Технология Beamforming – Keenetic

В интернет-центрах Keenetic Giga (KN-1010), Giga SE (KN-2410), Ultra (KN-1810), Speedster (KN-3010), Viva (KN-1910), Hero 4G (KN-2310), Air (KN-1611) и Extra (KN-1711) реализована поддержка технологии адаптивного формирования диаграммы направленности или направленного сигнала Beamforming (иногда называют Transmit Beamforming или Tx Beamforming).

NOTE: Важно! Указанные модели поддерживают Beamforming только в сети Wi-Fi 5 ГГц, а Ultra в обоих диапазонах.

Сигналы, посылаемые антеннами, отрегулированы (откалиброваны) таким образом, чтобы они испытывали усиливающую интерференцию непосредственно в области приемной антенны абонентского оборудования, в то время как в других направлениях они испытывают гасящую интерференцию (под интерференцией в сетях Wi-Fi понимается сигнал, передаваемый другими устройствами на том же или близком к нему канале, на котором вещает интересующая вас точка доступа; интерференция — одна из разновидностей помех).

Радиосигналы, принимаемые от клиентов Wi-Fi, помогают точке доступа определить местоположение абонентов, и эта информация в дальнейшем используется набором микросхем точки доступа для расчета и формирования узконаправленного главного лепестка в направлении от точки доступа к клиентам. Как известно, чем лучше уровень сигнала (выше значение SNR) клиента, тем большую скорость можно получить при передаче данных с точки доступа на клиента.

Технология адаптивного формирования диаграммы направленности позволяет откалибровать в сторону клиента передаваемый сигнал и улучшить таким образом канал между точкой доступа и клиентом.
Формирование направленного луча позволяет сфокусировать сигнал в направлении предполагаемого местоположения конкретного беспроводного устройства (или устройств), а не посылать его случайным образом во всех направлениях, что улучшает скорость передачи данных и расширяет диапазон. Это помогает механизму MU-MIMO, который плохо работает с быстро движущимися устройствами.

Как это выглядит на практике:

Приемник Wi-Fi (беспроводной клиент) расположен на некотором расстоянии от точки доступа. Точка доступа определяет положение приемника в пространстве по данным его радиосигнала. В нашем примере к точке доступа подключены 2 беспроводных клиента. Технология Wi-Fi использует мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM), т.е. обмен данными в конкретный момент времени может идти между точкой и одним из активных клиентов, остальные клиенты пассивны – ждут своей очереди.

На практике уровень сигнала пассивного клиента незаметен, здесь он приведен для наглядности схемы работы технологии Tx Beamforming.

1. Без использования Beamforming обе антенны точки доступа Wi-Fi вещают одинаково. Амплитуды сигналов складываются в каждой точке пространства – соответственно возникают точки, где сложение амплитуд дает максимальный уровень сигнала, и такие, где амплитуды противоположны – сигнал здесь будет минимальным. В нашем примере Клиент 1 расположен в относительно «неудачной» удаленной зоне, и уровень сигнала у него невысокий. Клиент 2 расположен более удачно – амплитуды обеих антенн там максимальны. Уровень сигнала остается более-менее постоянным вне зависимости от того, какой клиент является активным в данный момент.

2. При использовании технологии Beamforming одна из антенн задает «базовые» колебания волны, а вторая «подстраивает» сигнал при помощи сдвига фазы таким образом, чтобы в точке нахождения клиента амплитуды сигналов обеих антенн были максимальными. В нашем примере изначально активным является Клиент 1, и сдвиг фазы происходит таким образом, что максимальные амплитуды волн обеих антенн достигаются в его точке расположения. Сигнал в точке нахождения Клиента 2 (а также в других зонах) в этот момент, наоборот, уменьшается, что снижает общий уровень шума и также приводит к увеличению мощности сигнала у Клиента 1.

Когда становится активным Клиент 2, антенна 2 снова сдвигает фазу в пользу Клиента 2. Антенна 2 адаптирует фазу для усиления сигнала в точке нахождения клиента.

Для калибровки сигнала точка доступа должна предварительно получить данные от клиента. Существует два варианта реализации Beamforming:

1. Явное формирование диаграммы направленности (explicit Beamforming, eBF), когда используются специальные калибровочные кадры от клиента. Для этого требуется обязательная поддержка eBF на стороне клиента. Именно клиент должен сообщить точке доступа о поддержке eBF. Данный вариант реализован в рамках стандарта 802.11ac. eBF может быть использован только для 802.11ac клиентов и несовместим с другими стандартами.
Режим explicit Beamforming можно включить/выключить через веб-интерфейс роутера в настройках точки доступа 5 ГГц.

NOTE: Важно! Явное формирование луча к клиенту (explicit Beamforming) работает только когда имеется поддержка на уровне клиента и в сети работает минимум 2 передатчика.

2. Неявное формирование диаграммы направленности (implicit Beamforming, iBF), когда используются служебные кадры. Если клиент не имеет поддержку eBF, можно включить implicit Beamforming. Сделать это можно только через интерфейс командной строки (CLI) интернет-центра командой:

CLI: interface WifiMaster1 beamforming implicit

13 вещей, которые необходимо знать о MU-MIMO Wi-Fi

Технология MU-MIMO повышает планку за счет разрешения нескольким устройствам принимать несколько потоков данных. Она базируется на однопользовательской технологии MIMO (SU-MIMO), которая была представлена почти 10 лет назад со стандартом 802.11n.

SU-MIMO увеличивает скорость Wi-Fi-соединения, позволяя паре беспроводных устройств одновременно принимать или отправлять несколько потоков данных.

По сути, революционные изменения для Wi-Fi обеспечивают две технологии. Первая из этих технологий, называемая beamforming, позволяет Wi-Fi-маршрутизаторам и точкам доступа более эффективно использовать радиоканалы. До появления этой технологии Wi-Fi-маршрутизаторы и точки доступа работали как электрические лампочки, посылая сигнал во всех направлениях. Проблема заключалась в том, что несфокусированному сигналу ограниченной мощности трудно добраться до клиентских Wi-Fi-устройств.

С помощью технологии beamforming Wi-Fi-маршрутизатор или точка доступа обменивается с клиентским устройством информацией о своем местоположении. Затем маршрутизатор изменяет свою фазу и мощность для формирования лучшего сигнала. Как результат: более эффективно используются радиосигналы, ускоряется передача данных и, возможно, увеличивается максимальная дистанция соединения.

Возможности beamforming расширяются. До сих пор Wi-Fi-маршрутизаторы или точки доступа были по своей сути однозадачными, посылая или принимая данные только от одного клиентского устройства одновременно. В более ранних версиях семейства стандартов беспроводной передачи данных 802.11, включая стандарт 802.11n и первую версию стандарта 802.11ac, существовала возможность одновременного приема или передачи нескольких потоков данных, но до сих пор не существовало метода, позволяющего Wi-Fi-маршрутизатору или точке доступа в одно и то же время «общаться» сразу с несколькими клиентами. Отныне же с помощью MU-MIMO такая возможность появилась.

Это действительно большой прорыв, так как возможность одновременной передачи данных сразу нескольким клиентским устройствам значительно расширяет доступную полосу пропускания для беспроводных клиентов. Технология MU-MIMO продвигает беспроводные сети от старого способа CSMA-SD, когда в одно и то же время обслуживалось только одно устройство, к системе, где сразу несколько устройств могут одновременно «говорить». Для большей наглядности примера, представьте себе переход от однополосной проселочной дороги к широкой автомагистрали

Сегодня беспроводные маршрутизаторы и точки доступа второго поколения стандарта 802.11ac Wave 2 активно завоевывают рынок. Каждый, кто разворачивает Wi-Fi понимать специфику работы технологии MU-MIMO. Предлагаем вашему вниманию 13 фактов, которые ускорит ваше обучение в этом направлении.

1. MU-MIMO использует только «Downstream» поток (от точки доступа к мобильному устройству).

В отличие от SU-MIMO, технология MU-MIMO в настоящее время работает только для передачи данных от точки доступа к мобильному устройству. Только беспроводные маршрутизаторы или точки доступа могут одновременно передавать данные нескольким пользователям, будь то один или несколько потоков для каждого из них. Сами же беспроводные устройства (такие, как смартфоны, планшеты или ноутбуки) по-прежнему должны по очереди направлять данные к беспроводному маршрутизатору или точке доступа, хотя при этом при наступлении их очереди они по отдельности могут использовать технологию SU-MIMO для передачи нескольких потоков.

Технология MU-MIMO будет особенно полезной в тех сетях, где пользователи больше скачивают данные, чем загружают.

Возможно, в будущем будет реализована версия технологии Wi-Fi: 802.11ax, где метод MU-MIMO будем применим и для «Upstream» трафика.

2. MU-MIMO работает только в Wi-Fi-диапазоне частот 5 ГГц

Технология SU-MIMO работает как в диапазоне частот 2,4 ГГц, так и 5 ГГц. Беспроводные роутеры и точки доступа второго поколения стандарта 802.11ac Wave 2 могут одновременно обслуживать несколько пользователей только на полосе частот 5 ГГц. С одной стороны, конечно, жаль, что на более узкой и более перегруженной полосе частот 2,4 ГГц мы не сможем использовать новую технологию. Но, с другой стороны, на рынке появляется все больше двухдиапазонных беспроводных устройств, поддерживающих технологию MU-MIMO, которые мы можем использовать для разворачивания производительных корпоративных Wi-Fi-сетей.

3. Технология Beamforming помогает направлять сигналы

В литературе СССР можно встретить понятие Фазированная Антенная Решётка, которая была разработана для военных радаров в конце 80-х. Аналогичная технология была применена в современном Wi-Fi. MU-MIMO использует технологию формирования направленного сигнала (в англоязычной технической литературе известной как «beamforming»). Beamfiorming позволяет направлять сигналы в направлении предполагаемого местоположения беспроводного устройства (или устройств), а не посылать их случайным образом во всех направлениях. Таким образом получается сфокусировать сигнал и существенно увеличить дальность действия и скорость работы Wi-Fi-соединения.

Хотя технология beamforming стала опционально доступна еще со стандартом 802.11n, тем ни менее большинство производителей реализовывали свои проприетарные версии этой технологии. Эти вендоры и сейчас предлагают проприетарные реализации технологии в своих устройствах, но теперь им придется включить хотя бы упрощенную и стандартизированную версию технологии формирования направленного сигнала, если они хотят поддерживать технологию MU-MIMO в своей продуктовой линейке стандарта 802.11ac.

4. MU-MIMO поддерживает ограниченное количество одновременных потоков и устройств

К огромному сожалению, маршрутизаторы или точки доступа с реализованной технологией MU-MIMO не могут одновременно обслуживать неограниченное количество потоков и устройств. Маршрутизатор или точка доступа имеют собственное ограничение на число потоков, которые они обслуживают (зачастую это 2, 3 или 4 потока), и это количество пространственных потоков также ограничивает количество устройств, которые точка доступа может одновременно обслужить. Так, точка доступа с поддержкой четырех потоков может одновременно обслуживать четыре различных устройства, либо, к примеру, один поток направить к одному устройству, а три других потока агрегировать на другое устройство (увеличив скорость от объёединения каналов).​

5. От пользовательских устройств не требуется наличие нескольких антенн

Как и в случае с технологией SU-MIMO, только беспроводные устройства со встроенной поддержкой MU-MIMO могут агрегировать потоки (скорость). Но, в отличие от ситуации с технологией SU-MIMO, беспроводным устройствам не обязательно требуется иметь несколько антенн, чтобы принимать MU-MIMO-потоки от беспроводных маршрутизаторов и точек доступа. Если беспроводное устройство оснащено только одной антенной, оно может принять только один MU-MIMO-поток данных от точки доступа, используя beamforming для улучшения приёма.

Большее количество антенн позволит беспроводному пользовательскому устройству принимать большее количество потоков данных одновременно (обычно из расчета один поток на одну антенну), что, безусловно, положительно скажется на производительности этого устройства. Однако, наличие нескольких антенн у пользовательского устройства негативно сказывается на потребляемой мощности и размере этого изделия, что критично для смартфонов.

