Вторая волна, накрывшая нас. Стандарт, который ждали



    Прежде, чем писать о волнах, поговорим об источнике, их породившем. В данном контексте это стандарт беспроводных локальных сетей 802.11ac, являющийся эволюционной итерацией предыдущего стандарта 802.11n, частично с ним совместимой. Частично, потому что, как мы узнаем позже, он работает только на частотном диапазоне 5ГГц. 802.11n, как известно, работал на обоих диапазонах — чистый лицензируемый 5ГГц, и диапазон 2,4 ГГц — никак не умирающий бодрячок, рассадник частотных помех и ограниченного фактора реюзинга (повторного переиспользования частотных каналов в пределах одной локации или беспроводного домена). Разработка стандарта в виде первых редакций началась в 2011 году, и тогда же пионеры WIFI-альянса стали выпускать первые чипсеты под новый беспроводной стандарт, стремясь не к прогрессу, но обогащению. Пройдя через муки рождения и становления, новый стандарт окончательно сформировался в 2014 году (новость о радостном событии можно прочитать здесь).

    В основе идеи нового стандарта лежала та же маниловщина, которой народ начал болеть при разработке стандарта 802.11n — идея беспроводного офиса, когда благородные люди в белых одеждах с айпадами в руках, лежа на лужайке родного кампуса, правят миром. Но то ли с благородством широких масс проблемы, то ли самой идее не благоволили высшие силы, поэтому достичь подобной органичности и тождественности с собственным я удалось лишь немногим. Офисным IT-миром по-прежнему правит дьявол медных и кварцевых рудников и их прислужник — мелкий бес RJ-45. Многие креативные личности не согласятся и скажут, что в их офисах повсеместно развернут WIFI. И будут в чём-то правы. Да вот только это никак не соответствует самой идее беспроводного офиса — чистой и незамутнённой. Проверить доводы легко: если у вас офисный ноут или писюк в течение рабочего дня по-прежнему работает по медному проводу даже при наличии корпоративного WIFI, то можно смело утверждать, что идея не реализовалась в массе своей.

    Только далеко в окруженной высокими горами Кремниевой долине брахманы секты Apple достигли подобного просветления на зависть всем. Ну или мы думаем, что достигли. В любой секте главное не знать, а верить!

    Описание, отличия


    Начиналось всё хорошо. Одной из прикладных целей разработки стандарта 802.11ac было желание превзойти скорость проводного Ethernet в 1Гб/с. На рисунке компании Cisco Systems, приведённом ниже, в графическом виде представлена эволюция развития стандартов беспроводных сетей с первых релизов и до наших дней. Отметим, что ПП — это пространственный поток, а цифры — это значения протокольных скоростей (или пропускной способности) стандартов.


    Рис.1

    Здесь хорошо показано, что есть максимум в пропускной способности, который теоретически достижим в рамках стандарта, но на практике он преобразуется в то значение, что предоставляет нам производитель беспроводного оборудования. Это первый звоночек о несоответствии желаемого и реального. Тем не менее, уже первая волна стандарта 802.11ac заявляла, что преодолела рубеж 1Гб/с. Обратите внимание на табличку в верхнем левом углу, где расписаны мобильные устройства с беспроводным подключением и характеристика их беспроводных модулей — 1ПП, 2ПП и так далее. То есть в зависимости от того, со сколькими пространственными потоками может работать беспроводной модуль типового мобильного устройства, оно и получит то значение пропускной способности, которое предлагает соответствующий стандарт. Как видно из рисунка, пропускной способности в 1300 Мб/с может обладать устройство, у которого беспроводной модуль формирует 4ПП. Это уже второе ограничение по скорости в рамках стандарта для разных классов мобильных устройств. Второе, но не последнее, как мы позже увидим. Максимальная теоретическая скорость стандарта 11ac wave2 — 6900 Мб/с при 8ПП говорит скорее о потенциале и служит в маркетинговом сопровождении стандарта, чем о реальном воплощении. Навряд ли беспроводные клиенты в ближайшем будущем смогут поддерживать по 8 ПП, хотя стандартом это определено.

    Как мы теперь знаем, стандарт 11ac пошел по миру в два этапа, в две волны релизов и продуктов — wave1 начиная с 2011 года (релизы, драфты) и по 2013-15 год, и вторая волна wave 2 с 2015 года и по настоящее время. Почему так? Всё очень просто. В спецификации стандарта 802.11ac заявлены многие технические новации и производители выбрасывают продукты на рынок не дожидаясь, пока в металле они смогут реализовать их все. Законы рынка никто не отменял. В наши дни мы живём в ситуации наличия на рынке беспроводных устройств, работающих в реализациях wave1 и wave2. Будет ли третья и последующие волны – вопрос открытый. Скорее нет. Кстати, необходимо отметить, что устройства стандарта 802.11ac wave1 не понимают функционал и дополнения второй волны.

    Продолжаем. За счёт чего стандарт достигает таких скоростей, в чём отличие от стандарта 802.11n, и чем вторая редакция стандарта отличается от первой? Ниже на рис.2 приведена таблица для лучшего сопоставления параметров (опять с сайта компании Cisco).


    Рис.2

    Итак, основное отличие стандарта 11ac от предыдущих — он нашёл в себе силы расстаться с частотным диапазоном 2,4ГГц, уютно расположившись в диапазоне 5ГГц. Преимущества «пятерки» всем давно и хорошо известны — низкая зашумленность, большее число не перекрываемых каналов для использования, быстрое затухание при прохождении как в открытой среде, так и через препятствия. Это, как ни странно, имеет больше преимуществ для построения высокоплотных сетей, имеющих большую ёмкость, в контрасте с сетями, созданными по критерию большей зоны покрытия.

    Далее, в отличии от 11n, появились каналы шириной 80МГц в wave1 и 160 МГц в редакции wave2 (см. рис.2). Увеличилась плотность передачи в единицу времени — вырос индекс квадратурно-амплитудной модуляции до QAM 256.

    Применение новых чипов позволило увеличить продолжительность работы беспроводных устройств за счёт более экономного использования энергоресурса в каждом такте передачи информации и более быстрой передачи единицы информации.

    Увеличилось число пространственный потоков — до 8ПП в стандарте, текущее реализованное в wave2 — 4ПП (в wave1 3ПП, если кто забыл).

    И главная фича, присущая только устройствам волны wave2 — MU-MIMO (MultiUser — Multiple input multiple output). По сути, это одновременная работа точки доступа с несколькими беспроводными клиентами сразу. В отличии от предыдущих стандартов, когда обмен данными в один момент времени происходил лишь с одним устройством, стандарт допускает одновременную работу с четырьмя устройствами, при числе пространственных потоков 8ПП (для всех клиентов суммарно). Но один клиент, на данный момент, не может принять больше, чем четыре пространственных потока. Обратите внимание также, что точка может лишь передавать данные четырём устройствам одновременно, но не получать их от них. Восходящий канал работает как обычно — одно устройство передаёт данные на точку доступа в один момент времени. Конечно, для такой многопользовательской работы релиз 802.11ac wave2 должны поддерживать не только точки, но и клиенты. Клиент wave1 не сможет работать в многопользовательском режиме с точкой релиза wave2. И ещё замечание: точка не может передавать потоков больше, чем имеет приёмопередающих антенн. То есть, если антенн четыре, то и потоков четыре или менее. Пример многопользовательской работы точки 802.11ac wave 2 показан на рис.3.


    Рис.3

    Ещё одна технология, применяемая в 802.11ac wave2 — это beamforming. Её смысл заключается в формировании направленной диаграммы с точки на клиента. Это позволяет эффективнее использовать полосу пропускания для передачи данных в нисходящем (downlink) канале. Нельзя сказать, что beamforming — это новая технология. Она была уже известна на рынке и предполагалась к использованию в стандарте 802.11n, но так и не стала частью стандарта. Тем не менее, производители в инициативном порядке разрабатывали и предлагали её на рынок. Наиболее известная реализация — это функционал Client Link от Cisco.

    Как работал Client Link. Если коротко, то по переотраженным сигналам от клиента, точка вычисляла его примерное местоположение и формировала в его сторону направленный луч. А далее, в процессе работы, она анализировала данные от клиента, подстраивая своё излучение. Такой механизм носил название неявного (implicit) beamforming, так как клиент участвовал в процессе пассивным образом и для формирования диаграммы точка использовала как калибровочные данные от обычных служебных фреймов клиента. С версии Client Link 3.0 была заявлена поддержка клиентов стандарта 802.11ac и его стандартизованная реализация — explicit beamforming.

    Какие отличия стандартизованной редакции — explicit beamforming от предыдущих, нестандартных решений? Суть в том, что теперь в процессе формирования луча с точки на клиента принимают участие и клиент, и точка в явном виде. Точка отправляет sound-пакеты (ndp — null data packet), в которых содержится матрица сигналов излучения каждой антенны точки и фазовые сдвиги. Клиент, приняв эту матрицу, отвечает точке с указанием тех уровней сигнала, с которыми он слышит точку доступа, формируя ответную матрицу (матрицу направленности). То есть клиент отправляет специальные калибровочные пакеты точке доступа в ответ на её запрос. И точка доступа, анализируя полученную информацию, вычисляет уровни сигнала, фазы на каждую антенну, чтобы сформировать диаграмму направленности на клиента (рис.4).

    Обязательное условие такого хендшейка в том, что клиент должен поддерживать данные стандарт и реализацию beamforming. Необходимо заметить, что способность клиента участвовать в процедуре explicit beamforming имеет опциональный, а не обязательный характер в рамках стандарта 802.11ac wave 2. Это сделано для обратной совместимости нового стандарта с устройствами первой волны и более ранних стандартов. Таким образом, вторая волна стандарта подразумевает работу с клиентами как в явном, так и в неявном режиме работы функционала beamforming. И общее требование для обоих типов beamforming — explicit и implicit, он применим только для точек с всенаправленными антеннами.

    Рис.4

    Подведём итоги. Многопользовательская одновременная работа точки доступа и клиентов в рамках стандарта 802.11ac wave2 позволяет сделать сеть более плотной (насыщенной беспроводными клиентами в ограниченном пространстве с работой без простоя), тем самым приблизив нас к концепции беспроводного офиса. Возросшая скорость передачи данных и большая ёмкость сети — это два ключевых достижения нового стандарта, как заявляется разработчиками.

    Из прекрасного далёка на грешную землю


    О чём не сказали и что может огорчить: о каналах, точнее о частотном ресурсе в диапазоне 5ГГц. При текущей разблюдовке с ограничениями на DFS-каналы, каналов 160 МГц — аж целых два можно создать. Шикарный фактор реюзинга). Смотрим картинки — американских и европейских товарищей рис.5 и 6 соответственно:


    Рис.5


    Рис.6

    Без каналов, выделенных желтым цветом — печаль тоска. Наши американские друзья и партнёры, а также бюрократия в Брюсселе работают над тем, чтобы каналов, доступных в диапазоне 5ГГц, стало побольше, не взирая на сопротивление со стороны различных датчиков погоды и медицинского оборудования. Цель благородная: 4-160 МГц-х канала, 9-80МГц-х, 18-40МГц-х и аж 36-20МГц-х. Битва в пути ещё продолжается. У нас, несмотря на то, что на вопросы смотрят ширше, а с людьми помягше, забивая на DFS страдальцев, также пока всего два возможных канала 160МГц (Рис.7). То есть тут мы идем в ногу со всем беспроводным миром. Точнее хромаем.


    Рис.7

    С другой стороны, не рационально в решениях по построению корпоративных беспроводных сетей вообще использовать каналы в 160 МГц. Если речь идёт о беспроводных сетях в концепции HD или VHD (высокоплотных или очень высокоплотных), то для их развёртывания рекомендуется использовать каналы в 20/40 МГц. Это делается для минимизации интерференции между точками доступа, как со своими, так и с чужими, действующими в пределах корпоративного беспроводного домена. А на домашнем роутере запросто можно использовать один из двух доступных на данный момент 160 МГц каналов и не печалиться нехваткой частотного ресурса.

    Ещё момент: если кто забыл, скорость протокола — это совсем не реальная пропускная способность (throughput). Чтобы понять, какие значения скоростей будут максимально достижимы, необходимо умножать скорость протокола на 60-70 % от номинала. Это и будет максимум на одно устройство при идеальных условиях. Если устройств в сети много, и они все разные — 1SS, 2SS,3SS и так далее, то реальная скорость на одну сессию ещё больше просядет. У производителей есть соответствующие результаты тестовых замеров скоростей в лабораторных условиях. На рис.8 приведена сводная таблица от компании Cisco по скоростям протокола и throughput на каналах 80 и 160 МГц для клиентов с различным числом поддерживаемых пространственных потоков. Обратите внимание на значения MAC Throughput в последнем столбце.


    Рис.8

    Но и эти цифры в идеальных условиях. Действительность ещё хуже — большое число клиентов, большая состязательность за возможность передавать, низкие SNR, микс из 11n и non-MU-MIMO устройств wave1, интерференция CCI и ACI. В высокоплотной сети сложно ожидать, что хотя бы одно устройство получит чистый гигабит на сессию. Так что действительность не так радужна, как громадьё рекламных заголовков.

    Ещё немного правды жизни — даже работа основной фичи второй волны 802.11ac — MU-MIMO носит непредсказуемый характер, и зависит от большого числа случайных факторов:

    • числа клиентов;

    • расстояний до точки;

    • типов клиентов с разницей по количеству пространственных потоков.

    А как мы знаем, беспроводная корпоративная сеть всегда гетерогенна по клиентам, что отрицательно влияет на общую пропускную способность в сети в целом и на каждого конкретного клиента в частности.

    Что хорошего можно вынести из всего этого, так это то, что нет необходимости под новый беспроводной стандарт заниматься модернизацией проводного сегмента сети, восходящего в уровень access layer uplinka от новых точек доступа. Реклама гласит — что аж до 6,9 Гб/с разгоняется стандарт 802.11ac wave2 и нам непременно нужны более скоростные проводные подключения под новые требования к пропускной способности. Кто-то даже подсуетился на этот счёт — Cisco, например. Они выпустили новую линейку Cisco Catalyst Multigigabit Switching коммутаторов, которые имеют порты доступа со скоростями 2,5 -5 Гб/с (стандарт 802.3 bz). Соответственно и точки тоже обладают такими портами (например, 38 серия).

    Хотя, если просто проанализировать реальные возможности стандарта или опереться на какие-либо официальные и не очень лабораторные тесты оборудования, в подавляющем большинстве инсталляций корпоративной беспроводной сети, построенной на новом стандарте 802.11ac wave1 и даже на wave2, скорость на точку будет ниже гигабита почти в 100 процентов случаев. Можно спокойно пропустить этап модернизации на новую проводную инфраструктуру, чтобы вам там не говорили производители беспроводного оборудования. Одного гигабита в проводе будет достаточно, по крайней мере, наш опыт внедрения и эксплуатации сетей 802.11ac указывает на это.

    Применение и рекомендации


    Если вы строите новую сеть, можно совершенно спокойно развернуть сеть 802.11ac wave2, благо цены на эти точки вполне доступны. Хотя число клиентов ещё пока не велико (wave2). Но до 2018 года их появится товарное количество (год заявленного появления стандарта 802.11ax).

    Если вы счастливый обладатель сети стандарта 802.11abgn, или тем более 802.11abg, то стоит рассмотреть вариант модернизации под новый стандарт в рамках как плановой модернизации, так и возросших требований, особенно в рамках концепции BYOD. А также с учетом появления на рынке большего числа капризных беспроводных клиентов (iphone), работающих с новыми беспроводными модулями. Хотя, конечно, если вас не достают запросами о неработоспособности новых девайсов, то модернизацию можно и отложить. Особенно это актуально для беспроводных сетей в таких вертикальных рынках как ритейл и логистика.

    Кто поторопился обладать точками доступа первой волны, вполне может почивать на лаврах, и, проводя соответствующие обновления софта, наслаждаться жизнью в ожидании чего-то более революционного. Тут скорее важнее даже не фичи от новой волны стандарта, а новые или вылизанные фичи от конкретного производителя оборудования — band steering, clean air, optimized roaming, Smart RF и другие. Можно будет спокойно дождаться стандарта 802.11 ax. Тот заявляется как по-настоящему революционный.

    Ну и общие благие пожелания. Если вы планируете разворачивать сеть стандарта 802.11ac wave2 в офисе, как некую альтернативу проводной сети, есть смысл обращаться к профессиональным интеграторам таких сетей. Ибо вопрос их развертывания не носит скучного и тривиального характера. Нужно правильное формирование ТрЗ, анализ клиентской части, расчёт производительности сети, проведение процедуры радиообследования на объекте, подбор оборудования — точек доступа и АФУ, поверочное радиообследование и тестирование.
    Пилот 60,86
    Компания
    Поделиться публикацией
    Комментарии 19
    • +2
      вместо того чтобы сделать 144 канала по 5 МГц эти… делают 2 канала по 160 Мгц… Наверное на Тесле ездят, или на БМВ М5 и смотрят Ревазова. ))
      • 0
        Фишка в том, что 144 по 5 дадут меньше полосу.
        • +1
          Быстрее, выше, ширшее – экстенсивный путь развития стандарта – это самый верный способ производителям снять сливки прибыли от нового рывка на рынок, полного несбыточных ожиданий от чего то необыкновенного. Почти все новые примочки во второй волне – это просто масштабирование со знаком плюс базовых характеристик. И channel bonding, и QAM — модуляция, и число потоков — это попытка достигнуть и обойти предел Шенона, обойти его сбоку и снизу). Единственная фича, которая совершает робкую попытку обмануть саму мать-природу беспроводной сети — это MU-MIMO, которая пытается доказать, что вай фай может прыгнуть выше головы. Пока получается не айс… но они стараются.
        • +2
          RG45? Серьезно?
          • 0
            Наверное, имелось ввиду RJ-45
            • +4
              Не, имелось ввиду 8P8C
              Скрытый текст
              (ну, вы понимаете, кто пишет такие статьи...).

              Оборудование пред-802.11ax вроде как уже начало появляться.
              Скрытый текст
              (автор статьи не знает английского -?)
              • 0
                Век живи — век учись!
            • 0
              Rejistered Jack – RJ конечно, очепятка. Спасибо, исправим!
            • +3

              Неужели нельзя сделать заголовок, из которого будет понятно примерное содержание статьи?

              • +1
                Вы что, это не креативно.
              • 0
                Проверить доводы легко: если у вас офисный ноут или писюк в течении рабочего дня по-прежнему работает по медному проводу даже при наличии корпоративного WIFI, то можно смело утверждать, что идея не реализовалась в массе своей.

                Я последний раз работал в офисе не по WiFi больше 10 лет назад, сменив за это кучу офисов — от мелких стартапов в Москве и Калифорнии до огромных офисоф MS и IBM.
                Да и Apple уже несколько поколений ноутбуков не производит с RJ45.
                Вы в каком-то своем мире живете
                • +4

                  Вы так говорите будто отсутствие быстрой проводной сети — это что-то хорошее.


                  Вам в ответ работающий через EDGE может похвастаться что он давным давно последний раз работал через беспроводную связь с дальностью меньше полукилометра. При этом так же тактично умолчав о недостатках такого подхода.


                  Пропускная способность сети таки временами имеет решающее значение. Десктопы, в отличие от ноутбуков/планшетов гораздо реже перемещаются (да и то, делают это как правило между фиксированными рабочими местами), поэтому к ним вполне возможно тянуть проводную гигабитную (а то и десяти-) сеть.


                  Все в некотором смысле живут в каком-то своем мире :)

                  • 0
                    Да и ноутбуки обычно в течение дня стоят на столе. На прошлой работе и дома вайфай использовал(ую) лишь периодически с ноутом, ежедневно таскаемым между работой и домом. Практически всегда сетевой кабель подключаю вместе с кабелем питания. На новой работе кабеля нет, раздражает :(
                • 0

                  Скажите, а как будут вести себя критичные к задержкам сервисы при более-менее серьезной нагрузке на сеть?
                  Аудио-видео звонки при нескольких клиентах рядом, особенно, если ещё и что-то качается в этот момент (в идеале торренты)
                  "Домашние" точки доступа закономерно сливаются

                  • 0
                    Как и в проводной сети, если у вас больше чем одно устройство или приложение на порт (точку) и одно из них абонирует всю полосу – все остальные испытывают информационный голод, раздражая задержками видео или аудио-звонков. Тем актуальнее эта проблема в вайфай, где радиоэфир — общая разделяемая среда, а режим работы сети полудуплексный. Проблема была осознана давно, и решалась вполне традиционным путем через введение приоритизации трафика. Даже стандарт придумали 802.11 e, точнее, дополнение. Опять же, простой шейпинг полосы на разных уровнях – точка-сеть-клиент-приложение никто не отменял, особенно в условиях корпоративной сети). Правда, все еще хуже, если беспроводные клиенты обрабатывают трафик в движении. Если беспроводная сеть не готова принять критичные к задержкам приложения при движении клиента в зоне действия беспроводного домена, то уже не важно на сколько она загружена. Проблемы со связью будут уже просто на этапе роуминга между точками. То есть совершенно необходимо строить сеть, исходя из критериев на минимальную скорость роуминга, иметь устройства поддерживающие современные дополнения к стандарту – 802.11r. Ну и приоритизация и еще раз приоритизация.
                    • 0

                      Про шейпинг я бы поспорил, в ряде случаев он даже нормально отрабатывая, ничего не может
                      Приоритеты опять же в моей практике нормально работала только с проводами.
                      А вот по воздуху поймать лишние 50-100-150 ms — практически нормально — и никакой потери пакетов
                      Отсюда и вопрос

                      • 0

                        Проблему с разделением полосы Ruckus решили много лет назад. А вот 802.11r умеют не все клиентские устройства и после его включения они просто не подключатся к WLAN.

                    • 0
                      Стандарт чисто офисный? Домашний роутер (с полтора десятка клиентов на сотню квадратов) нет смысла менять? Или даже ещё хуже может получиться?
                      • +1
                        Не чисто офисный, конечно. Везде, где рационально и необходимо развертывать беспроводную сеть, его можно внедрять. Очевидно, что на улице его работа менее эффективна – большая дистанция и, соответственно, адаптивное понижение протокольной скорости, минимизация переотраженных сигналов, которые, как мы знаем, технология наоборот использует, применение, как правило, секторных антенн, что нивелирует работу beamforming и так далее. А вот любые помещения, в том числе и квартира, самое то. В квартире даже проще – там одна точка, нет головняка с интерференцией от своих же точек корпоративной сети. Небольшая дистанция – чем ближе клиент к точке тем выше SNR и выше скорость соответственно. Диапазон 5 ГГц пока не такая помойка, как 2,4. Стены квартиры лучше изолируют ваш беспроводной домен от соседей, чем гипсокартон в офисе). Можно выставить небольшую мощность – так как зона покрытия небольшая, что еще больше изолирует вашу сеть от соседей. Сложно реализовать корректную работу MU-MIMO, если например точка будет висеть в углу комнаты, или у входной двери. Опять же клиенты должны поддерживать 5ГГц. Переходить или нет – вам решать. Если вас не устраивает работа существующей сети, лучше проанализировать сначала возможные причины этого. А потом уже переходить на новый стандарт сети в попытке их решить.

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое