Лу Френцел

Електронен дизайн

Скоростите на серийни данни обикновено се наричат ​​​​битови скорости. Друга често използвана единица обаче е скоростта на предаване. Въпреки че не са едно и също нещо, има определени прилики между двете единици при определени обстоятелства. Статията предоставя ясно обяснение на разликите между тези понятия.

Главна информация

В повечето случаи в мрежите информацията се предава последователно. Битовете от данни се предават последователно по комуникационен канал, кабелен или безжичен. Фигура 1 показва последователност от битове, предаден компютърили някаква друга цифрова схема. Този сигнал за данни често се нарича оригинален сигнал. Данните са представени от две нива на напрежение, например, логическото съответства на напрежение от +3 V, а логическото нула съответства на +0,2 V. Могат да се използват и други нива. В кодов формат без връщане към нула (NRZ) (Фигура 1), сигналът не се връща в неутрално положение след всеки бит, за разлика от формата за връщане към нула (RZ).

Битрейт

Скоростта на данни R се изразява в битове в секунда (bit/s или bps). Скоростта е функция от продължителността на битовете или времето на бит (T B) (Фигура 1):

Тази скорост се нарича още ширина на канала и се обозначава с буквата C. Ако времето на битовете е 10 ns, тогава скоростта на предаване на данни се определя като

R = 1/10 × 10 - 9 = 100 Mbit / s

Това обикновено се записва като 100 MB / s.

Сервизни битове

Скоростта на предаване обикновено се отнася до действителната скорост на трансфер на данни. Въпреки това, в повечето серийни протоколи данните са само част от по-сложен кадър или пакет, който включва адрес на източник, адрес на дестинация, битове за откриване на грешка и корекция на код и друга информация или контролни битове. В рамката на протокола данните се извикват полезна информация(полезен товар). Битовете, които не са данни, се наричат ​​върховни битове. Понякога броят на служебните битове може да бъде значителен - от 20% до 50%, в зависимост от общия брой полезни битове, предадени по канала.

Например, Ethernet рамка, в зависимост от количеството полезен товар, може да бъде до 1542 байта или октета. Полезният товар може да бъде между 42 и 1500 октета. С максималния брой полезни октети от върховете ще има само 42/1542, или 2,7%. Щеше да има повече, ако имаше по-малко полезни байтове. Това съотношение, известно още като ефективност на протокола, обикновено се изразява като процент от количеството полезен товар спрямо максималния размер на рамката:

Ефективност на протокола = полезен товар / размер на рамката = 1500/1542 = 0,9727 или 97,3%

Обикновено действителната скорост на линията се увеличава с коефициент в зависимост от размера на режийните разходи, за да се покаже истинската скорост на мрежовите данни. В One Gigabit Ethernet действителната скорост на линията е 1,25 Gb / s, докато скоростта на предаване на данни е 1 Gb / s. За 10-Gbit/s Ethernet тези стойности са съответно 10,3125 Gb/s и 10 Gb/s. Концепции като честотна лента, скорост на полезен товар или ефективна скорост на данни също могат да се използват за оценка на скоростта на пренос на данни през мрежа.

Скорост на предаване

Терминът "бод" идва от фамилията на френския инженер Емил Бодо, който е изобретил 5-битовия телетайп код. Скоростта на предаване изразява броя на промените в сигнал или символ в секунда. Символът е една от няколкото промени в напрежението, честотата или фазата.

Двоичният формат NRZ има два знака, представени от нива на напрежение, по един за всеки 0 или 1. В този случай скоростта на предаване или символната скорост е същата като скоростта на предаване. Възможно е обаче да има повече от два символа в интервал на предаване, при което за всеки символ се разпределят няколко бита. В този случай данните по всеки комуникационен канал могат да се предават само чрез модулация.

Когато предавателната среда не може да обработи оригиналния сигнал, модулацията излиза на преден план. Разбира се, говорим за безжични мрежи. Оригиналните двоични сигнали не могат да се предават директно, те трябва да бъдат пренесени към RF носителя. Някои кабелни протоколи също използват модулация за увеличаване на скоростта на предаване. Това се нарича „широколентово предаване“.
По-горе: сигнал за бейсбенд, оригинален сигнал

Използвайки съставни символи, няколко бита могат да бъдат предадени във всеки. Например, ако символната скорост е 4800 бод и всеки символ е два бита, общата скорост на предаване ще бъде 9600 bps. Обикновено броят на знаците се представя с някаква степен 2. Ако N е броят на битовете в знак, тогава броят на необходимите знаци ще бъде S = 2N. Така че общата скорост на предаване е:

R = скорост на предаване × log 2 S = скорост на предаване × 3,32 log 1 0 S

Ако скоростта на предаване е 4800 и са разпределени два бита на знак, броят на знаците е 22 = 4.

Тогава битрейтът е:

R = 4800 × 3,32 log (4) = 4800 × 2 = 9600 bps

При един символ на бит, както при двоичния формат NRZ, скоростта на предаване и скоростта на предаване са еднакви.

Многостепенна модулация

Висока скорост на предаване може да се постигне с много методи на модулация. Например, честотната манипулация (FSK) обикновено използва две различни честоти за представяне на логически 0 и 1 във всеки символен слот. Тук скоростта на предаване е равна на скоростта на предаване. Но ако всеки символ представлява два бита, тогава са необходими четири честоти (4FSK). В 4FSK скоростта на предаване е два пъти по-висока от скоростта на предаване.

Друг често срещан пример е фазовата манипулация (PSK). В двоичен PSK всеки знак представлява 0 или 1. Двоичен 0 представлява 0 °, а двоичен 1 представлява 180 °. С един бит на знак скоростта на предаване е равна на скоростта на предаване. Въпреки това, съотношението на броя на битовете към знаците не е трудно да се увеличи (виж Таблица 1).

Например, в квадратурния PSK има два бита на символ. При тази структура и два бита на бод скоростта на предаване е два пъти по-висока от скоростта на предаване. При три бита на бод модулацията ще бъде обозначена като 8PSK, а осем различни фазови измествания ще представляват три бита. И с 16PSK, 16 фазови измествания представляват 4 бита.

Една от уникалните форми на слоеста модулация е квадратурната амплитудна модулация (QAM). QAM използва комбинация от различни нива на амплитуда и фазови отмествания, за да създаде символи, представляващи множество битове. Например, 16QAM кодира четири бита на символ. Символите са комбинация от различни нива на амплитуда и фазови измествания.

За да се визуализира амплитудата и фазата на носителя за всяка стойност на 4-битовия код, се използва квадратурна диаграма, която също има романтичното име "съзвездие" (Фигура 2). Всяка точка съответства на конкретна амплитуда на носителя и фазово изместване. Общо 16 символа са кодирани с четири бита на символ, което води до скорост на предаване, която е 4 пъти по-висока от скоростта на предаване.

Защо няколко бита на бод?

Чрез предаване на повече от един бит на бод можете да изпращате данни с висока скорост през по-тесен канал. Трябва да се припомни, че максималната възможна скорост на предаване на данни се определя от честотната лента на предавателния канал.
Като се има предвид най-лошия случай на преплитане на нули и единици в поток от данни, максималната теоретична скорост на предаване C за дадена честотна лента B би била:

Или честотна лента при максимална скорост:

За да предавате сигнал със скорост от 1 Mb / s, трябва:

B = 1/2 = 0,5 MHz или 500 kHz

Когато се използва многостепенна модулация с няколко бита на символ, максималната теоретична скорост на трансфер на данни ще бъде:

Тук N е броят на знаците в символния интервал:

log 2 N = 3,32 log10N

Пропускателната способност, необходима за осигуряване на желаната скорост за даден брой нива, се изчислява, както следва:

Например, честотната лента, необходима за постигане на скорост на предаване от 1 Mb/s при два бита на символ и четири нива, може да бъде дефинирана като:

log 2 N = 3,32 log 10 (4) = 2

B = 1/2 (2) = 1/4 = 0,25 MHz

Броят на знаците, необходими за получаване на желаната скорост на данни във фиксирана честотна лента, може да се изчисли като:

3,32 log 10 N = C / 2B

Log 10 N = C / 2B = C / 6,64B

N = log-1 (C / 6,64B)

Използвайки предишния пример, броят на знаците, необходими за предаване при 1 Mbps по канал 250 kHz, се определя, както следва:

log 10 N = C / 6,64B = 1 / 6,64 (0,25) = 0,60

N = log-1 (0,602) = 4 знака

Тези изчисления приемат, че няма шум в канала. За да вземете предвид шума, трябва да приложите теоремата на Шанън-Хартли:

C = B log 2 (S / N + 1)

C е честотната лента на канала в битове в секунда,
B - честотна лента на канала в херци,
S / N - съотношение сигнал/шум.

Под формата на десетичен логаритъм:

C = 3,32B log 10 (S / N + 1)

Какво е максимална скороств канал 0,25 MHz със съотношение S/N 30 dB? 30 dB означава 1000. Следователно максималната скорост е:

C = 3,32B log 10 (S / N + 1) = 3,32 (0,25) log 10 (1001) = 2,5 Mb / s

Теоремата на Шанън-Хартли не посочва конкретно, че трябва да се приложи многостепенна модулация, за да се постигне този теоретичен резултат. Използвайки предишната процедура, можете да разберете колко бита са необходими на знак:

log 10 N = C / 6,64B = 2,5 / 6,64 (0,25) = 1,5

N = log-1 (1,5) = 32 знака

Използването на 32 знака предполага пет бита на знак (25 = 32).

Примери за измерване на скоростта на предаване

Почти всички високоскоростни връзки използват някаква форма на широколентово предаване. В Wi-Fi, ортогонални мултиплексирани модулационни схеми честотно разделениесе използват канали (OFDM), QPSK, 16QAM и 64QAM.

Същото важи и за WiMAX и технологиите клетъчнаДългосрочна еволюция (LTE) 4G. Предаване на аналогов сигнал и цифрова телевизияв системи за кабелна телевизия и високоскоростен интернет достъп се базира на 16QAM и 64QAM, докато в сателитни комуникацииизползвайте QPSK и различни версии QAM.

За обществената безопасност наземни мобилни радиосистеми наскоро бяха приети стандарти за модулация на глас и данни 4FSK. Тази техника за стесняване на честотната лента е предназначена да намали честотната лента от 25 kHz на канал до 12,5 kHz и в крайна сметка до 6,25 kHz. В резултат на това повече канали могат да бъдат поставени в същия спектрален диапазон за други радиостанции.

Телевизията с висока разделителна способност в Съединените щати използва техника на модулация, наречена осемстепенна остатъчна странична лента или 8VSB. Този метод разпределя три бита на символ при 8 нива на амплитуда, което позволява предаване на 10 800 символа в секунда. При 3 бита на знак, пълната скорост е 3 × 10 800 000 = 32,4 MB / s. В комбинация с VSB, който предава само една пълна странична лента и част от другата, HD видео и аудио данни могат да се предават по 6 MHz телевизионен канал.

110 Глава 2. Физически слой

смущения по линията. С други думи, ограничаването на честотната лента на канала ограничава неговата честотна лента за предаване на двоични данни, дори за идеални канали. Съществуват обаче вериги, използващи множество нива на напрежение и позволяват постигане на по-високи скорости на данни. Ще обсъдим това по-късно в тази глава.

Таблица 2.1. Връзката между скоростта на предаване и броя на хармониците за нашия пример

Има много объркване относно термина "широчина на честотната лента", защото той означава различни неща за електроинженерите и компютърните учени. За електроинженера (аналоговата) честотна лента, както беше обсъдено по-горе, е стойност в херци, показваща честотната лента. За компютърния учен (цифровата) честотна лента е максималната скорост на данни в канал, тоест стойността, измерена в битове в секунда. Всъщност скоростта на данни се определя от аналоговата честотна лента на физическия канал, използван за предаване на цифрова информация, и двете са свързани, както ще видим по-късно. В цялата книга ще стане ясно от контекста кой термин се има предвид във всеки конкретен случай – аналогова (Hz) или цифрова (bps) честотна лента.

2.1.3. Максимална скорост на предаване на данни през канала

През 1924 г. американският учен Х. Найкуист от AT&T заключава, че има определена максимална скорост на предаване, дори за идеални канали. Той изведе уравнение за намиране на максималната скорост на трансфер на данни в безшумен канал с ограничена честотна лента. През 1948 г. Клод Шанън продължава работата на Найкуист и я разширява до случая на канал със случаен (т.е. термодинамичен) шум. Това е най-важната работа в цялата теория на трансфера на информация. Ще разгледаме накратко резултатите от работата на Найкуист и Шанън, които днес са се превърнали в класика.

Найкуист доказа, че ако произволен сигнал премине през нискочестотен филтър с лента B, тогава такъв филтриран сигнал може да бъде напълно реконструиран от дискретните стойности на този сигнал, измерени на честотата

2.1. Теоретична основа предаване на данни   111

2B в секунда. Няма смисъл да измервате сигнала по-често от 2B в секунда, тъй като по-високите честотни компоненти на сигнала са филтрирани. Ако сигналът се състои от V дискретни нива, тогава уравнението на Найкуист ще изглежда така:

максимална скорост на предаване на данни = 2B log2 V, bit/s.

Например, безшумен канал с честотна лента от 3 kHz не може да предава двоични (т.е. двустепенни) сигнали със скорост над 6000 bps.

И така, разгледахме случая с безшумните канали. При наличие на произволен шум в канала ситуацията рязко се влошава. Нивото на термодинамичния шум в канала се измерва чрез съотношението на мощността на сигнала към мощността на шума и се нарича съотношение сигнал/шум... Ако обозначим силата на сигнала като S и мощността на шума като N, тогава съотношението сигнал/шум ще бъде равно на S / N. Обикновено стойността на съотношението се изразява чрез неговия десетичен логаритъм, умножен по 10: 10 lgS / N, тъй като стойността му може да варира в много голям диапазон. Единицата на такава логаритмична скала се нарича децибел (dB, dB); тук префиксът „deci“ означава „десет“, а „bel“ е единица, кръстена на изобретателя на телефона Александър Греъм Бел. По този начин, съотношение сигнал/шум от 10 е равно на 10 dB, съотношение от 100 е равно на 20 dB, съотношение от 1000 е равно на 30 dB и т.н. Производителите на стерео усилватели често посочват честотната лента (честотен диапазон), в която тяхното оборудване има линейна честотна характеристика в рамките на 3 dB. Отклонение от 3 dB съответства на затихване на сигнала приблизително два пъти (защото 10 log10 0,5 ≈ –3).

Основният резултат, който Шанън получи, беше твърдението, че максималната скорост на предаване на данни или капацитет на канала с честотна лента B Hz и съотношение сигнал/шум, равно на S / N, се изчислява по формулата:

максимална скорост на трансфер на данни = B log2 (1 + S / N), bit / s.

Това е най-добрата стойност на капацитета, която може да се наблюдава за реален канал. Например, честотната лента на канала ADSL (Асиметрична цифрова абонатна линия), през който се осъществява достъп до Интернет чрез телефонни мрежи, е приблизително 1 MHz. Съотношението сигнал/шум до голяма степен зависи от разстоянието между компютъра на потребителя и телефонната централа. За къси връзки с дължина от 1 до 2 km, стойност от около 40 dB се счита за много добра. С такива характеристики каналът никога няма да може да предава повече от 13 Mbit/s, независимо от метода на модулация на сигнала, тоест броя на използваните нива на сигнала, честотата на дискретизация и т.н. Доставчиците на услуги твърдят, че скоростта на предаване на данни се повишава до 12 Mbit/s, но потребителите рядко успяват да наблюдават такова качество на предаване на данни. Независимо от това, това е отличен резултат за шестдесет години на развитие на технологиите за предаване на информация, през които имаше огромен скок от капацитета на канала, характерен за времето на Шанън, до този, съществуващ в съвременните реални мрежи.

Резултатът, получен от Шанън и подкрепен от постулатите на теорията на информацията, е приложим за всеки канал с гаусов (термичен) шум. Опитите да се докаже противното са обречени на провал. За да се постигне в канала ADSL скоростинад 13 Mbit / s, е необходимо или да се подобри съотношението

Един от основните недостатъци в стандартите безжична комуникация IEEE 802.11 a / b / g - скоростта на данни е твърде ниска. Всъщност теоретичната пропускателна способност на протоколите IEEE 802.11 a / g е само 54 Mbit / s, а ако говорим за действителната скорост на предаване на данни, тогава тя не надвишава 25 Mbit / s. Разбира се, тази скорост вече не е достатъчна за много задачи днес, така че на дневен ред е въпросът за въвеждане на нови стандарти за безжична комуникация, които осигуряват значително по-високи скорости.
В отговор на непрекъснато нарастващото търсене на високопроизводителни безжични LAN, Комитетът по стандартите на Института на инженерите по електроника и електроника (IEEE-SA) инициира създаването на проучвателна група IEEE 802.11n (802.11 TGn) през втората половина на 2003 г. TGn има задачата да разработи нов стандарт за безжични комуникации, IEEE 802.11n, с минимална безжична честотна лента от 100 Mbps.
Стандартът IEEE 802.11n все още е в процес на разработка, но много производители на безжично оборудване вече пуснаха безжични адаптери и точки за достъп, базирани на така наречената MIMO технология, която ще се превърне в една от основните технологии за спецификацията 802.11n. По този начин безжичните устройства MIMO могат да се считат за продукти преди 802.11n.
В тази статия ще разгледаме характеристиките на MIMO технологията, като използваме пример безжичен рутер ASUS WL-566gM в комбинация с безжичен PCMCIA адаптер ASUS WL-106gM.

История на развитието на стандартите от семейството 802.11

802.11 протокол

Логично е прегледът на протоколите от семейството 802.11b/g да започне с протокола 802.11, който е предшественик на всички останали протоколи, въпреки че днес вече не се среща в чист вид. Стандартът 802.11, както всички други стандарти от това семейство, предвижда използването на честотния диапазон от 2400 до 2483,5 MHz, тоест честотен диапазон от 83,5 MHz, разделен на няколко честотни подканала.

Стандартът 802.11 се основава на технологията Spread Spectrum (SS), което предполага, че първоначално теснолентовият (по отношение на ширината на спектъра) полезен информационен сигнал по време на предаване се преобразува по такъв начин, че неговият спектър е много по-широк от оригиналния спектър на сигнала. Едновременно с разширяването на спектъра на сигнала настъпва преразпределение на спектралната енергийна плътност на сигнала – енергията на сигнала също се „размазва“ по спектъра.

802.11 използва технологията Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Същността му се крие във факта, че за да се разшири спектърът на първоначално теснолентовия сигнал, във всеки предаван информационен бит е вградена последователност от чип, която е последователност от правоъгълни импулси. Ако продължителността на един импулс на чипа е n пъти по-малка от продължителността на информационния бит, тогава ширината на спектъра на преобразувания сигнал ще бъде n пъти по-голяма от ширината на спектъра на оригиналния сигнал. В този случай амплитудата на предавания сигнал ще намалее с n пъти.

Чип последователности, вградени в информационни битове, се наричат ​​шумоподобни кодове (PN-последователности), което подчертава факта, че полученият сигнал става шумоподобен и е труден за разграничаване от естествения шум.

За да може приемащата страна да изолира полезния сигнал на нивото на шума, последователностите на чиповете, използвани за разширяване на спектъра на сигнала, трябва да отговарят на определени изисквания за автокорелация. Има много последователности на чипове, които отговарят на определените изисквания за автокорелация. 802.11 използва последователности от 11 чипа, наречени Barker кодове.

Стандартът 802.11 предоставя два скоростни режима - 1 и 2 Mbps. Честотата на повторение на отделните чипове в последователността на Barker е 11×106 чипа / s, а ширината на спектъра на такъв сигнал е 22 MHz. Като се има предвид, че ширината на честотния диапазон е равна на 83,5 MHz, намираме, че общо в това честотен диапазонмогат да се настанят три неприпокриващи се честотни канала. Целият честотен диапазон обаче обикновено се разделя на 11 припокриващи се честотни канала от 22 MHz, разположени на разстояние 5 MHz един от друг. Например, първият канал заема честотния диапазон от 2400 до 2423 MHz и е съсредоточен върху честотата от 2412 MHz. Вторият канал е центриран по отношение на честотата от 2417 MHz, а последният, 11-ти канал, е центриран около честотата от 2462 MHz. В този изглед първият, шестият и 11-ият канал не се припокриват един с друг и имат разлика от 3MHz един спрямо друг. Тези три канала могат да се използват независимо един от друг.

Диференциалният двоичен ключ за изместване на фазата (DBPSK) се използва за модулиране на синусоидален носещ сигнал при скорост на данни от 1 Mbps.

При скорост на данни от 2 Mbps се прилага ключ за диференциално квадратурно фазово изместване за модулиране на носещата вълна, което удвоява скоростта на предаване на данни.

802.11b протокол

Протоколът IEEE 802.11b, приет през юли 1999 г., е вид разширение на основния протокол 802.11 и в допълнение към скоростите от 1 и 2 Mbit/s, осигурява скорости от 5,5 и 11 Mbit/s. За работа при скорости от 5,5 и 11 Mbps се използва така нареченото Complementary Code Keying (CCK).

Стандартът IEEE 802.11b се занимава със сложни допълващи се последователности от 8 чипа, дефинирани върху много сложни елементи. Самите елементи на последователността от 8 чипа могат да приемат една от осем комплексни стойности.

Основната разлика между CCK последователностите и разглежданите по-рано кодове на Barker е, че няма строго определена последователност (чрез която може да се кодира логическа нула или единица), а цял набор от последователности. Като се има предвид, че всеки елемент от последователността може да приеме една от осем стойности, е ясно, че може да се комбинира достатъчно голям брой различни CCK последователности. Това обстоятелство прави възможно кодирането на няколко информационни бита в един предаван символ, като по този начин се увеличава скоростта на предаване на информацията. По този начин използването на CCK кодове прави възможно кодирането на 8 бита на символ със скорост от 11 Mbit / s и 4 бита на символ със скорост от 5,5 Mbit / s. В този случай и в двата случая скоростта на предаване на символа е 1,385×106 символа в секунда (11/8 = 5,5 / 4 = 1,385) и като се има предвид, че всеки символ е определен от последователност от 8 чипа, получаваме, че и в двата случаите честотата на повторение на отделните чипове е 11/106 чипа в секунда. Съответно, ширината на спектъра на сигнала при 11 и 5,5 Mbit/s е 22 MHz.

802.11g протокол

Стандартът IEEE 802.11g е логично развитие на стандарта 802.11b и предполага предаване на данни в същия честотен диапазон, но с по-високи скорости. Освен това стандартът 802.11g е напълно съвместим с 802.11b, което означава, че всяко 802.11g устройство трябва да поддържа 802.11b устройства. Максималната скорост на предаване в стандарта 802.11g е 54 Mbps.

Стандартът 802.11g използва OFDM и CCK технологии и по избор предвижда използването на PBCC технология.

За да разберем същността на OFDM технологията, нека разгледаме по-подробно многопътните смущения, произтичащи от разпространението на сигнали в отворена среда.

Ефектът от интерференцията на многопътния сигнал е, че множеството отражения от естествени препятствия могат да доведат до достигане на един и същ сигнал до приемника по различни начини. Но различните пътища на разпространение се различават една от друга по дължина и следователно за различните пътища на разпространение затихването на сигнала няма да бъде същото. Следователно в точката на приемане полученият сигнал е интерференция на много сигнали с различни амплитуди и изместени един спрямо друг във времето, което е еквивалентно на добавянето на сигнали с различни фази.

Многопътните смущения водят до изкривяване на получения сигнал. Многопътните смущения са присъщи на всеки тип сигнал, но имат особено отрицателен ефект върху широколентовите сигнали, тъй като при използване на широколентов сигнал смущенията причиняват добавяне на определени честоти във фаза, което води до увеличаване на сигнала, а някои, на обратното, извън фаза, което води до отслабване на сигнала при дадена честота.

Когато говорим за многопътни смущения, които възникват по време на предаване на сигнала, се отбелязват два крайни случая. В първия случай максималното закъснение между сигналите не надвишава продължителността на един символ и интерференцията възниква в рамките на един предаван символ. Във втория случай максималното закъснение между сигналите е по-дълго от продължителността на един символ, следователно в резултат на смущението се добавят сигнали, представляващи различни символи и възниква така наречената междусимволна интерференция (Inter Symbol Interference, ISI). .

Именно междусимволната интерференция влияе най-негативно на изкривяването на сигнала. Тъй като символът е дискретно състояние на сигнал, характеризиращо се със стойностите на носещата честота, амплитудата и фазата, амплитудата и фазата на сигнала се променят за различни символи и следователно е изключително трудно да се възстанови оригиналният сигнал .

Поради тази причина при високи скорости на данни се използва техника за кодиране на данни, наречена мултиплексиране с ортогонално честотно разделяне (OFDM). Същността на този метод е, че предаваният поток от данни се разпределя по много честотни подканали и предаването се извършва паралелно по всички такива подканали. В този случай висока скорост на предаване се постига именно поради едновременното предаване на данни през всички канали, докато скоростта на предаване в отделен подканал може да бъде ниска.

Поради факта, че във всеки от честотните подканали скоростта на предаване на данни може да не бъде твърде висока, се създават предпоставки за ефективно потискане на междусимволните смущения.

Мултиплексирането с честотно разделяне изисква отделният канал да бъде достатъчно тесен, за да минимизира изкривяването на сигнала, но достатъчно широк, за да осигури необходимата скорост на предаване. Освен това, за икономично използване на цялата честотна лента на канала, разделена на подканали, е желателно честотните подканали да се поставят възможно най-близо един до друг, но в същото време да се избягват междуканални смущения, за да се гарантира тяхната пълна независимост . Честотните канали, които отговарят на горните изисквания, се наричат ​​ортогонални. Носителите на всички честотни подканали са ортогонални един на друг. Важно е, че ортогоналността на носещите сигнали гарантира честотната независимост на каналите един от друг, а оттам и липсата на междуканални смущения.

Обсъжданият метод за разделяне на широколентов канал на ортогонални честотни подканали се нарича мултиплексиране с ортогонално честотно разделяне (OFDM). За да го реализират, предавателите използват обратно бързо преобразуване на Фурие (IFFT), което преобразува сигнала, предварително мултиплексиран в n-канала, от времево представяне в честотно.

Едно от ключовите предимства на OFDM е комбинацията от висока битова скорост с ефективна многопътна устойчивост. Разбира се, самата OFDM технология не изключва многопътното разпространение, но създава предпоставките за елиминиране на ефекта от междусимволна интерференция. Факт е, че неразделна част от OFDM технологията е Guard Interval (GI) - циклично повторение на края на символ, добавен в началото на символ.

Защитният интервал създава времеви паузи между отделните символи и ако продължителността на защитния интервал надвишава максималното време за забавяне на сигнала в резултат на многопътно разпространение, тогава междусимволна интерференция не възниква.

Когато се използва OFDM технология, продължителността на защитния интервал е една четвърт от продължителността на самия символ. В този случай символът има продължителност 3,2 μs, а защитният интервал е 0,8 μs. По този начин продължителността на символа заедно със защитния интервал е 4 μs.

Говорейки за честотното ортогонално разделяне на каналите OFDM, прилагани с различни скорости в протокола 802.11g, все още не сме засегнали въпроса за метода за модулиране на носещия сигнал.

Припомнете си, че протоколът 802.11b използва или двоична (BDPSK), или квадратурна (QDPSK) относителна фазова модулация за модулация. 802.11g на ниски скоростиФазова модулация (само неотносителна) също се използва за предаване, тоест двоична и квадратурна фазова модулация BPSK и QPSK. Когато се използва BPSK модулация, само един информационен бит се кодира в един символ, а при използване на QPSK модулация се кодират два информационни бита. BPSK модулацията се използва за предаване на данни при 6 и 9 Mbit/s, а QPSK модулацията при 12 и 18 Mbit/s.

За предаване с по-високи скорости се използва QAM (квадратурна амплитудна модулация), при която информацията се кодира чрез промяна на фазата и амплитудата на сигнала. Протоколът 802.11g използва 16-QAM и 64-QAM модулация. Първата модулация приема 16 различни състояния на сигнала, което ви позволява да кодирате 4 бита в един символ; вторият - 64 възможни състояния на сигнала, което прави възможно кодирането на последователност от 6 бита в един символ. 16-QAM модулацията се използва при 24 и 36 Mbps, а 64-QAM се използва при 48 и 54 Mbps.

Максимална скорост на трансфер на данни в протоколи 802.11b/g

Така че максималната скорост за протокола 802.11b е 11 Mbps, а за протокола 802.11g е 54 Mbps.

Въпреки това, трябва да се направи ясно разграничение между общата скорост на предаване и използваемата скорост на предаване. Факт е, че технологията за достъп до средата за предаване на данни, структурата на предаваните кадри, заглавките, добавени към предаваните кадри на различни нива на модела OSI - всичко това предполага доста голямо количество служебна информация. Нека си припомним поне наличието на защитни интервали при използване на OFDM технология. В резултат на това полезни или реална скоростскоростта на предаване, тоест скоростта на предаване на потребителските данни, винаги е под пълната скорост на предаване.

Освен това действителната скорост на предаване също зависи от структурата безжична мрежа... Така че, ако всички клиенти в мрежата използват един и същ протокол, например 802.11g, тогава мрежата е хомогенна и скоростта на пренос на данни в нея е по-висока, отколкото в смесена мрежа, където има както 802.11g, така и 802.11b клиенти. Това е така, защото 802.11b клиентите не „чуват“ 802.11g клиенти, които използват OFDM кодиране. Следователно, за да се осигури споделен достъп до средата за предаване на данни на клиенти, използващи различни видове модулация, в такива смесени мрежи точките за достъп трябва да реализират определен защитен механизъм. В резултат на прилагането на защитни механизми в смесени мрежи, реалната скорост на предаване става още по-ниска.

В допълнение, действителната скорост на трансфер на данни зависи както от използвания протокол (TCP или UDP), така и от размера на дължината на пакета. Естествено, UDP осигурява по-високи скорости на предаване. Теоретичните максимални скорости на предаване на данни за различни видове мрежи и протоколи са представени в табл. 1.

MIMO технология

OFDM технологията се използва в протоколите 802.11g и 802.11a, но само при скорости до 54 Mbps. При по-високи скорости OFDM не позволява да се избегнат междусимволни смущения, така че трябва да се използват други методи за кодиране и предаване на данни. Например технологията Smart Antenna е широко използвана. Естествено, в случая не говорим за кодиране на данни, а само за метода на тяхното предаване. Използването на множество предавателни и приемни антени може значително да подобри качеството на приемания сигнал. Факт е, че при многопътно разпространение на сигнал нивото на получената мощност е произволна функция в зависимост от относителното положение на предавателя и приемника, както и от геометрията на околното пространство. Когато използвате масив с разнообразие от антени, винаги можете да изберете антената с най-високо съотношение сигнал/шум. В системи, базирани на интелигентни антени, скоростта на предаване на данни не се увеличава - подобрява се само качеството на канала.

Въпреки това, технологията за използване на множество предавателни и приемни антени също може да увеличи пропускателната способност на комуникационния канал. Тази технология се нарича MIMO (Multiple Input Multiple Output). По аналогия традиционните системи, тоест системите с една предавателна и една приемна антена, се наричат ​​SISO (Single Input Single Output).

Теоретично, MIMO система с н предавателна и n приемна антени е в състояние да осигури пикова честотна лента от н пъти повече от SISO системите. Това се постига, като предавателят разделя потока от данни на независими битови последователности и ги предава едновременно с помощта на масив от антени. Тази техника на предаване се нарича пространствено мултиплексиране.

Помислете например за MIMO система, състояща се от н предаване и м приемни антени (фиг. 1).

Предавателят в такава система изпраща н използване на независими сигнали н антени. От приемащата страна всеки от м антените приемат сигнали, които са суперпозиция от n сигнала от всички предавателни антени. По този начин сигналът Р 1 получено от първата антена може да бъде представено като:

Р 1 = з 11 T 1 + з 21 T 2 + ... + з n1 Tн.

Записвайки подобни уравнения за всяка приемна антена, получаваме следната система:

Или, пренаписвайки този израз в матрична форма:

[Р] = [Х]·[ T],

където [Х] - трансферна матрица, описваща MIMO комуникационния канал.

За да може декодерът от приемащата страна да може правилно да реконструира всички сигнали, той трябва преди всичко да определи коефициентите з ijхарактеризиращи всеки от м х н предавателни канали. За определяне на коефициентите з ij MIMO използва преамбюл на пакети.

След като определите коефициентите на матрицата на трансфер, можете лесно да възстановите предавания сигнал:

[T] = [Х] -1 ·[ Р],

където [Х] –1 - матрица, обратна на матрицата за прехвърляне [Х] .

Важно е да се отбележи, че в технологиите MIMO приложениеМножество предавателни и приемни антени позволяват да се увеличи пропускателната способност на комуникационния канал поради изпълнението на няколко пространствено разделени подканала, докато данните се предават в същия честотен диапазон.

Технологията MIMO не засяга метода за кодиране на данни по никакъв начин и по принцип може да се използва в комбинация с всякакви физически и логически методи за кодиране на данни. Това прави MIMO технологията съвместима с 802.11a / b / g протоколи.

Съответно точката за достъп ASUS WL-566gM използва три външни антени, което гарантира създаването на няколко пространствено разделени безжични канала в един и същ честотен диапазон. В резултат на това броят на "мъртвите зони" в безжичната мрежа се намалява и радиосигналите се предават на по-голямо разстояние, което увеличава пропускателната способност на цялата мрежа.

Имайте предвид, че точката за достъп, интегрирана в рутера ASUS WL-566gM, е базирана на чипсета Airgo AGN300, който включва процесор на ниво AGN303BB MAC и AGN301RF / AGN302R двулентови PHY контролери. Имайте предвид също, че чипсетът Airgo AGN300 поддържа стандартите 802.11a / b / g. V техническа характеристикаЧипсетът Airgo AGN300 уточнява, че при използване на стандартни радио канали с честотна лента от 20 MHz, максималната скорост на предаване на данни е 126 Mbps. Скоростта от 240 Mbps се постига с помощта на Adaptive Channel Expansion (ACE), технология, която комбинира множество канали в един. По-специално, става дума за комбиниране на два съседни канала в един с ширина 40 MHz - в този случай се постига дадена скорост на предаване от 240 Mbit / s.

Ясно е, че за внедряването на MIMO технологията всички клиенти в мрежата трябва да бъдат оборудвани с безжични адаптери, съвместими с MIMO технологията. Поддръжката на MIMO обаче не означава, че този рутер не може да работи с 802.11g / b устройства. Просто ако е осигурена съвместимост с тези устройства, тогава всички мрежови клиенти, дори и тези, които поддържат MIMO технология, ще работят с помощта на протокола 802.11g или 802.11b.

В настройките на рутера ASUS WL-566gM можете да зададете един от трите режима на работа на безжичната точка за достъп: Автоматичен, Само 54G, Само 802.11b. В режим само 54G, както точката за достъп, така и всички безжични клиенти в мрежата използват протокола 802.11g. Този режим е предназначен за използване в хомогенни мрежи, когато всички клиенти на мрежата поддържат протокола 802.11g.

Режимът Само 802.11b е фокусиран върху хетерогенни мрежи, когато няколко мрежови клиента не поддържат 802.11g и могат да комуникират само чрез 802.11b. В този режим всички клиенти на мрежата и точката за достъп работят с помощта на протокол 802.11b.

В автоматичен режим точката за достъп трябва самостоятелно да определи типа на безжичната мрежа (хомогенна, хетерогенна) и да се адаптира съответно към мрежата.

Както можете да видите, няма отделен MIMO режим в настройките на точката за достъп. Това обаче не противоречи на нищо, тъй като режимът MIMO е метод за организиране на безжични комуникационни канали, който не противоречи на протокола 802.11g. Следователно първоначално предположихме, че този режим ще бъде активиран както в режимите Auto, така и в режимите само 54G.

Що се отнася до останалите опции за настройка на безжична мрежа, те са доста традиционни. Можете да активирате или деактивирате безжичната мрежа, да изберете номера на канала на безжичната връзка, да зададете идентификатора (SSID) на безжичната мрежа и да зададете скоростта на безжичната връзка. Освен това, с принудителна настройка на скоростта на връзката, можете да зададете скорост над 54 и до 240 Mbps (72, 84, 96, 108, 126, 144, 168, 192, 216 и 240).

Освен това има режим на скрит идентификатор на безжична мрежа (Broadcast SSID).

Методите за повишаване на сигурността на безжичната връзка са доста често срещани и включват възможността за конфигуриране на MAC филтър, използване на скрит мрежов идентификатор и различни методи за удостоверяване на потребителя и криптиране на данни. Разбира се, мерки като настройка на MAC филтър и използване на режим Hidden Network ID не могат да се считат за основна пречка пред нападателите. Просто тези функции са стандартни за всички. безжични точкидостъп.

Рутерът поддържа следните типове протоколи за защита: WEP, WPA-PSK и WPA-EAP. При използване на протокола WEP сигурност(който, между другото, поради своята уязвимост трябва да се използва само в краен случай) 64- и 128-битови ключове се поддържат. Освен това е възможно да се създадат до четири ключа с индикация на този по подразбиране. Но ние още веднъж подчертаваме, че този протокол може да се използва само в изключителни случаи, тъй като не гарантира никаква реална сигурност и е до известна степен еквивалентен отворена системаняма криптиране на данни.

Протоколът за сигурност WPA-PSK с предварително споделени ключове (предварително споделен ключ) предполага използването на парола (ключ) с дължина от 8 до 64 знака. Удостоверяването с WPA-PSK използва криптиране по протокол за временен ключ за цялост (TKIP) или AES или AES и TKIP. Естествено, AES криптирането е за предпочитане.

Протоколът за защита WPA-EAP предполага удостоверяване на потребител на външен RADIUS сървър (в допълнение, трябва да посочите IP адреса на RADIUS сървъра и порта, който ще се използва). Този протокол поддържа TKIP, AES или AES и TKIP криптиране едновременно.

Сега нека разгледаме опциите за конфигурация на рутера ASUS WL-566gM.

За вътрешната мрежа (LAN сегмент) можете да зададете IP адреса и маската на подмрежата на рутера, както и настройката на вградения DHCP сървър. Опциите за конфигурация на външна мрежа (WAN сегмент) включват определяне и конфигуриране на интерфейса за връзка с външна мрежа (Интернет). Рутерът ASUS WL-566gM предоставя следните видове външна мрежова връзка: динамичен IP адрес, статичен IP адрес, PPPoE, PPTP и BigPond. Всъщност последният тип връзка не се намира в Русия и можете да забравите за него. За домашни потребители поддръжката е от значение PPPoE протокол(обикновено се използва с DSL връзка) или динамично присвояване на IP адрес. При прилагане на връзка PPPoE типтрябва също да зададете името на ISP (доставчик на интернет услуги), да посочите потребителско име и парола за достъп до Интернет и адресите на DNS сървърите (тоест цялата информация, която вашият интернет доставчик ви предоставя). Когато използвате динамично присвояване на IP адрес, трябва само да посочите името на хоста, тоест името на вашия възел в мрежата.

Когато използвате статичен IP адрес, в допълнение към присвояването на име на ISP, ще трябва да посочите IP адреса на WAN порта (WAN IP адрес), маската на подмрежата (WAN Subnet Mask), шлюза по подразбиране (WAN Gateway), и адресните DNS сървъри.

Тъй като рутерът ASUS WL-566gM е NAT устройство, което е доста типично за устройствата от този клас, той предоставя различни мерки за заобикаляне на ограниченията на NAT протокола. И така, за достъп локална мрежаот външната мрежа рутерът поддържа създаването на демилитаризирана зона (DMZ) и възможността за конфигуриране на виртуален сървър.

Само един компютър може да бъде включен в DMZ зоната, като се посочи принадлежността на неговия IP адрес към зоната DMZ. В този случай, когато посочите IP адреса на WAN порта на рутера, всички заявки ще бъдат пренасочени към IP адреса на компютъра в зоната DMZ. Всъщност това позволява достъп до компютър във вътрешната мрежа, заобикаляйки NAT рутера, което, разбира се, намалява сигурността, но в някои случаи е необходимо.

Алтернатива на зоната DMZ е възможността за конфигуриране на виртуален сървър (технология за пренасочване на статичен порт). Факт е, че при използване на протокола NAT вътрешната мрежа остава недостъпна отвън и трафикът към вътрешната мрежа е възможен само ако заявката се генерира от вътрешната мрежа. Когато се получи пакет от вътрешната мрежа, NAT устройството създава таблица за съответствие между IP адресите и портовете на получателя и подателя на пакетите, която се използва за филтриране на трафика. Когато създавате таблица за статично съпоставяне на портове, е възможен достъп до вътрешната мрежа чрез конкретен порт от външната мрежа, дори ако заявката за достъп до мрежата е инициирана отвън.

Когато конфигурират виртуален сървър, потребителите получават външен достъп до специфични приложения, инсталирани на виртуален сървър във вътрешната мрежа. При конфигуриране на виртуален сървър се посочва IP адресът на виртуалния сървър, използвания протокол (TCP, UDP и др.), както и вътрешният порт (Private Port) и външен порт (Public Port).

Освен това рутерът ASUS WL-566gM поддържа технология за динамично пренасочване на портове. Статичното пренасочване на портове частично решава проблема с достъпа от външната мрежа до услугите на локалната мрежа, защитени от NAT устройство. Съществува обаче и обратен проблем - да се осигури на потребителите на локална мрежа достъп до външната мрежа чрез NAT устройство. Факт е, че някои приложения (например интернет игри, видеоконферентна връзка, интернет телефония и други приложения, които изискват създаване на много сесии едновременно) не са съвместими с NAT технологията. За да се реши този проблем, се използва така нареченото динамично пренасочване на портове (понякога наричано още Приложения), когато пренасочването на портове е зададено на ниво отделни мрежови приложения. Ако рутерът поддържа тази функция, трябва да зададете номера на вътрешния порт (или диапазона на портовете), свързан с конкретно приложение (Trigger Port) и номера на външния порт на NAT устройството (Public Port), който ще бъде съпоставен с вътрешния порт .

Когато динамичното пренасочване на портове е активирано, рутерът следи изходящия трафик от вътрешната мрежа и запомня IP адреса на компютъра, генериращ този трафик. Когато данните пристигнат обратно в локалния сегмент, пренасочването на портове се включва и данните се предават. След като прехвърлянето приключи, пренасочването е деактивирано и всеки друг компютър може да създаде ново пренасочване към своя собствен IP адрес.

Рутерът ASUS WL-566gM има вградена SPI защитна стена с широки опции за персонализиране: можете да активирате или деактивирате защитната стена, да откажете уеб достъпа до вътрешната мрежа от външната мрежа, да посочите порта за уеб достъп от външната мрежа, да блокирате рутера на отговор на командата Ping от външната мрежа, конфигуриране на графика за филтриране на достъп от вътрешната мрежа към външната, блокиране на URL адреси (домейни).

Тестване на рутер ASUS WL-566gM

T Тестването на този рутер се проведе на три етапа. На първия етап беше оценена производителността на самия рутер при прехвърляне на данни между WAN и LAN сегменти, на втория - между WLAN и WAN сегменти, а на последния етап - между WLAN и LAN сегменти.

Тестването на производителността беше извършено с помощта на специален софтуер NetIQ Chariot версия 5.0. За тестване използвахме стойка, състояща се от компютър и лаптоп ASUS A3A. За да се оцени предимството на MIMO технологията, беше проведено тестване с помощта на вградения лаптоп безжичен адаптер Intel PRO Wireless 2200BG над 802.11g и ASUS WL-106gM безжичен PCMCIA адаптер, който е MIMO съвместим.

На лаптоп и компютър е инсталиран операционна система Microsoft Windows XP Professional SP2.

Тест 1. Скорост на маршрутизиране на WAN-LAN (кабелен сегмент)

Първоначално честотната лента на рутера беше измерена при прехвърляне на данни между WAN и LAN сегментите, за което компютър, симулиращ външна мрежа, беше свързан към WAN порта на рутера, а лаптоп, симулиращ вътрешна мрежа, беше свързан към LAN порта .

След това, използвайки софтуерния пакет NetIQ Chariot 5.0, измерихме трафика над TCP протоколмежду компютри, свързани към рутера, за които се изпълняваха скриптове за 5 минути, емулирайки съответно прехвърлянето и получаването на файлове. Предаването на данни беше инициирано от вътрешната LAN мрежа. Прехвърлянето на данни от LAN към WAN сегмент се емулира с помощта на скрипта Filesndl.scr (прехвърляне на файлове), а прехвърлянето в обратна посока - с помощта на скрипта Filercvl.scr (получаване на файлове). За да се оцени производителността в пълен дуплексен режим, бяха емулирани едновременно предаване и приемане на данни.

При тестване на безжичен рутер, вградената защитна стена е активирана.

Тест 2. Скорост на WAN маршрутизиране — WLAN (безжичен сегмент)

Следващата стъпка беше да се оцени скоростта на маршрутизиране при прехвърляне на данни между външния WAN сегмент и вътрешния безжичен мрежов сегмент (WLAN). За да направите това, компютърът беше свързан към WAN порта чрез интерфейс 10 / 100Base-TX и между вградената точка за достъп и лаптоп ASUS A3A с безжичен адаптер безжична връзкачрез протокола IEEE 802.11g и в режим MIMO. Взаимодействието по протокола IEEE 802.11g беше осъществено с помощта на безжичен адаптер Intel PRO Wireless 2200BG, вграден в лаптопа, а за взаимодействие в режим MIMO беше използван ASUS WL-106gM безжичен PCMCIA адаптер.

Скоростта на маршрутизиране беше измерена по същия начин, както в предишния тест. Тестването показа, че използването на различни режими на криптиране на трафика (WEP, TKIP, AES) не влияе по никакъв начин на скоростта на предаване на данни. Затова решихме да не представяме резултатите, тъй като те напълно съвпадат със съответните резултати при липса на криптиране.

Тест 3. Скорост на маршрутизиране LAN — WLAN (безжичен сегмент)

За тестване на точката за достъп, вградена в рутера, компютърът беше свързан към LAN порта чрез интерфейса 10 / 100Base-TX, а вградената точка за достъп взаимодейства с лаптоп, оборудван с интегриран безжичен контролер. Скоростта на трансфер на данни беше измерена точно по същия начин, както в предишния тест.

Резултати от тестовете

Резултатите от теста на безжичния рутер са показани в табл. 2.

Както можете да видите от резултатите от теста, скоростта на маршрутизиране, предоставена от устройството, е много висока и е ограничена от скоростта на протокола на интерфейса Fast Ethernet. За корпоративни потребители, свързани с високоскоростни интернет канали, това означава, че самият рутер няма да бъде пречка за връзка за данни, въпреки факта, че предоставя пълен анализ на входящите пакети (SPI защитна стена).

Както се очаква, резултатите от теста в режимите на предаване на трафик WAN> WLAN и LAN> WLAN се различават малко един от друг, което е съвсем естествено, тъй като процесът на маршрутизиране на пакети не влияе на производителността на устройството. По същия начин, WLAN> WAN трафик е същият като WLAN> LAN трафик.

Що се отнася до работата на точката за достъп в стандартен 802.11g режим, нямаме коментари по този въпрос. Скоростта на пренос на данни във всички режими е над 20 Mbps, което е доста характерно за 802.11g устройства.

Използването на режим MIMO ви позволява да увеличите скоростта на предаване на данни в посока от точката за достъп до безжичния клиент до 55 Mbps и в обратна посока - до 70-75 Mbps. Това, разбира се, не е декларираните 240 Mbps, но все пак почти три пъти повече от показателите на типичните устройства от стандарта 802.11g.

Като цяло можем да кажем, че рутерът ASUS WL-566gM е доста функционален, има прекомерен (за домашен потребител) брой настройки и висока производителност във всички режими на работа.

Редакторите биха искали да изразят своята благодарност към представителството на ASUSTeK COMPUTER (www.asuscom.ru) за предоставянето на безжичен рутер ASUS WL-566gM, безжичен адаптер ASUS WL-106gM и лаптоп ASUS A3A за преглед.

Модерен безжичен интернетсе развива много бързо. Дори преди 3 години никой не мислеше за масовото разпространение на 4G на територията на почти цяла централна Русия, а големите оператори имаха това само в плановете си. Сега високоскоростен интернетсе появява в нови селища. Докато предишните поколения 2G и 3G бяха установени стандарти за дълго време, 4G и LTE напредват всяка година. В тази статия ще разберете каква е максималната скорост на 4G интернет и как да я измерите. Също така прочетете в следващия раздел полезен материал за това как и как се различават един от друг.

Каква скорост трябва да има 4 Ji?

Като се има предвид 4G LTE мрежата, която е първо поколение нова технология 4 Боже, тогава показателите ще бъдат много по-ниски от посочените. Още през 2008 г. бяха определени стандарти, според които максималната скорост в 4G мрежите трябва да бъде както следва:

• 100Mb/s за мобилни абонати. Те включват автомобили, влакове и т.н.;
• 1Gb/s за статични абонати (пешеходци и стационарни компютри).

В действителност обаче нещата са по-лоши от посочените стандарти. Тези параметри са зададени от създателите на технологията в идеални условия без смущения, натоварване на мрежата и други неприятни моменти. Всъщност за статичните абонати реалната цифра не надвишава 100Mb / s. Въпреки това, операторите силно твърдят 200-300Mb / s. Най-близо до тази цифра се доближиха Megafon и Beeline, които пуснаха мрежа с поддръжка на LTE Advanced или 4G +. Индикаторите на този стандарт достигат до 150Mb/s при идеални условия. Въпреки това става ясно: масовото разпространение на LTE Advanced ще трябва да изчака дълго време. Освен това нарастващият брой абонати ще увеличи натоварването на мрежата, което ще доведе до намаляване на средното.

- Защо имате нужда от набук в сито?
- Да използвате изключително възможностите на bluetooth и да общувате с други абонати в целия регион на Русия, използвайки Wi-Fi!
(C) Уралски кнедли

Работната група IEEE 802.11 беше обявена за първи път през 1990 г. и непрекъснато работи по безжичните стандарти в продължение на 25 години. Основната тенденция е постоянното увеличаване на скоростта на пренос на данни. В тази статия ще се опитам да проследя развитието на технологията и да покажа как е осигурено повишаването на производителността и какво трябва да се очаква в близко бъдеще. Предполага се, че читателят е запознат с основните принципи на безжичната комуникация: видове модулация, дълбочина на модулация, ширина на спектъра и др. и знае основните принципи Wi-Fi работамрежи. Всъщност няма много начини за увеличаване на пропускателната способност на комуникационна система и повечето от тях са внедрени на различни етапи от подобряване на стандартите на групата 802.11.

Ще се обърне внимание на определянето на стандартите физически слой, от взаимно съвместимия ред a / b / g / n / ac. 802.11af стандарти (Wi-Fi на честоти наземна телевизия), 802.11ah (Wi-Fi в обхвата 0,9 MHz, предназначен да реализира концепцията за IoT) и 802.11ad (Wi-Fi за високоскоростна комуникация на периферни устройства като монитори и външни устройства) са несъвместими един с друг, имат различни приложения и не са подходящи за анализ на развитието на технологиите за предаване на данни за дълъг интервал от време. Освен това стандартите, които определят стандартите за сигурност (802.11i), QoS (802.11e), роуминг (802.11r) и т.н., ще останат извън разглеждане, тъй като само косвено влияят върху скоростта на предаване на данни. По-нататък говорим за канала, така наречената брутна скорост, която очевидно е по-висока от действителната скорост на предаване на данни поради големия брой пакети услуги в радиообмена.

Първият безжичен стандарт беше 802.11 (без буква). Той осигурява два вида медии за предаване: радиочестота 2,4 GHz и инфрачервен обхват 850-950 nm. IR устройствата не бяха широко разпространени и не получиха развитие в бъдеще. В обхвата 2,4 GHz са предоставени два метода за разпределен спектър (разширяването на спектъра е неразделна процедура в съвременни системиЧестотен скачащ спектър на разпространение (FHSS) и спектър на разпространение на директна последователност (DSSS). В първия случай всички мрежи използват една и съща честотна лента, но с различни алгоритми за възстановяване. Във втория случай вече има честотни канали от 2412 MHz до 2472 MHz със стъпка от 5 MHz, които са оцелели и до днес. Последователността на разпространение е последователността на Баркър с 11 чипа. В този случай максималната скорост на предаване на данни варира от 1 до 2 Mbit / s. По това време, дори като се има предвид факта, че в най-идеалните условия полезната скорост на трансфер на данни през Wi-Fi не надвишава 50% от скоростта на канала, такива скорости изглеждаха много привлекателни в сравнение със скоростите на модемния достъп до Интернет.

За предаване на сигнал в 802.11 е използвано 2- и 4-позиционно манипулиране, което осигурява работата на системата дори в неблагоприятни условиясигнал/шум и не изискват сложни предавателни и приемни модули.
Например, за да се реализира скорост на данни от 2 Mbps, всеки предаван символ се заменя с последователност от 11 символа.

Така скоростта на чипа е 22 Mbps. По време на един цикъл на предаване се предават 2 бита (4 нива на сигнала). По този начин скоростта на манипулиране е 11 бода, а основният дял на спектъра е 22 MHz, стойност, която по отношение на 802.11 често се нарича ширина на канала (всъщност спектърът на сигнала е безкраен).

В този случай, според критерия на Найкуист (броят на независимите импулси за единица време е ограничен до удвоената максимална честотна лента на канала), 5,5 MHz честотна лента е достатъчна за предаване на такъв сигнал. На теория устройствата 802.11 трябва да работят задоволително на канали на разстояние 10 MHz един от друг (за разлика от по-късните реализации на стандарта, които изискват излъчване на честоти не по-малко от 20 MHz един от друг).

Много бързо скоростите от 1-2 Mbit / s не бяха достатъчни и стандартът 802.11 беше заменен от стандарта 802.11b, при който скоростта на трансфер на данни беше увеличена до 5,5, 11 и 22 (по избор) Mbit / s. Увеличаването на скоростта беше постигнато чрез намаляване на излишъка на кодиране с коригиране на грешки от 1/11 на ½ и дори 2/3 чрез въвеждане на блокови (CCK) и суперфини (PBCC) кодове. В допълнение, максималният брой етапи на модулация е увеличен до 8 на предаван символ (3 бита на 1 бод). Ширината на канала и използваните честоти не са се променили. Но с намаляване на излишъка и увеличаване на дълбочината на модулация, изискванията за съотношението сигнал/шум неизбежно се увеличават. Тъй като увеличаването на мощността на устройствата е невъзможно (поради спестяване на енергия мобилни устройстваи законови ограничения), това ограничение се прояви в леко намаляване на зоната на обслужване при нови скорости. Зоната на обслужване при старите скорости 1-2 Mbps не се е променила. Беше решено напълно да се изостави методът за разпространение на спектъра с помощта на метода на скачане на честотата. Вече не се използваше в семейството на Wi-Fi.

Следващата стъпка за увеличаване на скоростта до 54 Mbps беше внедрена в стандарта 802.11a ( този стандартзапочна разработка по-рано от стандарта 802.11b, но окончателната версия беше пусната по-късно). Увеличението на скоростта се постига главно чрез увеличаване на дълбочината на модулация до 64 нива на символ (6 бита на 1 бод). В допълнение, радиочестотната част е радикално ревизирана: директното последователно разпространение беше заменено с разпространение на спектъра чрез разделяне на серийния сигнал в паралелно ортогонално подразбиране (OFDM). Използването на паралелно предаване на 48 подканала направи възможно намаляването на междусимволните смущения чрез увеличаване на продължителността на отделните символи. Предаването на данни се извършва в обхвата 5 GHz. В този случай ширината на един канал е 20 MHz.

За разлика от стандартите 802.11 и 802.11b, дори частичното припокриване на тази лента може да доведе до грешки при предаването. За щастие, в диапазона от 5 GHz, разстоянието между каналите е същите тези 20 MHz.

802.11g не е пробив по отношение на скоростите на трансфер на данни. Всъщност този стандарт се превърна в компилация от 802.11a и 802.11b в обхвата 2,4 GHz: той поддържаше скоростите на двата стандарта.

но тази технологияизисква висококачествено производство на радиочасти на устройства. В допълнение, тези скорости принципно не са осъществими на мобилни терминали (основната целева група на Wi-Fi стандарта): наличието на 4 антени на достатъчно разстояние не може да бъде реализирано в устройства с малък размер, както поради липса на пространство, и поради липса на достатъчно пространство.4 енергийни приемопредавателя.

В повечето случаи скоростта от 600 Mbps не е нищо повече от маркетингов трик и не е осъществима на практика, тъй като всъщност може да се постигне само между фиксирани точки за достъп, инсталирани в една и съща стая с добро съотношение сигнал/шум.

Следващата стъпка в скоростта на предаване беше направена от стандарта 802.11ac: максималната скорост, предоставена от стандарта, е до 6,93 Gbps, но всъщност тази скорост все още не е постигната на нито едно оборудване на пазара. Увеличението на скоростта се постига чрез увеличаване на честотната лента до 80 и дори до 160 MHz. Тази честотна лента не може да бъде предоставена в обхвата 2,4 GHz, така че стандартът 802.11ac функционира само в обхвата 5 GHz. Друг фактор за увеличаване на скоростта е увеличаване на дълбочината на модулация до 256 нива на символ (8 бита на 1 бод) За съжаление, такава дълбочина на модулация може да се получи само близо до точка поради повишените изисквания за съотношението сигнал/шум. Тези подобрения позволиха да се постигне увеличение на скоростта до 867 Mbps. Останалата част от увеличението се дължи на споменатите по-рано 8x8: 8 MIMO потоци. 867x8 = 6,93 Gbps. Технологията MIMO е подобрена: за първи път в стандарта Wi-Fi информацията в една мрежа може да се предава на двама абонати едновременно с помощта на различни пространствени потоци.

В по-нагледна форма резултатите в таблицата:

Таблицата изброява основните начини за увеличаване честотна лента: "-" - методът не е приложим, "+" - скоростта е увеличена поради този фактор, "=" - този фактор остава непроменен.

Ресурсите за намаляване на излишъка вече са изчерпани: максималният процент на кода за коригиране на грешки 5/6 е постигнат в стандарта 802.11a и оттогава не се е увеличавал. Увеличаването на дълбочината на модулация теоретично е възможно, но следващата стъпка е 1024QAM, който е много взискателен към съотношението сигнал/шум, което изключително ще намали обхвата на точката за достъп при високи скорости. Същевременно ще се повишат изискванията за изпълнение на хардуерната част на трансивърите. Намаляването на междусимволния предпазен интервал също е малко вероятно да бъде посока за подобряване на скоростта - намаляването му заплашва да увеличи грешките, причинени от междусимволна интерференция. Увеличаването на честотната лента на канала над 160 MHz също е малко възможно, тъй като възможностите за организиране на незастъпващи се клетки ще бъдат силно ограничени. Увеличаването на броя на MIMO каналите изглежда още по-малко реалистично: дори 2 канала са проблем за мобилните устройства (поради консумация на енергия и размер).

От изброените методи за увеличаване на скоростта на предаване, по-голямата част от възвръщаемостта за тяхното използване отнема полезна зона на покритие: честотната лента на вълните намалява (преход от 2,4 до 5 GHz) и изискванията за съотношението сигнал/шум ( увеличаване на дълбочината на модулация, увеличаване на кодовата скорост) увеличаване. Затова в своето развитие Wi-Fi мрежите непрекъснато се стремят да намалят обслужваната площ с една точка в полза на скоростта на пренос на данни.

Като налични насоки за подобрение могат да се използват: динамично разпределение на OFDM подносещи между абонатите в широки канали, подобряване на алгоритъма за среден достъп, насочен към намаляване на трафика на услугите и използване на техники за компенсиране на смущения.

Обобщавайки горното, ще се опитам да предскажа тенденциите в развитието на Wi-Fi мрежите: малко вероятно е в следващите стандарти да бъде възможно сериозно да се увеличи скоростта на пренос на данни (не мисля, че повече от 2- 3 пъти), ако няма качествен скок безжични технологии: почти всички възможности за количествен растеж са изчерпани. Ще бъде възможно да се задоволят нарастващите нужди на потребителите от пренос на данни само чрез увеличаване на плътността на покритие (намаляване на обхвата от точки поради контрол на мощността) и чрез по-рационално разпределение на съществуващата честотна лента между абонатите.

Като цяло тенденцията за намаляване на обслужваните зони изглежда е основната тенденция в съвременните безжични комуникации. Някои експерти смятат, че стандартът LTE е достигнал пика на капацитета си и няма да може да се развива по-нататък поради фундаментални причини, свързани с ограничения честотен ресурс. Следователно в западната мобилни мрежиРазвиват се технологиите за разтоварване: при всяка възможност телефонът се свързва с Wi-Fi от същия оператор. Това се нарича един от основните начини за спасение. мобилен интернет... Съответно ролята Wi-Fi мрежис развитието на 4G мрежите той не само не пада, но се увеличава. Което поставя все повече и повече нови високоскоростни предизвикателства пред технологията.