Однако технология MU-MIMO предъявляет меньшие аппаратные требования к клиентским устройствам, чем обременительная в техническом плане технология SU-MIMO, то можно с уверенностью предположить, что производители гораздо охотнее станут оснащать свои ноутбуки и планшеты поддержкой технологии MU-MIMO.​

6. Точки доступа выполняют «тяжелую» обработку

Стремясь к упрощению требований к устройствам конечных пользователей, разработчики технологии MU-MIMO постарались переложить на точки доступа большую часть работы по обработке сигнала. Это еще один шаг вперед по сравнению с технологией SU-MIMO, где бремя по обработке сигнала большей частью лежало на пользовательских устройствах. И опять же, это поможет производителям клиентских устройств экономить на мощности, размере и других затратах при производстве своих продуктовых решений с поддержкой MU-MIMO, что должно весьма позитивно сказаться на популяризации данной технологии.

7. Даже бюджетные устройства получают ощутимую выгоду от одновременной передачи через несколько пространственных поток

Подобно агрегации каналов в сети Ethernet (802. 3ad и LACP), объединение потоков 802.1ac не увеличивает скорость соединения «точка-точка». Т.е. если вы единственный пользователь и у Вас запущено только одно приложение — вы задействует только 1 пространственный поток.

Однако существует возможность увеличить общую пропускную способность сети за счет предоставления возможности по обслуживанию точкой доступа нескольких пользовательских устройств одновременно.

Но если все используемые в вашей сети пользовательские устройства поддерживают работу только с одним потоком, то MU-MIMO позволит вашей точке доступа обслуживать одновременно до трех устройств, вместо одного за раз, в то время как другим (более продвинутым) пользовательским устройствам придется ожидать своей очереди.

Рисунок 2​. Технология MU-MIMO за то же самое время может позволить отправить в три раза больший объем данных, чем SU-MIMO, тем самым более чем в два раза увеличивая скорость получения данных каждым клиентским устройством
 

8. Некоторые пользовательские устройства имеют скрытую поддержку технологии MU-MIMO

Не смотря на то, что в настоящее время все еще не так много маршрутизаторов, точек доступа или мобильных устройств поддерживают MU-MIMO, в компании-производителе Wi-Fi-чипов утверждают, что часть производителей в своем производственном процессе учла аппаратные требования для поддержки новой технологии для некоторых своих устройств для конечных пользователей еще несколько лет назад. Для таких устройств относительно простое обновление программного обеспечения добавит поддержку технологии MU-MIMO, что также должно ускорить популяризацию и распространение технологии, а также стимулировать компании и организации модернизировать свои корпоративные беспроводные сети с помощью оборудования с поддержкой стандарта 802.11ac.

9. Устройства без поддержки MU-MIMO также оказываются в выигрыше

Не смотря на то, что Wi-Fi-устройства обязательно должны иметь поддержку MU-MIMO для того, чтобы использовать эту технологию, даже те клиентские устройства, которые такой поддержкой не имеют, могут получить косвенную выгоду от работы в беспроводной сети, где маршрутизатор или точки доступа поддерживают технологию MU-MIMO. Следует помнить, что скорость передачи данных по сети напрямую зависит от общего времени, в течение которого абонентские устройства подключены к радиоканалу. И если технология MU-MIMO позволит обслуживать часть устройств быстрее, то это означает, что у точек доступа в такой сети останется больше времени на обслуживание других клиентских устройств.

10. MU-MIMO помогает увеличить пропускную способность беспроводной сети

Когда вы увеличиваете скорость Wi-Fi-соединения, вы также увеличиваете пропускную способность беспроводной сети. Так как устройства обслуживаются более быстро, то у сети появляется больше эфирного времени на обслуживание большего количества клиентских устройств. Таким образом, технология MU-MIMO может значительно оптимизировать работу беспроводных сетей с интенсивным трафиком или большим количеством подключенных устройств, таких как общественные Wi-Fi-сети. Это прекрасная новость, так как количество смартфонов и других мобильных устройств с возможностью подключения к Wi-Fi-сети, скорее всего, продолжит увеличиваться.

11. Поддерживается любая ширина канала

Одним из способов расширения пропускной способности Wi-Fi-канала является связывание каналов, когда объединяются два соседних канала в один канал, который в два раза шире, что фактически удваивает скорость Wi-Fi-соединения между устройством и точкой доступа. Стандарт 802.11n предусматривал поддержку каналов шириной до 40 МГц, в оригинальной спецификации стандарта 802.11ac поддерживаемая ширина канала была увеличена до 80 МГц. В обновленном стандарте 802.11ac Wave 2 поддерживаются каналы шириной 160 МГц.

Рисунок 3. На сегодняшний день стандарт 802.11ac поддерживает каналы шириной до 160 МГц в диапазоне частот 5 ГГц

Однако, не следует забывать, что использование в беспроводной сети каналов большей ширины увеличивает вероятность возникновения помех в совмещенных каналах. Поэтому такой подход не всегда будет правильным выбором для разворачивания всех без исключения Wi-Fi-сетей. Тем ни менее, технология MU-MIMO, как мы можем убедиться, может быть использована для каналов любой ширины.

Тем ни менее, даже если ваша беспроводная сеть использует более узкие каналы шириной 20 МГц или 40 МГц, технология MU-MIMO все равно может помочь ей работать быстрее. А вот насколько быстрее, будет зависеть от того, сколько необходимо будет обслуживать клиентских устройств и сколько потоков каждое из этих устройств поддерживает. Таким образом, использование технологии MU-MIMO даже без широких связанных каналов может более чем в два раза увеличить пропускную способность выходного беспроводного соединения для каждого устройства.

12. Обработка сигналов повышает безопасность

Интересным побочным эффектом технологии MU-MIMO является то, что маршрутизатор или точка доступа шифрует данные перед их отправкой через радиоканалы. Достаточно трудно декодировать данные, передаваемые с использованием технологии MU-MIMO, т. к. не ясно какая часть кода в каком пространственном потоке находится. Хотя впоследствии могут быть разработаны специальные инструменты, позволяющие другим устройствам перехватывать передаваемый трафик, на сегодняшний день технология MU-MIMO эффективно маскирует данные от расположенных вблизи устройств прослушивания. Таким образом, новая технология помогает повысить Wi-Fi-безопасность, что особенно актуально для открытых беспроводных сетей, таких как общественные Wi-Fi-сети, а также точек доступа, работающих в персональном режиме или использующих упрощенный режим аутентификации пользователей (Pre-Shared Key, PSK) на базе технологий защиты Wi-Fi-сети WPA или WPA2.

13. MU-MIMO лучше всего подходит для неподвижных Wi-Fi-устройств

Также существует одно предостережение о технологии MU-MIMO: она не очень хорошо работает с быстродвижущимися устройствами, так как процесс формирования направленного сигнала по технологии beamforming становится более сложным и менее эффективным. Поэтому MU-MIMO не сможет обеспечить вам заметную пользу для устройств, часто использующих роуминг в вашей корпоративной сети. Однако, следует понимать, что эти «проблемные» устройства никак не должны повлиять ни на MU-MIMO-передачу данных другим клиентским устройствам, которые менее подвижны, ни на их производительность.

Смотрите также:

Основные особенности стандарта 802.11ac / Блог компании CBS / Хабр

Стандарт 802.11ac принят в 2014 году, а устройства с его поддержкой, как водится, появились раньше. Как многие знают, в нем значительно увеличена скорость передачи данных (теоретически, до 6.7 Гбит/с!). Достигается это благодаря увеличенной ширине каналов (до 160 МГц), количеству потоков (до 8) и новой улучшенной модуляции (256-QAM). Конечно, не все новшества стандарта стали доступны сразу. Реализация на точках доступа и клиентских станциях происходит поэтапно. Первая волна (wave 1) устройств поддерживает каналы 80 МГц, модуляцию 256-QAM и два-три пространственных потока. Корпоративные точки доступа второй волны (wave 2), появившиеся в 2015 году, поддерживают ширину канала до 80 МГц и до четырех пространственных потоков, что дает скорость 1.7 Гбит/с. Также, для второй волны устройств добавлена поддержка многопользовательского пространственного мультиплексирования MultiUser-MIMO (MU-MIMO). Эта технология позволяет передать несколько потоков информации нескольким пользователям одновременно (ага, точка доступа превращается в некий беспроводной коммутатор). Сейчас практически любое новое устройство с беспроводной Wi-Fi сетью поддерживает как минимум первую волну стандарта.

При подборе оборудования, планировании беспроводных сетей, мы обратили внимание, что, немногие заказчики ориентируются на поддержку нового стандарта, либо вообще просят поставить старое оборудование предыдущих поколений. У некоторых это продиктовано корпоративными стандартами, внутренними требованиями, а кто-то просто не знает особенностей или не видит плюсов использования. Вот мы и решили написать коротко об основных «фишках» стандарта.

Требования к устройствам

Стандарт предусматривает поддержку каналов до 160 МГц, количество пространственных потоков до 8 и т.п. Минимальные требования гораздо скромнее. Если у вас есть клиентское устройство с поддержкой 802.11ac, то в обязательном порядке оно поддерживает (кроме стандартных параметров: модуляция, кодирование и т.д.):

• Каналы 80 МГц;
• Один пространственный поток;
• Агрегацию фреймов (A-MPDU).

Остальные нововведения (например, модуляция 256-QAM, Beamforming, MU-MIMO) не являются обязательными.
Как узнать какие функции из стандарта поддерживает адаптер? Это можно сделать на сайте Wi-Fi Alliance.

Скорости и модуляция

В стандарте 802.11ac по сравнению с предыдущими версиями появилось больше скоростей подключения, схем модуляции и кодирования (MCS). Для упрощения решено было сделать всего 10 схем-индексов (0-9) с разницей в количестве пространственных потоков. Ниже таблица MCS для одного пространственного потока в рамках 802.11n и 802.11ac.

Обратите внимание, некоторые скорости в 802.11ac не поддерживаются (n/a). Это связано с распределением информации по поднесущим: для некоторых схем нельзя получить целое количество блоков, остаются лишние биты. Решено не заполнять их, а просто не использовать, т.к. таких скоростей не много.

Модуляция 256-QAM позволяет увеличить скорость на 33% (количество бит на каждую поднесущую увеличилось с 6 до 8). Однако, нужно понимать, что для работы 256-QAM требуется хороший сигнал, SNR должен быть не менее 30dB. Кстати, новую модуляцию «под шумок», некоторые производители добавили и для диапазона 2.4 ГГц. А что, ведь теперь можно говорить, что точка доступа 802.11n работает на скорости 800 Мбит/с для четырех потоков, вместо стандартных 600 Мбит/с (фактически даже 450 Мбит/с, т.к. 4 потока это тоже скорее экзотика, хотя в стандарте предусмотренная). Конечно, для такой работы потребуется строго определенный клиентский адаптер, так как в стандарте этого нет.

Формирование диаграммы направленности

Формирование диаграммы направленности (transmit beamforming, TxBF) позволяет сфокусировать в сторону клиента передаваемый сигнал, улучшая таким образом downlink (канал от точки доступа к клиенту). Чем лучше сигнал (выше значение SNR) тем на большей скорости мы можем передать данные на клиента. Технология актуальна для точек доступа с всенаправленными антеннами. Чтобы откалибровать передачу сигнала для массива антенн, устройство-передатчик (обычно, точка доступа) должно предварительно получить данные от приемника (клиентская станция). Это может быть либо косвенная информация (служебные кадры), либо специальные калибровочные кадры (требуется поддержка их генерации на приемнике). Первый вариант получил название неявное формирование диаграммы направленности (implicit beamforming), второй – явное формирование диаграммы направленности (explicit beamforming). Попытка реализовать explicit beamforming была в стандарте 802.11n, однако технология не получила распространение. Некоторые производители реализовали собственный вариант с поддержкой implicit beamforming для устройств стандартов 802.11 a/g/n. У Ruckus для этого используется технология BeamFlex. Нужно уточнить, что это более комплексная технология, включающая в том числе и beamforming. В точках доступа Ruckus используются адаптивные антенны, которые обеспечивают помимо beamforming’а дополнительную обработку входящего сигнала, отстройку от источников помех и др. У Cisco тоже есть своя технология beamforming’а – ClientLink. Остановимся на ней немного более подробно.

