Характеристики WiFi (часть 2)

Продолжаем разбирать характеристики беспроводного сетевого оборудования.

В прошлой статье мы подробно рассмотрели, что такое:

1. Мощность передатчика (Tx Power, Output Power).
2. Чувствительность приемника (Sensitivity, Rx Power).
3. MCS (Modulation and Coding Scheme).
4. Ширина полосы (Channel Sizes).
5. Усиление антенны (Gain).
6. Угол антенны, ширина луча (Beamwidth, degree).

В сегодняшней статье остановимся на таких параметрах беспроводных устройств, как:

1. Поляризация антенны.
2. Количество антенн.
3. Chain (чейн).
4. Spatial streams.

А также на том, можно ли с их помощью определить производительность устройства и выбрать WiFi точку доступа с повышенной пропускной способностью.

Поляризация антенны (Polarization, Polarisation, Polarity)

Продолжая тему характеристик WiFi антенн, рассмотрим одну из основных - поляризацию. В datasheet'ах устройств она может обозначаться как polarity, polarization, HPOL (горизонтальная поляризация), VPOL (вертикальная поляризация) и т. д.

Что такое поляризация? Сигнал WiFi, как мы знаем, — это волна, представляющая собой колебания электромагнитного поля, которое создается напряжением между электрическим полем и магнитным. Если эти колебания совершаются в одной плоскости, волна имеет плоскую, так называемую линейную поляризацию. В устройствах WiFi в подавляющем большинстве случаев применяется именно такая.

Возможна еще круговая, или эллиптическая поляризация электромагнитной волны, но в беспроводных устройствах она практически не используется.

В зависимости от того, как направлен вектор электрического поля, линейная поляризация может быть:

• горизонтальной (вектор электрического поля движется влево-вправо),
• вертикальной (вектор электрического поля движется вверх-вниз),
• наклонной (например, в AirFiber),
• двойной (объединяющей вертикальную и горизонтальную поляризацию, или две наклонные поляризации, перпендикулярные другу другу).

Одиночная поляризация

Многие домашние точки доступа и роутеры WiFI, а также некоторые уличные устройства, такие как AirGrid M2 HP 20dBi (и вся серия AirGrid), LiteBeam M5 23, работают только в одной поляризации — по умолчанию в вертикальной. Поляризацию можно поменять, изменив положение антенны в пространстве: на домашних WiFi роутерах повернув внешнюю антенну в горизонтальное положение, на уличных точках доступа с встроенной антенной — повернув аиргрид или лайтбим вокруг оси.

При установке беспроводных точек доступа, роутеров и т. п. с одиночно поляризованной антенной нужно учитывать важный нюанс: передающее и принимающее устройство должны быть в одной поляризации. Иначе скорость сигнала будет очень низкой, или же соединения не будет вовсе.

Что лучше — горизонтальная или вертикальная поляризация?

Однозначного ответа на этот вопрос не существует. Стандартно беспроводные AP и CPE имеют вертикальную поляризацию. Принято считать, что вертикально поляризованные волны лучше подходят для соединений «точка-многоточка» (за счет лучшего обхода таких препятствий, как дома, деревья в узких просветах), а горизонтально поляризованные — для соединений по типу «точка-точка» (за счет меньшего количества помех).

Но на практике, повторимся, необходимо тестировать, какая поляризация будет эффективнее в каждом конкретном случае.

Двойная поляризация (dual-pol)

В устройствах операторского класса, а также клиентских точках доступа таких как Ubiquiti Nanostation M2, MikroTik SXT и т. д. чаще всего используется двойная поляризация (горизонтальная+вертикальная или же две наклонных). Такая реализация улучшает характеристики точки доступа.

• Совмещение горизонтальной и вертикальной поляризации избавляет от необходимости заботиться о совпадении поляризаций приобретаемых устройств.
• Это улучшает прием, так как антенна способна принять и ту часть сигнала, которая при отражении от различных препятствий сменила поляризацию на противоположную.
• Чаще всего двойная поляризация конструктивно совмещается в устройстве с технологией MIMO 2×2, что в общем дает лучшую производительность и пропускную способность, по сравнению с точками доступа с одной поляризацией и без множественной приемопередачи.

