Радиотехнологии в MikroTik

Среди инженеров в сфере сетевых технологий зачастую есть негласное разделение на тех, кто занимается беспроводными и проводными сетями. Такое разделение неслучайно, т.к. беспроводные технологии подразумевают множество нюансов, связанных с физикой процессов, тогда как инженеры, обслуживающие проводные сети, чаще оперируют понятиями логических абстракций, работая на более высоких уровнях модели сетевого взаимодействия. В этой статье мы сконцентрируемся на физическом уровне и логике его организации.

Прежде всего, рассматривая физический уровень, введём базовое понятие электромагнитной волны и её основные характеристики:

Пример колебательного процесса

Колебание — процесс изменения одного или нескольких параметров системы, периодически повторяющийся во времени. Частным случаем колебания является электромагнитная волна, у которой периодически изменяются значения напряжённости электрического и магнитного полей.

Амплитуда — значение максимального отклонения параметра от равновесного состояния. В контексте статьи мы будем говорить об амплитуде напряжения сигнала

Фаза — значение колебательной величины в заданный момент времени.

Период — временной интервал между двумя значениями колебательной величины, находящихся в одной фазе.

Длина волны — расстояние между двумя значениями колебательной величины, находящихся в одной фазе.

Частота — количество периодов колебаний в единице времени. Частота может быть выражена через скорость света и длину волны, таким образом, в беспроводных системах понятие частоты и длины волны равнозначны и выбор параметра, используемого для описания характеристик системы, является личным выбором каждого. Тем не менее, говоря о частотных диапазонах 2,4, 5, 60 ГГц, которые будут рассматриваться в данной статье, сообщество использует понятие частоты сигнала.

Параметры представленной волны постоянны во времени. В случае, если передающая сторона будет генерировать такой сигнал, то приёмник сможет предсказать состояние такого сигнала в любой момент времени в будущем, т.е. такая волна не несёт информации. Для того, чтобы волна смогла переносить информацию, один или несколько её параметров должны изменяться в соответствии с потоком данных. Такой процесс называется модуляцией и выделяют следующие виды модуляций:

• Амплитудная модуляция (АМ): в соответствии с потоком данных изменяется амплитуда колебания.
• Частотная модуляция (ЧМ): в соответствии с потоком данных изменяется частота колебания.
• Фазовая модуляция (ФМ): в соответствии с потоком данных изменяется фаза колебания.
• Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ): в соответствии с потоком данных изменяется амплитуда и фаза колебания.

Также выделяют подвиды для каждой из модуляций, например относительная фазовая модуляция, но чаще всего в цифровых системах связи используется КАМ.

Аппаратная реализация приёмо-передающих трактов не позволяет создать устройства, работающие на произвольной частоте, поэтому каждый радиомодуль поддерживает фиксированный набор частот с фиксированным шагом. Однако, для некоторых беспроводных модулей, как мы посмотрим позже, RouterOS позволяет переопределять частотную сетку.

Пример демонстрации аппаратных возможностей радиомодуля для RB951Ui-2HnD

Модулированный сигнал можно представить как сумму нескольких сигналов с различными параметрами, поэтому любой сигнал, содержащий информацию, занимает не одну фиксированную частоту, а полосу частот. Между полосой и объёмом передаваемым данных есть прямая зависимость, т.е. в полосе 40 МГц можно передать больше данных, чем в полосе 20 Мгц, используя одну и ту же модуляцию.

Зависимость между уровнем сигнала и его частотой называют частотным спектром, пример которого можно увидеть ниже:

Пример анализа спектра с помощью The Dude

По оси абсцисс отложены значения частоты, а по оси ординат – уровни сигналов, зафиксированные на этих частотах. На приведённой иллюстрации видно, что максимальные уровни сигналов фиксируются на уровне -75 dBm, причём это кратковременные всплески, т.к. они отсутствуют в средних значениях за всё время измерения, но присутствуют как пиковые за последние 10 секунд. Анализ спектра позволяет оценить занятость частотных каналов и выбрать наименее зашумлённый.

После формирования модулированного сигнала, он должен быть передан на приёмную сторону. Тракт, объединяющий приёмник и передатчик, называется средой распространения сигнала или радиотрактом. Чаще всего в качестве среды распространения выступает воздушное пространство.

Среда имеет аналоговый характер и за передачу сформированного сигнала в среду отвечает антенна, преобразующая модулированный сигнал в направленное электромагнитное поле. Подробно характеристики антенн рассматриваются ниже.

Одновременно с вашей беспроводной системой в воздушном пространстве функционируют другие системы, которые используют эту же среду, поэтому можно сказать, что среда является общей. Это накладывает определённые ограничения, т.к. сигналы двух и более систем могут накладываться друг на друга на приёмной стороне и мешать друг другу: как сигналы вашей системы будут влиять на соседнюю, так и соседняя будет влиять на работу вашей.

Волна, распространяемая в среде, обладает электрическими и магнитными свойствами. По направлению изменения вектора электрической напряжённости говорят о поляризации волны (см. рисунок ниже). Выделяют три вида поляризации: вертикальная, горизонтальная и круговая. Иногда можно встретить упоминание угловой поляризации, которая является частным случаем горизонтальной или вертикальной поляризаций, повернутых в пространстве на определённый угол.

