Технология формирования луча (beamforming): новые возможности WiFi
Редакция THG,  14 сентября 2009


Введение

Каково было моё первое впечатление от тестов технологии формирования луча (beamforming)? Просто потрясающее! Моя домашняя сеть просто преобразилась: я получил скорость, достаточную для передачи видео высокого разрешения, причём точка доступа располагалась на другом этаже, и до неё было три или четыре стены! До сих пор я слышал упоминание о технологии формирования луча (beamforming) только в долгосрочных планах развития WiMAX. Но был просто потрясён, когда я получил и протестировал точку доступа 802.11n от компании, название которой я никогда раньше не встречал.

Заинтересовались? Тогда приглашаем ознакомиться с новинкой поближе.

Основы Beamforming

Передатчики радиоволн можно представить как небольшие надувные мячи в бассейне. Мяч колеблется, что приводит к появлению волн на поверхности воды. Если мяча два, то волны будут накладываться друг на друга, создавая картину интерференции. Изменение характеристик мяча приведёт к изменению его амплитуды или фазы, а также создаст совершенно другую картину интерференции с волнами от других мячей.

Если мы получим достаточный контроль над ситуацией, то на краю бассейна можно поместить сенсор, который будет ждать нужной волновой картины, и мы можем продолжать менять характеристики мяча, пока не получим в данной дочке нужную картину. По всему остальному бассейну картина может различаться, и это совершенно нормально. Нам нужна правильная картина только в одном месте. Всё остальное нас не интересует.

Основы Beamforming

Если не вдаваться в подробности, то такова природа технологии формирования луча. Вы управляете характеристиками каждого передатчика внутри массивов передатчика, пока общий сигнал не будет оптимизирован для достижения нужного приёмника в заданном направлении. Массив, где каждая антенна передаёт с чуть различающимися характеристиками, называется фазовым массивом (phased array). Как мы увидим, существует две основные формы фазовых массивов, используемых в точках доступа: "на чипе" и "на антенне", представленные Cisco и Ruckus Wireless, соответственно.

Фазовый массив "на чипе"

Позвольте немного углубиться в детали. Вы можете быть знакомы с технологией MIMO (multiple-input, multiple-output - многократный вход, многократный выход), которая впервые была реализована в некоторых продуктах 802.11g и теперь содержится в спецификациях 802.11n. Вернёмся к нашему примеру с бассейном. Когда вы размещаете мяч на левом краю бассейна, а приёмник находится на правом краю, то некоторые волны будут распространяться в прямом направлении слева направо - по самому короткому маршруту. Некоторые волны отразятся от верхней стенки и поступят на приёмник чуть позже. Другие отразятся от нижней стенки. Все эти волны появились от одного колебания мяча - своего рода вспышки радиоизлучения. Для простого приёмника такая картина кажется весьма запутанной, с несколькими перекрывающими друг друга эхо. И подобный эффект нескольких путей традиционно считается проблемой качества радиосвязи.

Но что если мы будем использовать несколько антенн на каждой стороне бассейна, применяя достаточно интеллектуальный анализ, чтобы все пути распространения сигнала смогли бы передавать разные потоки данных? Имея несколько антенн на каждой стороне процесса (приёмнике и передатчике) можно отсылать разные потоки данных от разных антенн и принимать их на другом конце точно так же.

Для понимания давайте проведём следующую аналогию: представьте себе шоссе. Если у шоссе только одна полоса, то по ней можно пустить один большой грузовик к получателю. Но если разделить эту широкую полосу на три или четыре узкие полосы, то можно одновременно послать три или четыре компактные машины в том же направлении и с той же скоростью. Они будут двигаться по немного различающимся путям. Если вы возьмёте старую добрую связь 802.11g на 54 Мбит/с с каналами 20 МГц, разделите её на множество подканалов и увеличите число антенн, то и получите 802.11g MIMO.

Фазовый массив

Если быть более конкретным, то 802.11n обычно передаёт данные по трём каналам, а принимает по двум - это схему называют массивом антенн 3x2. Есть некоторые схемы работы 3x3, подобно WiFi на 450 Мбит/с, которая была объявлена Intel с выходом Centrino 2, но пока на рынке не появилось точек доступа, поддерживающих этот режим. Подобно 802.11g раньше, 802.11n может использовать "связывание" каналов, превращая два потока 20 МГц в поток на 40 МГц. Если быть совсем уж точным, то массивы должны иметь три характеристики: число передающих антенн, число принимающих антенн и число потоков данных по нашей аналогии разделения полос. Так, массив 3x3:2 (также записываемый как 3x3x2) должен содержать три передающих антенны, три принимающих антенны и два потока данных.

Ранее мы упомянули, что технология формирования луча "на чипе" является одним из двух методов, доступных в WiFi. Она работает не только путём увеличения общей мощности, что достигается использованием нескольких антенн, но и изменением характеристик сигналов антенн, чтобы в направлении приёмника был послан более мощный "луч", а в других направлениях расходовалось бы меньше энергии. С двумя передающими антеннами можно потратить меньше энергии, и в то же время учетверить мощность передающегося сигнала в направлении луча. Передатчику/точке доступа требуется принять единственный пакет от клиента, чтобы настроиться на путь передачи сигнала. Анализ множества пакетов в любой момент может показать, насколько оптимально настроены параметры формирования луча.

Фазовый массив

Что самое замечательное - технология формирования луча "на чипе", подобно MIMO, совместима со стандартами 802.11a/b/g многие годы. Фактически, эта технология является опциональной частью стандарта 802.11n. Впрочем, несмотря на все преимущества, Cisco первой представила формирование луча "на чипе" на рынок. Точка доступа AIR-LAP1142N корпоративного класса от Cisco является первым и пока единственным продуктом с технологией beamforming, которая названа ClientLink. Точка доступа вышла на рынок в первом квартале 2009, но прошивка, которая позволяет активировать формирование луча, не появилась до июля. Мы протестировали точку доступа с этой прошивкой буквально в первые дни после её появления.

Возможные клиенты

Ещё с того момента, когда стандарты 802.11a/g "доросли" до второй антенны, мы получили разнесение приёмника/передатчика, когда одинаковый поток данных отсылается по нескольким антеннам, а точка доступа может выбирать, какая из антенн получает лучший сигнал. Если перейти на 802.11n, то разнесение передачи на несколько антенн позволяет увеличить радиус действия и лучше справляться со сложными местоположениями клиентов. По этой причине 11n лучше справляется с устранением "мёртвых зон", чем 11a/g.

Впрочем, оборудование 802.11n получило ещё один шаг в сторону интеллектуальности с добавлением поддержки MRC (maximal ratio combining, суммирование дифференциально взвешенных сигналов каждого канала). Данная технология использует сигналы с нескольких антенн так, чтобы усилить сильные сигналы и затушить слабые сигналы. Нужные нам сигналы усиливаются, а не нужные - ослабляются. Технология MRC встроена во все чипы 802.11n.

Как можно предположить, приёмник может сыграть важную роль в оптимизации формирования луча "на чипе". Точки доступа 802.11a/g могут прослушивать клиента и использовать примитивный анализ MRC для усиления мощности по наиболее подходящему лучу, что даёт усиление от 1 до 2 dB. Суть здесь в том, что всю работу выполняет точка доступа. Никакого активного обмена информации с клиентами 802.11a/g не идёт.

Возможные клиенты

В технологии “implicit beamforming/скрытое формирование луча”, когда точка доступа 802.11n может связываться с клиентами 802.11n, есть некоторая ответная информация. Вместо ситуации, когда весь анализ сигналов выполняет точка доступа, можно опросить клиента и узнать, согласен ли он с тем, что данная ориентация луча оптимальная. Такое ограниченное двухстороннее взаимодействие позволяет увеличить мощность вплоть до 3 dB, но плохо здесь то, что сегодня на рынке нет продуктов, поддерживающих "implicit beamforming".

В технологии “explicit beamforming/явное формирование луча” общение между точкой доступа и клиентом происходит намного более часто. В данном случае если клиент перемещается, или антенны изменяют свое положение, или происходят какие-то события, динамически влияющие на мощность сигналов, система адаптируется практически мгновенно и обеспечивает новую оптимизированную конфигурацию. Опять же, когда клиент будет тесно вовлечён таким образом в общение с точкой доступа, то это может дать увеличение мощности до 3 dB для двух приёмников/передатчиков, но на рынке нет продуктов, которые бы поддерживали эту технологию. Будем надеяться, что ситуация изменится.

Возможные клиенты

Проблемы реализации "на чипе"

Теперь, когда мы разобрали основу технологии формирования луча, вы наверняка недоумеваете, почему она так и не вышла на массовый рынок. В конце концов, крутить антенны типичной точки доступа 802.11n для усиления сигнала в сравнении кажется просто смешным. Да и то, если вы потратите время и получите комбинацию расположения антенн, которая, как вам кажется, даёт наилучшую пропускную способность в данном месте, что произойдёт, если вы передвинете точку доступа или клиента? Что если вы добавите второго или третьего клиента? Или помехи изменяться? Мы получим хаос. В данном отношении оптимизация сигнала с продуктами текущего поколения кажется бесполезной.

Почему же технология интеллектуального формирования луча, когда есть возможность найти оптимальные параметры антенн и ориентировать лучи для нескольких клиентов, так и не вышла широко на рынок? Остаётся загадкой. Говорили о технологии много, но сделано было очень мало.

Проблемы реализации

Скептики наверняка скажут, что формирование луча "на чипе" не было массового реализовано, поскольку технология на бумаге звучит лучше, чем в реальности. Мы знаем, что в теории формирование луча должно экономить энергию. Нам требуется усиливать сигнал только в нужном направлении, а также снижать мощность всех сигналов, которые не помогают этому лучу. Проблема же здесь заключается в том, что мы работаем со всенаправленными антеннами, поэтому контроль над лучами не такой явный.

Чтобы лучше визуально это представить, обратитесь к Falstad’s Antenna Applet и выберите Broadside Array в ниспадающем меню. Можно увеличивать число антенн, играть с расстоянием между ними и менять силу сигнала. Как вы увидите, две всенаправленные антенны не позволяют отойти от вещания большого числа лучей, поэтому и энергия тратится в ненужных направлениях (эти ненужные лучи часто называют "задними лепестками/backlobe"). Конечно, если лучи распространяются и в "паразитных" направлениях, то они могут привести к внутриканальным помехам и ухудшить нужный нам сигнал.

Beamforming

Нажмите на картинку для увеличения.

Скорее всего, продукты 802.11n нового поколения когда-нибудь обзаведутся технологиями скрытого/явного формирования луча, поскольку технические или ценовые барьеры мизерны. Но какой подход интегрируют производители? И мы даже не затронули более глубокие детали. Например, у явного формирования луча есть три подтипа. Так что если уж искать причину в отсутствии должной поддержки формирования луча у современных продуктов, то она может быть связана с опасениями насчёт совместной работы. Если же вам не нужна 100% совместимость с другими продуктами, а требуется просто хорошая домашняя сеть, то мы рекомендуем продолжать знакомиться с нашей статьёй.

Ruckus и фазовый массив антенн

К счастью, получить 360 градусов беспроводного покрытия можно не только с помощью всенаправленных антенн. Если у вас будет достаточное число направленных антенн, которые будут перекрывать зоны покрытия, то можно эффективно получить и 360 градусов. И красота подобной конфигурации заключается в том, что вам не нужно активно использовать все антенны одновременно. Когда вы получите фиксацию на направлении клиента, то можно определить, какой набор антенн (две или больше) создаёт оптимальный луч к нужной позиции.

Ruckus и фазовый массив антенн

Следует помнить, что клиент не всегда располагается в зоне прямой видимости. Он может быть за углом, поэтому можно получить лучший сигнал путём отражения от пары стен вместо тщетной попытки дать прямой сигнал через препятствие. Или условия могут измениться. Например, двери могут открываться и закрываться. Люди могут ходить по помещению. Кто-то может включить "микроволновку", которая даст помехи по всему спектру. Всё это может влиять на пути прохождения сигнала и ухудшать трафик.

Традиционно точка доступа реагировала на потерю пакетов или ошибки CRC (порчу пактов) одним способом: снижая скорость передачи. Ёё можно было снизить с 54 Мбит/с до 48, затем до 36 и так далее, пока приём пакетов не начнёт подтверждаться клиентом. Чем медленнее скорость, тем дольше передатчику придётся работать, чтобы клиент принял нужную порцию информации, тем дольше будет активен канал, тем больше связь будет подвержена помехам. Если условия связи становятся плохими, то вы получаете описанный негативный цикл, снижающий производительность. Интеллектуальная же система антенн могла бы динамически изменять ориентацию луча, чтобы дать оптимальную направленность, пытаясь избежать падения скорости передачи данных до тех пор, когда без этого шага уже нельзя будет обойтись.

Связь между точкой доступа и клиентом может помочь описанным улучшениям, но её нельзя назвать абсолютно необходимой. Большая часть оптимизаций происходит на точке доступа. В тестах, приведённых в нашей статье, мы не будем использовать клиентский адаптер Ruckus по двум причинам. Во-первых, Ruckus объяснила нам, что 75% прироста производительности по сравнению со стандартом 802.11n связано с точкой доступа, поэтому добавление клиента Ruckus дало бы не такой серьёзный выигрыш. Во-вторых, в реальных условиях довольно редко можно заставить клиента использовать тот или иной адаптер. Представьте себе ситуацию, когда вы скажете товарищу "подключайся к моей беспроводной сети, но для этого тебе понадобится адаптер компании X".

Ruckus использует формирование луча "на антенне" - технологию, разработанную и запатентованную Ruckus под названием “BeamFlex”. По своей сути BeamFlex использует массив антенн и анализирует каждый пакет, чтобы оценить производительность передачи сигналов. В зависимости от конфигурации, точка доступа BeamFlex может настроить массив в любую из тысяч возможных комбинаций сигнала антенн. Точка доступа отслеживает соединения в реальном времени и модифицирует лучи "на лету", чтобы они соответствовали динамически изменяющимся условиям. Следуя традициям MRC, антенны будут усиливать полезные сигналы и гасить ненужные. Это позволяет получить прирост мощности сигнала до 10 дБ по направлению целевого луча, а также подавление помех до -17 dB на задних лепестках.

Ruckus и фазовый массив антенн

По информации Ruckus подавление помех может оказать ещё более выраженное влияние на производительность, чем усиление целевого луча. Представьте себе, что вы сидите в заполненном публикой шумном пивном ресторане и пытаетесь говорить с товарищем на противоположном конце столика. Все, включая вашего товарища, говорят с одной громкостью, и вы вряд ли будете хорошо разбирать слова собеседника. Видя проблему с пониманием, ваш товарищ начинает говорить громче (усиливая сигнал на несколько dB), и это помогает - но не так сильно, если вы попытаетесь сделать из чашечек ладоней "локаторы" за ушами и направить их на собеседника. Тогда вы "нацелите луч" на собеседника и будете лучше его слышать, а голоса других людей одновременно будут заглушаться.

У технологии BeamFlex программное обеспечение может динамически направлять лучи точки доступа, обеспечивая наилучший путь для каждого пакета. Система также автоматически строит список из 10-20 наиболее популярных раскладок антенн. Они являются своего рода кэшем для процессора, поскольку часто необходимые данные располагаются близко к исполнительному конвейеру, доступ к ним очень быстрый. Ruckus потратила пять лет на разработку BeamFlex в текущем виде и тонко оптимизировала алгоритмы, составляющие весь шарм технологии. Да, BeamFlex - это собственная технология компании, которая не соответствует спецификациям IEEE 802.11n, однако точка доступа может работать с любым стандартным клиентом WiFi. На наш взгляд, если она докажет своё преимущество по сравнению с конкурирующими дизайнами, то подход формирования луча "на антенне" Ruckus может оказаться настолько революционным, что он будет лежать в основе следующей волны сетевых дизайнов. В нашей статье мы посмотрим, насколько хорошо технология BeamFlex сможет показать себя по сравнению с конкурентами, в частности, с методом формирования луча "на чипе" Cisco.

Ruckus и фазовый массив антенн

На самом деле технология BeamFlex была реализована и раньше. Продукты первого поколения использовали шесть антенн, каждая с покрытием около 60 градусов, что давало шестиугольный дизайн. Подобный шестиугольный дизайн до сих пор используется в точке доступа Ruckus 7811, краткий обзор которой предоставлен в конце статьи.

Ruckus и фазовый массив антенн

Впрочем, наши основные тесты фокусируются на точке доступа Ruckus ZoneFlex 7962. Это корпоративная версия технологии BeamFlex, которая была усовершенствована до 19 антенных элементов - 10 с горизонтальной поляризацией и 9 с вертикальной поляризацией. Что интересно, по информации Ruckus точка доступа 7811 должна давать очень близкую производительность к 7962 при работе в простом окружении с несколькими клиентами.

Что ж, технология формирования луча настолько впечатляет, но почему продукты Ruckus не стали повсеместно распространёнными? Компания говорит о том, что розничный рынок оставляет желать лучшего. В начале 2005 года Ruckus (тогда называвшаяся Video 54) объединила усилия с Netgear, чтобы представить маршрутизатор RangeMax 824 с семью антеннами, который стал довольно успешным. Но маржа на розничном рынке довольно мала, учитывая затраты на поддержку и маркетинг, да и компании затем разошлись, кульминацией в 2008 году стала подача иска Ruckus против Netgear за нарушения патентов в третьей версии маршрутизатора 824. На данный момент Ruckus нацелилась на корпоративный рынок и рынок провайдеров, хотя по-прежнему ищет нескольких партнёров для продвижения продуктов на потребительский рынок.

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Следует помнить, что мы тестировали продукт корпоративного класса, а многие наши читатели будут покупать модели потребительского уровня. Поэтому наши тесты лучше рассматривать не как обзор одного продукта, а как сравнение технологий.

Теперь вы уже довольно много знаете о точке доступа Ruckus ZoneFlex 7962, но давайте присмотримся повнимательнее. В отличие от точек доступа потребительского уровня, которые обычно выглядят стильно и привлекают к себе внимание, про 7962 можно сказать совершенно противоположное. Точка доступа будет просто растворяться в интерьере при монтаже под потолком, она больше похожа на полусферический светильник, так что меньше шансы, что её заметит вор или вандал.

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Вполне понятно, что с радиомодулями 802.11n, Gigabit Ethernet и другой электроникой, работающей под полной нагрузкой, точка доступа может довольно сильно нагреваться. Именно поэтому в нижнюю часть корпуса Ruckus установила радиатор.

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Если снять корпус, то можно видеть, насколько радикально дизайн Ruckus отличается от обычных точек доступа. Обратите внимание на круговое расположение направленных антенн.

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Инфраструктура беспроводных продуктов корпоративного класса обычно предусматривает использование отдельного контроллера, который помогает управлять трафиком и координирует работу нескольких точек доступа. Мы использовали точку доступа 7962 с контроллером Ruckus ZoneDirector 1000 среднего уровня с прошивкой 8.0.1.0 build 13.9

Тестируемая точка доступа Ruckus 7962

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Основным конкурентом Ruckus можно назвать Cisco Aironet AIR-LAP1142N-A-K9 вместе с контроллером Cisco 4402 с прошивкой 6.0.182.0. Как мы уже упоминали ранее, это наш кандидат для сравнения формирования луча "на чипе" с технологией Ruckus "на антенне" (BeamFlex). Что интересно, Cisco поставляет 1140 с отключенной функцией формирования луча.

Подобно всем другим своим двухдиапазонным точкам, Cisco использовала два радиомодуля, один для 2,4 ГГц, а второй - для 5 ГГц. У 1142 к каждому радиомодулю подключены три антенны, что даёт массив приёма/передачи 2x3. Технология формирования луча Cisco использует две антенны для передачи, поэтому получается, что вы не можете использовать одновременно формирование луча и пространственного объединения (spatial multiplexing).

Для нас было довольно странно, почему Cisco решила выбрать пространственное объединение по умолчанию, а не новую перспективную технологию формирования луча "на чипе". Возможно, дело в том, что функция настолько новая, что компания желает осуществить постепенное её внедрение? Но как она влияет на производительность? Мы это вскоре увидим.

Честно говоря, сравнивать архитектуру Cisco 1142 с Ruckus 7962 было довольно интригующе. Мы не разбирали точку доступа Cisco, но нам удалось найти фотографии в патентной документации.

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Beamforming

Нажмите на картинку для увеличения.

Мы также протестировали точку доступа Aruba AP125 с контроллером Aruba 3200 (прошивка 3.4.0.1 build 21611). Здесь говорить особо не о чем. Это стандартная двухдиапазонная точка доступа корпоративного класса с тремя антеннами, которые никогда не знаешь, как правильно ориентировать. В целом, AP125 является характерным представителем “стандартной точки доступа 802.11n”, и здесь мы её использовали в качестве основы для сравнения продуктов Cisco и Ruckus.

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Cisco Aironet 1142 и Aruba AP125

Заканчивая обзор тестовой платформы, отметим ноутбук Dell 620 с гигабитным контроллером Broadcom NetXtreme 57XX Gigabit Ethernet в качестве сервера и ноутбук Lenovo X61 с адаптером Intel 4965AGN (driver version 12.4.0.21) в качестве клиента. Проводные устройства связывались вместе через коммутатор 3Com 3CDSG10PWR OfficeConnect.

Тестовое окружение

Тестовое окружение

Мы знали, что технология формирования луча должна дать увеличение дальности действия сигнала от 2x до 4x по сравнению с обычным 802.11n, поэтому нам нужно было продумать тестовое окружение крупнее типичной квартиры или малого офиса. К особнякам у нас доступа нет, поэтому мы воспользовались штаб-квартирой Structured Communications в Орегоне (США) площадью около 650 кв. метров. Офис занимает большую часть верхнего этажа здания площадью 1020 кв. метров. Мы выражаем благодарность Structured Communications за предоставление офиса для тестов Tom’s Hardware на протяжении двух дней.

Мы тестировали пять местоположений, пытаясь максимально разнообразить тестовые сценарии. Мы приводим план офиса, где отметили все пять местоположений. Рядом с местоположениями 2, 3, 4 и 5 приведено примерное расстояние в футах (1 фут = 30,48 см) от местоположения 1, где находились точки доступа.

Тестовое окружение

Тестовое окружение

Тестовое местоположение 1. Это наша база (комната для встреч), где мы разворачивали всё оборудование. На некоторых фотографиях, привёденных выше, мы размещали точки доступа на контроллерах для удобства. Но во время проведения тестов мы устанавливали всё раздельно, чтобы снизить помехи - как раз на приведённой выше иллюстрации показана конфигурация Cisco. Во время тестов в этом местоположении клиент был на расстоянии меньше метра от точки доступа - крайне малое расстояние.

Тестовое окружение

Тестовое местоположение 2. Оно находится на другой части этажа - по прямой линии от местоположения 1. Вдалеке как раз видна комната для встреч.

Отметим, что нам следовало бы для этого теста соблюдать условие прямой видимости. Однако мы разместили точку доступа чуть правее двери. Поэтому вместо линии прямой видимости мы получили условие "прямой стены". Впрочем, часто ли внутри помещения соблюдается условие прямой видимости? Да, на фотографии как раз показан я во время проведения тестов. И два человека, которые заинтересовались процессом, проходя мимо.

Тестовое окружение

Тестовое местоположение 3. Данное местоположение имеет значение, поскольку клиент находится в углу прямо через всё строение - сигналу приходится проходить через несколько стен. Условие довольно тяжёлое. Ноутбук ThinkPad определял только четыре близлежащие точки доступа в этом "тихом" местоположении. В других местах на этаже он находил больше десятка.

Тестовое окружение

Тестовое местоположение 4. Здесь мы получили максимальную дальность - клиент располагался в комнате для встреч в дальнем конце офиса. Если рассматривать WiFi внутри помещения, то достичь связи на расстоянии 100 футов (около 30 метров) в "шумном" и сложном помещении практически невозможно. Для нормальной связи потребуется как минимум ещё одна точка доступа. На самом деле, Ruckus сообщила нам, что для полного покрытия разумно установить четыре точки доступа 7962... в отличие от 10 или большего количества конкурирующих точек доступа. Поэтому если мы получим хорошую производительность на таком расстоянии, то это можно будет считать чудом.

Тестовое окружение

Тестовое окружение

Тестовое местоположение 5. На этаже с офисом Structured есть большая открытая область с "пропастью", обрамлённой стеклом, которая проходит и через другие этажи. Пытаясь протестировать уровень сигнала в трёх измерениях, а не только в двух, мы установили ноутбук на первом этаже (минус два этажа). Расстояние в 95 футов (около 29 м) было рассчитано по теореме Пифагора. Я думал, что она никогда мне в жизни после школы не пригодится, но я ошибался.

Методика тестирования

Для тестов мы использовали два приложения - Zap и Chariot. Они позволяют оценить производительность передачи пакетов UDP и TCP, соответственно. Кстати, тесты UDP встречаются не так и часто. Как правило, в большинстве изданий просто загружаются Chariot или iPerf, выполняются некоторые тесты передачи по времени, и на этом всё. Для обычной передачи файлов и схожих задач такая методика вполне годится. Однако UDP как раз используется для потокового видео. Это более быстрый протокол, поскольку серверу не требуется ожидать подтверждения от клиентов. С помощью UDP в сеть просто выдаётся поток пакетов на высокой скорости в надежде, что все они дойдут до адресата, хотя некоторые могут и потеряться.

Вы наверняка не слышали об утилите Zap, поскольку Ruckus самостоятельно разработала её для оценки производительности потокового видео. Насколько мы знаем, это первое использование этой утилиты для обзора в прессе. К сожалению, мы пообещали, что приложение никуда от нас не уйдёт, поэтому не можем предоставить утилиту для скачивания.

Но, с учётом сказанного, ничего таинственного в утилите Zap нет. Она просто тестирует эталонную нагрузку - загружает данные и отсылает их от сервера к клиенту с помощью UDP. Передача разделяется на маленькие участки (одна десятая процента от общей нагрузки), после чего на каждом этапе замеряется пропускная способность, а программа показывает минимальную скорость прохождения пакетов, которая наблюдалась к данному моменту. Поэтому результаты Zap оказываются довольно высоки при выполнении 1% теста, средними при выполнении 50% и низкими при 99%.

Методика тестирования

Для наших целей нас интересовали средние и минимальные значения. Что касается видео, то здесь не очень важны максимальная скорость или даже средняя. Здесь имеет значение минимальная скорость - это самое "слабое звено", поскольку оно напрямую влияет на впечатления от просмотра видео. Например, соединение может выдерживать скорость 70 Мбит/с 95% фильма, но если оно будет падать временами до 15 Мбит/с по какой-либо причине, то в фильме будут теряться кадры, появятся "заикания" (если проводится вещание HD-потока со скоростью 19,2 Мбит/с). На иллюстрации выше вы можете видеть пример такого поведения - график пропускной способности Chariot точки доступа Cisco 1142 при минимальном расстоянии.

Методика тестирования

Как мы уже упоминали выше, на пропускную способность беспроводной сети могут влиять разные факторы, включая ориентацию клиентов. В большинстве ноутбуков с адаптерами 802.11n присутствуют три антенны, пространственно разнесённые, поэтому ориентация ноутбуков влияет на результат. Поэтому мы проводили каждый тест четыре раза, поворачивая ноутбук на 90% в каждом прогоне. После чего мы брали средний результат.

Кроме того, поскольку каждая точка доступа может работать в диапазонах 2,4 или 5 ГГц, мы проводили все тесты с обоими диапазонами. В принципе, клиент, который ассоциируется на одном диапазоне, может перейти на другой в случае ухудшения связи, но это происходит редко. Обычно сеанс клиента продолжается на том диапазоне, на котором была проведена первая ассоциация. И нам было интересно, как покажут себя оба диапазона.

Есть ещё один момент: мы выставили управление энергопотреблением "Power Management" в драйвере Intel в максимальное положение "Highest”. Иначе во время работы от аккумулятора производительность "прыгает" сильнее. Если вам интересно, интерфейс командной строки под окном драйвера относится к работе с утилитой Zap.

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

Давайте сразу же перейдём к результатам тестов. В местоположении 1, когда клиент и точка доступа расположены вплотную, мы наблюдаем приличные результаты в тесте Zap 50%. Мы были удивлены столь большим приростом Ruckus в местоположении 1, поскольку технология формирования луча вряд ли даст преимущества на очень близком расстоянии. Мы видим это по двум результатам Cisco, где включение формирования луча дало прирост всего 2 Мбит/с.

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

В следующих двух тестах расстояния мы получили скорость на уровне ожидаемой. Нас не удивила победа Ruckus в этих тестах, но сюрпризом стало серьёзное отставание Aruba по сравнению с Cisco, причём даже без активной технологии формирования луча. Последняя в третьем местоположении даёт заметный прирост производительности Cisco, но в местоположении 2 преимущество очень мало - вероятно, это связано с тем, что местоположение было очень близко к условиям прямой видимости.

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

В тяжёлом местоположении 4 Aruba показывает печальные результаты, не достигнув даже 5 Мбит/с. Опять же, у Cisco технология формирования луча влияет на производительность очень слабо, что странно.

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

В местоположении 5 всё идёт более-менее по-прежнему, хотя Ruckus уже показывает свою слабость. Aruba едва удерживает соединение со скоростью меньше 1 Мбит/с, но Cisco показывает себя относительно хорошо - даже без активной технологии формирования луча.

Zap на 2,4 ГГц, средний результат

Вполне очевидно, что пропускная способность, которую можно посчитать приемлемой, зависит от приложения. Если вы хотите вещать два потока HD, то потребуется, как минимум, 40 Мбит/с или даже чуть больше, если ожидается появление спорадических помех. В частотном диапазоне 2,4 ГГц ни одна из рассмотренных точек доступа не справилась с этим, но насколько важен этот сценарий в реальной жизни? В любом случае, не забывайте, что данные тесты должны показать актуальность (или бесполезность) технологии формирования луча WiFi, а не протестировать работу конкретного оборудования в данном сценарии.

Zap на 5 ГГц, средний результат

При переходе на 5 ГГц мы сразу же замечаем пару особенностей. Во-первых, Aruba показывает себя весьма неплохо. При минимальном расстоянии AP125 обходит точку доступа Cisco в обоих режимах. Но что более важно, Ruckus и Aruba дают на 5 ГГц пропускную способность в два раза больше, чем на 2,4 ГГц. Поэтому если у вас есть выбор конфигурации, то не мешает попробовать диапазон 5 ГГц.

Zap на 5 ГГц, средний результат

Ситуация похожа в местоположениях 2 и 3, причём Aruba всё ещё обходит Cisco, а последняя не даёт какого-либо преимущества от включения технологии формирования луча.

Zap на 5 ГГц, средний результат

Zap на 5 ГГц, средний результат

Наконец, в местоположении 4 технология формирования луча Cisco даёт некоторое преимущество, но всё равно уступает результатам Aruba без таковой технологии. Ruckus по-прежнему лидирует.

Zap на 5 ГГц, средний результат

А здесь мы наблюдаем принципиальную разницу. В местоположении 5 Aruba выдаёт мизерный поток 0,1 Мбит/с. Точка доступа Cisco отказалась соединяться вообще. Но точка доступа Ruckus смогла выдержать около 25 Мбит/с. Если уж есть какое-то доказательство адаптации технологии формирования луча для больших расстояний, то оно перед нами. Кроме того, здесь видно, почему Ruckus считает, что BeamFlex может дать больший охват на существенно меньшем количестве точек доступа, чем альтернативные технологии.

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Для любителей потокового вещания видео будут более интересны тесты 99% Zap - довольно критические условия. Мы поначалу даже не хотели публиковать эти результаты в статье, поскольку они показывают серьёзное преимущество одной стороны. Впрочем, даже здесь мы обнаружили (разочаровывающие) сюрпризы.

Сразу же возникает серьёзный вопрос: что произошло с Cisco? Как можно было показать производительность 1 Мбит/с, когда точка доступа и клиент располагаются практически вплотную? У Aruba такого не происходит. У Ruckus тоже. Очень странно.

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

В остальных тестах 2,4 ГГц 99% точка доступа Aruba уже сдалась, присоединившись к уровню 1 Мбит/с у Cisco. Но, по крайней мере, ни одна из точек доступа не потеряла подключения. Хоть что-то.

