Wi-Fi 4 (802.11n): MIMO i kanały 40 MHz

Wi-Fi 4 i MIMO

Wcześniejsze odmiany Wi-Fi, w tym 802.11g, korzystały w typowej konfiguracji z jednego toru przestrzennego SISO (pojedyncze wejście, pojedyncze wyjście). 802.11g osiągał do 54 Mbps, a wcześniejsze tryby 802.11 obejmowały między innymi 2 Mbps. Opublikowany w 2009 roku 802.11n połączył MIMO, kanały 40 MHz i krótszy odstęp ochronny, aby zwiększyć przepływność warstwy PHY.

Wi-Fi 4 (802.11n) wprowadził technologię Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). Liczba użytecznych strumieni zależy od liczby torów nadawczych i odbiorczych, rzędu kanału oraz możliwości klienta i punktu dostępowego.

Multipleksowanie przestrzenne umożliwia jednoczesną transmisję wielu strumieni przez ten sam kanał częstotliwościowy. Odbiornik rozdziela je na podstawie estymacji kanału. Propagacja wielodrogowa może dostarczyć potrzebnego zróżnicowania, lecz nie każda ścieżka tworzy niezależny strumień.

Wariant 4×4 MIMO z kanałem 40 MHz, MCS 31 i odstępem ochronnym 400 ns osiąga maksymalnie 600 Mbps PHY. Jest to szybkość warstwy fizycznej. Przepływność aplikacyjna jest niższa przez nagłówki, potwierdzenia, współdzielenie medium, retransmisje i warunki kanału.

Konfiguracje MIMO i strumienie przestrzenne

Przykład rozmowy w zatłoczonym pomieszczeniu pomaga opisać separację strumieni. System SISO przypomina pojedynczy mikrofon i głośnik, natomiast MIMO używa wielu torów, aby odbierać kilka przestrzennie rozróżnialnych kopii. Odbiornik potrzebuje do tego wystarczającego rzędu kanału i poprawnej estymacji.

W kategoriach bezprzewodowych MIMO wykorzystuje propagację wielodrogową. Odbiornik estymuje kanał i stosuje detekcję przestrzenną, aby rozdzielić strumienie. Odbicia nie są automatycznie osobnymi kanałami, ponieważ wynik zależy od korelacji, tłumienia i położenia anten.

802.11n definiuje kilka konfiguracji MIMO. Podane wartości są maksymalnymi szybkościami PHY dla kanału 40 MHz i odstępu ochronnego 400 ns.

• Konfiguracja 1×1: Jeden tor nadawczy i odbiorczy, jeden strumień przestrzenny (maks. 150 Mbps)
• 2×2 MIMO: Dwa tory nadawcze i odbiorcze, do dwóch strumieni przestrzennych (maks. 300 Mbps)
• 3×3 MIMO: Trzy tory nadawcze i odbiorcze, do trzech strumieni przestrzennych (maks. 450 Mbps)
• 4×4 MIMO: Cztery tory nadawcze i odbiorcze, do czterech strumieni przestrzennych (maks. 600 Mbps)

Notacja "NxM" odnosi się do N anten nadawczych i M anten odbiorczych. Choć standard obsługiwał konfiguracje asymetryczne, większość praktycznych implementacji używała układów symetrycznych, gdzie liczba anten nadawczych i odbiorczych była zgodna.

Kanały 20 MHz i 40 MHz

Poza MIMO, 802.11n wprowadził łączenie kanałów 40 MHz. Dwa kanały 20 MHz tworzą wtedy jeden kanał 40 MHz, co zwiększa liczbę podnośnych danych, lecz nie gwarantuje dwukrotnej przepływności aplikacyjnej.

To łączenie kanałów działało w obu pasmach częstotliwości:

• 2,4 GHz: W typowym układzie dostępny jest najwyżej jeden niezachodzący kanał 40 MHz, a współistnienie z sąsiednimi sieciami często przemawia za kanałem 20 MHz
• 5 GHz: Dostępnych jest więcej kanałów 40 MHz, lecz ich liczba zależy od regionu, reguł DFS i lokalnego obciążenia widma

Kombinacja strumieni przestrzennych MIMO i kanału 40 MHz zwiększała szybkość PHY. Konfiguracja MIMO 2×2 z odstępem ochronnym 400 ns mogła osiągnąć 300 Mbps PHY, w porównaniu z maksymalnie 54 Mbps w 802.11g.

Praca 40 MHz w 2,4 GHz jest problematyczna w gęstych środowiskach. Dostępne są tylko trzy typowe niezachodzące kanały 20 MHz, dlatego użycie 40 MHz może zwiększać nakładanie z sąsiednimi sieciami. Mechanizmy współistnienia pozwalają w takich warunkach pozostać przy 20 MHz.

Agregacja ramek i optymalizacje czasowe

802.11n ograniczał narzut MAC przez agregację ramek. Zysk zależy od rozmiaru ramek, obciążenia, retransmisji i możliwości odbiornika.

Poprzednie standardy Wi-Fi cierpiały z powodu znacznego nakładu. Każda ramka danych wymagała potwierdzeń, okresów wycofania i nagłówków protokołu. 802.11n określił dwa formaty agregacji dla transmisji HT:

• A-MSDU (Aggregate MAC Service Data Unit): Łączy wiele małych ramek w jedną większą ramkę przed transmisją
• A-MPDU (Aggregate MAC Protocol Data Unit): Pozwala na potwierdzenie wielu ramek jednym blokiem potwierdzeń

Wzrost efektywności nie ma jednej wartości określonej przez standard. Przy małych pakietach i dużym narzucie agregacja może zmniejszyć udział potwierdzeń oraz przerw o dziesiątki procent, natomiast wynik zależy od długości ramek, limitu agregatu i warunków medium.

Standard wprowadził również optymalizacje czasowe jak Short Guard Interval (SGI) i Reduced Interframe Space (RIFS), które minimalizowały czas martwy między transmisjami i wycisnęły jeszcze więcej wydajności z każdej możliwości transmisji.

Praca w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz

802.11n określał tryby pracy w obu pasmach. Praca dwupasmowa nie oznaczała jednak, że każde urządzenie 802.11n miało dwa radia. Wcześniejsze standardy były związane z pasmem, ponieważ 802.11b/g działały w 2,4 GHz, a 802.11a w 5 GHz.

Wybór pasma pozwalał dopasować pracę do zasięgu, dostępnych kanałów i poziomu zakłóceń:

• Praca 2,4 GHz: Zapewniała kompatybilność z urządzeniami 802.11b/g, a niższa częstotliwość zwykle lepiej pokonywała przeszkody przy tej samej konfiguracji
• Praca 5 GHz: Udostępniała więcej kanałów 40 MHz, lecz zasięg zależał od mocy, anten, regulacji i tłumienia ścian

Punkt dostępowy z odpowiednimi trybami mógł jednocześnie obsługiwać klientów 802.11a, 802.11b i 802.11g oraz urządzenia 802.11n. Mechanizmy ochrony wymagały dopasowania czasu transmisji do starszych metod modulacji.

Tryb mieszany zwiększał narzut, ponieważ punkt dostępowy musiał uwzględniać czasowanie i sygnalizację starszych klientów. Wspólna sieć nie osiągała wtedy takiej samej przepływności jak sieć z samymi klientami 802.11n.

Parametry PHY i przepływność

Wartości w tabeli rozdzielają maksymalny PHY od przykładowej przepływności aplikacyjnej. Wartości PHY używają najwyższego MCS dla danego wiersza i odstępu ochronnego 400 ns. Kolumna aplikacyjna zależy od narzutu MAC, szerokości kanału, MCS, obciążenia i jakości sygnału. Zysk różnorodności MIMO może stabilizować połączenie, ale nie wyznacza stałego zasięgu.

802.11n określał także opcjonalny beamforming nadawczy. Kształtowanie wiązki może poprawić poziom sygnału lub ograniczyć interferencję, lecz nie daje stałej wartości zysku ani zasięgu.

Zastosowania i wdrożenia

Wprowadzenie 802.11n w 2009 roku zbiegło się ze wzrostem użycia smartfonów, tabletów i strumieniowania wideo. Większa przepływność PHY oraz agregacja ramek ułatwiły obsługę takich zastosowań, lecz wynik zależał od liczby klientów i warunków radiowych.

Zwiększona wydajność 802.11n uczyniła praktycznymi kilka nowych aplikacji:

• Strumieniowanie Wideo HD: Strumienie 1080p mogły działać przez Wi-Fi, jeśli przepływność kodeka mieściła się w dostępnej przepływności aplikacyjnej
• Przetwarzanie w Chmurze: Wyższa przepustowość umożliwiła praktyczne aplikacje i usługi oparte na chmurze
• BYOD (Bring Your Own Device): Sieci korporacyjne mogły wspierać więcej urządzeń z akceptowalną wydajnością
• Urządzenia Inteligentnego Domu: Sieć mogła obsługiwać większą liczbę urządzeń o małych przepływnościach, zależnie od czasu zajęcia medium

802.11n wpłynął także na projektowanie urządzeń. Laptopy zaczęły używać wielu anten, a punkty dostępowe częściej stosowały układy wieloantenowe zamiast pojedynczego toru.

W wielu wdrożeniach 802.11n zmniejszył różnicę między siecią bezprzewodową a przewodową. O odczuwanej jakości nadal decydowały opóźnienie, obciążenie medium, zasięg i przepływność łącza internetowego.

Znaczenie 802.11n dla kolejnych standardów

Wi-Fi 4 (802.11n) wprowadził mechanizmy MIMO, agregacji i kanałów 40 MHz, które rozwijano w kolejnych generacjach. Maksymalna liczba strumieni wzrosła z 4 w 802.11n do 8 w 802.11ac oraz 16 w 802.11be. Są to możliwości PHY, a konfiguracja urządzenia zależy od jego implementacji.

Kluczowe innowacje standardu stały się budulcami dla przyszłego rozwoju:

• Technologia MIMO: Rozwijana do większej liczby strumieni i do systemów masywnego MIMO
• Łączenie Kanałów: Rozszerzone do 80 MHz i 160 MHz w późniejszych standardach
• Agregacja Ramek: Udoskonalona i zoptymalizowana dla jeszcze lepszej efektywności
• Beamforming: W 802.11ac doprecyzowano jawne sprzężenie zwrotne i procedury kształtowania wiązki

Urządzenia 802.11n nadal mogą działać w sieciach mieszanych, ponieważ standard przewidział współistnienie ze starszymi trybami. Ich osiągi zależą od obsługiwanych MCS, szerokości kanału, zabezpieczeń i liczby klientów.

802.11n zwiększył przepływność PHY przez MIMO, kanały 40 MHz i krótszy GI. Późniejsze standardy dodały szersze kanały, wyższe modulacje i tryby wieloużytkownikowe, lecz podstawowe ograniczenia przepływności aplikacyjnej nadal wynikają z medium i narzutu protokołów.