Что значит wi fi 802.11 n. Все существующие стандарты Wi-Fi-сетей. Поддержка потоковых данных

О новом стандарте беспроводной связи IEEE 802.11n говорят уже не первый год. Оно и понятно, ведь один из главных недостатков существующих стандартов беспроводной связи IEEE 802.11a/b/g - слишком низкая скорость передачи данных. Действительно, теоретическая пропускная способность протоколов IEEE 802.11a/g составляет всего 54 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных не превышает 25 Мбит/с. Новый же стандарт беспроводной связи IEEE 802.11n должен обеспечить скорость передачи до 300 Мбит/с, что на фоне 54 Мбит/с выглядит весьма заманчиво. Конечно же, реальная скорость передачи данных в стандарте IEEE 802.11n, как показывают результаты тестирования, не превышает 100 Мбит/с, однако даже в этом случае реальная скорость передачи данных оказывается вчетверо выше, чем в стандарте IEEE 802.11g. Стандарт IEEE 802.11n еще окончательно не принят (это должно произойти до конца 2007 года), однако уже сейчас практически все производители беспроводного оборудования приступили к выпуску устройств, совместимых с предварительной (Draft) версией стандарта IEEE 802.11n.
В настоящей статье мы рассмотрим базовые положения нового стандарта IEEE 802.11n и основные его отличия от стандартов 802.11a/b/g.

О стандартах беспроводной связи 802.11a/b/g мы уже достаточно подробно рассказывали на страницах нашего журнала. Поэтому в данной статье мы не будем во всех деталях описывать их, однако, чтобы основные отличия нового стандарта от его предшественников были очевидны, придется сделать дайджест ранее опубликованных статей по этой теме.

Рассматривая историю стандартов беспроводной связи, используемых для создания беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network, WLAN), наверное, стоит вспомнить о стандарте IEEE 802.11, который хотя уже и не встречается в чистом виде, но является прародителем всех остальных стандартов беспроводной связи для сетей WLAN.

Стандарт IEEE 802.11

В стандарте 802.11 предусмотрено использование частотного диапазона от 2400 до 2483,5 МГц, то есть диапазона шириной 83,5 МГц, разбитого на несколько частотных подканалов.

В основе стандарта 802.11 лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS), которая подразумевает, что первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информационный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире, чем спектр первоначального сигнала. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала - энергия сигнала также «размазывается» по спектру.

В протоколе 802.11 применяется технология уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Суть ее заключается в том, что для уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в каждый передаваемый информационный бит встраивается чиповая последовательность, которая представляет собой последовательность прямоугольных импульсов. Если длительность одного чипового импульса в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.

Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательностями), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.

Как уширить спектр сигнала и сделать его неотличимым от естественного шума - понятно. Для этого, в принципе, можно воспользоваться произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Однако возникает вопрос, как такой сигнал принимать. Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так-то просто, если вообще возможно. Тем не менее сделать это можно, но для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под автокорреляцией в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал можно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал опять становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника.

Чиповых последовательностей, отвечающих указанным требованиям автокорреляции, существует достаточно много, но для нас особый интерес представляют так называемые коды Баркера, поскольку именно они используются в протоколе 802.11. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. В протоколах семейства 802.11 используется код Баркера длиной в 11 чипов.

Для того чтобы передать сигнал, информационная последовательность бит в приемнике складывается по модулю 2 (mod 2) c 11-чиповым кодом Баркера с использованием логического элемента XOR (исключающее ИЛИ). Таким образом, логическая единица передается прямой последовательностью Баркера, а логический нуль - инверсной последовательностью.

В стандарте 802.11 предусмотрено два скоростных режима - 1 и 2 Мбит/с.

При информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составляет 11x106 чипов в секунду, а ширина спектра такого сигнала - 22 МГц.

Учитывая, что ширина частотного диапазона равна 83,5 МГц, получаем, что всего в данном частотном диапазоне можно уместить три неперекрывающихся частотных канала. Весь частотный диапазон, однако, принято делить на 11 частотных перекрывающихся каналов по 22 МГц, отстоящих друг от друга на 5 МГц. К примеру, первый канал занимает частотный диапазон от 2400 до 2423 МГц и центрирован относительно частоты 2412 МГц. Второй канал центрирован относительно частоты 2417 МГц, а последний, 11-й канал - относительно частоты 2462 МГц. При таком рассмотрении 1, 6 и 11-й каналы не перекрываются друг с другом и имеют 3-мегагерцевый зазор друг относительно друга. Именно эти три канала могут применяться независимо друг от друга.

Для модуляции синусоидального несущего сигнала при информационной скорости 1 Мбит/с используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).

При этом кодирование информации происходит за счет сдвига фазы синусоидального сигнала по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Двоичная фазовая модуляция предусматривает два возможных значения сдвига фазы - 0 и p. Тогда логический нуль может передаваться синфазным сигналом (сдвиг по фазе равен 0), а единица - сигналом, который сдвинут по фазе на p.

Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость в 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется та же технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key).

В заключение рассмотрения физического уровня протокола 802.11 отметим, что при информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11x106 чипов в секунду, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала.

Стандарт IEEE 802.11b

На смену стандарту IEEE 802.11 пришел стандарт IEEE 802.11b, который был принят в июле 1999 года. Данный стандарт является своего рода расширением базового протокола 802.11 и, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, предусматривает скорости 5,5 и 11 Мбит/с, для работы на которых используются так называемые комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK).

Комплементарные коды, или CCK-последовательности, обладают тем свойством, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю, поэтому они, как и коды Баркера, могут использоваться для распознавания сигнала на фоне шума.

Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера заключается в том, что существует не строго заданная последовательность, посредством которой можно кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей. Это обстоятельство позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько информационных бит и тем самым повышает информационную скорость передачи.

В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных 8-чиповых последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов, принимающих значения {1, –1, +j, –j }.

Комплексное представление сигнала - это удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала. Так, значение последовательности равное 1 соответствует сигналу, синфазному к сигналу генератора, а значение последовательности равное –1 - противофазному сигналу; значение последовательности равное j - сигналу, сдвинутому по фазе на p/2, а значение равное –j , - сигналу, сдвинутому по фазе на –p/2.

Каждый элемент CCK-последовательности представляет собой комплексное число, значение которого определяется по довольно сложному алгоритму. Всего существует 64 набора возможных CCK-последовательностей, причем выбор каждой из них определяется последовательностью входных бит. Для однозначного выбора одной CCK-последовательности требуется знать шесть входных бит. Таким образом, в протоколе IEEE 802.11b при кодировании каждого символа используется одна из 64 возможных восьмиразрядных CKK-последовательностей.

При скорости 5,5 Мбит/с в одном символе одновременно кодируется 4, а при скорости 11 Мбит/с - 8 битов данных. При этом в обоих случаях символьная скорость передачи составляет 1,385x106 символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385), а учитывая, что каждый символ задается 8-чиповой последовательностью, получаем, что в обоих случаях скорость следования отдельных чипов составляет 11x106 чипов в секунду. Соответственно ширина спектра сигнала при скорости как 11, так и 5,5 Мбит/с составляет 22 МГц.

Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то будет составлять уже 2/3.

Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний (K = 7).

Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

В технологии PBCC используются сверточные кодеры на семь состояний (K = 7) со скоростью r = 1/2.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби.

Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно он подвергается фазовой модуляции. Причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная фазовая модуляция.

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе 802.11g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов 802.11b и 802.11g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом 802.11b, поддерживаются и в протоколе 802.11g. В этом плане до скорости 11 Мбит/с протоколы 802.11b и 802.11g совпадают друг с другом, за исключением того, что в протоколе 802.11g предусмотрены такие скорости, которых нет в протоколе 802.11b.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже три бита. Кроме того, в схему, за исключением сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных. Для этого можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.

Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных бит. Тогда каждым четырем входящим бит будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.

Как уже отмечалось, технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM - обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде.

Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но разные пути распространения отличаются друг от друга по длине, а потому ослабление сигнала будет для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, отмечают два крайних случая. В первом из них максимальная задержка между сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором - максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

По этой причине при высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть его заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время - достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n -каналов сигнал из временно го представления в частотное.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) - циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа.

Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

Говоря о технологии частотного ортогонального разделения каналов OFDM, применяемой на различных скоростях в протоколе 802.11g, мы до сих пор не касались вопроса о методе модуляции несущего сигнала.

В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции - два информационных бита. Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g применяется модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая - 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Кроме применения CCK-, OFDM- и PBCC-кодирований, в стандарте IEEE 802.11g опционально предусмотрены также различные варианты гибридного кодирования.

Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок (преамбулу) со служебной информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. Гибридное кодирование подразумевает, что для заголовка кадра и полей данных могут использоваться различные технологии кодирования. К примеру, при применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с использованием многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Однако это не единственная гибридная технология - при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передается с помощью CCK-кодов, а данные кадра кодируются с применением PBCC.

Стандарт IEEE 802.11а

Рассмотренные выше стандарты IEEE 802.11b и IEEE 802.11g относятся к частотному диапазону 2,4 ГГц (от 2,4 до 2,4835 ГГц), а стандарт IEEE 802.11a, принятый в 1999 году, предполагает использование уже более высокочастотного диапазона (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). В США данный диапазон называют диапазоном нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII).

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) - 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) - 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала - в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рис. 1). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рис. 1. Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Стандарт IEEE 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные - для передачи служебной информации (Pilot Тones).

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE 802.11а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором - уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции и числом поднесущих. Поскольку для передачи данных применяются 48 поднесущих, емкость OFDM-символа составляет 48 x Nb, где Nb - двоичный логарифм от числа позиций модуляции, или, проще говоря, количество бит, которые кодируются в одном символе в одном подканале. Соответственно емкость OFDM-символа составляет от 48 до 288 бит.

Последовательность обработки входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом. Первоначально входной поток данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4.

Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной.

Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с. При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с.

Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (табл. 1).

Таблица 1. Соотношение между скоростями передачи
и типом модуляции в стандарте 802.11a

После сверточного кодирования поток бит подвергается операции перемежения, или интерливинга. Суть ее заключается в изменении порядка следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу бит в OFDM-символе (NCBPS). Далее по определенному алгоритму производится двухэтапная перестановка бит в каждом блоке. На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как записывались, но из транспонированной матрицы). В результате такой операции первоначально соседние биты будут передаваться на несмежных поднесущих.

Затем следует этап второй перестановки битов, цель которого заключается в том, чтобы соседние биты не оказались одновременно в младших разрядах групп, определяющих модуляционный символ в сигнальном созвездии. То есть после второго этапа перестановки соседние биты оказываются попеременно в старших и младших разрядах групп. Делается это с целью улучшения помехоустойчивости передаваемого сигнала.

После перемежения последовательность бит разбивается на группы по числу позиций выбранного типа модуляции и формируются OFDM-символы.

Сформированные OFDM-символы подвергаются быстрому преобразованию Фурье, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы, которые затем подвергаются стандартной обработке - модуляции.

Стандарт IEEE 802.11n

Разработка стандарта IEEE 802.11n официально началась 11 сентября 2002 года, то есть еще за год до окончательного принятия стандарта IEEE 802.11g. Во второй половине 2003 года была создана целевая группа (Task Group) IEEE 802.11n (802.11 TGn), в задачу которой входила разработка нового стандарта беспроводной связи на скорости свыше 100 Мбит/с. Этой же задачей занималась и другая целевая группа - 802.15.3a. К 2005 году процессы выработки единого решения в каждой из групп зашли в тупик. В группе 802.15.3а наблюдалось противостояние компании Motorola и всех остальных членов группы, а члены группы IEEE 802.11n разбились на два примерно одинаковых лагеря: WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency) и TGn Sync. Группу WWiSE возглавляла компания Aigro Networks, а группу TGn Sync - компания Intel. В каждой из групп долгое время ни один из альтернативных вариантов не мог набрать необходимые для его утверждения 75% голосов.

После почти трех лет безуспешного противостояния и попыток выработать компромиссное решение, которое устраивало бы всех, участники группы 802.15.3а практически единогласно проголосовали за ликвидацию проекта 802.15.3а. Члены проекта IEEE 802.11n оказались более гибкими - им удалось договориться и создать объединенное предложение, которое устраивало бы всех. В результате 19 января 2006 года на очередной конференции, проходившей в Коне на Гавайях, была одобрена предварительная (draft) спецификация стандарта IEEE 802.11n. Из 188 членов рабочей группы 184 выступили за принятие стандарта, а четверо воздержались. Основные положения одобренного документа лягут в основу окончательной спецификации нового стандарта.

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Теоретически MIMO-система с n передающими и n принимающими антеннами способна обеспечить пиковую пропускную способность в n раз бoльшую, чем системы SISO. Это достигается за счет того, что передатчик разбивает поток данных на независимые последовательности бит и пересылает их одновременно, используя массив антенн. Такая техника передачи называется пространственным мультиплексированием. Отметим, что все антенны передают данные независимо друг от друга в одном и том же частотном диапазоне.

Рассмотрим, к примеру, MIMO-систему, состоящую из n передающих и m принимающих антенн (рис. 2).

Рис. 2. Принцип реализации технологии MIMO

Передатчик в такой системе посылает n независимых сигналов, применяя n антенн. На приемной стороне каждая из m антенн получает сигналы, которые являются суперпозицией n сигналов от всех передающих антенн. Таким образом, сигнал R1 , принимаемый первой антенной, можно представить в виде:

Записывая подобные уравнения для каждой приемной антенны, получим следующую систему:

Или, переписав данное выражение в матричном виде:

где [H ] - матрица переноса, описывающая MIMO-канал связи.

Для того чтобы на приемной стороне декодер мог правильно восстановить все сигналы, он должен прежде всего определить коэффициенты h ij , характеризующие каждый из m x n каналов передачи. Для определения коэффициентов h ij в технологии MIMO используется преамбула пакета.

Определив коэффициенты матрицы переноса, можно легко восстановить переданный сигнал:

где [H ]–1 - матрица, обратная матрице переноса [H ].

Важно отметить, что в технологии MIMO применение нескольких передающих и принимающих антенн позволяет повысить пропускную способность канала связи за счет реализации нескольких пространственно разнесенных подканалов, при этом данные передаются в одном и том же частотном диапазоне.

Технология MIMO никак не затрагивает метод кодирования данных и в принципе может использоваться в сочетании с любыми методами физического и логического кодирования данных.

Впервые технология MIMO была описана в стандарте IEEE 802.16. Этот стандарт допускает применение технологии MISO, то есть нескольких передающих антенн и одной принимающей. В стандарте IEEE 802.11n допускается использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного адаптера. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенн у точки доступа и одной антенны и беспроводного адаптера.

В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Однако применение 40-мегагерцевых каналов является опциональной возможностью стандарта, поскольку использование таких каналов может противоречить законодательству некоторых стран.

В стандарте 802.11n предусмотрено два режима передачи: стандартный режим передачи (L) и режим с высокой пропускной способностью (High Throughput, HT). В традиционных режимах передачи используются 52 частотных OFDM-подканала (поднесущих частот), из которых 48 задействуется для передачи данных, а остальные - для передачи служебной информации.

В режимах с повышенной пропускной способностью при ширине канала в 20 МГц применяются 56 частотных подканалов, из которых 52 задействуются для передачи данных, а четыре канала являются пилотными. Таким образом, даже при использовании канала шириной 20 МГц увеличение частотных подканалов с 48 до 52 позволяет повысить скорость передачи на 8%.

При применении канала удвоенной ширины, то есть канала шириной 40 МГц, в стандартном режиме передачи вещание фактически ведется на сдвоенном канале. Соответственно количество поднесущих частот увеличивается вдвое (104 подканала, из которых 96 являются информационными). Благодаря этому скорость передачи увеличивается на 100%.

При использовании 40-мегагерцевого канала и режима с высокой пропускной способностью применяются 114 частотных подканалов, из которых 108 подканалов - информационные, а шесть - пилотные. Соответственно это позволяет увеличить скорость передачи уже на 125%.

Таблица 2. Соотношение между скоростями передачи, типом модуляции
и скоростью сверточного кодирования в стандарте 802.11n
(канал шириной 20 МГц, HT-режим (52 частотных подканала))

Еще два обстоятельства, благодаря которым в стандарте IEEE 802.11n увеличивается скорость передачи, - это сокращение длительности охранного интервала GI в OGDM-символах с 0,8 до 0,4 мкс и повышение скорости сверточного кодирования. Напомним, что в протоколе IEEE 802.11a максимальная скорость сверточного кодирования составляет 3/4, то есть к каждым трем входным битам добавляется еще один. В протоколе IEEE 802.11n максимальная скорость сверточного кодирования равна 5/6, то есть каждые пять входных бит в сверточном кодере превращаются в шесть выходных. Соотношение между скоростями передачи, типом модуляции и скоростью сверточного кодирования для стандартного канала шириной 20 МГц приведены в табл. 2.

Существует несколько разновидностей WLAN-сетей, которые различаются схемой организации сигнала, скоростями передачи данных, радиусом охвата сети, а также характеристиками радиопередатчиков и приемных устройств. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac и другие.

Первыми в 1999 г. были утверждены спецификации 802.11a и 802.11b, тем не менее наибольшее распространение получили устройства, выполненные по стандарту 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11b

Стандарт 802.11b основан на методе широкополосной модуляции с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Весь рабочий диапазон делится на 14 каналов, разнесенных на 25 МГц для исключения взаимных помех. Данные передаются по одному из этих каналов без переключения на другие. Возможно одновременное использование всего 3 каналов. Скорость передачи данных может автоматически меняться в зависимости от уровня помех и расстояния между передатчиком и приемником.

Стандарт IEEE 802.11b реализует максимальную теоретическую скорость передачи 11 Мбит/с, что сравнимо с кабельной сетью 10 BaseT Ethernet. Следует учитывать, что такая скорость возможна при передаче данных одним WLAN-устройством. Если в среде одновременно функционирует большее число абонентских станций, то полоса пропускания распределяется между всеми и скорость передачи данных на одного пользователя падает.

Стандарт Wi-Fi 802.11a

Стандарт 802.11a был принят в 1999 году, тем не менее нашел свое применение только с 2001 года. Данный стандарт используется, в основном, в США и Японии. В России и в Европе он не получил широкого распространения.

В стандарте 802.11a применяется схема модуляции сигнала - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Основной поток данных разделяется на несколько параллельных субпотоков с относительно низкой скоростью передачи, и затем для их модуляции применяется соответствующее число несущих. Стандартом определены три обязательные скорости передачи данных (6, 12 и 24 Мбит/с) и пять дополнительных (9, 18, 24, 48 и 54 Мбит/с). Также имеется возможность одновременного использования двух каналов, что повышает скорость передачи данных в 2 раза.

Стандарт Wi-Fi 802.11g

Стандарт 802.11g окончательно был утверждён в июне 2003г. Он является дальнейшим усовершенствованием спецификации IEEE 802.11b и реализует передачу данных в том же частотном диапазоне. Главным преимуществом этого стандарта является повышенная пропускная способность - скорость передачи данных в радиоканале достигает 54 Мбит/с по сравнению с 11 Мбит/с у 802.11b. Как и IEEE 802.11b, новая спецификация функционирует в диапазоне 2,4 ГГц, однако для повышения скорости используется та же схема модуляции сигнала, что и в 802.11a - ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

Стандарт 802.11g совместим с 802.11b. Так адаптеры 802.11b могут работать в сетях 802.11g (но при этом не быстрее 11 Мбит/с), а адаптеры 802.11g могут снижать скорость передачи данных до 11 Мбит/с для работы в старых сетях 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11n

Стандарт 802.11 n был ратифицирован 11 сентября 2009. Он увеличивает скорость передачи данных практически в 4 раза 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. Максимальная теоретическая скорость передачи данных составляет 600 Мбит/с, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне – до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n функционируют в частотных диапазонах 2,4 – 2,5 или 5,0 ГГц.

В основе стандарта IEEE 802.11n лежит технология OFDM-MIMO. Большинство функционала позаимствовано из стандарта 802.11a, тем не менее в стандарте IEEE 802.11n имеется возможность применения как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. Таким образом, устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут функционировать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается за счет: удвоения ширины канала с 20 до 40 МГц, а также вследствие реализации технологии MIMO.

Стандарт Wi-Fi 802.11ac

Стандарт 802.11ас представляет собой дальнейшее развитие технологий, введенных в стандарт 802.11n. В спецификациях устройства стандарта 802.11ас отнесены к классу VHT (Very High Throughput) – с очень высокой пропускной способностью. Сети стандарта 802.11ас работают исключительно в диапазоне 5 ГГц. Полоса радиоканала может составлять 20, 40, 80 и 160 МГц. Возможно также объединение двух радиоканалов 80 + 80 МГц.

Сравнение 802.11n и 802.11ac

Источники:

1. А.Н. Степутин, А.Д. Николаев. Мобильная связь на пути к 6G . В 2 Т. – 2-е изд. - Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. – 804с. : ил.

2. А.Е. Рыжков, В. А. Лаврухин Гетерогенные сети радиодоступа: учебное пособие. - СПб. : СПбГУТ, 2017. – 92 с.

Протокол Wireless Fidelity был разработан, страшно подумать, в 1996 году. Первое время он обеспечивал пользователя минимальной скоростью передачи данных. Но спустя примерно каждые три года внедрялись новые стандарты Wi-Fi. Они увеличивали скорость приема и передачи данных, а также слегка увеличивали ширину покрытия. Каждая новая версия протокола обозначается одной или двумя латинскими буквами, следующими после цифр 802.11 . Некоторые стандарты Wi-Fi являются узкоспециализированными - они никогда в смартфонах не использовались. Мы же поговорим только о тех версиях протокола передачи данных, о которых необходимо знать рядовому пользователю.

Самый первый стандарт не имел никакого буквенного обозначения. Он появился на свет в 1996 году и использовался в течение примерно трех лет. Данные по воздуху при применении этого протокола скачивались со скоростью 1 Мбит/с. По современным меркам это чрезвычайно мало. Но давайте вспомним, что о выходе в «большой» интернет с портативных устройств тогда и речи не было. В те годы ещё даже WAP толком не был развит, интернет-странички в котором редко весили более 20 Кб.

В целом, преимущества новой технологии тогда никто не оценил. Стандарт использовался в строго специфических целях - для отладки оборудования, удаленной настройки компьютера и прочих премудростей. Рядовые пользователи в те времена о сотовом телефоне могли только мечтать, а слова «беспроводная передача данных» стали понятны им только спустя несколько лет.

Однако низкая популярность не помешала протоколу развиваться. Постепенно начали появляться девайсы, повышающие мощность модуля передачи данных. Скорость при той же версии Wi-Fi возросла вдвое - до 2 Мбит/с. Но было понятно, что это предел. Поэтому Wi-Fi Alliance (объединение из нескольких крупных компаний, созданное в 1999 году) пришлось разрабатывать новый стандарт, который обеспечивал бы более высокую пропускную способность.

Wi-Fi 802.11a

Первым творением Wi-Fi Alliance стал протокол 802.11a, который тоже не стал сколь-либо популярным. Его отличие заключалось в том, что техника могла использовать частоту 5 ГГц. В результате скорость передачи данных выросла до 54 Мбит/с. Проблема же заключалась в том, что с использовавшейся ранее частотой 2,4 ГГц этот стандарт был несовместим. В результате производителям приходилось устанавливать двойной приемопередатчик, чтобы обеспечить работу в сетях на обеих частотах. Нужно ли говорить, что это совершенно не компактное решение?

В смартфонах и мобильных телефонах данная версия протокола практически не применялась. Объясняется это тем, что спустя примерно год вышло гораздо более удобное и популярное решение.

Wi-Fi 802.11b

При проектировании этого протокола создатели вернулись к частоте 2,4 ГГц, обладающей неоспоримым достоинством - широкой зоной покрытия. Инженерам удалось добиться того, что гаджеты научились передавать данные на скорости от 5,5 до 11 Мбит/с. Поддержку данного стандарта тут же начали получать все маршрутизаторы. Постепенно начал появляться такой Wi-Fi и в популярных портативных устройствах. Например, его поддержкой мог похвастать смартфон E65. Что немаловажно, Wi-Fi Alliance обеспечил совместимость с самой первой версией стандарта, благодаря чему переходный период прошел совершенно незаметно.

Вплоть до конца первого десятилетия 2000-х годов многочисленной техникой использовался именно протокол 802.11b. Предоставляемых им скоростей хватало и смартфонам, и портативным игровым консолям, и ноутбукам. Поддерживают этот протокол и практически все современные смартфоны. Это значит, что если у вас в комнате расположен очень старый роутер, который не может передавать сигнал по более современным версиям протокола, смартфон сеть всё же распознает. Хотя быстротой передачи данных вы точно будете недовольны, так как сейчас мы используем совсем другие стандарты скорости.

Wi-Fi 802.11g

Как вам уже стало понятно, эта версия протокола обратно совместима с предыдущими. Объясняется это тем, что рабочая частота не изменилась. При этом инженерам удалось повысить скорость приема и отправки данных до 54 Мбит/с. Релиз стандарта произошел в 2003 году. Некоторое время такая скорость казалась даже избыточной, поэтому многие производители мобильников и смартфонов медлили с его внедрением. Зачем нужна столь быстрая передача данных, если объем встроенной памяти у портативных устройств частенько ограничивался 50-100 Мб, а полноценные интернет-страницы на маленьком экране попросту не отображались? И всё же постепенно протокол завоевал популярность, в основном за счет ноутбуков.

Wi-Fi 802.11n

Самое масштабное обновление стандарта случилось в 2009 году. На свет появился протокол Wi-Fi 802.11n. В тот момент смартфоны уже научились качественно отображать тяжелый веб-контент, поэтому новый стандарт пришелся очень кстати. Его отличия от предшественников заключались в увеличившейся скорости и теоретической поддержке частоты 5 ГГц (при этом 2,4 ГГц тоже никуда не делись). Впервые в протокол была внедрена поддержка технологии MIMO . Она заключается в поддержке приема и передачи данных одновременно по нескольким каналам (в данном случае - по двум). Это позволяло в теории добиться скорости на уровне 600 Мбит/с. На практике же она редко превышала 150 Мбит/с. Сказывалось наличие помех на пути сигнала от маршрутизатора к принимающему устройству, да и многие роутеры для экономии лишались поддержки MIMO. Равно как бюджетные устройства всё же не получали возможность работы в частоте 5 ГГц. Их создатели объясняли тем, что частота 2,4 ГГц в тот момент ещё не была сильно нагружена, в связи с чем покупатели роутера толком ничего не теряли.

Стандарт Wi-Fi 802.11n до сих пор активно эксплуатируется. Хотя многие пользователи уже отметили ряд его недостатков. Во-первых, из-за частоты 2,4 ГГц им не поддерживается объединение более двух каналов, из-за чего теоретический предел скорости никогда не достигается. Во-вторых, в гостиницах, торговых центрах и прочих людных местах каналы начинают наслаиваться друг на друга, что вызывает помехи - интернет-страницы и контент грузятся очень медленно. Все эти проблемы решил релиз следующего стандарта.

Wi-Fi 802.11ac

На момент написания статьи самый новый и самый быстрый протокол. Если предыдущие виды Wi-Fi работали в основном в частоте 2,4 ГГц, имеющей ряд ограничений, то здесь используются строго 5 ГГц. Это практически вдвое снизило ширину покрытия. Впрочем, производители маршрутизаторов решают данную проблему установкой направленных антенн. Каждая из них отправляет сигнал в свою сторону. Однако некоторым людям это всё же покажется неудобным по следующим причинам:

• Роутеры получаются громоздкими, так как в их составе присутствуют четыре или даже большее число антенн;
• Желательно устанавливать маршрутизатор где-то посредине между всеми обслуживаемыми помещениями;
• Роутеры с поддержкой Wi-Fi 802.11ac потребляют больше электричества, нежели старые и бюджетные модели.

Главное достоинство нового стандарта заключается в десятикратном росте скорости и расширенной поддержке технологии MIMO. Отныне объединяться могут до восьми каналов! В результате теоретический поток данных составляет 6,93 Гбит/с. На практике скорости гораздо ниже, но даже их вполне хватает для того, чтобы посмотреть на устройстве какой-нибудь 4K-фильм онлайн.

Некоторым людям возможности нового стандарта кажутся излишними. Поэтому многие производители не внедряют его поддержку в . Не всегда протокол поддерживается и даже достаточно дорогими девайсами. Например, его поддержки лишён (2016), который даже после снижения ценника невозможно отнести к бюджетному сегменту. Узнать о том, какие стандарты Wi-Fi поддерживает ваш смартфон или планшет, достаточно просто. Для этого посмотрите его полные технические характеристики в интернете, либо запустите .

Если вы ищите самый быстрый WiFi, вам нужен 802.11ac, здесь все просто. По сути, 802.11ас - ускоренная версия 802.11n (текущий стандарт WiFi, который используется на вашем смартфоне или ноутбуке), предлагающий ускорение ссылок от 433 мегабит в секунду (Мбит/с), и до нескольких гигабит в секунду. Чтобы достичь скорости, которая в десятки раз выше 802.11n, 802.11ac работает исключительно в диапазоне 5ГГц, использует огромную пропускную способность (80-160МГц), работает с 1-8 пространственными потоками (MIMO), и использует своеобразную технологию, называемую "beamforming" (формирование луча). Дополнительные сведения о том, что такое 802.11ac, и как оно со временем заменит проводной гигабитную Ethernet домашнюю и рабочую сеть, мы поговорим дальше.

Как работает 802.11ac.

Несколько лет назад, 802.11n представил некоторую интересную технологию, которая значительно увеличила скорость, по сравнению с 802.11b и g. 802.11ac работает практически так же, как и 802.11n. Например, в то время, как стандарт 802.11n поддерживал до 4 пространственных потоков, и ширину канала до 40МГц, 802.11aс может использовать 8 каналов, и ширину до 80МГц, а их комбинирование может вообще выдать 160МГц. Даже если все остальное останется по-прежнему (а оно не останется), это означает, что 802.11ac оперирует 8х160МГц пространственных потоков, по сравнению с 4х40МГц. Огромная разница, которая позволит выжимать огромные объемы информации из радиоволн.

Чтобы повысить пропускную способность еще больше, 802.11ac также представил модуляцию 256-QAM (по сравнению с 64-QAM в 802.11n), которая буквально сжимает 256 разных сигналов одной частоты, смещая и переплетая каждый из них в иную фазу. Теоретически, это увеличивает спектральную эффективность 802.11ac в 4 раза, по сравнению с 802.11n. Спектральная эффективность - это мера того, как хорошо беспроводной протокол или метод мультиплексирования использует пропускную способность, доступную для него. В диапазоне 5ГГц, в котором каналы достаточно широкие (20МГц+), спектральная эффективность не так важна. В сотовых диапазонах, тем не менее, каналы чаще всего и есть 5МГц шириной, что делает спектральную эффективность крайне важной.

802.11ac также вводит стандартизированное формирование луча (у 802.11n оно было, но не было стандартизировано, что делало интероперабельность проблемой). Формирование луча, по существу, передает радиосигналы таким образом, что они направлены на конкретное устройство. Это может повысить общую пропускную способность, и сделать его более последовательным, а также снизить энергопотребление. Сформировать луч можно при помощи смарт-антенны, которая физически двигается в поиске устройства, или путем модуляции амплитуды и фазы сигналов, так что они деструктивно интерферируют друг с другом, оставляя узкий, не интерферирующий луч. 802.11n использует второй метод, который может быть применен и роутерами и мобильными устройствами. Наконец, 802.11ac, как и предыдущие версии 802.11, полностью обратно совместим с 802.11n и 802.11g, так что вы можете сегодня купить роутер 802.11ac, и он будет отлично работать с вашими устройствами с более старыми WiFi устройствами.

Диапазон 802.11ac

Теоретически, при частоте 5МГц, и использовании сформированного луча, 802.11ac должен обладать таким же, как у 802.11n, или еще лучшим диапазоном (бел лучеобразования). Диапазон 5МГц, благодаря меньшей проникающей способности, обладает не таким диапазоном, как 2.4ГГц (802.11b/g). Но это компромисс, на который мы вынуждены пойти: нам просто не хватит спектральной пропускной способности в массивно используемом диапазоне 2.4ГГц, чтобы допустить максимальную скорость 802.11ac, достигающую гигабитного уровня. Пока ваш роутер находится в идеальном расположении, или у вас их несколько, не стоит переживать. Как всегда, более важным фактором является передача мощности ваших устройств, и качество антенны.

Насколько быстр 802.11ac?

И наконец, вопрос, ответ на который хотят знать все: насколько быстр стандарт WiFi 802.11ac? Как обычно, есть два ответа: теоретически достижимая в лаборатории скорость, и практический предел скорости, которым вы, скорее всего, будете довольствоваться в домашних условиях реального мира, окруженные кучей подавляющих сигнал препятствий.

Теоретическая максимальная скорость 802.11ac - 8 каналов 160МГц 256-QAM, каждый из которых способен на 866.7Мбит/с, что дает нам 6.933Мб/с, или скромные 7Гбит/с. Скорость передачи 900 мегабайт в секунду - это быстрей, чем передача на SATA 3 диск. В реальном мире, благодаря засоренности канала, вы, скорее всего, не получите больше 2-3 160МГц каналов, потому максимальная скорость остановится где-то на 1.7-2.5Гбит/с. По сравнению с теоретической максимальной скоростью 802.11n в 600Мб/с.

Apple Airport Extreme на 802.11ac, разобранный самым производительным роутером iFixit сегодняшнего дня (апрель 2015), включает D-Link AC3200 Ultra Wi-Fi Router (DIR-890L/R), Linksys Smart Wi-Fi Router AC 1900 (WRT1900AC), и Trendnet AC1750 Dual-Band Wireless Router (TEW-812DRU), как сообщает сайт PCMag. C этими роутерами, вам определенно стоит ожидать впечатляющих скоростей от 802.11ac, но пока что не откусывайте свой Gigabit Ethernet кабель.

В тесте Anandtech 2013 года, они испытывали роутер WD MyNet AC1300 802.11ac (до трех потоков) в паре с рядом устройств на 802.11ac, которые поддерживали 1-2 потока. Самая быстрая скорость передачи была достигнута ноутбуком Intel 7260 с беспроводным адаптером 802.11ac, который использовал два потока для получения 364Мб/с на расстоянии всего 1.5м. На 6м и через стену, тот же ноутбук был самым быстрым, но максимальная скорость составила 140Мб/с. Зафиксированный предел скорости для Intel 7260 составил 867Мб/с (2 потока по 433Мб/с).

В ситуации, когда вам не нужна максимальная производительность и надежность проводной GigE, 802.11ac поистине привлекателен. Вместо того, чтобы загромождать свою гостиную Ethernet кабелем, проведенным к домашнему кинотеатру из ПК под телевизором, более разумно использовать 802.11ac, который обладает достаточной пропускной способностью, чтобы беспроводным сигналом высочайшей четкости передать контент вашему HTPC. Для всех, кроме особо требовательных случаев, 802.11ac является очень достойной заменой Ethernet.

Будущее 802.11ac

Стандарт 802.11ac будет становиться еще быстрее. Как мы упоминали ранее, теоретическая максимальная скорость 802.11ac составляет скромные 7Гбит/с, и пока мы не добьемся этого в реальном мире, не стоит удивляться отметке в 2Гбит/с в ближайшие несколько лет. При 2Гбит/с, вы получите скорость передачи 256Мб/с, и внезапно Ethernet будут использоваться все меньше и меньше, пока не исчезнут. Чтобы достичь таких скоростей, производители чипсетов и устройств должны будут выяснить, как реализовать четыре или больше каналов для 802.11ac, учитывая как программное обеспечение, так и аппаратное.

Мы представляем, как Broadcom, Qualcomm, MediaTek, Marvell и Intel уже делают уверенные шаги в обеспечении 4-8 каналов для 802.11ac, ради интеграции самых последних роутеров, точек доступа, и мобильных устройств. Но пока спецификация 802.11ac не будет завершена, вторая волна чипсетов и устройств вряд ли появится. Производителям устройств и чипсетов нужно будет сделать много работы, чтобы убедиться в том, что продвинутые технологии вроде лучеобразования, соответствуют требованиям стандарта, и являются полностью совместимыми с другими устройствами стандарта 802.11ac.