Скорость сети WiFi N в жилых помещениях.

Хотя технология Wi-Fi получила значительный рост и помогает обеспечить доступ к Интернету миллионам людей во всём мире, последние версии стандарта не совсем помогли пользователям сети Wi-Fi узнать, какая реальная производительность их сети. В этой статье мы рассмотрим причины путаницы, возникшей вокруг производительности сетей Wi-Fi, и проанализируем случай наиболее используемой сегодня версии, коммерчески известной как Wi-Fi N.

Wi-Fi и стандарт IEEE 802.11

Прежде чем приступить к анализу производительности бытовых подключений Wi-Fi N, мы рассмотрим различные версии стандарта.

Технология Wi-Fi основана на использовании стандарта, разработанного всемирной организацией IEEE, посвящённой разработке стандартов в области науки и техники. Первая официальная версия стандарта была опубликована в 1997 году и называлась IEEE 802.11.

Параллельно с разработкой стандарта IEEE в 1999 году некоторые из наиболее важных производителей беспроводных решений создали организацию под названием WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) с целью обеспечения совместимости беспроводных устройств, разработанных в соответствии с этим стандартом. Несколько лет спустя эта организация меняет название на Wi-Fi Alliance. Устройства, соответствующие стандарту IEEE 802.11, продаются с наименованием Wi-Fi (Wireless Fidelity), что обеспечивает совместимость с остальными устройствами на рынке.

С тех пор было опубликовано несколько версий с последовательными улучшениями до достижения текущей версии, известной как IEEE 802.11ac, и опубликованной в январе 2014 года. В следующей таблице приведены все версии:

Стандартный	Торговые названия	Год	Максимальная скорость теоретическая
IEEE 802.11	–	1997	2 Мбит / с
IEEE 802.11 a	802.11 A	1999	54 Мбит / с
IEEE 802.11 b	802.11 B, WiFi B	1999	11 Мбит / с
IEEE 802.11 g	802.11 G, Wi-Fi G	2003	54 Мбит / с
IEEE 802.11 n	802.11 N, WiFi N	2009	600 Мбит / с
IEE 802.11 ac	802.11 AC, WiFi AC	2014	1.3 Гбит / с (*)

 

(*) Стандарт IEEE 80211ac позволяет достигать более высоких скоростей, но на данный момент максимальная скорость устройств, сертифицированных Wi-Fi Alliance, показана в таблице.

Всем устройствам, которые соответствуют любому из этих стандартов, присваивается имя устройства Wi-Fi. Однако между ними могут быть большие различия.

Из всех версий стандарта первые три считаются практически вымершими, а наиболее часто используемой является версия 802.11N. Хотя, без сомнения, версия, которая до сих пор пользовалась большой популярностью, была версией 802.11G. Эта версия была опубликована в 2003 году, и спустя пару лет использование устройств Wi-Fi стало значительно расти.

Важной особенностью стандарта 802.11G является то, что все устройства, отвечающие этому стандарту, отвечают одинаковым техническим характеристикам. Все устройства могут использовать одну и ту же полосу частот, одинаковую полосу пропускания на канал, один и тот же тип модуляции, одну и ту же полосу защиты, при этом стандарт 802.11G обеспечивает теоретическую максимальную скорость 54 Мбит/с.

Но с выходом нового стандарта 802.11N всё изменилось с точки зрения простоты. Этот новый стандарт добавляет некоторые функции относительно своего предшественника 802.11G, которые могут существенно улучшить производительность беспроводных сетей. Но, и это важно, это не заставляет все устройства Wi-Fi N реализовывать все эти функции. Эта ситуация вызвала некоторую путаницу при оценке производительности устройств Wi-Fi N.

Стандарт 802.11N и все его вариации

До предыдущей версии, 802.11G, все устройства Wi-Fi имели одинаковые характеристики, с которыми производительность была более или менее одинаковой в оптимальных условиях с максимальным теоретическим пределом для всех устройств 54 Мбит/с.

Но в стандарте 802.11N определено несколько рабочих конфигураций, каждая из которых предлагает различные функции, и не обязательно, чтобы сертифицированное устройство, такое как 802.11N, включало все возможные конфигурации и, следовательно, предлагало максимальную производительность.

Ключ ко всему этому называется схемой модуляции и кодирования или более известной по его аббревиатуре MCS (Схема модуляции и кодирования). Схема модуляции и кодирования определяет значение некоторых параметров передачи, которые напрямую влияют на максимально достигнутую скорость, то есть производительность соединений Wi-Fi.

В конце этой статьи предлагается более техническое приложение по этой функции. На данный момент и для упрощения скажем, что стандарт IEEE 802.11n определяет до 77 MCS, то есть 77 различных режимов работы, и каждый из них предлагает до четырех теоретических максимальных скоростей, в зависимости от используемой ширины канала и защитного интервала.

На практике были реализованы только 32 из этих режимов. Режим 0, самый низкий, обеспечивает теоретическую максимальную скорость 6,50 Мбит/с (для канала 20 МГц и защитный интервал 800 нс). В то время как самый высокий режим, 31, обеспечивает теоретическую максимальную скорость 600 Мбит/с (с каналом 40 МГц и защитным интервалом 400 нс). Фактически, эта последняя скорость 600 Мбит/с считается максимальной скоростью стандарта.

И здесь начинается важная часть. Из стандартной MCS только первые 16 режимов требуются в точках доступа (или маршрутизаторах Wi-Fi). И только первые 8 обязательны для клиентских устройств – ноутбуков, смартфонов, планшетов и т. д. Все остальные являются необязательными.

В предыдущей таблице показана сравнительная скорость различных устройств Wi-Fi G и N. Следует отметить, что существует только одна возможная конфигурация для WiFi G, в то время как для WiFi N мы можем найти до 4 разных, каждое с разными максимальными скоростями в зависимости от реализованных режимов. Только устройство WiFi N, которое реализует все режимы работы, от 0 до 31, может использовать теоретическую максимальную скорость 600 Мбит/с.

Как используется MCS в WiFi N?

Обмен данными между точкой доступа (или маршрутизатором WiFi) и клиентом Wi-Fi осуществляется посредством согласования максимальной MCS, которая допускает условия передачи и характеристики устройств.

Первоначально согласовывается максимально возможная MCS. Но эта MCS может быть уменьшена, чтобы минимизировать эффект из-за условий передачи, таких как расстояние между устройствами, препятствия, помехи и т. д.

Наиболее продвинутые типы модуляции и высокие скорости модуляции имеют преимущество передачи большего количества битов на единицу модулированного сигнала, но, напротив, они более чувствительны к ошибкам, вызванным условиями передачи, такими как помехи, слабый сигнал, расстояние между устройствами и т. д. Когда частота ошибок увеличивается, решение состоит в том, чтобы изменить тип модуляции, скорость модуляции или оба, пока не будет найдена схема, которая меньше всего зависит от условий передачи.

Следовательно, максимальная MCS, используемая в связи WiFi N, в условиях расстояния, препятствий, оптимальных помех, отмечается устройством с самой низкой MCS. Если мы пытаемся установить связь между точкой доступа или маршрутизатором WiFi, который реализует наивысшую MCS 31 и, следовательно, может достигать 600 Мбит/с, с клиентом WiFi N, например смартфоном, который реализует до MCS 7, теоретическая максимальная скорость из этого соединения будет только 150 Мбит/с, который обеспечивает MCS 7.

Мы уже видели, как преимущества сетей Wi-Fi N зависят от функций, реализованных в устройствах. MCS, используемая в связи Wi-Fi, будет установлена ​​устройством с меньшим количеством функций.

В случае жилых сетей N-Wi-Fi реальность такова, что маршрутизаторы Wi-Fi, которые операторы предоставляют своим клиентам, являются, так сказать, бюджетными. Это означает, что они реализуют минимальное количество режимов MCS, требуемое стандартом, которое, как мы видели, составляет 16. Следовательно, теоретическая максимальная скорость, которую поддерживает большинство жилых маршрутизаторов, поддерживаемых операторами, составляет 300 Мбит/с.

И то же самое происходит с беспроводными клиентами, такими как смартфоны, планшеты и т. д. Многие из них также реализуют минимальное количество режимов MCS, требуемое в стандарте, которое в данном случае равно 8. На практике это ограничивает теоретические максимальные скорости в жилых соединениях WiFi N до 150 Мбит/с.

Фактическая скорость в жилых помещениях WiFi N

До сих пор мы говорили о теоретических максимальных скоростях. В этом разделе мы предлагаем реальные измерения, проводимые в реальных условиях. Детали тестов можно увидеть в этой статье (ожидается публикация). Здесь мы увидим только выводы.

В тестах использовалась точка беспроводного доступа с максимальной MCS 15, то есть теоретическая максимальная скорость 300 Мбит/с.

Клиентские устройства были ноутбуком с внешней картой WiFi N, подключенной через USB, с максимальной MCS 7. И смартфоном Motorola Moto G. Производитель не указывает максимальный режим, который он допускает, но на основании результатов тестов мы выводим, что его 7 – максимальная ожидаемая MCS.

В дополнение к режиму MCS, используемому в WiFi, существует ещё один параметр, который существенно влияет на теоретическую максимальную скорость, а именно пропускную способность канала. Стандарт позволяет использовать две полосы пропускания: 20 МГц и 40 МГц. Ширина 20 МГц уже использовалась в Wi-Fi G. Ширина 40 МГц является новой в WiFi N и обеспечивает более высокие скорости передачи для той же MCS, но на практике он используется редко, главным образом потому, что его реализация не является обязательной, а некоторые устройства WiFi не реализуют его, и, во-вторых, потому что канал 40 МГц намного более чувствителен к помехам, особенно в жилых помещениях, где рядом есть другие сети WiFi. Поэтому чаще всего устройства WiFi N используют каналы с частотой 20 МГц, и при этом предположении предлагаются результаты (в вышеупомянутой статье с подробной информацией о тестах также предлагаются результаты тестов с каналом 40). МГц).

