CC BY
48
УДК 621.391.812.7(621.396.946)
ЕШЕВСКИЙ Олег Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель декана по учебной работе физического факультета Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 40 научных публикаций
ЛАГУНОВ Алексей Юрьевич, кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой информатики, вычислительной техники и методики преподавания информатики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 51 научной публикации
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ РАБОТЫ СЕТИ СТАНДАРТА 802.1Ш В ПОМЕЩЕНИИ
Использование технологии MIMO в стандарте 802. lin 2.0 позволяет увеличить скорость передачи информации до 300 Мбит/с. Для успешной работы такой сети необходимо, чтобы сигналы от передающей антенны до приемной приходили по разным путям, т.е. чтобы в помещении имело место многолучевое отражение сигнала. В данном исследовании предлагается путем специальной обработки помещения добиться оптимального времени Interflection.
Беспроводные сети, отражение, интерференция, Wi-Fi, коэффициент отражения
Введение. 11 сентября 2009 года рабочая группа, которая была сформирована в рамках организации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институт инженеров электроники и электротехники) для разработки спецификаций нового стандарта Wi-Fi единогласно проголосовала за принятие стандарта IEEE 802.1 In 2.0.
Стандарт 802.1 In 2.0 повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802. llg (максимальная скорость которых равна 54 МБит/с), при условии использования в режиме 802. line другими устройствами 802.1 In. Теоретически 802.11п способен обеспечить скорость передачи данных до 480 Мбит/с. Устройства 802.1 In работают в диапазонах 2,4-2,5 или 5,0 ГГц.
Основное технологическое нововведение нового стандарта - использование радиотехно-
логии MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), которая обозначает способность оборудования обрабатывать множество входящих и исходящих потоков данных.
MIMO использует технику пространственного мультиплексирования и несколько антенн, которые посылают и принимают сигналы одновременно. При передаче двух пространственных потоков данная методика может удвоить пропускную способность беспроводного канала. Она способна работать в сложной радиочастотной обстановке, которая может включать различные препятствия, создающие многолучевую интерференцию, что в свою очередь является причиной эха и мертвых зон.
MIMO преодолевает эти проблемы, извлекая информацию из всех сигналов, принимаемых ее антеннами, и реконструируя эту информацию в один «суперсигнал». Этот подход обеспечивает увеличенную дальность и пропускную
способность и устраняет многие проблемы передачи сигнала, которые характерны для систем 802.11 a/b/g.
MIMO также работает с 802.Ha/b/g клиентами, и предприятиям нет необходимости закупать и устанавливать специальные WLAN-карты.
В этом случае MIMO не увеличит скорость существующих систем 802.11 a/b/g, но обеспечит лучшую пропускную способность через сеть. Обычно проектировщики Wi-Fi сетей оценивают, какую площадь будет покрывать заданная точка доступа на наибольшей и на наименьшей скорости данных. Так, на скорости 54 Мбит/с точка доступа 802.11a/b/g MIMO увеличивает покрытие на 35% по сравнению с точкой доступа без MIMO. На 6 Мбит/с увеличение покрытия составляет 330%. Это означает, что пользователи будут иметь лучшую пропускную способность поверх большей области, и предприятия могут разворачивать меньше точек доступа для покрытия эквивалентной площади, уменьшая стоимость оборудования.
Другие отличительные технологические особенности нового стандарта:
- реализация механизма агрегации кадров и подтверждения приема для блока кадров. Это обеспечивает до 100% (в зависимости от типа трафика) повышение пропускной способности канала по сравнению с 802.11 a/g;
- опционально предусматривается возможность удвоения полосы радиоканала до 40 МГц, что также удваивает пропускную способность;
- повышение эффективности OFDM за счет увеличения числа поднесущих до 52 вместо 48, что повышает скорость передачи данных в одном потоке приблизительно на 20%;
- опционально возможно уменьшение т.н. «защитного интервала», который в OFDM предшествует передаче следующего символа, с 800 не до 400 не, что дает еще 10% прирост производительности.
Кроме MIMO, все перечисленные нововведения несовместимы с существующим Wi-Fi оборудованием 802.11 a/b/g. Таким образом, сертифицированные 802.lin 2.0 продукты можно постепенно внедрять в существующие
WLAN. Для использования всех преимуществ новой технологии рекомендуется параллельно создавать сети, построенные на базе этих продуктов.
Основная проблема при организации высокоскоростной сети - создание условий, при которых в помещении возникает многолучевое распространение радиоволн. Рассмотрим один из путей решения данной проблемы.
Статистическая теория распространения радиоволн в помещении. Предложенная нами в [1] статистическая теория распространения радиоволн в помещении позволяет определить время интерфлексии:
Р 10с051§-^ с0 51§-^> (!)
1 -а 1 - а
где - соотношение сигнал/шум (дБ),
V - объем помещения (м3),
51 - площадь поглощающих поверхностей в помещении (м2),
С0 - скорость распространения радиоволны, а - средний коэффициент поглощения радиоволн в помещении.
Средний коэффициент поглощения радиоволн в помещении определяется по формуле:
« = ^ , (2)
где а. - коэффициент поглощения одной из ограничивающих помещение однородных поверхностей
Проблема заключается в том, что в настоящее время имеются сведения об ограниченном количестве данных по коэффициенту поглощения радиоволн диапазона 2,4 и 5 ГГц для материалов, используемых в современных помещениях.
Для определения коэффициент поглощения радиоволн мы предлагаем использовать методику, описанную нами в [2]. В данной работе мы описываем методику определения коэффициента отражения радиоволны диапазона 2,4 ГГц для трехслойной среды.
v *1,2 + *2,3е71 л ■ 4nh2
*і,з =л . „ ,,-------------Г» где Гг = -J
ÄJs
тогда для горизонтальной поляризации:
(3)
*1,2 =
*2,3 =
у[є^ COS 0 --yjs2 -£-j(sin 0)
COS 0 + -у/ s2 ~ ^i(sin 0)
y[s^COS®2 -ijS3 - £2(sin 02)2 COS 02 +tJS3 - £2(sin02)2
(4)
Í . Л
. sin 0 гое 0, = arcsin ,— ’
№ J
для вертикальной поляризации:
(5)
*1,2 =
*2,3 -
є2 COS0 -T¡єх(є2 - ^(sin0)2) Є2 COS0 + T¡sx(s2 - ^(sin 0)2)
S3 COS02 S2{s3 - £2(sin02)2)
S3 COS02 +-JS2{s3 - £2(sin02)2)
, (6)
, (7)
где © - угол падения радиоволны на поверхность (от 0 до р/2);
к - толщина первого тонкого слоя;
Я - длина волны для радиосигнала; ех, е2, е3 - диэлектрическая проницаемость воздуха, тонкого слоя и основы соответственно.
Изменяя угол падения радиоволны на поверхность в диапазоне от 0 до р/2, определяется средний коэффициент отражения К. Величины ^иа для конкретной поверхности связаны соотношением:
К + а = 1-
(8)
Таким образом, зная К, мы можем найти а для конкретного материала. Для использования формул (1)-(7) необходимо знать комплексную величину є - диэлектрическую проницаемость конкретного материала.
Методика измерения диэлектрической проницаемости. Для исследования диэлектрических свойств материалов наиболее оптимальным представляется применение волноводного метода короткого замыкания и холостого хода [3]. В основе метода лежит определение коэффициента стоячей волны (КСВ) и фазы СВЧ-сигнала, прошедшего через образец. Вначале выполняется калибровка СВЧ-тракта, которая заключается в выборе плоскости отсчета при измерении фазы волны. Для этого определяется положение минимума стоячей волны короткозамкнутой линии. Затем к концу линии присоединяется короткозамкнутая волноводная секция без образца. При этом плоскость короткого замыкания смещается на некоторую величину, т.к. в общем случае длина секции не равна целому числу полуволн излучения в волноводе. Полученные значения положений минимумов принимаются за плоскости отсчета.
После проведения калибровки в СВЧ-тракт устанавливается волноводная секция с образцом. Это приводит к смещению минимума стоячей волны, которое зависит от свойств исследуемого диэлектрика и связано с его электрическими характеристиками соотношением, получающимся в результате решения соответствующей электродинамической задачи, которая приводит к комплексному трансцендентному уравнению. Возможность избежать его решения и дает использование метода короткого замыкания и холостого хода [3]. Этот способ позволяет достичь хороших результатов и состоит в измерении КСВ и смещения минимума стоячей волны относительно выбранной плоскости отсчета для образца, на конце которого попеременно создаются режимы короткого замыкания и холостого хода. Опуская вывод, приведем лишь конечный вид формул для расчета мнимой и действительной частей комплексной диэлектрической проница-
ЄМОСТИ £' И S.
