Стандарты Wi-Fi и их отличия друг от друга. Какие бывают стандарты Wi-Fi и какой для смартфона лучше

Возможность создать локальную сеть без использования кабелей выглядит очень заманчивой и преимущества такого подхода очевидны. Возьмем, к примеру, стандартную квартиру. При создании локальной сети первый вопрос, который возникает перед владельцем компьютера, – как же прятать все кабели, чтобы они не путались под ногами? Для этого приходится или закупать специальные короба, которые крепятся на потолке или стенах, или использовать другие методы, включая самые очевидные, например, спрятать кабели под ковер.

Однако мало кому захочется тратить время, деньги и усилия на прокладку кабеля так, чтобы он не бросался в глаза. Кроме того, всегда существует риск перегнуть определенный сегмент кабеля, в результате чего сеть для отдельного компьютера или всех компьютеров окажется неработоспособной.

Решением этой проблемы являются беспроводные сети (WLAN). Основная технология, применяемая для создания беспроводных сетей на основе радиоволн, – технология Wi-Fi. Эта технология стремительно завоевывает популярность, и уже многие домашние локальные сети созданы на ее основе. В настоящее время существует три основных стандарта Wi-Fi, каждый из которых обладает определенными характеристиками, – стандарты 802.11b, 802.11a и 802.11g. Речь идет о наиболее популярных стандартах, поскольку в реальности их намного больше, причем некоторые из них все еще проходят процесс стандартизации. Например, оборудование стандарта 802.11n уже вовсю продается, однако стандарт все еще развивается.

Структура обычной беспроводной сети практически не отличается от структуры проводной сети. Все компьютеры в сети оснащаются беспроводным адаптером, который имеет антенну и подключается в разъем PCI компьютера (внутренний адаптер) или разъем USB (внешний адаптер). Для ноутбуков можно использовать как внешние адаптеры USB, так и адаптеры для разъема PCMCIA, кроме того, многие ноутбуки изначально оснащены адаптером Wi-Fi. Взаимодействие компьютеров и портативных систем, оснащенных адаптерами Wi-Fi, обеспечивается точкой доступа, которую можно считать аналогом коммутатора в проводной сети.

В настоящее время существует три основных стандарта беспроводных сетей:

801.11b;

Рассмотрим эти стандарты подробнее.

Стандарт 802.11 b был первым сертифицированным стандартом Wi-Fi. Все устройства, совместимые с 801.11b, должны иметь соответствующую наклейку с надписью Wi-Fi. Основные характеристики 801.11b выглядят следующим образом:

скорость передачи данных до 11 Мбит/с;
радиус действия до 50 м;
частота 2,4 ГГц (совпадает с частотой некоторых радиотелефонов и микроволновых печей);
устройства 802.11b обладают наименьшей, по сравнению с другими устройствами Wi-Fi, ценой.

Основное преимущество 801.11b – всеобщая доступность и низкая цена. Есть и существенные недостатки, такие как низкая скорость передачи данных (практически в 9 раз меньше, чем скорость в сети 100BASE-TX) и использование радиочастоты, совпадающей с частотой радиоизлучения некоторых бытовых устройств.

Стандарт 802.11 a был разработан для решения проблемы низкой пропускной способности сетей 801.11b. Характеристики 801.11a представлены ниже:

радиус действия до 30 м;
частота 5 ГГц;
несовместимость с 802.11b;
более высокая цена устройств, по сравнению с 802.11b.

Преимущества очевидны – скорость передачи данных до 54 Мбит/с и рабочая частота, не используемая в бытовой технике, однако достигается это за счет более низкого радиуса действия и отсутствия совместимости с популярным стандартом 802.11b.

Третий стандарт, 802.11 g , постепенно обрел большую популярность за счет скорости передачи данных и совместимости с 802.11b. Характеристики этого стандарта следующие:

скорость передачи данных до 54 Мбит/с;
радиус действия до 50 м;
частота 2,4 ГГц;
полная совместимость с 802.11b;
цена практически сравнялась с ценой устройств 802.11b.

Устройства стандарта 802.11g можно рекомендовать для создания беспроводной домашней сети. Скорости передачи данных 54 Мбит/с и радиуса действия до 50 м от точки доступа будет достаточно для любой квартиры, однако для более крупного помещения использование беспроводной связи данного стандарта может оказаться неприемлемым.

Скажем и о стандарте 802.11n, который совсем скоро вытеснит три других стандарта.

скорость передачи данных до 200 Мбит/с (а в теории- и до 480 Мбит/с);
радиус действия до 100 метров;
частота 2,4 или 5 Ггц;
совместимость с 802.11b/g и 802.11a;
цена стремительно снижается.

Конечно, 802.11n – самый классный и перспективный стандарт. Радиус действия больше и скорость передачи многократно выше, чем у трех других стандартов. Однако не спешите бежать в магазин. У 802.11n есть несколько недостатков, о которых нужно знать.

один из лучших маршрутизаторов стандарта 802.11n .

Самое главное – чтобы насладиться всеми преимуществами 802.11n, необходимо, чтобы все устройства в беспроводной сети поддерживали этот стандарт. Если одно из устройств работает в стандарте, скажем, 802.11g, то маршрутизатор 802.11n будет переведен в режим совместимости, и его преимущества по скорости и дальности попросту исчезнут. Так что хотите сеть 802.11n – нужно, чтобы все устройства, которые будут в беспроводной сети, поддерживали этот стандарт.

Более того, желательно, чтобы устройства 802.11n были от одной компании. Поскольку стандарт еще разрабатывается, разные компании по своему реализуют его возможности, и нередко бывают казусы, когда беспроводное устройство от Asus стандарта 802.11n не хочет нормально работать с Linksys и т.д.

Так что прежде чем внедрять 802.11n у себя дома, подумайте, учли ли вы эти факторы. Ну и почитайте, конечно, что пишут люди на форумах, где активно обсуждают эту тему.