Виды поляризации электромагнитных волн

Интересным явлением, которое используется в беспроводных системах, является возможность независимой передачи данных с использованием сигналов вертикальной и горизонтальной поляризаций, т.е. можно сформировать две электромагнитные волны разной поляризации на одной частоте и они не будет оказывать влияния друг на друга. Это позволяет увеличить скорость передачи данных в два раза.

Использование угловых модуляций позволяет кратно увеличивать пропускную способность системы, однако волны угловой поляризации будут оказывать влияние на волны вертикальной и горизонтальной поляризации.

Обратите внимание, что поддержка нескольких видов поляризации должна быть как со стороны беспроводных модулей, так и со стороны антенн на передающей и приёмной сторонах.

Как было сказано выше, основное предназначение антенн — преобразование модулированного сигнала, сформированного передатчиком, в направленную электромагнитную волну, т.е. антенна является шлюзом между проводным сегментом сети и беспроводной средой. Следует отметить, что антенна, установленная на приёмной стороне, выполняет обратную функцию, преобразовывая электромагнитную волну, распространяемую в среде, в сигнал, передаваемый в кабеле.

Антенна является пассивным устройством, формирующим электромагнитную волну в определённом направлении. Волна может быть сформирована в пространстве равномерно вокруг антенны или в конкретном направлении. В первом случае антенна называется всенаправленной (OMNI), а во втором — направленной.

Направленные свойства антенны отражены в её диаграмме направленности (ДН). Любая ДН является трёхмерной, однако для упрощения приводят ДН для вертикальной и горизонтальной плоскостей. На диаграмме направленности, как правило, выделяют основной, боковые и задний лепестки.

На рисунках ниже приведены примеры ДН для устройств OmniTIK 5 и mANT 15s. Устройство OmniTIK 5 позиционируется как устройство с круговой ДН: в горизонтальной плоскости (Azimuth) ДН близка к окружности, а в вертикальной (Elevation) похожа на «восьмёрку». Такие антенны могут быть использованы в ситуациях, когда необходимо обеспечить покрытие заданной небольшой территории, положение абонентов на которой может носить случайный характер. В частном случае абоненты могут быть мобильны.

ДН в вертикальной и горизонтальной поляризациях антенны устройства OmniTIK 5

На ДН устройства mANT 15s видно, что антенна формирует электромагнитную волну не равномерно в горизонтальной плоскости, а в заданном направлении. В спецификации говорится о ширине основного лепестка, равного 120 градусам, что согласуется с приведённой иллюстрации. В вертикальной плоскости также выражены направленные характеристики излучения – задний лепесток по сравнению с основным мал. Три антенны с такой ДН могут заменить антенну с круговой ДН, при этом повысится зона покрытия и ёмкость сети, но это потребует установки дополнительного оборудования.

ДН в вертикальной и горизонтальной поляризациях антенны устройства mANT 15s

Из ДН антенны можно вынести основные характеристики, полезные при проектировании беспроводных каналов связи:

• Коэффициент усиления антенны — показатель того, насколько больше энергии излучает антенна в направлении максимума основного лепестка по сравнению с идеальным изотропным излучателем. Поскольку антенна является пассивным устройством, она не усиливает сигнал, а перераспределяет его в пространстве, поэтому, чем выше направленные свойства антенны, тем выше её коэффициент усиления.
• Ширина основного лепестка — сектор в горизонтальной и вертикальной проекции ДН, в котором сосредоточена основная мощность излучаемого сигнала.
• Конструкция и габариты антенны влияют на её основные свойства, поэтому, наравне с беспроводным модулем, антенна обладает частотной избирательностью. На рисунке ниже представлена зависимость коэффициента усиления антенны от частоты сигнала для устройства OmniTIK 5. Для устройства заявлена поддержка частотного диапазона 5,150 — 5,875 ГГц, что подтверждается на частотных характеристиках антенны — в указанном диапазоне коэффициент усиления максимален, тогда как вне диапазона он сильно ниже.

Частотная избирательность антенны OmniTIK 5

Важной характеристикой антенн является их исполнение. На этапе проектирования и монтажа следует обратить внимание на массогабаритные показатели. Необходимо проработать метод крепления антенны и фидеров, учесть ветровую нагрузку и обеспечить защиту от внешних воздействий, например от наледи.

Антенны делятся на два больших класса по исполнению: интегрированные с устройством и внешние по отношению к устройству. Например, устройство cAP-2nD является точкой доступа с интегрированной антенной, т.е. антенна и плата размещены в одном корпусе. Зачастую для удешевления таких решений, антенны размещаются непосредственно на плате.

Устройство Groove 52 поставляется без антенны, что является преимуществом для некоторого класса задач, т.к. вы можете использовать антенны сторонних производителей, подходящие по характеристикам. Чаще всего в таких сценариях антенна и устройство соединяются высокочастотными (ВЧ) кабелями. Распространение сигнала по ВЧ-кабелю связано с его затуханием, поэтому следует стремиться к минимизации его длины. На практике не рекомендуется использовать кабели длиннее 2 метров. Для соединения устройства и кабеля используются ВЧ-разъёмы RPSMA.

