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

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

Требования к устройствам

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

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

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

Скорости и модуляция

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



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

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

Формирование диаграммы направленности



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

Cisco ClientLink

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

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

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

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

802.11ac explicit beamforming

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

Процесс калибровки выглядит следующим образом:

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

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

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

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

Продвинутое MIMO

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

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





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

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



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

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

Особенности доступа к среде и использования каналов

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

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

Вариации с доступными каналами в разных странах\регионах.



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


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

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


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

Улучшения, появившиеся в стандарте 802.11ac позволяют уменьшить нагрузку на сеть (возросла емкость), более оптимально использовать частоты, экономить энергию на устройствах. Необходимость перехода на новый стандарт каждый определяет сам. Если ваша корпоративная беспроводная сеть работает стабильно, скоростей 802.11a/g/n хватает, то и новый стандарт подождет (новые клиентские устройства 802.11ac будут подключаться на скоростях 802.11a/n). Если вы используете диапазон 2.4 ГГц, он загружен (много клиентов, соседние сети) и качество сервиса оставляет желать лучшего, возможно, новый стандарт (и вообще диапазон 5 Ггц) как раз для вас. По сравнению с 802.11n, точки 802.11ac (по крайней мере, первой волны) стоят, как правило, столько же. Также хотелось бы заметить, что при планировании сети, необходимо учитывать количество клиентов в сети, их скорости и пропускные способности текущего оборудования (контроллеры БЛВС, коммутаторы) для корректной работы нового стандарта.