Оценка пропускной способности и дальности связи при использовании Wi-Fi аппаратуры в реальных городских условиях
Кубасов Игорь Анатольевич1, доктор технических наук
Сердюков Петр Николаевич1, доктор технических наук
Пучков Геннадий Юрьевич1, кандидат технических наук
Гугалов Константин Геннадиевич2, кандидат технических наук
Шилинский Роман Андреевич2
1 НИИСТ ФКУ НПО «СТ и С» МВД России, г.Москва
2ИТЦ «Профессиональные Радиосистемы», г.Москва
Источник: журнал «Специальная техника» №3 2013 г
Широкое внедрение в повседневную жизнь технологий беспроводного доступа, невысокая стоимость аппаратуры позволяет использовать Wi-Fi технологию для передачи мультимедийной информации в интересах подразделений силовых структур. В работе сделан краткий обзор по опубликованным материалам в части реальных характеристик сетей Wi-Fi по пропускной способности и дальности связи. Кроме того, проведены самостоятельные эксперименты по оценке возможности использования аппаратуры Wi-Fi для решения конкретной практической задачи - передачи видеоизображения с базовой станции на автомобиль в городских условиях. Статья предназначена для разработчиков систем профессиональной беспроводной связи.
Краткий обзор характеристик аппаратуры Wi-Fi
Расчётные или потенциально достижимые значения пропускной способности рассмотрим на примере аппаратуры стандарта IEEE 802.11а, работающей в диапазоне частот 5 ГГц.
Формула для расчёта скорости передачи данных с помощью OFDM сигналов в данном случае имеет вид:
(1)
где n - число информационных поднесущих;
Δf - частотная разность между поднесущими;
b=log2N, где N - размерность квадратурной амплитудной модуляции (QAM);
Rs - скорость свёрточного кода;
Tu - длительность полезного интервала;
Tg - длительность защитного интервала.
При ширине канала 20 МГц и полном числе поднесущих - 64, Δf=20•103/64=312,5 кГц; n=48; Tg=0,8 мкс; Tu=3,2 мкс.
В табл. 1 диагональные элементы представляют значения потенциальной пропускной способности в Мбит/с для аппаратуры стандарта IEEE 802.11а, определённые по формуле (1) для модуляции различной размерности и различных значений скорости свёрточного кода.
Таблица 1. Теоретические значения пропускной способности в стандарте IEEE 802.11a
|
| 1/2 | 3/4 | 1/2 | 3/4 | 1/2 | 3/4 | 2/3 | 3/4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BPSK | 6 |
|
|
|
|
|
|
|
| BPSK |
| 9 |
|
|
|
|
|
|
| QPSK |
|
| 12 |
|
|
|
|
|
| QPSK |
|
|
| 18 |
|
|
|
|
| 16QAM |
|
|
|
| 24 |
|
|
|
| 16QAM |
|
|
|
|
| 36 |
|
|
| 64QAM |
|
|
|
|
|
| 48 |
|
| 64QAM |
|
|
|
|
|
|
| 54 |
В стандарте IEEE 802.11g, работающем в диапазоне частот 2,4 ГГц, используется сочетание различных методов модуляции, необходимое для обеспечения обратной совместимости с аппаратурой стандарта IEEE 802.11b. Вместе с тем при использовании OFDM в стандарте IEEE 802.11g параметры теоретической пропускной способности соответствуют значениям, приведённым в табл. 1.
Реальные значения пропускной способности[1,2].
На коробках с аппаратурой Wi-Fi и в описаниях к ней указаны потенциальные характеристики по примеру табл. 1. Однако в реальных условиях скорость передачи существенно меньше, что объясняется рядом факторов. Работа в сетях Wi-Fi осуществляется по принципу «слушать, прежде чем вещать», для чего перед началом информационного обмена передаётся запрос на передачу и ожидается получение кадра, разрешающего передачу. Таким образом, технология Wi-Fi - это полудуплексная передача данных, что сокращает скорость передачи как минимум в два раза относительно теоретической.
Кроме того, с учётом использования различных синхропосылок, возрастания нагрузки на трафик, воздействия различных помех расчётная скорость передачи дополнительно уменьшается и падает с теоретически заявленных 54 Мбит/с до реально существующих 12 Мбит/с. При перемещении приёмной части полукомплекта на относительно небольшие расстояния порядка 50 м в условиях прямой оптической видимости (без преград и помех) скорость дополнительно падает до значений 2-5 Мбит/с.
Экспериментальные исследования
С целью исследования практической возможности использования аппаратуры Wi-Fi для передачи видеоинформации с базы на автомобиль были проведены два эксперимента в реальных городских условиях.
Используемое оборудование:
Wi-Fi роутер WL-500gP V2 производства компании ASUS в штатной комплектации со следующими техническими параметрами:
| Поддерживаемые сетевые протоколы | IEEE802.11b, IEEE802.11g, IEEE802.11d, IEEE802.3, 802.3u, 802.1X (security authentication), 802.11i - Ready (security WPA2), 802.11e - Ready (wireless QoS), IPv4 |
| Частотный диапазон | (2,4÷2,485) ГГц |
| Скорость передачи данных, Mбит/с | |
| • 802.11.b | 1, 2, 5.5, 11 |
| • 802.11.g | 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 |
| Выходная мощность | |
| • 802.11.b | 17 - 21 dBm 50 - 126 мВт |
| • 802.11.g | 15 - 19 dBm 32 - 79 мВт |
| Чувствительность | |
| • 1 Mбит/с | -94 ÷ -96 dBm |
| • 11 Mбит/с | -85 ÷ -87 dBm |
| • 54 Mбит/с | -72 ÷ -74 dBm |
| Антенна | встроенная, усиление +3 dB |
| Заявленный производителем радиус устойчивой работы при скорости передачи: | |
| • 11 Мбит/с: | в помещении - 40 м, на открытой местности - 600 м |
| • 54 Мбит/с | в помещении -25 м, на открытой местности - 150 м |
Эксперимент 1.
Определение скорости передачи данных с базовой станции различной высоты на неподвижный автомобиль, находящийся в пределах прямой видимости.
Испытания проводились по адресу г. Москва, ул. Барышиха, д.25, корпус 1 в условиях плотной городской застройки и в отсутствии атмосферных осадков.
Методика испытаний.
Первый полукомплект оборудования «А», состоящий из беспроводной точки доступа WL-500gP V2 и подключённого к ней ноутбука, был размещён в автомобиле, находящемся на расстоянии 50 м от 22-х этажного жилого дома.
Второй полукомплект «Б», состоящий из ноутбука со встроенным Wi-Fi адаптером, использовался оператором при подъёме по лестничной клетке здания с 1-го на 22-й этаж. На лестничной площадке каждого этажа устанавливалось соединение с первым полукомплектом через оконный проём лестничной клетки и проверялась скорость соединения с помощью программы NetCPS [3]. Каждый раз обеспечивалось нахождение полукомплектов в пределах прямой оптической видимости.
При оформлении результатов вычислялось расстояние между полукомплектами (R1): как гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами 50 м и ht, где ht - текущая высота точки излучения на каждом этаже. Считалось, что высота каждого этажа составляет 3 м.
Результаты испытаний.
Скорость передачи данных для каждого этажа с указанием расстояния между полукомплектами в метрах приведена в табл. 2.
Из табл. 2 следует резкое падение скорости передачи (в 8 раз) при изменении расстояния на 60%. Это объясняется значительным поглощением радиоволн диапазона 2,4 ГГц и воздействием помех, как в здании (что влияло на полукомплект «Б»), так и в непосредственной близости от полукомплекта «А». Немонотонное уменьшение скорости передачи объясняется электромагнитной обстановкой на каждом этаже. За короткий промежуток времени (один час) были отмечены два случая полного прерывания канала связи по причине неработоспособности комплекта «Б», вызванной несанкционированным включением в непосредственной близости от него точки доступа, работающей на том же канале связи. Для восстановления связи приходилось подключаться к точке доступа в ручном режиме для принудительной смены канала связи, несмотря на активизацию в настройках данного оборудования возможности автоматического выбора канала связи.
Эксперимент 2.
Определение скорости передачи данных с базовой станции на автомобиль, меняющий своё положение на ограниченной площади в пределах прямой видимости.
Испытания проводились по адресу г. Москва, ул. Кулакова д. 20 во дворе промышленного комплекса зданий высокой этажности, атмосферные осадки отсутствовали.
Методика испытаний.
Один полукомплект оборудования, состоящий из беспроводной точки доступа WL-500gP V2 и подключённого к ней ноутбука, был размещён в офисе, на первом этаже железобетонного здания. Беспроводная точка доступа была размещена на подоконнике окна, выходящего во внутренний двор.
Второй полукомплект оборудования, состоящий из ноутбука со встроенным Wi-Fi адаптером, был размещён в автомобиле, который передвигался с остановками по территории двора. Обмен информацией с первым полукомплектом производился при неподвижном автомобиле. Как и в первом эксперименте, измерения скорости производились с помощью программы NetCPS. Схема проведения испытаний представлена на рис. 1 (излучение передатчика на этом рисунке направлено вниз из точки А). Размеры внутридворовой территории приведены на рисунке, здесь же показаны зоны с устойчивыми значениями средней скорости передачи.
Результаты испытаний.
Максимальное расстояние в условиях прямой видимости, достигнутое при испытаниях, составляет примерно 60 м. Отмечено сильное влияние препятствий на прохождение сигнала и, соответственно, на скорость передачи данных. Так, наличие застеклённых лестничных переходов привело к снижению скорости передачи за ними практически до нуля. Движение большегрузных автомашин (грузовых фур) по внутридворовой территории приводило к резкому снижению скорости передачи данных или к полному прерыванию канала связи.
Рис. 1. Схема проведения испытаний.
Таблица 2. Влияние расстояния на скорость передачи данных
| Этаж, R1 в м | Скорость передачи данных, Мбит/сек | Этаж, R1 в м | Скорость передачи данных, Мбит/сек |
|---|---|---|---|
| 1 - 50 | 8 | 12 - 62 | 8 |
| 2 - 50,3 | 7 | 13 - 63,4 | 7 |
| 3 - 50,8 | 6 | 14 - 65,3 | 7 |
| 4 - 51,4 | 9 | 15 - 67,3 | 6 |
| 5 - 52,2 | 7 | 16 - 69,3 | 8 |
| 6 - 53,1 | 5 | 17 - 71,4 | 2 |
| 7 - 54,2 | 4 | 18 - 73,6 | 4 |
| 8 - 55,5 | 6 | 19 - 75,8 | 2 |
| 9 - 56,8 | 8 | 20 - 78,1 | 1 |
| 10 - 58,3 | 7 | 21 - 80,4 | 0,5 |
| 11 - 60,0 | 7 | 22 - 82,8 | 1 |
Выводы
1. Проведённые эксперименты подтвердили существенное несоответствие заявленных характеристик аппаратуры Wi-Fi по скорости передачи данных и дальности связи их реальным значениям при эксплуатации в условиях большого города.
2. В решаемой авторами задаче - передаче изображения с базы на автомобиль - приемлемое для распознавания качество обеспечивается при использовании протокола сжатия MJPEG (Motion JPEG) и скорости передачи по каналу связи не менее 512 кбит/сек.
3. Эксперименты показывают, что при использовании Wi-Fi существует принципиальная возможность передачи такого видеосигнала на расстояние 60 - 80 м.
4. Такая передача возможна, однако, только в условиях прямой оптической видимости между передающей и приёмной частями аппаратуры Wi-Fi, что требует юстировки аппаратуры, недопустимой при решении данной задачи, так как остановка автомобиля только в местах прямой видимости не представляется возможной.
5. Канал передачи информации с помощью Wi-Fi оказывается полностью неработоспособным при включении дополнительной точки доступа, работающей на том же канале связи. При проведении эксперимента этот факт дважды отмечался за один час работы. Канал связи Wi-Fi является общедоступным, и помехи данного вида являются неустранимыми.
6. Движение грузового транспорта относительно стоящего автомобиля с аппаратурой Wi-Fi приводит к изменению структуры электромагнитного поля в антенне приёмника, кроме того, помехи систем зажигания двигателей внутреннего сгорания оказывают дополнительное мешающее воздействие на канал связи. Совокупность этих факторов часто приводит к срыву связи, что отмечалось в эксперименте.
7. Использование технологии Wi-Fi не представляется возможным при передаче видеоинформации с базы на автомобиль.
Литература
1. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. Изд. 2-е, исправл. и дополненное. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.
2. Trendnet. [Электронныйресурс.] - Режим доступа: http://trendnet.ru/support/information/pochemu-skorost-ne-takaya.php
3. Netchain Communications. [Электронныйресурс.] - Режим доступа:http://www.netchain.com/netcps/
Статья опубликована на сайте: 01.08.2013