На рисунке ниже приведены mANT 15s, BaseBox 5 и ВЧ-кабель. Устройство mANT 15s представляет собой секторную антенну, которая должна быть подсоединена с помощью ВЧ-кабелей к устройству с беспроводным модулем. В роли такого устройства может выступать BaseBox 5. Для реализации данного сценария потребуется два ВЧ-кабеля: один для вертикальной, другой — для горизонтальной поляризаций.

Устройства mANT 15s, BaseBox 5 и ВЧ-кабель

Многие современные антенны представляют собой набор приёмных и излучающих элементов, каждый из которых может быть рассмотрен как отдельная антенна. Существует несколько вариантов использования данной архитектуры, одним из которых является технология MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) является методом пространственного кодирования сигнала, позволяющим увеличить пропускную способность канала связи или повысить его надёжность.

Одним из вариантов реализации данной технологии является использование горизонтальной и вертикальной поляризаций, описанное выше. В этом случае пропускная способность увеличивается за счёт передачи разных потоков данных сигналами разных поляризаций и такой сценарий называется «MIMO 2x2», что означает использование двух потоков для передачи и двух потоков для приёма. Примером такого устройства является связка mANT 19s и BaseBox 5.

В качестве другого примера можно рассмотреть устройство RB4011iGS+5HacQ2HnD-IN (см. рисунок ниже). Устройство включает в себя 4 антенны, каждая из которых может организовывать независимый пространственный поток для приёма или передачи данных, таким образом устройство поддерживает схему MIMO 4x4.

Внешний вид RB4011iGS+5HacQ2HnD-IN

Следует иметь в виду, что технология MIMO может эффективно использоваться только в том случае, если одинаковое число пространственных потоков поддерживается как на передающей, так и на приёмной сторонах.

Использование нескольких пространственных потоков для реализации схемы MIMO контролируется программно со стороны RouterOS с помощью настройки цепочек (chain), что позволяет использовать избыточную архитектуру пространственных потоков не только для увеличения пропускной способности, но и для повышения надёжности данных. Для повышения надёжности можно отключить некоторые из цепочек, после чего мощность передатчика будет распределяться только между активными цепочками.

Режим, использующий пространственные потоки для повышения надёжности, а не пропускной способности, называется MISO (Multiple Input Single Output) или SISO (Single Input Single Output). В первом случае приём сигнала организован с помощью нескольких цепочек, а передача — с помощью одной, а во втором — для приёма и передачи используется один пространственный поток.

Раздел меню для управления цепочками для приёма и передачи данных

Для того, чтобы оценить число пространственных потоков, поддерживаемых устройством, достаточно проанализировать его продуктовый код. В продуктовом коде указываются поддерживаемые частотные диапазоны, стандарты и число цепочек приёма/передачи сигналов. Допускаются следующие литеры:

Число пространственных потоков для каждого из устройств MikroTik представлено по ссылке.

Электромагнитная волна, распространяемая в пространстве, представляет собой не прямой луч, а эллипсоид, размер которого зависит от дистанции между точками и частоты. Такой эллипсоид называется зоной Френелей. Выделяют несколько зон Френеля, отличающихся между собой размерами, но на практике чаще всего ограничиваются рассмотрением первой зоны Френеля, т.к. в ней сосредоточено более 90% энергии сигнала.

Пример изображения зоны Френеля представлен на рисунке ниже синим цветом. На рисунке представлен профиль трассы беспроводного канала связи между Point A и Point B.

Пример профиля трассы между Point A и Point B

На профиле трассы, помимо устройств и зоны Френеля, изображён естественный рельеф местности. На практике удобно учитывать на профиле трассы также преграды искусственного происхождения, например здания, однако крайне мало программ позволяют это сделать.

Пересечение зоны Френеля преградами естественного или искусственного происхождения влияет на радиопараметры и потенциальную возможность организации каналов связи. По этому критерию выделяют три состояния:

• LoS: прямая видимость между каналообразующими устройствами. В этом случае зона Френеля не имеет пересечений с преградами.
• nLoS: частичное пересечение зоны Френеля <50%. Производительность канала связи в такой ситуации будет существенно ниже LoS.
• NLoS: пересечение зоны Френеля более, чем на 50%. Чаще всего организация канала связи в такой ситуации невозможна или производительность канала будет на низком уровне.

Простейшим случаем получить LoS из nLoS и NLoS является перенос устройств в другое место (изменение рельефа местности) или изменение высоты подвеса устройств. Для канала связи, представленного выше, чтобы получить nLoS из NLoS пришлось поднять устройства Point A и Point B на 35 и 43 метра соответственно. Это достаточно большие высоты подвеса и на практике далеко не всегда получится реализовать такие проекты, либо стоимость такой реализации может быть существенной.

