CC BY
28УДК 621.396
Р.А. Кузнецов
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТЕЙ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА ОСНОВЕ СТАНДАРТА IEEE 802.11 НА ПРЕДПРИЯТИИ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Основная цель работы показать перспективность перехода беспроводной локальной сети предприятия на стандарт IEEE 802.11ас, путем сравнения с характеристиками сетей беспроводного доступа на основе стандарта IEEE 802.11n.
Ключевые слова: IEEE 802.11n, IEEE 802.11ас.
Сегодня все вендоры имеют в своей линейке оборудование как стандарта 802.11n, так и получивших широкое распространение устройства, построенные согласно новому стандарту IEEE 802.11ac. Однако, замена на существующих сетях устройств 802.11а/Ь^/п задача, решение которой требует серьезного анализа и взвешенного решения. Согласно спецификации 802.11ас, устройства нового поколения обратно совместимы с устройствами 802.11n, что предоставляет возможность поэтапного перевода беспроводной сети на новый стандарт.
Исследование характеристик будет проводиться на локальной сети предприятия имеющей в своем составе отдельные сегменты беспроводного доступа на основе стандарта IEEE 802.11n. Все устройства работают в диапазоне 2,4 ГГц. Локальная вычислительная сеть предприятия древовидной структуры, состоящая из подсетей типа «звезда». В ближайшей перспективе предполагается замена части кабельной инфраструктуры на беспроводную с целью увеличения мобильности сотрудников.
Процесс перестройки сети преследует несколько целей. Основная цель это увеличение действующей зоны покрытия за счет использования множества точек доступа. Создание беспроводных мостов это то решение, которое позволит соединить точки доступа без использования кабельной инфраструктуры. Использование стандарта IEEE 802.11ас предполагает пропускную способность, не уступающую «витой паре». Пример такой топологии представлен на рисунке 1.
В стандарте 802.11ac по сравнению с предыдущими версиями появилось больше скоростей подключения, схем модуляции и кодирования (MCS). Для упрощения представлено всего 10 схем-индексов (0-9) с разницей в количестве пространственных потоков. Ниже на рисунке 2 MCS для одного пространственного потока в рамках 802.11n и 802.11ac. [1]
MU-MIMO (Multi User MIMO) - одна из форм пространственного мультиплексирования добавлена в 802.11ас для того, чтобы обеспечить требование суммарной пропускной способности 1 Гбит/c при работе с несколькими устройствами. [1] В спецификации 802.11n допускают наличие до четырех пространственных потоков, а в 802.11ас поддерживается связь до восьми пространственных потоков.
© Кузнецов Р.А., 2018.
Научный руководитель: Носов Владимир Иванович - профессор, зав. кафедрой систем радиосвязи, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), Россия.
Рис. 1. Пример топологии с использованием 802.11ас
802.11 п
802.11 ас
HT MCS Spatial Streams Modulation & Data Rate Data Rate Data Rate |GI = 800ns) (Gl = 400ns) (Gl = 800ns) Data Rate (G I = 400ns) Data Rate Data Rate Data Rate Data Rate (Gl = 800ns) (Gl = 400ns) (Gl = 800ns) (Gl = 400ns) VHT MCS
Index Coding 20MHz 20MHz 40 MHz 40MHz 80MHz 80MHz 160MHz 160MHz Index
0 1 BPSK 1/2 6.5 7.2 13.5 15 29.3 32.5 58.5 65 0
1 1 QPSK 1/2 13 14.4 27 30 58.5 65 117 130 1
2 1 QPSK 3/4 19.5 21.7 40.5 45 87.8 97.5 175.5 195 2
3 1 16-QAM 1/2 26 28.9 54 60 117 130 234 260 3
4 1 16-QAM 3/4 39 43.3 81 90 175.5 1195 351 390 4
5 1 64-QAM 2/3 52 57.8 108 120 234 260 468 520 5
6 1 64-QAM 3/4 58.5 65 121.5 135 263.3 292.5 526.5 585 6
7 1 64-QAM 5/6 65 72.2 135 150 292.5 325 585 650 7
1 256-QAM 3/4 78 86.7 162 180 351 390 702 780 8
1 256-QAM 5/6 nla nla 180 200 390 433.3 780 866.7 9
Рис. 2. Схемы модуляции и кодирования для одного пространственного потока
Расчет зоны покрытия в свободном пространстве осуществляется по методике предложенной специалистами компании D-LINK, которая позволяет определить теоретическую дальность работы беспроводного канала связи. Для расчета применим инженерную формулу расчета потерь в свободном пространстве [2]:
FSL = 33 + 20 -{lgF + lg D) , (1)
где FSL - (Free Space Loss) потери в свободном пространстве, дБ;
F -центральная частота канала, на котором работает система связи, МГц; D -расстояние между двумя точками, км.
Суммарное усилением системы рассчитывается следующим образом[2,3]:
W = Pt + Gt + Gr - Pmin - Lt - Lr . (2)
где Pt - мощность передатчика, дБм;
Gt - коэффициент усиления передающей антенны, дБи;
Gr - коэффициент усиления приемной антенны, дБи;
P - чувствительность приемника на данной скорости, дБм;
Lt - потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта, дБ;
Lr - потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного трата, дБ.
Допустимая величина FSL вычисляется по формуле [2]:
FSL = W - SOM , (3)
где SOM (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи, дБ. Параметр SOM обычно берется равным 10 дБ.
Дальность связи рассчитывается по формуле (1) и равна[2]:
(FSL_33_/ f) „ 20 20 g J
D = 10v 7 (4)
Так при скорости 30 Мбит/с радиус зоны действия точки доступа при мощности передатчика 16 дБм и коэффициенте усиления встроенной антенны 4 дБи, на центральной частоте канала 2432 МГц при чувствительности приёмника точки доступа -79 дБм, составит 259 метров. Радиус зоны на скорости 300 Мбит/с при чувствительности приёмника точки доступа -61 дБм и равных прочих параметрах составит 33 метра.
На центральной частоте канала 5220 МГц, при работе в соответствии со стандартом 802.11ас, радиус зоны покрытия на скорости 45 Мбит/с при чувствительности приёмника точки доступа -79 дБм, мощности передатчика 14 дБм и коэффициенте усиления встроенной антенны 6 дБи, составит 121 метр. Радиус зоны действия точки доступа на скорости 450 Мбит/с, при чувствительности приёмника точки доступа -61 дБм, составит 15 метров.
Расчет затуханий в закрытых помещениях будет производиться с использованием известной модели Keenan-Motley, позволяющей учитывать затухание сигнала при прохождении через все препятствия, находящиеся на линии передачи сигнала от передатчика к приемнику[4]:
L (d) = 32,5 + 20 log (d) + kw Lw , (5)
где L(d) - суммарные потери сигнала;
d - расстояние в метрах между передающей и принимающей антенной;
kWi - количество пройденных препятствий (стен) типа i;
LWi - потеря мощности сигнала при прохождении через препятствие (стену) типа i.
Учитывая особенность архитектурного решения здания, ослабление сигнала при прохождении через одну стену составит 6 дБ. В первом случае на пути распространения прямого луча присутствует две стены, а во втором - одна. Расстояние между точками во всех случаях равно 14,4 метра. Ослабление сигнала для выбранных направлений составит:
L (^(2 4/7^)) = 32'5 + 20 log (14'4) + 2 ' 6 = 67'67 дБ L (¿2(2 4 ГЛ/)) = 32,5 + 20 log (l4, 4) + 1 - 6 = 61,67 дБ
Определив L (dj), L (d2) в направлениях 1 и 2, произведем расчет для режима 802.11n работающего в диапазоне 2,4 ГГц.
Уровень мощности сигнала на входе приемника[2] :
Рвхпр = Pt + Gt + Gr - Lt - Lr - L (dn ), (6)
где „„ - мощность сигнала на входе приемника, дБм;
вх. пр
L (dn ) - суммарные потери сигнала, дБ.
Р , . = 16 + 4 + 0 - 0 - 0 - 67, 67 = -47, 67 дБм
вх.пр1( 2,4 11ц )
Р , , = 16 + 4 + 0 - 0 - 0 - 61,67 = -41,67 дБм
вх.пр 2( 2,4 11ц )
Ослабление сигнала для выбранных направлений в диапазоне 5 ГГц в стандарте IEEE 802.11ас составит:
L (¿1(5 ГГц) ) = 32,5 + 20 log (14, 4) + 2 -14 = 83,67 дБ L (¿2(5 ГГц) ) = 32,5 + 20log (14, 4) + 1 -14 = 69, 67 дБ
Уровень мощности сигнала на входе приемника:
Р , ГГ ,= 16 + 4 + 0 - 0 - 0 - 83,67 = -63,67 дБм вх.пр 1(5 11ц )
Р , . = 16 + 4 + 0 - 0 - 0 - 69, 67 = -49, 67 дБм вх.пр 2(5 11ц )
Очевидно, что ослабление сигнала сильнее в диапазоне 5 ГГц, следовательно, при равных условиях распространения, радиус зоны покрытия в этом диапазоне несколько меньше, чем при работе на частоте 2,4 ГГц.
В данной работе был произведен анализ стандартов IEEE 802.11n, 802.11ас и осуществлен расчет дальности связи, а также расчет затуханий в закрытых помещениях с использованием модели Keenan-Motley.
Стандарт 802.11ас позволяет улучшить качество передачи, благодаря введению технологии MU -MIMO (Multi User MIMO). Данная технология дает возможность точки доступа с этим стандартом Wi-Fi
передавать сразу два или более пространственных потока к двум или более оконечным сетевым беспроводным устройствам в реальном времени.
Многопользовательская одновременная работа точки доступа и клиентов в рамках стандарта 802.11ac позволяет сделать сеть более плотной (насыщенной беспроводными клиентами в ограниченном пространстве с работой без простоя), тем самым приближаясь к концепции беспроводного офиса.
Основным преимуществом современного стандарта 802.11ac по сравнению с предшествующими является увеличение скорости передачи в несколько раз. Достигается это за счет следующих решений:
- отказ от низкого диапазона частот, 802.11ac работает только на частоте 5 ГГ ц;
- увеличение количества объединяемых частотных каналов - до 80 (и 160) МГц в одном соединении;
- работа с режимами модуляции вплоть до QAM-256 (увеличение в 4 раза).
При этом все оборудование 802.11ac имеет обратную совместимость с более ранними версиями стандарта.
Несмотря на использование более высокого частотного диапазона, радиус зоны обслуживания точки доступа не уменьшился, а в некоторых режимах работы возможен охват большей территории. Но заявленные высокие скорости доступны только на коротких дистанциях (до 10м).
Библиографический список
1. Основные особенности стандарта 802.11ac [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/company/cbs/blog/274267/ (дата обращения: 5.06.2018).
2. Пролетарский, А.В. Беспроводные сети Wi-Fi / Пролетарский А.В., Чирков Д.Н - М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», (Основы информационных технологий) 2016.- 284 с.
3. Рошан, Педжман, Лиэри, Джонатан. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильямс, 2004. - 304с.
4. Motley A., Keenan J. Indoor Propagation Models // COST Action 231: Digital mobile radio towards future generation systems: Final report. 1999. P. 175-179.
КУЗНЕЦОВ РОСТИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ - магистрант, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), Россия.
