Реальная пропускная способность радио-каналов "точка-точка"

То же происходит, когда читаем очередную новость о "революционной точке доступа для построения радио-каналов с пропускной способностью 300 Мбит/с, задержкой 1 мс и дальностью 100 км". Поэтому, давайте попробуем разобраться какие факторы формируют настоящие параметры радио-каналов и где лежит граница между рекламой и реальными рабочими характеристиками.

Первое, что нужно помнить - при передаче данных через беспроводные сети не возможно гарантировать стабильной работы в каком либо режиме, в принципе. Поэтому, обещания производителя оборудования необходимо рассматривать сквозь призму тех условий, в которых это оборудование будет использоваться.

Главные факторы влияющие на качество связи

Рассмотрим главные факторы, которые могут влиять на качество связи, не зависящие от оборудования и которые могут меняться в очень широких рамках:

1. Природные. Атмосферная влага (осадки, туманы, обледенения и т.д.), ветровая нагрузка, электромагнитные поля естественного происхождения.

2. Антропогенные. Электромагнитная загрязненность (радиопомехи).

3. Особенности монтажа. Качество регулирования антенн, обеспечения надлежащей изоляции от посторонних излучателей, качество и потери Особенности трассы. Физические помехи на пути сигнала.

И каждый из этих факторов может свести на нет все характеристики, указанные в инструкциях производителями. Для того, чтобы было понятнее, рассмотрим в общих чертах, простой пример передачи данных по радио-каналу и то, как на этот процесс могут повлиять указанные выше факторы.

1. При поступлении Ethernet-фрейма в порт передающего устройства он размещается в буфер.

2. В зависимости от того, разрешена ли и необходима агрегация фреймов, данные что находятся в буфере или передаются в радио-эфир, или ожидают заполнения буфера до указанного в свойствах агрегации размера.

3. Происходит выбор модуляции для передачи, в зависимости от текущих условий канала или заданных параметров.

4. Данные передаются в эфир.

5. Ожидается подтверждение от устройства на другой стороне о получении фрейма. Если оно не поступает, то происходит повторная передача этих данных, но с использованием меньшей модуляции. Процесс повторяется до тех пор, пока не получит подтверждения или планировщик работы радио интерфейса не будет считать этот пакет "потерянным".

6. Соответственно, устройство-приемник получает данные и направляет подтверждение.

7. Данные передаются в Etehrnet-порт принимающего устройства.

От чего зависит скорость передачи данных

В разных стандартах передачи данных, производителей и устройствах эти процедуры могут отличаться, но общие черты остаются. Итак, от чего же зависит, собственно, скорость? По грубым расчетом, можно считать, что от модуляции, которая используется для передачи данных, количества необходимых повторных передач и количества пакетов данных, которые устройство может физически передать за 1 секунду (Packet Per Second, PPS).

Значение PPS в основном является постоянным и зависит от аппаратного обеспечения и алгоритмов работы планировщика радио-интерфейса. А вот, модуляция и повторные передачи - это как раз то, на что влияют внешние факторы. А именно:

1. Состояние атмосферы существенно влияет на уровень сигнала. Чем больше в ней влаги - тем больше рассеиваться сигнал. Для различных диапазонов сила действия существенно отличаться, но влияние будет оставаться. Чем ниже уровень сигнала, тем на меньшей модуляции будут работать устройства и тем большую мощность передатчика нужно использовать - соответственно, увеличивается и тепловой шум от его работы, который создает помехи.

При сильном ветре и большой парусности антенны она начинает вибрировать и отклоняться из-за чего уровень сигнала прыгает и не дает возможности алгоритмам, которые управляют работой планировщика определить лучшую модуляцию для работы в автоматическом режиме. Это приводит к увеличению количества повторных передач. Уровень естественного электромагнитного фона, как правило, влияет на качество связи, но не так сильно.

2. Радиопомехи. Чем выше уровень посторонних сигналов, тем меньше на их фоне выделяться нужный. При достижении определенной минимальной границы становятся недоступны высокие модуляции. Эта информация, как правило, указывается производителем.

3. От точности настройки антенны зависит уровень сигнала, от качества и правильного выбора соединительных компонентов и их монтажа зависит качество прохождения сигнала в высокочастотным эфире. Например, при попадании воды в плохо герметизированный разъем на антенне, возможна ситуация когда сигнал направляется настолько искаженной формы, что противоположная сторона даже при достаточной его силе не может разобрать содержимого.

4. Физические помехи на пути сигнала можно разделить на те, которые не меняют своего влияния на сигнал со временем -- постоянные: например, конструкции, здания, рельеф; и те, влияние которых может меняться -- непостоянны: листья деревьев, линии электропередач, и тому подобное. Первые влияют на уровень сигнала и, как результат, выбор максимальной модуляции, а вторые вносят нестабильность в канал, уменьшают модуляцию и увеличивают количество повторных передач сигнала.

Как видно, в каждый момент времени на радио-канал влияет много факторов, которые, наложенные друг на друга, могут существенно снижать его максимальные характеристики.

Увелечение размера пакета и нагрузка на PPS

А теперь вспомним еще об одном - PPS. Предположим, что у нас есть идеально настроен радио-канал с серьезным запасом сигналов, который работает только на самых высоких модуляциях. Канал базируется на устройствах, и согласно заявлений производителя обеспечивают скорость 220 Мбит/с с пакетной производительностью 26000 PPS. И здесь стоит вспомнить, что это - максимальные пределы!

То есть, читать как: "не более 220 Мбит/м" и "не более 26000 PPS". Почему это важно? Проведем несложные расчеты: Размер пакета, при котором можно достичь производительности 26000 PPS при скорости 220 Мбит/с: 220 Мбит/с / 26000 п/с = 27,5 Мбайт/с / 26000 п/с ≈ 1109 байт

Соответственно, при увеличении размере пакета - нагрузка по PPS падает, но чем больше пакет, тем дольше он передается и тем выше шансы на то, что в передаче будет действие, влияние которого его повредит. Соответственно, шансы на увеличение количества повторных передач. Но, технически, полоса может использоваться на все заявленные 220 Мбит/с.

Но вспомним, что средний размер одного типового пакета в Интернете ~ 800 байт. И, соответственно, посчитаем какой максимальной скорости можно достичь в реальной сети при производительности 26 000 PPS: 800 байт * 26000 п/с = 166 400 000 бит ≈ 159 Мбит/с

Как видите - значение далеко от 220 Мбит/с. А теперь наложите на это число все факторы описанные ранее, ведь совсем идеальных условий не бывает, и можете, примерно, представить какую реальную скорость можно получить от заявленных 220 Мбит/с. Или соврал производитель? Нет. Просто читая рекламу мы часто вырываем факты из общей картины и хотим "чудо-эффекта" там, где его и не обещают.

В качестве примера нашей невнимательности можно привести то, что большинство синтетических тестов с использованием стендов выполняется для пакета размером 1500 байт (максимальный размер обычного Ethernet-фрейма). Это позволяет увидеть максимальную пропускную способность, но при проектировании реального канала мы часто забываем сделать на это соответствующую поправку.

Рсачет правильных характеристик для каналов точка-точка

Как вывод, отметим следующее: при проектировании радио-каналов (не только точка-точка) обязательно закладывайте серьезный запас. Если вы посчитали, что вам "должно хватить" антенны с усилением 25 dBi то, скорее всего, желаемый вами результат будет только при использовании 30 dBi; если необходима гарантированная пропускная способность ссылке 200 Мбит/с, то не покупайте устройства рассчитаны на 220 Мбит/с - необходимый запас, и так дальше. Не тратьте деньги зря. Если не можете определиться с оборудованием, то обратитесь за советом к профессионалам и вы сэкономите средства на обслуживании!

А для того, чтобы выполнить расчеты самостоятельно, читайте следующие статьи о планировании каналов с помощью популярного специализированного программного обеспечения на примере Cambium LinkPlanner и RadioMobile.