Тестирование Smart Antenna и Beamforming в точках доступа Zyxel Wi-Fi 6

Как вообще работает Beamforming

Технология формирования луча является наиболее часто используемой функцией в новом поколении интеллектуальных антенн в точках доступа Wi-Fi 6. Суть технологии Beamforming состоит в том, что массив антенн используется для “управления” или передачи радиосигналов в определенном направлении, а не просто для трансляции энергии/сигналов во всех направлениях, напрасно растрачивая энергию. В этом методе фаза и амплитуда передаваемого сигнала каждой компонентной антенны регулируются по мере необходимости, что приводит к кумулятивному или разрушительному эффекту, концентрируя общий передаваемый сигнал в целевой луч, повышая дальность работы беспроводной связи.

Антенна, формирующая луч, использует несколько антенных элементов для управления направлением волнового фронта. Изменяя фазу отдельных сигналов в антенной решетке, луч может быть сформирован под нужным углом. Затем плоскую волну можно направить в желаемом направлении.

При наведении результирующего луча на целевую приемную антенну, расстояние от каждого элемента антенной решётки до цели немного отличается. Чтобы компенсировать эту разницу, поскольку каждый сигнал от элемента антенной решётки поступает в одной и той же фазе, к каждому элементу применяются фазовращатели, в результате чего происходит когерентное объединение и получается когерентный луч.

Из-за суммирующих и уменьшающих эффектов объединения отдельных сигналов в направленной антенне (правильно называть такие эффекты конструктивной и деструктивной интерференцией) результирующая диаграмма направленности будет иметь множество лепестков с различной напряженностью поля, направленные под различными углами. Основной лепесток с наибольшей мощностью является предназначенным лучом, а меньшие боковые лепестки обычно нежелательны, поскольку они излучают ненужное излучение в ненужных направлениях.

Все устройства Wi-Fi 6 поддерживают технологию направления луча: она есть даже в самых дешёвых точках доступа. Для ещё большего повышения качества связи, производители сетевого оборудования используют умные антенны и антенные решётки.

Как работают Smart-антенны в современных точках доступа

Умные антенны способны анализировать условия своей работы и изменять диаграмму направленности, адаптируя свои функции к изменяющимся условиям. Интеллектуальные антенны с переключаемым направлением луча (SBA-антенны) предназначены для объединения сигналов нескольких антенн для создания нескольких фиксированных диаграмм направленности. Затем эти лучи направляются в одном или нескольких направлениях. Типичный пример точки доступа Wi-Fi с умной SBA-антенной - Zyxel WAX630S (см. наш обзор) , она имеет несколько десятков вариантов направления луча и несложную конструкцию антенных излучателей.

Адаптивная антенная решетка состоит из множества небольших антенн, каждая из которых имеет несколько независимо включаемых антенных элементов. Таким образом, каждая маленькая антенна может использоваться как всенаправленный или направленный излучатель. То, как комбинируются маленькие антенны, зависит от их коэффициента усиления, поляризации, структуры и напрямую определяет количество в конечном итоге сформированных лучей. Например, если в диапазоне 2.4 ГГц в устройстве установлены четыре антенны, и каждая из них состоит из четырех элементов, что означает в общей сложности 16 антенных элементов. Учитывая, что каждый антенный элемент может быть включен или отключен, в данном случае доступно 65 536 комбинаций антенн.

Smart-антенна

Адаптивная антенная решетка может непрерывно направлять луч в любом направлении, использовать отражённые сигналы и учитывать помехи от других пользователей. Такие антенные массивы требуют большей вычислительной мощности процессора устройства, но они обычно более точны и эффективны по сравнению с моделями с переключаемыми диаграммами, поскольку они могут лучше подавлять паразитные лепестки радио луча, направляя больше энергии в нужном направлении, с учётом пути отражённого сигнала и нахождения источников помех в направлении излучения. Типичный пример точки доступа с адаптивной антенной - Zyxel WAX650S.

Обратите внимание: Beamforming не обязательно требует наличие «умной антенны» или адаптивной антенной решётки. Типичный пример точки доступа с технологией формирования луча, но без умных антенн - Keenetic Voyager Pro. Однако, комбинирование технологии формирования луча с умной антенной, способно значительно повысить дальность и устойчивость радиосвязи, особенно в помещениях с препятствиями в виде стеклянных стен, колонн, мебели и многочисленными источниками помех, поскольку умные антенны могут могут выбирать лучи для обхода препятствий, используя отражённые сигналы. На следующей картинке вы можете видеть, как Wi-Fi сигнал проходит через препятствие в обычной точке доступа, без Smart-антенны.

А теперь сравните это с тем, как "умная" антенна использует отражённый сигнал от стены для огибания препятствия и попадания в клиентское устройство.

И если уж говорить совсем утрировано, то Beamforming - это технология, повышающая дальность на больших открытых пространствах, а Smart Antenna - это технология для сложных конфигураций помещений.

Как мы тестировали

Для тестирования мы использовали вращающуюся платформу, на которую устанавливали точку доступа, подключённую к мультигигабитному коммутатору Zyxel XS1930-12HP. С клиентской стороны использовался компьютер с адаптером Intel AX200. Меня интересовала максимальная производительность Download к клиенту при расположении устройства таким образом, чтобы оно работало с отражённым сигналом в невыгодных для ТД условиях: с обратной стороны, за препятствием и в движении.

Что мы тестировали

У нас на тестировании две точки доступа: топовая Zyxel WAX650S - модель с поддержкой BeamForming и со Smart-антенной, позволяющей формировать до 65 тысяч комбинаций направления луча. Данная точка доступа имеет равномерный охват в вертикальной и горизонтальной составляющих, поэтому может устанавливаться и в помещениях с низкими потолками, и в офисах с высокой мебелью.

Подобный тип антенны позволяет формировать одновременно несколько потоков для различных пользователей и направлять их в разные стороны. За счёт огромного числа комбинаций направленности, это самая точная антенна из ныне существующих. В телекоммуникационном секторе такие антенны принято называть адаптивными антенными решётками, или Adaptive Antenna Array (AAA). Их единственный недостаток - высокая цена.

Вторая точка доступа - бюджетная Zyxel WAX610D с планарной антенной, не меняющей свою конфигурацию, но поддерживающей Beamforming. Эта модель склонна к вертикальной поляризации, поэтому устанавливать её следует либо высоко под потолком, либо, если высота потолков небольшая - на стене, направляя лицевой частью в сторону клиентов.

Это простая антенна, без какой-то электронной логики: мы видим по фотографиям, что никаких дополнительных чипов на ней нет, а значит переключение направленности излучателей отсутствует. Функцию формирования луча берёт на себя основной процессор точки доступа, а угол между основным и корректирующим излучателями по отношению к клиенту будет тем ниже, чем сильнее смещено принимающее устройство относительно основной плоскости антенны. Говоря проще, чудес от этой точки доступа я не жду, и чем дальше от неё располагается приёмное устройство, тем хуже будет работать для него Beamforming.

Третья точка доступа - модель средней ценовой категории, Zyxel WAX630S с антенной, специально разработанной для работы технологии Beamforming. Как вы можете видеть по фотографиям, она представляет собой нечто среднее между WAX650S и WAX610D: две инверсные F-L антенны (IFLA) посередине и 6 антенн вертикальной поляризации, направленных в разные стороны для 5- ГГц диапазона. 6 антенн на 4 потока позволяют переключать их для концентрации диаграммы направленности в направлении клиента, увеличивая таким образом дальность передачи.

Перед нами типичный пример Smart-антенны без использования антенной решётки: здесь контроллер точки доступа может переключать активные излучатели, но не может менять их направленность, как в WAX650S. Такая антенна не может формировать луч одновременно для нескольких пользователей, расположенных по разные стороны от устройства. Такие антенны получили наименование Switched Beam Antenna (SBA), и в телекоммуникационном секторе это самый распространённый тип излучателей.

Здесь следует учитывать, что все беспроводные клиенты, поддерживающие Wi-Fi 5 (802.11ac) или Wi-Fi 6 (802.11ax), должны получать преимущества от технологий формирования луча и smart-антенны, независимо от скорости подключения. То есть, любое 802.11ac/ax устройство должно одинаково хорошо работать при передвижении вокруг точки доступа, а при подключении к ТД с умной антенной, должно ещё и уверенно ловить сигнал за препятствиями. К слову, последнее касается именно входящего трафика, который, как правило, в домашних и офисных сетях превалирует.

Тест 1 - скорость при перемещении по дуге от точки доступа

Собственно, это самый простой тест для точек доступа: в случае, если меняется только угол между клиентским устройством и ТД, а конфигурация помещения не влияет на распространение сигнала, задача качественного Wi-Fi оборудования - сохранить одинаковый уровень сигнала без "мёртвых зон".

Перемещение клиента по дуге

Сзади точки доступа во всех случаях тестирования имеется стена, так что в любом случае устройство будет использовать как прямой, так и отражённый сигнал.

На открытом пространстве преимущества антенной решётки не такие уж и существенные: если при использовании SBA скорость падает на 10%, то в топовой точке доступа - на 5-7%. При этом традиционная антенна с вертикальной поляризацией роняет скорость “по краям” примерно в 1.5 раза, то есть происходит то, что я и предполагал в описании WAX610.

Тест 2 - скорость за препятствиями

В условиях тесных помещений, скорее всего Wi-Fi сеть будет использовать отражённые сигналы, но точки доступа со Smart-антеннами могут делать это сознательно, выбирая путь луча с наилучшим уровнем сигнала.

В этом тесте мы должны увидеть разницу между работой технологии формирования луча и адаптивной антенной решёткой, для чего установим клиентские устройства за железобетонной стеной толщиной 25 см и высотой 80 см.

На удивление, при расположении точки доступа лицом к клиенту, все три устройства показывают весьма достойные результаты, поскольку в данном случае клиенту, в общем-то, всё равно, с отражённым сигналом какой из них работать: для него условия одинаковые.

Тест 3 - клиент прячется за препятствие и выходит из-за него

Типичная ситуация: смартфон находясь в зоне прямой видимости, перемещается за бетонную стену, а затем возвращается обратно.

С учётом того, что армированный бетон максимально содействует затуханию Wi-Fi сигнала, точки доступа должны реагировать на снижение его уровня.

При расположении точки доступа лицом к клиенту разница между Smart-антенной и простым формированием луча чисто номинальная, если вообще есть, а вот если клиент располагается по диагонали, то тут да, уже более точное позиционирование помогает повысить скорость передачи данных. Но по-настоящему разница становится очевидной, если клиент находится сзади точки доступа, и работает только с отражённым сигналом: тут "умные антенны" показывает себя во всей красе. К слову, для планарной антенны WAX610 нахождение клиента сзади по диагонали - самый сложный случай.

Выводы

На практике мы видим, что в любом случае, модель со "смарт-антенной" позволяет добиваться более высоких скоростей, уверенно "пробивает" через проходы в стенах, хорошо работает практически на 360 градусов. Комбинация из адаптивной антенной решётки + в паре с формированием луча - это лучшее, что сегодня может предложить индустрия беспроводных ТД. К сожалению, дороговизна устройств приводит к тому, что клиентам выгоднее устанавливать большее количество обычных средних точек доступа, получая почти всё то же самое. Так что, возможно, адаптивная антенна вообще сойдёт со сцены, даже в топовом сегменте.

С другой стороны, более простая SBA-антенна (как применена в WAX630S), с использованием технологии "формирования луча" не сильно-то и уступает топовому аналогу WAX650 с антенной решёткой, поэтому вполне объяснимо, почему производители ТД предпочитают более простые антенные конфигурации дорогим и громоздким "умным" антеннам, и делают на них ставку в среднем ценовом диапазоне. Скорее всего, таких моделей будет всё больше, и они будут активно заходить в "топовый" сегмент.

Нижний ценовой диапазон, в котором применяются простые планарные антенны, может легко терять скорость на 30% в зависимости от угла расположения клиента. В современных офисах, где весь трафик плавно переходит на Wi-Fi, их можно устанавливать для "прострела" коридоров или лестничных пролётов, но в любом случае - там, где люди особо-то и не работают, и требований к качеству связи нет никаких.

Михаил Дегтярёв (aka LIKE OFF)
22/12.2022


Похожие статьи:

Обзор точки доступа Zyxel WAX630S и коммутатора XGS1250-12: недорогой тандем для Wi-Fi 6 и мультигигабитной LAN

Если вы выбираете точку доступа для помещений с большой проходимостью, например, для ресторанов, холлов бизнес-центров или для конференц-залов, то вам скорее всего нужна модель с поддержкой Wi-Fi 6 и общей пропускной способность...

Оркестрация беспроводных сетей в Zyxel Nebula CC: настраиваем защиту горизонтального трафика и шейпинг

Современные точки доступа Zyxel позволяют работать в режиме NAT и мост одновременно для разных SSID, подключать пользователей с использованием 2ФА, шейпить трафик в зависимости от приложения и гибко использовать VLAN. Рассмотрим...

Быстрая настройка беспроводной сети через Zyxel Nebula при развёртывании в филиалах

Рассмотрим типовой случай: крупная торговая сеть открывает сотню новых магазинов, в каждом из которых планируется использование IoT-инфраструктуры с использованием Wi-Fi 6. Для того, чтобы облегчить настройку и ввод в эксплуатац...

Как Zyxel Secureporter облегчает мониторинг безопасности корпоративной сети

Zyxel SecuReporter - это единая точка сборки для отчётов, дэшбордов и статистики по работе шлюза безопасности вашей сети. Естественно, поддерживаются только шлюзы Zyxel серии USG Flex и ATP для малого и среднего бизнеса. По замы...

Zyxel NWA55AXE - наружная точка доступа Wi-Fi 6, которой так удобно строить мосты

Сегодня мы рассматриваем бюджетную точку доступа стандарта Wi-FI 6 для наружного исполнения. Эта модель рассматривается как кирпичик для построения Mesh-сетей или как возможность расширить покрытие существующей Wi-Fi 6 на площа...