Базові положення стандарту IEEE 802.11n для мереж Wi-Fi

Концепція 802.11n

Стандарт 802.11n включає в себе багато удосконалень у порівнянні з пристроями стандарту 802.11g.
Пристрої 802.11n можуть працювати в одному з двох діапазонів 2.4 або 5.0 ГГц.
На фізичному рівні (PHY) реалізована вдосконалена обробка сигналу і модуляції, додана можливість одночасної передачі сигналу через чотири антени.
На канальному підрівні керування доступом до середовища (MAC) реалізовано більш ефективне використання доступної пропускної спроможності. Разом ці вдосконалення дозволяють збільшити максимальну теоретичну швидкість передачі даних до 600 Мбіт / с - збільшення більш ніж в десять разів, у порівнянні з 54 Мбіт / с стандарту 802.11a / g (сьогодні ці пристрої вже вважаються застарілими).
У реальності, продуктивність бездротової локальної мережі залежить від численних факторів, таких як середовище передачі даних, частота радіохвиль, розміщення пристроїв і їх конфігурація. При використанні пристроїв стандарту 802.11n, вкрай важливо зрозуміти, які саме удосконалення були реалізовані в цьому стандарті, на що вони впливають, а також як вони поєднуються і співіснують з мережами застарілого стандарту 802.11a / b / g бездротових мереж. Важливо зрозуміти, які саме додаткові особливості стандарту 802.11n реалізовані і підтримуються в нових бездротових пристроях.

Багатоканальний вхід/вихід (MIMO)

Одним з основних моментів стандарту 802.11n є ​​підтримка технології MIMO (Multiple-Input Multiple-Output, Багатоканальний вхід / вихід).
За допомогою технології MIMO реалізована здатність одночасного прийому / передачі декількох потоків даних через кілька антен, замість однієї.
Стандарт 802.11n визначає різні антенні конфігурації "МхN", починаючи з "1х1" до "4х4" (найпоширеніші на сьогоднішній день це конфігурації "3х3" або "2х3"). Перше число (М) визначає кількість передавальних антен (T), а друге число (N) визначає кількість прийомних антен (R). Наприклад, точка доступу з двома передавальними і трьома приймальними антенами є "2х3" (або 2T3R) MIMO-пристроєм.

Чим більше пристрій 802.11n використовує антен для одночасної роботи передачі / прийому, тим буде вище максимальна швидкість передачі даних. Однак, саме по собі використання декількох антен не збільшує швидкість передачі даних або розширення діапазону. Основним в пристроях стандарту 802.11n є ​​те, що в них реалізований вдосконалений метод обробки сигналу, який і визначає алгоритм роботи MIMO-пристрої при використанні декількох антен.
Конфігурація "4х4" при використанні модуляції 64-QAM забезпечує швидкість до 600 Мбіт / с, конфігурація "3х3" при використанні модуляції 64-QAM забезпечує швидкість до 450 Мбіт / с, в той час як конфігурації "2х3" і "1х2" забезпечать швидкість до 300 Мбіт /с.

При використанні MIMO "2x2" і підтримці модуляції 256-QAM (TurboQAM) в діапазоні 2,4 ГГц максимальна швидкість підключення на стандарті 802.11n може скласти 400 Мбіт/с (така можливість реалізована в новому інтернет-центрі Keenetic Giga).

Ширина смуги пропускання каналу 40 МГц

Іншою додатковою особливістю стандарту 802.11n є ​​збільшення ширини каналу з 20 до 40 МГц.

У бездротових мережах використовуються два частотні діапазони 2.4 ГГц і 5 ГГц. Бездротові мережі стандарту 802.11b / g працюють на частоті 2.4 ГГц, мережі стандарту 802.11a працюють на частоті 5 ГГц, а мережі стандарту 802.11n можуть працювати як на частоті 2.4 ГГц, так і на частоті 5 ГГц.
У смузі частот 2.4 ГГц для бездротових мереж доступні 13 каналів (в деяких країнах 11) з інтервалами 5 МГц між ними. Для передачі сигналу бездротові пристрої стандарту 802.11b / g використовують канали шириною 20 МГц. Бездротовий пристрій стандарту 802.11b / g використовує один з 13 каналів з смуги 20 МГц в межах частоти 2.4 ГГц, але фактично задіює 5 каналів, що перетинаються. Наприклад, якщо точка доступу використовує канал 6, то вона створює значні завади для каналів 5 і 7, а також створює завади для каналів 4 і 8. Коли відбувається передача даних пристроєм, бездротової сигнал відхиляється від центральної частоти каналу +/- 11 МГц. У деяких випадках відбувається відхилення несучої радіочастоти до 30 МГц від центрального каналу. Для виключення взаємних завад між каналами необхідно, щоб їх смуги відстояли одна від одної на 25 МГц. Таким чином, залишається всього 3  каналу на смузі 20 МГц, що не перетинаються: 1, 6 і 11.

Бездротові точки доступу, що працюють в смузі частот 2.4 ГГц, в межах однієї зони покриття повинні уникати перекриття каналів для забезпечення якості бездротової мережі

Одним з основних моментів є питання сумісності бездротових пристроїв стандарту 802.11n c пристроями 802.11a / b / g.

Більшість бездротових локальних мереж 802.11n використовують канали 40 МГц тільки в діапазоні частот 5 ГГц. У мережах, що використовують смугу частот 5 ГГц (802.11n), проблеми каналів, що перетинаються, не існує.
Пристрої стандарту 802.11n можуть використовувати ширину каналу 20 або 40 МГц в будь-якому частотному діапазоні (2.4 або 5 ГГц). При використанні ширини каналу 40 МГц (пристрої 802.11n) відбувається подвійне збільшення пропускної здатності в порівнянні з шириною каналу 20 МГц (пристрої 802.11b / g).
У смузі частот 5 ГГц є 19 каналів, що не перетинаються, які більш придатні для застосування в пристроях стандарту 802.11n, що забезпечують максимально можливу швидкість передачі даних. Сигнали розподіляються без взаємного перекриття каналів з шириною смуги 40 МГц.

Однак, при використанні смуги 40 МГц пристроями 802.11n, їх роботі можуть заважати існуючі 802.11b / g точки доступу, що призведе до зниження продуктивності всього сегмента мережі.

Режими роботи 802.11n

Існують три режими роботи 802.11n: HT, Non-HT і HT Mixed.

Розглянемо більш детально кожен з режимів.

Режим з високою пропускною здатністю HT (High Throughput)

Точки доступу 802.11n використовують режим High Throughput (HT), відомий також як "чистий" режим (Greenfield-режим), який передбачає відсутність поблизу (в зоні покриття) рацюючих пристроїв 802.11b / g, що використовують ту ж смугу частот. Якщо ж такі пристрої існують в зоні покриття, то вони не зможуть спілкуватися з точкою доступу 802.11n. Таким чином, в цьому режимі дозволені до використання тільки клієнти 802.11n, що дозволить скористатися перевагами підвищеної швидкості і збільшеної дальністю передачі даних, що забезпечуються стандартом 802.11n.

Режим з невисокою пропускною здатністю Non-HT

Точка доступу 802.11n з використанням режиму Non-HT (відомий також як успадкований режим), відправляє всі кадри в форматі 802.11b / g, щоб застарілі станції змогли зрозуміти їх. В цьому режимі точка доступу повинна використовувати ширину каналів 20 МГц і при цьому не буде використовувати переваги стандарту 802.11n. Для забезпечення зворотної сумісності всі пристрої повинні підтримувати цей режим. Потрібно враховувати, що точка доступу 802.11n з використанням режиму Non-HT НЕ буде забезпечувати високу продуктивність. При використанні цього режиму передача даних здійснюється зі швидкістю, що підтримується самим повільним пристроєм.

Змішаний режим з високою пропускною здатністю HT Mixed

Змішаний режим HT Mixed буде найбільш поширеним режимом для точок доступу 802.11n в найближчі кілька років. У цьому режимі, удосконалення стандарту 802.11n можуть бути використані одночасно з існуючими станціями 802.11b / g. Режим HT Mixed забезпечить сумісність пристроїв, але пристрої 802.11n отримають зменшення пропускної здатності. В цьому режимі точка доступу 802.11n розпізнає наявність старих клієнтів і буде використовувати більш низьку швидкість передачі даних, поки старий пристрій здійснює прийом-передачу даних.

Таким чином, при практичному застосуванні поліпшень стандарту 802.11n, переваги можуть бути досягнуті в повній мірі тільки за умови, що клієнти 802.11b / g відсутні і бездротова мережа працює в "чистому" режимі HT.

Індекс модуляції і схеми кодування (MCS)

Точкам доступу і станціям 802.11n необхідно вести узгодження просторових потоків (Spatial Streams) і ширини каналу. Залежно від кількості антен виникають кілька просторових потоків. Повну теоретично можливу пропускну здатність стандарту 802.11n в 600 Мбіт / с можна досягти лише при використанні чотирьох передавальних і чотирьох прийомних антен (конфігурація "4х4" або 4T4R).
Стандарт 802.11n визначає Індекс модуляції і схеми кодування MCS (Modulation and Coding Scheme). MCS - просте ціле число, що привласнюється кожному варіанту модуляції (всього можливо 77 варіантів). Кожен варіант визначає тип модуляції радіочастоти (Type), швидкість кодування (Coding Rate), захисний інтервал (Short Guard Interval) і значення швидкості передачі даних. Поєднання всіх цих факторів визначає реальну фізичну (PHY) або канальну швидкість передачі даних, починаючи від 6,5 Мбіт / с до 600 Мбіт / с (дана швидкість може бути досягнута за рахунок використання всіх можливих опцій стандарту 802.11n).

Тип модуляції і швидкість кодування визначають, як дані будуть передаватися в радіоефір. Наприклад, модуляція BPSK (Binary Phase Shift Keying) була включена в початковий стандарт 802.11, в той час як модуляція QAM (Quadrature Amplitude Modulation) була додана в 802.11a. Нові методи модуляції (64-QAM) і кодування, як правило, більш ефективні і підтримують більш високі швидкості передачі даних, але застарілі методи і швидкості все ще підтримуються для сумісності.

Наприклад, для досягнення максимальної швидкості з'єднання 300 Мбіт / с необхідно, щоб і точка доступу і бездротової адаптер підтримували два просторових потоку (Spatial Streams) і подвоєну ширину каналу 40 МГц. Виходячи з отриманої швидкості з'єднання по наведеній вище таблиці можна точно визначити скільки потоків і яка ширина каналу були задіяні. Так швидкості з'єднання 65 або 130 Мбіт / с говорять від тому, що один з пристроїв точка доступу або адаптер використовують одинарну ширину каналу 20 МГц.

Розшифруємо значення деяких параметрів.

Короткий захисний інтервал SGI (Short Guard Interval) визначає інтервал часу між переданими символами (найменша одиниця даних, переданих за один раз). Цей інтервал допомагає при прийомі даних уникнути затримки через міжсимвольних завад Inter-Symbol Interference (ISI) і подолати відлуння (віддзеркалення радіохвиль). У пристроях стандарту 802.11b / g використовується захисний інтервал 800 нс, а в пристроях 802.11n є ​​можливість використання паузи всього в 400 нс. Більш короткі інтервали привели б до більшого втручання і зниження пропускної спроможності, в той час як великі інтервали можуть привести до небажаних простоїв в бездротовому середовищі. Короткий захисний інтервал (SGI) може надати підвищення швидкості передачі даних до 11 відсотків.

MCS значення від 0 до 31 визначають тип модуляції і схеми кодування, які будуть використовуватися для всіх потоків. MCS значення з 32 по 77 описують змішані комбінації, які можуть бути використані для модуляцій від двох до чотирьох просторових потоків.

Точки доступу 802.11n повинні підтримувати MCS значення від 0 до 15, в той час як 802.11n станції повинні підтримувати MCS значення від 0 до 7. Всі інші значення MCS, в тому числі пов'язані з каналами шириною 40 МГц, коротким захисним інтервалом (SGI) , є опціональними. Визначення значення MCS і SGI для всіх ваших пристроїв 802.11n, є хорошим способом для визначення набору швидкостей передачі даних, які можуть бути використані вашої бездротовою мережею.

Безпека

Стандарт 802.11n використовує ті ж заходи безпеки 802.11i (WPA2), використовувані раніше на пристроях стандарту 802.11a / g. VPN може бути використаний для захисту кадрів 802.11n, незважаючи на те, що VPN-шлюзів необхідна підтримка більш високої пропускної здатності для забезпечення захисту.

Нова система запобігання вторгнень (IPS, Intrusion Prevention System) в бездротовій мережі працює також як і раніше і здатна виявляти і реагувати на небезпечні (Rogue AP) точки доступу 802.11n. Звертаємо вашу увагу, що можливе виявлення пристроїв 802.11n, які працюють в режимах Non-HT або Mixed HT, але не в "чистому" режимі HT (Greenfield).