Как можно заключить из первых разделов статьи, организация беспроводных каналов связи является комплексным процессом, при котором необходимо учесть множество нюансов. Выполнить оценку потенциальной производительности каналов связи можно тремя основными способами:

• Расчёт бюджета канала связи вручную: данный метод оценки позволяет оценить уровень сигнала на приёмнике и оценить энергетический запас. Методика расчёта представлена ниже. Данный метод не учитывает характеристики местности, места установки оборудования: рельеф местности, пересечение зоны Френеля, переотражение сигнала, наличие помех и т.д.
• Расчёт бюджета канала связи в программных планировщиках: выполнить оценку производительности канала связи можно с использованием специализированного ПО. Приближение расчётных значений к фактическим определяется математической моделью, используемой в планировщике. Современные планировщики лишены недостатков, представленных в ручном методе. Компания MikroTik разрабатывает собственный вариант такого ПО, воспользоваться которым можно по ссылке. На рисунке ниже представлен пример расчёта канала связи с использованием MikroTik Wireless Calculator.
• Тестирование реального оборудования: самый честный способ оценки производительности является инсталляция оборудования и проведения тестирования. Недостаток данной методики очевиден: необходимо нести затраты на оборудование и выполнение монтажных работ.

На практике наиболее распространён метод расчёта потенциальной производительности с помощью программных планировщиков и ориентация на расчётные значения при инсталляции и эксплуатации каналов связи.

Пример использования MikroTik Wireless Calculator для оценки производительности

Расчёт бюджета канала связи может быть выполнен вручную с использованием следующей формулы: 

Pr = Pt – Lct + Gt – Lзат + Gr – Lcr, где

• Pr — уровень принимаемого сигнала, дБм;
• Pt — уровень сигнала на выходе передатчика, дБм;
• Lct и Lcr — потери на затухание в ВЧ-кабеле на передающей и приёмной сторонах соответственно, дБ. Именно из-за этой составляющей следует минимизировать длину ВЧ-кабеля и использовать качественные кабели с низким значением погонного затухания;
• Gt и Gr — коэффициент усиления передающей и приёмной антенн, дБи;
• Lзат — затухание сигнала при распространении в среде. Для воздуха оценить затухание можно по следующей формуле, дБ:

Lзат = 92,5 + 20lg(F*D), где

• F — центральная частота сигнала, ГГц;
• D — расстояние между устройствами, км.

Обратите внимание, что затухание сигнала при распространении в среде зависит от частоты, т.е. сигнал на частоте 60 ГГц будет затухать заметно сильнее, чем сигнал 5 ГГц. Кроме того, частотный диапазон 60 ГГц подвержен влиянию атмосферных осадков и организация каналов связи в дождь возможна только на небольшие дистанции.

Бюджет канала связи рассчитывается как разница между чувствительностью и уровнем принимаемого сигнала: в случае, если уровень сигнала будет ниже чувствительности, то организация канала связи невозможна. Рекомендуется закладывать запас по мощности в 10 дБ и выше.

В процессе эксплуатации канала связи помимо бюджета полезно опираться на набор следующих параметров:

• RSSI — уровень принимаемого полезного сигнала;
• SNR — отношение: сигнал–шум. Использование параметра RSSI без учёта SNR не является эффективным, т.к. абсолютный уровень полезного сигнала может быть велик, а уровень шумов ещё больше, т.е. организовать рабочий канал связи будет невозможно. В то же время руководствоваться только значением SNR неправильно, т.к. при значении RSSI ниже чувствительности приёмника, передача данных также будет невозможна;
• CINR — отношение: сигнал–помеха. Отношение SNR учитывает только уровень шумов и не учитывает влияние импульсных помех, тогда как они могут оказать влияние на процесс передачи данных;
• BER — частота битовых ошибок. Ошибки в радиоканале могут быть причиной помех, изменений среды и пр.;
• MCS — модуляционно-кодовая схема. Обмен данными в беспроводном канале связи может быть организован с использованием различных модуляционно-кодовых схем. Выбор схемы зависит от аппаратных возможностей радиомодуля и значений радиопараметров, указанных выше. Выбор MCS является компромиссом между надёжностью и скоростью передачи, т.к. высшие модуляции позволяет повысить производительность канала связи, но при этом повышается порог чувствительности и к параметрам сигнала (RSSI, CINR, BER) предъявляется больше требований. Хорошей практикой является использование адаптивного механизма выбора MCS: в этом случае при снижении радиопараметров устройства автоматически снизят MCS, но сохранят работоспособность канала связи, а как только радиопараметры восстановятся, устройства будут использовать наивысший из доступных MCS.

Значения радиопараметров для станции, подключенной к точке доступа

Список поддерживаемых MCS на точке доступа

После планирования канала связи можно приступать к инсталляции оборудования. Монтаж — важная составляющая процесса организации беспроводных каналов, поскольку ошибки, допущенные на этапе инсталляции могут привести к проблемам на этапе эксплуатации, устранение которых может быть затратным.

При монтаже следует руководствоваться общими требованиями и технической политикой предприятия, включающие следующие аспекты:

• организация электропитания на площадке: рекомендуется рассмотреть возможность резервирования электропитания с помощью двух и более независимых источников;
• размещение радиооборудования: оборудование должно быть смонтировано в соответствии с предварительным расчётом (необходимо соблюдать высоту подвеса при внешнем размещении оборудования или местоположение при внутреннем размещении устройств). Необходимо соблюдать требования к заземлению и грозозащите оборудования при внешнем размещении;
• кабельная трасса: кабель должен быть закреплён на протяжении всей трассы;
• размещение оборудования в помещении: рекомендуется рассмотреть возможность резервирования каналов связи и учесть административные аспекты безопасности и доступа к оборудованию.

