В продолжение поста Почему в WiMax и LTE используют OFDM. Автор разобрал практически все, осталась одна мелкая, но существенная деталь. Так как эта деталь затрагивает текущие стандарты Wi-Fi и обещает определенный прорыв в будущих, думаю, читателю будет интересно.
Давайте представим себе следующую ситуацию: у нас есть базовая станция (Wi-Fi или WiMax) на которой сидят 20 клиентов со, скажем, Skype. Кажый клиент ведет видеоконференцию (двунаправленную, unicast) которой требуется, скажем, 1Мб/с полосы пропускания и задержка не более 150мс.
Номальная точка доступа Wi-Fi 802.11n позволяет эффективно передавать (throughput, не datarate) от 150 Мб/с на радио и поддерживает 802.11e QoS для эффективной передачи мультимедийного трафика. WiMAX позволяет получить около 30Мб/с downlink и 20Мб/с uplink на канал. Итого, полоса пропускания на клиента Wi-Fi: 150/20 = 7.5Мб/с (в 7.5 раз больше, чем требуется); полоса пропускания на клиента WiMax: 1.5Мб/с downlink и 1Мб/с uplink. Внимание, вопрос: на какой технологии Skype будет работать «ровнее»?
Как ни странно, Wi-Fi при огромном преимуществе в полосе пропускания будет работать хуже. И чем больше будет клиентов — тем выгоднее (до определенного уровня, естественно) будет смотреться WiMAX. Связано это с одной определенной оптимизацией работы OFDM в WiMAX.
Важно помнить, что OFDM — технология мультиплексирования, т.е. уплотнения. OFDM делит сигнал на поднесущие, которых может быть много. В Wi-Fi по всем поднесущим передаются составляющие одного и того же потока данных: т.е. уплотнение используется для избыточности. Так сложилось по ряду технических и исторических причин. Таким образом, в один момент времени точка доступа Wi-Fi может обслуживать только одного клиента (не считая multicast/broadcast), даже со всем последними новомодными MIMO, Spatial Mutiplexing и Beamforming. При передаче по «трубе» в 150Мб/с потока данных, поступающего, скажем, из Интернет со скоростью 1Mб/с, у нас простаивает 149.150 ~= 99.3% полосы пропускания. И обидно то, что если у нас есть 20 клиентов, то точка доступа будет обслуживать их по-очереди с той же самой ужасающей эффективностью в 0.7%. Если для 802.11a/g с максимальной пропускной способностью в районе 26-29Мб/с это еще было нормально, то для 802.11n с его потенциально возможными теоретическими 300Мб/с+ при 4x4:4 MIMO это уже совсем нехорошо.
WiMax, подходит к вопросу несколько иначе. Во-первых, поднесущих больше. А во-вторых — разные поднесущие могут параллельно нести данные для разных клиентов! Таким образом в нашей ситуации со Skype клиенты будут передавать/принимать данные все вместе — параллельно — а не последовательно, как в Wi-Fi. Эта технология называется MU-MIMO (Multi-User MIMO), в отличие от SU-MIMO (Single User), используемой в Wi-Fi. Таким образом, эффективность использования полосы пропускания по всей ячейке заметно возрастает. Конечно, на самом деле все не так просто — требуется более сложный протокол (как дать клиенту знать, какие поднесущие — его?), более сложная обработка сигналов (удорожание клиентского и базового оборудования), контроль роуминга, да и сама технология MU-MIMO использует не только разделение поднесущих OFDM по пользователям. Но все это достижимо, хоть и лежит за рамками этого короткого поста.
Теперь вернемся к нашим реалиям. Сегодня у многих дома есть по 3-4 и более Wi-Fi устройств. Некоторые крупные компании заявляют, что собираются воткнуть Wi-Fi модуль вообще в каждую единицу бытовой техники (непонятно, правда, зачем это нужно, и почему не использовать ZigBee или BT4.0). Большинству из этих устройств не нужны десятки и сотни мегабит пропускной способности, не нужна минимальная задержка, но из-за SU-MIMO они будут портить жизнь другим. И чем больше устройств — тем больше проблем. Хорошей новостью является то, что будуший стандарт 802.11ac «WiGig» будет поддерживать MU-MIMO. Плохой новостью является очередной плановый апгрейд, но в условиях короткого жизненного цикла современных потребительских устройв — who cares? :)
Давайте представим себе следующую ситуацию: у нас есть базовая станция (Wi-Fi или WiMax) на которой сидят 20 клиентов со, скажем, Skype. Кажый клиент ведет видеоконференцию (двунаправленную, unicast) которой требуется, скажем, 1Мб/с полосы пропускания и задержка не более 150мс.