При соединении устройств с одиночной поляризацией и двойной (например, абонентских точек доступа и базовой станции), нужно учитывать, что пропускная способность соединения упадет до уровня однополяризационной точки, т. е. потенциал базовой станции не будет использоваться в полной мере.

Количество антенн

Количество антенн в WiFi точке доступа - так ли важен этот показатель для выбора беспроводных устройств? Можно ли с его помощью определить точку доступа или роутер, которые дадут большую скорость беспроводного соединения, чем аналоги?

Некоторые пользователи полагают, что между пропускной способностью WiFi точки доступа и количеством ее антенн существует прямая зависимость: чем больше антенн, тем выше пропускная способность.

Но не все так однозначно.

Максимальная пропускная способность беспроводной точки доступа напрямую не зависит от количества антенн в нем. Хотя, конечно же, большее число антенн имеет положительное значение:

• увеличивается чувствительность устройства,
• эффективнее реализуется пространственное мультиплексирование, благодаря одновременной передаче данных через несколько передающих и несколько принимающих антенн.

В результате пропускная способность все-таки улучшается, но, как мы уже сказали, далеко не прямо пропорционально количеству антенн.

Кроме того, параметр «количество антенн» - размытое понятие:

• Во-первых, устройство может физически иметь 3 антенны, но при этом поддерживать работу в MIMO 2x2, то есть иметь функционал 2 передающих и 2 принимающих антенн. В этом случае третья антенна выполняет функции и передающей, и принимающей, динамически переключаясь в разные режимы.
• Во-вторых, для определения, к примеру, в каком режиме MIMO работает беспроводная точка доступа (в последнее время производители все чаще не указывают эту характеристику), необходимо знать не общее количество антенн WiFi, а отдельное число передающих и принимающих антенн. Чтобы определить, что устройство работает по технологии MIMO 1X2, нужно знать, что в нем 1 передающая и 2 принимающие антенны.

Возможно именно поэтому в технических характеристиках оборудования данные о количестве антенн часто не указываются вообще, ввиду бесполезности этой информации.

Вместо них производитель обычно сообщает значение более важного параметра  - chain.

Chain (чейн)

Chain иногда переводится как «цепь», «канал передачи/приема» или же не переводится никак, и просто транслитерируется — «чейн». Этим понятием обозначается комплексный канал, цепь приема-передачи, включая антенну. Оно напрямую описывает реализацию MIMO в устройстве и употребляется в двух вариантах:

1. Количество chain означает «сводное» количество каналов приема/передачи MIMO. Например, в технических характеристиках точки доступа с MIMO 2×2 указывается dual chain (две цепи), а в устройстве с MIMO 3×3 — triple chain (три цепи). 

Если MIMO имеет вид  2×2 или 3×3, в этом случае количество цепей обычно равно количеству передающих антенн.

2. Количество chain означает отдельно количество каналов приема и количество каналов передачи MIMO. Чаще всего такой вариант используется при записи беспроводных характеристик в виде: nTnR, где nT - число цепей передачи, nR - число цепей приема. К примеру: 2T3R - два чейна передачи, три чейна приема), 1T1R  - один чейн на передачу, один на прием и т. д.). Такое обозначение встречается сравнительно реже.

Chain и пропускная способность

Опять-таки, многие используют количество chain для расчета максимальной пропускной способности беспроводного устройства. То есть, считается, что если в характеристиках точки доступа 802.11n есть обозначение «dual chain» или же MIMO 2×2, то максимальная скорость такого оборудования — 300 Мбит/сек (150*2). Часто это действительно оказывается так, но только по причине простого совпадения.

На самом деле, рассчитывать максимальную пропускную способность, исходя из количества chain - неверный подход.

Два chain и MIMO 2×2 для устройств стандарта 802.11n вовсе не гарантирует канальную скорость в 300 Мбит/сек, а MIMO 3×3 с тремя цепями приема-передачи совсем не означает, что максимальная пропускная способность устройства — 450 Мбит/сек.