При внешнем размещении устройств, после выполнения монтажных работ необходимо выполнить юстировку. Под юстировкой понимается направление антенны передающего устройства в направлении приёмника, в результате которого получены максимальные значения RSSI для каждой из поляризаций.

На этапе монтажа, зачастую, можно зафиксировать невозможность работы в выбранном частотном канале из-за наличия помех. Кроме того, помехи могут появиться на этапе эксплуатации, поскольку, как упоминалось ранее, все беспроводные системы используют общую среду. Для того, чтобы устройство могло автоматически менять частотный канал в соответствии с уровнем помех используется функция DFS.

Многие источники, описывая механизм DFS, ошибочно совмещают в нём функцию DFS и Radar Detection. На самом деле это два различных механизма, которые применяются совместно, но DFS может использоваться без Radar Detection.

Алгоритм DFS является требованием для всех беспроводных систем Wi-Fi, работающих в диапазоне 5 ГГц и выглядит следующим образом: один раз в сутки, в установленное время, радиоустройство начинает сканировать доступные частотные каналы, выявляя максимальные уровни сигналов. После устройство, руководствуясь полученными данными, выбирает наименее загруженный частотный канал и устанавливает его в качестве рабочего.

В случае, если устройство фиксирует на одном из частотных каналов работу радаров (устройства, использующиеся для научных исследований, оценки погодных условий и т.д.), то такой канал помечается как недоступный на заданный интервал времени. Даже если, уровни сигнала, зафиксированные на недоступном канале, будут минимальными, то устройство игнорирует его при выборе рабочей частоты. Данный механизм называется Radar Detection.

Несмотря на то, что использование DFS является обязательным требованием следует учитывать регуляторные требования в выборе частоты и мощности, формулируемые государственными органами. Регуляторные требования накладывают ограничения на использование частотных каналов и максимальной мощности излучения для устройств, устанавливаемых в помещении и на открытой местности.

Одним из видов антенн, используемых в современных системах, являются фазированные антенны решётки (ФАР). Часто такие антенны представляют собой матрицу излучающих элементов, размещённых на печатной плате. Например, такой подход используется в устройствах wAP 60G AP.

Каждый из этих элементов представляет собой отдельную антенну, однако они используются в совокупности, образуя единую антенну. Взаимное расположение и форма излучающих элементов формируют различную диаграмму направленности и частотные характеристики антенны. Такой подход позволяет изменять диаграмму направленности электрическим способом: на каждый из элементов подаётся сигнал с разной фазой, что позволяет управлять направлением главного лепестка.

Как правило, в прошивке устройств фиксируется несколько шаблонов, а конкретный шаблон адаптивно выбирается для максимизации уровня сигнала. Данный механизм может использоваться для обслуживания сектором нескольких абонентских устройств с разными диаграммами направленности, либо для помощи при юстировке (в этом случае юстировку можно выполнить не совсем точно, что будет компенсироваться выбором шаблона).

Такая технология называется технологией формирования луча (Beamforming) и целесообразно рассмотреть её использование на примере (см. рисунок ниже).

К точке доступа подключены три абонентских устройства, за каждым из которых закрепляется свой шаблон диаграммы направленности и в интервалы времени работы с конкретным абонентом, будет использоваться соответствующий шаблон. Технология формирования луча применима как к восходящему, так и нисходящему каналам и может быть использована только со стороны точки доступа.

В случае, если со стороны абонента 3 по направлению к сектору появится помеха, то в ситуации без использования технологии формирования луча это устройство будет влиять на работу восходящих каналов всех абонентов. Сектор с технологией формирования луча не будет принимать помеху, т.к. основной лепесток диаграммы направленности направлен в сторону абонента, с которым осуществляется обмен данными, т.е. помеха будет влиять только на восходящий канал абонента 3.

Работа точки доступа с технологией формирования луча и тремя абонентами

Виды дуплекса

Основная цель организации каналов связи — передача данных между передатчиком и приёмником. В зависимости от направлений потоков данных выделяют следующие системы связи (см. рисунок ниже):

• симплексные: данные могут быть переданы только от передатчика к приёмнику. Классическим примером таких систем является система телевещания, в которой поток вещания распространяется от вещательного центра до телеприёмников, которые, как правило, совмещены с телевизорами. Обратное направление обмена данными считается невозможным;
• полудуплексные: в отдельные моменты времени устройство выполняет роль приёмника или передатчика. Системы Wi-Fi построены по такому принципу: на устройстве реализованы приёмные и передающий тракт, между которыми выполняется переключение, в зависимости от момента времени;
• дуплексные: устройства одновременно выполняют приём и передачу данных. Примером такой системы является стандарт FastEthernet, в котором часть жил витой пары используется для передачи, а часть — для приёма.

Типы беспроводных каналов связи по направлению передачи данных: а) симплексные, б) полудуплексные, в) дуплексные

Существуют три ресурса, за счёт которых может быть организован дуплекс или полудуплекс: частота, время и пространство. Для частотного дуплексирования потребуется использовать два частотных канала и два радиомодуля на приёмнике и передатчике, для пространственного — два комплекта приёмо-передающих устройств, разнесённых на расстоянии, либо использующие узконаправленные антенны. Частотный и пространственный методы организации дуплексного канала являются дорогостоящими, поэтому на практике чаще всего используется метод временнОго полудуплекса. При временнОм полудуплексе выделяются интервалы времени (тайм-слоты) для передачи и приёма данных, которые циклически повторяются.

Пример организации временнОго полудуплекса канала связи представлен на иллюстрации ниже. Время обмена данными логически делится на радиокадры, в рамках которых выделены тайм-слоты для приёма и передачи. Размер радиокадра определяет показатели качества для конечных сервисов. Малый размер радиокадра позволяет снизить задержку, передаваемых пакетов данных, что критично для сервисов реального времени, например телефонии. Большой размер радиокадра снижает объём служебных данных, т.е. пропускная способность таких систем будет выше, но увеличится задержка.

Пример организации полудуплекса по времени

Организация множественного доступа

В сценариях организации каналов связи в топологии «точка-многоточка» одно устройство устанавливает радиоканал с несколькими абонентскими устройствами. Для того, чтобы распределить временнОй ресурс между ними могут использовать несколько подходов.

Следует сделать ремарку о терминологии. Поскольку множественный доступ абонентских устройств организован за счёт распределения времени, то все рассматриваемые способы можно назвать множественным доступом с разделением по времени (TDMA), однако чаще такой термин используется для одноимённого метода, поэтому далее под TDMA будем понимать конкретный метод организации каналов связи с множеством абонентов, рассмотренный ниже.

Первым методом является CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий). Этот метод схож с методом, используемым в протоколе Ethernet с той разницей, что в Ethernet устройства должны детектировать коллизии (CSMA/CD), а в CSMA/CA — избегать коллизий. Устройство перед началом передачи данных прослушивает эфир и начинает передачу только в том случае, если эфир свободен, т.е. ни одно из устройств не передаёт данные.

Такой метод множественного доступа используется в системах Wi-Fi и подвержен проблеме скрытого абонента (см. рисунок ниже). Пусть станция 1 передаёт данные точке доступа и в этот же момент времени станции 2 тоже необходимо передать данные. В соответствии с логикой CSMA/CA станция 2 прослушивает эфир, но т.к. станции 1 и 2 расположены по разные стороны от точки доступа, то сигнал станции 1 может не оказаться ниже чувствительности приёмника станции 2, поэтому для станции 2 эфир будет считаться свободным и она начнёт передачу. Точка доступа получит одновременно сигналы от станций 1 и 2, что приведёт к коллизии, а значит эфир будет использоваться неэффективно.

Беспроводные системы Wi-Fi, находящиеся под управлением RouterOS позволяют решить проблему скрытого абонента с помощью использования сообщений RTS/CTS. Перед отправкой кадров данных, станция отправляет служебное сообщение RequestToSend и начинает передачу только в том случае, если точка доступа в ответ отправила сообщение ClearToSend.

Проблема скрытого абонента в системах Wi-Fi

Вторым методом организации множественного доступа является Polling, в котором решена проблема скрытого абонента. Точка доступа выступает в роли арбитра и станции могут начать передачу только в случае разрешение со стороны арбитра. В начале цикла обмена данными точка доступа формирует служебное сообщение для того, чтобы станции сообщили о необходимости передачи данных. Получив запросы от станций на передачу данных, точка доступа выделяет ресурсы для каждого из абонентов и последовательно рассылает служебное сообщение Poll, после получения которого станция может начать передачу данных. Во второй части цикла, точка доступа передаёт сервисные данные для станций.

Данный метод множественного доступа реализован в проприетарном протоколе Nv2 Nstreme, однако использование протокола MikroTik Nstreme подразумевает отказ от совместимости с устройствами, работающими по технологии Wi-Fi.

Протокол Nstreme имеет интересное расширение, позволяющие объединить два беспроводных устройства при организации каналов связи «точка-точка», называемое Nstreme-dual. В этом случае, канал, образуемый первым радиомодулем используется для передачи, а второй — для приёма, причём радиохарактеристики (частотный диапазон, ширина канала и т.д.) каналов могут отличаться.

Организация канала связи с использованием Nstreme-dual и устройств LHG XL 52 ac

Третий метод множественного доступа — метод множественного доступа с разделением по времени (TDMA). В RouterOS данный метод реализован в проприетарном протоколе Nv2.

Каждый цикл обмена данных состоит из радиокадров, число которых равно количеству подключенных абонентских станций (см. рисунок). Каждый радиокадр имеет фиксированную длину и поделён на две части: передача данных в восходящем и нисходящем каналах. Деление радиокадра может быть несимметричным, что позволяет увеличить пропускную способность одного из направлений передачи данных за счёт сокращения другого.

Преимуществом TDMA (или Nv2 MikroTik) является то, что в рамках цикла обмена данными каждой из абонентских станций будет гарантированно будет выделен ресурс для передачи и приёма данных. Метод CSMA/CA таких гарантий не обеспечивает. Наличие такого преимущества является важным при наличии трафика реального времени, т.к. уровень джиттера можно приблизить к нулю, а величиной задержки управлять с помощью размера радиокадра и длительности цикла обмена данными (числа абонентских устройств).

Пример TDMA-системы с тремя абонентами

Вторым преимуществом метода TDMA является возможность реализации многосекторных базовых станций по схеме ABAB (см. рисунок ниже). Схема ABAB подразумевает выделение всего двух частотных каналов для четырёх секторов, вместо четырёх в классическом сценарии. За счёт того, что секторные антенны, стоящие «спиной» друг к другу, выполняют одновременную передачу и приём, отсутствует влияние заднего лепестка одного из секторов на другой.

Примеры организации четырёхсекторной базовой станции: а — классический подход, б — TDMA

Стандарт Wi-Fi жёстко устанавливает возможные настройки радиомодуля. Список поддерживаемых частот для устройств MikroTik Wi-Fi представлен по ссылке.

Несмотря на требования стандарта, некоторые устройства, находящиеся под управлением RouterOS, позволяют выполнить конфигурацию радиомодуля, отличную от требований. В частности, можно изменить центральную частоту и ширину канала связи на нестандартные. Список радиомодулей, поддерживаемых нестандартную конфигурацию представлен в статье по ссылке.

Виртуальные точки доступа

Устройства под управлением RouterOS поддерживают функциональность создания виртуальных беспроводных интерфейсов. Виртуальные беспроводные интерфейсы привязаны к физическому интерфейсу и разделяют с ним общую среду, работая в том же частотном канале. Режим работы виртуального интерфейса не зависит от режима физического интерфейса, таким образом, если физический интерфейс настроен в режиме станции, а виртуальный – в режиме точки доступа, то можно организовать схему ретрансляции. Кроме того, виртуальные беспроводные интерфейсы могут быть использованы для разделения сервисов, например несколько Wi-Fi сетей для разных подразделений компании могут быть реализованы на одном устройстве с одним радиомодулем. Разумеется, виртуальные интерфейсы делят между собой физические ресурсы, а значит число виртуальных интерфейсов влияет на производительность в каждой из Wi-Fi сетей.

Сеть MikroTik WiFi, развёрнутая на крупном объекте может представлять из себя множество точек доступа, работающих на одном или нескольких частотных каналах и использующих один или несколько SSID. Для централизованной конфигурации таких точек доступа может использоваться Wi-Fi-контроллер.

Операционная система RouterOS поддерживает возможность создания контроллера Wi-Fi сети с помощью раздела CAPsMAN. В качестве контроллера может выступать любое из устройств под управлением RouterOS, подключенное к сети, независимо от наличия или отсутствия беспроводных интерфейсов.

Функциональность каждого из упомянутых стандартов (Wi-Fi, Nstreme, Nv2) представлена по ссылке.

Сопутствующие радиотехнологии

Обзор поддержки беспроводных технологий со стороны RouterOS будет неполным, если остановиться на рассмотрении технологий, реализованных на радиомодулях MikroTik 802.11. В RouterOS реализована поддержка модулей GPS, 3G/LTE и LoRa.

Примером использование модулей GPS в реальных сценариях является установка устройств LtAP mini c ACGPSA на подвижный транспорт. Это позволяет организовать сбор телеметрии с постоянным мониторингом местоположения транспорта.

В RouterOS 3G/LTE-модем представлен как интерфейс lte и обладает всеми базовыми функциями сетевых интерфейсов: интерфейс может быть ассоциирован с IP-адресом, интерфейс может быть использован в правилах Firewall и т.д. Оснащение устройств MikroTik 3G/LTE-модемами может быть выполнено несколькими способами:

• устройство поставляется с модемом. Некоторые модели позволяют установить более одной SIM-карты для организации нескольких каналов связи с сетями сотовых операторов. Например, устройство LtAP позволяет установить три SIM-карты;
• устройство позволяет установить один или несколько модемов в виде miniPCIe-карт. Использование нескольких модемов позволяет реализовывать схемы резервирования или агрегации трафика. Как правило miniPCIe-карты имеют разъёмы для подключения внешних антенн, что позволяет улучшить надёжность соединения с базовыми станциями операторов сотовой связи;
• подключение модема через USB-порт. Некоторые модели устройств MikroTik оснащены USB-портом, через который может быть подключен 3G/LTE-модем. Вместо USB-модема можно подключить мобильный телефон и, при поддержке со стороны телефона, RouterOS определит устройство как LTE-модем. В частном случае, мобильный телефон может выступать в роли Wi-Fi-модуля, подключенного через USB к MikroTik.

Новой, на момент написания статьи, линейкой устройств MikroTik являются устройства, поддерживающие технологию LoRaWAN. Это технология сбора телеметрических информаций от различных датчиков. Отличительными чертами таких систем являются:

• большой радиус соты;
• частотные диапазоны 863-870 и 902-928 МГц;
• низкая скорость передачи данных;
• редкие сеансы связи.

