Biuletyn „Akademia OSBRIDGE” Standard 802.11n „MiMo” w

ul. Częstochowska 25
62-800 KALISZ
tel./ fax: (62)-502 45 26
www.winet.com.pl
[email protected]
Biuletyn „Akademia OSBRIDGE”
Temat:
„Standard 802.11n „MiMo” – w praktycznych zastosowaniach”
Standard 802.11n – Mimo został opracowany i może być stosowany dla dwóch zakresów pasma
częstotliwościowego 2,4GHz i 5GHz.
Standard MiMo – (multiple input, multiple output) daje możliwości transmisji przez pojedyncze
urządzenie WLAN jednocześnie więcej niż jednego sygnału radiowego, ale równocześnie przy użyciu więcej niż
jednej anteny. Tak, więc podstawowa zaleta jest prosta: wiele anten wysyła i odbiera większą ilość sygnałów
radiowych o tej samej częstotliwości.
Przekłada się to na następujące zalety:
•
większa przepustowość systemu,
•
poprawa jakości sygnałów radiowych odbieranych poprzez sumowanie sygnałów,
•
poprawa jakości sygnałów radiowych nadawanych poprzez nadawanie kilku sygnałów w różnych
polaryzacjach (większa „gęstość” sygnałów radiowych)
Większa ilość strumieni sygnałów radiowych w standardzie MiMo jest oznaczana notacją 2x2 – 2Tx2Rx
i oznacza dwa sygnały radiowe – dwie anteny po stronie nadawczej i dwie anteny po stronie odbiorczej (np.
połączenie OSBRiDGE 5NL – OSBRiDGE 5Ni). Może być również stosowana następująca kombinacja:
•
•
•
•
•
1x1 – jeden sygnał nadawany i odbiór przez pojedynczą antenę,
(np. połączenie urządzeń OSBRiDGE 2Ni Ex – OSBRiDGE 2Ni V)
1x2 - jeden sygnał nadawany i odbiór przez podwójną antenę,
(np. połączenie urządzeń OSBRiDGE 2Ni Ex – Ubiquiti NS2M LOCO)
2x1 - dwa sygnały nadawane i odbiór przez pojedynczą antenę,
(np. połączenie urządzeń Ubiquiti Rocket M2 – OSBRiDGE 2Ni V)
3x3 - trzy sygnały nadawane i odbiór przez trzy anteny odbiorcze – tego typu rozwiązanie jest
stosowanie w urządzeniach pracujących wewnątrz budynków,
4x4 - cztery sygnały nadawane i odbiór przez cztery anteny odbiorcze – tego typu rozwiązanie
jest stosowane jedynie dla połączeń radiowych w topologii punkt – punkt i z wykorzystaniem
anten parabolicznych,
(np. połączenie urządzeń OSBRiDGE 5NXt 4x4 – OSBRiDGE 5NXt 4x4
- urządzenia w
przygotowaniu)
Standard 802.11n „MiMo” w paśmie 2,4GHz
Z uwagi na fakt, że w standardzie 802.11b/g mamy:
•
•
ograniczoną liczbę kanałów nie zachodzących – w praktyce trzy nie zachodzące się kanały z
zachowaniem 5MHz odstępu (kanał 1,6,11) lub maksymalnie cztery kanały nie zachodzące bez
zachowania 5MHz odstępu miedzy kanałami (kanał 1,5,9,13),
bardzo wiele sieci i urządzeń już funkcjonujących w standardzie 802.11b/g i pracujących w
topologii punkt - wielopunkt.
Te dwa podstawowe czynniki spowodowały, że dla częstotliwości 2,4GHz pojawiła się gama produktów
OSBRiDGE 2Ni w standardzie 802.11 MiMo 1x1. Z ekonomicznego i praktycznego punktu widzenia
zastosowanie transmisji 1x1 wydaje się najlepsze i ma podstawową zaletę:
•
możliwość podłączenia do urządzenia OSBRiDGE 2Ni Ex istniejącego systemu antenowego bez
konieczności inwestowania w dodatkowe nowe anteny pracujące w standardzie MiMo.
Z uwagi na ograniczenia standardu 802.11b/g, o których mowa powyżej zakup pełnego systemu –
urządzenia wraz z antenami aby uruchomić system z transmisją 2x2 jest z ekonomicznego punktu widzenia
nieopłacalne zwłaszcza jeżeli porównamy rynkowe ceny anten dla standardu MiMo dla pasma 2,4GHz i 5GHz, że
są one praktycznie takie same.
