2006 г.

Wi-Fi MIMO: как разбросать беспроводные каналы?

Андрей Шуклин, "Экспресс-Электроника"

У технологии Wi-Fi есть несколько сторон, которые всегда хотелось доработать, чтобы сделать ее более совершенной. Среди них: вопросы безопасности, проблемы распределения трафика между несколькими клиентами, а также скорость передачи данных. Впрочем, что касается последнего, здесь было найдено решение MIMO.

Аббревиатура MIMO (Multiple Input Multiple Output) означает "множественный вход, множественный выход". То есть любую систему, работающую по принципу MIMO, можно рассматривать как многоканальный прибор, совмещающий в себе возможности нескольких одноканальных.

Но следует понимать, что MIMO не является ни технологией, ни стандартом. Термин обозначает лишь идеологию, в рамках которой устройство должно иметь несколько каналов передачи данных, будь то беспроводной роутер или система телевещания. Размышляя о Wi-Fi, можно отметить лишь то, что MIMO станет одной из основополагающих технологий для становления спецификации 802.11n, и те устройства, о которых мы говорим сегодня, можно считать продуктами pre-802.11n (аналогично тому, как мы называем многие решения операторского класса pre-WiMAX и, хотя стандарт еще не утвержден в Институте инженеров по электротехнике и электронике, но уже можно говорить о его перспективах и преимуществах).

Пропускная способность — эволюционное развитие

Развитие беспроводных сетей, доступных для широкого применения, началось со стандарта 802.11b, который был примечателен тем, что почти не зависел от радиопомех, поскольку радиопередача шла в небольшом СВЧ-диапазоне белым шумом. Или, говоря другими словами, сигнал, передаваемый от передатчика к приемнику, проходил сразу по нескольким подканалам (в случае с 802.11b их 11), причем передача каждого бита данных предусматривалась специальным алгоритмом, благодаря которому прием небольшого участка спектра и последующее декодирование "фонового шума" позволяли однозначно восстановить исходную последовательность данных. Этот механизм модуляции получил название метода прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS). В результате физическая пропускная способность канала для оборудования 802.11b составила порядка 11 Мбит/с, а реальная пропускная способность, которая по вполне понятным причинам не превышает половины физической (по крайней мере, для IP-трафика), ограничивалась 5 Мбит/с в хороших условиях приема. При всей привлекательности данной технологии пропускной способности сети в несколько мегабит в секунду недостаточно, например, для передачи потоковых мультимедиаданных.

Тогда заговорили о появлении новых стандартов, которые впоследствии получили название 802.11a и 802.11g (в порядке появления на рынке). Для нас интереснее второй стандарт, так как он имеет обратную совместимость с устройствами 802.11b, которые до сих пор установлены во многие ноутбуки, роутеры и точки доступа. Кроме того, в нашей стране, увы, пока нельзя использовать частоты в диапазоне 5 МГц без лицензии, в то время как полоса 2,4 ГГц, на которой работают 802.11b и 802.11g, совершенно открыта для частного использования внутри помещений (на сеть, работающую за пределами здания, необходимо соответствующее разрешение отраслевого министерства).

Итак, чем же принципиально отличается стандарт 802.11g? Он использует другой принцип модуляции, более совершенный OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением). Принцип работы такого устройства достаточно прост: в оборудовании устанавливается более мощный математический процессор, он разбивает сигнал на несколько потоков данных, которые одновременно передаются на различных частотах, однако придерживаясь все того же разрешенного законом диапазона. Сама модель ортогонального частотного разделения позволяет избежать перекрестных помех для различных подканалов, что расширяет полосу пропускания во столько раз, сколько независимых каналов используется в системе. Несложный подсчет показывает, что каналов при такой передаче данных оказывается пять.