Cisco ClientLink

В случае ClientLink, за формирование диаграммы направленности отвечает только точка доступа, поддержка на клиенте не требуется. У Cisco данная технология реализована на аппаратном уровне. Она позволяет увеличить уровень сигнала на 3-5 dB и оптимально работает со статичными клиентами.

ClientLink 1.0 для калибровки использует технологию Maximal Ratio Combining (MRC). В MRC принятый на нескольких антеннах сигнал смещается по фазе, а затем складывается, чтобы получить итоговый входящий сигнал с бОльшим SNR. В ClientLink 1.0 на основе алгоритма MRC точка доступа запоминает значения фазы и амплитуды для каждого клиента 802.11a/g. Далее точка доступа формирует исходящий сигнал с дополнительных антенн к клиенту, исходя из этих данных, чтобы получить улучшение сигнала на клиенте. Это и логично: если мы отправим сигнал в таком же виде, как его и получили, это позволит сфокусировать его в нужном нам направлении, так как в обратную сторону сигнал пойдёт тем же путём. Действует это автоматически для первых 15 клиентов, подключившихся к точке доступа.

ClientLink 2.0 поддерживает формирование диаграммы направленности для 802.11n клиентов с 1-3 пространственными потоками. Сигнал от точки доступа к клиенту формируется со всех антенн. На каждую антенну передаётся суперпозиция пространственных потоков. Схема вычисления весовых коэффициентов аналогична ClientLink 1.0. Поддерживается до 128 клиентов.

В последней версии технологии (ClientLink 3.0) была добавлена поддержка клиентов 802.11ac. Поддерживаются каналы 80 МГц, модуляция 256-QAM и до трёх пространственных потоков. Обеспечивается обслуживание до 128 клиентов. ClientLink 3.0 помимо стандартной схемы работы (как в предыдущих версиях), также работает совместно со стандартным explicit beamforming в 802.11ac, о котором ниже.

802.11ac explicit beamforming

В 802.11ac реализован explicit beamforming уже непосредственно в стандарте. Планируется что он будет поддерживаться массово на клиентах, однако, как уже было сказано, его наличие не является обязательным. 802.11ac explicit beamforming работает только для 11ac клиентов и не совместим с другими стандартами. При этом сам клиент также должен поддерживать explicit beamforming, так как именно он будет сообщать точке доступа о том, как стоит ему передавать информацию.

Процесс калибровки выглядит следующим образом:

1. Точка доступа формирует и отправляет специализированный кадр (Null Data Packet Announcement – NDPA) для оповещения клиента. В нем содержится информация о количестве передатчиков, количестве потоков и другие сопутствующие данные.
2. Далее клиенту отправляется Null Data Packet (NDP). Это делается для того, чтобы клиент, анализируя информацию в заголовках на физическом уровне, смог сформировать отчет о полученном сигнале и отправить его обратно точке доступа.
3. Клиент анализирует полученный (на всех антеннах) сигнал по каждой поднесущей и формирует матрицу направленности с определенной амплитудой и фазой. Данная матрица занимает достаточно большой объем (особенно с учетом ширины каналов в 11ac), поэтому ответ отправляется в сжатом виде.
4. Получатель (точка доступа) на основании полученной от клиента информации формирует диаграмму направленности.

Формирование диаграммы направленности происходит следующим образом: каждая антенная начинает передавать некую суперпозицию всех пространственных потоков с определёнными коэффициентами (фаза, амплитуда). Причём коэффициенты для каждого потока на каждой антенне будут свои.

Стоит обратить внимание, что реальный выигрыш от технологии формирования диаграммы направленности мы получаем только в том случае, если количество антенн на передачу у нас превосходит количество передаваемых пространственных потоков.

Для многопользовательской передачи (multi-user beamforming), процесс схожий, однако калибровка происходит для каждого клиента в отдельности.

Продвинутое MIMO

Multi-user MIMO (MU-MIMO) это одно из ключевых новшеств в 802.11ac. Оно позволяет разделить пространственные потоки и организовать одновременную передачу данных нескольким клиентам (вместо одновременной передачи только одному клиенту для обычного MIMO). Работает MU-MIMO на устройствах wave 2 и действует только для downlink соединения (от точки доступа к клиенту). Предусмотрено обслуживание не более четырёх пользователей. Текущие точки доступа поддерживают обслуживание не более трёх пользователей в режиме MU-MIMO.

Для реализации данной функции потребовалось изменить формат кадра на физическом уровне, добавив специализированные заголовки для согласования параметров с несколькими пользователями. Кроме того, появилось разделение кадра на получателей (кадр адресованный всем, кадр для конкретного клиента).

Кстати, в 802.11n (HT) есть различные форматы кадров (и режимы работы точки доступа): mixed – для совместимости с 802.11a/g/n устройствами или greenfield для работы только 11n устройств. В 802.11ac используется один универсальный формат, включающий заголовки 802.11a/ac.

Как же передать информацию одновременно всем пользователям? Здесь нам помогают свойства beamforming-а. После калибровки, каждый поток (или несколько потоков) отправляется каждому пользователю со своей диаграммой направленности. Для предотвращения интерференции передаваемого сигнала при многопользовательской передаче, диаграмма направленности для каждого клиента строится таким образом, что сигнал для соседних клиентов приходит в противофазе. Это важно, так как клиент должен «слышать» только тот пространственный поток, который адресован именно ему. Иначе пространственный потоки будут друг на друга влиять, и клиент ничего не разберёт. Логично предположить, что технология не работает, если клиенты находятся на достаточно близком расстоянии друг к другу (хотя для помещения из-за переотражений вопрос «близкого нахождения» клиентов друг к другу достаточно непростой).

Точная калибровка крайне важна для такой передачи, поэтому она происходит в несколько раз чаще, чем для single-user передачи. Но, как мы помним, этот механизм требует передачи достаточно большого количества информации, что увеличивает утилизацию канала.

Точка доступа должна анализировать, какой режим лучше использовать для передачи. На данный момент, технология скорее актуальна для работы с несколькими клиентами, поддерживающими один поток. Для других случаев проще будет использовать обычный режим MIMO и передать несколько потоков с определенной диаграммой направленности по очереди. Так как точки доступа с поддержкой MU-MIMO появились на рынке относительно недавно, сложно сказать насколько массовое распространение получит данная технология.

Особенности доступа к среде и использования каналов

Одним из ключевых новшеств стандарта 802.11ac является появление более широких каналов. В 802.11a/g используются каналы шириной 20 Мгц, в 802.11n появились каналы 40 Мгц. Однако, использование каналов шириной 40Мгц не является обязательным. Более того для диапазона 2.4 ГГц некоторые производители беспроводного оборудования даже запретили использование каналов 40 Мгц на своих устройствах, т.к. слишком мало свободных частот. Новый стандарт работает в диапазоне 5 ГГц, который менее загружен и имеет больше свободных частот. Новые более широкие каналы позволяют передать больше информации в единицу времени и экономить энергию батареи на устройствах.

Итак, с одной стороны появились новые форматы каналов – шириной 80, 160, 80+80 Мгц. С другой стороны, конечно, таких широких каналов в диапазоне мы получим гораздо меньше по сравнению с каналами 20-40 МГц для 802.11n. Кроме того, в каждом регуляторном домене есть свои ограничения по использованию частот.

Вариации с доступными каналами в разных странах\регионах.

В нашей стране для использования в помещениях разрешена первая часть диапазона, 5150-5350 МГц (UNII-1 и UNII-2):

Так как по 160 МГц получается выделить 1-2 канала (у нас один), для использования это скорее вариант при установке одной точки доступа и свободном диапазоне (например, дома, все-таки 5 ГГц пока чаще свободен, при этом радиус его действия меньше, чем 2.4 ГГц) для получения максимальной скорости. Для корпоративного сегмента “рабочими” являются каналы шириной 80 Мгц. Кстати, несмотря на возможность использования каналов 160 МГц в wave-2 устройствах, флагманские wave-2 точки доступа корпоративного сегмента не поддерживают каналы 160 МГЦ (Cisco 1850, Aruba 320, Ruckus 710). Для использования каналов 160 МГц ещё есть вариант с выделением двух несмежных каналов по 80 МГц (80+80) на разных участках диапазона. Это действительно позволяет увеличить количество каналов (с 2 до 4 в Европе, например), но для нас пока неактуально (только два смежных канала по 80 МГц).

Хорошо, используем 80 МГц. Однако, у нас уже есть 11a/n клиенты, которые используют каналы 20 МГц (реже – 40 МГц). Договориться с ними помогает старый добрый механизм RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send), который позволяет избежать коллизии при передаче и сообщить остальными участникам о занятой полосе. Для того, чтобы определить какие каналы заняты для передачи, инициатор отправляет RTS кадр на всех 20МГц каналах из планируемого для передачи широкого канала. Получатель проверяет доступность среды (Clear-Channel Assessment, CCA) перед отправкой ответного кадра CTS. Если эфир свободен, начинается передача. Если какой-либо канал (или каналы) используются, CTS передается только для свободных каналов и передача осуществляется на них (20 или 40 Мгц, например). Также, проработан механизм совместной работы устройств 802.11ac. Например, если рядом находятся две точки доступа 802.11ac, работающие, на одном канале 80 МГц, каждая из них делит его на два по 40 МГц и определяет для себя первичный канал для передачи трафика (например, 36-40 и 44-48) и обе осуществляют одновременную передачу, не ожидая освобождения полосы 80 МГц. Например, в частном случае передача может выглядеть так:

Насколько видно, механизм работает достаточно гибко, кроме того для переключения полосы не требуется установки нового соединения, перестроение происходит в по-пакетном режиме (per-packet).

Улучшения, появившиеся в стандарте 802.11ac позволяют уменьшить нагрузку на сеть (возросла емкость), более оптимально использовать частоты, экономить энергию на устройствах. Необходимость перехода на новый стандарт каждый определяет сам. Если ваша корпоративная беспроводная сеть работает стабильно, скоростей 802.11a/g/n хватает, то и новый стандарт подождет (новые клиентские устройства 802.11ac будут подключаться на скоростях 802.11a/n). Если вы используете диапазон 2. 4 ГГц, он загружен (много клиентов, соседние сети) и качество сервиса оставляет желать лучшего, возможно, новый стандарт (и вообще диапазон 5 Ггц) как раз для вас. По сравнению с 802.11n, точки 802.11ac (по крайней мере, первой волны) стоят, как правило, столько же. Также хотелось бы заметить, что при планировании сети, необходимо учитывать количество клиентов в сети, их скорости и пропускные способности текущего оборудования (контроллеры БЛВС, коммутаторы) для корректной работы нового стандарта.

Технология Beamforming+ в продуктах NETGEAR 802.11ac

Компания NETGEAR объявила о поддержке технологии Beamforming+ двухдиапазонным гигабитным Wi-Fi роутером NETGEAR R6300 802.11ac и двухдиапазонным Wi-Fi USB-адаптером NETGEAR A6200 802.11ac. Клиенты NETGEAR, которые ранее приобрели эти устройства, теперь могут бесплатно загрузить обновление микрокода, реализующего поддержку Beamforming+. Обновление, активирующее новую технологию, улучшает производительность, покрытие Wi-Fi и стабильность работы сети при подключении роутера или адаптера к другим беспроводным устройствам с поддержкой Beamforming (к ПК/ноутбуку, оборудованному адаптером A6200, или к устройству 802.11ac).

