802.11n - kuidas on saavutatud kiirus 600Mbit/s?

IEEE 802.11n-on traadita võrguside standardi IEEE 802.11-2007 edasiarendus, mis parandab oluliselt võrgu läbilaskevõimet. Võrreldes kahe eelneva standardiga (802.11a ja 802.11g) on saavutatud märkimisväärne maksimaalne andmeedastuse ribalaius OSI mudeli füüsilisel kihil kuni 600 Mbit/s. (IEEE-SA)

802.11n sisaldab kõiki varasemaid täiendusi 802.11 standardile, kaasarvatud MAC (Media Access Control) täiendused standardis 802.11e QoS (quality of service) ja voolutarbe vähendamise tarvis. Standardi parandusversiooni peamine eesmärk on suurendada võrgu läbilaskevõimet.

Alustame 802.11g standardi maksimaalse läbilaskevõimega (54 Mbit/s) ning vaatame mis tehnikaid kasutades on saavutatud 802.11n standardi puhul ribalaius 600 Mbit/s:

Rohkem paralleelseid andmevooge samalal kanalil

802.11g võrgus on 48 ortogonaalse sagedusjaotus-multipleksimise alam-andmevoogu, 802.11n standardis on see number suurendatud 52ni, saavutades sellega võrgu kiiruseks 54Mbit/s asemel 58.5 Mbit/s.

FEC

802.11g standardis on FEC veaparanduse (Forward Error Correction) lisatava ja originaalandmete vahekord 3/4. 802.11n standard on veaparanduse tarvis lisatavat infot vähendanud ning suhe on 5/6 võimaldades andmekiiruse suhtelist kasvu 58.5 Mbit/s pealt 65 Mbit/s peale.

Intervall järjestikuliste andmeedastuste vahel

802.11a standardi korral on erinevaid andmeedastusi eristav kohustuslik paus 800ns. 802.11n standardis on võimalus see paus lülitada 400ns peale. Sellega on võimalik võita kuni 11% andmeedastuskiiruses, mis meie praeguse järjest liituva näite puhul annab kokku juba 72.2 Mbit/s.

MIMO

MIMO (Multiple input, multiple output). MIMO kasutab mitut antenni, et liigutada mitut andmevoogu ühest kohast teise. Põhimõtteliselt on tegu nagu mitme paralleelse võrguga 2 seadme vahel. MIMO võib samaaegselt saata ja vastu võtta mitut andmevoogu. Nii on aga võimalik liigutada rohkem andmeid sama aja jooksul. Kaks antenni seadmel võimaldab võrreldes ühe-antennilisega endmeedastuse läbilaskevõimet kahekordistada, kolm antenni kolmekordistada jne. Maksimaalne standardi poolt lubatav antennide arv seadme kohta on neli. Neli üheaegset sidekanalit võimaldavad eelnevas punktis saadud läbilaske korrutada neljaga, saades tulemuseks 288.9 Mbit/s

40 MHz kanalid

Kõigis eelnevates 802.11 standardites on kanali ribalaiuseks olnud 20MHz. 802.11n on lisanud võimaluse (vastuoluline ning ei ole paljudes tingimustes kasutatav) kasutada kanali 40 MHz. Kui kanali ribalaius kahekordistada, saab andmeedastuse alamvooge suurendada 52lt 108ni. See aga võimaldab kogu kanali läbilaske suurendamist 150 Mbit/s. Ehk taaskord, kasutades nelja paralleelset kanalit MIMO abil, saame summaarseks läbilaskevõimeks 600 Mbit/s.

Madalam MAC andme-ballast

Maksimaalne andmete läbilaskevõime füüsilisel kihil pole samas väga informatiivne number. 802.11a/g füüsilise kihi andmeedastuskiirus on 54 Mbit/s, aga OSI mudeli kõrgematel kihtidel tuleb läbilaskeks kõigest 26 Mbit/s. Füüsilise kihi ballastinfo võtab kogu ribalaiusest üle 50%! 802.11n standardi puhul on see näitaja viidud 25%ni. Näiteks kui füüsilisel kihil on kiiruseks Mbit/s, siis kõrgematel OSI kihtidel ligikaudu 50 Mbit/s.

