Ключевые нововведения WiFi стандарта 802.11 ac

В попытке решить проблему перегрузки и удовлетворить потребность в более высокой скорости пропускания IEEE ратифицировал новый стандарт 802.11 ac для технологии WLAN, который имеет обратную совместимость со стандартом 802.11n.

Так как же новый стандарт собирается предоставить все эти преимущества?

Во-первых, беспроводный трафик перемещен из диапазона 2,4 ГГц в диапазон 5 ГГц. На данный момент этот диапазон менее занят и способен обеспечить большую пропускную способность. Во-вторых, он обещает «более высокую скорость передачи на большее расстояние», и именно поэтому также известен как поправка VHT (very high throughput, очень высокая пропускная способность). В сущности, это означает предоставление более высокой скорости передачи данных по беспроводному соединению, более эффективное использование частотного спектра и дальнейшее совершенствование методов, представленных в стандарте 802.11n, а именно:

более широкие каналы;
более эффективная модуляция и алгоритмы кодирования;
формирования луча;
использование многопользовательского MIMO;
большее количество пространственных потоков.

Более широкие каналы

Текущий протокол беспроводной связи 802.11n ввел в использование каналы 40 МГц, что является значительным улучшением по сравнению с каналами 20 МГц в более ранних стандартах. Теоретически в 802.11n можно использовать до 14 каналов (в диапазоне 2,4 МГц). На практике, чтобы избежать помех, можно использовать только три или четыре. Если имеются конфликтующие каналы, производительность сети значительно падает.

Одним из ключевых факторов, определяющих повышение скорости в стандарте 802.11 ac, является использование каналов шириной 80 МГц. На втором этапе ширина каналов будет расти и далее – до 160 МГц. Достижение таких высоких скоростей передачи данных, однако, связано с определенными затратами: меньшим числом доступных каналов в диапазоне 5 ГГц.

Как всё это будет работать в точности, зависит от страны, поскольку существует большое разнообразие правил использования диапазона 5 ГГц (смотрите таблицу 1). В Соединенных Штатах стандарт 802.11 ac предоставляет для выбора не более пяти каналов 80 МГц; в настоящее время доступны три. Когда появится стандарт 802.11 ac второй волны, для выбора будет доступно не более двух каналов 160 МГц, и, вероятно, только один будет реально доступен. В противоположность этому, неперекрывающихся канало 20 МГц доступно значительно больше – в общей сложности 13.

В Европе стандарт 802.11 ac имеет четыре доступных канала 80 МГц, и во второй волне будет иметь два доступных канала 160 МГц. Всего же доступно 19 неперекрывающихся каналов 20 МГц.

Следует иметь в виду, что каналы шириной 160 МГц будут опцией даже после ратификации стандарта, и обычно максимальное связывание каналов будет давать каналы шириной до 80 МГц. Однако это по-прежнему значительно сокращает количество доступных неперекрывающихся каналов в диапазонах UNII 5 ГГц.

Таблица 1. Доступные каналы 802.11 ac

	Включая DFS*		Без учета DFS
Размер канала	США	Европа	США	Европа
40 МГц	6	9	4	2
80 МГц	3	4	2	1
160 МГц	1	2	-	-

* DFS = Dynamic Frequency Selection (динамический выбор частоты) - для исключения помех от метеорологических радиолокаторов.

Обратите внимание, что без использования DFS, в Европе, количество доступных каналов 80 МГц снижается до 1, а в США до 2, поэтому поддержка DFS на точках доступа и у клиентов является необходимым условием эффективного развертывания технологии 802.11 ac.

Более эффективная модуляция и кодирование

За счет использования технологии 256QAM в стандарте 802.11 ac представлена модуляция более высокого порядка. Это увеличивает количество битов, которое можно закодировать в одном символе, и обеспечивает повышение скорости передачи данных примерно на треть. Однако это требует внесения изменений в конструкцию передатчика и приемника, что усложняет задачу конструирования радиочастотной системы.

Формирование луча

Формирование луча (beamforming) – это функция, которая позволяет маршрутизаторам 802.11 ac передавать беспроводный сигнал фокусировать энергию беспроводного сигнала в точке, где находится приемное устройство, а не рассеивать его во все окружающее пространство. Хотя эта функция поддерживается в стандарте 802.11n предыдущего поколения, новый стандарт более эффективен – в частности потому, что включает только один метод формирования луча, а не поддерживает несколько возможных вариантов.

Многопользовательский метод MIMO – больше пространственных потоков через большее количество антенн

Метод MIMO (или Multiple Input Multiple Output) означает, что одновременно передается и принимается более одного информационного потока, передаваемого в одном канале. Технология 802.11 ac будет использовать многопользовательский метод MIMO для поддержки одновременной передачи на несколько клиентов при условии их пространственного разделения, что позволяет максимально использовать радиочастотный диапазон.

802.11n передает данные для каждого пользователя по очереди	802.11 ac передает данные для нескольких пользователей одновременно

Теоретически 802.11 ac может обрабатывать до четырех пространственных потоков на каждого клиента, и каждое устройство постоянно обеспечивает прием во всем обеспечиваемом диапазоне частот. Если сравнивать с точкой доступа 802.11n, то она может передавать и принимать данные только с одного устройства одновременно. Это означает, что чем больше устройств используют точку доступа, тем медленнее становится передача данных, так как маршрутизатор (см. раздел WiFi оборудование) передает данные для каждого устройства по очереди, прежде чем вернуться к первому устройству (таблица 2).

Таблица 2. Сравнение протоколов 802.11n и 802.11 ac

	802.11n	802.11 ac
Диапазон частот	2,4 ГГц и 5 ГГц	5 ГГц
Ширина канала	20 и 40 МГц	20, 40, 60, 80 МГц (опция 160 МГц)
Количество пространственных потоков	От 1 до 4	От 1 до 8 (до 4 на одного клиента)
Многопользовательский метод MIMO	Нет	Да
Максимальная скорость передачи данных клиента для одного потока	150 Мбит/с	433 Мбит/с (для канала 80 МГц)

Протокол безопасности GCMP

В стандарте 802.11 ac будут во многом использоваться те же протоколы безопасности, что используются в стандарте 802.11n. Скорости передачи данных стандарта 802.11 ac несовместимы с WEP и TKIP, поэтому устройства, работающие на очень высоких скоростях передачи, будут в основном использовать протокол безопасности AES-CCMP, необходимый для сертификации WPA2.

Однако стандарт 802.11 ac позволяет также использовать протокол GCMP - Galois/Counter Mode Protocol. Подобно CCMP этот протокол обеспечивает аутентификацию данных и шифрование. В то время как протокол CCMP шифрует данные, разбитые на блоки, а затем проводит аутентификацию блоков, последовательно соединенных друг с другом, протокол GGMP для индивидуальной аутентификации каждого блока использует алгоритмы, основанные на арифметике конечных полей Галуа. Это означает, что протокол GCMP может шифровать блоки данных параллельно, а не последовательно.

При обработке данных, передаваемых на очень высоких скоростях, возможность параллельного шифрования и аутентификации играет особенно важную роль в уменьшении времени ожидания. Каждая аутентификация GCMP также проводится быстрее, чем аутентификация CCMP.

В первой волне продукции стандарта 802.11 ac может продолжать использоваться протокол CCMP, по крайней мере, на канальном уровне безопасности. Но в продукции второй волны может также использоваться протокол GCMP, что позволит ей идти в ногу с сетями WLAN высокой плотности, поддерживать клиентов по технологии MU-MIMO и более широкие каналы, которые позволяют использовать скорость передачи данных, близкую к 7 Гбит/с. Поэтому администраторы должны начать предусмотреть в инструментах планирования, наблюдения и диагностики WLAN поддержку GCMP, чтобы быть готовым ко второй волне продуктов стандарта 802.11 ac, а также для стандарта 802.11ad, который лучше подходит для высокоскоростного обмена данными между находящимися рядом (в одной и той же комнате) устройствами, например, таких, которые используются для передачи видеосигнала HD по беспроводному соединению на настенные дисплеи.