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Когда мы переключились на диапазон 5 ГГц, то число странностей не уменьшилось. Ruckus не даёт таких падений пропускной способности в местоположении 1, как Aruba и Cisco. Почему? Мы не уверены. Результаты Aruba и Cisco оказались хуже, чем мы предполагали. Поэтому мы взяли анализатор Wi-Spy Spectrum Analyzer и просканировали местоположение 1 на наличие помех.

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Результаты Wi-Spy не показали ничего необычного. Фактически, от заключения, что продукты Aruba и Cisco не подходят для потокового вещания видео, никуда не деться. Хотя мы не ожидали столь печальной картины. На самом деле, результаты типичны для продуктов 802.11n, именно поэтому немногие производители или провайдеры рекламируют использование WiFi для потоковой передачи видео. Да, некоторые исключения есть, но они скорее подтверждают правило. Да и от субъективного впечатления от просмотра видео никуда не деться.

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Zap на 2,4 и 5 ГГц, минимальный результат

Chariot на 2,4 ГГц

К тому времени, как мы добрались до Chariot, мы уже провели полтора дня тестов из двух. Конечно, было бы приятно сказать, что из-за технических проблем мы не смогли протестировать другие режимы помимо 7962 против 1142 с активной технологией формирования луча. Но выхода не было. Мы решили потратить оставшееся время на сравнение реализаций двух технологий формирования луча в Chariot ("на чипе" против "на антеннах").

Заметна разница между пропускной способностью TCP и UDP? Помните, что в тестах диапазона 2,4 ГГц на близком расстоянии пропускная способность TCP может получиться в два раза меньше, чем у диапазона 5 ГГц. Именно поэтому Netgear предлагает свой набор для потокового вещания HD-видео с диапазоном 5 ГГц. Нас не удивили результаты средней пропускной способности Ruckus около 67 Мбит/с в местоположении 1, хотя это в два раза больше, чем даёт Cisco. Значения продолжают снижаться в местоположениях 2 и 4, причём у Ruckus падение оказывается сильнее. В местоположении 3 роли меняются, Cisco сильнее теряет скорость по мере увеличения расстояния.

Chariot на 2,4 ГГц

Chariot на 2,4 ГГц

Chariot на 2,4 ГГц

Chariot на 2,4 ГГц

На первом этаже в местоположении 5 обе точки доступа сохранили соединение. Как показывают результаты, точка доступа Cisco дала почти половину пропускной способности от результата теста Zap 50%, а Ruckus теряет около трети.

Chariot на 2,4 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Результаты говорят сами за себя. В первых четырёх местоположениях технология BeamFlex обошла формирование луча "на чипе" Cisco в 1,5-3 раза. Местоположение 5 стало исключением, поскольку точка доступа 1142 не смогла подключиться.

Chariot на 5 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Кроме того, мы привели результаты пропускной способности во всех пяти местоположениях в графическом формате. Как можно видеть, относительное преимущество 7962 оказывается больше на меньших расстояниях.

Chariot на 5 ГГц

Chariot на 5 ГГц

Заключение

Вещание потокового видео будет развиваться и дальше, в том числе и в высоком разрешении. Для этого следует проложить проводную сеть или найти какое-либо беспроводное решение. Что касается проводов, то здесь единственным вариантом будут категории CAT5e или CAT6, поскольку они поддерживают скорость 1 Гбит/с. Впрочем, недалеки те дни, когда в наших карманах будет больше устройств с возможностью воспроизведения потокового видео, а до ближайшей стены с кабелем будет далеко. Да и довольно приятно создать беспроводную инфраструктуру, которая справилась бы с распределением потоков видео для просмотра в любом месте.

Заключение

Нам бы не хотелось заканчивать статью фразой "Ruckus - самое лучшее!". Всё же мы не задались целью написать рекламную статью. Однако мы видим, что технология формирования луча "на чипе" (по крайней мере, в реализации Cisco на точке доступа 1142), вряд ли даёт какой-либо эффект. Неудивительно, что точки доступа Cicso сегодня поставляются с отключенной технологией. Однако по своей сути технология формирования луча может дать огромный эффект. Ruckus ясно показывает, что всё оборудование стандарта 802.11n можно считать предварительным шагом. Надо сделать следующий шаг вперёд, и пока что мы знаем только одну компанию, которая на него решилась.

Заключение

Мы надеемся, что результаты статьи удивят многих читателей и заставят индустрию двигаться вперёд. С точкой доступа 1142 компания Cisco опиралась, по большей части, на существующие дизайны. Уровень инноваций был минимальным, и это заметно по результатам. Нам нужно больше компаний, подобных Ruckus, которые бы желали вложить два или три года в обдумывание проблемы и перенос беспроводных технологий на уровень производительности больше 100 Мбит/с. Конечно, возникают проблемы с совместной работой. Конечно, вам придётся заплатить раза в два больше, чем за эквиваленты без поддержки технологии формирования луча. Но, в свою очередь, мы получили беспроводную сеть, которая превосходит по своим возможностям многие другие решения.

Технология формирования луча в домашних условиях

Когда мы впервые обсуждали этот проект, то скепсиса было немало. Мы уже опубликовали статью, посвящённую сборке домашнего кинотеатра, поэтому у нас появился план, как протестировать новую технологию.

Цель заключалась в архивации моей коллекции дисков Blu-ray с помощью программы AnyDVD HD. Мы создавали образы каждого диска, после чего использовали утилиту DAEMON Tools для монтирования образов, а утилиту My Movies 2 для управления всей коллекцией. Конечно, мы не хранили все образы непосредственно на HTPC. Поскольку каждый образ может "весить" больше 40 Гбайт, то для них лучше выбрать сетевое хранилище, после чего вести с него потоковую передачу с полным качеством. Все опытные пользователи, с кем мы общались, утверждали, что это можно сделать только с гигабитным подключением Ethernet. Даже соединение 802.11n MIMO не могло справиться с пропускной способностью, которая необходима для подобного сценария.

Мы протестировали немало беспроводных продуктов 802.11n до публикации упомянутой статьи о сборке HTPC, и ни один из них не смог нас удовлетворить. Мы получали плавное воспроизведение на протяжении нескольких секунд, а затем ужасные артефакты аудио/видео. Помните, что пропускную способность недостаточно дать в одном пике. Она должна быть продолжительной больше 99% всего времени, иначе вы получите рывки и "заикания", портящие всё впечатление от фильма.

Что же Ruckus?

Когда компания Ruckus узнала о нашем проекте, она выслала в нашу лабораторию точку доступа MediaFlex 7811 и адаптер 7111, - конфигурацию за $349, которая базируется на той же технологии, что и оборудование корпоративного класса, которое мы тестировали выше. Оборудование нацелено на передачу потоков HD IPTV через технологию 802.11n, и по спецификациям оно обеспечивает от 40 до 60 Мбит/с постоянной пропускной способности для всего дома площадью около 450 кв. метров. То есть можно получить потоковое вещание двух или трёх потоков MPEG-2 20 Мбит/с одновременно.

Однако вещание образов Blu-ray - совершенно другое дело. Начнём с того, что наш тестовый диск "Трансформеры/Transformers" достигает потока 40-45 Мбит/с, так что одного потока будет вполне достаточно для нагрузки возможностей оборудования Ruckus 802.11n. Во-вторых, точка доступа компании имеет автоматическую классификацию трафика, которая определяет пакеты потокового вещания видео multicast и отсылает их через UDP, что даёт производительность, которую мы видели выше. К сожалению, образ ISO является файлом данных, а не видео, поэтому вещание производится через TCP, а это ухудшает производительность.

Blu-ray и беспроводная сеть

Наши первые попытки завершились полным провалом. Когда MediaFlex 7811 и Thecus N5200 Pro NAS/SAN были подключены к D-Link DIR-655, то потоковое вещание выполнялось, в лучшем случае, с рывками. Смотреть было невозможно. Но затем, после многочисленных проб и ошибок, мы обнаружили две особенности. Первая: маршрутизатор D-Link достаточно сильно затормаживал связь, чтобы стать причиной плохого воспроизведения видео. Вторая: массив антенн, который используется в точке доступа, очень чувствителен. Стоит расположить точку доступа рядом с другими беспроводными устройствами, как вы начнёте терять пропускную способность. Кстати, представители Ruckus проиллюстрировали чувствительность технологии, объяснив изогнутый дизайн 7811. Это было сделано совсем не для того, чтобы создать устройство в современном индустриальном стиле. Просто антенны необходимо достаточно сильно поднять относительно встроенной платы точки доступа, иначе создаваемые платой помехи будут влиять на производительность.

Blu-ray и беспроводная сеть
В идеальном случае точка доступа должна располагаться достаточно далеко от маршрутизатора.

К счастью, сетевое хранилище Thecus содержит отдельный LAN-порт, который служит для подключения дополнительных устройств. Мы подключили точку доступа MediaFlex 7811 напрямую к хранилищу N5200 Pro, перенести точку доступа на полметра от маршрутизатора D-Link, после чего попытались снова поставить эксперимент. Что удивительно, фильмы "Трансформеры/Transformers" и "Wanted" (оба вещались в виде потока данных, а не видео) воспроизводились плавно (по отдельности, конечно). То есть мы достигли приличного качества воспроизведения по беспроводной сети. Она смогла в реальных условиях выдержать постоянную пропускную способность, близкую к 50 Мбит/с.

Многие наши читатели удивятся, ведь у 802.11n заявлена скорость передачи данных 300 Мбит/с, а на практике это должно давать пропускную способность до 100 Мбит/с? Помните, что просмотр фильмов требует постоянной высокой пропускной способности, и из протестированных нами беспроводных решений мы не обнаружили продукты, способные вести потоковую передачу видео со скоростью 40 Мбит/с на протяжении 99% времени просмотра фильма. Если у вас нет гигабитной сетевой проводки в квартире, то медиа-сервер с беспроводной инфраструктурой наверняка покажется чудом.

Пожелаем удачи?

Если вы хотите установить дома похожую инфраструктуру без закупки оборудования корпоративного класса, то могут возникнуть трудности. Ruckus не фокусируется на розничных продажах, предпочитая внедрять свою технологию на вертикальных рынках. Фактически, в США мы обнаружили только один магазин, где продавались точки доступа и адаптеры MediaFlex, причём они закончились на складе. В России ситуация ещё хуже. Поэтому наша статья больше похожа на эксперимент, чем на тест готового решения. Будем надеяться, что в сообществе энтузиастов HTPC появится больше информации о подобных экспериментах, а технология Ruckus и продукты на её основе будут более доступны в России.

КОНЕЦ СТАТЬИ


Координаты для связи с редакцией:

Общий адрес редакции: thg@thg.ru;
Размещение рекламы: Roman@thg.ru;
Другие координаты, в т.ч. адреса для отправки информации и пресс-релизов, приглашений на мероприятия и т.д. указаны на этой странице.


Копирование и распространение информации, упомянутой на страницах THG.ru возможно только при наличии у вас письменного разрешения руководства издания. По вопросам использования наших статей обращайтесь по электронной почте.

THG.ru ("Русский Tom's Hardware Guide") входит в международную сеть изданий Best of Media


Все статьи: THG.ru

 

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru