Beamforming

Каждый может попробовать бросить камень в воду, будут волны, распространяющиеся в сторону. Если вы бросите еще один камень, два вида волн будут перекрываться. Если вы бросаете еще больше камней, эти круговые волны будут разбиты, потому что они мешают друг другу. Это похоже на сегодняшние беспроводные помехи: так много беспроводных устройств (маршрутизаторов или точек доступа) распространяют сигнал во всей области, и эти сигналы подобны волнам, мешающим друг другу. Чем больше их, тем более неустойчивым будет ваше интернет-соединение, что вызовет проблемы.

Современные беспроводные устройства часто обещают технологию «формирования луча» - Beamforming, для улучшения приема Wi-Fi и уменьшения помех. Но что такое формирование луча, как оно работает, и действительно ли это полезно?

Основы формирования луча

В очень упрощенных объяснениях формирование луча связано с фокусировкой сигнала Wi-Fi в определенном направлении.

Традиционно, когда ваш маршрутизатор/точка доступа передает сигнал Wi-Fi, он передает данные во всех направлениях. При формировании луча маршрутизатор определяет, где находится ваше устройство - ноутбук, смартфон, планшет или что-то еще - и проецирует более сильный сигнал в этом конкретном направлении.

Beamforming обещает быстрый, более сильный Wi-Fi-сигнал с большим диапазоном для каждого устройства. Вместо того, чтобы просто транслировать по всех направлениях, маршрутизатор/точка доступа пытается широковещать беспроводные данные, предназначенные для устройства, что является оптимальным для устройства.

Итак, конечный результат формирования луча - лучший сигнал Wi-Fi ваших устройств.

802.11ac vs 802.11n

Beamforming, своего рода был частью спецификации 802.11n. Но для этого требовалось, чтобы оба устройства - точка доступа (маршрутизатор) и клиент - поддерживали одинаковое формирование луча. Не было стандартного способа, и производители устройств производили свои собственные реализации. В результате технология никогда не использовалась, так как не было никакой гарантии, что любые устройства 802.11n были бы совместимы друг с другом, даже если у обоих был бы Beamforming.

Благодаря спецификации 802.11ac это было исправлено. Существует стандартный способ формирования диаграммы направленности, и любые устройства 802.11ac, которые поддерживают формирование диаграммы направленности, будут работать с другими, которые также это делают. По сути, устройства 802.11ac, такие как ваш маршрутизатор и ноутбук, могут взаимодействовать друг с другом и предоставлять информацию об их относительных позициях.

Типы формирования луча

Существует два типа Beamforming: неявный (implicit) и явный(explicit).

Explicit Beamforming - это когда и маршрутизатор, и клиент поддерживают Beamforming. Любое устройство 802.11ac wifi, поддерживающее Beamforming, будет иметь один и тот же стандарт, поэтому, если у вас есть два устройства 802.11ac Beamforming, гарантируется, что они будут хорошо работать вместе.

Наличие двух устройств, работающих вместе, даст вам самое сильное возможное соединение, и поэтому явный Beamforming намного эффективнее, чем неявный.

Следует отметить, что поддержка 802.11ac не означает, что устройство поддерживает Beamforming.

Явное формирование луча зависит от обратной связи с клиентом. Это позволяет точке доступа задавать свои параметры формирования луча с большей точностью, что, в свою очередь, позволяет использовать более направленный луч. Вместо того, чтобы звуковые кадры передавались от клиента к точке доступа, они отправляются с точки доступа клиенту. Клиент записывает, как он получил звуковые кадры и строит матрицу (описанную ниже). Затем эта матрица передается обратно в точку доступа. Благодаря ей точка доступа может точно рассчитать, как передавать данные.

С другой стороны, Implicit Beamforming позволяет более старым устройствам без технологии 802.11ac получать некоторые преимущества, принесенные Beamforming. Если ваша точка доступа имеет технологию Beamforming, но клиент нет, соединение всеравно будет немного улучшено.

При использовании неявного формирования луча точка доступа предполагает, что настройки, которые позволяют ей лучше всего слышать клиента, также являются настройками, которые позволяют клиенту лучше всего слышать точку. Это предположение обычно полезно, но не всегда полностью точно. Настройка для неявного формирования луча очень проста. Точка доступа просит клиента отправить предсказуемый набор звуковых кадров. Затем она прослушивает эти звуковые кадры, отмечая, когда и как они принимаются на каждой из своих антенн. Это позволяет точке доступа задуматься о шаблоне, который она должна использовать для передачи.

Явные матрицы формирования луча

Чтобы установить явную связь с лучом, точка доступа отправит клиенту ряд звуковых кадров, иногда называемых Null Data Packets (NDP). Точка доступа передает их от каждой из своих антенн по одному за определенное время. Заголовок NDP определит, с какой антенны он был отправлен. Явное устройство, соответствующее стандарту 802.11ac, совместимое с формированием диаграммы направленности, сможет записывать информацию о том, как он получает звуковой кадр на каждой из своих антенн индивидуально. Это дает нам отношение M к N по числу антенн в точке доступа и количеству антенн на клиенте. Клиент регистрирует две части данных для каждого отношения MN. Первая - это сила сигнала, измеренная его амплитудой (обозначается ниже А). Второй - это время, когда он получил сигнал. Различия в этих временах регистрируются в матрице (обозначенной ниже Т). Обратите внимание, что один кадр, отправленный с точки доступа, будет приниматься на каждой антенне клиента с несколько иной амплитудой и в несколько иное время. В результате получается матрица MN с парой записей в каждом элементе. Этот процесс повторяется для каждого канала, который будет использоваться, поскольку разные частоты могут распространяться несколько иначе в реальных сценариях. Теперь это образует трехмерную матрицу MNC, где C - количество каналов, которые мы хотим отобразить. Матрица изображена ниже.

Эта матрица известна как информация о состоянии канала Channel State Information (CSI). CSI сжимается и возвращается в точку доступа. Для калибровки явного формирования луча точка доступа должна выполнять инверсию матрицы в CSI. Как только это будет сделано, точка доступа будет применять параметры от инвертированной матрицы к антенной решетке. В результате антенны, которые были услышаны в последний раз, транслируются раньше, чем те, которые были услышаны первыми. Мы можем компенсировать небольшие амплитудные расхождения аналогичным образом.

Размер сжатого CSI может сильно варьироваться в зависимости от количества антенн и количества интересующих нас каналов. Большой CSI может быть более 20 КБ.

В заключение

В целом, Beamforming - отличный способ улучшить скорость вашей беспроводной сети Wi-Fi. Если какое-либо из ваших текущих устройств уже поддерживает Beamforming, возможно, стоит перейти на маршрутизатор с поддержкой Beamforming.

Beamforming преодолевает внешние и внутренние (CCI) помехи, используя пространственные свойства антенн. Поскольку помеха исходит из определенного направления, формирователь луча может применять метод обнуления - отправить «нуль» в сторону источника помехи, отменив его. В связи с значительным сокращением CCI формирование луча может позволить более плотное развертывание, чем системы с одиночной антенной. А благодаря высокому бюджету ссылок  вероятность запуска модуляции высокого порядка (64QAM, 16QAM) намного выше. Общая мощность значительно улучшена.

Beamforming является более сложным, чем другие технологии антенны, но является очень полезным. Антенна является единственным самым слабым звеном в сети, и формирование луча решает эту проблему.

Провайдеры должны обратить внимание на создания систем, которые используют эту передовую технологию, из-за огромных преимуществ, которые она предлагает, - лучшего диапазона, мощности, эффективности и, в конечном счете, меньшего количества расходов.