NETGEAR Beamforming+ — это интеллектуальная технология фокусирования сигнала, расширяющая покрытие беспроводного сигнала, сокращающая влияние помех и «мертвые зоны», а также повышающая скорость беспроводного соединения 802.11ac. NETGEAR Beamforming+ распознает месторасположение беспроводных устройств в сети и направляет сигнал Wi-Fi точно на устройство, а также постоянно проверяет и отслеживает перемещение подключенных к сети мобильных телефонов и планшетов. Такой целевой подход усиливает сигнал Wi-Fi за счет подстройки фазы сигнала передатчика, обеспечивая стабильное беспроводное соединение для передачи видео и звука. В результате удается получить точно настроенную сеть Wi-Fi, которая оптимизирует общую производительность беспроводной связи и удовлетворяет потребности пользователей в быстрой загрузке больших файлов, высоком качестве звонков через Интернет, непрерывном воспроизведении HD-видео и онлайн-играх без пауз.

Результаты тестов NETGEAR показали, что при активации технологии Beamforming+ на Wi-Fi роутере R6300 производительность при соединении с другим устройством 802.11ac, расположенном на расстоянии 15 м, возрастает более чем на 60%.

Стандарт беспроводной связи 802.11ac, который должен быть утвержден в ближайшее время, — это самая быстрая в мире технология Wi-Fi, реализующая гигабитные скорости. Технология 802.11ac оптимально подходит для мобильных устройств, например, смартфонов и планшетов, обеспечивая повышение производительности Wi-Fi до трех раз при том же времени работы от аккумуляторов по сравнению с устройствами на базе стандарта 802.11n. Уже сейчас на рынке появляются смартфоны с поддержкой 802.11ac Wi-Fi, например Samsung Galaxy S4 и HTC One.

В 2012 году NETGEAR первой анонсировала семейство продуктов 802.11ac. Wi-Fi роутер R6300 — это первый в индустрии беспроводной роутер 802.11ac, обеспечивающий суммарную скорость Wi-Fi до 1750 Мбит/с (450 Мбит/с при 2,4 ГГц 802.11n + 1300 Мбит/с при 5 ГГц 802.11ac). R6300 обратно совместим с 802.11a/b/g/n. А NETGEAR A6200 является первым в индустрии двухдиапазонным USB-адаптером Wi-Fi 802.11ac и позволяет легко провести модернизацию имеющегося ПК или ноутбука до уровня производительности Wi-Fi 802.11ac.

КАК: Что такое Wi-Fi Beamforming?

Beamforming — новое модное слово, которое часто ассоциируется с новыми маршрутизаторами Wi-Fi, но что такое формирование луча? Будет ли это на самом деле улучшить ваш сигнал? И что еще более важно, стоит ли его модернизировать?

Технология цифрового лучеобработки является частью стандарта 802.11ac для маршрутизаторов Wi-Fi. Звучит непонятно, не так ли? Не беспокойтесь о жаргоне. Стандарт для компьютеров очень похож на язык. Нам нужно знать правила — грамматику, правописание и т. Д. — эффективно общаться друг с другом. Наш маршрутизатор Wi-Fi и наши ноутбуки, смартфоны и планшеты также нуждаются в правилах общения друг с другом. Стандарт 802. 11ac — это просто новейший набор правил.

Так в чем дело с формированием луча? Старые маршрутизаторы всенаправлены, что означает, что они посылают свой сигнал во всех направлениях. Как вы можете себе представить, это разбавляет сигнал. Beamforming — это способ для нашего устройства указать свое местоположение маршрутизатору и маршрутизатору сформировать луч в сигнале, направленном к устройству. Это поможет усилить сигнал, который, в свою очередь, должен помочь нам, когда мы будем транслировать фильмы или просматривать веб-страницы.

Вам нужен Beamforming Wi-Fi Router?

К сожалению, формирование луча не является волшебной таблеткой, которая решит все наши проблемы с Wi-Fi. Луч поможет улучшить сигнал на расстоянии, поэтому, если у вас возникла проблема с частью вашего дома или офиса, который находится далеко от маршрутизатора, формирование луча может улучшить сигнал.

Однако дистанция не всегда является проблемой, когда дело доходит до медленных скоростей интернета. Каждый раз, когда сигнал проходит через объект, подобный стене, он может потерять силу. В этом случае маршрутизатор, формирующий диаграмму направленности, может не помочь сигналу. Пучок будет разрушен так же, как нормальный сигнал будет нарушен.

Если ваш маршрутизатор находится на одной стороне вашего дома или офиса, и у вас возникают проблемы с другой стороны, формирование луча может быть золотым билетом для интернет-блаженства. Но если ваш маршрутизатор находится посередине, и у вас возникают проблемы с одним концом, но не с другим, возможно, что-то нарушающее сигнал, а формирование луча может не помочь. Это проблема, когда расширитель Wi-Fi или другие решения Wi-Fi-сигналов могут быть лучше (и, вероятно, дешевле).

Улучшает ли Beamforming скорость моего интернета?

И да и нет. Только формирование луча не увеличит максимальную скорость интернета, но может улучшить сигнал, который может повысить вашу эффективную скорость, когда вы путешествуете дальше от своего маршрутизатора.

Тем не менее, побочное преимущество, которое получают многие люди при обновлении до маршрутизатора 802.11ac с формированием луча, является добавлением MIMO, что означает множественное и множественное выключение. Большинство новых маршрутизаторов включают эту функцию, и она имеет фундаментальное значение для формирования луча. Если ваше устройство поддерживает MIMO, что делает большинство современных мобильных устройств, ваш маршрутизатор и ваш смартфон, ноутбук или планшет будут использовать несколько потоков для общения. Это может значительно увеличить скорость вашего интернет-трафика.

MIMO был поддержан до стандарта 802.11ac, и ваш текущий маршрутизатор уже может его поддерживать.

В чем разница между неявным формированием луча и явным формированием луча?

Beamforming может потенциально повысить уровень сигнала устройств, которые фактически не поддерживают формирование диаграммы направленности, хотя и не настолько, насколько это возможно на поддерживаемом устройстве. Явное формирование луча означает, что луч сформирован только в том случае, если устройство на другом конце поддерживает формирование луча. Неявное формирование луча будет пытаться сформировать луч, даже если оконечное устройство не поддерживает его. Хотя это может быть не так точно, неявное формирование луча может помочь с некоторыми соединениями.

У всех новых маршрутизаторов есть луч?

Хотя стандарт 802.11ac включает стандарты для формирования диаграммы направленности, для всех маршрутизаторов Wi-Fi это не является обязательным требованием. И, к сожалению, разные производители любят одевать его со специальными именами, хвастаясь об этом на упаковке. Поэтому вы можете захотеть найти варианты слова «луч», например, технология Advance Beam Technology или технология Smart Beam. Но не беспокойтесь, как бы производитель ни говорил это, формирование луча будет совместимо с вашими устройствами.

Beamforming объяснил: как это делает беспроводную связь быстрее — сетей

Формирование луча — это метод, который фокусирует беспроводной сигнал на конкретном приемном устройстве, а не распространяет сигнал во всех направлениях от вещательной антенны, как это обычно бывает. В результате более прямое соединение происходит быстрее и надежнее, чем без формирования диаграммы направленности.

Хотя принципы формирования луча были известны с 1940-х годов, в последние годы технологии формирования луча внесли постепенные улучшения в сети Wi-Fi. Сегодня формирование диаграммы направленности имеет решающее значение для сетей 5G, которые только начинают внедряться.

Как работает формирование луча

Одна антенна, передающая беспроводной сигнал, излучает этот сигнал во всех направлениях (если он не заблокирован каким-либо физическим объектом). Такова природа работы электромагнитных волн. Но что, если вы хотите сфокусировать этот сигнал в определенном направлении, чтобы сформировать целевой луч электромагнитной энергии? Один из способов сделать это заключается в расположении нескольких антенн в непосредственной близости, причем все они передают один и тот же сигнал в несколько разное время. Перекрывающиеся волны будут создавать помехи, которые в некоторых областях являются конструктивными (это делает сигнал более сильными), а в других областях являются деструктивными (это делает сигнал более слабым или необнаружимым). При правильном выполнении этот процесс формирования луча может сфокусировать ваш сигнал в нужном направлении.

ojogabonitoo / Getty Images

Математика, лежащая в основе формирования луча, очень сложна (если хотите, у блога Math Encounters есть введение), но применение методов формирования луча не является новым. Любая форма энергии, которая распространяется волнами, включая звук, может извлечь выгоду из методов формирования луча; они были впервые разработаны для улучшения гидролокатора во время Второй мировой войны и до сих пор важны для звуковой инженерии. Но мы собираемся ограничить нашу дискуссию здесь беспроводными сетями и коммуникациями.

Преимущества и ограничения формирования луча

Сосредоточив сигнал в определенном направлении, формирование луча позволяет вам доставлять более высокое качество сигнала вашему приемнику — что на практике означает более быструю передачу информации и меньше ошибок — без необходимости повышать мощность вещания. Это в основном святой Грааль беспроводной сети и цель большинства методов улучшения беспроводной связи. В качестве дополнительного преимущества, поскольку вы не передаете свой сигнал в тех направлениях, где он не нужен, формирование луча может уменьшить помехи, испытываемые людьми, пытающимися уловить другие сигналы.

Ограничения формирования луча в основном связаны с необходимыми вычислительными ресурсами; Существует много сценариев, в которых временные и энергетические ресурсы, необходимые для расчетов по формированию луча, сводят на нет его преимущества. Но постоянные улучшения в производительности и эффективности процессора сделали методы формирования лучей достаточно доступными для встраивания в сетевое оборудование потребителей.

Маршрутизаторы формирования луча Wi-Fi: 802.11n против 802.11ac

Beamforming начал появляться в маршрутизаторах еще в 2008 году, с появлением стандарта Wi-Fi 802.11n. 802.11n была первой версией Wi-Fi, поддерживающей технологию множественного ввода с множеством выходов или технологию MIMO, которая необходима для формирования луча для отправки нескольких перекрывающихся сигналов. Однако формирование луча на оборудовании 802.11n никогда не происходило, потому что в спецификации не указано, как следует реализовывать формирование луча. Несколько поставщиков выпустили запатентованные реализации, которые требовали покупки соответствующих маршрутизаторов и беспроводных карт, и они не были популярны.

С появлением стандарта 802.11ac в 2016 году все изменилось. В настоящее время существует набор определенных методов формирования луча для устройств Wi-Fi, и, хотя в спецификации не требуются маршрутизаторы 802.11ac для реализации формирования луча, если они это делают (и почти все на рынке сейчас делают), они делают это в поставщике. нейтральный и совместимый способ. Хотя некоторые предложения могут рекламировать фирменные названия, такие как AC Smart Beam компании D-Link, все они являются реализациями одного и того же стандарта. (Еще более новый стандарт 802.11ax продолжает поддерживать формирование луча в стиле переменного тока.)

Формирование луча и MU-MIMO

Формирование луча является ключевым фактором для поддержки многопользовательского MIMO или MU-MIMO, который становится все более популярным по мере развертывания маршрутизаторов 802.11ax. Как следует из названия, MU-MIMO включает в себя несколько пользователей, каждый из которых может связываться с несколькими антеннами на маршрутизаторе. MU-MIMO использует формирование луча, чтобы убедиться, что связь с маршрутизатором эффективно направлена ​​на каждого подключенного клиента.

Явное формирование луча против неявного формирования луча

Есть несколько способов, которыми может работать формирование луча Wi-Fi. Если и маршрутизатор, и конечная точка поддерживают совместимое с 802.11ac формирование луча, они начнут сеанс связи с небольшого «рукопожатия», которое поможет обеим сторонам установить свои соответствующие местоположения и канал, по которому они будут общаться; это улучшает качество соединения и известно как явное формирование луча. Но все еще используется множество сетевых карт, которые поддерживают только 802.11n или даже более старые версии Wi-Fi. Маршрутизатор формирования луча все еще может пытаться нацелиться на эти устройства, но без помощи конечной точки он не сможет точно установить нулевую точку. Это известно как неявное формирование луча, или иногда как универсальное формирование луча, потому что теоретически работает с любым устройством Wi-Fi.