Aby jednak zwiększyć wydajność istniejącego systemu pracującego w standardzie 802.11b/g wystarczy
po stronie stacji bazowej wymienić urządzenia na takie które mogą pracować w standardzie 802.11 b/g/n z
transmisją w standardzie MiMo 1x1. Takie rozwiązanie jest najbardziej ekonomicznym i najefektywniejszym,
Copyright by WiNET 2011
1
ul. Częstochowska 25
62-800 KALISZ
tel./ fax: (62)-502 45 26
www.winet.com.pl
[email protected]
aby wprowadzić do istniejącego systemu pracującego w paśmie 2,4GHz standardu MiMo, który istotnie zwiększy
możliwości maksymalnej wydajności, a co za tym idzie większych przepustowości całego systemu radiowego w
topologii punkt – wielopunkt.
Urządzenia w standardzie MiMo z transmisją 1x1 są jedynym rozwiązaniem wszędzie tam gdzie
zastosowano w istniejących systemach anteny dookólne, ponieważ dla standardu MiMo 2x2 nie ma dostępnych
żadnych anten z charakterystyką promieniowania 360°.
Wymiana samego urządzenia i wprowadzenia standardu MiMo pozwoli na
przełączenie instalacji abonenckich najbardziej obciążających istniejący system
wyłącznie na standard 802.11n z wykorzystaniem urządzeń OSBRiDGE 2Ni H i
OSBRiDGE 2Ni V w zależności od polaryzacji anteny zastosowanej w stacji
bazowej. Z uwagi na zastosowanie innej modulacji w standardzie 802.11n niż w
standardzie 802.11b/g wyższe przepustowości jakie będą generować instalacje
końcowe i odpowiednio wydajne procesory zastosowanie w urządzeniach
OSBRiDGE 2Ni nie będą miały żadnego negatywnego oddziaływania na instalacje
wykonane w standardzie 802.11b/g, a wręcz będą pracować stabilniej.
Zastosowanie urządzeń MiMo OSBRIDGE 2Ni na istniejących systemach
pracujących w paśmie 2,4GHz dają możliwość transmisji o przepustowości około 56Mbit/s do pojedynczej instalacji końcowej pracującej w topologii punkt –
wielopunkt, co w standardzie 802.11b/g było praktycznie niemożliwe.
Obok przedstawimy przykład stacji bazowej zbudowanej w oparciu o urządzenia
OSBRiDGE 2Ni Ex 1x1.
Do budowy stacji wykorzystano typową antene szczelinową 2,4GHz 15dB oraz
dookólną 2,4GHz 10dB
Standard 802.11n „MiMo” w paśmie 5 GHz
W urządzeniach OSBRiDGE MiMo dla pasma 5GHz wszystkie obecnie dostępne urządzenia pracują w
standardzie 802.11n MiMo 2x2 oraz dotychczasowym standardzie 802.11a. Dla standardu MiMo w urządzeniach
OSBRiDGE wybrano rozwiązanie 2x2, czyli dwóch strumieni radiowych, ale w dwóch polaryzacjach H – pozioma
i V – pionowa.
Takie rozwiązanie ma następujące zalety:
•
uniezależnia jakość transmisji od występujących lokalnie zakłóceń w polaryzacji H lub V.
Stosowanie anten MiMo w jednej polaryzacji wpływa na poprawienie jakości sygnału radiowego
(podnosi wartość sygnału radiowego o 3-6dB w porównaniu z sygnałem w standardzie 802.11a) jednak dalej
pozostaje problem istotnego wpływu zakłóceń na system radiowy pracujący w wolnym paśmie.
Najlepszym rozwiązaniem z punktu widzenia uniezależnienia jakości transmisji od zakłóceń, jest
zastosowanie transmisji 2x2 w dwóch polaryzacjach H i V. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenia „same”
dobierają sobie koherentnie ustawienia dla danego toru radiowego zapewniając optymalną jakość w zależności
od lokalnych warunków i potencjalnych zakłóceń. Dzięki zastosowaniu dwóch torów radiowych w dwóch różnych
polaryzacjach H i V następuje znaczne zwiększenie odporności całego systemu transmisji radiowej na
potencjalne zakłócenia występujące zawsze w wolnym paśmie radiowym.
