВИЛА ДВИЖЕНИЯ

Эфир — и, соответственно, радиоканал — в качестве среды передачи существует лишь в единственном экземпляре и ведет себя так же, как раньше концентратор в сети Ethernet: при попытке передачи данных несколькими сторонами одновременно сигналы мешают друг другу. Поэтому стандартами WLAN предусматривается, что перед передачей станция проверяет, свободна ли среда. Однако это отнюдь не исключает ситуацию, когда две станции одновременно идентифицируют среду как свободную и начинают передачу. В «разделяемом» Ethernet соответствующий эффект называется коллизией.

В проводной сети отправители могут распознать коллизии уже в процессе передачи, прервать ее и повторить попытку после случайного интервала времени. Однако в радиосети таких мер недостаточно. Поэтому 802.11 вводит «пакет подтверждения» (ACK), который получатель передает обратно отправителю; на эту процедуру отводится дополнительное время ожидания. Если сложить все предусмотренные протоколом периоды ожидания — короткие межкадровые интервалы (Short Inter Frame Space, SIFS) и распределенные межкадровые интервалы функции распределенной координации (Distributed Coordination Function Inter Frame Space, DIFS) для беспроводной сети стандарта 802.11а, то накладные расходы составляют 50 мкс на пакет (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Если станция WLAN собирается начать передачу и находит среду занятой, то ей придется подождать некоторое время. Доступ к среде регулируется при помощи «межкадровых интервалов» разной длины (DIFS и SIFS).

Помимо этого, при вычислении издержек следует учесть, что каждый пакет данных содержит не только полезные данные, но и необходимые заголовки для многих протокольных уровней (см. Рисунок 2). В случае пакета длиной 1500 байт, передаваемого по стандарту 802.11 со скоростью 54 Мбит/с, появляются «лишние» 64 байт с издержками в 20 мкс. Пакет АСК обрабатывается физическим уровнем так же, как и пакет данных, в нем отсутствуют лишь части от порядкового номера до контрольной суммы. Вдобавок заголовок укорочен, поэтому для пакета АСК необходимо всего 24 мкс.

В общей сложности передача 1500 байт полезной нагрузки со скоростью 54 Мбит/с занимает 325 мкс, поэтому фактическая скорость передачи составляет 37 Мбит/с.

С учетом издержек на ТСР/IP (еще 40 байт на пакет, пакеты подтверждения TCP) и повторов из-за сбоев в передаче достигаемая на практике скорость будет равна 25 Мбит/с — такое же соотношение значений номинальной/фактической скоростей получается и при использовании 802.11b (от 5 до 6 при 11 Мбит/с).

Для 802.11g, наследника 11b, принцип работы которого мало чем отличается от 802.11а, требование обратной совместимости с IEEE 802.11b может привести к тому, что скорость передачи окажется еще меньше. Проблема возникает, когда в диалог двух станций 11g может вмешаться карта 802.11b: последняя не способна распознать, что среда в данный момент занята, поскольку в 802.11g используется отличный от 11b метод модуляции.

Рисунок 2. В пакете данных WLAN полезные данные обрамляют преамбула, заголовок и контрольная сумма. Эта служебная информация является причиной того, что номинальная скорость передачи данных существенно отличается от фактической.

Во избежание коллизий станции 11g (при наличии аппаратного обеспечения 11b) отправляют перед своим пакетом 11g совместимый с 11b управляющий пакет разрешения на отправку (Clear To Send, CTS), при помощи которого и резервируется на определенное время среду передачи. Однако дополнительный пакет CTS имеет почти такую же длину, как и пакет данных, вследствие чего скорость снижается до 15 Мбит/с. Издержки возникают преимущественно тогда, когда на одном канале работает аппаратное обеспечение, поддерживающее сразу два стандарта — 11b и 11g. По этой причине старая базовая станция 11b у соседа способна тормозить перекрывающуюся с ней сеть 11g, даже если в той применяется исключительно аппаратное обеспечение стандарта 802.11g. Хотя многие g-карты могут работать в так называемом «режиме только g», когда допускается отключение отправки пакетов CTS, прибегать к нему не рекомендуется, поскольку велика вероятность того, что потери данных вследствие коллизии приведут к большему снижению пропускной способности, чем стандартная процедура.

НАСТРОЙКА

Для производителя простейшую возможность настройки представляет собой, очевидно, время ожидания. Даже если достигаемый выигрыш равен нескольким процентам, это все равно дает небольшое улучшение (см. Рисунок 3).

Уже через некоторое время после введения 802.11g ряд компаний начал предлагать «пакетную передачу» (bursting). В этом случае после последнего пакета АСК отправитель до отсылки следующего ждет лишь окончания недолгого периода SIFS. Таким образом, он выигрывает борьбу за среду, и в занятом радиоканале отсрочка передачи не происходит. Для стандарта 802.11а пакетная передача дает выигрыш всего от 10 до 15%, но для 802.11g в описанном режиме совместимости с 802.11b он может быть намного большим, поскольку один пакет CTS в состоянии защищать целую группу пакетов 11g. Недостаток пакетной передачи очевиден: она в высшей степени «асоциальна», ведь станция отнимает львиную долю ограниченной пропускной способности у других участников.

Комитетам IEEE, ответственным за 802.11, известны как выгоды, так и недостатки пакетной передачи. Они постарались их учесть в стандарте 802.11е (качество услуг), что позволяет надеяться на скорое улучшение сложившейся ситуации. 802.11е предусматривает также возможность того, что занимающий полосу пропускания пакет АСК будет передаваться лишь после группы пакетов или вообще будет проигнорирован. Это имеет смысл в случае мультимедийных данных, когда потеря отдельных пакетов предпочтительнее задержки вследствие их повторной передачи.

ОБЪЕДИНЕНИЕ ПАКЕТОВ И СЖАТИЕ

Используемые методы позволяют видоизменить пакеты данных еще до их отправки без обращения к уровню МАС. В отличие от «кабельного Ethernet» беспроводные сети позволяют передавать кадры гораздо большего размера (2304 вместо 1518 байт), благодаря чему накладные расходы можно уменьшить, объединив несколько пакетов Ethernet в один пакет WLAN (агрегация или конкатенация кадров).

Некоторые производители наборов микросхем увеличили длину кадра настолько, что в него полностью умещаются два кадра Ethernet, что дает выигрыш около 30%. У этого подхода два недостатка. С одной стороны, возрастает вероятность того, что такие кадры станут жертвами радиопомех. С другой — агрегация увеличивает задержку, поскольку отправитель должен сначала собрать пакеты или все же отправить один пакет, если за отведенное на ожидание время ни одного пакета не поступит.

Параллельно с агрегацией кадров в наборах микросхем WLAN активно используется сжатие. Оно функционирует аналогично тому, как это происходит в известных программах Zip, но точно так же дает преимущество лишь в отношении несжатых данных, а не в случае, к примеру, аудио- и видеопотоков. Однако наибольший выигрыш составляет всего несколько десятков процентов. Поскольку потеря кадра в беспроводных сетях возможна в любой момент, набор микросхем может сжать в лучшем случае один-единственный пакет WLAN. Распространенные алгоритмы, к примеру Lempel-Ziv, при использовании таких малых блоков никогда не достигнут своего теоретического максимума сжатия.

IEEE пока не собирается добавлять перечисленные выше методы в семейство стандартов 802.11. Поэтому и агрегация пакетов, и сжатие в ближайшее время будут доступны лишь при использовании карт с одним и тем же набором микросхем.

МОДУЛЯЦИИ

Наряду с перечисленными возможностями тонкой настройки протокола WLAN в качестве следующего шага можно подумать о более высокоуровневой модуляции для повышения фактической пропускной способности. При передаче данных необходимо различать скорость передачи битов и скорость передачи символов. Последняя показывает, сколько раз изменяется состояние сигнала в среде передачи, в результате чего начинает передаваться новая информация.

Высокая скорость передачи битов достигается благодаря тому, что, с од-ной стороны, по каналу на разных поднесущих одновременно передается множество символов (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов — Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), а с другой — используются сложные методы модуляции, с помощью которых передается более одного бита на сигнал.

При самой низкой скорости OFDM (6 Мбит/с) каждый символ несет лишь 1 бит на каждом шаге и имеет 24 поднесущих OFDM. Но при этом кодировка очень надежна и может применяться для передачи данных даже на радиосоединениях со слабым сигналом. Передача со скоростью 54 Мбит/с предполагает модуляцию QAM64 — квадратурную амплитудную модуляцию (Quadrature Amplitude Modulation), когда в каждом символе передается 6 бит (при 36 поднесущих). В случае очень хороших соединений — к примеру в пределах одной комнаты — отношение уровня сигнала к уровню шума оставляет место для модуляции еще более высокого уровня, в частности для QAM256, где используется 8 бит на символ, что соответствует скорости передачи в 72 Мбит/с.

Модуляцию нельзя увеличивать чрезмерно, тогда необходимое отношение уровня сигнала к уровню шума становится настолько высоким, что диаметр беспроводной сети сжимается до размера одной комнаты. Вместе с тем, при высоких номинальных скоростях передачи разница между номинальным и фактическим значениями постоянно растет, так как протокол МАС и прочие медленные преамбулы не изменяются.

ОБЪЕДИНЕНИЕ КАНАЛОВ

Еще один метод ускорения предлагает производитель наборов микросхем Atheros. Он представляет собой объединение каналов, когда сигнал занимает двойной частотный диапазон (40 ГГц вместо 20 ГГц) в радиоканале, а значит, и вдвое больше поднесущих OFDM. Скорость передачи полезных данных также увеличивается вдвое. Решение Super-A/G от Atheros — это комбинация объединения каналов со сжатием и группировкой пакетов (быстрые кадры — Fast Frames) и пакетной передачи, благодаря чему скорость передачи полезных данных вполне можно увеличить до 60 Мбит/с и даже более того.