Но поскольку реальная пропускная способность для устройств 802.11g ограничивалась 20 Мбит/с, требовалось новое решение. У некоторых компаний возникла идея применения технологии Smart Antenna, которая подразумевает использование трех антенн для организации более надежного и стабильного соединения между точкой доступа и клиентским адаптером, что, естественно, приводит к повышению дальности действия сети и небольшому росту реальной пропускной способности в рамках физических характеристик стандарта. И только когда эта методика начала применяться, возник вопрос, как сделать беспроводную сеть в том же диапазоне еще более производительной, добиться повышения пропускной способности, не расширяя частотный спектр (в конце концов, для радиоаппаратуры он не бесконечен).

Технология MIMO

Ответом стала реализация первого чипа с поддержкой кодирования и передачи данных согласно идеологии MIMO от компании Airgo Networks. Надо сказать, эта компания прошла несколько достаточно интересных этапов становления, первым из которых был труд ее сегодняшнего CEO, Грэга Рэлиха (Greg Raleigh). В 17 лет он провел все летние каникулы, разрабатывая технологию, позволяющую увеличить эффективность радиопередач. Кроме этого, одним из идеологов компании стал В. К. Джонс (V. K. Jones), который в свое время вместе с Рэлихом стал основателем фирмы Clarity Wireless, купленной в 1998 году Cisco Systems. Поэтому новое технологическое решение от Airgo Networks выглядит не столь неожиданным — разработчики компании имеют дело с беспроводными технологиями очень давно.

Технология передачи данных, реализованная в чипах Airgo, как и следовало ожидать, снова требует чуть более мощного математического процессора, поскольку на этот раз, кроме модуляции OFDM (она также необходима), чип должен кодировать данные специальным образом: чтобы те могли создать два независимых потока, которые впоследствии могут быть рассмотрены как отдельные каналы Wi-Fi.

Идея заключается в том, что передатчик, равно как и приемник, обладает двумя независимыми антеннами, передающими и принимающими один из потоков данных, закодированных для сети MIMO. Между соответствующими антеннами создается канал, служащий физическим транспортом для одного из потоков данных. Техника Wi-Fi MIMO использует неоднородность помещений и эффекты отражения, что позволяет сделать потоки данных независимыми. Таким образом, в чистом поле MIMO даст гораздо меньше эффекта, чем в офисе, и подобный подход с научной точки зрения следует считать очень конструктивным. Что касается интерпретации данных, благодаря некоторым ухищрениям с модуляцией и более плотной математической обработке кодированных данных как на этапе передачи, так и на этапе приема, становится возможным сохранение практически полной пропускной способности каждого из каналов, интерференция и взаимные помехи для которых решаются посредством все той же технологии Smart Antenna.

Что же, декларация поддержки скорости передачи данных до 108 Мбит/с свидетельствует о том, что в некоторых условиях производитель может добиться использования двух полных каналов по 54 Мбит/с, что, конечно, впечатляет. Психологический же эффект разработки состоит в том, что Wi-Fi стал быстрее проводного Ethernet (по крайней мере, быстрее Fast Ethernet). Пусть речь идет о максимальной пропускной способности, однако в благоприятных условиях беспроводная сеть оказалась быстрее стандартной проводной. И это большой успех.

Перспективы стандарта

Вообще говоря, на данный момент каждый из стандартов 802.11b/g/n обладает обратной совместимостью, и нам остается надеяться, что такой подход в формировании новых спецификаций Wi-Fi Alliance сохранится и в будущем. Совместимость инфраструктуры 802.11b и более старших стандартов понятна — адаптер просто переходит на уровень модуляции DSSS и сбрасывает скорость. Если рассмотреть подробнее проблему использования старых адаптеров в новых сетях, все оказывается гораздо интереснее.

При работе адаптеров 802.11b в условиях точки доступа, поддерживающей стандарт 802.11g, мы получаем лишь один канал, работающий в условиях DSSS, в то время как остальные могут обслуживать клиентов, поддерживающих 802.11g и, следовательно, OFDM-модуляцию. Но что будет, если в окружении MIMO станут использоваться старые адаптеры? Вопрос занимательный, и хотя он будет рассмотрен ниже, следует отметить теоретически повышенную пропускную способность для всего окружения. Почему? Во-первых, технология Smart Antenna позволяет организовать более надежный канал до клиентского адаптера, а во-вторых, эти каналы не должны оказывать друг на друга такое сильное воздействие, как в стандартном g- или b-окружении. Но, вообще говоря, вопрос спорный, и только тесты покажут, как будут обстоять дела в реальности.