W naszym poprzednim Biuletynie nr 3, opisaliśmy i staraliśmy się wyjaśnić właściwe podejście w
doborze anten sektorowych dla standardu 802.11n i wpływie doboru tych anten na zajętość kanałów radiowych.
Opisaliśmy również szczegółowo możliwości uzyskania maksymalnej przepustowości dla standardu MiMo przy
założeniu zawężania szerokości kanałów do wartości 10 i 5 MHz dla najefektywniejszego wykorzystania wolnego
pasma radiowego.
Przepustowość maksymalną 54Mbit/s dla standardu 802.11a i wykorzystującą standardowy kanał
20MHz możemy uzyskać w MiMo już dla kanału 10MHz. O zaletach stosowania innych kanałów niż standardowe
kanały 20MHz pisaliśmy bardzo szczegółowo w Biuletynie nr 1.
Copyright by WiNET 2011
2
ul. Częstochowska 25
62-800 KALISZ
tel./ fax: (62)-502 45 26
www.winet.com.pl
[email protected]
Nasze doświadczenia w doborach anten dla systemów punkt – wielopunkt oraz zalety wynikające z
stosowania niestandardowych szerokości kanałów oparte na wcześniej opisanych praktycznych aspektach i
założeniach pozwalają na praktyczną zmianę podejścia w budowie systemów punkt – wielopunkt.
Jeżeli chcemy budować systemy w topologii punkt – wielopunkt i maksymalna wydajność całego
systemu radiowego jest jak najbardziej pożądaną cechą projektowanego lub budowanego systemu to
maksymalne wielkość komórki radiowej musi być ograniczona do najlepiej 3 km a maksymalnie do 4-5km.
Takie założenie jest też słuszne, jeżeli wziąć pod uwagę wpływ potencjalnych zakłóceń występujących w
wolnym paśmie – przy mniejszej komórce radiowej wpływ jest zminimalizowany.
Z uwagi na ogromne zalety, jakie daje standard MiMo z transmisja 2x2 i z wykorzystaniem dwóch
polaryzacji H i V najlepszą anteną o niedużym zysku jest antena panelowa.
Podstawowa zaleta anteny panelowej:
•
stosunkowo duże kąty promieniowania symetrycznego zarówno w płaszczyźnie poziomej (3040º) jak i pionowej (30-40º). Dla prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej anteny panelowej
kąty te są takie same.
Antena sektorowa zawsze posiada szeroki kąt promieniowania (90-120º) w płaszczyźnie poziomej
kosztem niewielkiego kąta promieniowania w płaszczyźnie pionowej (7-10º). Dla standardu 802.11n
wykorzystującego transmisje 2x2 w dwóch polaryzacjach H i V, zastąpienie typowej anteny sektorowej, antena
panelową jest najlepszym rozwiązaniem z punktu widzenia propagacji fali radiowej oraz lepszych możliwości
pokonywania niewielkich przeszkód terenowych takich jak drzewa. Zaletą zastosowania w standardzie MiMo
dwóch polaryzacji pionowej i poziomej znacznie zwiększa potencjalne możliwości zachowania poprawnej jakości
transmisji radiowej, a dodatkowo jeszcze zapewnienia lepszą fizyczną propagację fal radiowych - równomiernie
rozłożonej w płaszczyźnie pionowej i poziomej dodatkowo zwiększając jakość transmisji radiowej w trudnym i
zaszumionym środowisku radiowym.
Porównanie anteny panelowej w sektorową można łatwo zrozumieć porównując te anteny o takim
samym zysku np. 15dB. Rozproszenie energii emitowanej przez antenę sektorową w uwagi na duży kąt
promieniowania w płaszczyźnie poziomej np. 120 stopni jest tak duże, że parametry toru radiowego dla
odbiornika będą lepsze, jeżeli połączenie radiowe w topologii punkt – wielopunkt będzie wykonane w oparciu o
anteny panelowe po stronie nadawczej i odbiorczej niż w przypadku, gdy po stronie nadawczej będzie antena
sektorowa. Energia z anteny panelowej jest „bardziej skupiona” z uwagi na mniejsze kąty promieniowana dla
tego rodzaju anteny.