По ходу статьи несколько раз упоминались наименования различных топологий беспроводных систем связи, в этом разделе мы рассмотрим их подробнее. В беспроводных системах связи выделяют три основные топологии:

• «точка-точка» (PtP — point-to-point): в такой топологии участвует два устройство, одно из которых является ведущим, а другое — ведомым;
• «точка-многоточка» (PtMP — point-to-multipoint): в такой топологии участвует от трёх устройств, одно является ведущим, а остальные — ведомыми. Классическим примером такой топологии является сеть Wi-Fi, в которой точка доступа является ведущим устройством, а абоненты — ведомыми;
• MESH: одноранговая ячеистая топология, в которой все сетевые устройства являются равными. Для такой сети не подойдут классические алгоритмы построения таблиц коммутации и маршрутизации, применяемые в проводных сетях или сетях, построенных на основе топологий PtP и PtMP. Протокол перенаправления данных должен контролировать состояние каналов связи (радиопараметры, загрузка и т.д.) в режиме реального времени. RouterOS разрабатывает и поддерживает проприетарный протокол для MESH-сетей, который называется MME — Mesh Made Easy.

Топологии беспроводных систем: а — PtP, б — PtMP, в — MESH

Устройства под управлением RouterOS могут играть как роль ведущего, так и ведомого в различных топологиях. Единственным ограничением является тип лицензии на устройстве:

• устройства с лицензией уровня 1 не могут быть использованы для организации беспроводных каналов связи;
• устройства с лицензией уровня 3 поддерживают только одно беспроводное соединение, т.е. не могут использовать в качестве ведущего в топологии PtMP.

Для анализа радиоэфира и поведения беспроводных устройств в нём, RouterOS предоставляет следующий набор инструментов:

Сканер эфира (Scanner): инструмент сканирует эфир на частотных каналах, поддерживаемых радиомодулями и демонстрирует все найденные точки доступа. Для каждой найденной точки доступа приводится SSID, RSSI и, если на точке информация присутствует, RadioName и версия ПО.

Пример вывода результата работы инструмента Scanner

Анализатор спектра: инструмент позволяет оценить уровень загрузки частотных каналов, демонстрируя максимальные уровня сигнала, зафиксированные на каждом из доступных частотных каналов.

Продукты компании MikroTik поддерживают три инструмента для оценки спектра. Первым из них является утилита spectral-scan, позволяющая оценить средний уровень загрузки каналов и пиковый уровень сигналов, формируя символьный поканальный вывод:

Пример результата работы утилиты spectral-scan

Вторым инструментом является утилита spectral-history, которая демонстрирует мгновенное значение загрузки каналов с помощью цветовой индикации. Каждая строка вывода является отсечкой результатов сканирования в заданном интервале времени, таким образом можно отследить изменение уровней сигналов на каждом из частотных каналов во времени. Это является полезным, т.к. при выборе частотного канала для дальнейшего использования в качестве рабочего следует руководствоваться загрузкой каналов во времени и игнорировать временные помехи.

Пример результата работы утилиты spectral-history

Третьим инструментом анализа спектра является встроенная утилита системы мониторинга The Dude. Подробно установка и использование системы рассмотрено в отдельных статьях. The Dude позволяет выполнить анализ спектра непосредственно из системы мониторинга, не переходя в интерфейс управления устройством.

Вывод результатов сканирования имеет три представления: «водопад», плотность спектра и графический. Совокупность выводов объединяет в себе достоинства обеих утилит, рассмотренных ранее: можно посмотреть загрузку частотных каналов в режиме реального времени, усреднённые значения за выбранный интервал и исторические данные по состоянию эфира, как в spectral-history:

Пример анализа спектра в системе The Dude

Инструмент юстировки (Alignment tool): инструмент юстировки предназначен для того, чтобы сонаправить антенны передающего и приёмного устройств с целью получения максимального уровня RSSI и, как следствие, энергетики канала.

Сниффер пакетов (Wireless Sniffer): сниффер пакетов позволяет проанализировать пакеты, принятые и отправленные через выбранный беспроводной интерфейс. Данный инструмент особенно полезен при диагностике и решении проблем.

Снупер эфира (Wireless Snooper): инструмент комбинирует в себе возможности сканера и спектроанализатора, позволяя сканировать доступные частотные каналы и показывать устройства, которые используют тот или иной канал.

Пример работы снупера эфира

Цель организации любой системы связи — передача данных каких-либо сервисов. Современные сети требуют от оборудования передавать множество потоков данных, для каждого из которых критичны те или иные показатели качества. Беспроводные каналы связи не являются исключением и для эффективного внедрения политики качества обслуживания в сетях Wireless 802.11 n используется протокол WMM (Wi-Fi Multimedia).

Протокол позволяет разделять трафик на четыре очереди различного приоритета, а также выполнять трансляцию в приоритет QoS, реализованные в других протоколах, например DSCP в протоколе IP.

Следует иметь в виду, что даже внедрение политики качества обслуживания не позволяет избежать потерь пакетов при передаче через радиоканал. Причины потерь связаны с физикой процесса и рассмотрены по ходу статьи.

В статье представлены теоретические основы радио и примеры реализации беспроводных технологий в RouterOS и MikroTik.