Стандарт 802.11n, который должен быть утвержден в следующем году, станет квинтэссенцией нескольких технологий, среди которых должны оказаться как MIMO, так и Smart Antenna, а также Space Time Block Coding или STBC. Но пока стандарт не утвержден, все это остается на уровне слухов и домыслов. Единственное, что можно сказать сегодня, согласно комментариям международного консорциума EWC (Enhanced Wireless Consortium), в рамках нового стандарта будет осуществляться обратная совместимость с сетями и аппаратурой 802.11a/b/g, а максимальная скорость передачи данных будет достигать 600 Мбит/с.

Тестирование

К счастью, оборудование Wi-Fi MIMO уже есть в России, и более того — его можно купить в некоторых розничных сетях. В нашу тестовую лабораторию попали модели от NetGear и D-Link, надо отметить, вполне приличные серийные образцы.

D-Link DI-624M

Стандарт 802.11g/b Один порт Ethernet 10/100BASE-TX WAN, четыре порта Ethernet 10/100BASE-TX LAN Антенны: две внутренние всенаправленные (2dBi), две внешние несъемные дипольные (2dBi) Питание: 5В постоянного тока, 3A Источник питания: через внешний адаптер Размеры: 192.118.31 мм

Роутер D-Link DI-624M очень похож на модели, работающие с традиционными сетями Wi-Fi. Разница состоит лишь в том, что антенны сделаны не круглыми, а представляют собой две плоскости и выглядят как два лодочных весла. При этом модель обладает очень удобным и гибким ПО, в котором можно легко выбрать тип сети, включить или отключить поддержку режима MIMO, а также запустить виртуальные серверы или даже вывести для некоторых устройств роутинг таким образом, чтобы они не "ощущали" работы через роутер. Кроме этого, компания D-Link предоставила нам для тестирования PCMCIA-адаптер MIMO для ноутбука (DWL-G650M), который, в отличие от роутера, имеет некоторые проблемы с управляющим ПО, в частности, оно не всегда корректно запускается.

D-Link DWL-G650M

Стандарт 802.11g/b Интерфейс 32-бит CardBus Антенны: две внутренние разнесенные переключаемые Поддержка WEP, WPA-PSK

Второй комплект оборудования — от компании NETGEAR, в частности, это RangeMax Wireless Router WPN824, которой оказался куда более интересным дизайнерским решением, чем продукт D-Link, он использует 7 "умных антенн" (Smart Antennas).

NETGEAR WPN824

Стандарт 802.11g/b Один порт Ethernet 10/100BASE-TX WAN, четыре порта Ethernet 10/100BaseT 7 встроенных адаптивных антенн Внешний адаптер питания Размеры: 223.30.152 мм

Надо сказать, в процессе тестирования мы не заметили особенного прироста производительности у этого продукта по сравнению с D-Link DI-624M, но выглядит  WPN824 более оригинально. Правда у этой оригинальности есть и другая сторона – яркие синие светодиоды несколько раздражают при работе в темноте. Кроме того, этот роутер, напротив, обладает излишне упрощенным ПО, которое вовсе не хочет настраиваться, если не находит внешнего подключения к Интернету (WAN). В остальном функциональность устройства сходна с DI-624M. Адаптеры NETGEAR, предоставленные нам как в формате PCMCIA (WPN511), так и USB 2.0 (WPN111), наоборот отличаются очень удобным ПО, которое позволяет не только адекватно выбирать сеть, но и отслеживать ее производительность.

NETGEAR WPN511

Стандарт 802.11g/b Интерфейс 32-бит CardBus Поддержка WEP и WPA-PSK

NETGEAR WPN111

Стандарт 802.11g/b Интерфейс USB Поддержка WEP и WPA-PSK

Говоря о MIMO в общем, следует отметить, что для адаптера это означает лишь использование нескольких каналов, если это предлагает сделать роутер, так что никаких настроек для оптимизации сети производить для клиентских устройств не нужно. Все настройки происходят на роутере.

Методология

Тесты происходили в стандартном офисном помещении. Первая часть тестирования сводилась к тому, чтобы продемонстрировать простой прирост скорости в тех же офисных условиях, в которых работало стандартное окружение 802.11g. Так, роутер располагался в серверной комнате, а клиентские устройства за железо-бетонной перегородкой. Вообще говоря, для передачи одиночного потока  данных мы не заметили почти никакой разницы между стандартным режимом 802.11g, и SuperG D-Link или RangeMax NetGear. Дело в том, что обычно в случае передачи одного потока данных от роутера к клиентскому устройству, пропускная способность лимитируется самими компьютерами. При подключении еще одного потока передачи данных, который передавался в том же сетевом окружении параллельно (другое устройство также скачивало с сервера файл), разница куда более заметна. Ну а третий случай, когда помимо двух потоков данных в сети был организован обмен двух компьютеров небольшими пакетами (копирование большого массива текстовых файлов), показал еще более разительное преимущество MIMO в процентном соотношении. Для оценки пропускной способности использовалась несложная утилита SpeedTest, которую можно свободно скачать в Интернете. Следует оговориться, что эта утилита оценивает время передачи тестового файла, которое, вследствие известных задержек в протоколе IP и стандартной ОС Windows, конечно, оказывается несколько ниже, но ведь нас интересует реальная способность сетей по передаче файлов, а не нулей и единиц. Впрочем, при передаче очень больших файлов, стандарт 802.11g показал на SpeedTest стандартные для него 20 Мбит/с, потому что погрешности, связанные с началом отсчета и окончанием были не столь велики на фоне 1 Гбайт. Однако нам не каждый раз приходится передавать такие файлы, и поэтому задержки в действительности играют большую роль, что и отражает наше тестирование. Поэтому в качестве тестового файла для передачи данных был выбран мультфильм, сжатый кодеком DivX до 50 Мбайт. Также следует отметить, что полученный выигрыш при наличии двух потоков данных, следует умножить на два, так как второй поток данных, естественно, тоже становился быстрее при использовании MIMO.

Скорость: MIMO vs 802.11g

Как вы можете видеть, применение MIMO значительно увеличивает пропускную способность сети, причем это наблюдается, даже если в сетевом окружении используются адаптеры 802.11g, собственно говоря, для двух потоков данных, каждый из них преимущественно работал именно в режиме 802.11g, но зато на максимальной скорости. И чем больше в беспроводной сети устройств, тем больше наблюдается скоростных преимуществ от использования MIMO.

Дальность работы

Поднимая вопрос об увеличении дальности работы сети, не станем отрицать ее наличие, но замерять ее достаточно точно не представляется возможным, так как офисное окружение может быть различным. Тем не менее, по субъективным данным, она возрастает в 1,5–2 раза. При этом наличие сложно проходимых объектов на пути сети создает некоторые проблемы со скоростью, которые, как мы обнаружили, для роутеров MIMO оказались более ощутимыми. В частности, вторая диаграмма, отвечающая за работу за железной дверью, которая находится на входе в наш офис, показала, что сеть MIMO имеет меньшую пропускную способность, зато дольше сохраняет хотя бы какую-то возможность доступа.

Дальность: MIMO vs 802.11g

Заключение

Технология MIMO оказалась весьма интересной, и хотя еще любопытнее будет тестировать адаптеры грядущего стандарта 802.11n, решения на базе чипсетов Airgo уже сегодня позволяют достичь высоких показателей скорости и дальности работы сети. При этом использование MIMO идет на пользу большим беспроводным сетям и позволяет увеличить скорость передачи не только для двух компьютеров, но для сети в целом, оптимизируя трафик, и передавая его по разным каналам. И, что приятно, их цены не так высоки — стоимость роутеров обоих производителей составляет порядка $150, клиентских адаптеров — около $80 (для карт в формате PCMCIA).

За предоставленное оборудование редакция журнала "Экспресс-Электроника" благодарит московское представительство компании D-Link и корпорацию ЮНИ.