Однако объединение каналов обладает не только преимуществами, но и серьезными недостатками: доступный для использования частотный блок в диапазоне 2,4 ГГц едва ли оставляет место хотя бы для одной «турбосети». Кроме того, функционирование беспроводной сети всегда проходит под знаком взаимных радиопомех, а одновременная эксплуатация клиентов с объединением каналов и без оного в одной радиоячейке затруднительна, поскольку применяемая модуляция не совместима с обычной, используемой в стандартах 802.11a/g. Поэтому точка доступа в режиме смешанной эксплуатации должна постоянно переключать процессор для обработки немодулированных данных своего модуля WLAN или возвращать всю радиоячейку в обычный режим каждый раз, когда доступ запрашивает клиент, не поддерживающий объединение каналов.

В полосе 5 ГГц, которая с точки зрения частоты предоставляет заметно больше места, объединение каналов приносит больше пользы и успешно применяется, к примеру, в линиях радиорелейной связи. Здесь вопрос совместимости не стоит так остро, поскольку связь устанавливается лишь между двумя жестко сконфигурированными партнерами. Уже в нижнем блоке 5 ГГц (от 5,15 до 5,35 ГГц) помещаются сразу три независимых канала шириной 40 МГц. В полосе, разрешенной и для наружного применения (от 5,47 до 5,725 ГГц), можно разместить еще четыре.

МНОГО УШЕЙ

В последние годы выкристаллизовалась еще одна технология, отличная от «турбозагрузчика», которая войдет в следующий, более скоростной стандарт — 802.11n. Лежащая в ее основе технология множественного приема и множественной передачи (Multiple Input, Multiple Output, MIMO) позволяет добиться повышенной пропускной способности за счет «пространственного мультиплексирования». При этом станция использует несколько передатчиков с собственной антенной для каждого на одной и той же частоте одновременно.

То, что на первый взгляд выглядит как руководство к построению генератора помех, успешно функционирует, ведь распространение радиоволн внутри зданий происходит по особым законам. Помимо прямых соединений существует намного большее количество непрямых, по которым части сигнала попадают к получателю, к примеру, в результате отражения от стен и металлических предметов. Обычно такое многомаршрутное распространение нежелательно, поскольку один и тот же сигнал приходит неоднократно со сдвигом по времени и в случае неудачного времени задержки и малой силы может затухнуть.

Если же инсталлировано несколько приемников с собственными антеннами, то при умелой кодировке станция сможет распутать смесь разных потоков данных и их отражений. Тогда скорость передачи растет линейно вместе с количеством пар отправителей/приемников — однако всего лишь на 70%, поскольку на практике этот метод никогда не работает идеально. В случае трех пар отправителей/получателей, работающих со скоростью 54 Мбит/с каждая, была достигнута скорость в 0,7 х 3 х 54, т. е. примерно 113 Мбит/с. В качестве дополнительного преимущества перерасчет отдельного сигнала позволяет добиться увеличения радиуса действия.

Реализация MIMO была обещана еще в 2003 г. производителем наборов микросхем Airgo Networks. Первой же соответствующие устройства выпустила компания Belkin — осенью 2004 г.

При наличии трех антенн на стороне отправителя использовались только две. Максимальная номинальная скорость передачи в два раза выше, чем у 802.11g, что достигается и предлагаемым компанией Atheros объединением каналов. Недавно Airgo объявила о намерении добавить к технологии MIMO объединение каналов и таким образом еще раз удвоить пропускную способность.

Другое преимущество MIMO заключается в том, что по сравнению с традиционными технологиями WLAN высокая скорость передачи в зданиях обеспечивается на больших расстояниях именно потому, что неизбежные отражения здесь не мешают, а целенаправленно используются. И наоборот, на открытых пространствах MIMO не представляет особых преимуществ при направленной передаче, поскольку там практически нет отражений.

Довольно запутанным оказался вопрос о совместимости нового аппаратного обеспечения от Airgo с 802.11n, что предполагает использование Belkin приставки Pre-N. Ситуация хотя и напоминает ту, что сложилась с Pre-G незадолго до утверждения стандарта 802.11g летом 2003 г., однако не сравнима с ней: если тогда 802.11g был уже почти готов и появившиеся раньше времени устройства удавалось привести в соответствие со стандартом путем обновления драйверов или встроенного программного обеспечения, то в случае 802.11n лишь недавно стало окончательно известно, как именно будет выглядеть физический уровень. Поскольку он определяется преимущественно аппаратным обеспечением карты WLAN, его нельзя изменить путем обновления встроенного ПО.

Экхарт Трабер — менеджер в компании Lancom Systems. С ним можно связаться по адресу: pf@lanline.awi.de.


? AWi Verlag

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями