WLAN сезона зима-лето 2005

17 июль, 2005 - 23:00КО

При первом взгляде на устройства, массово выпускаемые на еще далекий от насыщения рынок беспроводной локальной связи, становится понятно, что опасения по поводу очередного радикального изменения основных направлений дальнейшего развития не оправдались (к радости продавцов и большей части покупателей), и эта отрасль IT-индустрии вступила в стадию технологического плато. Однако более подробный анализ показывает, что ощущение спокойствия – иллюзорно, и под видимой стабильностью скрывается напряженный поиск путей дальнейшего технологического роста. Надеемся, данная статья поможет читателю сформировать свое мнение по этому поводу и позволит понять, каковы перспективы развития WLAN-технологий в недалеком будущем.

В предлагаемом материале мы посчитали нужным перенести акцент с исследования массово выпускаемых устройств на анализ технологий и стандартов. Такой подход обусловлен все большим признанием роли последних в развитии индустрии.

Рис. 1. «Генеалогическое древо»стандартов IEEE 802

Несомненно, ведущее место в отраслевой стандартизации принадлежит организации IEEE, занимающейся вопросами стандартизации в области производства различных технических и электронных средств. По данным ее официального сайта, в числе членов консорциума практически все ведущие компании IT-индустрии, поэтому неудивительно, что IEEE определяет мировые тенденции индустрии и, в частности, контролирует и направляет развитие высоких технологий беспроводных коммуникаций.

На текущий момент входящее в эту организацию сообщество IEEE Wireless включает в себя группы 802.11 (Wireless LAN), 802.15 (Wireless Personal Area Network), 802.16 (fixed broadband wireless access systems) и зачастую незаслуженно забываемую P1451.5, занимающуюся стандартизацией требований к компонентам, датчикам и системам сбора и обработки данных (itc.ua/13380). Таким образом, за время, прошедшее с момента последней публикации, «генеалогическое древо» основных стандартов беспроводной связи не претерпело изменений (рис. 1) – на нем лишь появились новые молодые «побеги» и пошли в рост имеющиеся.

Беспроводной алфавит по версии IEEE 802.11

В качестве вступления к подразделу предлагаем шутливое заявление одного из высокопоставленных представителей IEEE: «Если темпы поступления предложений, претендующих на роль новых стандартов в группе 802.11, в дальнейшем не снизятся, IEEE вскоре придется отказаться от принятой системы их нумерации в пользу алфавитов с бо2льшим числом букв или прибегнуть к системе с дополнительной числовой префиксацией». Действительно, с момента нашего последнего обзора число задействованных букв для «беспроводного алфавита» продолжает расти. Опустив два достаточно давних и неоднократно описанных стандарта 802.11a, 802.11b, базирующихся на 802.11, перечислим оставшиеся в алфавитном порядке.

802.11c: Bridge Support

Регламентирует работу беспроводных мостов с точки зрения стандартизации информационного обмена между устройствами. Проект одобрен 1998 г., спецификация используется производителями при разработке точек доступа.

802.11d: Regulatory Domain Update

Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т. д.). Дело в том, что когда появились первые продукты 802.11, существовало несколько регионов (к примеру, США, Европа, Япония), где были установлены нормы для функционирования таких WLAN. Стандарт определил требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран. Одобрен в 2001 г.

802.11e:MAC Enhancements – QoS

Работы TGe ведутся в направлении расширения описаний MAC 802.11 для создания мультисервисных WLAN. При сохранении полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и b 802.11с позволил бы расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиаданных и гарантированного качества услуг (QoS). Приоритизация как вариант будет определяться введением 3 бит, что дает возможность устанавливать 8 уровней (4 класса) сервисов. За принятие этого регламентирующего документа ратуют многие производители, намеренные выпускать устройства для сетей как корпоративного, так и домашнего уровня с полноценной поддержкой аудио- и видеоприложений.

802.11f: Inter-Access Point Protocol (IAPP)

Спецификация описывает протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Документом должны быть определены способы оповещения ТД о передвижении беспроводного клиента (roaming и fast hand-off). В частности, передается информация, необходимая для быстрой аутентификации пользователя в другом сегменте сети.

Документ был рекомендован к практическому использованию с оговоркой, что он будет обновлен в 2004 году. Однако этого не произошло, и на данный момент продолжаются дебаты – в частности, по вопросу необходимости внесения изменений в перечень параметров RADIUS в свете требований IEEE 802.11f (из отчета за апрель 2005).

802.11g: Data Rates > 20 Mbit/s at 2.4 GHz; 54 Mbit/s, OFDM

Наиболее популярный на сегодняшний день стандарт в отрасли – прямой преемник 802.11b, обратно совместимый с ним.

Финальный отчет рабочей группы, датированный июлем 2003, сообщает об окончании работ над спецификациями. На данный момент популярность изделий, производимых в соответствии с этим стандартом, такова, что устройства на 802.11b оказываются практически вытесненными 802.11g. Остается лишь напомнить о снижении эффективности смешанных сетей 802.11b/g, функционирующих в диапазоне 2,4 GHz (по сравнению с максимальными 54 Mbps технической скорости, определенной в стандарте).

802.11h: Spectrum Managed 802.11a

Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 GHz работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм «квазиинтеллектуального» управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи.

Рабочая группа IEEE 802.11h предложила дополнения к существующим спецификациям 802.11 MAC и 802.11a PHY в части алгоритмов эффективного выбора частот для внутренних и наружных WLAN, а также средств управления использованием спектра, контроля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отчетов.

Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на применении протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных ETSI (Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов либо путем перехода на другой канал, либо за счет снижения мощности, либо обоими способами одновременно. Заметим, что стандарт 802.11k расширяет использование процедур TPC на другие регуляторные домены и полосы частот с целью уменьшения помех и энергопотребления.

802.11i: Enhanced Security Mechanisms

Новый MIMO-шлюз D-Link DI-634 изготовлен на чипах от Atheros Communications

Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через WLAN – в частности, повышение безопасности WEP за счет TKIP, технология AES (Advanced Encryption Standard) – алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит.

Заметим, что на текущий момент для получения сертификата Wi-Fi Alliance поддержка устройством WPA2 не требуется, однако ситуация изменится в 2006 году, когда это станет обязательным.

802.11j: Extensions for operations in Japan

Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а за счет применения добавочного канала 4,9 GHz.

802.11k: Methods for channel measurements

Цель работ группы – обеспечить беспроводным устройствам и точкам доступа возможность оценки качества канала. Стандарт определяет серию запросов для измерений и соответствующих сообщений, в результате которых собирается статистика состояний клиентских устройств на физическом и канальном уровнях, что позволит им получить информацию о радиочастотном канале, определить наличие узлов вне зоны видимости, принять правильные решения о роуминге, определить энергетические параметры обмена за счет TPC (Transmit Power Control, см. также 802.11h). Возможен, например, следующий алгоритм общения:

когда точка доступа определила, что подключенный к ней клиент удаляется от нее, она предупреждает последнего, чтобы тот подготовился к переходу на другую ТД;
клиент просит ТД предоставить ему список предпочтительных точек доступа;
точка доступа отправляет клиенту соответствующий список;
клиент немедленно переходит на канал лучшей ТД и подключается к ней.

802.11m

Сокращение 11m не подразумевает появления одноименного стандарта. Предметом работы TGm являются различные виды организационной деятельности, направленной на обслуживание других групп, работающих над стандартами семейства 802.11.

802.11n: Higher data rates above 100 Mbit/s

Наиболее прогрессивный, но, увы, окончательно не принятый на сегодня стандарт, претендующий на роль 4-го базового в отрасли. За счет изменений на PHY- и MAC-уровнях предполагается как минимум преодолеть барьер в 100 Mbps. В сочетании с использованием технологии MIMO вполне достижимы и более высокие скорости обмена – до 600 Mbps. Ведутся также дискуссии по поводу изменения алгоритма кодирования.

Экспертами высказываются достаточно противоречивые прогнозы относительно окончательного принятия стандарта.

802.11p: Inter car communications. Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)

Предмет работы – коммуникации подвижных объектов. Основная проблема, решаемая группой, достаточно сложна – необходимость обеспечения информационного обмена между объектами, удаленными на расстояние до километра, относительная скорость которых может достигать 200 км/ч. Предполагается использование поддиапазона частот 5,850–5,925 GHz. Судя по крайне скудной информации об активности группы, значительными достижениями в решении этой проблемы она похвастать пока не может.

802.11r: Faster Handover between BSS

Данный стандарт, работа над которым была начата еще в 2004 г., предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для предоставления мобильному пользователю возможности перехода из зоны действия одной сети в зону другой. Крайне важен для правильной работы таких чувствительных к задержке приложений, функционирующих в режиме реального времени, как, например, VoIP и быстрый переход клиентов от одной точки доступа к другой без повторной аутентификации с сохранением политик безопасности и без прерывания приложений.

