Методы оптимизации приема/передачи в сетях Wi-Fi
Одной из ключевых технологий для развития беспроводных сетей (например, Wi-Fi) в последние годы является технология MIMO. MIMO — это множественная передача информации с нескольких передатчиков и её получение, а также обработка на нескольких приемниках. Основные задачи MIMO – повысить пропускную способность беспроводного канала и качество связи.
Главным методом увеличения пропускной способности в системах MIMO является мультиплексирование, то есть параллельная передача нескольких потоков информации с разных антенн (о нем ниже). Частными случаями MIMO являются системы передачи, где на приемнике или передатчике используется одна антенна. Называются такие системы Multiple-input single-output (MISO) и Single-input multiple-output (SIMO). В них нельзя организовать параллельную передачу нескольких потоков информации, однако можно использовать дополнительные антенны для повышения качества приёма или передачи сигнала. В описании точек доступа различных вендоров мы можем узнать сколько передающих и приемных антенн есть на устройстве, сколько пространственных потоков MIMO оно поддерживает. Например, это может быть значение 3×4:3, что означает 3 передатчика, 4 приемника и 3 пространственных потока. Кроме этих параметров можно встретить такие аббревиатуры или обозначения, как MRC, STBC, CSD, 802.11ac Tx BF и пр. Все эти технологии также направлены на улучшение качества сигнала. Итак, давайте попробуем разобраться какие варианты ухищрений используют современные точки доступа, чтобы ваш девайс получил хороший сигнал. Стоит отметить, что на Хабре уже есть статьи с довольно подробным описанием работы указанных технологий — MIMO, OFDM, STBC и MRC. В данном материале хотели бы сделать общий обзор по технологиям повышения качества связи, наглядно отобразить, как работает та или иная функция и какой прирост она дает. Рассмотрена работа с точки зрения 802.11 Wi-Fi, хотя, разумеется, указанные методы используются и в других беспроводных стандартах (LTE, 802.16 WiMAX).
Пространственное мультиплексирование (MIMO SDM)
Ключевым преимуществом MIMO является возможность передавать несколько независимых информационных потоков с разных антенн на одном канале. Это позволяет кардинально увеличить пропускную способность беспроводного канала. Технология называется пространственное мультиплексирование, или SDM (Spatial Division Multiplexing). Основным условием для работы MIMO SDM является многолучевое распространение сигнала. Если мы отправим данные с двух антенн, при прямой видимости сигнал придет к получателю одновременно, и мы получим их наложение (интерференцию). А значит сделаем только хуже. Но если при прохождении сигнал отражается, преломляется и т.п., получатель может распознать (скоррелировать) пришедший сигнал для разных потоков. Затем, получатель вычисляет текущее состояние каналов передачи (потоков) для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки (по служебным заголовкам). И далее с помощью математических преобразований, восстанавливает исходные потоки. В случае MIMO отправитель не знает о состоянии канала, то есть он никак не оптимизирует сигнал при передаче. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, поддерживаемое двумя сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, точка доступа тоже будет передавать единственный поток.
Стоит отметить, что при передаче нескольких потоков (да и вообще при одновременной передаче с нескольких антенн) общая излучаемая мощность делится на количество передающих антенн. Например, если мы передаём сигнал одновременно с двух антенн, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, в данном случае мы передаем информацию по двум или более каналам одновременно.Также, за счет совместного использования SDM и множественной передачи (об этом ниже) можно увеличить значение SNR (отношение сигнал-шум) на приемнике.
Системы MIMO продолжают развиваться и в стандарте 802.11ac (wave2) реализована множественная одновременная передача в режиме MIMO нескольким клиентами (Multiuser-MIMO). То есть, если есть два клиента, поддерживающие один и два потока, система MU-MIMO будет передавать им сигнал одновременно. Как мы помним, до появления технологии MU- MIMO в один момент времени передачу данных могла осуществлять только одна система. Работает технология только в направлении от точки доступа к клиенту (DownLink). Текущие точки доступа позволяют работать с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков (суммарно). Технология MU-MIMO требует поддержки и на точке доступа и на клиентском устройстве. Также она требует дополнительных вычислений на точке доступа и накладывает определенные условия при использовании. Например, её работа невозможна без предварительной калибровки и адаптивной передачи (Explicit Transmit Beamforming), о которой будет рассказано ниже.
