Finalna wersja specyfikacji 802.11n wciąż nie została opublikowana, ale urządzenia oznaczone symbolem „802.11n” są już na rynku od ponad roku. Tymczasem 802.11n to nie tylko nowa warstwa fizyczna. To całkiem nowy standard WLAN wprowadzający udoskonalenia na poziomie adresów MAC i warstwy fizycznej. Zmiany pozwoliły na znaczne zwiększenie wydajności, ale też zrodziły pytania o zgodność wstecz w przypadku wdrażania urządzeń 802.11n w sieciach pracujących w starszych standardach.
We wszystkich sieciach Wi-Fi nośnikiem jest modulowana fala radiowa, która przekazuje dane z punktu A do punktu B. Jeden z tych punktów to punkt dostępowy (Access Point), który kontroluje wiele odbiorników określanych mianem stacji lub terminala. Jeśli sieć ma obsługiwać wielu użytkowników, trzeba zastosować techniki umożliwiające podział zasobów komunikacyjnych. Sposobów jest kilka, podstawowy wykorzystuje podział czasu (Time Division Multiple Access, TDMA). W tym przypadku wszyscy użytkownicy korzystają z jednej częstotliwości, ale każdy nasłuchuje w innym czasie. Tę technikę stosuje się powszechnie w urządzeniach zgodnych ze standardem 802.11g.
Innym rozwiązaniem jest współdzielenie częstotliwości. Wiele urządzeń komunikuje się w tym samym czasie, ale na różnych częstotliwościach. Trzecia technika wykorzystuje kody ortogonalne do rozróżnia transmisji poszczególnych użytkowników. Wielu użytkowników równocześnie korzysta z sieci w tym samym czasie i na tej samej częstotliwości. Specjalne kodowanie pozwala wyodrębnić transmisję generowaną przez danego użytkownika. Tę technikę, nazwaną Code Division Multiple Access (CDMA), stosuje się w sieciach komórkowych trzeciej generacji. W najnowszych rozwiązaniach wykorzystuje się kombinację technik podziału czasu i częstotliwości. Przykładem zastosowania takiego hybrydowego podejścia są sieci WiMAX, które wykorzystują kody oraz podział częstotliwości i czasu (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA). W tym przypadku użytkownicy otrzymują unikalne kombinacje czasu i częstotliwości.
Wielościeżkowość
Sieci bezprzewodowe są trudniejsze w implementacji w porównaniu z sieciami przewodowymi. Jedną z przyczyn jest fakt docierania sygnału radiowego do odbiornika wieloma ścieżkami – efekt taki powstaje na skutek odbijania się fal od obiektów znajdujących się w obszarze działania sieci radiowej. W efekcie do odbiornika dociera wiele wersji tego samego sygnału w różnych odstępach czasu. Jeśli opóźnienie przekroczy określoną wartość, mogą wystąpić zakłócenia z właściwym sygnałem i sygnał stanie się niezrozumiały dla odbiornika.
Istotną zaletą OFDMA jest odporność na to zjawisko. Dane są przenoszone w małych porcjach i na oddzielnych falach nośnych. Nawet jeśli zostaną utracone pojedyncze pakiety, można je odzyskać dzięki mechanizmom korekcji błędów. Poza tym poszczególne fale nośne działają ze stosunkowo niską szybkością, więc opóźnienia powodowane przez odbicia mają mniejszy, negatywny wpływ na transmisję.
Standardy WLAN
Opracowywaniem standardów sieci bezprzewodowych zajmuje się amerykańska organizacja IEEE. Sieci WLAN są zdefiniowane w rodzinie standardów 802.11. Pierwsza specyfikacja 802.11 została opublikowana w 1997 roku i opisywała sieć WLAN działającą w zakresie 2,4-2,5 GHz i umożliwiającą przesyłanie 2 Mbit/s. Dwa lata później, w 1999 roku, udostępniono standard 802.11a, wykorzystujący częstotliwość 5 GHz i zwiększający przepustowość do 54 Mbit/s. W tym samym roku światło dzienne ujrzała specyfikacja 802.11b. W tym standardzie maksymalna przepustowość jest na poziomie 11 Mbit/s, ale urządzenia działają w niższym zakresie częstotliwości 2,4-2,5 GHz. Finalna wersja standardu 802.11g pojawiła się w 2003 roku. Jest on praktycznie taki sam, jak standard 802.11a, ale wykorzystuje niższe częstotliwości (2,4-2,5 GHz), dzięki czemu jest łatwiejszy w implementacji. Ten standard zdominował na kilka lat sieci WLAN.