Номальная точка доступа Wi-Fi 802.11n позволяет эффективно передавать (throughput, не datarate) от 150 Мб/с на радио и поддерживает 802.11e QoS для эффективной передачи мультимедийного трафика. WiMAX позволяет получить около 30Мб/с downlink и 20Мб/с uplink на канал. Итого, полоса пропускания на клиента Wi-Fi: 150/20 = 7.5Мб/с (в 7.5 раз больше, чем требуется); полоса пропускания на клиента WiMax: 1.5Мб/с downlink и 1Мб/с uplink. Внимание, вопрос: на какой технологии Skype будет работать «ровнее»?
Как ни странно, Wi-Fi при огромном преимуществе в полосе пропускания будет работать хуже. И чем больше будет клиентов — тем выгоднее (до определенного уровня, естественно) будет смотреться WiMAX. Связано это с одной определенной оптимизацией работы OFDM в WiMAX.
Важно помнить, что OFDM — технология мультиплексирования, т.е. уплотнения. OFDM делит сигнал на поднесущие, которых может быть много. В Wi-Fi по всем поднесущим передаются составляющие одного и того же потока данных: т.е. уплотнение используется для избыточности. Так сложилось по ряду технических и исторических причин. Таким образом, в один момент времени точка доступа Wi-Fi может обслуживать только одного клиента (не считая multicast/broadcast), даже со всем последними новомодными MIMO, Spatial Mutiplexing и Beamforming. При передаче по «трубе» в 150Мб/с потока данных, поступающего, скажем, из Интернет со скоростью 1Mб/с, у нас простаивает 149.150 ~= 99.3% полосы пропускания. И обидно то, что если у нас есть 20 клиентов, то точка доступа будет обслуживать их по-очереди с той же самой ужасающей эффективностью в 0.7%. Если для 802.11a/g с максимальной пропускной способностью в районе 26-29Мб/с это еще было нормально, то для 802.11n с его потенциально возможными теоретическими 300Мб/с+ при 4x4:4 MIMO это уже совсем нехорошо.
WiMax, подходит к вопросу несколько иначе. Во-первых, поднесущих больше. А во-вторых — разные поднесущие могут параллельно нести данные для разных клиентов! Таким образом в нашей ситуации со Skype клиенты будут передавать/принимать данные все вместе — параллельно — а не последовательно, как в Wi-Fi. Эта технология называется MU-MIMO (Multi-User MIMO), в отличие от SU-MIMO (Single User), используемой в Wi-Fi. Таким образом, эффективность использования полосы пропускания по всей ячейке заметно возрастает. Конечно, на самом деле все не так просто — требуется более сложный протокол (как дать клиенту знать, какие поднесущие — его?), более сложная обработка сигналов (удорожание клиентского и базового оборудования), контроль роуминга, да и сама технология MU-MIMO использует не только разделение поднесущих OFDM по пользователям. Но все это достижимо, хоть и лежит за рамками этого короткого поста.
Теперь вернемся к нашим реалиям. Сегодня у многих дома есть по 3-4 и более Wi-Fi устройств. Некоторые крупные компании заявляют, что собираются воткнуть Wi-Fi модуль вообще в каждую единицу бытовой техники (непонятно, правда, зачем это нужно, и почему не использовать ZigBee или BT4.0). Большинству из этих устройств не нужны десятки и сотни мегабит пропускной способности, не нужна минимальная задержка, но из-за SU-MIMO они будут портить жизнь другим. И чем больше устройств — тем больше проблем. Хорошей новостью является то, что будуший стандарт 802.11ac «WiGig» будет поддерживать MU-MIMO. Плохой новостью является очередной плановый апгрейд, но в условиях короткого жизненного цикла современных потребительских устройв — who cares? :)