Наконец, мы просто указываем, что приложение, используемое для тестирования, называется iPerf. Это бесплатное программное обеспечение и доступно как для Windows, так и для Android.

Исходя из всего вышесказанного, тесты скорости между точкой доступа WiFi и ноутбуком дают следующий результат:

Фактическая максимальная скорость, которая была достигнута в тестах, как показано на предыдущем рисунке, составляет 51 Мбит/с. Эти тесты проводились в среде без помех, без препятствий и на расстоянии около двух метров между точкой доступа WiFi и портативным устройством.

Хотя режим MCS = 7 поддерживает теоретическую максимальную скорость до 150 Мбит/с, эта скорость достигается с помощью канала 40 МГц. Мы уже видели, что это не обычное использование канала. Обычно используется канал с частотой 20 МГц. В этом случае теоретическая максимальная скорость составляет 72,2 Мбит/с, что видно из следующей выдержки из таблицы режимов MCS:

В этом случае фактическая максимальная скорость, которая была получена, составила 49,1 Мбит/с. В этом случае также теоретическая максимальная скорость составляет 72,2 Мбит/с, поскольку используется канал 20 МГц.

Вывод:

В жилых помещениях наиболее распространенным сценарием является поиск устройств WiFi N, которые поддерживают режим MCS = 7 и используют каналы 20 МГц (в диапазоне 2,4 ГГц). В этих условиях теоретическая максимальная скорость составляет 72,2 Мбит/с, а фактическая максимальная скорость, достигнутая в наших тестах, составляет около 50 Мбит/с.

По сравнению с предыдущим стандартом WiFi G улучшение является значительным, но оно далеко от тех теоретических 600 Мбит/с, с которыми, в некоторых случаях, был продан стандарт WiFI N.

Мы кратко суммируем, какие факторы определяют указанную MCS:

• Spatial streams, что можно перевести как “пространственный поток”. Он использует технику, называемую SDM (Spatial Division Мультиплексирования – Мультиплексирование деления в пространстве) для беспроводной передачи данных, что позволяет получить различные потоки информации в одном и том же диапазоне частот. Используют звонки, multi-пути сигналов радиосвязи из-за отражений, и без использования этой техники могут быть помехи, но благодаря SDM можно использовать для передачи дополнительной информации. В стандарте WiFi N поддерживает от 1 до 4 параллельных потоков. Каждый поток, связан обычно с одной антенной, так что для использования этой функции необходимо иметь более одной антенны.
• Coding Rate или скорость модуляции. Этот параметр тесно связан со следующим. Как правило, указываются две цифры. Первая указывает, сколько бит информации на один символ (минимальная единица сигнала модуляции, содержащей информацию), а вторая указывает на число общее число битов, переданных в командной строке. Эти биты дополнительный второй параметр и биты избыточности для обнаружения ошибок.
• Modulation type o tipo модуляция. Модуляция – это процесс, посредством которого мы создаем сигнал, который адаптируется к среде передачи. В случае WiFi сигнал, модулированный аналоговый сигнал, который содержит цифровую информацию. В зависимости от метода используемой модуляции, можно получить и отправить больше битов, за то же количество времени. Параметр, который определяет производительность типа модуляции частности – это количество бит на один символ. В модуляции, самое основное это BPSK и наиболее передовой является 64-QAM. Более продвинутая модуляция позволяют передавать больше битов в единицу времени, но они более чувствительны к помехам и пропаданию сигнала.
• Пропускная способность канала. Ширина канала – это разница между более высокой частотой и самой низкой частотой используемых каналов. В стандарте WiFi G используются каналы с фиксированной пропускной способностью 20 МГц. Тем не менее, в WiFi-N, существует возможность выбрать каналы 20 МГц и 40 МГц. Использование канала 40 МГц, повышает производительность передачи, тем не менее, рекомендуется использовать в средах с низким уровнем шумов. Стандарт WiFi N обеспечивает возможность использования двух частотных диапазонов: первый расположен в 2.4 ГГц, который уже используется в Wi-Fi G, и второй диапазон 5 ГГц. Каналы 40 МГц, на самом деле предназначены для использования на последней полосе 5 ГГц, так как он поддерживает большее число каналов и работает без помех. Но на практике, ни один оператор не обеспечивает WiFi роутеры, работающие в диапазоне 5 ГГц, таким образом, в жилых помещениях, как правило, поэтому вы не сможете использовать каналы 40 МГц.
• Интервал времени (GI). Этот параметр определяет период времени, в символах (минимальная единица сигнала, которая содержит информацию). В средах, где существует возможность multitrayectos необходимо оставить промежуток времени что бы сохранить символы идущие подряд, и этот период достаточно большой, чтобы избежать того, что символ не достигнет приёмника до окончания предыдущего (из-за маршрута многопутевой маршрутизации). Стандарт допускает использование двух значений, 400 НС 800 НС.