Развитие механизмов множественной передачи\приема разумеется привело к увеличению количества антенн на 802.11n-устройствах. Сегодня для точек доступа корпоративного уровня (802.11n/ac) уже стало стандартом наличие 3-4 антенн. При этом, количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На самом деле, много ли клиентов поддерживающих, например, 3 потока? Конечно, не много. Если это смартфон, то чаще поддерживается только один пространственный поток. Это дает точке доступа использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны.
Оптимальное весовое сложение (MRC)
MRC позволяет улучшить значение SNR для входящего сигнала (от клиента к точке доступа). Если на точке доступа есть дополнительный свободный приемник(и), она складывает полученный на этом приемнике сигнал с остальными. Так как на приемнике уже есть информация о текущем состоянии канала передачи (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы (на каждой из приемных антенн), провести их выравнивание и оптимальное сложение, получив лучшее соотношение сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что MRC в некоторых случаях позволяет существенно увеличить значение SNR, а значит увеличить и скорость передачи, дальность действия ТД. MRC работает только на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента. Технология может использоваться совместно с другими – CSD, SDM, STBC.
Разнесенная передача (CSD/SE)
Технология Cyclic Shift Diversity (CSD) позволяет передать копии одного сигнала с дополнительных свободных антенн. Делается это поочередно c небольшим интервалом (200 нс). Если передать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (мощность делится), получить выигрыш на приеме не удастся. Если же передать сигнал независимо (на максимальной мощности) с небольшим интервалом с каждой из антенн, можно получить разнесение сигнала на приеме, а значить улучшить сигнал. Приемник в свою очередь по определенному критерию выбирает лучший сигнал. Метод разнесенной передачи довольно старый и не очень удобен для распознавания на приемнике (требует вычислительной мощности, плохо масштабируется). Однако, он поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих поколений – 802.11a/g. В современных стандартах (802.11n и далее) используется механизм STBC либо адаптивная передача (Beamforming).
Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)
STBC позволяет передавать разные сигналы одновременно с нескольких антенн за несколько тактовых интервалов. Для передачи используется схема Аламоути. Для простейшего случая 2х1, эта схема позволяет за два интервала времени передать два сигнала два раза. На двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала. Таким образом, мы получаем разнесение сигналов по времени и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. С точки зрения приема, метод STBC является достаточно удобным, т.к. не требует большой вычислительной мощности. Как можно догадаться, STBC не работает одновременно с CSD. В противовес MRC, который мы рассмотрели ранее, STBC позволяет нам улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически, поддерживается работа в режимах более высоких порядков или для нескольких потоков (например, в режиме 2х1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). STBC может использоваться одновременно с MIMO SDM.
Влияние на производительность
Итак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотрим графики*. На первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1×1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – Packet Error Rate) он на
4 dB лучше SE. MRC** дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.
*взято из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac
Адаптивная передача (802.11ac Explicit Beamforming)
Мы рассмотрели различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, а также показали какой прирост они могут дать. В реальных условиях будет наблюдаться более комплексная картина. Добавляются дополнительные факторы, влияющие на работу беспроводной сети (расстояние до клиента, количество клиентов, нагрузка на канал, поддерживаемые клиентом методы передачи и др.). Точка доступа на основе встроенных алгоритмов решает какие методы передачи использовать в тот или иной момент времени.
Какую ширину канала Wi-Fi лучше выбрать
Почти у всех сейчас есть интернет, передаваемый по беспроводной сети, но мало кто знает факторы, влияющие на скорость и производительность. Какова ширина канала Wi-Fi, что влияет на скорость, которую можно получить, и можно ли улучшить пропускную способность существующего канала.