Если в квартире несколько комнат со стенами из железобетона, скорость передачи на расстоянии уже 20-30 м будет ниже максимальной. Скорость передачи данных от точки доступа к устройству будет уменьшаться пропорционально расстоянию до этого устройства, поскольку для удержания устойчивого сигнала скорость будет понижаться автоматически.

Желательно не размещать точку доступа рядом с бытовыми или офисными устройствами, такими как микроволновые печи, радиотелефоны, факсы, принтеры и т.д .

Приняв решение внедрить беспроводную сеть, следует выбрать соответствующее оборудование, к которому относится, как уже было сказано ранее, два ключевых компонента – точка доступа и адаптеры беспроводной связи. Об этом рассказывается в статье “ “.

Протокол беспроводной связи Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная точность) был разработан еще в 1996 году. Изначально он предназначался для построения локальных сетей, но наибольшую популярность приобрел, как эффективный метод соединения с интернетом смартфонов и других портативных устройств.

За 20 лет одноименный альянс разработал несколько поколений соединения, внедряя с каждым годом более скоростные и функциональные его обновления. Они описываются стандартами 802.11, издаваемыми IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники). В группу входит несколько версий протокола, отличающихся скоростью передачи данных и поддержкой дополнительных функций.

Самый первый стандарт Wi-Fi не имел буквенного обозначения. Поддерживающие его устройства обмениваются данными на частоте 2,4 ГГц. Скорость передачи информации составляла всего 1 Мбит/с. Также существовали девайсы с поддержкой скорости до 2 Мбит/с. Он активно использовался всего 3 года, после чего был усовершенствован. Каждый последующий стандарт Wi-Fi обозначается буквой после общего номера (802.11a/b/g/n и т.д.).

Одно из первых обновлений стандарта Wi-Fi, вышедшее в 1999 году. Благодаря удвоению частоты (до 5 ГГц) инженерам удалось добиться теоретических скоростей до 54 Мбит/с. Широкого распространения он не получил, так как сам по себе несовместим с другими версиями. Устройства, поддерживающие его, для работы в сетях на 2,4 ГГц должны иметь двойной приемопередатчик. Смартфоны с Wi-Fi 802.11a распространены слабо.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11b

Второе раннее обновление интерфейса, вышедшее параллельно с версией a. Частота осталась прежней (2,4 ГГц), но скорость увеличили до 5,5 или 11 Мбит/с (в зависимости от устройства). До конца первого десятилетия 2000-х годов это был наиболее распространенный стандарт для беспроводных сетей. Совместимость с более старой версией, а также достаточно большой радиус покрытия, обеспечили ему популярность. Несмотря на вытеснение новыми версиями, 802.11b поддерживается практически всеми современными смартфонами.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11g

Новое поколение протокола Wi-Fi было представлено в 2003 году. Разработчики оставили частоты передачи данных прежними, благодаря чему стандарт оказался полностью совместимым с предшествующим (старые устройства работали со скоростью до 11 Мбит/с). Скорость передачи информации возросла до 54 Мбит/с, что было достаточно вплоть до недавнего времени. Все современные смартфоны работают с 802.11g.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11n

В 2009 году вышло масштабное обновление стандарта Wi-Fi. Новая версия интерфейса получила существенное увеличение скорости (до 600 Мбит/с), сохранив совместимость с предшествующими. Для возможности работы с оборудованием 802.11a, а также борьбы с перегруженностью диапазона 2,4 ГГц, была возвращена поддержка частот 5 ГГц (параллельно 2,4 ГГц).

Были расширены возможности конфигурирования сети и увеличено количество поддерживаемых одновременно соединений. Появились возможность связи в многопоточном режиме MIMO (параллельная передача нескольких потоков данных на одной частоте) и объединение двух каналов для связи с одним устройством. Первые смартфоны с поддержкой этого протокола вышли в 2010 году.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac

В 2014 году был утвержден новый стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac. Он стал логичным продолжением 802.11n, предоставляющим десятикратный рост скорости. Благодаря возможности объединения до 8 каналов (по 20 МГц каждый) одновременно – теоретический потолок увеличился до 6,93 Гбит/с. что в 24 раза быстрее, чем 802.11n.

От частоты 2,4 ГГц было решено отказаться, в силу загруженности диапазона и невозможности объединения более 2 каналов. Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac работает в диапазоне 5 ГГц и обратно совместим с устройствами 802.11n (с частотой 2,4 ГГц), но работа с более ранними версиями не гарантируется. Сегодня еще не все смартфоны поддерживают его (к примеру, поддержки нет у многих бюджетников на MediaTek).

Другие стандарты

Существуют версии IEEE 802.11, маркированные другими буквами. Но они или вносят небольшие поправки и дополнения к перечисленным выше стандартам, или добавляют специфические функции (вроде возможности взаимодействия с другими радиосетями или безопасность). Выделить стоит 802.11y, использующий нестандартную частоту 3,6 ГГц, а также 802.11ad, рассчитанный на диапазон 60 ГГц. Первый создан для обеспечения дальности связи до 5 км, за счет использования чистого диапазона. Второй (он также известен как WiGig) – предназначен для обеспечения максимальной (до 7 Гбит/с) скорости связи на сверхмалых расстояниях (в пределах комнаты).

Какой стандарт Wi-Fi для смартфона лучше

Все современные смартфоны оборудованы модулем Wi-Fi, рассчитанным на работу с несколькими версиями 802.11. Как правило, поддерживаются все взаимно совместимые стандарты: b, g и n. Однако работа с последним нередко может быть реализована только на частоте 2,4 ГГц. Устройства, которые способны работать в сетях 802.11n 5 ГГц, также отличаются поддержкой 802.11a, как обратно совместимого.

Рост частоты способствует увеличению скорости обмена данными. Но, вместе с тем, уменьшается длина волны, ей сложнее проходить сквозь препятствия. Из-за этого теоретическая дальность связи 2,4 ГГц будет выше, чем у 5 ГГц. Однако на практике ситуация обстоит немного иначе.

Частота 2,4 ГГц оказалась свободной, поэтому бытовая электроника использует именно ее. Помимо Wi-Fi, в этом диапазоне работают Bluetooth-устройства, приемопередатчики беспроводных клавиатур и мышек, в нем же излучают магнетроны СВЧ-печей. Поэтому в местах, где функционирует несколько сетей Wi-Fi, количество помех нивелирует преимущество в дальности. Сигнал будет ловиться и за сотню метров, но скорость окажется минимальной, а потери пакетов данных – большими.

Диапазон 5 ГГц более широк (от 5170 до 5905 МГц), меньше загружен. Поэтому волны хуже преодолевают препятствия (стена, мебель, тело человека), зато в условиях прямой видимости обеспечивают более устойчивую связь. Неспособность эффективно преодолевать стены оборачивается преимуществом: вы не сможете поймать соседский Wi-Fi, зато и вашему роутеру или смартфону он мешать не будет.

Однако, следует помнить, что для достижения максимальной скорости – необходим и роутер, работающий с таким же стандартом. В остальных случаях получить больше 150 Мбит/с все равно не выйдет.

Многое зависит от роутера и его типа антенны. Антенны адаптивного типа разработаны так, что они определяют местонахождение смартфона и подают на него направленный сигнал, достающий дальше, чем у других типов антенн.

Действительно, несмотря на то что беспроводные сети Wi-Fi получили повсеместное признание и распространение, до настоящего момента за ними числятся три основных недостатка: низкая (по сравнению с проводным Ethernet) реальная скорость передачи данных, сложности с равномерным покрытием (и наличием так называемых мертвых зон - dead spots) и проблемы безопасности данных и несанкционированного доступа. Теперь давайте посмотрим на основные достоинства устройств, созданных по спецификации 802.11n. Это заметно более высокая скорость передачи данных, улучшенная безопасность благодаря введению нового алгоритма шифрования WPA2, а также значительное расширение зоны покрытия и большая помехоустойчивость. Но, разумеется, мы уже давно привыкли к тому, что рекламно-маркетинговые цифры, обещающие многократное улучшение самых разных показателей, конечно же имеют что-то общее с реальными характеристиками, но далеко не всегда совпадают с ними даже по порядку величины. А для того, чтобы правильно оценить новые возможности и их ограничения, всегда имеет смысл представлять, за счет чего, собственно, эти новые возможности достигаются.

Немного теории. Теоретическая скорость соединения для устройств 802.11n cоставляет 300 Мбит/c, а для устройств предыдущего и наиболее сейчас распространенного 802.11g - 54 Мбит/c. Обе цифры соответствуют идеальным, но не существующим в природе условиям. Но все-таки за счет чего может достигаться увеличение скорости больше чем в 5 раз? Если задать этот вопрос любознательному ребенку, который, к своему счастью, еще не обязан демонстрировать глубокие познания в радиофизике, то он определенно выскажется в том духе, что у новых устройств торчит больше антенн, значит, поэтому они и работают быстрее. И в общем-то, примерно так оно и есть, увеличение скорости и зоны устойчивого покрытия достигается во многом благодаря технологии многолучевого распространения (MIMO - Multiple Input Multiple Output), при которой данные разделяются между несколькими передатчиками, работающими на одной и той же частоте.

Не отказались разработчики и еще от одного простого и понятного способа увеличения скорости - использования двух частотных каналов вместо одного. Если в 802.11g задействуется один частотный канал шириной 20 МГц, то в 802.11n применяется технология, связывающая два расположенных рядом друг с другом канала в один шириной 40 МГц (сведения об использовании двух каналов вместо одного нам очень пригодятся на практике при настройке устройств на максимальную производительность).

Одна из причин, по которой реально наблюдаемая скорость в сетевых приложениях всегда меньше заявленной производителем, состоит в том, что кроме собственно передаваемых данных устройства обмениваются также служебной информацией через все тот же канал связи. Таким образом, скорость сетевого соединения на уровне приложений всегда меньше, чем на физическом уровне. Ну а на коробке по понятным причинам принято указывать большее по абсолютной величине значение без каких-либо дополнительных уточнений. Соответственно еще одна возможность для увеличения реальной скорости передачи данных - это оптимизация «накладных расходов», т. е. объема пересылаемых служебных данных, в первую очередь за счет объединения на физическом уровне нескольких кадров данных в один.

Разумеется, это только некоторые из основных нововведений в стандарте 802.11n. Но, строго говоря, полной и окончательной спецификации устройств 802.11n не существует до сегодняшнего дня. И в этом еще одна, значительно менее радостная причина пристального внимания к новому стандарту и большого числа разговоров о нем. Принятие его окончательной спецификации IEEE 802.11n откладывается уже несколько лет и в настоящий момент запланировано на вторую половину 2008 г., но нет никаких гарантий того, что утверждение документа не будет в очередной раз отложено. В то же время многие производители попытались в числе первых представить на рынок устройства на основе предварительных версий стандарта, что в какой-то момент привело к появлению сырых и плохо совместимых между собой устройств, которые, кроме того, зачастую проигрывали в скорости по сравнению с нестандартизованными решениями других производителей (см. «Draft-N:не спешите со скоростью», «Мир ПК», ). С тех пор была утверждена предварительная версия стандарта 802.11n Draft 2.0, за сертификацию, не дожидаясь официального утверждения IEEE 802.11n, взялась организация Wi-Fi Alliance, а у разработчиков было достаточно времени для того, чтобы устранить недочеты, характерные для первых моделей устройств. Список устройств, прошедших сертификацию, доступен на сайте www.wifialliance.org , и именно на этот список мы ориентировались, планируя тестирование первых устройств стандарта 802.11n Draft 2.0.

Практика. Как обычно, из восьми сертифицированных устройств, производители которых представлены в России, реально оказались доступными только три комплекта оборудования, состоящих из точки доступа и соответствующего адаптера, - DIR-655 и DWA-645 от D-Link, WNR854T и WN511T от Netgear, а также BR-6504n и EW-7718Un компании Edimax. Очень кстати каждый из рассматриваемых маршрутизаторов оказался оснащен четырьмя портами Gigabit Ethernet, и проводное соединение, таким образом, заведомо никак не ограничивало измеряемую нами скорость соединения (подробности измерений см. во врезке «Как мы тестировали»). Вряд ли стоит подробно останавливаться на внешнем виде и комплектации каждого из устройств (вся подобная информация представлена на соответствующих веб-сайтах производителей). Разумеется, внешний облик - далеко не главное качество маршрутизатора, но и не такое уж незначительное, ведь для наилучшего распространения сигнала логично располагать это устрой-ство на высоком и видном месте. Наибольшее внимание здесь наверняка привлечет модель Netgear - у нее отсутствуют внешние антенны. Из наблюдений во время настройки маршрутизаторов стоит, пожалуй, упомянуть довольно полезную функцию автоматического выбора наиболее свободного частотного канала, реализованную в D-Link DIR-655. Заметим, что перед установкой может иметь смысл загрузить с сайта производителя последнюю версию драйверов - так, например, первоначально адаптер Netgear принципиально не хотел устанавливать соединения по стандарту 802.11n с маршрутизаторами других производителей, но обновление драйверов полностью решило эту проблему. Упомянем и о том, что указанные маршрутизаторы могут занимать один или два канала. При этом устройство D-Link по умолчанию настроено на работу с каналом шириной 20 МГц, а модели Netgear и Edimax - со сдвоенным. Для измерения максимальной производительности мы, разумеется, использовали режим с полосой 40 МГц, но в таком случае возможно ухудшение работы других беспроводных сетей, находящихся в непосредственной близости. Кстати, прежде чем обсуждать производительность, напомним, что до появления сетей Wi-Fi диапазон 2,4 ГГц относился к так называемым мусорным диапазонам (garbage bands) из-за большого числа помех самого разного характера, а с тех пор ситуация если и изменилась, то не в лучшую сторону. И до определенной степени именно этим можно объяснить существенные различия в скорости передачи данных от одного измерения к другому. Разумеется, чтобы уменьшить случайную ошибку измерений, мы сделали их довольно много и провели соответствующую статистическую обработку результатов. Но в любом случае можем с уверенностью утверждать, что встречающиеся время от времени рассуждения о том, что одно устройство лучше другого, потому что скорость копирования файлов у него оказалась на несколько мегабит в секунду выше, просто лишены всякого смысла без многократных измерений и необходимой обработки результатов.

Средние скорости передачи данных по протоколу TCP/IP представлены на диаграмме 1, изучив которую можно сделать следующий вывод: в среднем скорость соединения по 802.11n составляет порядка 50 Мбит/c, что примерно в 2,5 раза больше, чем скорость соединения по 802.11g. Кроме того, хотя, как и следовало ожидать, использование точки доступа и адаптера одного и того же производителя приводит к наилучшим скоростным показателям, устройства всех трех производителей демонстрируют довольно неплохую совместимость друг с другом.

Во второй серии испытаний мы измеряли скорость работы беспроводной сети вблизи сильнодействующего источника помех, в качестве которого использовалась работающая СВЧ-печь. Полученные результаты говорят сами за себя: если для стандартного 802.11g-соединения скорость падает на порядок и составляет около 2 Мбит/c, то устройства, соответствующие 802.11n, демонстрируют устойчивую работу со средней скоростью более 10 Мбит/c, т. е., как минимум в 5 раз быстрее.

Соответственно, основываясь на серии проведенных измерений, приходим к заключению: устройства 802.11n обеспечивают реальную скорость соединения по протоколу TCP/IP около 50 Мбит/c, демонстрируют существенно лучшую работу беспроводной сети в случае сильнодействующих помех, а кроме того, устройства разных производителей (во всяком случае, как минимум трех - D-Link, Netgear и Edimax) уже довольно хорошо взаимодействуют друг с другом.

Как мы тестировали

К исследуемой точке доступа по проводному Ethernet подключался компьютер на базе процессора Intel Extreme Edition 955 c 1-Гбайт ОЗУ и жестким диском WD4000КВ, работающий под управлением Windows XP SP2. С помощью беспроводного соединения к точке доступа подключался ноутбук Acer TravelMate 3300, работающий под управлением Windows XP SP2, оснащенный процессором Intel Pentium M 1,7 ГГц, ОЗУ объемом 512 Мбайт и жестким диском Hitachi TravelStar 4K120. Скорость соединения измерялась с помощью пакетa Netperf (www.netperf.org). Для оценки производительности беспроводной сети измерялась скорость передачи нисходящего потока данных (downlink) TCP/IP от стационарного компьютера к ноутбуку. Скорость нисходящего соединения при подключении компьютеров по сети Ethernet 1 Гбит/c составила порядка 350 Мбит/c. При настройке точки доступа выбирался частотный канал, наиболее удаленный от других источников сигнала и соответственно обеспечивающий максимальную пропускную способность. Для исключения возможного влияния расположения точки доступа и других случайных факторов каждое измерение проводилось 20 раз.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
✪ Режим работы Wi Fi сети (b/g/n/ac). Что это и как сменить в настройках роутера?

IEEE 802.11n - версия стандарта 802.11 для сетей Wi-Fi .

О стандарте

Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с брутто, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне - до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4 или 5,0 ГГц.

Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трёх режимах:

наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a ;
смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n;
«чистом» режиме - 802.11n (именно в этом режиме и можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n).

Черновую версию стандарта 802.11n (DRAFT 2.0) поддерживают многие современные сетевые устройства. Итоговая версия стандарта (DRAFT 11.0), которая была принята 11 сентября 2009 года, обеспечивает скорость до 300 Мбит/с, Многоканальный вход/выход, известный как MIMO , и большее покрытие.

Особенности стандарта

Реальная скорость передачи данных

Реальная скорость передачи данных всегда меньше канальной скорости. Для Wi-Fi реальная скорость передачи данных обычно отличается более чем в два раза в меньшую сторону.

Кроме того, существует еще несколько факторов, ограничивающих реальную пропускную способность:

Канал всегда делится между клиентами;
Передавая служебный трафик, точка доступа всегда подстраивается под клиента, работающего на минимальной скорости;
Наличие помех (работающие рядом точки доступа, микроволновые печи, «радио-няни», bluetooth-устройства, радиотелефоны);

Стоит отметить, что при работе в стандарте 802.11b или при обеспечении совместимого с ним режима существует всего три непересекающихся канала, то есть которые не мешают друг другу (обычно это 1-й, 6-й и 11-й). То есть, если у соседа за стеной работает точка доступа на 1-м канале, а у вас дома на 3-м, то эти точки доступа будут мешать друг другу, тем самым уменьшая скорость передачи данных.

Два частотных диапазона

По стандарту 802.11n устройства могут использовать диапазоны 2,4 или 5 ГГц, что повышает надёжность связи, уменьшая влияние радиочастотных помех. На 2008 год практически все клиенты 802.11n на основе CardBus и ExpressCard умеют работать только в диапазоне 2,4 ГГц, а поддерживают оба диапазона только некоторые из встраиваемых адаптеров.

Каналы шириной 40 MHz

В спецификации 802.11n предусмотрены стандартные каналы шириной 20 МГц, а также широкополосные 40 МГц. Это решение повышает пропускную способность. Следует отметить, что в диапазоне 2,4 ГГц можно разместить только два непересекающихся широкополосных канала.

MIMO

Стандарт 802.11n вводит важное нововведение - MIMO (англ. Multiple Input, Multiple Output - «много входов, много выходов»), с помощью которого осуществляется пространственное мультиплексирование: одновременная передача нескольких информационных потоков по одному каналу, а также использование для доставки сигнала многолучевого распространения , которое минимизирует влияние помех и потерь данных, но требует наличия нескольких антенн. Именно возможность одновременной передачи и приема данных делает пропускную способность устройств 802.11n более высокой.

На начало 2013 года большинство предлагаемых производителями точек доступа поддерживает MIMO 2×2 или 1×1, то есть SISO (однопотоковая передача). Встроенные в мобильные устройства Wi-Fi-адаптеры обычно поддерживают режим SISO.

Антенны

В устройствах IEEE 802.11n обычно используются антенные конфигурации 3×3 или 2×3 для цепей передачи и приёма информации, но возможно со временем будут поддерживаться и другие. Более простые модели реализуют схему из одной передающей и двух принимающих радиоцепей (так как абоненты обычно в основном загружают данные, а не передают). Пользователи с повышенными требованиями к скорости передачи данных смогут приобрести модели с конфигурацией антенн 4×4.

Питание через сеть Ethernet

Стандарт сетевого питания IEEE 802.3af-2003 (PoE) не обеспечивает мощности, необходимой для электроснабжения точек доступа с антенными конфигурациями 3×3 и выше. Ему на смену пришёл стандарт IEEE 802.3at-2009, предусматривающий увеличение максимальной мощности в два раза, что достаточно для питания устройств с конфигурацией антенн 4×4.

Узкие места в сети

С учётом того, что у точек доступа, поддерживающих данный стандарт, пропускная способность может превысить 100 Мбит/с, каналы Fast Ethernet вполне могут стать узким местом на пути сетевого трафика. Поэтому при разворачивании беспроводной сети желательно использовать коммутаторы Gigabit Ethernet .

Агрегация в сети

Обратная совместимость

Предусмотрено, что компоненты на базе IEEE 802.11n совместимы с устройствами стандартов 802.11b и 802.11g в диапазоне 2,4 ГГц и с устройствами 802.11a (5 ГГц). Ожидается, что в новых сетях 802.11n еще некоторое время будут работать клиенты, использующие устаревшие стандарты, поэтому при развёртывании беспроводных ЛВС следует предусмотреть их поддержку.

Форма зон Wi-Fi

При отсутствии помех распространению радиоволн зоны беспроводных ЛВС обычно имеют форму тора . Предусмотренные стандартом 802.11n технологии MIMO и пространственного мультиплексирования делает зоны менее предсказуемыми и регулярными, так как форма начинает зависеть от условий в помещении. Таким образом контрольно-измерительный инструментарий для планирования сети может потребовать модернизации.

Индекс модуляции и схемы кодирования

Альянс Wi-Fi

802.11n в России

В России этот стандарт официально сертифицирован. Оборудование стандарта 802.11n разрешено к применению на территории России в диапазонах 2400-2483.5, 5150-5350 и 5650-5725 МГц приказом Министерства связи и массовых коммуникаций России от 14 сентября 2010 г. № 124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц». Подготовкой норм применения стандарта занимался ФГУП (НИИР).

«Беспроводные сети, существующие и проектируемые, предусматривают некоторые наложения на границе своих сфер применения. Эти технологии сосуществуют, создавая много новых, захватывающих возможностей», - сказал Шон Малоней, генеральный директор группы коммуникаций компании Intel. В статье пойдет речь об особенностях стандарта IEEE 802.11n, будут приведены примеры аппаратного обеспечения, совместимого с данным стандартом беспроводной передачи данных.

Введение

В то время как технология Wi-Fi идеально подходит для развертывания беспроводной сети на небольших площадях, стандарты WiMAX и 3G предусматривают организацию доступа на больших дистанциях, обеспечивая охват от одной до шести миль, предоставляя таким образом доступ к жилым домам, к инфраструктуре населенных пунктов, транспорта и т. д. 3G - спецификация ITU для быстродействующих беспроводных коммуникаций. Этот тип беспроводной связи совместим с GSM, TDMA, и CDMA. Поколение 3G обеспечит беспроводной доступ дальнего действия для передачи голоса и данных.

3G является лучшей альтернативой для мобильных устройств, таких как PDA, КПК и сотовые телефоны. Сверхширокополосный доступ - UWB (Ultra Wide Band) - это проект беспроводной сети класса WPAN, которая может обеспечить высокую скорость передачи данных (до 400 Мбит/с) на коротких дистанциях. Среди наиболее интересных применений сверхширокополосного доступа можно отметить стандарт беспроводного USB (wUSB), который позволит вывести взаимодействие компьютерной периферии и бытовой электроники на принципиально новый уровень.

Сосуществующие одновременно технологии 3G, UWB, Wi-Fi и WiMAX будут обеспечивать обмен данными в любое время, в любом месте, где необходима возможность соединения. Тем временем, наметилась тенденция замедления внедрения оптоволоконных сетей в ожидании новых возможностей беспроводных технологий. Инженеры сосредоточивают свои усилия на разработке беспроводных устройств связи, что позволит популяризировать широкополосные беспроводные коммуникации.

Поскольку наблюдается постоянная тенденция к увеличению производительности устройств и, соответственно, пропускной способности их интерфейсов, наблюдается постоянное развитие стандарта WLAN и появляются новые поколения WLAN.

В ответ на эти тенденции при союзе IEEE была создана группа разработчиков (IEEE TGn) для выполнения разработки стандарта следующего поколения WLAN. По результатам исследования IEEE TGn ведется разработка стандарта IEEE 802.11n, скорость передачи данных в котором будет превышать 100 Мбит/с.

И, что очень важно, технология 802.11n поддерживает все прежние основные платформы, включая корпоративные производственные сети и мобильные платформы, а также бытовую электронику. Два основных положения, на которых «держится» новый стандарт - более широкая полоса пропускания и технология MIMO (Multiple Input Multiple Output, множественный вход, множественный выход) - удовлетворяют высоким требованиям производительности этого поколения сетей WLAN. В то же время, высокая производительность невозможна без реконструкции уровня управления доступом (МАС). Остановимся более подробно на эволюции этого стандарта.

Таблица 1.

Разработка стандарта IEEE 802.11n

Стандарт IEEE 802.11 (WLAN) был принят как дополнительная технология к быстродействующему стандарту IEEE 802. 3 (Ethernet) для портативных и мобильных устройств. Причина успешного применения состоит в том, что он поддерживает увеличение скорости передачи данных при относительно низких затратах. Стандарты IEEE 802.11, IEEE 802.11b и IEEE 802.11a/g обеспечивают скорости передачи данных 2 Мбит, с, 11 Мбит/с, и 54 Мбит/с соответственно.

Рабочая группа IEEE внесла некоторые изменения в 802.1, назвав новую спецификацию 802.11n. Основным требованием при разработке стандарта является получение более высокой производительности и большей скорости передачи данных. Отметим, что разные по цели стандарты IEEE 802.11b/. 11a/. 11g обеспечивают высокоскоростные уровни передачи данных по различным физическим уровням (PHY).

Стандарт IEEE 802.11n должен реализовать высокую производительность при более высоком уровне PHY и увеличении скорости работы уровня управления доступом к среде (МАС). Процесс разработки стандарта IEEE 802.11n имеет три стадии:

стадия 1 - этап подготовки (с января до сентября 2002 г.);
стадия 2 - исследование возможностей увеличения производительности (работа IEEE 802.11 HTSG с сентября 2002 г. до сентября 2003 г.);
стадия 3 - разработка стандарта IEEE 802.11n; работа целевой группы (TGn) в этом направлении началась в сентябре 2003 г. и, как ожидается, закончится в марте 2007 г.

Первое формальное совещание (стадия 1) об увеличении объема передачи данных по стандартам IEEE 802 состоялось в январе 2002 г. в Далласе, штат Техас (США). На этом совещании г-н Джонс (Mr. Jones) представил высокие требования к увеличению скорости передачи данных - более, чем 100 Мбит/с для стандарта IEEE 802.11, и описал технические аспекты реализации, как то: способы модуляции, методики кодирования, сделал обзор методов пространственного мультиплексирования (MIMO) и сообщил о необходимости удвоения полосы пропускания по сравнению со стандартом IEEE 802.11a. В Сиднее участники IEEE 802, встречаясь в мае 2002 г., доказали, что существует теоретический верхний предел производительности протокола IEEE 802.11.

В течение второй стадии проектного решения были установлены пять критериев для развития стандарта:

Широкий рыночный потенциал: то есть возможность широкого применения, многочисленные пользователи и сбалансированные затраты.
Совместимость: для совместимости требуется сохранение МАС интерфейса SAP, что касается уже существующих стандартов 802.11. Новый стандарт должен быть определен в формате и структуре, совместимой с существующими стандартами 802.11.
Отличительная идентичность: каждый стандарт IEEE 802 будет иметь набор отличий от другого стандарта IEEE 802.
Техническая выполнимость: исследования в первой и во второй стадии проекта показали техническую выполнимость стандарта. Кроме того, в настоящее время уже есть надежные WLAN-решения.
Экономическая целесообразность: экономическая целесообразность включает в себя соотношения известных факторов стоимости, формулирует требования разумной стоимости для реализации стандарта и оценивает общий уровень затрат.

Первая официальная встреча целевой группы IEEE 802.11n (TGN) (стадия 3) имела место в сентябре 2003 г. в Сингапуре. В результате стандарт IEEE 802.11n запланировали полностью издать в марте 2007. Как было выяснено, параметры IEEE 802.11n должны обеспечивать два фактора: повышение производительности уровня МАС и реконструкция PHY.

Если с реконструкцией уровня PHY все более или менее ясно (основное требование - увеличение полосы пропускания), то с уровнем МАС все не так просто. Реконструкция сообщения, то есть разумное сокращение служебных полей наряду с кодированием, называется нормализацией. Нормализуя сообщения, мы достигаем большей производительности (TUL - Throughput Upper Limit) при передаче данных. Существование TUL показывает, что при увеличении скорости передачи данных без сокращения служебной информации (другими словами без проведения нормализации) производительность весьма ощутимо ограничивается даже в тех случаях, когда скорость передачи данных бесконечно высока. Иначе говоря, сокращение служебных разрядов необходимо для стандарта IEEE 802.11с той целью, чтобы достигнуть поставленных требований высокой производительности.

Производительность - TUL - определяется следующим образом:

TUL = 8Ldata / 2Tp+Tphy+Tdifs+Tsifs+(CWmin-1) Tslot/2.

Определить различие между скоростью передачи данных и производительностью помогает нормализация данных. Например, нормализованная производительность равна 1 при 180 Мбит/с в том случае, когда размер полезной информации составляет 100 байт. Нормализованная производительность достигает 70% при 180 Мбит/с, когда размер полезной информации составляет 1500 байт (рис. 1).

Рис. 1. а) Графики зависимости MT и TUL для спецификации IEEE 802.11. б) Нормализованные накладные расходы в зависимости от скорости передачи данных и размера полезной информации

MT - максимальная производительность (maximum throughput);

LDATA - полезная информация в байтах;

Tp, Tphy - служебные разряды преамбулы заголовка физического уровня PHY;

Tslot, Tsifs, Tdifs - таймслоты: короткий (SIFS), дифференцированный (DIFS).

Другой путь для повышения скорости передачи данных стандарта IEEE 802.11 - концепция сжатия цикла МАС. Механизмы сжатия цикла (МСЦ) предоставляют множество преимуществ. Прежде всего, при передаче длинного цикла, можно достичь большей производительности, чем при передаче более короткого цикла. Используя эти механизмы, система может достигнуть большей производительности при передаче более длинных циклов. Другое, более важное преимущество - то, что эти механизмы могут уменьшить служебные разряды. Без этих механизмов передача каждого цикла нуждается в отдельном заголовке. С использованием этих механизмов, наоборот, вместо нескольких заголовков для различных циклов будет использоваться только один. Наконец, применение этих механизмов может способствовать уменьшению средней задержки. В противном случае, второй или более поздний цикл будет передан в намного более позднее время. С этими механизмами информация будет передана намного быстрее. Возникает одна проблема - в том, какой величины должна быть полная длина сжатого цикла. Одно ясно - что число сжатых циклов не должно быть большим, чем порог, при пересечении которого достоверность сообщения не может быть обеспечена. Аналогично, полная длина сжатых циклов должна быть меньше, чем другой порог, который является меньшим или равным порогу фрагментации сообщения.

Цель этих механизмов не состоит в том, чтобы строить огромные сжатые циклы, а подразумевает выбор разумного компромиссного решения. Чрезмерно большие циклы могут иметь плохую эффективность. Кроме того, сжатый цикл не резервирует механизм фрагментации. Фактически, предложенные механизмы требуют, чтобы полная длина сжатого цикла была меньше, чем порог фрагментации. Поэтому получим несжатый цикл, который был первоначально произведен предыдущим механизмом фрагментации. С другой стороны, сжатый цикл не будет фрагментирован, так как полная длина является меньшей, чем порог фрагментации.

Итак, стандарт IEEE 802.11n продолжает совершенствоваться для обеспечения повышения скорости передачи данных. Мы выделяем служебные разряды как фундаментальную проблему неэффективности уровня МАС. Простое увеличение скорости передачи данных «в лоб» однозначно не может помочь в решении проблемы. Не следует забывать, что заголовок является очень большим, если скорость передачи данных высока или размер цикла чрезмерно мал. Поэтому новые эффективные пути модернизации уровня МАС просто необходимы. Предлагается несколько вариантов совершенствования уровня МАС - уменьшать служебные разряды при помощи сжатия цикла. В результате изучения всех аспектов этой проблемы и ее перспектив был сформулирован верхний предел производительности с использованием схемы сжатия цикла. Отдельного рассмотрения заслуживает технология MIMO как базовая для последующих поколений беспроводных сетей. Использование MIMO позволяет добиться:

Высокоскоростной передачи данных, за счет увеличения числа используемых потоков данных;
Обеспечивает возможность установки соединения среди множества потоков данных;
В итоге способствует увеличению скорости передачи данных по сравнению с SISO-системой.

Технология MIMO настолько интересна и многогранна, что ее рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи.

WLAN Plus

Рынок сетей WLAN растет, управляемый бурным ростом мультимедийных возможностей современной электроники. Согласно ABI, по информации на март 2005 г., в 2008 г будут проданы приблизительно 150 млн чипсетов 802.11n WLAN. На настоящий момент в области реализации стандарта 802.11n безусловным лидером в мире является компания Metalink. Компанией разработан и производится чипсет WLAN Plus в соответствии с требованиями стандарта 802.11n (рис. 2).

Рис. 2. Чипсет WLAN Plus

Производитель позиционирует чипсет WLAN Plus как основу беспроводных устройств для таких областей применения, как:

автоматизация зданий и сооружений;
индивидуальное медицинское диагностическое оборудование;
промышленная автоматизация, управление процессами и мониторинг;
управление доступом и освещением;
персональные компьютеры и периферийное оборудование;
потребительская электроника;
IP-телефония.

Технология WLAN Plus обеспечивает высокую производительность и, благодаря своим уникальным техническим возможностям, имеет множество применений, не доступных для аппаратного обеспечения других производителей электронных компонентов. Один из возможных примеров использования чипсета 802.11n показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример использования чипсета 802.11n

Oсновные особенности WLAN Plus

WLAN Plus представляет собой законченное архитектурное решение из двух микросхем - микросхемы обеспечения доступа к физическому уровню PHY с поддержкой технологии MIMO (MtW8150) и микросхемы MAC-уровня MtW8170. Перечислим основные особенности чипсета WLAN Plus:

Поддержка технологии MIMO 2×2 или 2×3, для обеспечения высокой производительности и качества обслуживания.
Рабочий диапазон частот микросхемы PHY 4,9…5,6 ГГц при скорости передачи данных до 243 Мбит/с.
Возможность увеличение диапазона рабочих частот.
Совместимость со стандартом 802.11a и поддержка 802.11b/g.
Соддержка дополнительных схем обеспечения безопасности (WPA2, 802.11i).
Поддержка (WMM) (Wireless Multi-Media) 802.11e.
Встроенная поддержка PCI, Ethernet, и других интерфейсов.

Радиотрансивер MtW8150, структурная схема которого приведена на рис. 4, представляет собой автономную RFIC микросхему с поддержкой MIMO. Это основной элемент в решении WLAN Plus компании Metalink. Отметим, что микросхема имеет встроенный локальный генератор (LО - Local Oscillator, гетеродин), который обслуживает не только микросхему MtW8150, но и доступен для тактирования других элементов схемы. MtW8150 использует прямое преобразование частоты и нуждается во внешнем SAW-фильтре, настроенном на основную полосу частот. Радиочастотный RSSI-детектор позволяет осуществить точный автоматический контроль (AGC) устройства, так же как и достичь лучшего в этом классе устройств устранение интерференции. Для изготовления микросхемы MtW8150 используется техпроцесс на подложке из SiGe. Микросхема помещена в пластмассовый корпус TAPP (Thin Array Plastic Package) размерами всего 11Ч11 мм. Номинальное рабочее напряжение равно 3,0 В, что позволяет без проблем использовать микросхему в портативных устройствах с автономным питанием. Микросхема MtW8150 использует два полных канала RF, предназначенные для того, чтобы обеспечить соответ ствие технологии MIMO стандарта IEEE 802.11n. Кроме того, отметим, что микросхема MtW8150 реализует два приемопередатчика в составе: AGC и RSSI.

Рис. 4. Функциональная схема MtW8150

Архитектурa WLAN Plus

Ключевые особенности архитектуры чипсета (рис. 5) заключаются в следующем:

впервые в мире реализована поддержка 2×2 MIMO в одном чипе;
обеспечена совместимость стандартов IEEE 802.11n и IEEE 802.11a;
поддержка EVM модуляций до QAM 64;
лучшие в классе спектральные характеристики;
использование пространственного мультиплексирования, чтобы передать или принять два независимых потока данных по тому же самому каналу частоты;
две полных и независимых цепи RF;
каналы на 20 МГц для совместимости со стандартом IEEE 802.11a;
разделение частоты одного локального генератора LО между многочисленными цепями чипсета;
поддержка высокоразрядной MIMO (например, 4х4) с реальным функционированием;
поддержка переключения приёмной антенны;
динамическое разделение данных в каналах, чтобы отрегулировать изменяющееся SNR;
обратная связь для калибровки Tx/Rx;
быстрый и простой параллельный интерфейс;
быстрое переключение между приёмом и передачей;
простой интерфейс с baseband-контроллером;
отдельный контроль для каждой цепи RF;
независимый контроль мощности;
поддержка BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM.

Рис. 5. Архитектура WLAN Plus

С этим комплектом разработчики устройств для стандарта IEEE 802.11 могут концентрироваться на развитии их соб ственного приложения вместо того, чтобы сосредотачиваться на проблемах реализации WLAN. Это позволяет существенным образом снизить затраты проекта и обеспечить более быстрый вывод изделия на рынок.

Оценочный комплект

Оценочный комплект (рис. 6) позволяет пользователям проверить оборудование и оценить возможности технологии Metalink WLAN Plus MIMO. Оценочный комплект WLAN Plus позволяет следующие возможности:

оценку возможностей чипсета Metalink MtW8170 и MtW 8150;
разработка приложения для WLAN с учетом особенностей чипсета;
предоставление возможностей быстрого вывода изделия на рынок с минимумом затрат.

Рис. 6. Внешний вид оценочного комплекта

Комплект состоит из двух плат: платы mPCI и платы управления. Плата управления используется совместно с mPCI, чтобы обеспечить дополнительные варианты интерфейса с модулем WLAN Plus MIMO. Плата управления содержит слот mPCI, разъемы интерфейсов Ethernet и USB 2.0 для подсоединения к другим устройствам. Плата mPCI содержит чипсет Metalink WLANPlus MIMO, MtW8170, baseband-контроллер и радиотрансивер MtW8150. Поддерживаются конфигурации MIMO 2×2 и 2×3, а интерфейс mPCI позволяет подсоединять любые устройства, имеющие интерфейс mPCI.

Поддержка программного обеспечения

Оценочный комплект WLAN Plus поставляется с программным обеспечением для операционных систем Windows XP и Linux. Структура программного обеспечения чипсета WLAN Plus приведена на рис. 7. В заключение хотелось бы отметить, что архитектура ПО такова, что позволяет совершенствовать и в будущем добавлять конфигурации, которые в настоящее время не поддерживаются WLAN-системой. Указанный аспект представляется весьма актуальным с точки зрения масштабирования приложений, что особенно важно в современных условиях быстрого роста требований к электронной аппаратуре.