АС + BD
А2 + В2
1 -
А,
-о
V 2а У
2 U
к
\2
О
V 2а у
(9)
Є" -■
ВС - АР
А2 + В2
Л)
2а
\2
(10)
где А = 1 - ад • tg(P^xl) • tg(fiAx2),
В = 51 • + 52 • tg(^ЗAx2),
С - ад2 -
о = 51 • • 52 ^Дд^,
^ 52 - КСВ в режимах короткого замыкания и холостого хода соответственно;
Р =2л/Хв - постоянная распространения в волноводе с воздушным заполнением (Хв - длина волны в волноводе);
ДХр Ах2 - смещение минимума стоячей волны относительно выбранной плоскости отсчета при коротком замыкании и холостом ходе соответственно; в случае «полубесконечного» слоя
Ах1 = Ах2 и 5'1 = £2;
\ - длина волны в свободном пространстве;
2а =Хкр - критическая длина волны, где а - ширина (большая сторона сечения) волновода.
Блок-схема предлагаемого нами измерительного стенда показана на рисунке. Стенд включает в себя генератор сигналов 1 (Г4-79 (1,78-2,56 ГГц) или Г4-81 (4-5,6 ГГц)), ферритовый вентиль 2, обеспечивающий развязку - 20 дБ, аттенюатор 3, волноводную измерительную линию 4, селективный вольтметр 5 и волноводную секцию с исследуемым образцом 6, на конце которой с помощью поршня 7 может поочередно создаваться режим короткого замыкания и холостого хода. КСВ по напряжению такого короткоза-мыкателя не хуже 30.
Абсолютная погрешность измерения г'при этом не превышает 0,5.
Блок-схема измерительного стенда для исследования комплексной диэлектрической проницаемости
Применение статистической теории при построении беспроводных сетей. Для
сетей, использующих технологию MIMO, необходимо оптимизировать величину Т. Используя формулу (1), рассчитываем время Т для конкретного помещения. После получения результатов теоретических расчетов проводятся практические исследования беспроводной сети в помещении.
Для проведения практической части исследования мы использовали беспроводную сеть Radio Ethernet, построенную с использованием оборудования стандарта IEEE 802.1 In draft 2.0. В качестве точек доступа использовались роутеры ASUS WL-500W, D-Link DIR-655 и Level One WBR-6000. Они основаны на чипсетах различных компаний (Broadcom и Atheros), поскольку большинство исследователей обычно учитывают только работу устройства одного производителя, а это, во-первых, не всегда удобно, во-вторых, не очевидно, что именно это сочетание даст максимальную скорость.
Исследование проводилось с использованием методики [4], для измерений скорости применялась программа IxChariot (http://www.ixia-com.com).
С помощью программы генерировался ТСР-трафик (с пакетами преимущественно максимального размера) и моделировались различные возможные ситуации: прием, передача, одновременная прием и передача (направление — относительно адаптера в ПК).
Точки доступа (в зависимости от модели, были доступны не все пункты) настраивались на работу с диапазоном 802.1 In на канале 1(5) в режиме «40 МГц» или «Авто 20/40 МГц», отключался режим защиты сетей предыдущего поколения, включалось шифрование WPA2-PSK с алгоритмом AES. Другие настройки не менялись.
Следует отметить, что сеть работает достаточно стабильно, т.к. скорость передачи данных на протяжении всего теста изменялась незначительно. После проведения первого цикла измерений мы произвели обработку помещения, расположив в помещении дополнительные элементы с высокими отражающими свой-
ствами. Такие элементы располагались за точкой доступа и по трассе распространения радиоволн. Для того чтобы не создавались стоячие волны, плоскости отражающих элементов располагали не параллельно, а под различными углами друг к другу. Время Т по результатам расчетов увеличилось с 210 до 390 нсек. Увеличение времени Т более 400 нсек не рекомендуется, т.к. может быть превышено время «защитного интервала», и требуемого результата мы не достигнем.
Результаты теста приведены в таблицах.
контроллера показали примерное равные результаты с этой точкой доступа.