802.11s: Mesh Networking

802.11s описывает самоконфигурирующиеся ячеистые беспроводные сети, базирующиеся на разных технологиях семейства стандартов 802.11. В них каждый узел должен передавать данные только ближайшему соседнему узлу, что позволяет реализовать децентрализованную, а следовательно, и более дешевую инфраструктуру. Узлы действуют как репитеры, передавая информацию от одного к другому, в результате чего диаметр сети может достигать значительных размеров. Ячеистые сети обладают повышенной надежностью, поскольку каждый их узел, как правило, связан с несколькими соседними.

Принцип передачи пакетов во многом похож на маршрутизацию в Интернете. Все устройства выглядят функциями динамической маршрутизации. Такая сеть отличается также завидной производительностью, поскольку каждый узел связан со всеми, находящимися в его зоне доступа. В этом случае вступает в действие механизм своеобразной балансировки нагрузки, что позволяет не понижать пропускную способность при увеличении числа подключений.

802.11t: Performance evaluation of 802.11 networks

Задача подгруппы – одна из самых сложных в IEEE 802.11 – разработка схем проведения измерения с учетом других стандартов семейства.

Комментарий автора: без сомнения, доведение до готовности и окончательное принятие этого документа – мечта каждого инженера, занимающегося тестированием Wi-Fi-устройств. На данный момент результатом работы специалистов IEEE стало лишь определение некоторых инструментальных тестовых процедур, позволяющих с той или иной степенью достоверности судить об определенной группе параметров беспроводных устройств. Оно и понятно: если в случае с проводным Ethernet метрика тестирования включала 5 основных групп независимых параметров, то требуемая мерность (ieee802.org/802_tutorials/march04/WPP_tutorial_03_15_04_v01.ppt, слайды 57–58) аналогичного исследования устройств стандарта 802.11 насчитывает уже порядка 20...

802.11u: Interworking with External Networks

Стандарт касается вопросов взаимодействия с внешними сетями, точнее их дополнения на третьем уровне (L3) модели OSI. В данный момент заканчиваются работы над поправкой IEEE P802.11u, в которой пересмотрены уровни MAC и PHY с целью обеспечения совместной работы WLAN-оборудования и прочих сетей. Выполнение этой задачи в будущем позволит более четко и однозначно стандартизировать обмен данными на протокольном и более высоких уровнях в различных сетях.

802.11v: Network management

Среди основных задач – разработка расширений существующих правил в интересах управления и канальных измерений, а также дефиниций для единых интерфейсов. В данный момент, в частности, обсуждается поправка IEEE P802.11v, описывающая интерфейс высокого уровня для управления устройствами стандарта 802.11 в беспроводных сетях. Интерфейс должен предоставить клиентским системам возможности управления, мониторинга, конфигурирования и обновления информации о беспроводных маршрутизаторах. На странице проектов сайта standards.ieee сейчас можно найти полный документ IEEE 802.11v PAR.

802.11w: Securing of network control

Классические стандарты 802.11, в частности 802.11i, нацелены на защиту только фреймов данных, но отнюдь не контрольных фреймов. Работы в рамках этой группы призваны исправить сложившуюся ситуацию. На MAC-уровне IEEE 802.11 разрабатываются механизмы, способствующие обеспечению целостности, сохранению подлинности происхождения данных и др. Известно, что в настоящее время рабочая группа участвует в дебатах по поводу определения и аспектов применения так называемого «защищенного SSIDs».

Что дальше?

Возвращаясь к шутке о системе префиксации стандартов группы, можно констатировать, что ресурсы английского алфавита еще не исчерпаны. Однако при таких амбициях заинтересованных сторон – долго ли умеючи... Правда, не все проекты и престандарты, не все предложения, высказываемые членами рабочих групп, найдут отражение в узаконенном финальном документе и реализуются в соответствующих продуктах. Некоторые идеи в силу разных причин будут отклонены вовсе или переданы в разработку другим группам.

Следует лишь заметить, что в стандартах, как правило, делается акцент на отдельных уровнях модели OSI. Так, 802.11a, 802.11b и 802.11g относятся к физическому и канальному уровням среды передачи; 802.11d, 802.11e, 802.11i, 802.11j, 802.11h и 802.11r – к вышележащему MAC-уровню, 802.11f и 802.11c – к более высоким уровням базовой модели. Однако в претендующем на роль базового стандарта «долгострое» 802.11n декларируются изменения и на PHY-, и на MAC-уровнях.

Само собой разумеется, что перечисленные стандарты группы 802.11x не только тщательно согласовываются в процессе подготовки между собой, с общепринятыми в индустрии нормами, стандартами и рекомендациями, но и проходят экспертизу в заинтересованных коммерческих и общественных организациях.

Рис. 2. Структурная схема устройств на базе MIMO-чипсета Atheros AR5005

В заключение приводим адреса для оперативного самостоятельного обновления информации о степени готовности стандартов и состоянии дел в одноименных по букве префикса рабочих группах IEEE: www.ieee802.org/11, 802wirelessworld.com, standards.ieee.org/getieee802. Остается только посетовать, что подробные сведения о работе групп остаются недоступными для широкой общественности, а большая часть созданных стандартов IEEE 802.11, draft-версии и документы, толкующие их, – предмет коммерческой деятельности Института.

«Интеллектуальный» радиообмен: от теориисмарт-антенн до практических MIMO-реализаций

Несомненно то, что цифровые коммуникации с использованием технологии MIMO (Multiple Input, Multiple Output) являются одной из наиболее перспективных исследовательских областей. Как ожидается, устройства с несколькими приемо-передающими радиоканалами (антеннами и RF-модулями) в совокупности со специализированными процессорами цифровой обработки сигналов станут неотъемлемой частью будущего стандарта IEEE 802.11n. Визуально такие устройства можно идентифицировать по суммарному количеству (внутри и снаружи) антенн – их должно быть не менее двух (как правило, от четырех).

Из теории известно, что объединение нескольких антенн в массив, называемый антенной решеткой, способно улучшить качество радиообмена и снизить влияние негативных эффектов многолучевого распространения радиоволн. К проявлению таких эффектов в цифровой радиосвязи относят межсимвольную интерференцию (ISI, InterSymbol Interference), проявляющуюся в виде приема перекрывающейся последовательности излученных передатчиком отдельных коротких импульсов из-за разной длины преодоленного лучами пути. Очевидно, что чем выше скорости обмена (короче исходные импульсы, соответствующие одному символу) и чем большее количество отражающих и рассеивающих предметов на пути распространения (а следовательно, больше лучей, прошедших разные дистанции, «сойдутся» в антенне), тем более катастрофическим для радиолинии окажется результирующее проявление ISI.

Логика построения антенных систем с пространственной обработкой может основываться на широком спектре алгоритмов – от примитивного непрерывного перебора (оценки приходящих на каждый из слабонаправленных элементов антенны сигналов с целью выбора одного в качестве основного, с максимальной выходной мощностью, и игнорирования информации от остальных) до использования более сложных алгоритмов, основанных на выполнении суммарно-разностной обработки с коррекцией фазы каждого из сигналов элементами антенной решетки. На аппаратном уровне в простейшем случае для этого потребуется добавление в разрыв цепи антенна–сумматор каждого канала управляемых фазовращателей. Результирующая диаграмма направленности системы в этом случае может быть изменена таким образом, чтобы ее максимум совпал с направлением прихода прямого луча либо с направлением другого, наиболее мощного и наименее искаженного помехами (рис.3,а, 3,б).

Повышение коэффициента направленности антенного устройства позволит улучшить производительность радиосистемы, особенно если направление на максимум сигнала не совпадает с направлением на источник практически всегда сопутствующих радиообмену помех (к ним может быть отнесен передатчик работающей рядом однотипной «чужой» радиосистемы) и шумов. Однако этим способом обеспечивается лишь пространственная обработка сигнала, которой для эффективной борьбы с ISI оказывается недостаточно.

Предположим, что в нашем распоряжении находятся несколько таких автономных приемников, каждый из которых способен успешно выполнить задачи пространственной обработки сигналов – выбрать оптимальное направление прихода сигнала и «нацелиться» на него. Дальше, казалось бы, все просто: объединяем их через сумматор и тем самым увеличиваем энергию принятого сигнала (в дефинициях инженера – увеличиваем результирующее отношение сигнал/шум, дающее возможность повысить дальность и/или скорость обмена).

Рис. 3. Эволюция интеллекта: от секторных антенн и систем с фазированными решетками – к цифровым антенным решеткам

Но на практике выясняется, что, кроме указанного приема, эффективная борьба с ISI должна включать в себя и обработку входной информации по временно2му признаку, ведь после детектирования на приемной стороне из-за конечности скорости распространения радиоволн, пришедших по существенно различающимся по протяженности маршрутам, фронты получаемых нами импульсов, соответствующих одиночным символам, совпадать не будут. Таким образом, вырисовывается необходимость дополнительной обработки выходных сигналов с приемника некоторым устройством, адаптивно вносящим оптимальные задержки в каждый из приемных каналов до суммирования. Для этого потребуется «всего-навсего», чтобы в составе устройства находился управляющий элемент, «имеющий понятие» об оптимальности этих величин и способный быстро и точно принять решение на основе только априорных знаний об излучаемом сигнале.

Полученное нами в результате элементарных рассуждений гипотетическое устройство обладает лишь одним недостатком – оно неприменимо для прикладного конструирования. Данные модули, блоки и элементы введены автором только для упрощения понимания постановки задач по созданию интеллектуальных приемных систем, базирующихся на механизме пространственно-временно2й обработки (Space-Time Processing – STP) сигналов (см. также «Технология MIMO – новая ставка в беспроводных сетях»). Напомним, что по определению техника STP может применяться на передающем, приемном или на обоих концах канала. В первых двух случаях, как правило, принято говорить о технологии интеллектуальных антенн (smart antenna). Если система использует их на передающем конце канала, то ее называют Multiple Input Single Output (MISO), если на приемном – Single Input Multiple Output (SIMO).

С определенными оговорками вышеизложенный понятийный аппарат может быть применим и к источнику излучения сигнала – передающей стороне радиолинии.

В одном из ближайших номеров журнала мы более подробно расскажем о краеугольных камнях теории цифровых антенных решеток и цифровой обработки сигналов в аспекте развития беспроводных систем связи, пока же ограничимся утверждением, что эти теории указывают реальные пути улучшения качественных и количественных характеристик существующих систем радиосвязи. А именно позволяют:

повысить их помехоустойчивость;
обеспечить быстрое и гибкое управление ориентацией и количеством «нулей» в цифровых диаграммах направленности и тем самым снять жесткие ограничения на число одновременно работающих в одной полосе частот и в непосредственной близости радиосредств (рис. 3,в);
адаптивно и быстро реконфигурировать сеть в зависимости от изменения нагрузки, физически не перемещая участников этого информационного обмена.

Заметим, что на сегодняшний день данная отрасль в общетеоретических и прикладных исследованиях цифровых радиосистем представляется как одна из наиболее увлекательных, коммерчески востребованных и перспективных областей.

Очередная ступень развития: шаг назад перед n шагами вперед

К такому выводу приходишь, анализируя ситуацию, которая сложилась вокруг нового стандарта IEEE 802.11n, претендующего на роль базового. Ничего не предвещало того, что на этапе финального голосования, предусмотренного процедурой принятия, предложениям от рабочей группы TGn не удастся набрать 75% голосов. Действительно, ход разработки этого регламентирующего документа сопровождался обычными для любого творческого процесса разногласиями по поводу целесообразности тех или иных путей преодоления 100-мегабитовой планки производительности и сохранения обратной совместимости с устройствами, изготовленными в соответствии с ранее принятыми стандартами.

Места на жестком диске, равно как и полосы пропускания сети, много не бывает. Это утверждение обрело новое звучание благодаря продолжающемуся лавинообразному росту количества решаемых в рамках беспроводных технологий мультимедийных задач. Но разве могли предположить разработчики базового стандарта 802.11, что через каких-то семь лет всерьез возникнет потребность, допустим, «перегнать» через эфир с сетевого мультимедийного плеера DVD-поток? Да и пример для подражания из мира LAN-решений уже имелся – все чаще даже материнской плате вместо привычного Fast Ethernet предлагался порт GbE.

Казалось, что на момент подготовки окончательной версии документа все разногласия преодолимы. Но увы...

Какие же технологические подходы для ускорения WLAN положены в основу этого стандарта?

Рис. 4. Замена оборудования в офисе на 100 сотрудников позволила снизить число требуемых ТД и увеличить эффективную полосу пропускания в пересчете на одного клиента в четыре раза

Прежде всего, они, по мнению созданной для дальнейшего согласования стандарта группы TgnSync, включают в себя пути увеличения количества единовременно работающих в одном устройстве на прием и передачу радиоканалов и способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра, определяемых, как технология MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO предполагает реализацию в устройстве нескольких автономных трактов «антенна-приемопередатчик» и наличие специального многоканального устройства для последующей цифровой обработки сигнала (см. врезку).

Вторым отправным пунктом стало предложение расширить занимаемую одним каналом полосу с 20 до 40 MHz. Причем оно должно происходить не посредством группирования каналов (как рекомендуют уже сейчас некоторые производители чипов в соответствии с их оригинальными, но не стандартизированными IEEE-решениями), а закладываться уже на начальных уровнях каналообразования. Неминуемо увеличивающаяся при этом нагрузка на процессор, как заявляется, не столь велика и не приведет к ощутимому росту требований вычислительной мощности, однако позволит существенно повысить SNR и пропускную способность системы. Предусматриваются также механизмы управления скоростью передачи со стороны радиоприемника.

Рис. 5. Миграция от распределенной архитектуры сети к централизованной по версии 3Com

Не обошлось и без других изменений на MAC/PHY-уровнях. Так, для увеличения эффективности предлагается изменить структуру пакетного обмена, используя принцип агрегатирования («склеивания») традиционных для радиосвязи коротких пакетов данных и заголовков в длинные последовательности, и уменьшить интенсивность квитирования в среде передачи. В стадии рассмотрения находится еще одно предложение – о замене классического для систем 802.11 сверточного кодирования на LDPC для прямой коррекции ошибок.

Все это позволит увеличить полосу пропускания до 145 Mbps, при реализации опциональных предложений – до 600 Mbps.

«Тонкая» точка доступа 3Com AP2750

Ситуация с выпуском устройств на данный момент внешне похожа на ту, что складывалась перед введением стандарта 802.11g, – определенная часть компаний-пионеров на свой страх и риск, невзирая на предупреждения со стороны Wi-Fi-альянса об имеющихся расхождениях в мнениях, приступила к производству устройств Pre-n, сделав ставку на первую в массовой индустрии попытку реализации технологии интеллектуального радиообмена MIMO.

Собственно «MIMO-лихорадка» среди чипмейкеров началась с объявления прошлым летом компанией Airgo Networks о полном окончании работ над дизайном обещанного еще в конце 2003 г. двухчипового комплекта AGN100 и о готовности к производству его в коммерческих масштабах. Подчеркивалась также возможность достижения с помощью комплекта 5-кратного выигрыша по дальности и 10-кратного – по скорости обмена (в сравнении с классическими решениями по 802.11b).

Контроллер WX4400 и коммутатор WX1200 от 3Com

В состав набора вошли двухдиапазонный трансивер AGN100RF и микросхема baseband/MAC AGN100BB. Одним из первых на потребительский рынок с готовым устройством – беспроводным маршрутизатором на базе чипов AGN100 – вышла Belkin Corporation. Этот чипсет не преминула использовать при подготовке к Computex 2005 компания Samsung (в составе ноутбуков X20 and X25), а для своих шлюзов и WLAN-карт его также применяют Buffalo и Linksys.

Опираясь на результаты практической эксплуатации, Airgo Networks приводит конкретный пример повышения эффективности от внедрения нового оборудования на базе MIMO (рис. 4).

Постоянный конкурент Airgo Networks, компания Atheros Communications, в начале 2005 г. сообщила о выпуске чипсета AR5005VL, поддерживающего до четырех антенн. В его состав входят чип приемопередатчика AR5112 и двухканальный управляющий MIPS-процессор AR5513, ориентированный на поддержку потокового видео HDTV-качества (до 19–24 Mbps). Он же отвечает за формирование требуемых диаграмм направленности при передаче и интеллектуальную обработку поступающих с приемников сигналов (рис. 2). Среди его достоинств расширенная поддержка QoS в соответствии с 802.11e, аппаратный контроль за джиттером пакета. Чипсет AR5005VL представлен в двух- (802.11a/g) и одночастотной (802.11g) версиях.

И вполне возможно, что данный список уже на момент публикации окажется неполным, так как во многих лабораториях еще проводятся соответствующие исследования, и, вероятно, появятся новые решения. Так, сравнительно недавно – в мае текущего года – израильская компания Metalink анонсировала, по ее утверждению, первое в индустрии одночиповое каскадируемое решение радиочастотной части – микросхему MtW8150, содержащую по два независимых приемника и передатчика (в сокращенной записи каждая микросхема – 2×2 MIMO), скромно указав при этом, что оно является 802.11n Draft-Compliant и в определенном объеме логика работы элементов набора может быть скорректирована.

Итак, будущее несколько затуманено отсутствием окончательного варианта стандарта 802.11n. Называются различные сроки публикации, а пока даже максимальная скорость, на которой, надеемся, уже в недалеком будущем будут работать устройства, до конца не определена. Но при любом раскладе, повторимся, им должны быть по зубам трансляция HDTV, передача слабосжатых мультимедийных потоков в режиме реального времени или одновременная совместная работа вдвое-втрое большего числа оконечных пользователей с комфортными «офисными» скоростями.

Архитектурные концепциии особенности построения WLAN

Для каждой ТД можно назначить роль в рабочем процессе и при необходимости перенастроить ее параметры

А теперь перейдем непосредственно к концепциям построения масштабных WLAN. Наш журнал уже писал об архитектурных особенностях беспроводных локальных сетей. Напомним, что в основу принятой классификации положено разделение на распределенные и централизованные сети по принципу циркуляции в них пользовательского и служебного трафика. Первые базируются исключительно на интеллекте точек доступа, тогда как во вторых в качестве центрального элемента применяется беспроводной коммутатор.

В достаточно упрощенном, прикладном, виде управленческая проблематика в WLAN класса SMB или корпоративной сводится к следующему:

необходимость анализа в реальном времени загруженности радиочастотной среды;

сквозной мониторинг общего состояния сети и ситуационный контроль за ее отдельными элементами;

принятие решения об изменении соотношения излучаемых ТД мощностей, адаптация частотной (канальной) сетки и правил радиообмена в зависимости от сложившихся условий и в максимальном соответствии с затребованным качеством услуг.

Результатом первого этапа работ с ПО является получение работоспособного проекта, максимально соответствующего исходным требованиям по зоне покрытия и гарантированной для клиентов сети удельной полосы пропускания

Собственно, разговор о вариантах реализации систем можно было начинать уже несколько лет назад, когда ряд основных игроков рынка корпоративных решений, например корпорация Cisco, имели свое достаточно четкое видение путей решения проблем, связанных со сквозным управлением параметрами беспроводной сети, поддержкой CoS-QoS и т. п. Реализовывались они в фирменной среде аппаратно-программных средств. Однако повторимся, что до недавних пор подобные концепции были осуществлены в большей или меньшей степени лишь в ряде оригинальных нестандартных решений и их функциональность зачастую зависела от того, насколько оно «истинно от Cisco». К числу современных игроков рынка централизованных сетей относятся Airspace, Airmagnet, Airwave, Aruba, LegraSystems, Rowing Planet, Trapeze Networks и Wavelink. С недавних пор свое решение предлагают Symbol и ряд других производителей. По мере рафинирования этого сектора рынка некоторые эксперты пророчат лидерство в первую очередь компаниям (и, соответственно, их OEM-партнерам) Aruba и Trapeze Networks, а также, с небольшими оговорками, AirSpace, недавно приобретенной Cisco Systems.

Итак, централизованная архитектура WLAN подразумевает наличие в сети двух элементов: границу сети формируют точки доступа, являющиеся мостом между беспроводными и проводными сегментами Ethernet, а вся остальная функциональность переносится на беспроводной коммутатор. В качестве объекта управления могут выступать либо специализированные, выпускаемые именно для этих целей облегченные по функциональности ТД («сенсоры») (рис. 5), либо отдельные строго определенные «почти обычные» точки доступа от некоторых производителей. Закономерно, что стоимость используемой «тонкой точки доступа» (по терминологии 3Com) в сравнении с многофункциональной ТД ниже. Попутно обратим внимание на вопрос питания ТД. Очевидно, что обеспечить его централизованно из одного места гораздо проще. Достигается это за счет применения технологии PoE.

Работу подобной системы рассмотрим на примере анонсированного 3Com в октябре 2004 г. и доступного в Украине решения Wireless Mobility System, которое позволяет планировать и централизованно управлять WLAN, проводить автоматическую диагностику ТД, осуществлять контроль доступа и разделение пользователей на группы. Система также характеризуется быстродействующим роумингом и готовностью к организации обмена критичным к задержкам трафиком (VoIP, видео) с использованием механизмов обеспечения CoS и QoS.

Итак, ключевыми компонентами управляемой, масштабируемой беспроводной сети с функциями непрерывного обеспечения безопасности, равноценной по этим характеристикам проводной сети, являются «упрощенные» ТД (например, 3Com Wireless LAN Managed Access Point AP2750), беспроводные контроллеры/коммутаторы (WX4400/WX1200), а также PoE-Switch. Дополняет набор аппаратных средств программный пакет 3Com Wireless Switch Manager, благодаря которому осуществляется планирование сети на объекте, централизованная поддержка инструментальных средств конфигурирования. Администратору предоставляются расширенные возможности оптимизации радиочастотных параметров, функции обеспечения безопасности пользователей и групп пользователей WLAN и сквозное управление доступом в масштабах всей сети. Программа имеет простой и интуитивно понятный графический интерфейс. В целом, данное ПО может поддерживать до 10 контроллеров WX4400 и/или коммутаторов WX1200 в любой комбинации, что позволяет выстраивать сети в сотню (!) ТД.

На начальном этапе проекта с помощью ПО создается план помещения, предпочтительным источником информации для которого является его чертеж в CAD-форматах. Для того чтобы получить в дальнейшем предварительную информацию о зонах покрытия помещений, потребуется выделить на нем и определить электрические параметры стен, колонн и прочих существенно влияющих на распространение радиоволн массивных элементов. После этого программа затребует исходные данные для планирования радиопокрытия, параметров сети по емкости и указания по поводу расстановки точек доступа. Присвоение номеров канала, назначение мощности излучения и выбор оптимального местоположения ТД на плане может производиться в автоматическом режиме. Выяснилось, что в отличие от большинства дорогостоящих программ в 3Com Wireless Switch Manager возможна работа с «многоэтажными» проектами – учет остаточного уровня прохождения сигналов через межэтажные перекрытия в ряде случаев позволит повысить точность моделирования и избежать дополнительной коррекции местоположения ТД после их инсталляции.

Основными фунциями, осуществляемыми данным аппаратно-программным комплексом по завершении этапов планирования, проектирования, моделирования, конфигурирования и инсталляции, являются:

контроль за конфигурацией сети и радиопокрытием (при обнаружении разрывов в покрытии для их устранения может производиться автоматическая подстройка мощности соседствующих по зоне обслуживания точек);
поиск и сбор информации о пользователе (его местоположение, мощность сигнала, перемещения и трафик);
предотвращение несанкционированного доступа «чужих» ТД и клиентов в сеть (обнаружение нарушителя, определение его местоположения, изоляция и, при необходимости, переназначение вокруг него рабочих частотных каналов ТД).

Вместо выводов

Заключение к статье будет, увы, традиционным. Говоря о позитивных технологических изменениях в отрасли и описывая существующие и открывающиеся в ближайшем будущем радостные перспективы для дальнейшего распространения цифровых радиотехнологий, поневоле забываешь о том, что многие из этих достижений вновь наткнутся на покосившийся, но все еще непреодолимый густой частокол национальных правил и ограничений, препятствующих цивилизованному развитию бизнеса, обусловленный прежде всего особенностями сложившейся в Украине системы законодательного регулирования в области управления радиочастотным ресурсом. Но не будем о грустном... В очередной раз представим себе, что вот-вот все изменится к лучшему!

Первое MIMO-устройство в нашей лаборатории

Первенцы технологии MIMO от D-Link в Украине: шлюз DI-634M и адаптер DWL-G650M 108G MIMO

После успешной обкатки технологии MIMO на американском рынке компания D-Link анонсировала выпуск и представила для данного обзора беспроводной набор, состоящий из маршрутизатора и CardBus-адаптера, наделенных интеллектом многоканальных радиосистем. Технология MIMO по схеме 2×2 реализована в них на базе нового чипсета AR5005VL от Atheros Communications.

Шлюз DI-634M имеет четыре интегрированные «smart-антенны», поддерживает функции DHCP, NAT, WPA, VPN, MAC-фильтрации, блокирования URL, Scheduling, System Logging. В устройстве реализован межсетевой экран с функцией SPI, один порт Ethernet для подключения ADSL или кабельного модема и четыре порта 10/100 Мbps Ethernet для подключения локальных проводных клиентов.

В традиционной Wi-Fi-среде обеспечивается поддержка стандартизированной функциональности в соответствии с IEEE 802.11b/g. Однако для максимальной реализации заложенного в DI-634M потенциала предпочтительным является использование совместно с ним клиентского 32-битового адаптера PCMCIA D-Link DWL-G650M 108G MIMO, предназначенного для установки в ноутбуки. Как и в других беспроводных продуктах данного класса, в устройствах реализована поддержка WEP и WPA.

По утверждению производителя, беспроблемная работа устройства гарантируется как в ОС семейства MS Windows, так и в Linux.

Украинское представительство компании сообщает, что плановые поставки оборудования в Украину ожидаются в сентябре этого года, розничная цена на DI-634M – около $170, на DWL-G650M – порядка $80.