Älykäs antenni vauhdittaa wlania

Pertti Hämäläinen • Piirros: Petri Rotsten

Älykäs antenni vauhdittaa wlania

Uusien langattomien verkkojen nopeus on usein pettymys. Yhtenä syynä tähän ovat tukiasemien kehittymättömät antenniratkaisut.

Entistä nopeampien langattomien verkkojen 802.11n-standardiluonnos on niin pitkällä, että laitevalmistajat ovat alkaneet tuoda markkinoille sitä tukevia tuotteita yrityskäyttöön. Wi-Fi-konsortiokin myöntää jo hyväksyntäleimoja esistandardeille tuotteille.

Standardiin sisältyvä mimo-toiminto sallii sekä tukiasemien että työasemien käyttävän neljää antennia rinnakkaisten tietovirtojen lähettämiseen. Spatiaalisen limityksen nimellä tunnettu menettely nostaa tiedonsiirtonopeuden teoriassa jopa 600 megabittiin sekunnissa.

Koska toisistaan riippumattomia tietovirtoja ei käytännön oloissa koskaan saada kulkemaan kovin monta rinnakkain, valmistajat säästävät kustannuksia ja toteuttavat tukiasemansa usein vain kolmella ja työasemat kahdella antennilla. Rinnakkaisia tietovirtoja voi tällöin kulkea enintään kaksi, ja verkon nimellisnopeus jää 300 megabittiin sekunnissa.

Teholliset nopeudet jäävät parhaimmillaankin noin sataan megabittiin, mihin on monta syytä. Niistä vähemmän tunnettu on, että nykysukupolven 802.11n-piirisarjat eivät yleensä toteuta kaikkia standardiluonnokseen sisältyviä valinnaisia tekniikoita.

Eräs tällaisista tekniikoista on muun muassa tutka- ja kaikuluotainjärjestelmissä pitkään käytetty keilanmuodostus (beam forming). Matkapuhelinjärjestelmissä sen käyttötapoja on kehitetty jo 2g-kaudesta alkaen, mutta tekniikan mahdollisuuksia aletaan vasta vähitellen oppia hyödyntämään langattomien lähiverkkojen tarpeisiin.

Suunta hukassa

Tavallinen wlan-tukiasema käyttää ympärisäteileviä antenneja, jotka lähettävät signaalin joka suuntaan yhtä voimakkaana. Tällainen antenni on järkevä toimistossa, jossa työasemia voi olla joka suuntaan tukiasemasta. Jos kuitenkin ympärisäteilevä antenni asennetaan esimerkiksi kiviseinän viereen, antennin toiminta-alueesta jää puolet käyttämättä.

Toinen vaihtoehto on suunta-antenni, jonka signaali kohdistetaan ennalta määrättyyn sektoriin. Leveän sektorin antennit ovat paras ratkaisu, kun laajalla alueella on hajallaan paljon työasemia, jotka halutaan jakaa omille kanavilleen jaetun radiokaistan säästämiseksi. Kapeakeilaiset suunta-antennit taas sopivat vaikkapa kahden kaukana toisistaan olevan verkon yhdistämiseen. Niillä voidaan myös rakentaa haja-asutusalueiden wlan- tai wimax-peittoa: kun pieni joukko käyttäjiä asuu hajallaan, antennit voidaan kohdistaa suoraan heidän koteihinsa.

Edellä kuvatut antenniratkaisut ovat sikäli tyhmiä, että ne eivät osaa mitenkään säätää toimintaansa työasemien todellisen sijainnin mukaan. Tyhjä osasektori saa osakseen yhtä voimakkaan signaalin kuin työasemia kuhiseva alue. Osa lähetystehosta menee siis hukkaan.

Helppo ratkaisu olisi peittää alue suurella joukolla kapeakeilaisia antenneja ja käyttää juuri sitä antennia, jonka keilassa haluttu työasema on. Menetelmä on kuitenkin kallis, ja sitä käytetään mieluummin suurten päätelaitemäärien kattamiseen kuin yksittäisten liikkuvien käyttäjien palvelemiseen.

Älykkäät antennijärjestelmät osaavat suunnata lähetystehonsa juuri sille työasemalle, jonka kanssa kulloinkin halutaan keskustella. Antennin keilan liikuttaminen mekaanisesti käyttäjän mukana ei tietenkään ole käytännöllistä, joten suuntaus toteutetaan sähköisesti.

Lisätehoa vanhoille tekniikoille

Keilanmuodostustekniikan yleistymisen hidasteita havainnollistaa Ciscon ensimmäinen yritys alueella. 802.11n-tekniikalla toimiva Cisco Aironet 1140 on tavallinen mimo-tukiasema, jossa on kolme vastaanottavaa ja kaksi lähettävää antennia. Se siis tukee kahta rinnakkaista tietovirtaa työasemiin.

Tukiasemaan on kuitenkin huhtikuussa luvassa päivitys, joka tehostaa vanhojen 802.11a/g-tekniikalla toimivien työasemien liikennöintiä keilanmuodostusta hyödyntäen. Tekniikka on peräisin Ciscon puolitoista vuotta sitten ostamalta Navini Networks -yritykseltä.

Ciscon Clientlinkiksi nimeämä tekniikka parantaa liikennöintinopeutta tukiasemalta työasemalle. Koska 802.11a/g-työasemat eivät tue mimo-tekniikkaa, ei tukiaseman antenneilla kannata lähettää kahta erillistä tietovirtaa. Sen sijaan niitä voidaan käyttää lähetystehon parantamiseen työaseman sijainnin mukaan.

Jokainen tukiaseman antenneista vastaanottaa työaseman lähettämän signaalin hiukan erilaisena: Vaihe ja amplitudi vaihtelevat signaalin etenemistien mukaan. MRC-algoritmilla (Maximal Ratio Combining) näistä erilaisista signaaleista muodostetaan yksi yhdistetty signaali. Menettely on normaali 802.11n-tukiasemien toiminto, mutta se auttaa vain työasemalta tukiasemalle kulkevien signaalien parantamisessa.

Clientlink tallentaa signaalin ominaisuudet eri antenneilla työasemakohtaisesti ja säätää lähetettävän signaalin näiden tietojen avulla antennikohtaisesti. Näin signaalit saadaan vaiheistettua mahdollisimman hyvin kunkin työaseman suuntaan. Koska kokonaislähetystehoa ei kasvateta, solun koko säilyy samana, eivätkä etäisyydet kasva. Kuuluvuus kuitenkin paranee varsinkin katvealueilla, ja signaalin parantuessa myös tehollinen siirtonopeus kasvaa.

Cisco lupailee jopa 65 prosentin parannuksia, mutta todelliset tulokset vaihtelevat käytännön olosuhteiden mukaan. Clientlink ei vaikuta suoraan 802.11n-työasemiin, joita varten tukiaseman antenneja käytetään spatiaaliseen limitykseen eli rinnakkaisten tietovirtojen lähetykseen. Radiotie on kuitenkin jaettu resurssi, joten koko verkko hyötyy siitä, että tiedonsiirto 802.11a/g-työasemille nopeutuu.

Antenni seuraa työasemaa

Älykkäitä antenniratkaisuja 802.11n-verkkoihin on toistaiseksi saatavissa pieniltä yrityksiltä. Eräs tällainen on kalifornialainen Ruckus Wireless.

Yhtiön Beamflex–tekniikassa käytetään enemmän antenneja kuin tavallisessa mimo-tukiasemassa. Antennit ovat kaiken lisäksi suuntaavia, eivätkä tavalliseen tapaan ympärisäteileviä. Esimerkiksi kahdellatoista erillisellä suuntaelementillä voidaan tuottaa 4096 erilaista antennikombinaatiota, joten lähetyskeila pystytään suuntaamaan varsin tarkasti.

Järjestelmän ytimessä on jatkuvasti radioliikennettä tarkkaileva ohjain, joka valitsee optimaaliset antennikombinaatiot tosiajassa, satoja kertoja sekunnissa. Liikkuviin työasemiin lähetyssignaalit voidaan suunnata uudelleen pakettikohtaisesti.

Ruckusin antennijärjestelmä toimii itsenäisesti fyysisellä kerroksella, joten sen päälle voidaan sovittaa nykyisten wlan-tukiasemien siruteknologiaa ilman muutostarpeita. Tässä suhteessa se eroaa Ciscon Clientlinkistä, jossa tukiaseman piirisarjan äly ohjaa standardiantenneja.

Kun antenneja on enemmän, myös spatiaalinen limitys voidaan yhdistää keilanmuodostukseen toisin kuin Clientlinkissä, jossa tekniikat ovat toisensa poissulkevia. Signaalien ylikuuluminen ja pakettihäviöt vähenevät, mikä tehostaa tiedonsiirtoa merkittävästi.

Ruckus lupaileekin tekniikalleen suuria: parempaa kuuluvuutta, vakaampia yhteyksiä, parempaa häiriönsietoa, pitempiä etäisyyksiä ja vähemmän signaalin ylikuulumista tarkoitetun verkon alueen ulkopuolelle.

Hidasteita matkalla

Keilanmuodostus auttaa vain kommunikoitaessa yksittäisen työaseman kanssa. Kaikille työasemille lähetettävät levitysviestit on edelleen parasta lähettää koko alueen kattavalla antennilla.

Ciscon Clientlink tekee päätökset työasemien lähettämien signaalien ominaisuuksien perusteella. Ei kuitenkaan ole varmaa, että radiotie on symmetrinen: optimaalinen liikenne voi vaatia erilaiset parametrit tukiasemalta työasemalle.

Ihanteellisessa maailmassa myös työasemien wlan-piirit tukisivat keilanmuodostusta. Parhaisiin säätöihin päästään nimittäin vasta, jos tukiasema voi lähettää tunnustelukehyksiä, joihin työasema vastaa palautekehyksellä.

Tällaiset toiminnot sisältyvät 802.11n-standardin määrityksiin. Keilanmuodostus on standardissa kuitenkin valinnainen osa, eikä Wi-Fi-konsortio ole sisällyttänyt toimintoa ristiintoimivuustesteihinsä. Aika näyttää, milloin keilanmuodostuksesta tulee langattomien lähiverkkojen vakiotoiminto.