Реальна пропускна здатність радіоканалів "точка-точка"

Те саме відбувається, коли читаємо чергову новину про "революційну точку доступу для побудови радіо-каналів з пропускною здатністю 300 Мбіт/с, затримкою 1 мс і дальністю 100 км". Тому, давайте спробуємо розібратися, які фактори формують справжні параметри радіо-каналів і де лежить межа між рекламою та реальними робочими характеристиками.

Перше, що потрібно пам'ятати - при передачі даних через бездротові мережі неможливо гарантувати стабільну роботу в якомусь режимі, в принципі. Тому обіцянки виробника обладнання необхідно розглядати крізь призму тих умов, у яких це обладнання використовуватиметься.

Головні фактори, що впливають на якість зв'язку

Розглянемо головні фактори, які можуть впливати на якість зв'язку, які не залежать від обладнання та які можуть змінюватися в дуже широких рамках:

1. природні. Атмосферна волога (опади, тумани, зледеніння тощо), вітрове навантаження, електромагнітні поля природного походження.

2. Антропогенні. Електромагнітна забрудненість (радіоперешкоди).

3. Особливості монтажу. Якість регулювання антен, забезпечення належної ізоляції від сторонніх випромінювачів, якість та втрати Особливості траси. Фізичні перешкоди по дорозі сигналу.

І кожен із цих факторів може звести нанівець усі характеристики, зазначені в інструкціях виробниками. Для того, щоб було зрозуміліше, розглянемо загалом, простий приклад передачі даних по радіо-каналу і те, як на цей процес можуть вплинути зазначені вище фактори.

1. При надходженні Ethernet-фрейму до порту передавального пристрою він розміщується в буфер.

2. Залежно від того, чи дозволена і необхідна агрегація фреймів, дані, що знаходяться в буфері, або передаються в радіоефір, або чекають заповнення буфера до зазначеного у властивостях агрегації розміру.

3. Відбувається вибір модуляції передачі, залежно від поточних умов каналу чи заданих параметрів.

4. Дані передаються в ефір.

5. Очікується підтвердження від пристрою на іншій стороні отримання кадру. Якщо воно не надходить, відбувається повторна передача цих даних, але з використанням меншої модуляції. Процес повторюється до тих пір, поки не отримає підтвердження або планувальник роботи радіо інтерфейсу не вважатиме цей пакет "втраченим".

6. Відповідно, пристрій-приймач отримує дані та спрямовує підтвердження.

7. Дані передаються в Etehrnet-порт приймаючого пристрою.

Від чого залежить швидкість передачі

У різних стандартах передачі даних, виробників та пристроях ці процедури можуть відрізнятися, але загальні риси залишаються. Отже, від чого залежить, власне, швидкість? За грубим розрахунком можна вважати, що від модуляції, яка використовується для передачі даних, кількості необхідних повторних передач та кількості пакетів даних, які пристрій може фізично передати за 1 секунду (Packet Per Second, PPS).

Значення PPS переважно є постійним і залежить від апаратного забезпечення та алгоритмів роботи планувальника радіо-інтерфейсу. А ось, модуляція та повторні передачі – це саме те, на що впливають зовнішні чинники. А саме:

1. Стан атмосфери істотно впливає рівень сигналу. Чим більше в ній вологи – тим більше розсіюватиметься сигнал. Для різних діапазонів сила дії суттєво відрізнятиметься, але вплив залишатиметься. Чим нижчий рівень сигналу, тим на меншій модуляції працюватимуть пристрої і тим більшу потужність передавача потрібно використовувати - відповідно, збільшується і тепловий шум від його роботи, що створює перешкоди.

При сильному вітрі і великій парусності антени вона починає вібрувати і відхилятися, через що рівень сигналу стрибає і не дає можливості алгоритмам, які керують роботою планувальника визначити кращу модуляцію для роботи в автоматичному режимі. Це зумовлює збільшення кількості повторних передач. Рівень природного електромагнітного тла, як правило, впливає на якість зв'язку, але не так сильно.

2. Радіоперешкоди. Чим вище рівень сторонніх сигналів, тим менше на їх тлі виділятиметься необхідний. При досягненні певної мінімальної межі стають недоступними високі модуляції. Ця інформація зазвичай вказується виробником.

3. Від точності налаштування антени залежить рівень сигналу, від якості та правильного вибору сполучних компонентів та їх монтажу залежить якість проходження сигналу у високочастотному ефірі. Наприклад, при попаданні води в погано герметизований роз'єм на антені, можлива ситуація коли сигнал спрямовується настільки спотвореної форми, що протилежна сторона навіть за достатньої його сили не може розібрати вміст.

4. Фізичні перешкоди на шляху сигналу можна розділити на ті, які не змінюють свого впливу на сигнал з часом - постійні: наприклад, конструкції, будівлі, рельєф; і ті, вплив яких може змінюватися - непостійні: листя дерев, лінії електропередач тощо. Перші впливають рівень сигналу і, як результат, вибір максимальної модуляції, а другі вносять нестабільність в канал, зменшують модуляцію і збільшують кількість повторних передач сигналу.

Як видно, у кожний момент часу на радіоканал впливає багато факторів, які, накладені один на одного, можуть суттєво знижувати його максимальні характеристики.

Збільшення розміру пакета та навантаження на PPS

А тепер згадаємо ще про одне – PPS. Припустимо, що у нас ідеально налаштований радіо-канал з серйозним запасом сигналів, який працює тільки на найвищих модуляціях. Канал базується на пристроях, і згідно заяв виробника забезпечують швидкість 220 Мбіт/с з пакетною продуктивністю 26000 PPS. І тут варто згадати, що це – максимальні межі!

Тобто читати як: "не більше 220 Мбіт/м" та "не більше 26000 PPS". Чому це важливо? Проведемо нескладні розрахунки: Розмір пакету, при якому можна досягти продуктивності 26000 PPS при швидкості 220 Мбіт/с: 220 Мбіт/с / 26000 п/с = 27,5 Мбайт/с

Відповідно, при збільшенні розмір пакета - навантаження по PPS падає, але що більше пакет, то довше він передається і тим вище шанси те що, що у передачі буде дію, вплив якого його зашкодить. Відповідно шанси на збільшення кількості повторних передач. Але технічно смуга може використовуватися на всі заявлені 220 Мбіт/с.

Але пригадаємо, що середній розмір одного типового пакета в Інтернеті ~800 байт. І, відповідно, порахуємо яку максимальну швидкість можна досягти в реальній мережі при продуктивності 26 000 PPS: 800 байт * 26000 п/с = 166 400 000 біт ≈ 159 Мбіт/с

Як бачите – значення далеко від 220 Мбіт/с. А тепер накладіть на це число всі фактори, описані раніше, адже зовсім ідеальних умов не буває, і можете, приблизно, уявити яку реальну швидкість можна отримати від заявлених 220 Мбіт/с. Чи збрехав виробник? Ні. Просто читаючи рекламу ми часто вириваємо факти із загальної картини та хочемо "чудо-ефекту" там, де його й не обіцяють.

Як приклад нашої неуважності можна навести те, що більшість синтетичних тестів із використанням стендів виконується для пакета розміром 1500 байт (максимальний розмір звичайного Ethernet-фрейму). Це дозволяє побачити максимальну пропускну спроможність, але при проектуванні реального каналу ми часто забуваємо зробити відповідну поправку.

Розраховує правильні характеристики для каналів точка-точка

Як висновок, зауважимо наступне: при проектуванні радіо-каналів (не лише точка-точка) обов'язково закладайте серйозний запас. Якщо ви порахували, що вам "повинно вистачити" антени з посиленням 25 dBi, то, швидше за все, бажаний вами результат буде тільки при використанні 30 dBi; якщо необхідна гарантована пропускна спроможність на посиланні 200 Мбіт/с, то не купуйте пристрої розраховані на 220 Мбіт/с - необхідний запас, і так далі. Не витрачайте даремно. Якщо не можете визначитися з обладнанням, зверніться за порадою до професіоналів і ви заощадите кошти на обслуговуванні!

А для того, щоб виконати розрахунки самостійно, читайте наступні статті про планування каналів за допомогою популярного спеціалізованого програмного забезпечення на прикладі Cambium LinkPlanner та RadioMobile .