Что такое ширина канала
Ширина канала является пропускной способностью. Гипотетически ее можно представить, как цифровую магистраль – и чем шире проезжая часть, тем больше трафика она может принять. Соответственно, чем больше ширина канала, тем больший объем информации в единицу времени можно передать, и более эффективную скорость можно получить.
С другой стороны, существуют неблагоприятные факторы, влияющие на поток информации – например, количество устройств, выходящих в сеть. Стены также могут быть препятствием для потока информации. В любом случае, стандартное эмпирическое правило состоит в том, что увеличение ширины канала увеличивает скорость сети.
Какую ширину устанавливать
По умолчанию большинство роутеров настроены на 20 МГц с полосой пропуска 2,4 ГГц. Обычно, если правильно расположить роутер, без перегородок на пути, а устройства на наименьшем разумном расстоянии от роутера, этого вполне достаточно – по крайней мере, в домашней сети.
Есть еще одна частота, на которую можно настроиться – 40 МГц. 2,4 ГГц позволяет транслировать беспроводную передачу на большее расстояние, но в то же время обеспечивает более медленные скорости.
Если вас не устраивает скорость, которую вы получаете обычно, переключитесь на 40 МГц в настройках роутера. Но это лучше всего работает, когда устройства находятся в той же комнате, что и маршрутизатор – если нужен интернет в нескольких комнатах, придется установить дополнительные маршрутизаторы в каждой.
Канал 20 МГц
Если вы живете не в частном доме, а в квартире, то при подключении гаджета к сети Wi-Fi вы увидите, что он входит в длинный список соседних подключений. В окружении соседских роутеров, вы лучше всего можете обеспечить себе стабильное подключение к интернету на ширине 20 МГц с полосой пропускания 2,4 ГГц. При использовании этой ширины канала, нужно учесть, что чем меньше устройств подключены одновременно к сети, тем быстрее происходит передача информации.
Канал 40 МГц
Если ваша сеть находится на некотором расстоянии от соседних – например, в частном доме, вы можете настроить роутер на ширину 40 Мгц.
Большинство используемых сегодня устройств Wi-Fi транслируют информацию в диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц.
Частота 5 ГГц подойдет для новейших устройств, поддерживающих 802.11 n.
Используйте комбинацию 20 Мгц /40 Мгц только в том случае, если это требуется одному из ваших устройств. Если нет, просто установите его на 40 Мгц.
Настройка пропускной способности
Из-за своей более низкой частоты сигналы в диапазоне 2,4 ГГц обладают хорошей способностью проникать сквозь стены и мебель, что позволяет им охватывать больший диапазон с сильным сигналом Wi-Fi. Помимо устройств Wi-Fi, эта полоса используется беспроводными телефонами, радионянями, Bluetooth-гаджетами и многими другими электронными устройствами, которые могут вызывать помехи и замедление работы.
Сегодня производители Wi-Fi-роутеров выпустили модели с поддержкой диапазона 5 ГГц для борьбы с проблемами и помехами в полосе частот 2,4 ГГц. Из-за своей более высокой частоты сигналы в полосе 5 ГГц не проникают сквозь стены.
В то время как у диапазона 5 ГГц – 24 неперекрывающихся канала, у диапазона 2,4 ГГц – только три неперекрывающихся канала: 1, 6 и 11.
Не все пользователи знают, что они должны использовать только неперекрывающиеся каналы, в противном случае возникают помехи соседнего канала.
Пользователи иногда считают, что лучшая ширина канала – это та, которая используется меньше всего, поэтому они выбирают перекрывающийся канал и причиняют больше вреда, чем пользы. Чтобы найти лучший канал для Wi-Fi, нужен анализатор или сканер каналов.
Шаг 1: Понимание значений RSSI и шума
Чтобы определить, какая неперекрывающаяся ширина будет лучше, нужно рассмотреть значения RSSI и шума. Первый расшифровывается как «Индикатор уровня принятого сигнала» и показывает, насколько хорошо роутер может принимать сигнал. Шум показывает, насколько сильно помехи, вызванные другими сигналами, влияют на конкретное соединение.
Шаг 2: Вычислите соотношение сигнал/шум
Также полезно объединить эти два значения и вычислить то, что называется отношением сигнал/шум (SNR), мерой, используемой в науке и технике, которая сравнивает уровень желаемого сигнала с уровнем фонового шума.
Чтобы вычислить SNR Wi-Fi-соединения, надо вычесть значение шума из RSSI:
RSSI — шум = SNR → (-50) — (-90) = 40
В результате получается положительное число, и чем оно выше, тем лучше скорость.
Шаг 3: Сравните SNR до и после смены канала
После того, как известно SNR, можно выбрать наилучший вариант.
Если вычисление для вас – непростой процесс, воспользуйтесь анализатором, например, NetSpot, который выполнит работу автоматически и определит нужную ширину канала.
NetSpot – это мощный анализатор каналов Wi-Fi для Windows 10, 8 и 7, а также для macOS 10.10 и выше. Он может быстро собрать всю информацию о каналах Wi-Fi и окружающих сетях Wi-Fi, включая их значения RSSI и шума.
Для этого нужно выполнить следующие действия:
Скорость сети зависит от используемого роутера. Если вы используете высокоскоростной интернет, не покупайте дешевое медленное устройство. В этом случае вы не сможете использовать возможности вашего канала в полной мере.
Как найти лучшую сеть для вашего устройства
Содержание
Содержание
Сегодня доступные беспроводные сети есть практически всюду. Вы подсоединяетесь к сети Wi-Fi и получаете доступ в Интернет. Если доступных сетей несколько, ваше устройство обычно автоматически выбирает сеть с наиболее высоким уровнем сигнала.
Однако не всегда скорость доступа в Интернет в этом случае будет максимальной. Проблема часто связана с большим количеством сетей, работающих на одном канале, что приводит к его перегрузке и снижению скорости подключенных к этой сети устройств. Этот гайд подскажет, как выбрать оптимальную сеть для вашего устройства и улучшить качество связи.
Как разобраться в параметрах Wi-Fi
Когда вы ищете оптимальную сеть Wi-Fi, вам следует обратить внимание на два важных параметра:
Это «RSSI» и «Noise». RSSI («Received Signal Strength Indicator» — «Индикатор уровня принимаемого сигнала») показывает, насколько силен сигнал между роутером и вашим устройством. «Noise» («Шум») отображает суммарный уровень шумов и посторонних сигналов на выбранном канале. Этот параметр также характеризует количество различных сетей на выбранном канале.
Следует стремиться к высокому значению показателя SNR. Чем он больше, тем выше будет качество связи.
В чем разница между 2.4 ГГц и 5 ГГц?
Основные различия между 2,4 ГГц и 5 ГГц — в радиусе зоны покрытия и скорости передачи. Так, беспроводная сеть 5 ГГц обеспечивает большую скорость соединения, но имеет меньший радиус покрытия. Сигнал диапазона 2,4 ГГц эффективнее на больших расстояниях от роутера, но скорость соединения может быть ниже. Радиоволны с частотой 5 ГГц хуже проникают сквозь стены и различные объекты, по сравнению с 2,4 ГГц.
Как найти лучшую сеть на Mac
Первое, что вам следует сделать — просканировать эфир и найти все доступные беспроводные сети. Это можно сделать с помощью утилиты «Сетевая диагностика» («Network Diagnostics»).
Шаг 1. Зажав клавишу «option» (alt), наведите курсор мыши в правый верхний угол экрана. Щелкните на иконку Wi-Fi.
Шаг 2. Выберите пункт «Диагностика беспроводных сетей»
Шаг 3. Появится новое окно «Сетевая диагностика». Вам следует выбрать пункт «Сканировать» в меню «Окно».
Шаг 4. В следующем окне вы увидите список всех доступных беспроводных сетей. Список можно обновить, нажав кнопку «Сканировать».
Слева в окне статистики представлен анализ всех доступных сетей с указанием, которая из них лучшая в этой области. К примеру, эта статистика говорит о том, что доступно всего 9 сетей, при этом самая лучшая сеть 2,4 ГГц находится на канале 11, а самая лучшая 5 ГГц — на канале 161.
