Обзор Cisco WIFI, 01-2015 part 1

© 2014-2015 Elcore | Elko.by. All rights reserved.

Обзор беспроводных продуктов Cisco

Максим Порицкий

инженер по направлению Сisco, ССIE R&S

[email protected]

январь 2015

2 © 2014-2015 Elcore | Elko.by. All rights reserved.

Продолжительность: 2 часа

Аудитория: менеджеры по продажам, инженеры по продажам, IT-архитекторы, инженеры заказчиков

Уровень сложности: базовый-средний

В первой части – ознакомимся с теоретическими основами, принципами работы, основными терминами и характеристики WIFI, рассмотрим улучшения привнесенные в стандартах 802.11n, 802.11ac, а также ряд основных функциональных особенностей WIFI на оборудовании Cisco.

Во второй части обсудим типовые дизайны построения WIFI сетей, портфолио WIFI оборудования от компании Cisco с их характеристиками и функционалом.


Часть 1 (Теория)

Теоретические основы WIFI

Стандарты 802.11n, 802.11ac

Радио-функционал от Cisco

Часть 2 (Продуктовый обзор)

Типовой дизайн WIFI сетей

WIFI точки доступа (внутренние, внешние)

WIFI контроллеры

Система обнаружения местоположения и wIPS - MSE

Система управления – Prime Infrastructure

Заключение

Cодержание


Часть 1: Теоретические основы WIFI


Среда передачи – радиоэфир, носитель информации – радиоволны

Радиоволны – электромагнитные колебания определенной частоты, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/c)

Единица измерения частоты - герц (Гц): 1 MГц = 1 миллион, 1 ГГц = 1 миллиард колебаний в секунду

Радиоэфир - общая среда доступа, в которой разделение возможно на основе частот. WI-FI работает на частотах 2.4 ГГц и 5 ГГц

Лицензии - разрешения

Основные понятия и определения WI-FI


Радиопередатчик – формирует радиочастотный сигнал для передачи в радиоэфир

Радиоприемник – принимает электромагнитный сигнал с последующем преобразованием в нужную форму

Антенна – пассивное устройство, излучает и принимает радиоволны, может усиливать интенсивность излучения в определенном направлении только за счет других направлений

Основные элементы ТД WI-FI


dB – отношение значения реального сигнала, относительно некоторого базового сигнала: power (in dB) = 10 * log10 (signal/reference)

dBm (dB milliwatt) - изменение мощности передатчика (transmit power) относительно базового значения 1mW. То есть, если мощность передатчика увеличилась с 1 mW до 100 mW, это характеризует увеличение уровня от 0 dBm до 20 dBm

dBi - коэффициент усиления антенны (antenna gain) – отношение мощности излученного сигнала в определенном направлении к мощности сигнала, излучаемого ненаправленной изотропной* антенной

EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power, dBm) - эквивалентная изотропно-излучаемая мощность системы в целом (граничная излучаемая мощность - GOV)

EIRP (dBm) = transmitter power (dBm) + antenna gain (dBi) - cable losses (dB)

* Изотропная - теоретически эталонная антенна, излучает во всех направлениях одинаково

Основные характеристики WI-FI: dB, dBm, dBi, EIRP


Диаграмма направленности антенны (ДНА) – как антенна излучает сигнал в пространстве

Вертикальная (по углу места) – излучение в вертикальной плоскости

Горизонтальная (азимутальная) – излучение в горизонтальной плоскости

Диаграмма направленности антенны (ДНА)

Вертикальная Горизонтальная

Всенаправленная (Omnidirectional) антенна

Вертикальная Горизонтальная

Направленная антенна


Метод доступа к среде передачи - CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий

Если канал свободен — станция передает кадр, если нет — ожидает его освобождения. Обнаружение коллизий происходит с помощью механизма подтверждений: есть подтверждение от получателя — данные успешно переданы, нет — произошла коллизия – требуется повторная передача

Кол-во информации, которое может быть передано в радиоэфире зависит от характеристики signal-to-noise ratio (SNR). Измеряется в dB. Чем больше значение SNR, тем больше информации передается в эфире и декодируется приёмником

Основные понятия и определения WI-FI


Производительность WIFI: мощность сигнала vs SNR

Чем выше соотношение SNR,

тем выше

производительность

Регуляторные ограничения на

max излучаемую мощность

Устраним/уменьшим влияние

шума - увеличим



Шум присутствует во всех

средах с относительно

постоянным значением

При удалении от источника

полезного излучения сила

полезного сигнала

уменьшается, растворяясь в

шуме

На некоторой удаленности от

источника полезный сигнал

полностью растворяется в

шуме

Производительность WIFI: мощность сигнала vs SNR


Производительность WIFI: чувствительность приемника

Чувствительность

радиоприёмника (Receive

sensitivity, dBm) - способность

радиоприёмника принимать

слабые по интенсивности

радиосигналы

При удалении от источника, или

работа на малых скоростях, или

при превышении порога

чувствительности приёмника -

пропадание связи


Площадь покрытия клиентами vs data rate

При равномерном расположении

клиентов почти 50% площади

покрытия (граничной) занимают

низкоскоростные клиенты

Они тратят на передачу такого же

объема трафика больше эфирного

времени, чем высокоскоростные


Радиоэфир – разделяемая среда, один

передает – другие ожидают

Низкоскоростные клиенты занимают

большую часть эфирного времени

Нет средств препятствовать передаче на

входе в эфир больших

низкоприоритетных пакетов по

сравнению с маленькими

высокоприоритетными

Таким образом, уменьшается

производительность всей сети в целом

Время использования радиоэфира


Высокоплотное размещение ТД


Непересекающиеся каналы на 2.4 ГГц

E (E regulatory domain):

Общее кол-во (2.412 to 2.472 GHz): 13 каналов

Непересекающихся (802.11n, 20 MHz): 3 канала


Непересекающиеся каналы на 5 ГГц

ETSI (Европа), E-домен

*80 MHz объединение (Wave-1, 802.11ac) и 160 MHz (Wave-2, 802.11ac) ** country specific

European standard EN 301 893 covers 5.15-5.725 GHz operation, and v1.7.1 is in force

Dynamic frequency selection (DFS) and transmit power control (TPC)

Общее кол-во**: 16 - 21 канал

Непересекающихся**: 20 MHz = 16-21; 40 MHz = 8-9; 80 MHz = 4


Схема кодирования (Code rate)

Для того чтобы приёмник мог успешно декодировать полезный сигнал в

зашумленных средах отправитель кодирует его с некоторой избыточностью

(redundancy)

Избыточность позволяет приемнику обнаруживать ограниченное количество

ошибок и зачастую исправлять эти ошибки без повторной передачи

Схема кодирования “1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8, …” означает что 1 избыточный

бит добавляется после 1, 2, 3 и т.д. полезных битов


Схема модуляции (Modulation)

Информационный сигнал – полезная информация (цифровые последовательности 0

и 1), которая должна передаться через WIFI. Информационный сигнал =

модулирующий сигнал

Несущая частота - частота колебаний, создаваемых радиопередатчиком в отсутствие

модуляции. Несущая частота = несущий сигнал. Зачастую это высокочастотный

сигнал

Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров (амплитуды,

фазы, частоты) несущего сигнала по закону модулирующего (информационного)

сигнала

Например, Амплитудная модуляция - вид модуляции, в которой изменению

модулирующим сигналом подвергается амплитуда несущего сигнала

По сути модуляция это “подсадка” информационного сигнала на несущий сигнал


802.11n – схемы модуляции

Для получения более высоких скоростей

радиосигнала необходимо использовать

более сложные схемы модуляции

Чем сложнее схема модуляции тем

более высокие требования по уровню

сигнала предъявляются к принимаемому

сигналу для декодирования

Более сложная схема модуляции –

меньшие расстояния между ТД и

клиентом

High-density modulation schemes such as 64-QAM

“Quadrature Amplitude Modulation” is used by

802.11n to get additional throughput higher than what

is found in 802.11a/b/g. This is one of the advantages

of 802.11n

Note: Newer 802.11ac modes can use up to 256-QAM

Example of 802.11n Modulation Coding Schemes


Часть 1: Стандарты 802.11n, 802.11ac


До эпохи 802.11n – как работают 802.11a и 802.11b/g

Поддерживался 1 приемник и 1 передатчик (на частотный диапазон 2.4 и 5 ГГц) -

теоретическая канальная скорость 54 Mbps

У ТД могло быть по 2 антенны (на частотный диапазон 2.4 и 5 ГГц) для выбора

(diversity) лучшего принятого сигнала на одну из антенн и обратной отправки с этой

же антенны

При скоростях 54 Mbps (access) - 10/100 порт (uplink) на ТД был достаточен

PoE 15.4W обеспечивало достаточной мощностью ТД для усиления сигнала

антенной

Выбор лучшего

сигнала (diversity) Radio

SISO


802.11n/ac - MIMO

MIMO – (Multiple Input Multiple Output) – ключевой компонент стандарта 802.11n, позволяющий одновременную передачу и приём нескольких радиосигналов - информационных потоков по 1 радио-каналу

MIMO 3x3: 3 – 3 передатчика x 3 приёмника : 3 пространственных потока

Radio

Radio

Radio

D

S

P

MIMO


Благодаря MIMO можно осуществлять:

MRC (Maximal Ratio Combining) – сложение разнесённых сигналов (diversity combining) на

множестве антенн (приёмниках) из-за эффекта многолучевости (multipath) с последующим

декодированием и получением лучшего сигнала. Как результат – лучшее значение SNR ТД

лучше “слышит” клиента (upstream)

Пространственное мультиплексирование (Spatial Multiplexing) – одновременная передача

нескольких информационных потоков, их приём и декодирование несколькими приёмниками. Как

результат – увеличивается емкость канала (throughput) (downstream)

802.11n/ac – Spatial Multiplexing и MRC


Обработка трех копий сигнала на SISO точке доступа

Копии исходного сигнала

Сигнал на

каждой из

антенн

Приемник выбирает

антенну с лучшим

сигналом

Radio


Обработка трех копий сигнала на MIMO точке доступа с MRC

DSP изменяет фазу

принятых антеннами

сигналов для их

оптимального сложения

Результирующий

сигнал – это сумма

всех принятых копий

исходного сигнала Копии исходного сигнала

Radio

Radio

Radio

D

S

P



Из нескольких копий сигнала

выбирается лучшая

Без MRC

SISO AP


Несколько копий сигнала

складываются на

приемной стороне

С MRC

MIMO AP

802.11n/ac - MRC

MRC - работает как с 11n так и со старыми клиентами


802.11n/ac - пространственное мультиплексирование

Участвуют как

приемник так и

передатчик

Одновременная

передача на одном

канале

Увеличение

пропускной

способности

Требуется 11n

клиентское

устройство


поток 1

поток 2

Информация передается на одной частоте несколькими независимыми потоками

MIMO AP


Агрегация каналов - 802.11n поддержка 40МГц каналов

Агрегация каналов – объединение смежных частотных каналов, для увеличения

throughput

Особенно актуально для 1SS устройств (смартфоны) > 1SS требует > 1 антенны >

питания. Сохранить размеры и “срок жизни” батареи

40MHz = 2 x 20MHz channels + gained space > 2 x speed

802.11n поддерживает 20, 40МГц каналы

Для 802.11n использование 40МГц каналов рекомендуется только в диапазоне 5ГГц

(2.4ГГц мало непересекающихся каналов)

40 MHz

20 MHz

20 MHz


Агрегация каналов - 802.11ac поддержка 40/80МГц каналов

Агрегация каналов – объединение смежных частотных каналов, для увеличения

throughput

Особенно актуально для 1SS устройств (смартфоны) > 1SS требует > 1 антенны

> питания. Сохранить размеры и “срок жизни” батареи для смартфонов.

80 MHz = 2 x 40 MHz channels + gained space > 2 x speed

802.11ac поддерживает 20, 40, 80 МГц каналы (160 МГц – wave 2)

20 MHz

20 MHz

40 MHz

40 MHz

80 MHz

.11n

40 MHz .11ac

80 MHz


802.11n/ac - Guard Interval – 800ns или 400ns

Guard Interval (GI) –

период времени между

каждым OFDM символом,

для устранения inter-

symbol interference

Этот тип интерференции

возможен когда в

multipath окружении

последующий символ

принимается раньше

окончания обработки

предыдущего

800 ns to 400 ns 10%

UP throughput

Default GI mode for 802.11n is 800 nanoseconds

If you set a shorter interval it will go back to the long

guard interval in the event retries happen to occur


802.11n/ac – агрегация пакетов

Агрегируются N x Ethernet или 802.11 фреймов в один блочный фрейм

Но, все агрегированные фреймы должны отправляться единому адресату

Не подходит для voice и latency-критических приложений

Блочное подтверждение о доставке (Block acknowledgement)

Уменьшаются коллизии и кол-во повторных передач, увеличивается скорость


802.11n - Индекс модуляции и схемы кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme)

MCS

• Уровень кодирования

• Тип модуляции

• Кол-во SS

• Защитный интервал

• Ширина канала

Смартфоны

• 1SS = 150MБит/c

Планшеты, ноутбуки

• 2SS = 300 МБит/с

• 3SS = 450 МБит/с


802.11ac - Индекс модуляции и схемы кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme) – 1SS

35


802.11ac - Индекс модуляции и схемы кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme) – 2SS, 3SS

36

256-QAM (up to a 30

percent improvement

over the modulation

capabilities of 802.11a/n).


Часть 1: Радио-функционал от Cisco


CleanAir Обеспечение надежной и стабильной работы WIFI с учетом

сторонних помех в эфире

ClientLink Формирование направленного сигнала к клиенту для улучшения производительности его работы (User Experience)

VideoStream Оптимизация передачи видео в WIFI

BandSelect Увеличение производительности за счет оптимальной загрузки радиоэфира 2.4 и 5 ГГц

Технологические преимущества


802.11n/ac – Сisco ClientLink

СlientLink (Beam-forming) – позволяет сформировать на ТД направленную

диаграмму сигнал в сторону клиента WIFI

Принимая предварительно сигнал от клиента на разные антенны ТД учитывает

время приёма сигнала и его фазу. А затем корректирует эти фазовые сдвиги при

отправке сигнала в направление клиентского устройства (складывает фазы,

увеличивает амплитуду сигнала)

Как результат – клиент получает качественный сигнал (SNR), уменьшается кол-во

повторных передач, увеличивается Downlink скорость клиента (higher data rates)

Не требует от клиента поддержки обратной связи (в отличии от стандарта Explicit

Compressed Beamforming Feedback)


802.11a/g/n/ac

Соединение с клиентом не оптимизировано

802.11n/ac

СlientLink – управление диаграммой направленности

Без Cisco Client Link


802.11a/g/n/ac

802.11n/ac

СlientLink – управление диаграммой направленности

Cisco Client Link

Beam Forming

Интеллектуальное управление диаграммой направленности: направляет сигнал, улучшает емкость и покрытие для 802.11a/g/n/ac устройств


ClientLink 2.0 vs 3.0

ClientLink 2.0 ClientLink 3.0

Beamforming Type Standards and

Beyond Standards

Standards and

Beyond Standards

AP 3600, 2600, 1600 3700, 2700

Кол-во передатчиков для улучшения

надежности Downlink Traffic

3-4 4

Поддерживаемые клиенты 802.11a/g/n 802.11 a/g/n/ac

Кол-во клиентов (per Radio) 128 (1600 = 32) 128

iPhone, iPads (1x1:1SS, 11n or 11ac) Yes Yes

Apple, Dell, Lenovo, HP - (3x3:3SS, 11n)

Upcoming 802.11ac 2x2 and 3x3 Notebooks

Yes (2600, 3600) Yes

Поддержка BYOD Yes Yes

Поддержка Higher Client Density Yes (2600, 3600) Yes


802.11n – как увеличить производительность


802.11n – Сisco BandSelect

Оптимизация использования спектра путем перемещения клиентов с 2.4 GHz в

5GHz диапазон

802.11n

Поисковые запросы AP

Ответы Трафик данных

Функция BandSelect позволяет двухрежимным клиентам подключаться на частоте 5 ГГц

Высвобождение диапазона 2.4 ГГц для однорежимных клиентов

Повышение эффективности использования диапазона 5 ГГц

Увеличивает кол-во одновременно обслуживающих пользователей

2.4 5


Поддержка мультикастинга

на ТД

AP

MULTICAST STREAM

Приоритизация видео

потоков

WLC

Бизнес-видео

Training

AP

Контроль занятия ресурсов (RRC)

AP

VIDEO NOT

AVAILABLE

VoD

802.11n/ac - Сisco VideoStream

Пакеты с групповой адресацией реплицируются на AP и отправляются отдельным unicast-пакетами клиентам с

их скоростью

Контроль использования канала и принятия решения о

доступности ресурсов при очередном запросе (предотвращение

переподписки)

Механизм обеспечения приоритезации

индивидуальных видео-потоков с соответствующими

характеристиками QoS


система мониторинга радиоэфира и поддержания эффективной и надежной работы WIFI сети за счет:

обнаружения и классификации источников интерференции (помех)

определения их местоположения

автоматического переконфигурирования сети для устранения внешнего воздействия и информирование ИТ службы

802.11n/ac - Сisco CleanAir (специализированный чипсет)


СleanAir выполняется на специализированом ASIC (на каждом радиоинтерфейсе)

Источники помех: Видео камера Wifi телефоны cоседские ТД микроволновки Bluetooth гарнитура DECT-телефон

Работа СleanAir не влияет на производительность ТД по передаче полезного трафика

802.11n/ac - Сisco CleanAir (специализированный чипсет)


Interferer Details

CleanAir – Detecting Interference Sources


Prime

infrastructure

802.11n/ac - Сisco CleanAir


Часть 1 (Теория)

Теоретические основы WIFI

Стандарты 802.11n, 802.11ac

Радио-функционал от Cisco

Заключение (1 часть)


Cпасибо за внимание!

Максим Порицкий

инженер по направлению Сisco, ССIE R&S

[email protected]

январь 2015

Technology

Обзор Cisco WIFI, 01-2015 part 1