Стандарт WiFi
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
Проектирование сети Как показывает практика, в типовой российской действительности к Wi-Fi обычно относятся как к простой и нетребовательной технологии. И самый распространенный подход — это прикинуть необходимое количество точек доступа на глаз, заказать, а затем разбираться… К сожалению, результаты подобного подхода плачевны, и даже с высококлассным оборудованием можно наблюдать крайне нестабильные и некачественные по уровню обслуживания в сети результаты. С другой стороны требования к беспроводному доступу растут постоянно, растет набор тяжелых услуг, которые уже можно качественно передавать по Wi-Fi или предоставлять с использованием Wi-Fi. Значительная часть проектов уже требует разработки «по емкости», а не «по покрытию». Требуется обслуживать маломощные терминалы, например смартфоны или метки RFID. Все это ведет к одному – необходимо уделять серьезное внимание такой важной части любого беспроводного проекта, как полевое радиообследование объекта (Site Survey). Обычно это не вызывает вопросов для сетей 2G, 3G или WiMAX, а вот Wi-Fi — «это просто» и «не стоит заморачиваться», а потом — «упс, сеть работает криво». Начать необходимо с анализа своих текущих пожеланий и обсуждения будущего развития инфраструктуры внутри компании. Лучше, если это будет «мозговой штурм» руководителей IT-департамента, маркетинга, операций и т.п. Иначе, если решение будут принимать только «технари», то после запуска часто оказывается, что уже через пару месяцев руководство или «продавцы», увидев где-то статью о возможностях Wi-Fi, хотят это иметь и у себя, а сеть спроектирована под другие требования, и все начинается сначала (включая новое обследование объекта, проектирование, поиск мест и портов под дополнительное оборудование и т.д.). - на каких частотах будет работать решение? - в каких условиях предполагается развертывание? (план помещения, особенности строительных конструкций, высота потолков и т.п.?) - предполагается ли работа в сложной радиообстановке? (много помех, например в машиностроительных цехах и т.п.), хотя это обязательно для проверки в ходе радиообследования объекта; - какое количество пользователей (из них активных — единовременно потребляющих услуги) ожидается на сети? - как будут распределяться пользователи по сети? (важно учесть возможные зоны концентрации и ожидаемое количество пользователей в этих зонах) - какие услуги необходимо предоставлять пользователям при запуске сети и как это будет развиваться в обозримой перспективе, например: … доступ в Интернет (на каких скоростях на пользователя, минимальные требования по полосе на границе ячейки), … доступ к локальным ресурсам (к каким ресурсам и на каких скоростях), … голосовые услуги (VoIP over Wi-Fi), … потоковое видео с мультикастом, … определение местоположения для клиентов Wi-Fi и/или меток RFID внутри помещений, … построение развитой системы безопасности радиоэфира, - какое клиентское оборудование будет использоваться на сети (лаптопы, планшетные компьютеры, смартфоны, сканеры штрихкодов, метки RFID и т.п.). - какие требования к аутентификации пользователей существуют и какие наиболее подходящие методы необходимо применять и в каких случаях? (например варианты аутентификации второго уровня на основе 802.1х или третьего с использованием, например, web-портала) -требуется ли обеспечение Гостевого доступа и какие особенности здесь надо учесть? (например, гибкость в подходах в управлении гостевыми аккаунтами и максимально широкие возможности или максимальная простота при создании новых аккаунтов и т.п.) - есть ли требования по эстетике в помещении, где будет работать сеть Wi-Fi? (это важно для понимания того, надо ли использовать только точки с внутренними антеннами или, если внешние антенны обязательны, то какие антенны лучше подбирать с точки зрения эстетического восприятия). После согласования мнений о требованиях к сети и сбора всех возможных входных данных стоит проделать следующий шаг (не обязательный, но который очень облегчит будущую работу): выполнить оценочное планирование с помощью какого-либо программного комплекса, который позволяет учесть поэтажные планы, конфигурируемые строительные элементы (стены, двери, окна) с изменяемыми коэффициентами затухания соответствующих радиоволн, параметры на границы ячейки, типы используемого оборудования и антенн, услуги на сети и т.п. Такой инструмент позволяет построить модель, точную ровно на столько, насколько точны входные данные. Но, к сожалению, абсолютной точности входных данных нельзя обеспечить по определению, как и невозможно заложить состояние радиосреды и условия для многолучевого распространения, затухания сигналов и т.п. Поэтому к результатам работы подобного инструментария надо относиться осторожно. Сразу возникает вопрос — тогда зачем этот шаг нужен? Ответ: использование подобного программного обеспечения позволяет делать следующее: 1. Формировать довольно качественные оценки необходимого количества точек доступа и, нередко, соответствующие красивые предложения. Но это именно оценка, а не финальные значения! 2. Создавать идеальную модель размещения точек доступа прямо на карте будущей зоны покрытия реальной сети. Эти данные можно очень эффективно использовать как основу для проведения полевого радиообследования. Можно размещать реальные точки доступа прямо в места, указанные в предварительном дизайне на карте, снимать текущие показания и тюнить идеальную модель до реальной. Подобный программный модуль встроен, например, в Cisco Prime Infrastructure. Кстати, эта система есть в демо-версии (полноценная система), доступная в течении ограниченного времени. Можно скачать с сайта Cisco или обратиться к системным интеграторам партнёрам Cisco. Здесь уже можно обсуждать вопросы топологии транспортной инфраструктуры для поддержки предполагаемой топологии Беспроводной сети Wi-Fi, а также наличие портов сети передачи данных (лучше с поддержкой 803.3af/PoE-Power over Ethernet) в зоне покрытия и розеток 220В, если не везде доступны порты с РоЕ. Далее, уже достаточно подготовленными, можно переходить к полевому радиообследованию. Здесь, помимо описанной информации, необходимо использовать анализатор спектра для рассматриваемого частотного участка и специальный инструментарий (ПО+радиоблок с антенной) для выполнения радиообследования. Сразу оговоримся, что крайне важно выполнять не просто пассивное обследование (Passive Site Survey) со сбором информации об уровне сигнала и т.п., а делать активное обследование (Active Site Survey), при котором постоянно передается трафик данных и снимаются показания ‘сигнал + реально достижимая скорость передачи данных’ в большом количестве точек зоны покрытия. Для генерации тестового трафика часто используется iPerf. Таким образом получается реальная картина скоростей вне зависимости от уровня сигнала, что очень хорошо, т.к. далеко не всегда работает линейная зависимость – чем выше уровень сигнала и SNR, тем больше MCS (Modulation & Coding Schema) и тем выше достижимая скорость передачи для конечных пользователей. Инструментарий для обследования производит много компаний, например AirMagnet (поглощен Fluke Networks), Ekahau и т.п. Важные нюансы радиообследования зоны покрытия будущей сети Wi-Fi: - при радиообследовании важно использовать именно те точки доступа и антенны (если с внешними антеннами), которые будут использованы на реальной сети, - при радиообследовании важно выполнять тесты с использованием самого худшего пользовательского устройства (по радио-характеристикам), которое ожидается увидеть и обслуживать на данной сети. Часто это смартфоны или метки RFID. После завершения радиообследования выполняется: - окончательный дизайн Беспроводной сети, - окончательный дизайн транспортной инфраструктуры, - окончательный дизайн (или доработки) центрального сайта всей сети, - анализ и дизайн интеграции разрабатываемого решения с существующими системами, - рекомендации к будущему развертыванию решения, - уточняется количество необходимого оборудования и можно переходить к обоснованному заказу. 2.4 Техноология Wi-Fi IEEE 802.11 Первое поколение Точек Доступа и других беспроводных устройств по стандарту WiFi 802.11n появилось на рынке в 2008-2009 годах. Эти устройства могли поддержать максимальные значения совокупной скорости передачи данных до 300Mbps. Такая скорость могла быть достигнута используя два пространственных потока, каждый из которых способен переносить до 75Mbps в двух частотных каналах шириной 20MHz каждый. Общая формула выглядит так: 75Mbps * X пространственных потоков * Y частотных каналов. (2,1) Для 2-х пространственных потоков и 2-х каналов по 20MHz имеем: 75Mbps * 2 * 2 = 300 Mbps. (2,2) Важно понимать, что для того чтобы поддержать два пространственных потока двунаправлено минимум два приемника и два передатчика с поддержкой MIMO требуется на обоих сторонах - и на Точке Доступа WiFi и на Клентском устройстве WiFi. Уже довольно давно на рынке появилось более продвинутое поколение беспроводных устройств с поддержкой стандарта WiFi 802.11n , которые поддерживают до 3-х пространственных потоков. Это означает, что теоретический максимум совокупных скоростей передачи данных, который может быть достигнут в системе, составляет теперь 75Mbps*3*2=450Mbps. Для поддержки данной максимальной скорости двунаправленно оба конца в соединении должны поддерживать три пространственных потока, что, в свою очередь, требует иметь как минимум три приемника и передатчика с MIMO на Точке Доступа и Клиентском устройстве WiFi. Здесь имеет смысл добавить, что большинство распространенных мобильных устройств на рынке (смартфоны, планшетные компьютеры, разного рода КПК) поддерживают только один пространственный поток, даже не смотря на то, что они работают как 802.11n устройства. Это связано с необходимостью экономии батареи питания на таких устройствах. Три пространственных потока поддерживают лаптопы с новейшими наборами Wi-Fi-чипов от Intel (Intel Centrino Ultimate-N 6300), лаптопы от Apple (например MacBook Pro), некоторые внешние USB-донглы. 2.5 MIMO, Transmit Beamforming и стандарт WiFi 802.11n Технология MIMO является стержнем 802.11n. Это радиосистема с множеством раздельных путей передачи и приема. MIMO-системы описываются с использованием количества передатчиков и приемников. Стандарт WiFi 802.11n определяет набор возможных комбинаций от 2х1 до 4х4. В типичном случае развертывания WiFi-решения внутри помещения, например в офисе, цеху, ангаре, больнице радиосигнал редко идет по кратчайшему пути между передатчиком и приемником из-за стен, дверей и других препятствий. К счастью большинство подобных окружений имеют много различных поверхностей, которые отражают радиосигнал (электромагнитную волну) подобно зеркалу, отражающему свет. Когда множественные копии сигнала перемещаются различными путями от передатчика к приемнику сигнал шедший кратчайшим путем будет первым, а следующие копии (или переотраженное эхо сигнала) придут чуть позже из-за более длинных путей. Это называют многолучевым распространением сигнала (multipath). Условия множественного распространения постоянно меняются, т.к. Wi-Fi-устройства часто перемещаются (смартфон с Wi-Fi в руках пользователя), движутся различные объекты (люди, машины и т.п.). При этом одни объекты в основном отражают в то время как другие в основном поглощают сигналы WiFi. В системах WiFi-стандарта 802.11n достоинства многолучевого распространения используются для одновременной передачи нескольких радиосигналов. Каждый из этих сигналов, называемых «пространственными потоками», отправляется с отдельной антенны с помощью отдельного передатчика. Вследствие наличия некоторого расстояния между антеннами каждый сигнал следует к приемнику по немного отличающемуся пути. Этот эффект называется «пространственным разнесением». Приемник также оборудован несколькими антеннами со своими отдельными радиомодулями, которые независимо декодируют поступающие сигналы, и каждый сигнал объединяется с сигналами от других приемных радиомодулей. В результате этого одновременно осуществляется прием нескольких потоков данных. Это обеспечивает значительно более высокую пропускную способность, чем в прежних системах 802.11, но требует, чтобы клиент с функциональностью 802.11n декодировал сигнал. 802.11n-системы используют преимущества от возникновения множественного распространения сигнала путем отправки множества радиосигналов одновременно (MIMO). Каждый из этих сигналов, называемый пространственным потоком, отправляется с собственного радиомодуля и собственной антенны. Т.к. всегда присутствует некоторое расстояние между антеннами, то каждый сигнал идет собственным путем к приемнику. Эта ситуация называется пространственным разнесением сигналов (spatial diversity). Приемник, в свою очередь, имеет также несколько антенн, каждая со своим собственным радиомодулем. Здесь каждое радио независимо декодирует пребывающие сигналы и, при этом, каждый сигнал комбинируется с теми, которые получены другими радиомодулями. В результате можно получить множественные потоки данных одновременно. Это дает возможность получать значительно большую полосу пропускания, чем в предыдущих системах 802.11a/g, но также и требуется 11n-совместимый клиент для дешифровки данного сигнала. Технология 802.11n также определяет как MIMO может быть использована для улучшения уровня SNR (Signal to Noise Ratio) на приемнике используя управление диаграммой направленности на передаче (transmit beamforming). С данной техникой возможно управлять процессом отправки сигналов с каждой антенны так чтобы улучшились параметры принимаемого сигнала в приемнике. Другими словами, в дополнение к отправке множественных потоков множество передатчиков могут использоваться, чтобы достичь более высокого SNR и, в результате, большей скорости передачи данных. Необходимо отметить две вещи: 1. Процедура управления диаграммой направленности (transmit beamforming), определенная в стандарте Wi-Fi 802.11n, требует совместной работы с приемником для получения обратной связи о состоянии сигнала на приемнике. Здесь необходимо иметь поддержку этой функциональности на обеих сторонах канала – как на передатчике, так и на приемнике. 2. В силу сложности данной процедуры управление диаграммой направленности (transmit beamforming) не было поддержано в первом поколении чипов 802.11n как на стороне терминалов, так и на стороне Точек Доступа. Проблема многолучевого распространения сигнала (multipath). Многолучевое распространение - это феномен распространения сигнала, в результате которого появляются две или более копий сигнала Wi-Fi и, соответственно, путей прибытия сигнала на антенну приемника Wi-Fi в одно и то же время или с минимальным отличием по времени (наносекунды разницы). При обычном распространении волн в привычных каждому окружениях при распространении возникают такие эффекты как: - отражение, - отражение с разбиением на множество малых волн, - прохождение волн через препятствия с изменением характеристик, - огибание волнами препятствий и изменение направления волны при достижении крупного препятствия. И все это всякий раз проявляется по-разному. Также важно понимать, что в определенных условиях отдельные эффекты проявляются значительно сильнее, например существенное отражение возникнет, когда в комнате есть большие металлические шкафы или антенна находится рядом с шахтой и дверьми лифта и, вероятнее всего, в таком случае этот эффект будет преобладать. В любом случае данные эффекты будут создавать условия возникновения множественных копий и множественных путей одного исходного сигнала. Внутри помещений отраженные сигналы и их эхо-сигналы могут вызываться такими условиями как длинные коридоры, стены, столы, пол, шкафы, а также большим количеством других препятствий. Такие внутренние зоны с большим количеством металла, как ангары аэропортов, складские ангары, цеха заводов и фабрик изначально являются объектами с высоким уровнем многолучевого распространения из-за большого количества отражающих поверхностей. Обычно именно отражение является основной причиной многолучевого распространения сигнала. На улице (вне помещений) многолучевое распространение может вызываться отражением от дороги, от большого зеркала воды (озеро, река и т.п.), от зданий или от атмосферы при возникновении специфических условий. Для радиосигналов эффект многолучевого распространения может становиться положительным или отрицательным (иногда говорят: конструктивным или деструктивным). Значительно чаще результат является отрицательным. Из-за разницы в фазах множества путей копий сигналов комбинированный сигнал на приемнике чаще будет затухать или будет повреждаться. Основными проблемами являются следующие четыре результата возникновения многолучевого распространения сигнала: -Прирост (Upfade) сигнала/амплитуды -Снижение (Downfade) сигнала/амплитуды -Обнуление (Nulling) сигнала/амплитуды -Повреждение данных (Datacorruption) Многолучевое распространение может иметь негативный эффект на общую производительность, пропускную способность и увеличение задержек вашей сети стандарта Wi-Fi из-за необходимости выполнения перепосылок фреймов 2-го уровня, прямой причиной которых является межсимвольная интерференция. Это касается любой сети Wi-Fi. Многолучевое распространение является очень серьезной проблемой для сетей устаревших стандартов Wi-Fi 802.11 a/b/g. Использование направленных антенн нередко может позволить снизить негативный эффект. Также может положительно влиять разнесение приемных антенн (diversity). Иногда снижение мощности излучения на передаче или использование антенн с меньшим коэффициентом усиления (конечно это работает пока поддерживается необходимый уровень связи с ответной стороной). Для современных сетей стандарта Wi-Fi 802.11n существует значительно больше механизмов компенсации проблем многолучевого распространения сигнала. Здесь большой положительной эффект оказывает применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) с разнесением антенн как на передающей стороне, так и на принимающей, а также такие техники, как комбинирование принятых сигналов с цифровой обработкой для искусственного создания условий положительной интерференции и результирующего усиления (MRC / Maximum Ratio Combining). |