802.11n

802.11n

IEEE 802.11n-2009 on täiendus IEEE 802.11-2007 Wi-Fi standardile. See võimaldab tunduvalt parandada andmeedastuse kvaliteeti, Wi-Fi võrgu katvusala ning seadmete andmete läbilaskevõimet. 802.11n protokollis on võrreldes varasemaga tehtud mitmeid muudatusi füüsilises kihis ja MAC alamkihis, mis tõstavad andmeedastuse kvaliteeti. 802.11n olulisimaks neljaks omaduseks loetakse:

• MIMO (multiple-input multiple-output): MIMO kasutab mitut antenni, et liigutada mitut andmevoogu ühest kohast teise. MIMO võib samaaegselt saata ja vastu võtta mitut andmevoogu.
  
• Andmeedastuseks saab korraga kasutusele võtta 2 teineteist mittesegavat kanalisagedust ribalaiusel kuni 40 MHz. Kasutades nende kahe kanali vahelist ruumi on võimalik andmeedastuskiirust suurendada rohkem kui 2 korda.
  
• Võime mahutada rohkem andmeid igasse edastatavasse paketti (frame aggregation).
  
• Täielik ühilduvus varasemate protokollidega 802.11a, 802.11b ning 802.11g.

802.11n standard levib siseruumides umbes 70m ja välitingimustes kuni 250m. Mis on ligi 2 korda rohkem kui 802.11a, 802.11b või 802.11g standardi puhul. N-standard võimaldab kasutada nii 2.4GHz kui ka 5GHz sagedusala.

802.11n standardi andmeedastuskiiruseks on kuni 600Mbit/s aga seda saab saavutada ainult, kui samaaegselt on täidetud erinevad tingimused. 802.11n - kuidas on saavutatud kiirus 600Mbit/s?

MIMO

MIMO abil edastatakse samaaegselt mitut erinevat raadiosignaali. Need signaalid võivad olla sarnase info kandjad, suurendades nii edastatava info usaldusväärsust, või erineva info kandjad, suurendades nii edastatava andmehulga mahtu. Pildil on toodud näide, kuidas kahe saatva ja vastuvõtva antenni abil toimub andmete edastamine [1]:

Vastuvõtva seadme antennid võtavad signaalid eraldi vastu ning need kombineeritakse kokku ühtseks infoks.

Mitme erineva saatva ja vastuvõtva antenni kasutamine parandab oluliselt ka signaal-müra suhet vastuvõtval seadmel, mis omakorda parandab andmeedastuse kvaliteeti. 802.11n standarv võimaldab kuni 4 andmevoo kasutamist, ent tänased seadmed kasutavad kuni 3 andmevoogu. 4 andmevooga seadmed on mais 2012 veel katsetamisel.

Antennidest

Samal ajal liigutatavate andmevoogude arv on limiteeritud minimaalsete antennide arvu järgi seadmetel. Eraldi seisvad raadiosaatjad aga pakuvad suuremat limiiti samaaegseteks voogudeks, mis kannavad erinevaid andmeid. Valem A x B : C aitab meil mõista, milleks on raadiosaatja võimeline. A on maksimaalne andmeid edastavate antennide arv, mida raadiosaatja kasutab. B on maksimaalne vastuvõtmis antennide arv raadiosaatjal. Ning C on mitut andmevoogu saab raadiosaatja kasutada. Näiteks kui meil on raadiosaatja, mis saadab kahe antenniga ja võtab vastu kolmega ning saab ainult vastuvõtta või saata korraga kahte andmevoogu moodustub valem 2 x 3 : 2.

802.11n standard lubab korraga kuni 4 x 4 : 4. Tavaliselt näeb konfiguratsioon ette 2 x 2 : 2, 2 x 3 : 2 või 3 x 3 : 2. Neil kolmel on samasugused läbivusvõimsused ja lisad, ainuke erinevus on erinevus antennide süsteemis. Lisaks on veel 3 x 3 : 3, mis hakkab tavaks saama, sellel on läbivusvõimsus juba suurem, seoses lisa andmevoole.

Kanalite ühendamine (Channel bonding)

Kahe kanali samaaegsel kasutamisel on võimalik kombineerida kaks 20 MHz kanalit kokku üheks 40 MHz riabalaiusega kanaliks (channel bonding). 802.11n tehnoloogia oskab ära kasutada mõlema 20 MHz kanali alguse- ja lõpuosas ala, mis on reserveeritud raadiohäirete vähendamiseks, ning selle arvelt tõsta 40 MHz kanali ribalaiust 20 MHz kanaliga võrreldes enam kui 2 korda.
Harilikud 20 MHz ribalaiusega kanalid: [2]

40 MHz kanal, mis on saadud kahe 20 MHz kanali ühendamise teel: [3]

Spektriefektiivsus võrreldeds 802.11a ja 802.11g tehnoloogiaga ei muutu.
Channel bonding sobib paremini kasutamiseks 5 GHz alas, sest 2.4 GHz alas võtab 2 kanali kombineerimine enda alla juba kolmest võimalikust üksteist mittesegavast kanalist kaks ära ning ei piirab teistel seadmetel omavahel andmete vahetamist.

Kaadrite ühendamine (Frame aggregation)

Igal 802.11 seadme poolt edastatud andmekaadril on preambula ja raadio- ning MAC päised, mis võtavad enda alla teatud andmemäära: [4]

Selle andmemäära vähendamiseks kasutatakse kaadrite ühendamist (frame aggregation), mille käigus ühendatakse kaks või enam kaadrit kokku, säilitades ainult ühe komplekti preambulat ja raadio- ning MAC päist: [5]

Kaadrite ühendamise tehnoloogiaid on 2: MSDU (MAC Service Data Units) ja MPDU (MAC Protocol Data Unit). Selline võimalus on eriti oluline klientidele, mis edastavad palju väikseid pakette korraga, näiteks helikaadrid, TCP ACK-d jne. [6] Kaadrite ühendamine toimub OSI-mudeli 2. kihis - andmelülikihis (MAC layer). Selle rakendamiseks peavad nii pääsupunkt kui ka klient kasutama 802.11n tehnoloogiat.

MSDU

MSDU (MAC Service Data Units) toimub riistvaras. See on kahest kaadrite tehnoloogiast efektiivsem, kuna kaadritele lisatakse vähem päiseid kui eraldi saates. [7] Pääsupunkti ülesandeks on Etherneti kaadrid pakkida ümber 802.11 kaadriteks ning edastada need mobiilsetele seadmetele. MSDU ühendamise tehnoloogia kogub kokku sama sihtpunkti kaadrid, pakib need üheks 802.11 kaadriks ning edastab selle sihtpunkti. MSDU ühendkaadri suuruseks võib olla 3839 või 7935 baiti, vastavalt kliendi võimalustele.
MSDU ühendamise jaoks peavad kõik kaadrid olema sama QoS tasemega. Kui kaadri vastuvõtmise kohta kliendilt jaatusmärki (ACK) ei tule, tuleb terve kaader saata uuesti.

MPDU

MPDU (MAC Protocol Data Unit) toimub tarkvaras. Erinevalt MSDU ühendamisest pakitakse selle protsessi käigus kõik Etherneti kaadrid 802.11 kaadriteks ning alles enne edastamist kogutakse pakitud kaadrid kokku ning edastatakse korraga. MPDU ühendkaadri suuruseks võib olla kuni 65 535 baiti, vastavalt kliendi võimalustele.
Ka MPDU ühendamise jaoks peavad kõik kaadrid olema sama QoS tasemega. Kaadrite vastuvõtmise kohta saadetakse jaatusmärgid (ACK) eraldi, ning uuesti tuleb saata ainult need kaadrid, mille kohta jaatusmärki ei tulnud.

Ühilduvus varasemate protokollidega

Veel päris pikka aega töötavad 802.11n seadmed keskkonnas, kus töötavad ka 802.11a, b ja g seadmed, seega on äärmiselt oluline, et varasemad seadmed oskaksid lugeda n-seadmete poolt edastatavat informatsiooni. 802.11n originaalpäist ei oska varasema standardi seadmed lugeda. selleks, et tagada kaadri päise loetavus varasemate seadmete poolt, tuleb sinna lisada informatsiooni ning reguleerida n-seadmete töörežiimi:

• Legacy/non-HT režiim – kõik kaadrid on tagasiühilduvad. Kasutada ei ole võimalik SISO ja 40 MHz kanaleid. Töötab kui tavaline a/g seade, ei võimalda kasutada n-tehnoloogia eeliseid.
• Mixed režiim – töötab kui n seade, aga arvestab, et a/g seadmed on naabruses. Kaadreid edastatakse selliselt, et a/g saavad aru ning samal ajal oma kaadreid ei edasta. Kaadri alguses on kirjas, kui kaua selle kaadri edastamine kestab (NAV väärtus). Sellel ajal a/g seadmed ei edasta oma infot.
• Greenfield / HT režiim – Kasutatakse 100%-liselt n-tehnoloogia võimalusi. Selle režiimi kasutamisel tuleb jälgida, et läheduses ei oleks a/g seadmeid, sest vastasel juhul ei saa nad aru, et n-seadmed edastavad oma signaale, ning jätkavad oma tavatööd, tekitades nii palju müra ning admepakettide kaotsimineku.

Andmeedastuskiirus

801.11n standard võimaldab andmeedastuskiirust kuni 600 Mbit/s. Selleks peavad olema täidetud kõik tingimused – kasutama 40 MHz ribalaiusega kanalit ning andmeedastuseks nelja üheaegset sidekanalit. 802.11n - kuidas on saavutatud kiirus 600Mbit/s?
Erinevaid modulatsiooniskeemide kombinatsioone grupeeritakse MCS (Modulation and Coding Scheme) indeksi alusel. Allpool on toodud tabel, kus on näha erinevad andmeedastuskiirused, kui on täidetud erinevad tingimused. Näidatud andmeedastuskiirused on signaliseerimiskiirused (throughput), klientide poolt kasutatav tegelik andmeedastuskiirus (goodput) on väiksem. [8]

MCS indeks	Side- kanalite arv	Modulatsioon	Kodeerimis- suhe	Andmeedastuskiirus (Mbit/s)
				20 MHz kanal		40 MHz kanal
				L-GI (800 ns)	S-GI (400 ns)	L-GI (800 ns)	S-GI (400 ns)
0	1	BPSK	1/2	6.5	7.2	13.5	15
1	1	QPSK	1/2	13	14.4	27	30
2	1	QPSK	3/4	19.5	21.7	4.5	45
3	1	16-QAM	1/2	26	28.9	54	60
4	1	16-QAM	3/4	39	43.3	81	90
5	1	64-QAM	2/3	52	57.8	108	120
6	1	64-QAM	3/4	58.5	65	121.5	135
7	1	64-QAM	5/6	65	72.2	135	150
8	2	BPSK	1/2	13	14.4	27	30
9	2	QPSK	1/2	26	28.9	54	60
10	2	QPSK	3/4	39	43.3	81	90
11	2	16-QAM	1/2	52	57.8	108	120
12	2	16-QAM	3/4	78	86.7	162	180
13	2	64-QAM	2/3	104	115.6	216	240
14	2	64-QAM	3/4	117	130	243	270
15	2	64-QAM	5/6	130	144.4	270	300
16	3	BPSK	1/2	19.5	21.7	40.5	45
17	3	QPSK	1/2	39	43.3	81	90
18	3	QPSK	3/4	58.5	65	121.5	135
19	3	16-QAM	1/2	78	86.7	162	180
20	3	16-QAM	3/4	117	130.7	243	270
21	3	64-QAM	2/3	156	173.3	324	360
22	3	64-QAM	3/4	175.5	195	364.5	405
23	3	64-QAM	5/6	195	216.7	405	450
24	4	BPSK	1/2	26	28.8	54	60
25	4	QPSK	1/2	52	57.6	108	120
26	4	QPSK	3/4	78	86.8	162	180
27	4	16-QAM	1/2	104	115.6	216	240
28	4	16-QAM	3/4	156	173.2	324	360
29	4	64-QAM	2/3	208	231.2	432	480
30	4	64-QAM	3/4	234	260	486	540
31	4	64-QAM	5/6	260	288.8	540	600

Ajalugu

802.11n standardi loomist alustati 2002. aasta septembri alguses ja ametlikult sai kinnituse 2009. aasta oktoobri lõpus.

Selle standardi väljatöötamisest võttis osa üle 400 isiku rohkem kui 20 erinevast riigist. Isikud olid pärit erinevatelt eluvaldkondadest- teenusepakkujaid, süsteemi intregeerijaid, konsultatsiooni ettevõtetest, akadeemilistest organisatsioonidest.

Kasutatud allikad

http://www.computerworld.com/s/article/9019472/FAQ_802.11n_wireless_networking

http://www.wirevolution.com/2007/09/07/how-does-80211n-get-to-600mbps/

http://searchnetworking.techtarget.com.au/tips/22238-Understanding-8-2-11n-wireless-antennas

http://www.airmagnet.com/assets/whitepaper/WP-802.11nPrimer.pdf

http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns340/ns394/ns348/ns767/white_paper_c11-427843_v1.html

Koostanud: Kaspar Steinberg A22
Täiendanud: Katri Pokats TS37