---

Tuleb aga meeles pidada, et need eespool nimetatud numbrid on absoluutsed tippkiirused, mida süsteem on teoreetiliselt võimeline ideaaljuhul saavutama. Enamasti siiski ei ole tegu ideaaltingimustega ning 802.11n standardil on mitmeid modulatsiooni-skeeme, mida kasutada siis kui tingimused on halvemad. Et minimeerida selliste juhtude mõju on n standardil mitu täiendavat parandust muutmaks efektiivset läbilaskevõimet igasugustes tingimustes nii kõrgeks kui võimalik. Nendest tehnoloogiatest järgnevalt:

Kiire MCS tagasiside

Võrguseadmetel on raske jälgida äkilisi muudatusi kanalil. Näiteks kui võrgus olev seade liigub ruumis ja satub hetkeks nö varju, kus wifi hästi ei levi. Seetõttu võib ühenduse kiirus langeda näiteks 50lt 5Mbit/s peale ning hetke pärast uuesti tagasi. Kuna võrguseadmed kohendavad oma kiirust edastamisel tekkinud vigade põhjal siis viivituse suhtes tundliku info korral käituva aparaadid vägagi konservatiivselt ning side aeglustumise järgselt taastavad algse kiiruse aeglaselt ja rahulikult. 11n lisab aga konkreetse ja selge paketipõhise tagasisidekanali, mis soovitab seadmele järgmise paketi jaoks sobiva edastuskiiruse. Tehnoloogi kannab inglise-keelset nime Fast Modulation and Coding Scheme Feedback.

LDPC (Low Density Partity Check)

LDPC, eesti keeles madala tihedusega paarsuskontroll, on esmaklassiline veaparandusmehhanism. Vaatamata sellele, et tegu on pea 50 aastat vana tehnoloogiaga, on LDPC efektiivseim veaparanduskood, mis seni loodud ning on lähedal veaparanduse teoreetilisele efektiivsusele. Kuna protsess nõuab kllaltki palju arvutusressurssi, siis oli LDPC enne 802.11n standardit küllaltki vähe kasutusel.

Beam-forming

Tehnoloogia, mis võimaldab saatjal sättida raadiolainete faas ja edastusvõimsus nii, et täpselt vastuvõtja ruumipunktis tekiks peegeldusi ja sumbumisi arvestades signaali üks maksimumkoht.

Riistvara

Paljud loetletud omadustest nõuavad seadmetelt omajagu arvutusvõimsust. Mis on piiratud ressurss kaasaskantavate seadmete puhul, kuna arvutusvõimsus vähendab aku kestvust. Õnneks on need arvutusvõimsust nõudvad protsessid võimalik realiseerida rauas, kus arvutused toimuad kiiresti ning tarbivad oluliselt vähem väärtuslikku limiteeritud energiavaru.(How does 802.11n get to 600Mbps?, 2007),(Whitepaper, 2008)

 

Kasutatud materjalid

1. How does 802.11n get to 600Mbps? (7. 9 2007. a.). Kasutamise kuupäev: 17. 5 2011. a., allikas Wirevolution: http://www.wirevolution.com/2007/09/07/how-does-80211n-get-to-600mbps/

2. IEEE-SA. (kuupäev puudub). Kasutamise kuupäev: 18. 5 2011. a., allikas IEEE Std 802 11n -2009: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11n-2009.pdf

3. Whitepaper. (21. 8 2008. a.). Kasutamise kuupäev: 18. 5 2011. a., allikas Wireless Without Compromise: Delivering the promise of IEEE 802.11n: http://www.merunetworks.com/pdf/whitepapers/WP_80211nAppDelivery_v1.pdf

Koostanud: Jako Tinkus IA27