300 Мбит/с из воздуха - новые горизонты беспроводного Ethernet

Технологии беспроводного Ethernet находят весьма узкое применение в промышленности. Этому есть три традиционные причины:

• трудности сертификации,
• плохое качество приёма,
• низкая защищённость сети.
  

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СТАНДАРТОВ IEEE 802.11

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА СТАНДАРТА IEEE 802.11N

Поскольку IEEE 802.11n имеет внушительный запас по пропускной способности, радиус покрытия в такой сети может быть гораздо больше.

СОВМЕСТИМОСТЬ С ДРУГИМИ СТАНДАРТАМИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Стандарт IEEE 802.11n обратно совместим с предыдущими стандартами IEEE 802.11a/b/g. Для обеспечения совместимости точки доступа IEEE 802.11n могут работать в специальном смешанном режиме. Однако основные преимущества нового стандарта доступны только при полноценной поддержке его как точками доступа WLAN, так и клиентами.

Таблица 1. Основные характеристики оборудования для беспроводного Ethernet серии Hirschmann BAT

ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СТАНДАРТА IEEE 802.11N

В IEEE 802.11n используется та же схема модуляции сигнала, что и в современных IEEE 802.11a/b/g – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM). Данная схема предполагает передачу сигнала по нескольким несущим частотам параллельно. Значит, суммарная пропускная способность канала будет зависеть от количества несущих частот и их полезной нагрузки. И не нужен внешний мультиплексор и трансиверы.

Количество несущих частот в стандарте IEEE 802.11n увеличено с 48 (в IEEE 802.11a/g) до 52. С полезной нагрузкой всё менее очевидно, так как беспроводная передача данных «страдает» даже от самых незначительных препятствий на пути прохождения сигнала. Для исключения ошибок в сигнале используются так называемые контрольные суммы, значение которых передаётся вместе с сигналом. В IEEE 802.11n передача этих значений «съедает» меньше трафика, поэтому полезная нагрузка выше. Но главным методом её увеличения является технология MIMO (множественный ввод – множественный вывод).

Точка доступа посылает сигнал по антенне в нескольких направлениях одновременно. Сигналы отражаются от различных поверхностей и достигают клиента WLAN разными путями с затратой разного времени на их прохождение. За счёт интерференции в полученном сигнале содержится много наслоений, и чтобы разобрать среди них оригинальный сигнал, традиционно должно быть соблюдено условие прямой видимости между приёмником и передатчиком. Технология MIMO (хотя вернее называть её идеологией передачи сигнала) предполагает параллельное использование нескольких передатчиков и приёмников сигнала: до двух для IEEE 802.11a/b/g и до четырёх в IEEE 802.11n. Принцип MIMO может не только минимизировать проблему интерференции, но и использовать её для улучшения прохождения сигнала.

В стандарте IEEE 802.11n MIMO реализуется с помощью трёх антенн у точки доступа и трёх антенн у клиентов.

Две антенны участвуют в передаче сигнала, фактически вдвое увеличивая пропускную способность канала. Чтобы разделять два потока, в начале передачи посылаются стандартизированные данные, позволяющие приёмнику опознать, с какого потока идёт сигнал. Если это не удается, используется дополнительный сигнал с третьей антенны, передающий служебные данные.

Таким образом, упомянутый максимум для MIMO в четыре потока пока не достигнут, так как в IEEE 802.11n используется только два потока. Это связано с тем, что вычислительных способностей оборудования недостаточно для обработки четырёх потоков: потребовались бы слишком мощные процессоры с высоким энергопотреблением. Оборудование стандарта IEEE 802.11n уже требует больше энергии, чем предусмотрено в стандарте питания PoE, и требуется оборудование с поддержкой PoE+.

Побочный эффект MIMO возникает при использовании оборудования на открытом воздухе, где искусственных поверхностей мало и отражение сигнала будет недостаточным. В таких условиях для передачи двух независимых потоков требуются специальные двухполяризационные антенны. Такие антенны фактически представляют собой две антенны под углом 90° друг к другу в одном корпусе. Внешний вид такой антенны представлен на рис. 1.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СТАНДАРТОВ IEEE 802.11

Оборудование для беспроводного Ethernet можно встретить в любом  компьютерном магазине. Но на промышленных объектах оно, по сути, неприменимо. Попробуем сформулировать требования для Wi-Fi оборудования:

Перечисленными свойствами обладает линейка продукции BAT немецкой торговой марки Hirschmann. В линейке присутствуют точки доступа для монтажа в помещениях (серия Rail) и для уличного монтажа (серия F), необходимые аксессуары и антенны с различным усилением. Перечень моделей Hirschmann BAT представлен в таблице 1.

Внешний вид оборудования представлен на рис. 2.

Типичные схемы применения оборудования серии Hirschmann BAT

Развитие стандартов IEEE 802.11 Wi-Fi на ближайшее будущее во многом очевидно. Стандарт IEEE 802.11n ещё не реализовал весь свой потенциал. По мере появления беспроводных чипов, способных обрабатывать все 4 потока данных, максимальная скорость возрастёт до 600 Мбит/с. Как следствие, увеличится радиус покрытия и качество приёма сигнала. Дальнейшее развитие технологий MIMO позволит внедрять беспроводные сети взамен традиционных проводных сетей на большем количестве объектов. Конечно, беспроводные технологии никогда полностью не вытеснят традиционные проводные сети с промышленных объектов, но воздух как среда передачи данных будет не менее востребованным, чем медь и «оптика».