Все дело в том, что канальная скорость напрямую зависит не от количества приемопередающих антенн, и не от количества цепей радиопередачи, а от такого параметра, как spatial streams. Если заглянуть в таблицу скоростей передачи данных для различных модуляций и схем кодирования стандартов 802.11n и 802.11ac, мы увидим, что для расчета канальной скорости устройств по стандарту используется именно этот параметр, а не chain, количество антенн или MIMO.

Spatial streams

Наконец-то мы добрались до параметра, который действительно напрямую влияет на пропускную способность. Spatial streams (SS) переводится как пространственный поток. Это пространственное объединение данных при передаче данных в режиме MIMO.

Далеко не все подозревают о существовании этого параметра по той простой причине, что многие производители просто не указывают его в спецификациях на оборудование. Характеристики MIMO обозначаются обычно как "MIMO 2x2" или "MIMO 3x3", в то время как полная запись параметров MIMO должна содержать еще и количество SS.

Правильные полные характеристики MIMO в оборудовании должны быть представлены записью вида:

T x R :S

где

T - количество передающих цепей,

R - количество принимающих сигнал цепей,

S - количество пространственных потоков.

Вот как раз от количества пространственных потоков и зависит максимальная канальная скорость беспроводных устройств.

Точка доступа с 1SS будет иметь максимальную скорость по стандарту 802.11n — 150 Мбит/сек, 2SS - 300 Мбит/сек, 3SS - 450 Мбит/сек.

Чем chain (чейн) отличается от spatial streams?

Количество чейнов показывает, сколько каналов приема-передачи устройства используются в любой момент времени.

Количество spatial streams показывает, сколько пространственных потоков используются для передачи данных, или другими словами - сколько чейнов одновременно используются для передачи потока уникальных данных.

При этом количество пространственных потоков не может быть больше количества chain. Например, если у нас точка MIMO 2×3, то пространственных потоков не может быть больше 2.

А вот обратная ситуация, когда устройство с MIMO 3×3 имеет только 2 пространственных потока, а то и вовсе 1, вполне может иметь место. То есть вполне возможна ситуация, когда в параметрах устройства написано MIMO 3x3, но его канальная скорость (максимальная пропускная способность по стандарту) будет не 450 Мбит/сек, а 300 Мбит/сек (если SS=2) или 150 Мбит/сек (если SS=1). 

Определяем количество spatial  streams в характеристиках WiFi оборудования

К сожалению, увидеть значение этого параметра в документации многих производителей практически нереально, причем даже для устройств операторского класса. Поэтому можно попробовать определить его его самим.

Первый способ. Посмотреть, какие MCS (схемы модуляции) поддерживает устройство. Если для стандарта 802.11n используется максимум MCS7, т. е. схемы модуляции и кодирования с одним пространственным потоком, и не используются MCS 8-15 и выше, с 2-3 SS, то понятно, что точка доступа умеет работать только с 1 пространственным потоком, а значит и канальная скорость для стандарта 802.11n составит только 150 Мбит/сек.

Второй способ (более точный). Если производитель указывает модель беспроводного чипа, использующегося в оборудовании (например, это делает MikroTik) — посмотреть его характеристики. Полные параметры MIMO «вшиты» именно в чип.

Например, в RB922UAGS-5HPacT-NM используется чип QCA9880-BR4A-R, и если немного погуглить, то находим, что эта модель поддерживает MIMO 3х3:3, т. е. работает с тремя пространственными потоками. Соответственно, канальная скорость такого оборудования будет составлять 150 Мбит/сек *3 = 450 Мбит/сек.

Вывод

Итак, для определения максимальной пропускной способности устройств (так называемой канальной скорости) необходимо знать количество Spatial Streams. Количество приемных и передающих антенн, а также чейнов не связаны напрямую с пропускной способностью устройства.

Однако большее количество антенн и цепей приема-передачи - всегда лучше, чем меньше: улучшается чувствительность устройства и стабильность приема-передачи (дополнительные каналы повышают отказоустойчивость).

Кроме того, при выборе оборудования необходимо обязательно учитывать поляризацию антенн: несовпадение поляризаций точек доступа приведет к тому, что соединение установить не удастся, или же его скорость будет очень низкой.