Во многих маршрутизаторах неявное формирование луча — это функция, которую вы можете включать и выключать. Стоит ли включать неявное формирование луча? В Руководстве по маршрутизатору предлагается проверить, как ваша сеть работает с ним и выключаться, чтобы увидеть, получаете ли вы от этого импульс. Вполне возможно, что такие устройства, как телефоны, которые вы носите по дому, могут видеть разорванные соединения с неявным формированием луча.

5G формирование луча

На сегодняшний день в локальных сетях Wi-Fi среднестатистический человек, скорее всего, столкнется с формированием луча в условиях дикой природы. Но с развертыванием глобальных сетей 5G, которое сейчас идет, это изменится. 5G использует радиочастоты от 30 до 300 ГГц, которые могут передавать данные намного быстрее, но также гораздо более подвержены помехам и сталкиваются с большими трудностями при прохождении через физические объекты. Для решения этих проблем требуется множество технологий, в том числе меньшие соты, массивный MIMO — в основном тонны антенн на базовых станциях 5G — и, да, формирование луча. Если 5G взлетит так, как рассчитывают производители, время придет достаточно скоро, когда мы все будем использовать формирование лучей (за кадром) каждый день.

,

стандарты, ширина канала, MIMO и Beamforming

Wi-Fi – это технология беспроводной локальной сети на основе стандартов IEEE 802.11. Большинство людей используют ее для подключения к интернету мобильников, телевизоров и ноутбуков, но также данная технология применяется и в локальных сетях организаций (для подключения беспроводного принтера, например), и при построении беспроводного видеонаблюдения или домофонии, и даже в умном доме, которому и посвящен данный сайт. В общем везде, где или нет возможности протянуть кабель или устройства не поддерживают проводное подключение.

В сети Wi-Fi зачастую используется два типа устройств – точка доступа и клиенты, которые к ней подключаются. В качестве точки обычно выступает роутер, но также точкой можно сделать и смартфон или ноутбук, раздав Wi-Fi с них.

Содержание:

1. Используемые частотные диапазоны Wi-Fi. Разница между 2.4 и 5 ГГц
2. Частотные каналы Wi-Fi. Частоты 802.11ac и 802.11n
3. Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi
4. MIMO и Beamforming

Используемые частотные диапазоны Wi-Fi. Разница между 2.4 и 5 ГГц

Передача Wi-Fi сигнала осуществляется при помощи радиоволн в частотных диапазонах 2. 4 ГГц и 5 ГГц. Какую частоту Wi-Fi выбрать и какая разница между 2.4 и 5 ГГц? У каждого диапазона есть свои плюсы и минусы. Сети, которые работают на 2.4 ГГц обладают большей площадью покрытия по сравнению с сетями, работающими в диапазоне 5 ГГц. Меньшая дальность покрытия на пятерке связана с тем, что волны на высоких частотах затухают сильнее, а также с большей чувствительностью сигнала к различным препятствиям, что актуально в многоквартирных домах. Казалось бы, выставляй везде 2.4 и радуйся хорошему приему в любом уголке квартиры, но не тут-то было. Большое количество сетей в данном диапазоне создают помехи друг на друга, ухудшая качество сигнала, а соответственно и скорость соединения. И сетей этих действительно много – это и точки доступа соседей, и умные лампы, розетки и выключатели, и беспроводные камеры видеонаблюдения. Bluetooth-устройства, беспроводные клавиатуры, мышки и наушники, Zigbee датчики умного дома и даже микроволновки так же работают в диапазоне частот 2.4 ГГц.

2.4 или 5 ГГц: что лучше? Все современные роутеры уже давно работают в двух частотных диапазонах одновременно, так что если вы живете в многоквартирном доме, то лучшим решением будет перекинуть на пятерку все поддерживающие ее устройства, а недостаток покрытия решить добавлением усилителей. В моем случае пятерка отлично покрывает двухкомнатную квартиру в монолитном доме, показывая близкие к максимальной от провайдера скорости в любой ее части, так что все лампочки и прочие устройства умного дома у меня висят на 2.4 (5 ГГц они не поддерживают), а все смартфоны – на пятерке.

Для использования сетей 5 ГГц и клиент и точка доступа должны их поддерживать.

Частотные каналы Wi-Fi. Частоты 802.11ac и 802.11n

Как уже было сказано выше, большое количество работающих вокруг сетей будет создавать помехи для вашего соединения. Для минимизации таких помех роутеры могут использовать разные частотные каналы для связи с устройствами. Что это значит? Возьмем, к примеру, частотный диапазон 2. 4 ГГц (устройства на 802.11n), в него входят частоты от 2400 МГц до 2483.5 МГц (в Японии до 2495 МГц). Стандартная ширина канала, которую использует роутер для связи с устройствами в данном частотном диапазоне составляет 22 МГц и таких каналов при работе в 2.4 ГГц может быть до 14 шт. Точное значение зависит от страны – для США это 11, для России и Украины – 13, а для Японии – 14. Исходя из вышесказанного, получается, что тот же айфон, купленный в штатах, будет видеть только первые 11 каналов и если ваш роутер работает на 13, то смартфон его просто не увидит. Так что если ваше устройство не видит роутер, то зайдите в его (роутера) настройки и выберите любой канал из первых одиннадцати.

С точками доступа все проще – при первом запуске зачастую предлагается выбрать страну проживания и исходя из этого и будет программно ограничено количество каналов и мощность сигнала.

Как уже было сказано выше – всего в диапазоне от 2400 МГц до 2483.5 МГц имеется 13 каналов (японский 14, находящийся за пределами данного диапазона в расчет не берем). Как они там поместились, учитывая ширину каждого в 22 МГц? Все просто – центральная частота каждого следующего канала равна +5 МГц к центральной частоте предыдущего. Для наглядности приведу картинку:

Как видим, каждый канал пересекается с частью других и, соответственно, создает на них помехи. Например, точка работающая на 4 канале будет оказывать сильные помехи на 3 и 5 каналы и немного меньшие на 2 и 6. А вот если ваш роутер будет работать на первом, а два соседских на шестом и одиннадцатом каналах, то все они не будут создавать друг другу помехи, т к не будет пересечения каналов. Но это в теории, на практике они все же пересекаются, т к всегда остается “неучтенка” и, расположив рядом две точки с непересекающимися каналами, они будут создавать друг другу помехи. Выглядит это следующим образом:

Как бы то ни было, в любом многоквартирном доме сейчас куда больше роутеров и трех непересекающихся каналов явно недостаточно. Можно легко поймать сигнал соседа слева, справа, сверху, снизу и даже через несколько этажей. Частично решить данный вопрос можно переходом на 802.11ac, работающий на 5 ГГц (при условии, что используемые устройства поддерживают данную частоту), тут и каналов больше и загруженность меньше. А учитывая меньшую дальность действия еще и не все соседские точки добьют до вашей квартиры. В России, согласно Постановлению Правительства РФ от 12 октября 2004 года № 539 “О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств” (с изменениями на 22 декабря 2018 года) внутри помещений разрешено использовать частотные диапазоны 5150 – 5350 МГц и 5650 – 5850 МГц, что дает 17/8/4/1 (при 20/40/80/160 МГц соответственно) непересекающихся каналов в 5 ГГц:

Чтобы проверить каналы Wi-Fi на загруженность и найти среди них свободные можно воспользоваться специальным приложением для смартфонов Wi-Fi Analyzer. А для того, чтобы измерить скорость Wi-Fi соединения можно воспользоваться программой SpeedTest для смартфона или их сайтом для замера на ПК.

На что влияет ширина канала Wi-Fi? Все просто – чем шире канал, тем больше скорость передачи данных, но если вокруг будет много других сетей с пересекающимися с вами каналами, то и помех будет больше. Помехи – повышение значения уровня шума и уменьшение соотношения сигнал/шум. Как итог – уменьшение реальной скорости соединения.

Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi

Сети Wi-Fi описываются стандартами связи IEEE 802.11, берущими свое начало аж с 1997 года. Стандарты 802.11a и 802.11b появились в 1999 (выход первых устройств на 802.11a состоялся в 2001), 802.11g в 2003, 802.11n в 2009, 802.11ac в 2014 и 802.11ax в 2019. Немалое количество получается и что бы не запутаться во всем этом обычному пользователю, было принято решение дать стандартам альтернативные, простые для запоминания названия. Так в 2018 году и появились более удобные обозначения: 802.11n стал Wi-Fi 4, 802.11ac – Wi-Fi 5, а 802. 11ax – Wi-Fi 6.

Четвертая версия (802.11n) работает в диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц (при этом на 2.4 ГГц работает большинство устройств в данном стандарте) и наиболее распространена на данный момент. Максимальная теоретическая скорость 802.11n при использовании одной антенны – до 150 Мбит/с, а при использовании четырех – до 600 Мбит/с. Доступная ширина канала – 20 и 40 МГц.

Wi-Fi 5 (802.11ac), вышедший в 2013 году работает только на частоте 5 ГГц. Максимальная скорость 802.11ac при использовании восьми MU-MIMO антенн может доходить до 6,77 Гбит/с, а среди основных отличий от предыдущего стандарта можно выделить:

• Поддержку каналов шириной 20, 40, 80 и 160 МГц.
• Поддержку модуляции 256QAM, что дает увеличение скорости до 33% по сравнению с 64QAM, использующемся в Wi-Fi 4.
• Поддержку до 8 пространственных потоков (Wi-Fi 4 поддерживает до 4).
• Полноценно работающий между оборудованием разных производителей Beamforming.
• Поддержку MU-MIMO (появилась во второй редакции стандарта 802.11ac (Wave 2)).

Последние две технологии будут рассмотрены более подробно чуть ниже.

Wi-Fi 6 (802.11ax) – последний вышедший на данный момент стандарт Wi-Fi. Количество поддерживающих его устройств все еще невелико, но оно постоянно увеличивается.

Максимальная теоретическая скорость, заявленная для Wi-Fi 6 – до 11 Гбит/с. Он работает на частотах 2.4 и 5 ГГц, поддерживает ширину канала до 160 МГц, а также в нем были внедрены новые технологии – OFDMA, модуляция 1024QAM, BSS Coloring, Target Wake Time. Подробнее про шестую версию можно почитать в статье «Wi-Fi 6 802.11ax: Target Wake Time, BSS Coloring, OFDMA«.

MIMO и Beamforming

Ну и напоследок хотелось бы рассказать про несколько технологий, применяемых в беспроводных сетях.

Что такое MIMO в роутере. SU-MIMO и MU-MIMO

MIMO – одно из самых важных нововведений стандарта Wi-Fi 802. 11n. Если просто, то MIMO – это технология, позволяющая в один момент времени передавать или принимать несколько потоков данных с использованием нескольких антенн устройства. Больше потоков – выше скорость соединения.

Согласно стандарту могут быть различные конфигурации принимающих и передающих антенн, начиная с 1×1, где одна принимающая и одна передающая и заканчивая 4×4 (для 802.11n, в новых стандартах их количество увеличили еще больше). Зачастую в первой (1х1) конфигурации можно передать один пространственный поток, а в 4×4 – до четырех одновременно. Главное тут, чтобы не только роутер, но и клиент обладал соответствующим количеством антенн, а с этим могут возникнуть проблемы, так как, например, большинство смартфонов имеет MIMO 1×1. Да и указывают эти параметры далеко не все производители смартфонов и роутеров.

Существует два варианта MIMO: однопользовательский (SU-MIMO) и многопользовательский (MU-MIMO, впервые появившейся в стандарте 802.11ac Wave 2). В первом случае роутер в один момент времени отправляет данные только одному устройству, во втором – может отправлять данные нескольким пользователям одновременно.

Beamforming

Beamforming – технология формирования направленного луча в сторону подключенного клиента. Обычно сигнал транслируется во все стороны, создавая равномерную зону покрытия. Технология Beamforming позволяет маршрутизатору определить нахождение клиента в пространстве и сформировать сигнал в данном направлении. Изначально данный функционал появился в стандарте 802.11n, но из-за отсутствия стандартного способа реализации каждый производитель реализовывал ее по-своему и нормально она не работала. Начиная с 802.11ac был введен стандартный способ формирования диаграммы направленности, что позволило любым устройствам с поддержкой данной технологии корректно работать с любыми другими устройствами, так же ее поддерживающими.

Объяснение технологии

Beamforming: как она ускоряет беспроводную связь

Формирование луча — это метод, который фокусирует беспроводной сигнал на конкретное принимающее устройство, вместо того, чтобы распространять сигнал во всех направлениях от широковещательной антенны, как это обычно бывает. В результате получается более прямое соединение быстрее и надежнее, чем без формирования луча.

Хотя принципы формирования луча были известны с 1940-х годов, в последние годы технологии формирования луча внесли постепенные улучшения в сети Wi-Fi.Сегодня формирование диаграммы направленности имеет решающее значение для сетей 5G, которые только начинают разворачиваться.

Как работает формирование луча

Одна антенна, передающая беспроводной сигнал, излучает этот сигнал во всех направлениях (если только он не заблокирован каким-либо физическим объектом). Это природа того, как работают электромагнитные волны. Но что, если вы хотите сфокусировать этот сигнал в определенном направлении, чтобы сформировать целевой луч электромагнитной энергии? Один из способов сделать это предполагает наличие нескольких антенн в непосредственной близости, каждая из которых передает один и тот же сигнал в несколько разное время.Перекрывающиеся волны будут создавать помехи, которые в некоторых областях составляют конструктивный (это делает сигнал более сильным), а в других областях разрушительный (он делает сигнал слабее или необнаруживаемым). При правильном выполнении этот процесс формирования луча может сфокусировать ваш сигнал там, где вы хотите.

ojogabonitoo / Getty Images

Математика формирования луча очень сложна (в блоге Math Encounters есть введение, если хотите попробовать), но применение методов формирования луча не ново.Любая форма энергии, которая распространяется волнами, включая звук, может выиграть от методов формирования луча; они были впервые разработаны для улучшения сонара во время Второй мировой войны и до сих пор важны для аудиотехники. Но мы собираемся ограничить наше обсуждение здесь беспроводными сетями и коммуникациями.

Преимущества и ограничения формирования луча

За счет фокусировки сигнала в определенном направлении, формирование луча позволяет вам доставить более высокое качество сигнала на ваш приемник, что на практике означает более быструю передачу информации и меньшее количество ошибок, без необходимости увеличения мощности вещания. По сути, это святой Грааль беспроводной сети и цель большинства методов улучшения беспроводной связи. В качестве дополнительного преимущества, поскольку вы не транслируете свой сигнал в направлениях, где он не нужен, формирование луча может уменьшить помехи, испытываемые людьми, пытающимися уловить другие сигналы.

Ограничения формирования диаграммы направленности в основном связаны с необходимыми вычислительными ресурсами; существует множество сценариев, в которых время и ресурсы мощности, требуемые для расчетов формирования диаграммы направленности, сводят на нет ее преимущества.Но постоянные улучшения в мощности и эффективности процессоров сделали методы формирования луча достаточно доступными для использования в потребительском сетевом оборудовании.

Маршрутизаторы с формированием луча Wi-Fi: 802.11n против 802.11ac

Формирование луча начало появляться в маршрутизаторах еще в 2008 году, с появлением стандарта Wi-Fi 802.11n. 802.11n был первой версией Wi-Fi, которая поддерживала технологию с несколькими входами и несколькими выходами, или MIMO, в которой формирование луча необходимо для отправки нескольких перекрывающихся сигналов.Однако формирование луча с помощью оборудования 802.11n так и не стало популярным, потому что в спецификации не указано, как должно быть реализовано формирование луча. Некоторые поставщики выпускали собственные реализации, для работы которых требовалась покупка соответствующих маршрутизаторов и беспроводных карт, и они не пользовались популярностью.

С появлением стандарта 802.11ac в 2016 году все изменилось. В настоящее время существует набор определенных методов формирования диаграммы направленности для устройств Wi-Fi, и хотя по спецификации маршрутизаторы 802.11ac не требуются для реализации формирования диаграммы направленности, если они это делают (и почти все на рынке сейчас это делают), они делают это у поставщика — нейтральный и совместимый способ.Хотя в некоторых предложениях могут рекламироваться фирменные наименования, такие как AC Smart Beam от D-Link, все они являются реализациями одного и того же стандарта. (Еще более новый стандарт 802.11ax продолжает поддерживать формирование луча в стиле переменного тока.)

Beamforming и MU-MIMO

Beamforming — ключ к поддержке многопользовательской MIMO, или MU-MIMO, которая становится все более популярной с появлением маршрутизаторов 802.11ax. из. Как следует из названия, MU-MIMO включает нескольких пользователей, каждый из которых может связываться с несколькими антеннами на маршрутизаторе.MU-MIMO использует формирование луча, чтобы гарантировать, что связь от маршрутизатора эффективно нацелена на каждого подключенного клиента.

Явное формирование луча и неявное формирование луча

Есть несколько способов, которыми может работать формирование луча Wi-Fi. Если и маршрутизатор, и конечная точка поддерживают формирование луча в соответствии со стандартом 802.11ac, они начнут свой сеанс связи с небольшого «рукопожатия», которое помогает обеим сторонам установить свои соответствующие местоположения и канал, по которому они будут общаться; это улучшает качество соединения и известно как явное формирование луча .Но все еще используется множество сетевых карт, которые поддерживают только 802.11n или даже более старые версии Wi-Fi. Маршрутизатор с формированием диаграммы направленности все еще может пытаться нацеливаться на эти устройства, но без помощи со стороны конечной точки он не сможет выполнить настройку с такой точностью. Это известно как неявное формирование луча или иногда как универсальное формирование луча , потому что теоретически оно работает с любым устройством Wi-Fi.

Во многих маршрутизаторах неявное формирование луча — это функция, которую можно включать и выключать. Стоит ли включать неявное формирование луча? Руководство по маршрутизатору предлагает вам проверить, как ваша сеть работает с ним, чтобы увидеть, получаете ли вы от этого импульс.Возможно, что такие устройства, как телефоны, которые вы носите с собой дома, могут видеть разорванные соединения с неявным формированием луча.

Формирование луча 5G

На сегодняшний день локальные сети Wi-Fi — это то место, где средний человек чаще всего сталкивается с формированием луча в дикой природе. Но с развертыванием глобальных сетей 5G это скоро изменится. 5G использует радиочастоты от 30 до 300 ГГц, которые могут передавать данные намного быстрее, но также гораздо более подвержены помехам и сталкиваются с большими трудностями при прохождении через физические объекты.Для решения этих проблем требуется множество технологий, в том числе более мелкие соты, массивный MIMO — по сути, установка тонны антенн на базовые станции 5G — и, да, формирование диаграммы направленности. Если 5G наберет обороты так, как рассчитывают поставщики, достаточно скоро наступит время, когда мы все будем использовать формирование луча (за кулисами) каждый день.

Присоединяйтесь к сообществам Network World на Facebook и LinkedIn, чтобы комментировать самые важные темы.

Copyright © 2019 IDG Communications, Inc.

Что такое формирование луча и как оно работает?

Beamforming — это тип радиочастоты, используемый для отправки сильных сфокусированных сигналов на целевое устройство. В нем точка доступа использует несколько антенн для отправки одного и того же сигнала на конкретное принимающее устройство. Обычно сигнал распространяется во многих направлениях от антенны вещания. Общее различие с формированием диаграммы направленности состоит в том, что вместо одной антенны используется несколько.

В результате эти сигналы имеют более прямое соединение, более быстрое и надежное. Таким образом, формирование луча может улучшить Wi-Fi и 5G. Подробнее об этом позже.

Beamforming — не новая концепция для сетей Wi-Fi, но в последние годы она улучшилась. Много. Формирование луча также стало критически важным для сетей 5G. Но сначала давайте посмотрим, как работает формирование луча:

Одна антенна может транслировать беспроводной сигнал во многих направлениях. Но формирование диаграммы направленности является результатом использования нескольких антенн в непосредственной близости друг от друга.Таким образом, несколько сигнальных волн транслируются одновременно (или почти в одно и то же время). Наслоение сигнальных волн создает помехи, которые могут быть как конструктивными, так и деструктивными, в зависимости от того, правильно ли они выполнены. Если формирование луча выполнено правильно, ваш сигнал будет сильным и сфокусированным на том, куда вы хотите его направить. Если это не сделать правильно, произойдет логический вывод и, возможно, потерянный сигнал. Это некоторые из преимуществ и ограничений формирования диаграммы направленности.

Преимущества и ограничения Beamforming

Формирование луча может быть очень полезным.Как упоминалось выше, формирование луча может быть как успешным, так и неудачным. Одним из преимуществ формирования диаграммы направленности является то, что она может доставлять высококачественный сигнал на ваш приемник, что в целом улучшает беспроводную связь. Поскольку это метод, сфокусированный на лазере, еще одним преимуществом является то, что он может помочь уменьшить помехи для других людей, пытающихся уловить сигнал.

Beamforming также имеет ограничения. Поскольку формирование луча — это сложный метод, требующий времени, энергоресурсов и специальных вычислений, всегда есть риск свести на нет его преимущества и преимущества.Несмотря на эту проблему, формирование луча с годами улучшилось и стало более доступным методом, который потребители могут использовать.

Формирование луча и Wi-Fi

Beamforming требует Wi-Fi, который поддерживает технологию «несколько входов — несколько выходов» (MIMO) для отправки нескольких перекрывающихся сигналов. Вот где в игру вступает Wi-Fi 6:

Теперь, когда развертываются маршрутизаторы 802.11ax (Wi-Fi 6), формирование диаграммы направленности также является ключевым моментом для поддержки функции многопользовательской MIMO (MU-MIMO), которой оснащены эти новые маршрутизаторы. Другими словами, маршрутизаторы Wi-Fi 6 могут обмениваться данными с помощью нескольких антенн на одном маршрутизаторе. Они используют формирование луча, чтобы убедиться, что связь эффективно направлена ​​на каждое подключенное устройство.

Чтобы убедиться, что ваш маршрутизатор может использовать эту связь с несколькими антеннами, убедитесь, что вы выбрали оборудование Wi-Fi, которое поддерживает методы формирования луча для вашей домашней беспроводной сети.

Beamforming и 5G

Хотя формирование диаграммы направленности наиболее распространено в локальных сетях Wi-Fi, для 5G также есть место для формирования диаграммы направленности.

Поскольку 5G использует радиочастоты (30–300 ГГц) для связи с устройствами, существует более высокая вероятность помех сигнала или затруднений при прохождении через физические объекты. Эту проблему можно решить, используя такие стратегии, как использование множества антенн на одной базовой станции 5G. Но формирование луча также может решить эту проблему.

Есть хороший шанс, что в обозримом будущем мы все будем использовать формирование луча в нашей повседневной жизни. Возможно, пришло время опередить остальных, изучив и обновив свой домашний маршрутизатор / шлюз сегодня.

Хотите узнать больше о технологии Wi-Fi? Следите за блогом Actiontec, чтобы быть в курсе новостей о сетях Wi-Fi, изменениях в отрасли Wi-Fi и других развивающихся технологиях. Вы также можете узнать больше о сетях Wi-Fi в Полном руководстве Actiontec по сетям Wi-Fi.

Massive MIMO and Beamforming — что это значит

Massive MIMO (mMIMO) и формирование луча — модные слова, широко используемые в телекоммуникационной отрасли при упоминании 5G и последних достижений LTE.Проблема в том, что MIMO существует во многих различных вариантах, некоторые из которых уже много лет используются в устаревших сетях LTE.

SU-MIMO против MU-MIMO

В устаревшем LTE термин MIMO обычно относится к однопользовательскому MIMO (SU-MIMO). В однопользовательском MIMO и базовая станция, и UE имеют несколько антенных портов и антенн, и несколько потоков данных передаются одновременно на UE с использованием одних и тех же временных / частотных ресурсов, удвоения (2 × 2 MIMO) или учетверения (4 × 4 MIMO). ) пиковая пропускная способность одного пользователя.

В MU-MIMO базовая станция отправляет несколько потоков данных, по одному на каждое UE, используя одни и те же частотно-временные ресурсы. Следовательно, MU-MIMO увеличивает общую пропускную способность соты, то есть емкость соты. Базовая станция имеет несколько антенных портов, столько, сколько есть UE, одновременно принимающих данные, и один антенный порт необходим в каждом UE.

Beamforming — принцип работы

Термины формирование луча и mMIMO иногда используются как взаимозаменяемые. Можно сказать, что формирование луча используется в mMIMO, или формирование диаграммы направленности является подмножеством mMIMO.В общем, формирование диаграммы направленности использует несколько антенн для управления направлением волнового фронта путем надлежащего взвешивания амплитуды и фазы сигналов отдельных антенн в массиве из нескольких антенн. То есть один и тот же сигнал отправляется несколькими антеннами, между которыми имеется достаточное пространство (не менее 1/2 длины волны). Таким образом, в любом заданном месте приемник получит несколько копий одного и того же сигнала. В зависимости от местоположения приемника сигналы могут находиться в противоположных фазах, деструктивно усредняя друг друга, или конструктивно суммироваться, если разные копии находятся в одной фазе, или что-то среднее.Формирование луча далее делится на подкатегории, как описано в следующих главах.

Рис. 1. Создание направленных лучей путем изменения фазы (задержки) и амплитуды каждой передачи антенны.

Цифровое формирование диаграммы направленности (также известное как формирование диаграммы направленности основной полосы частот, также известное как предварительное кодирование)

Сигнал предварительно кодируется (изменения амплитуды и фазы) при обработке основной полосы частот перед передачей RF. Несколько лучей (по одному на каждого пользователя) могут быть сформированы одновременно из одного и того же набора антенных элементов.В контексте LTE / 5G MU-MIMO означает цифровое формирование луча. На базовой станции необходимо несколько цепочек TRX, по одной на каждого одновременного пользователя MU-MIMO. Цифровое формирование луча (MU-MIMO) используется в LTE Advanced Pro (режимы передачи 7, 8 и 9) и в 5G NR. Цифровое формирование диаграммы направленности увеличивает пропускную способность соты, поскольку одни и те же PRB (частотные / временные ресурсы) могут использоваться для одновременной передачи данных для нескольких пользователей.

Аналоговое формирование луча

Фазы сигналов отдельных антенных сигналов регулируются в радиочастотной области.Аналоговое формирование луча влияет на диаграмму направленности и усиление антенной решетки, таким образом улучшая зону покрытия. В отличие от цифрового формирования диаграммы направленности, можно сформировать только один луч на набор антенных элементов. Повышение усиления антенны, обеспечиваемое аналоговым формированием луча, частично преодолевает влияние высоких потерь на тракте в миллиметровом диапазоне. Поэтому аналоговое формирование луча считается обязательным для миллиметрового диапазона частот 5G NR.

Гибридное формирование луча

Гибридное формирование луча сочетает в себе аналоговое формирование луча и цифровое формирование луча.Ожидается, что реализации миллиметрового диапазона gNB (базовая станция 5G) будут использовать некоторую форму гибридного формирования луча. Один из подходов — использовать аналоговое формирование луча для грубого формирования луча, а внутри аналогового луча использовать соответствующую схему цифрового формирования луча, MU-MIMO или SU-MIMO.

Массивный MIMO

Наиболее часто встречающееся определение — mMIMO — это система, в которой количество антенн превышает количество пользователей. На практике массовое использование означает, что в базовой станции 32 или более логических антенных порта. Ожидается, что NEM будут начинаться с максимум 64 логических антенных порта в 5G.

На рисунке 2 показано, как mMIMO работает на практике. Используется антенная решетка из 50 всенаправленных элементов с шагом 1/2 длины волны между антенными элементами. 50 элементов передают 4 отдельных потока данных через 4 логических антенных порта, по одному потоку для каждого UE. Все четыре потока передаются с использованием одних и тех же блоков физических ресурсов, то есть одних и тех же временных / частотных ресурсов. Потоки данных не мешают друг другу, потому что каждый из них имеет отличную диаграмму направленности, где мощность сигнала в направлении целевого UE оптимизирована, а в направлениях других UE (пострадавших UE) мощность сигнала минимизирована. .

Рис. 2. Диаграммы направленности сигналов смоделированных передач MU-MIMO на 4 UE в свободном пространстве.

В MU-MIMO / mMIMO базовая станция применяет отдельное предварительное кодирование для потока данных каждого UE, где местоположение UE, а также местоположение всех других UE учитываются для оптимизации сигнала для целевого UE. и в то же время минимизировать помехи для других UE. Для этого базовой станции необходимо знать, как выглядит радиоканал нисходящей линии связи для каждого из UE.

Измерения покрытия на основе луча в 5G

Покрытие в 5G основано на лучах, а не на сотах. Нет эталонного канала на уровне соты, откуда можно было бы измерить покрытие соты. Вместо этого каждая ячейка имеет один или несколько лучей блока сигнала синхронизации (SSB), см. Рисунок 3. Лучи SSB являются статическими или полустатическими, всегда указывающими в одном направлении. Они образуют сетку из балок, покрывающую всю площадь ячейки. UE ищет и измеряет лучи, поддерживая набор возможных лучей.Подходящий набор лучей может содержать лучи из множества ячеек. Измеряемые показатели: SS-RSRP, SS-RSRQ и SS-SINR для каждого луча. Физический идентификатор соты (PCI) и идентификатор луча — это идентификаторы, отделяющие лучи друг от друга. В полевых измерениях эти показатели могут быть собраны как с помощью сканирующих приемников, так и с помощью тестовых UE. Следовательно, SSB-лучи проявляются как своего рода новый слой мини-ячеек внутри каждой ячейки при полевых измерениях.

Как видно из рисунка 3, разные SSB (лучи) соты передаются в разное время.Следовательно, между SSB-лучами нет внутрисотовых помех, и, по крайней мере, сканирующие приемники должны иметь возможность обнаруживать также чрезвычайно слабые SSB-лучи, даже при наличии доминирующего сильного луча из той же соты. В качестве примера представим себе место слабого доминирования в сети LTE, где сканер или тестовое UE обнаруживает опорные сигналы из 6 разных ячеек. Если бы это была сеть 5G, устройство могло бы видеть, например, шесть лучей каждой ячейки sox, всего 36 опорных сигналов. При условии, конечно, что сканер или тестовое UE достаточно быстр, чтобы уловить все эти сигналы.Производительность UE, а также сканеров еще предстоит увидеть как в спецификациях, так и на практике.

Рис. 3. Сетка SSB-лучей в 5G NR.

Конечно, следует иметь в виду, что 5G может работать без формирования луча, и в этом случае будет один луч SSB, покрывающий всю площадь соты, и вся методология тестирования покрытия по умолчанию вернется к той же самой, что и в LTE, поскольку луч SSB равен в ячейку в этом случае.

Как проверить прирост емкости Massive MIMO

Увеличение пропускной способности достигается только тогда, когда несколько UE одновременно генерируют трафик нисходящей линии связи.Есть много переменных, влияющих на реальный выигрыш, обеспечиваемый mMIMO.

Пространственное распределение пользователей сотовой связи имеет большое значение. В идеале UE должны быть разбросаны по области соты. Если все пользователи собраны в одном месте, например за одним столом в кафетерии, становится невозможным изолировать пользователей от разных лучей, которые не перекрываются. Минимальное горизонтальное и вертикальное пространственное разнесение между UE может отличаться в зависимости от количества физических антенных элементов в антенной панели gNB в горизонтальном и вертикальном измерениях. .

Отношение сигнал / шум каждого пользователя, а также профиль многолучевого распространения влияют на достижимые характеристики. Решения о планировании, а также о том, следует ли использовать MU-MIMO или нет, принимаются gNB каждым слотом длительностью 1 мс. Алгоритмы планирования и адаптации канала gNB являются частными и не определены в 3GPP. Следовательно, это область, в которой производители сетевого оборудования могут отличаться друг от друга. Производительность mMIMO оказывает большое влияние на пропускную способность системы сети 5G.Следовательно, операторы заинтересованы в проверке полевых характеристик массовых внедрений MIMO в рамках процессов выбора поставщика и принятия сети.

Сводка

При тестировании увеличения пропускной способности mMIMO необходимо, чтобы в зоне соты было несколько тестовых UE, каждое из которых одновременно выполняло активное тестирование массовой передачи данных с тестовым сервером. В рамках настройки тестирования важно убедиться, что основная сеть и внутренний сервер имеют достаточную полосу пропускания, чтобы радиоинтерфейс был единственным узким местом в полосе пропускания во время теста.Многопоточная загрузка данных может использоваться в тестах для устранения неоптимального воздействия управления потоком TCP. Различные сценарии, которые должны быть протестированы, могут включать в себя UE, расположенные близко друг к другу, чтобы проверить пороговое пространственное разделение, при котором mMIMO все еще может обеспечивать усиление, вертикальное распределение UE (по одному на каждом этаже многоэтажного здания), горизонтальное распределение UE, линию UE с прямой видимостью по сравнению с UE без прямой видимости с богатой средой многолучевого распространения, краем ячейки по сравнению с центром ячейки, движущимися UE или любой комбинацией вышеупомянутого.

В компании Keysight Nemo Wireless Solutions у нас есть практический опыт в области массовой проверки MIMO LTE в полевых условиях. Принципы работы mMIMO одинаковы в LTE и 5G. Таким образом, тестовая система и методология, разработанные и протестированные для проверки LTE mMIMO, могут быть повторно использованы для 5G. Измерительные решения Nemo от Keysight состоят из полевых испытательных устройств с различными форм-факторами, от одного смартфона со специальным тестовым ПО / ПО до шасси с ПК, в котором размещены несколько тестовых пользовательских устройств, и Nemo Cloud, центрального облачного управляющего ПО для полевых устройств.

Об авторе . Матти Пассоя, директор по маркетингу решений в компании Keysight Wireless Network Solutions. Матти отвечает за маркетинг решений для сетей 5G и Интернета вещей в компании Keysight Wireless Network Solutions. Это включает в себя поддержку продаж / каналов, исходящий маркетинг, планирование выхода на рынок. Далее Матти имеет более чем 10-летний опыт работы в области D и управления продуктами для сбора и анализа данных RAN.

Похожие сообщения

Beamforming: что это такое? — Блог

Термин формирование луча относится к методу направления беспроводного сигнала на конкретное приемное устройство, тогда как альтернативой может быть разрешение сигналу распространяться во всех направлениях от передатчика, как это было бы естественно.

За счет фокусировки сигнала в определенном направлении, формирование луча обеспечивает более высокое качество сигнала для приемника . Это означает, что информация передается быстрее и точнее. Кроме того, эта точность может быть достигнута без увеличения мощности широковещательной передачи .

Антенная решетка состоит из нескольких излучающих элементов, каждый из которых вносит свой вклад в диаграмму направленности элемента в диаграмму направленности решетки. Каждый шаблон элемента представляет собой пространственное распределение РЧ-мощности, возникающее из амплитуды и фазы РЧ-сигнала в точке РЧ-питания элемента. Диаграмма направленности решетки определяется когерентной суммой полей всех элементов, каждое из которых может быть «взвешено» дополнительной амплитудой и фазой. Такие взвешенные шаблоны иллюстрируют формирование луча в массиве, посредством чего уровни боковых лепестков и нули создаются и управляются путем регулировки весов элементов.

Методы формирования луча можно условно разделить на две категории: обычные и адаптивные.

Фиксированное формирование диаграммы направленности обычно описывает традиционный метод, в котором диаграмма направленности антенной решетки получается из фиксированных весов элементов, которые не зависят от среды сигнала. И наоборот, веса элементов адаптивного формирования луча, которые действительно зависят от сигнальной среды и могут адаптироваться к ней через некоторый механизм обратной связи.

Адаптивное формирование луча, которое было первоначально разработано в 1960-х годах, использует цифровой сигнальный процессор (DSP) для вычисления комплексных весов с использованием адаптивного алгоритма, который затем генерирует фактор массива для оптимального отношения сигнал-помеха-плюс-шум ( SINR).По сути, адаптивные формирователи луча предназначены для адаптации к различным ситуациям, чтобы максимизировать или минимизировать SINR, что помогает измерить качество беспроводной связи.

Обычное гражданское лицо использует технологию адаптивного формирования луча в повседневной жизни. Фактически, операторы беспроводной связи используют адаптивное формирование диаграммы направленности для предоставления услуг беспроводной связи следующего поколения (5G) и долгосрочного развития (LTE).

Что такое формирование луча 5G, управление лучом и переключение луча с массивным MIMO

Из-за высоких потерь распространения миллиметровых длин волн (мм-волн), используемых в новых радиосистемах 5G (5G NR), а также требований пользователей к широкой полосе пропускания, методы формирования луча а массивные множественные входы и множественные выходы (MIMO) имеют решающее значение для повышения спектральной эффективности и обеспечения рентабельного и надежного покрытия.

Формирование луча

Формирование луча — это применение нескольких излучающих элементов, передающих один и тот же сигнал с одинаковой длиной волны и фазой, которые в совокупности создают единую антенну с более длинным и целевым потоком, который формируется путем усиления волн в определенном направлении. Общая концепция была впервые применена в 1906 году для трансокеанской радиосвязи.

Чем больше излучающих элементов составляет антенна, тем уже луч. Артефакт формирования луча — боковые лепестки.По сути, это нежелательное излучение сигнала, формирующего главный лепесток в разных направлениях. Плохая конструкция антенных решеток может привести к чрезмерным помехам от бокового лепестка сигнала с формированием диаграммы направленности. Чем больше излучающих элементов составляет антенна, тем больше сфокусирован главный луч и тем слабее боковые лепестки.

Рисунок 1: Формирование луча с помощью двух и четырех излучающих элементов

В то время как сегодня наиболее часто используется цифровое формирование луча в процессоре основной полосы частот, аналоговое формирование луча в радиочастотной области может обеспечить усиление антенны, которое смягчает природу миллиметровых волн 5G с потерями.

Управление лучом света и переключение луча

Управление лучом достигается изменением фазы входного сигнала на всех излучающих элементах. Фазовый сдвиг позволяет направить сигнал на конкретный приемник. Антенна может использовать излучающие элементы с общей частотой для направления одиночного луча в определенном направлении. Лучи с разной частотой также можно направлять в разные стороны для обслуживания разных пользователей. Направление, в котором отправляется сигнал, динамически вычисляется базовой станцией по мере перемещения конечной точки, эффективно отслеживая пользователя.Если луч не может отслеживать пользователя, конечная точка может переключиться на другой луч.

Рисунок 2: Управление лучом и переключение луча

Такая детальная степень отслеживания стала возможной благодаря тому факту, что базовые станции 5G должны быть значительно ближе к пользователям, чем предыдущие поколения мобильных инфраструктур.

Массивный MIMO

Антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) уже давно являются особенностью коммерческих общественных беспроводных систем и систем Wi-Fi, но 5G требует применения массового MIMO.Чтобы повысить отказоустойчивость (отношение сигнал / шум / SNR) передаваемого сигнала и пропускную способность канала, без увеличения использования спектра, общая частота может управляться одновременно в нескольких направлениях.

Для успешной работы систем MIMO требуется реализация мощных цифровых сигнальных процессоров и среды с большим количеством помех сигналов или «пространственного разнесения»; это большое разнообразие путей прохождения сигнала между передатчиком и приемником.

Рисунок 3: Несколько входов и выходов (MIMO)

Разнообразие времен прихода, поскольку сигнал отражается от различных препятствий, формирует несколько каналов дуплексной связи с временным разделением (TDD), которые могут обеспечивать избыточность тракта для дублированных сигналов или увеличивать пропускную способность канала путем передачи различных частей модулированных данных.Впервые задуманный в 1980-х годах, существует несколько различий между классическим многопользовательским MU-MIMO и Massive MIMO, но в основном это все еще большое количество используемых антенн и большое количество поддерживаемых пользователей. Степень MIMO указывается количеством передатчиков и количеством приемников, то есть 4×4.

Massive MIMO & Beamforming — что это?

Постоянно растущие объемы данных в беспроводных сетях и все более высокие требования к подключению с точки зрения задержки и стабильности означают, что необходимы новые технические решения.Новые антенные технологии, такие как MIMO или формирование диаграммы направленности, являются важным строительным блоком таких решений.

Проблема знакома каждому пользователю Интернета: чем больше устройств подключено к Wi-Fi, тем медленнее становится передача данных. Это связано с тем, что маршрутизаторы могут одновременно обмениваться данными только с одним устройством.

Если к WLAN одновременно подключено несколько устройств, каждый участник должен сначала дождаться своей очереди для передачи данных.Если объем передаваемых данных увеличивается вдобавок к этому, например, из-за мультимедийного контента, такого как 3D-видео или приложения дополненной реальности, беспроводные системы могут удовлетворить потребности требовательных пользователей только с помощью интеллектуальных антенн.

Такие интеллектуальные антенны содержат несколько передающих и приемных антенн в дополнение к соответствующей способности обработки сигналов. Они позволяют передавать данные с еще большей скоростью и, таким образом, представляют собой одну из ключевых технологий как для существующих, так и для будущих систем беспроводной связи.

Что такое MIMO?

Одним из наиболее важных достижений в этом случае является технология MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output), которая означает, что системы используют более одной передающей антенны для передачи сигнала на одной и той же частоте на несколько приемных антенн.

Классические беспроводные соединения — с одной антенной на передающей и приемной стороне соответственно — обеспечивают наилучшие результаты там, где обе антенны находятся в пределах видимости.

Как только препятствия мешают этому соединению, сигналы рассеиваются и рассеиваются.Это приводит к нарушению или даже полному разрыву соединения. Однако для большинства беспроводных приложений установить визуальный контакт чрезвычайно сложно. MIMO, с другой стороны, использует рассеяние сигналов и обеспечивает лучшую пропускную способность системы и лучшую скорость передачи данных с различными маршрутами, по которым проходят сигналы, в дополнение к их постепенному поступлению на конечное устройство. MIMO уже некоторое время хорошо известен благодаря его использованию в сетях WLAN и явно определен в стандарте высокоскоростных WLAN IEEE802. 11ac.

Многопользовательский (MU) -MIMO, представленный в IEEE802.11ac Wave 2, позволяет маршрутизатору Wi-Fi обмениваться данными с несколькими устройствами одновременно. С помощью MU-MIMO целые отделы компании могут одновременно проводить видеоконференции, загружать большие вложения электронной почты и мультимедийный контент, выравнивать большие файлы на локальных файловых серверах или в облачных хранилищах или транслировать презентации — и все это без задержек или буферизации.

Технология

MIMO также используется в сетях мобильной связи, где она была представлена ​​вместе с LTE.Хотя LTE обычно объединяет максимум восемь антенных элементов, будущий стандарт 5G потребует значительно большей мощности: в случае используемых здесь миллиметровых волн несколько сотен антенн часто используются на одной передающей или приемной станции.

Миллиметровые волны

До сих пор смартфоны и другие электронные устройства использовали узкий частотный диапазон от 3 кГц до 3 ГГц. В отличие от этого, 5G использует частоты в диапазоне ниже 6 ГГц, но особенно в диапазоне миллиметровых волн с частотами примерно от 30 до 300 ГГц, в которых современные мобильные устройства еще не могут передавать данные.Здесь имеется достаточная пропускная способность для Интернета вещей.

Эта оптимизированная технология с множеством антенн, называемая «Massive MIMO», увеличивает пропускную способность сети мобильной связи в несколько раз. Тем не менее, Massive MIMO требует одной дополнительной технологии, чтобы использовать преимущества большой полосы пропускания миллиметровых волн:

сигналы могут быть сфокусированы и надежно переданы только посредством так называемого «формирования луча».

Меньше помех благодаря беспроводным сигналам

Сигналы излучаются равномерно во всех направлениях от обычных антенн.Если сигналы конфликтуют с сигналами других передатчиков, могут возникнуть помехи, и передача сигнала может быть серьезно нарушена. В сочетании с формированием луча эту проблему решает технология множества антенн Massive MIMO.

В связи с тем, что миллиметровые волны не могут проникать через каменные стены зданий и могут поглощаться деревьями или сильным дождем, рядом с участниками установлено множество небольших передающих станций для 5G. Вместе они образуют сеть малых сот.Это расширение существующей сети обеспечивает доступ к ближайшим пользователям, при этом требуя лишь небольшой мощности передачи.

Путем смещения передачи одного и того же сигнала с помощью нескольких антенн передатчик триангулирует приблизительное местоположение клиента и направляет его передачу в соответствии с формой луча сигнала — процесс, называемый «формированием луча». В результате передатчик с формированием диаграммы направленности может отправлять выделенные сигналы в разных направлениях на отдельные приемники. Это увеличивает радиус действия, гарантирует более стабильное соединение и более высокую скорость передачи, а также снижает нежелательные радиопомехи.

Снижение энергопотребления

Для антенных элементов MIMO требуются ЦАП, которые преобразуют цифровые сигналы в аналоговые, чтобы их можно было передавать антенной. Однако, если цифровое формирование луча используется в диапазоне миллиметровых волн, когда каждый антенный элемент имеет ЦАП, требуется несколько высокоскоростных ЦАП. Это приведет к более высокому энергопотреблению.

Одним из решений этой проблемы является так называемое «гибридное формирование диаграммы направленности», при котором часть обработки сигнала выполняется в аналоговом антенном элементе.Следовательно, несколько антенных элементов могут быть подключены к одной аналоговой цепи. Потребляемая мощность снижается за счет этого, поскольку требуется меньше цепей ЦАП. Использование гибридной системы формирования диаграммы направленности такого типа приводит к экономии оборудования, улучшению энергопотребления и сокращению объема вычислений.

Исследователи уже работают над стандартом мобильной связи, который придет на смену 5G.

В будущем будет передаваться 400 гигабит в секунду

Благодаря внедрению этих технологий будущий стандарт мобильной телефонии 5G обещает огромное увеличение мощности беспроводной связи со скоростью до десяти гигабит в секунду.Однако даже сейчас уже очевидно, что существующих частотных диапазонов будет недостаточно для удовлетворения растущего спроса на стабильную беспроводную связь в будущем. Именно поэтому исследователи уже работают над стандартом мобильной связи, который придет на смену 5G.

Цель состоит в том, чтобы облегчить сетевое соединение, выходящее за пределы терагерцового диапазона частот; один настолько стабилен, что может передавать данные по беспроводной сети со скоростью до 400 гигабит в секунду.

Что такое формирование луча? — Определение из Техопедии

Что означает формирование луча?

Beamforming — это вид управления радиочастотой (RF), при котором точка доступа использует различные антенны для передачи одного и того же сигнала.Формирование луча считается подмножеством интеллектуальных антенн или усовершенствованных антенных систем (AAS).

Посредством широковещательной передачи различных сигналов и изучения отзывов клиентов инфраструктура беспроводной ЛВС может очень хорошо изменять передаваемые сигналы. Таким образом, он может определить идеальный путь, по которому должен идти сигнал, чтобы добраться до клиентского устройства. Формирование луча эффективно улучшает характеристики SNR восходящего и нисходящего каналов, а также общую пропускную способность сети.

Формирование луча также известно как пространственная фильтрация.

Techopedia объясняет формирование луча

Beamforming включает в себя усовершенствованный алгоритм, который отслеживает несколько параметров, таких как местоположение терминала, скорость, расстояние, требуемый уровень QoS, уровень сигнала / шума и тип трафика. Это дает большее преимущество формированию луча, когда дело доходит до улучшения сигнала.