Методы оптимизации приема/передачи в сетях Wi-Fi
Одной из ключевых технологий для развития беспроводных сетей (например, Wi-Fi) в последние годы является технология MIMO. MIMO — это множественная передача информации с нескольких передатчиков и её получение, а также обработка на нескольких приемниках. Основные задачи MIMO – повысить пропускную способность беспроводного канала и качество связи.
Главным методом увеличения пропускной способности в системах MIMO является мультиплексирование, то есть параллельная передача нескольких потоков информации с разных антенн (о нем ниже). Частными случаями MIMO являются системы передачи, где на приемнике или передатчике используется одна антенна. Называются такие системы Multiple-input single-output (MISO) и Single-input multiple-output (SIMO). В них нельзя организовать параллельную передачу нескольких потоков информации, однако можно использовать дополнительные антенны для повышения качества приёма или передачи сигнала. В описании точек доступа различных вендоров мы можем узнать сколько передающих и приемных антенн есть на устройстве, сколько пространственных потоков MIMO оно поддерживает. Например, это может быть значение 3×4:3, что означает 3 передатчика, 4 приемника и 3 пространственных потока. Кроме этих параметров можно встретить такие аббревиатуры или обозначения, как MRC, STBC, CSD, 802.11ac Tx BF и пр. Все эти технологии также направлены на улучшение качества сигнала. Итак, давайте попробуем разобраться какие варианты ухищрений используют современные точки доступа, чтобы ваш девайс получил хороший сигнал. Стоит отметить, что на Хабре уже есть статьи с довольно подробным описанием работы указанных технологий — MIMO, OFDM, STBC и MRC. В данном материале хотели бы сделать общий обзор по технологиям повышения качества связи, наглядно отобразить, как работает та или иная функция и какой прирост она дает. Рассмотрена работа с точки зрения 802.11 Wi-Fi, хотя, разумеется, указанные методы используются и в других беспроводных стандартах (LTE, 802.16 WiMAX).
Пространственное мультиплексирование (MIMO SDM)
Ключевым преимуществом MIMO является возможность передавать несколько независимых информационных потоков с разных антенн на одном канале. Это позволяет кардинально увеличить пропускную способность беспроводного канала. Технология называется пространственное мультиплексирование, или SDM (Spatial Division Multiplexing). Основным условием для работы MIMO SDM является многолучевое распространение сигнала. Если мы отправим данные с двух антенн, при прямой видимости сигнал придет к получателю одновременно, и мы получим их наложение (интерференцию). А значит сделаем только хуже. Но если при прохождении сигнал отражается, преломляется и т.п., получатель может распознать (скоррелировать) пришедший сигнал для разных потоков. Затем, получатель вычисляет текущее состояние каналов передачи (потоков) для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки (по служебным заголовкам). И далее с помощью математических преобразований, восстанавливает исходные потоки. В случае MIMO отправитель не знает о состоянии канала, то есть он никак не оптимизирует сигнал при передаче. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, поддерживаемое двумя сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, точка доступа тоже будет передавать единственный поток.
Стоит отметить, что при передаче нескольких потоков (да и вообще при одновременной передаче с нескольких антенн) общая излучаемая мощность делится на количество передающих антенн. Например, если мы передаём сигнал одновременно с двух антенн, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, в данном случае мы передаем информацию по двум или более каналам одновременно.Также, за счет совместного использования SDM и множественной передачи (об этом ниже) можно увеличить значение SNR (отношение сигнал-шум) на приемнике.
Технология MU MIMO (Multiuser-MIMO)
Системы MIMO продолжают развиваться и в стандарте 802.11ac (wave2) реализована множественная одновременная передача в режиме MIMO нескольким клиентами (Multiuser-MIMO). То есть, если есть два клиента, поддерживающие один и два потока, система MU-MIMO будет передавать им сигнал одновременно. Как мы помним, до появления технологии MU- MIMO в один момент времени передачу данных могла осуществлять только одна система. Работает технология только в направлении от точки доступа к клиенту (DownLink). Текущие точки доступа позволяют работать с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков (суммарно). Технология MU-MIMO требует поддержки и на точке доступа и на клиентском устройстве. Также она требует дополнительных вычислений на точке доступа и накладывает определенные условия при использовании. Например, её работа невозможна без предварительной калибровки и адаптивной передачи (Explicit Transmit Beamforming), о которой будет рассказано ниже.
Развитие механизмов множественной передачи\приема разумеется привело к увеличению количества антенн на 802.11n-устройствах. Сегодня для точек доступа корпоративного уровня (802.11n/ac) уже стало стандартом наличие 3-4 антенн. При этом, количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На самом деле, много ли клиентов поддерживающих, например, 3 потока? Конечно, не много. Если это смартфон, то чаще поддерживается только один пространственный поток. Это дает точке доступа использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны.
Оптимальное весовое сложение (MRC)
MRC позволяет улучшить значение SNR для входящего сигнала (от клиента к точке доступа). Если на точке доступа есть дополнительный свободный приемник(и), она складывает полученный на этом приемнике сигнал с остальными. Так как на приемнике уже есть информация о текущем состоянии канала передачи (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы (на каждой из приемных антенн), провести их выравнивание и оптимальное сложение, получив лучшее соотношение сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что MRC в некоторых случаях позволяет существенно увеличить значение SNR, а значит увеличить и скорость передачи, дальность действия ТД. MRC работает только на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента. Технология может использоваться совместно с другими – CSD, SDM, STBC.
Разнесенная передача (CSD/SE)
Технология Cyclic Shift Diversity (CSD) позволяет передать копии одного сигнала с дополнительных свободных антенн. Делается это поочередно c небольшим интервалом (200 нс). Если передать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (мощность делится), получить выигрыш на приеме не удастся. Если же передать сигнал независимо (на максимальной мощности) с небольшим интервалом с каждой из антенн, можно получить разнесение сигнала на приеме, а значит улучшить сигнал. Приемник в свою очередь по определенному критерию выбирает лучший сигнал. Метод разнесенной передачи довольно старый и не очень удобен для распознавания на приемнике (требует вычислительной мощности, плохо масштабируется). Однако, он поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих поколений – 802.11a/g. В современных стандартах (802.11n и далее) используется механизм STBC либо адаптивная передача (Beamforming).
Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)
STBC позволяет передавать разные сигналы одновременно с нескольких антенн за несколько тактовых интервалов. Для передачи используется схема Аламоути. Для простейшего случая 2х1, эта схема позволяет за два интервала времени передать два сигнала два раза. На двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала. Таким образом, мы получаем разнесение сигналов по времени и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. С точки зрения приема, метод STBC является достаточно удобным, т.к. не требует большой вычислительной мощности. Как можно догадаться, STBC не работает одновременно с CSD. В противовес MRC, который мы рассмотрели ранее, STBC позволяет нам улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически, поддерживается работа в режимах более высоких порядков или для нескольких потоков (например, в режиме 2х1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). STBC может использоваться одновременно с MIMO SDM.
Влияние на производительность
Итак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотрим графики*. На первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1×1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – Packet Error Rate) он на ~4 dB лучше SE. MRC** дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.
*взято из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac
На самом деле, при сравнении систем 2:1 и 1:2 для STBC и MRC соответственно при одинаковой мощности с двух сторон STBC априори будет давать меньший результат. Связано это с тем, что при передаче сигнала с двух антенн мощность делиться на два (-3 dB). При приеме же точка доступа получает сигнал, отправленный на полной мощности. То есть разница между STBC и MRC в режиме 2 приемника или передатчика составляет не менее 3 dB.
Адаптивная передача (802.11ac Explicit Beamforming)
Все методы, которые мы рассматривали до этого основывались на обработке сигнала на приемной стороне. То есть при передаче информации именно приемник составлял матрицу канала связи для входящего сигнала с каждого из передатчиков. Передающая же сторона не подстраивала сигнал на антеннах между собой, то есть отправляла сигнал “вслепую”. При адаптивной передаче основной акцент делается на определении состояния канала на передатчике, чтобы отправить сигнал с оптимальными фазово-амплитудными характеристиками. Другими словами, отправить сигнал с нескольких антенн таким образом, чтобы на приёмной стороне получить наилучшее качество. Сделать это можно разными способами (без ответа от получателя, калибровка с получателем). В стандарте 802.11ac был реализован подход с получением калибровочной информации от приемника. То есть приемник сообщает, как он слышит сигнал с каждой антенны точки доступа. После этого, на основе предположения что канал в обе стороны симметричен, формируется матрица передачи с коэффициентами для конкретного приемника. Кроме того, использование адаптивной передачи позволяет распределять мощность между различными потоками (например, увеличить мощность для потоков лучшим SNR) На графике видно, что в сравнении с методами разнесенной передачи рассмотренными ранее режим адаптивной передачи позволяет получить наибольший прирост в скорости при передаче информации клиенту.
Мы рассмотрели различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, а также показали какой прирост они могут дать. В реальных условиях будет наблюдаться более комплексная картина. Добавляются дополнительные факторы, влияющие на работу беспроводной сети (расстояние до клиента, количество клиентов, нагрузка на канал, поддерживаемые клиентом методы передачи и др.). Точка доступа на основе встроенных алгоритмов решает какие методы передачи использовать в тот или иной момент времени.
- Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac, 2013
- М. Бакулин , В. Крейнделин , Л. Варукина Технология MIMO. Принципы и алгоритмы, 2014