В таблице 2 приведены результаты тестирования карт совместно с точкой доступа D-Link DIR-655. Кроме работы в режиме MIMO 3x3, она отличается от других участников и тем, что имеет гигабитные сетевые порты. И как результат, скорость работы с картой ASUS превысила возможности стомегабитной проводной сети. Отметим и то, что максимум достигается не на «родной» карте.
Таблица 1
СКОРОСТЬ РАБОТЫ (МБИТ/СЕК) ASUS WL-500W С АДАПТЕРАМИ
Вид работы ASUS WL-130N D-Link DWA-547 Level One WNC-0600
Прием (до обработки) 48 51 49
Передача (до обработки) 63 59 63
Прием (после обработки) 52 57 56
Передача (после обработки) 69 66 72
Таблица 2
СКОРОСТЬ РАБОТЫ (МБИТ/СЕК) D-LINK DIR-655 С АДАПТЕРАМИ
Вид работы ASUS WL-130N D-Link DWA-547 Level One WNC-0600
Прием (до обработки) 94 72 83
Передача (до обработки) 98 68 75
Прием (после обработки) 97 79 91
Передача (после обработки) 106 76 84
Таблица 3
СКОРОСТЬ РАБОТЫ (МБИТ/СЕК) LEVEL ONE WBR-6000 С АДАПТЕРАМИ
Вид работы ASUS WL-130N D-Link DWA-547 Level One WNC-0600
Прием (до обработки) 40 62 59
Передача (до обработки) 62 55 50
Прием (после обработки) 49 72 68
Передача (после обработки) 71 65 59
Для точки доступа ASUS WL-500W мы получили максимальную скорость в режиме передачи от адаптеров около 60 Мбит/с. Скорость приема несколько меньше - порядка 50 Мбит/с. Интересно, что все три сетевых
Несмотря на то, что формально Level One WBR-6000 построен на том же чипсете, что и DIR-655, скорость работы у всех карт с ним существенно ниже и находится на уровне модели от ASUS. Видимо, даже реализация рефе-
ренсного дизайна не всегда является простой задачей. Впрочем, здесь может иметь значение то, что, несмотря на 3x3 чип, в реальности реализована только 2x3 схема. На всех трех устройствах отмечается увеличение скорости приема и передачи после обработки помещения, что не противоречит выдвинутой нами гипотезе.
Заключение. Статистическая теория распространения радиоволн в помещении позволяет определить время интерфлексии Т достижения требуемого соотношения NS/^. Для сетей, использующих технологию MIMO, необходимо
оптимизировать величину Т. Для достижения требуемого для применения технологии MIMO уровня интерференционной помехи выполняется дополнительная обработка помещений путем подбора больших по площади поверхностей с малым коэффициентом поглощения. Эти поверхности располагают таким образом, чтобы увеличить величину Т в местах расположения клиентов беспроводной сети.
Применение вышеперечисленных методов при проектировании беспроводной сети в конкретном помещении позволяет повысить скорость передачи данных.
Список литературы
1. Лагунов А.Ю. Исследование беспроводных сетей по технологии МІМО в закрытом помещении II Научнотехнические ведомости СПбГПУ. СПб., 2009. № 2. С. 20-26.
2. Лагунов А.Ю., Громов Р.А. Исследование радиопомех диапазона 2,4 ГГц беспроводным вычислительным системам II Науч.-тех. ведомости СПбГПУ. 2007. № 4. С. 135-141.
3. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М., 1963.
4. Зайцев Е. Методика тестирования маршрутизаторов, версия 2.611 http://www.ixbt.com/comm/router-mothod-2-6.shtml.
Eshevsky Oleg, Lagunov Alexey USE OF STATISTICAL THEORY FOR INCREASING STANDARD 802.11N NETWORK INDOOR OPERATION RATE
The use of MIMO technology in standard 802.11n draft 2.0 allows to increase the Information rate to 300 Mbit/s. For this network’s successful operation it is necessary to send signals from transmitting antenna to receiving antenna in different ways, that is to create multibeam reflection indoors. This study suggests to obtain the optimal Interflection time by special Indoor treatment.
Контактная информация: Ешевский Олег Юрьевич e-mail\ eshevsky.oleg@pomorsu.ru Лагунов Алексей Юрьевич e-mail', lagunov@pomorsu.ru
Рецензент-Шестаков Л.Н., доктор физико-математических наук, профессор, начальник комитета по надзору в сфере образования по Архангельской области