802.11n
Sieci bezprzewodowe charakteryzują się niższymi szybkościami niż sieci przewodowe. Tymczasem cały czas rośnie ilość danych przesyłanych przez użytkowników. To dało impuls do opracowania nowego standardu sieci WLAN – 802.11n. Umożliwia on urządzeniom pracę na częstotliwościach 2,4 GHz lub 5 GHz i osiągnięcie maksymalnej przepustowości 600 Mbit/s na jeden kanał o szerokości 40 MHz. Jednak producenci zapowiadają już udostępnienie urządzeń Wi-Fi oferujących przepustowość nawet na poziomie 1 Gbit/s.
W standardzie 802.11n zrezygnowano z technik podziału czasu i częstotliwości. W sieciach 802.11n dane są transmitowane na tej samej częstotliwości i w tym samym czasie. Aby sygnały nie zakłócały się, wykorzystano zalety koncepcji dywersyfikacji przestrzennej (ang. spatial diversity), która zakłada oddzielenie transmisji poszczególnych użytkowników poprzez wykorzystanie wielu anten. Dane są transmitowane wieloma ścieżkami – choć dotychczas występowanie tego zjawiska prowadziło do zakłóceń transmisji – w celu zwiększenia przepustowości sieci.
To sprawia, że 802.11n doskonale nadaje się do zastosowania w pomieszczeniach i obszarach miejskich. Technologia ta została nazwana MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output). Ponieważ MIMO wykorzystuje wiele anten w celu zwiększenia przepustowości, urządzenia zgodne z 802.11n zużywają więcej prądu. Urządzenia MIMO są w stanie transmitować dane z szybkością dwukrotnie większą niż standardowe, pojedyncze anteny w standardzie 802.11g. Większą szybkość transmisji uzyskuje się poprzez zastosowanie minimum dwóch anten, co powoduje niemal dwukrotnie większe zużycie prądu.
Dlatego w przypadku standardu 802.11n pojawił się niespodziewany problem – rozmiar urządzeń. Typowy system MIMO musi pomieścić dwukrotnie więcej anten i wzmacniaczy w porównaniu z 802.11g. Najlepszym sposobem rozwiązania tego problemu jest większa integracja, polegająca m.in. na umieszczeniu jak największej liczby funkcji na jednym module radiowym. Innym technologicznym wyzwaniem było globalne spełnienie różnych uregulowań prawnych dotyczących emisji fal radiowych.
Wydajność
MIMO wykorzystuje dywersyfikację przestrzenną do równoległego transportowania dwóch lub więcej strumieni danych na jednym kanale częstotliwości. Kiedy transmitowane są dwa strumienie, przestrzenne multipleksowanie może podwoić przepustowość bezprzewodowego kanału.
Starsze sieci 802.11a/b/g wykorzystują kanały o szerokości 20 MHz, natomiast standard 802.11n pozwala na użycie kanałów o szerokości 20 lub 40 MHz z maksymalnie czterema strumieniami danych na kanał. W kanale 40 MHz z czterema strumieniami maksymalna przepustowość wynosi aż 600 Mbit/s. Obecnie na rynku są produkty obsługujące dwa strumienie w kanale 40 MHz, co daje 300 Mbit/s.
Oprócz tych zmian, wprowadzono również bardziej wydajny mechanizm kontroli dostępu OFDMA i krótsze interwały GI (Guard Interval to okres upływający po końcu każdego symbolu OFDMA pozwalający uniknąć zakłóceń w związku z wielościeżkowością przebiegu fali radiowej). W sieciach 802.11a/b/g interwał GI wynosi 800ns, natomiast w 802.11n jest on o połowę krótszy (400 ns). Krótszy interwał GI ograniczył długość symbolu z 4 mikrosekund do 3,6 mikrosekundy.
Aby zredukować narzut w warstwie fizycznej, standard 802.11n wprowadza mechanizmy agregowania ramek (Frame Aggregation) oraz potwierdzeń blokowych (Block Acknowledgement, Block ACK). Agregacja ramek to metoda łączenia wielu ramek w jedną, co pozwala zredukować liczbę ramek z potwierdzeniami i liczbę luk między ramkami. Efektem jest odczuwalny wzrost przepustowości. Zagregowane ramki A-MPDU (Aggregate MAC Protocol Data Units) mogą osiągać wielkość 64 KB i składają się z wielu tradycyjnych ramek, których wielkość może wahać się od 52 do 2304 bajtów.
Blokowe potwierdzenia umożliwiają wysłanie pojedynczego pakietu potwierdzenia informującego o poprawnym odebraniu wielu ramek. Blokowe potwierdzenia poprawiają wydajność protokołu, eliminując konieczność przesyłanie ramki potwierdzenia po odebraniu każdej ramki z danymi, jak to ma miejsce w starszych sieciach bezprzewodowych. Dodatkowo w 802.11n ramka blokowego potwierdzenia została skrócona z 128 do 8 bajtów. Niestety dotychczas blokowe potwierdzenia nie były powszechnie implementowane.
Znacznie zwiększona przepustowość pozwala myśleć o rozszerzeniu zastosowań sieci Wi-Fi, np. do przesyłania obrazu wideo wysokiej jakości, komunikacji głosowej (VoIP) czy komunikacji z sieciowymi systemami pamięci masowych. Pojawiają się opinie, że dotychczasowe zastosowania sieci WLAN to tylko wierzchołek góry lodowej i pojawią się aplikacje, których obecnie nawet nie jesteśmy w stanie przewidzieć.
Zgodność wstecz
Sieci 802.11n są w pełni kompatybilne wstecz ze standardami 802.11a/b/g. Dlatego urządzenia pracujące w nowym standardzie można bez problemu wdrażać w istniejących sieciach bezprzewodowych opanowanych w większości przez standard 802.11g. Jednak standardowo transmisja 802.11n nie może być interpretowana przez stacje działające w standardach 802.11 a/b/g, co może prowadzić do zakłóceń protokołu unikania kolizji w tych sieciach.
Bez odpowiednich protokołów ochronnych, urządzenia 802.11n mogą obniżać wydajność starszych sieci lub uniemożliwiać ich działanie. Aby mechanizm unikania kolizji działał, wszystkie stacje muszą być w stanie rozróżniać swoje pakiety od pakietów pozostałych stacji, a także wymieniać się informacjami, jak długo zamierzają zajmować medium transmisyjne. Taki protokół jest rdzeniem wszystkich sieci 802.11 i umożliwia wielu stacjom równoczesne korzystanie z sieci bezprzewodowej. Bez mechanizmów unikania kolizji stacje nie byłyby w stanie korzystać z sieci bezprzewodowej w prawidłowy sposób i zakłócałyby wzajemnie własną transmisję, co znacznie obniżałoby przepustowość sieci. Żeby mechanizm unikania kolizji działał pomiędzy sieciami 802.11n i starszymi, należało opracować specjalny protokół, który zapewniłby zgodność wstecz.
Unikanie kolizji
NAV (Network Allocation Vector) jest podstawowym mechanizmem unikania kolizji w sieciach bezprzewodowych 802.11. NAV to wskaźnik czasu rezerwowanego przez stację, kiedy transmisja w sieci bezprzewodowej nie może być zainicjowana przez inną stację. Informacje NAV, jak długo stacje zamierzają zajmować medium transmisyjne, są odczytywane przez każdą stację z komunikatów rozgłoszeniowych innych stacji.
Z powodu opisanych zmian (skrócony interwał GI, agregacja ramek, blokowe potwierdzenia) starsze urządzenia nie są w stanie interpretować standardu 802.11n, co może prowadzić do poważnych zakłóceń pracy tych urządzeń. Nie są one w stanie określić, jak długo będzie trwać transmisja 802.11n i w efekcie nie potrafią uniknąć kolizji.
Aby rozwiązać ten problem, w standardzie 802.11n umieszczono opis protokołu mającego zapobiegać potencjalnym zakłóceniom pracy starszych sieci przez ruch w sieci 802.11n. Umożliwia on pracę sieci w trybie Non-HT (High Throughput) Duplicate Mode.
W trybie Non-HT, przed użyciem protokołu 802.11n, są jednocześnie wysyłane dwa pakiety na obu połówkach kanału 40, aby przekazać do protokołu NAV informację, o konieczności poinformowania starszych stacji o czasie, przez jaki nie wolno im korzystać z sieci bezprzewodowej. Dzięki temu starsze stacje nie będą w podanym czasie korzystać z sieci bezprzewodowej, co pozwoli stacjom 802.11n komunikować się w swoim standardzie i wykorzystywać pełną przepustowość.
W paśmie 2,4 GHz dostępny jest kanał o szerokości 80 Mhz, który wykorzystują już sieci 802.11b/g. Dlatego jest bardzo prawdopodobne, że kanały 40 MHz wykorzystywane przez sieci 802.11n będą zachodzić na częstotliwości istniejących sieci.
Aby rozwiązać ten problem, w projekcie 802.11n 2.0 wprowadzono protokół koegzystencji. Zawiera on metodologię wykrywania aktywności WLAN w określonym paśmie i mechanizm przełączania kanałów, gdy jest to konieczne, aby uniknąć interferencji.
Ze względu na złożone zarządzanie kanałami 40 MHz w paśmie 2,4 GHz, certyfikacja Wi-Fi Alliance zezwala na korzystanie z kanałów 40 MHz tylko w paśmie 5 GHz. W tym paśmie koegzystencja jest łatwiejsza w realizacji, ponieważ dostępne jest szersze spektrum częstotliwości, co sprawia, że detekcja i unikanie zakłóceń są łatwiejsze.