Шаг 5. Чтобы убедиться, что предложенная сеть действительно самая лучшая, следует изучить правое окно:
Найдите сети с минимальным уровнем шума (у которых величина как можно дальше от нуля) и посчитайте для них соотношение SNR. Так, на вышеприведенном кадре наилучшее соотношение сигнал/шум — у канала №13, так как сетей с низким уровнем шума две (на 1 и на 13 канале), но на 13 выше уровень сигнала, поэтому SNR будет выше:
Соответственно, именно на 13 канале скорость и надежность соединения будут максимальны.
Вместо стандартной утилиты на Macbook можно воспользоваться сторонними. Среди них есть как платные, наподобие Wi-Fi Scanner, так и бесплатные, например NetSpot.
Как найти лучшую сеть на Windows
Существует множество утилит для Windows, способных определить, какая сеть лучшая в данной точке. В качестве примера можно привести: NetSpot (совместим c Windows 7, 8 и 10), Acrylic Wi-Fi (совместим c Windows 7, 8 и 10), WiFi Analyzer (доступен в Microsoft Store) и Wi-Fi Commander (совместим c Windows 10).
Все перечисленные утилиты обладают достаточно мощными возможностями. Мы рассмотрим только одну, WiFi Analyzer, отличающуюся удобным интерфейсом и простотой использования.
Шаг 1. Зайдите в магазин приложений Microsoft Store и найдите приложение WiFi Analyzer. Установите и запустите приложение.
Шаг 2. В левой части окна приложения вы увидите список всех доступных сетей. Опции в правой части экрана лучше оставить нетронутыми, это обеспечит охват наибольшего количества сетей.
Шаг 3. Нажмите «Анализировать» и на экран будет выведен график, отображающий распределение сетей по каналам.
Как видите, хотя сеть «matthafner.com» и имеет максимальную мощность сигнала, но использовать её будет не лучшим решением, так как на том же канале есть еще одна сеть с довольно мощным сигналом — «Use me». Сети будут мешать друг другу, снижая скорость доступа в Интернет. Наилучшим решением будет сеть hafnerNET, мощность сигнала которой чуть меньше максимальной, зато единственная «мешающая» сеть находится не на том же канале, а на соседнем.
Мощность сигнала здесь приведена в dBm. Как указывалось выше, чем ближе это значение к 0, тем лучше.
Обратите внимание, что в левом нижнем углу экрана утилита предлагает и рекомендованный канал для новой сети. Если вы хотите организовать дополнительную сеть Wi-Fi с помощью своего роутера, её следует установить на 13 канал: в данный момент он наименее загружен.
Как найти лучшую сеть из командной строки Linux
Пользователи Linux могут воспользоваться различными способами анализа беспроводных сетей: если у вас установлена графическая оболочка, можно воспользоваться GUI-утилитами, например, WiFi Radar.
Однако можно воспользоваться и стандартной утилитой scan, вызвав её из командной строки:
Она выведет на экран список наподобие этого:
В первом столбце указано количество сетей на данном канале, соответственно, наиболее предпочтительной для подключения будет сеть, расположенная на канале 3.
Как найти лучшую сеть на Android
WiFi Analyzer, приведенный в примере для Windows, существует и в Android-версии.
Шаг 1. Установите приложение из магазина Play Store.
Шаг 2. Запустив приложение, вы получите список сетей в виде таблицы:
Шаг 3. Просмотрите список сетей в графическом виде.
Очевидно, что сеть home будет наилучшим выбором: у неё самый мощный сигнал и нет ни одной «мешающей» сети на том же или соседних каналах.
Как найти лучшую сеть на iPhone
Стратегия Apple нацелена на минимизацию рисков взлома iPhone, поэтому в официальном магазине AppStore нет приложений, сканирующих и анализирующих доступные беспроводные сети.
Можно установить приложение из стороннего магазина, но это будет связано с определенными трудностями. Намного проще использовать для поиска лучшей сети устройство под управлением другой системы, а затем подключиться к этой сети на iPhone.