Reasumując, jeżeli zakładamy projektowo:
- budowę stacji bazowej w topologii punkt – wielopunkt w standardzie 802.11n,
- wielkość komórki radiowej 3-4 km,
- bezpieczeństwo i zminimalizowanie wpływu innych sieci poprzez zastosowanie transmisji MiMo 2x2 w
dwóch polaryzacjach, zastosowanie urządzeń na stacji bazowej ze zintegrowanymi antenami o
charakterystyce promieniowania zgodnymi z antenami panelowymi.
Ilustracja poniżej przedstawia przykładową staje bazową składającą się w 6 urządzeń OSBRiDGE 5Ni.
Copyright by WiNET 2011
3
ul. Częstochowska 25
62-800 KALISZ
tel./ fax: (62)-502 45 26
www.winet.com.pl
[email protected]
Realizacja powyższych założeń jest możliwa, jeżeli do budowy wykorzystamy urządzenia OSBRiDGE
5Ni. Aby zbudować stację bazową i objąć zasięgiem obszar dookoła czyli 360º należy wykorzystać 8 lub 10
urządzeń. Przyjmując dwa urządzenia na kąt 90º możemy przyjąć odpowiednią liczbę urządzeń dla pokrycia
obszaru o danym kącie działania stacji bazowej.
Standardowo, aby zbudować stację bazową o kącie 360º przyjmujemy cztery stacje z antenami 90º
pracujące na standardowym kanale 20MHz. Jeżeli zwielokrotnimy ilość stacji bazowych do dziesięciu sztuk
wydajność całego systemu stacji bazowej wzrośnie nam 2,5-krotnie jednak kosztem zajęcia 10 kanałów, czyli
prawie całego wolnego pasma 5GHz. Założenia pierwotne dla planowanej stacji pod względem wydajności całej
stacji będą takie same, jeżeli dla dziesięciu planowanych urządzeń stacji bazowej zastosujemy szerokość kanału
5 MHz lub 10MHz dla każdego urządzenia w danej stacji bazowej.
- 10 urządzeń pracujących z szerokością kanału 10 MHz zajmie 5 kanałów o standardowej szerokości
20 MHz,
- 10 urządzeń pracujących z szerokością kanału 5 MHz zajmie 2,5 kanału o standardowej szerokości
20 MHz,
A więc zalety ze stosowania kanałów o niestandardowej szerokości kanałów są oczywiste zarówno od
strony odporności na zakłócenia jak również od strony propagacji sygnału radiowego z uwagi na
zastosowanie urządzeń z serii 5Ni i wbudowanych anten panelowych zamiast sektorowych.
Zaletami takiego rozwiązanie będzie:
•
•
•
większe bezpieczeństwo i odporność systemu na zakłócenia,
większa niezawodność całego systemu stacji bazowej z uwagi na większą niezależną ilość
zastosowanych urządzeń,
lepsza propagacja sygnału radiowego dzięki czemu otrzymujemy mniejszy wpływ na jakość
połączeń radiowych niewielkich przeszkód terenowych takich jak drzewa – możliwe działanie
połączeń radiowych bez bezpośredniej widoczności optycznej.
Ważne !!!
Dzięki innowacyjnemu rozwiązaniu jakim jest możliwość wyboru niestandardowej szerokości kanału
18MHz, 16MHz, 14MHz, 12MHz dostępnych w urządzeniach OSBRiDGE, a niedostępnych w innym sprzęcie
dostępnym na rynku uzyskujemy możliwość bardziej elastycznej konfiguracji i doboru maksymalnej wydajności
urządzenia w zależności od szerokości zastosowanego kanału.
Wszystkie poruszane w naszych opracowaniach aspekty budowy sieci bezprzewodowych dotyczą sieci
pracujących w wolnym paśmie 2,4 GHz oraz 5GHz i właśnie poprzez elastyczne zastosowanie odpowiedniej
szerokości kanału gwarantuje bezproblemową pracę (brak wpływu zakłóceń pochodzących od innych sieci) bez
konieczności ciągłej zmiany ustawień pracujących urządzeń.
Dziękujemy za zapoznanie się z naszym czwartym numerem Biuletynu z serii „Akademia OSBRiDGE”. Jeżeli
maja Państwo jakieś sugestie związane z tematami urządzeń OSBRiDGE prosimy o przekazywanie ich drogą
mail’ową. Postaramy się uwzględniać Państwa sugestie w następnych numerach.
Zespół Redakcyjny.
Copyright by WiNET 2011
4