Беспроводные сети: шаг 11n

Последние несколько лет можно смело назвать эпохой торжества мобильности. И именно необходимость обеспечения мобильности разрабатываемых устройств определяла требования и к элементной базе, и к протоколам передачи данных. При этом очевидно, что основой любого разрабатываемого устройства является именно выбранный стандарт передачи. К настоящему времени таких стандартов разработано уже довольно много, причем инициаторами их создания являлись совершенно разные группы потребителей с различными требованиями. В прошлом это привело к тому, что большинство этих стандартов имели почти совершенно непересекающиеся области применения. Например, стандарт GSM, превосходно подходя для передачи голоса и коротких сообщений, в чистом виде практически непригоден для работы со сколь-нибудь большими объемами данных, характерными для современных информационных систем. С другой стороны, первые реализации получивших широкое распространение стандартов группы 802.11 отлично приспособлены для работы в качестве сегментов компьютерных сетей, и мало — для передачи мультимедийных данных в режиме реального времени. В то же время дальнейшее развитие систем беспроводной передачи данных приводит к заметной конвергенции их областей применения. С этой точки зрения особый интерес представляет новый член семейства стандартов беспроводного Ethernet — IEEE 802.11n.
Если не учитывать устройства, изначально рассчитанные в основном на передачу голоса, то среди беспроводных систем передачи данных лидирующими являются именно устройства группы 802.11. Количество проданных устройств измеряется сотнями миллионов и оно растет нарастающими темпами, причем стоит отметить опережающий рост продаж тех из них, что соответствуют черновой версии стандарта 802.11n. Это обстоятельство довольно необычно, так как чаще всего и компании, и частные потребители предпочитают оборудование, соответствующее уже принятому стандарту. Это вполне объяснимо, так как стандартность существенно снижает риск несовместимости устройств разных серий и разных производителей, однако в данном случае стереотип поведения был нарушен. Что же привело к этому и каковы перспективы стандарта?
Рассмотрим сначала причины высокой популярности офисных беспроводных систем. Основной из них является необходимость существенного сокращения времени и затрат на развертывание офисных или домашних сетей, что, в свою очередь, вызвано существенной децентрализацией вновь создаваемых и реорганизуемых компаний, а для домашних сетей — взрывным ростом числа семей, имеющих два или более компьютера. Кроме того, для домашних сетей имеет очень большое значение возможность быстрой смены местоположения компьютеров и подключения новых устройств (например, ADSL или кабельных модемов, сетевых накопителей для хранения домашней медиатеки и т.п.) без необходимости прокладки новых кабельных соединений. В большинстве случаев уже существующие устройства стандартов IEEE802.11a/b/g обеспечивали необходимую мобильность при минимуме усилий со стороны потребителя, однако основным их недостатком являлись, во-первых, недостаточная скорость передачи данных, не позволявшая передавать мультимедийную информацию с достаточным по современным меркам качеством, и, во-вторых, серьезные проблемы, возникавшие при одновременной работе множества устройств в сложной с точки зрения распространения радиоволн обстановке.
Именно на решение задачи увеличения скорости передачи в условиях выраженного многолучевого распространения радиоволн и были направлены усилия разработчиков нового стандарта.
В процессе работы над стандартом, приведшей к принятию его предварительной версии, было разрешено множество технических проблем.
Очевидным способом повышения пропускной способности является расширение используемой полосы частот, которая в системах 802.11b и g составляет 20 МГц. Однако даже при такой полосе начинают сказываться различные условия распространения радиоволн для различных участков спектра, характерные для выбранных ISM-диапазонов 2,4 и 5 ГГц. Это приводит к т.н. межсимвольной интерференции — искажению формы модулирующего сигнала, которое значительно снижает пропускную способность системы. Решением стало использование OFDM-модуляции (модуляции с ортогональным частотным разделением), суть которой заключается в разбивке высокоскоростного сигнала на несколько низкоскоростных потоков, передаваемых на ортогональных (независимых) несущих, что позволяет исключить в каждом из каналов межсимвольную интерференцию. Для корректного объединения низкоскоростных потоков на принимающей стороне используется передаваемый вместе с данными циклический префикс (CP), содержащий полученные в предыдущем цикле сведения о величине задержки в каждом из каналов передачи. Это позволяет практически полностью скомпенсировать частотную дисперсию в множестве каналов, таким образом значительно повышая скорость передачи данных и стойкость системы к условиям распространения сигнала. Конечно, это достигается за счет существенного усложнения обработки сигнала, требующего использования быстродействующих схем быстрого обратного преобразования Фурье на передающей стороне и прямого — на приемной. При этом дальнейшее расширение полосы частот при сохранении единственного передающего тракта и антенны становится малоэффективным решением. Выходом стало использование нескольких независимых передающих трактов со своими антенными системами, что получило название MIMO-OFDM (см. рис. 1 и 2).

Это позволило вдвое увеличить полосу частот при более чем трехкратном повышении пропускной способности, однако в разы увеличило сложность используемого оборудования, его стоимость и потребляемую мощность. Кроме того, при использовании нескольких приемо-передающих трактов приходится решать задачу пространственного разделения каналов, т.к. на каждую приемную антенну поступают сигналы от всех передатчиков. Еще одной сложностью стала необходимость обеспечения совместимости с оборудованием стандартов 802.11a и g.
Все это потребовало решения множества инженерных задач, что стало возможным лишь при использовании самых современных техпроцессов изготовления ИС: опытные образцы оборудования, создававшиеся на базе высокоскоростных ПЛИС, не могли обеспечить ни приемлемого уровня стоимости, ни энергопотребления. В результате лишь относительно небольшое число фирм-производителей ИС оказались способны создать чипсеты для устройств нового стандарта. С одной стороны, при этом возникает опасность монополизации рынка с последствиями в виде необоснованно высоких цен, но с другой — существенно ускорило согласование технических характерис­тик стандарта и уменьшило вероятность значительного изменения стандарта при переходе от черновой его версии к окончательной, принятие которой ожидается в этом году.

Именно последнее обстоятельство в сочетании с растущей потребностью в беспроводных высокоскоростных каналах связи и привело к несколько парадоксальному положению, когда основным потребителем устройств, соответствующих предварительной, а не окончательной версии стандарта, стали бизнес-потребители. Яркое свидетельство этому — ноутбуки: если практически все модели портативных компьютеров из бизнес-линеек всех основных производителей содержат именно адаптеры стандарта IEEE 802.11n, то наиболее массовые ноутбуки, ориентированные на широкого потребителя, до сих пор в качестве основного варианта используют адаптеры преды­дущих версий стандарта, предлагая новый стандарт в виде дополнительной опции.
Сейчас, в основном благодаря доминирующему положению компании Intel на рынке чипсетов для ноутбуков и одновременно среди адептов нового стандарта, адаптеры 802.11n понемногу начинают доминировать и в других линейках ноутбуков, кроме того, получают все большее распространение адаптеры и точки доступа для настольных компьютеров. При этом огромную роль в росте популярности стандарта играет то, что после утверждения 2-й редакции предварительной версии стандарта его разработчик — WiFi Alliance — начал сертификацию готовых устройств на соответствие стандарту и взаимную совместимость. Все это (вместе с высокой стоимостью разработки новых ИС) вселяет уверенность в том, что изменения, которые будут внесены в стандарт, будут минимальны и скорее всего смогут быть реализованы путем изменения программного обеспечения адаптеров.
Естественно, эти соображения окажутся справедливыми исключительно тогда, когда подтвердится правильность выбранных решений, что может быть выявлено только в процессе испытаний реальных устройств в реальных условиях.
Такие исследования на протяжении последних месяцев проводило несколько фирм. Далее будут представлены результаты одного из них, проведенного Дэйвом Молта. В нем рассматривалась сеть, построенная на базе точек доступа производства Apple Airport Extreme 802.11n и ноутбуков Apple MacBook Pro 802.11n и Fujitsu Lifebook E8410, в котором использовался новый беспроводной адаптер производства Intel 4965AGN. Продукция Apple была выбрана из соображений гарантированного качества, а также из-за возможности выбора рабочего диапазона (2,4 или 5 ГГц), а продукция Fujitsu — как одна из первых, в которых использовался новый беспроводной адаптер Intel. Результаты тестирования показаны в таблице 1.

В ней приведены значения скорости передачи данных в направлении от точки доступа к ноутбуку для следующих вариантов взаимного расположения:
1. Устройства расположены на расстоянии 5 м друг от друга без дополнительных препятствий.
2. Расстояние между устройствами — 25 м, одна гипсокартонная и одна шлакоблочная стена.
3. Расстояние между устройствами — 35 м, две шлакоблочных стены.
4. Расстояние между устройствами — 40 м, четыре шлакоблочных стены.
Из приведенных в таблице значений можно сделать следующие выводы:
1. Использование частотного диапазона 5 ГГц обеспечивает более высокую скорость передачи, однако при этом сокращается максимальное расстояние между устройствами и допустимое число препятствий между ними (впрочем, это было известно еще во время разработки стандартов
802.11a и g).
2. Новый стандарт позволяет увеличить скорость передачи данных в 6—8 раз на малых расстояниях и в 4—5 раз на больших.
При этом скорость передачи оказывается сопоставимой с достигаемой в проводных сетях.
Стоит отметить, что столь значительное увеличение пропускной способности беспроводного сегмента сети требует от IT-специалистов более ответственного подхода и к построению сети в целом для того, чтобы «узким местом» не становились проводной сегмент и система маршрутизации.
Специфика российского рынка передачи данных состоит, в частности, в известном дефиците качественных кабельных соединений в большинстве офисных и жилых помещений и в высокой, даже по сравнению с гибким рынком США, мобильности и изменчивости потребителей. На этом фоне такие технологии, как беспроводной Ethernet 802.11n, будут восприняты с большим энтузиазмом, о чем свидетельствует объем продаж соответствующего оборудования и еще в большей степени — высокий уровень неудовлетворенного спроса.
Учитывая относительно высокую стоимость существующих решений и особенно — высокую долю программного обеспечения в этой стоимости, можно предположить, что разработка и изготовление беспроводных устройств стандарта IEEE802.11n представляют значительный интерес как для российских разработчиков, так и для потребителей.