IEEE 802.11n-2009

IEEE 802.11n-2009, tihti lühendatult 802.11n on Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi välja töötatud IEEE 802.11 standardiperre kuuluv traadita side võrgu standard, mis on 802.11a ja 802.11g edasiarendus.
802.11n töötab nii 2,4 GHz kui ka 5 GHz sagedustel ja kasutab nii 20 MHz kui ka 40 MHz ribalaiust. Lisaks kasutab 802.11n mitut antenni, et suurendada andmeedastuskiirust. Tema teoreetiline maksimumkiirus on 600 Mbit/s.
802.11 on IEEE standardite kogum, mis reguleerivad raadiovõrgu edastusmeetodeid. Neid kasutatakse sageli versioonides 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n ja 802.11ac, et pakkuda kodudes ja ettevõtetes traadita sidet. 802.11n arendamine algas 2002. aastal, seitse aastat enne selle avaldamist. 802.11n protokoll on nüüd avaldatud IEEE 802.11-2012 standardis.
Kirjeldus.
IEEE 802.11n on IEEE 802.11-2007 täiendus, kuhu on lisatud IEEE 802.11k-2008, IEEE 802.11r-2008, IEEE 802.11y-2008 ja IEEE 802.11w-2009 ning mis põhineb varasematel 802.11 standarditel, lisades mitme sisendi ja mitme väljundiga raadioside (MIMO) ja 40 MHz ribalaiusega raadiokanali füüsilisele kihile ja pakettide koondamise (frame aggregation) MAC kihile.
MIMO on tehnoloogia, mis kasutab mitut antenni korraga, et saata suuremat hulka andmeid, kui oleks võimalik ühe antenniga. See saavutatakse kasutades ruumilise jagamise multipleksimist (SDM), mis jagab andmed mitmesse sõltumatusse andmevoogu, mida edastatakse üheaeglaselt ribalaiuse ühe spektraalkanali kaudu. MIMO SDM võib märkimisväärselt suurendada andmete läbilaskevõimet, kuna üheaegselt ülekantavate voogude hulk on suurem. Iga eraldiseisev voog vajab nii saatjas kui ka vastuvõtjas eraldi antenni. Lisaks vajatakse iga voo jaoks ka eraldi riistvara iga antenni kohta, mis teeb MIMO implementeerimise kulukamaks kui ühe vooga süsteemide korral.
40 MHz ribalaiusega kanalid on veel üks omadus, mille lisas 802.11n, see kahekordistab senise 20 MHz ribalaiuse, mida kasutati varem 802.11 standardites andmete saatmiseks, ning see pakub füüsilisel kihil kahekordset andmeedastuskiirust. Seda saab kasutada nii 5 GHz režiimis kui ka 2,4 GHz võrgus, kui on teada, et ei toimu ülekattuvust teiste 802.11 või mitte 802.11 (näiteks Bluetooth-) võrkudega, mis kasutavad samu sagedusi. MIMO arhitektuur koos laiema sagedusribaga pakub suuremat andmeedastuskiirust kui 802.11a (5 GHz) ja 802.11g (2,4 GHz).
Andmete kodeering.
Saatja ja vastuvõtja kasutavad MIMO lingi võimsuse saavutamiseks vastavalt eelkodeerimise ja järelkodeerimise meetodeid. Eelkodeerimine hõlmab ruumilise kiirguse moodustamist ja ruumilist kodeerimist, kus ruumilise kiirguse parandamine parandab vastuvõetud signaali kvaliteeti dekodeerimisetapil. Ruumi kodeerimine võib suurendada ruumilise multipleksimise kaudu andmete läbilaskevõimet ja laiendada leviala mitme korraga kasutuses oleva antenni abil, kasutades selliseid meetodeid nagu Alamouti kodeerimine.
Antennide arv.
Korraga edastatavate andmevoogude hulk on piiratud raadiolingi lõppseadmete väikseima antennide arvuga. Siiski piirab unikaalsete andmevoogude hulka ka kasutusel olev raadiomoodul.
Kasutusel olev a x b : c märgistuse abil saab tuvastada raadioseadme võimekus. Esimene number (a) on saateantennida või saateahelate hulk, mida see raadio võimaldab. Teine number (b) on maksimaalne vastuvõttu antennide või vastuvõtuahelate hulk raadiokiibis, mida saab kasutada. Kolmas number (c) on maksimaalne voogude hulk mida raadio saab kasutada. Näiteks raadio, mis suudab saata kahe antenniga ja vastu võtta kolme antenniga, kuid siiski ainult kahte voogu tähistataks 2 x 3 : 2.
802.11n mustand võimaldab 4 x 4 : 4. Levinud seadistused 802.11n seadmetel on 2 x 2 : 2; 2 x 3 : 2; või 3 x 2 : 2. Kõigil mainitud kolmel seadistusel on sama maksimaalne andmeedastuskiirus ning nad erinevad ainult antennide hajusvastuvõtu konfiguratsiooni poolest. Lisaks on levima hakanud ka neljas konfiguratsioon 3 x 3 : 3, mis pakub suurema mahuga andmeedastusvõimalusi, kuna sel on üks andmevoog rohkem.
Andmeedastuskiirus.
Võrreldes samades tingimustes töötava 802.11g võrguga, mis saavutab füüsilisel tasandil kiiruse kuni 54 megabitti sekundis (kasutades ühte 20 MHz kanalit ühe antenniga), võib 802.11n võrk saavutada kuni 72 megabitti sekundis (kasutades ühte 20 MHz kanalit ühe antenniga); 802.11n kiirus võib ulatuda kuni 150 megabitti sekundis. kui ei ole ühtegi teist segavat seadet (nt mikrolaineahju, Bluetooth- või Wi-Fi seadet), kasutades kahte 20 MHz kanalit 40 MHz režiimis. Kasutades rohkem antenne võib 802.11n saavutada kuni 288 megabitti sekundis 20 MHz režiimis nelja antenniga või 600 megabitti sekundis 40 MHz režiimis neljaantenniga. Kuna 2,4 GHz sagedusvahemik on üldiselt tugevalt koormatud, kasutavad 802.11n üldiselt pigem rohkem antenne 20 MHz režiimis selle asemel, et vähematega opereerida 40 MHz ribalaiusega, kuna 40 MHz ribalaius vajab üsna puhast eetrit kasutades ära kogu 2,4 Ghz vabasageduse ala. Tiheasutuses on see praktiliselt võimatu. Seega seades üles 802.11n võrku on mõistlik eelistada rohkemate antennide arvuga seadmeid (802.11n standardi järgi kuni 4) ning kasutada neid 20 MHz ribalaiusega režiimis.
Andmeedastuskiirus 600 Mbit/s on saavutatav ainult kasutades nelja üheaegaset 40 MHz ribalaiusega voogu. Standardis on defineeritud erinevad moduleerimisviisid ja kodeeringud millele viitab Modulation and Coding Scheme (MCS) väärtus. Allolev tabel näitab nendevahelisi seoseid ning võimalikke maksimaalseid andmeedastuskiiruseid. GI (Guard Interval) : ajastusintervall.
20 MHz kanal kasutab kiiret Fourier' teisendust 64-ga, millest: 56 sagedus multipleksimine alamkandjat, millest 52 on andmetele ja 4 on juhtsignaalidele kandja eraldamiseks 0,3125 MHz (20 MHz/64) (3,2 µs). Igaüks kolmest alamkandjast võib olla BPSK, QPSK, 16-QAM või 64-QAM. Üldine ribalaius 20 MHz millest täidetud on 17,8 MHz. Sümbolite kogukestus on 3,6 või 4 mikrosekundit, mis "sisaldab" kontrollintervalli 0,4 või 0,8 mikrosekundit.
Pakettide liitmine.
Võrgu füüsilise kihi läbilase ei vasta kasutaja kasulikule ühenduskiirusele 802.11 protokollisisese andmevahetuse tõttu, näiteks lisatud päised, kinnitusinfo ning kontrollkoodid. Peamine meedia ligipääsu kontroll (MAC) pakub jõudluse parandamist läbi andmepakettide kokkukoondamise (frame aggregation).
Defineeritud on kahte tüüpi liitmine:
Pakettide koondamine on mitme MSDU-de või MPDU-de koondamine, et vähendada iga üksiku paketi overheradi, suurendades seeläbi kasutaja taseme andmeedastuskiirust. A-MPDU liitmine nõuab kättesaamiskinnituse saatmist blokikupa ühes paketis või BlockAcki kasutamist, mis algselt implementeeriti 802.11e standardis ning optimeeriti 802.11n standardis.
Paigaldamisstrateegiad.
Saavutavamaks maksimaalset läbilaset on soovitatav 802.11n võrk rajada kasutades 5 GHz sagedusvahemikku. 5 GHz vahemikus on märkimisväärselt rohkem ülekatvuseta kanaleidning seega palju vähem häireid kui 2,4 GHz sagedusribal. Ainult 802.11n võrk võib olla ebapraktiline, kuna leidub siiski kasutajaid, kelle raadiovõrguseadmed toetavad ainult vanemaid 802.11b(/g) standardeid. Segatöösüsteemis oleks optimaalne lahendus kasutada mitme raadioseadmega ligipääsupunkti suunates 802.11b/g liikluse 2,4 GHz vahemikku ning 802.11n liikluse 5 GHz raadiole. Selline ülesehitus eeldab, et 802.11n klientseadmed peavad olema 5 GHz võimekusega, mis ei ole siiski standardi nõue. Siiski üsna vähesed tänapäeval kasutusel olevad 801.11n seadmed on ainult 2,4 GHz toega. Selliseid seadmeid ei ole võimalik tarkvaraliselt uuendada 5 GHz peale, see eeldaks riistvara vahetamist. Mõned võimekamad seadmed oskavad sundida dualband seadmeid 5 GHz võrku ning ei vasta nende päringutele 2,4 GHz sagedusalas.
Maksimaalne töökaugus.
Standardis on viidatud maksimaalseks tööraadiuseks siseruumis "175+ feet" mis oleks 53+ meetrit. ning vabas looduses
250 meetrit. Läti tootja Mikrotik andmetel on võimalik nende seadmeid kasutades otsenähtavuse korral 300 Mbit/s ühendus kätte saada kuni 40 kilomeetrise vahemaa peale kasutades suundantenne.
40 MHz ribalaius 2,4 GHz sagedusvahemikus.
2,4 GHz  sagedusvahemik on üsna ülekoormatud. 802.11n võrgus on võimalik kahekordistada andmeedastus, suurendades ribalaiuse 40 MHz, mis suurendab andmeedastust veidi üle kahe korra. See valik hõivab litsentseeritamata 2,4 GHz võrgust kuni 82% ainult ühele võrguseadmele. Näiteks kolmas kanal, mille teine kanal on kõrgemal sagedusel (tuntud ka kui 3+7), kasutab ära esimesed 9 kanalist 13 olemasolevast.
Spetsifikatsiooni järgi on primaarkanal 20 MHz ribalaiusega ning teine kanal on sellest ±20 MHz eemal. Primaarkanalit kasutatakse suhtlusel klientidega, kes ei toeta 40 MHz ribalaiust. Kui ollakse 40 MHz režiimis, siis tegelik kesksagedus on primaarse ja sekundaarde kanali keskel.