Технология beamforming что это

Beamforming – что это в роутере?

ВОПРОС! Всем привет. Скажите, пожалуйста, а что такое Beamforming? На роутере наклеена подобная надпись, но не понимаю, что это.

БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это формирование направленного луча радиосигнала по Wi-Fi. Если говорить грубо, то роутер примерно понимает, где находится ваш ноутбук, телефон, планшет или даже телевизор, формирует концентрированный направленный сигнал в этом направлении, и клиентское устройство принимает лучший сигнал. А как мы знаем, чем лучше идет сигнал, тем больше скорость обмена данными. Данная технология впервые в работоспособном виде появилась в WiFi стандарте 802.11ac. А теперь более подробно про саму технологию ниже в статье.

Как работает технология?

Начнем с того, что сама технология впервые появилась в стандарте 802.11n, но была проблема в том, что каждый производитель своего оборудования по-своему её реализовывал с разными алгоритмами. И как итог – она могла работать только между устройствами одного производителя. И уже с выходом 802.11ac данная технология заработала как надо, так как появился один всеобщий стандарт. Даже сейчас стандарт 802.11n еще остается достаточно популярным, но вот TX Beamforming на нем работает только в очень редких случаях.

Beam forming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет за счет нескольких антенн передавать данные на несколько устройств одновременно. И вот MIMO уже появился при стандарте 802.11n.

MIMO позволяет создавать несколько потоков и по ним одновременно передавать данные. Есть два вида MIMO:

В скором времени вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии у роутера сразу нескольких антенн – то есть данные с каждой антенны передаются на одно конкретное устройство. Это достаточно удобно, ведь теперь не нужно ждать очереди, чтобы получить доступ к сети и интернету. У MU-MIMO есть схемы:

Если у роутера 3 антенны, и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно общаться сразу с 3-мя устройствами.

Transmit Beamforming использует сразу несколько антенн, для того, чтобы понять примерно расположение устройства в пространстве. На сам деле каждая антенна транслирует радиосигнал равномерно во все направления – тут ничего не поделаешь. И тут встает вопрос – как можно усилить и улучшить сигнал в конкретном место, там, где находится телефон, планшет или ноутбук?

На помощь нам приходит физика и понятие интерференции. Интерференция – это когда при наложении двух волн, мы видим, что в одном месте идет усиление колебания и сигнал становится лучше, а в другом колебания становятся слабее и сигнал ухудшается.

Давайте посмотри на примере. У нас есть роутер с двумя антеннами. Каждая антенна начинает испускать радиоволны. И есть два клиента. Пассивный клиент – это тот, который ждет своей очереди, то есть в данный момент времени информация на него не передается, и он ничего не принимает.

Активный клиент – это тот клиент, который принимает данные от роутера в данный момент времени. Beamforming работает таким образом:

На картинке выше активен 1-ый клиент, и антенны подстраивают радиоволны таким образом, чтобы в месте, где находится устройство, была максимальная интерференция и наложение двух волн, исходящих от двух антенн.

Потом второе устройство становится активным (смотрим на картинку ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.

Но не забываем, что не один роутер участвует в анализе расположения клиентских устройств. Сам клиент выступает главным звеном нашей задачи. Получается такая схема:

Но это мы рассмотрели схему, при которой оба устройства поддерживают Beamforming. В таком случае считается, что луч формируется явно (implicit Beamforming, iBF). Если же клиентское устройство не поддерживает эту технологию, и не может передать лист с данными о приеме Channel State Information (CSI), то маршрутизатор все равно пытается примерно понять, где расположено устройство на основе принятых данных от клиента, а также оценивает канал связи.

Так называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В интернете можно встретить огромное множество комментариев по поводу того, что данная технология является просто маркетинговым ходом. Но на деле она сильно увеличивает качество связи и скорость передачи данных.

Beamforming в теории может обнулять помехи, за счет отправки в сторону источника помех определенного сигнала, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.

Напомню, что активно данная технология используется в Wi-Fi 6-го поколения – про него можете подробно почитать тут. Также если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую почитать дополнительные материалы:

Видео

Источник

Что такое Beamforming

Формирование луча одно из тех понятий, которое кажется настолько простым, что удивляешься, почему раньше никто про это не думал. Вместо того, чтобы транслировать сигнал во все стороны в надежде, что он достигнет пункта назначения, почему бы не сфокусировать этот сигнал, и не направить его прямо в цель?

Иногда самые простые понятия являются наиболее сложными для реализации, особенно в начальном ценовом диапазоне (SOHO сегмент). Начиная с пятого поколения Wi-Fi (802.11ac) эта функция, наконец, появилась в домашних маршрутизаторах.

История развития Beamforming

Немного предыстории: формирование луча было на самом деле дополнительной функцией более старого стандарта 802.11n, но IEEE (международный орган, который устанавливает эти стандарты) не разъяснил, как именно это должно было быть реализовано. И могло получиться так, что вы купили роутер, и он использует одну реализацию, а Wi-Fi адаптер в вашем ноутбуке использует другую, в этом случае формирование луча не заработает.

Некоторые производители разрабатывали свои комплекты 802.11n, но они, как правило, были дорогими и не пользовались широким спросом на рынке.

Формирование луча фокусирует сигналы, которыми обмениваются Wi-Fi маршрутизатор и клиенты, с которыми он связан.

Формирование луча способствует более эффективному использованию полосы пропускания беспроводной сети и увеличивает радиус ее действия. Это, в свою очередь улучшает потоковую передачу видео, качество голоса и работу других приложений, чувствительных к пропускной способности, задержке и джиттеру.

Beamforming стал возможным благодаря передатчикам и приемникам, которые используют технологию MIMO (множественный вход, множественный выход): данные отправляются и принимаются с использованием нескольких антенн для увеличения пропускной способности и дальности. MIMO был впервые представлен стандартом 802.11n, и он остается важной функцией стандарта 802.11ac и 802.11ax. MIMO может работать по схеме 1×1, 2×2 и 3×3, последний означает поддержку 3-х пространственных потоков для передачи и приема.

Как работает формирование луча

Беспроводные маршрутизаторы (или точки доступа) и беспроводные адаптеры, которые не поддерживают формирование луча, ведут широковещательную передачу данных во всех направлениях. Представьте лампу без абажура в качестве беспроводного маршрутизатора: лампа (передатчик) излучает свет (данные) во всех направлениях.

Устройства, поддерживающие формирование луча, фокусируют свои сигналы на каждом клиенте, ведя передачу данных таким образом, чтобы больше данных достигало целевого устройства, а не излучалось в пространство. Теперь установим на лампу (беспроводной маршрутизатор) абажур, чтобы уменьшить количество света (данных), излучаемых во всех направлениях. Сделаем отверстия в абажуре, чтобы концентрированные лучи света перемещались в определенные места (ваши клиенты Wi-Fi) в комнате.

Если Wi-Fi клиент также поддерживает формирование луча, маршрутизатор и клиент могут обмениваться информацией об их соответствующих местоположениях, чтобы определить оптимальный путь прохождения сигнала. Устройство, которое формирует луч и его сигналы, называется beamformer, а любое устройство, которое принимает сформированные лучом сигналы, называется beamformee.

Сигналы, исходящие с антенн роутера откалиброваны с необходимым смещением фаз и амплитудой, и они испытывают конструктивную (усиливающую) интерференцию непосредственно в области приемной антенны абонентского оборудования, а в других направлениях проявляется деструктивная (гасящая) интерференция.

Роутер отправляет со всех своих антенн зондирующий сигнал клиенту. Клиент отвечает роутеру то, что он увидел и отправляет набор комплексной матрицы с параметрами местоположения, фазовым сдвигом и амплитудой сигнала.

Роутер вычисляет местоположение клиента, делает, если нужно поправки в сигнале и формирует узконаправленный главный лепесток в направлении от точки доступа к клиенту. А чем выше соотношение сигнал/шум на клиенте, тем выше модуляция и тем большей скорости можно достигнуть.

В чем разница между неявным и явным формированием луча?

Формирование луча может значительно повысить уровень сигнала устройств, которые фактически не поддерживают формирование луча, хотя и не так сильно, как это происходит на поддерживаемом устройстве.

Явное формирование диаграммы направленности означает, что луч формируется, только если устройство на другом конце поддерживает формирование луча (explicit Beamforming – eBF). В этом случае используются специальные калибровочные кадры от клиента. Поддержку eBF реализована в стандартах 802.11ac и ax.

Неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF) будет пытаться сформировать луч, даже если конечное устройство его не поддерживает. Это упрощенный вариант алгоритма eBF. Роутер оценивает канал связи на основании принятых данных от клиента. Точка доступа объявляет, на каких скоростях она может работать. Клиент в зависимости от параметров принятого сигнала отвечает, что он будет работать на такой-то скорости. Путем итераций точка доступа меняет скорость и фазовый сдвиг на антеннах, и смотрит, что ответит клиент. Если клиент повысил скорость, принимается решение что все хорошо. Так продолжается до тех пор, пока не будет установлена максимальная скорость со стороны клиента.

Технология Beamforming это еще один метод для улучшения скорости беспроводной сети, и используя ее совместно с MIMO можно получить очень хорошие результаты.

Источник

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.

Основы формирования луча

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

802.11ac vs 802.11n

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).

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

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

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.

Источник

Обзор технологии Wi-Fi

Wi-Fi остается одной из наиболее перспективных технологий беспроводной связи. Она стремительно развивается и принимает в себя новые беспроводные решения, позволяющие увеличить скорость передачи данных. Даже с развитием LTE-сетей, Wi-Fi не остается в стороне, а скорее получает дополнительную ветку развития, разгружая трафик в наиболее востребованных участках сети.

Wi-Fi для применения внутри помещений в рамках установленной законодательством мощности излучения не требует получения разрешения на использование частот. Кроме того, организация Wi-Fi-сети в условиях дома или небольшого офиса довольно проста, благодаря чему, зачастую, можно обойтись своими силами. Тем не менее, при проектировании сети с высокими требованиями к качеству связи, плотности покрытия и пропускной способности, как правило, прибегают к помощи специалистов. Развертывание Wi-Fi-сети занимает на порядок меньше времени по сравнению с прокладкой СКС до рабочих мест. Именно за простоту настройки, развертывания, относительную дешевизну и удобство, Wi-Fi по праву считают одной из перспективных и активно развивающихся технологий.

Требования к Wi-Fi-оборудованию описаны в наборе стандартов IEEE 802.11. С выпуском каждого нового стандарта, к 802.11 добавлялась буква, например, 802.11a/b/n и т.д. На сегодняшний день насчитывается несколько десятков разновидностей стандартов Wi-Fi. Не все стандарты были направлены на увеличение скорости передачи данных, некоторые из них затрагивают вопросы безопасности (например, 802.11i), другие включали описание работы роуминга (802.11r) и т.д.

В таблице ниже приведены стандарты беспроводной связи Wi-Fi, в которых производилось увеличение скоростей передачи данных:

При этом следует отметить, что не все перечисленные стандарты Wi-Fi служат для организации беспроводных локальных сетей как привычные нам роутеры, работающие в диапазонах 2.4 и 5 ГГц (стандарты 802.11 a/b/g/n/ac). Такие стандарты как 802.11ad и 802.11ay изначально планировалось выпустить для передачи данных на небольшие расстояния – от 1 до 10 метров – и, в перспективе, использовать их для организации высокоскоростных интерфейсов передачи данных, например для подключения мониторов к ПК и передачи изображения в формате 8K. Однако, в результате развития 5G-сетей и переходом в диапазон до 100 ГГц, устройства с поддержкой 802.11ad стали применяться для организации радиодоступа вне помещений (но для таких частот должны быть обеспечены условия прямой видимости).

Таким образом, у Wi-Fi большое будущее, которое позволит использовать данную технологию в совершенно разных приложениях. Несомненно, данная технология найдет свое место как в 5G-сетях, IoT-решениях, так и в VR-приложениях:

Применимость различных стандартов Wi-Fi

Частотные диапазоны Wi-Fi-сетей

Диапазон 2.4 ГГц

Большинство обычных клиентских маршрутизаторов и бытовых Wi-Fi-устройств работает в двух частотных диапазонах: 2,4 ГГц (802.11 b/g/n) и 5 ГГц (802.11 a/n/ac).

В диапазоне 2,4 ГГц стандартами определено 14 каналов. Некоторые из них могут быть недоступны в ряде стран (например, 14 канал разрешен для использования только в Японии). Каналы с номерами 1, 6 и 11 считаются полностью не пересекающимися по частотам и называются, как ни странно, «непересекающимися». Но на деле всегда остается «неучтенка», и если точки доступа расположены достаточно близко друг к другу, то и непересекающиеся каналы становятся пересекающимися:

Каждый канал занимает ширину в 20 МГц. В некоторых случаях, стандартами разрешено использовать ширину канала равную 40 МГц (см. раздел Агрегация каналов). Номера каналов и их центральные частоты приведены на рисунке.

Каналы Wi-Fi в диапазоне 2.4 ГГц

Использование непересекающихся каналов удобно в том случае, когда требуется организовать равномерное радиопокрытие таким образом, чтобы рядом расположенное оборудование не мешало друг другу, увеличивая тем самым стабильность и качество связи:

Одним из недостатков диапазона 2,4 ГГц является его высокая загруженность и малое количество каналов. Помехи для Wi-Fi-сети могут создавать не только другие Wi-Fi-устройства и точки доступа, но и Bluetooth-устройства, работающие в этом же частотном диапазоне. Даже обычная бытовая СВЧ-печь способна очень сильно влиять на качество соединения в диапазоне 2,4 ГГц. Для минимизации взаимных влияний мощность Wi-Fi-передатчиков строго ограничена и регламентирована. Использование мощного передатчика требует получения разрешения в радиочастотном центре.

Более перспективным, с точки зрения меньшей загруженности и наличия большего числа каналов, является частотный диапазон 5 ГГц.

Диапазон 5 ГГц

В частотном диапазоне 5 ГГц доступно 23 неперекрывающихся канала по 20 МГц. Можно даже отметить, что 5-гигагерцовый диапазон состоит только из неперекрывающихся каналов, так как на такой частоте перекрытие создает существенные коллизии. Здесь уже можно использовать не только ширину 20/40 МГц, но и каналы шириной в 80 МГц (основной + вспомогательный). Ниже изображено расположение каналов в диапазоне 5 ГГц:

Под агрегацией следует понимать логическое объединение нескольких параллельных каналов передачи в один. Стандартами допускается использование полосы пропускания 40 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. В диапазоне 5 ГГц ширина каналов может быть увеличена до 40, 80, 160 МГц с занятием частот соседних каналов для увеличения пропускной способности сети:

Это и называется агрегированием. В случае использования широкой полосы пропускания, стабильность соединения может снижаться в силу взаимных влияний различных сетей друг на друга. Однако, несомненно, увеличение ширины канала позволяет многократно увеличить скорость передачи данных.

Технологии, применяемые в оборудовании Wi-Fi

В этом разделе приводится описание технологий, которые нашли применение в беспроводных сетях стандарта 802.11 и позволили многократно увеличить скорости передачи данных – MIMO и Beamforming.

Технология MIMO оказала большое влияние на развитие Wi-Fi. Буквально несколько лет назад никто не думал о том, что будут существовать беспроводные устройства с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду. Возникновение новых скоростных стандартов связи, в том числе 802.11n произошло во многом благодаря MIMO.

Наиболее простое определение, которое можно дать технологии MIMO – это многопотоковая передача данных. Аббревиатура переводится с английского как «несколько входов, несколько выходов». В отличие от своего «родителя» (Single Input / Single Output), в устройствах с поддержкой MIMO сигнал передается на одном радиоканале с помощью нескольких приемников и передатчиков.

Как только технология беспроводной передачи данных Wi-Fi начала пользоваться большим спросом, быстро стали возрастать и требования к скорости. Впервые технология MIMO появилась в стандарте 802.11n, который дал возможность увеличить канальную скорость беспроводного соединения с 54 Мбит/сек до 600 Мбит/сек. Стандарт 802.11n дает возможность применять как стандартную ширину канала в 20 МГц, так и использовать широкополосную линию в 40 МГц. Таким образом можно получить в несколько раз увеличенную пропускную способность каналов, которые используются в данный момент. С помощью объединения MIMO с более широкой полосой пропускания канала, получается достаточно мощный способ повышения физической скорости передачи.

Типы MIMO

Для различного количества пользователей, между которыми в одно и тоже время идет передача данных, существует два типа технологий:

Разница между технологиями SU и MU-MIMO

Особенности технологии

До появления стандарта 802.11ax, технология MU-MIMO работала только в диапазоне 5 ГГц. С появлением 802.11ax MU-MIMO стала доступной и на 2.4 ГГц. В продаже сетевого оборудования появляется все больше двухдиапазонных маршрутизаторов с поддержкой данной технологии.

MU-MIMO использует технологию Beamforming. Благодаря ей, сигналы распространяются не хаотично, а в направлении беспроводного устройства. Эта направленность позволяет увеличить дальность сигнала и повысить скорость передачи данных.

К сожалению, невозможно обслуживать бесконечное количество пользователей и потоков данных. Например, роутер с поддержкой трех потоков может одновременно работать только с тремя Wi-Fi-устройствами без задержек.

Чтобы пользоваться преимуществами метода, принимающее устройство должно иметь поддержку MU-MIMO. В данном случае, достаточно одной антенны и пользовательское устройство примет поток данных от роутера.

Компании, выпускающие смартфоны, роутеры, точки доступа и другие сетевые устройства уже заложили в них поддержку технологии. Как гарантируют производители, во многих современных устройствах, они учли также аппаратные требования для поддержки MU-MIMO, и теперь достаточно обновить ПО на своем гаджете, и пользователь получит поддержку данной технологии.

Сигнал, который передается с помощью архитектуры MU-MIMO, сложно перехватить, что повышает безопасность беспроводной сети.

На первых этапах развития технологии существовала трудность совмещения устройств, работающих с поддержкой MIMO и без нее. Однако на данный момент это уже не так актуально – практически каждый современный производитель беспроводного оборудования использует ее в своих устройствах. Также, одной из проблем при появлении технологии передачи данных с помощью нескольких приемников и нескольких передатчиков, являлась цена устройства.

Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий сигналов и множество других источников радиопомех, работающих в нелицензируемом диапазоне частот 2.4 и 5 ГГц.

Следует отметить, что главной сложностью при внедрении beamforming в устройства является сложность настройки антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. В недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является лишь маркетинговым ходом. Сильно повысить стабильность приема в отдаленных участках помещения не получится. Beamforming стал частью стандарта, начиная с 802.11ac, во втором поколении этих устройств (wave 2).

MCS в Wi-Fi сетях

Чем выше индекс MCS, тем «сложнее» вышеперечисленные параметры передачи. Значение индексов MCS для различных стандартов Wi-Fi приводится в таблице ниже. В расширенной виде с таблицей MCS можно ознакомиться по ссылке.

Источник