Формирование луча bfr что это
Что такое Beamforming
Формирование луча одно из тех понятий, которое кажется настолько простым, что удивляешься, почему раньше никто про это не думал. Вместо того, чтобы транслировать сигнал во все стороны в надежде, что он достигнет пункта назначения, почему бы не сфокусировать этот сигнал, и не направить его прямо в цель?
Иногда самые простые понятия являются наиболее сложными для реализации, особенно в начальном ценовом диапазоне (SOHO сегмент). Начиная с пятого поколения Wi-Fi (802.11ac) эта функция, наконец, появилась в домашних маршрутизаторах.
История развития Beamforming
Немного предыстории: формирование луча было на самом деле дополнительной функцией более старого стандарта 802.11n, но IEEE (международный орган, который устанавливает эти стандарты) не разъяснил, как именно это должно было быть реализовано. И могло получиться так, что вы купили роутер, и он использует одну реализацию, а Wi-Fi адаптер в вашем ноутбуке использует другую, в этом случае формирование луча не заработает.
Некоторые производители разрабатывали свои комплекты 802.11n, но они, как правило, были дорогими и не пользовались широким спросом на рынке.
Формирование луча фокусирует сигналы, которыми обмениваются Wi-Fi маршрутизатор и клиенты, с которыми он связан.
Формирование луча способствует более эффективному использованию полосы пропускания беспроводной сети и увеличивает радиус ее действия. Это, в свою очередь улучшает потоковую передачу видео, качество голоса и работу других приложений, чувствительных к пропускной способности, задержке и джиттеру.
Beamforming стал возможным благодаря передатчикам и приемникам, которые используют технологию MIMO (множественный вход, множественный выход): данные отправляются и принимаются с использованием нескольких антенн для увеличения пропускной способности и дальности. MIMO был впервые представлен стандартом 802.11n, и он остается важной функцией стандарта 802.11ac и 802.11ax. MIMO может работать по схеме 1×1, 2×2 и 3×3, последний означает поддержку 3-х пространственных потоков для передачи и приема.
Как работает формирование луча
Беспроводные маршрутизаторы (или точки доступа) и беспроводные адаптеры, которые не поддерживают формирование луча, ведут широковещательную передачу данных во всех направлениях. Представьте лампу без абажура в качестве беспроводного маршрутизатора: лампа (передатчик) излучает свет (данные) во всех направлениях.
Устройства, поддерживающие формирование луча, фокусируют свои сигналы на каждом клиенте, ведя передачу данных таким образом, чтобы больше данных достигало целевого устройства, а не излучалось в пространство. Теперь установим на лампу (беспроводной маршрутизатор) абажур, чтобы уменьшить количество света (данных), излучаемых во всех направлениях. Сделаем отверстия в абажуре, чтобы концентрированные лучи света перемещались в определенные места (ваши клиенты Wi-Fi) в комнате.
Если Wi-Fi клиент также поддерживает формирование луча, маршрутизатор и клиент могут обмениваться информацией об их соответствующих местоположениях, чтобы определить оптимальный путь прохождения сигнала. Устройство, которое формирует луч и его сигналы, называется beamformer, а любое устройство, которое принимает сформированные лучом сигналы, называется beamformee.
Сигналы, исходящие с антенн роутера откалиброваны с необходимым смещением фаз и амплитудой, и они испытывают конструктивную (усиливающую) интерференцию непосредственно в области приемной антенны абонентского оборудования, а в других направлениях проявляется деструктивная (гасящая) интерференция.
Роутер отправляет со всех своих антенн зондирующий сигнал клиенту. Клиент отвечает роутеру то, что он увидел и отправляет набор комплексной матрицы с параметрами местоположения, фазовым сдвигом и амплитудой сигнала.
Роутер вычисляет местоположение клиента, делает, если нужно поправки в сигнале и формирует узконаправленный главный лепесток в направлении от точки доступа к клиенту. А чем выше соотношение сигнал/шум на клиенте, тем выше модуляция и тем большей скорости можно достигнуть.
В чем разница между неявным и явным формированием луча?
Формирование луча может значительно повысить уровень сигнала устройств, которые фактически не поддерживают формирование луча, хотя и не так сильно, как это происходит на поддерживаемом устройстве.
Явное формирование диаграммы направленности означает, что луч формируется, только если устройство на другом конце поддерживает формирование луча (explicit Beamforming – eBF). В этом случае используются специальные калибровочные кадры от клиента. Поддержку eBF реализована в стандартах 802.11ac и ax.
Неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF) будет пытаться сформировать луч, даже если конечное устройство его не поддерживает. Это упрощенный вариант алгоритма eBF. Роутер оценивает канал связи на основании принятых данных от клиента. Точка доступа объявляет, на каких скоростях она может работать. Клиент в зависимости от параметров принятого сигнала отвечает, что он будет работать на такой-то скорости. Путем итераций точка доступа меняет скорость и фазовый сдвиг на антеннах, и смотрит, что ответит клиент. Если клиент повысил скорость, принимается решение что все хорошо. Так продолжается до тех пор, пока не будет установлена максимальная скорость со стороны клиента.
Технология Beamforming это еще один метод для улучшения скорости беспроводной сети, и используя ее совместно с MIMO можно получить очень хорошие результаты.
Beamforming – что это в роутере?
ВОПРОС! Всем привет. Скажите, пожалуйста, а что такое Beamforming? На роутере наклеена подобная надпись, но не понимаю, что это.
БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это формирование направленного луча радиосигнала по Wi-Fi. Если говорить грубо, то роутер примерно понимает, где находится ваш ноутбук, телефон, планшет или даже телевизор, формирует концентрированный направленный сигнал в этом направлении, и клиентское устройство принимает лучший сигнал. А как мы знаем, чем лучше идет сигнал, тем больше скорость обмена данными. Данная технология впервые в работоспособном виде появилась в WiFi стандарте 802.11ac. А теперь более подробно про саму технологию ниже в статье.
Как работает технология?
Начнем с того, что сама технология впервые появилась в стандарте 802.11n, но была проблема в том, что каждый производитель своего оборудования по-своему её реализовывал с разными алгоритмами. И как итог – она могла работать только между устройствами одного производителя. И уже с выходом 802.11ac данная технология заработала как надо, так как появился один всеобщий стандарт. Даже сейчас стандарт 802.11n еще остается достаточно популярным, но вот TX Beamforming на нем работает только в очень редких случаях.
Beam forming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет за счет нескольких антенн передавать данные на несколько устройств одновременно. И вот MIMO уже появился при стандарте 802.11n.
MIMO позволяет создавать несколько потоков и по ним одновременно передавать данные. Есть два вида MIMO:
В скором времени вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии у роутера сразу нескольких антенн – то есть данные с каждой антенны передаются на одно конкретное устройство. Это достаточно удобно, ведь теперь не нужно ждать очереди, чтобы получить доступ к сети и интернету. У MU-MIMO есть схемы:
Если у роутера 3 антенны, и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно общаться сразу с 3-мя устройствами.
Transmit Beamforming использует сразу несколько антенн, для того, чтобы понять примерно расположение устройства в пространстве. На сам деле каждая антенна транслирует радиосигнал равномерно во все направления – тут ничего не поделаешь. И тут встает вопрос – как можно усилить и улучшить сигнал в конкретном место, там, где находится телефон, планшет или ноутбук?
На помощь нам приходит физика и понятие интерференции. Интерференция – это когда при наложении двух волн, мы видим, что в одном месте идет усиление колебания и сигнал становится лучше, а в другом колебания становятся слабее и сигнал ухудшается.
Давайте посмотри на примере. У нас есть роутер с двумя антеннами. Каждая антенна начинает испускать радиоволны. И есть два клиента. Пассивный клиент – это тот, который ждет своей очереди, то есть в данный момент времени информация на него не передается, и он ничего не принимает.
Активный клиент – это тот клиент, который принимает данные от роутера в данный момент времени. Beamforming работает таким образом:
На картинке выше активен 1-ый клиент, и антенны подстраивают радиоволны таким образом, чтобы в месте, где находится устройство, была максимальная интерференция и наложение двух волн, исходящих от двух антенн.
Потом второе устройство становится активным (смотрим на картинку ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.
Но не забываем, что не один роутер участвует в анализе расположения клиентских устройств. Сам клиент выступает главным звеном нашей задачи. Получается такая схема:
Но это мы рассмотрели схему, при которой оба устройства поддерживают Beamforming. В таком случае считается, что луч формируется явно (implicit Beamforming, iBF). Если же клиентское устройство не поддерживает эту технологию, и не может передать лист с данными о приеме Channel State Information (CSI), то маршрутизатор все равно пытается примерно понять, где расположено устройство на основе принятых данных от клиента, а также оценивает канал связи.
Так называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В интернете можно встретить огромное множество комментариев по поводу того, что данная технология является просто маркетинговым ходом. Но на деле она сильно увеличивает качество связи и скорость передачи данных.
Beamforming в теории может обнулять помехи, за счет отправки в сторону источника помех определенного сигнала, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.
Напомню, что активно данная технология используется в Wi-Fi 6-го поколения – про него можете подробно почитать тут. Также если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую почитать дополнительные материалы:
Видео
Технология TX Beamforming — Что Это В Роутере?
Читая технические спецификации современных wifi маршрутизаторов, все чаще на глаза попадается такое понятие, как TX Beamforming. Что это в роутере, я расскажу в этой статье.
Технология TX Beamforming
Говоря простым языком, beamforming — это технология формирования направленного луча в сторону принимающего беспроводной сигнал устройства. Ее ещё называют TX Beamforming, то есть «концентрирование излучения».
Обычные антенны роутера ретранслируют вайфай с одинаковой амплитудой во все стороны, покрывая равномерную площадь вокруг. При этом более дорогие модели бывают оснащены сразу несколькими антеннами в одном частотном диапазоне. Их излучение накладывается друг на друга, благодаря чему увеличивается качество wifi.
Благодаря формированию луча beamforming можно дополнительно улучшить за счёт того, что он распространяется не равномерно вокруг себя, а как бы вытягивается в сторону подключенного к нему девайса.
Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий и других источников радио помех.
Но как быть, если с роутером в одно время работает несколько смартфонов, ноутбуков и других гаджетов? Здесь включается умный алгоритм Beamforming, который автоматически определяет, от каких из них ответ приходит быстрее, от каких медленнее, и в какую соответственно сторону нужно направить более мощный сигнал.
Главной сложностью при ее внедрении в устройства является особая настройка антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. Поэтому в недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является больше маркетинговым ходом, нежели действительно фактором, сильно повышающим стабильность приема в отдаленных участках помещения.
Если речь идёт о стандарте wifi 802.11n, то для достижения максимального эффекта нужно, чтобы и приемник, и передатчик работали по одной и той же технологии beamforming. Поэтому рекомендуется использовать оба устройства одной фирмы — роутер и wifi адаптер.
В более новом 802.11ac beanforming уже является составной частью стандарта, поэтому производитель значения не имеет.
Формирование луча на практике
Подведем итог — каким образом эти знания могут нам пригодиться на практике? Нужно ли обращать внимание на наличие технологии формирования направления излучения TX Beamforming в маршрутизаторе?
Beamforming / Формирование луча
Beamforming (формирование луча) – происходит, когда точка доступа и конкретный клиент направляют радиочастотные сигналы непосредственно друг на друга, чтобы улучшить пропускную способность для этого клиента. У некоторых производителей могут рекламироваться фирменные наименования, но все они являются реализациями одного и того же стандарта с незначительными улучшениями или дополнениями.
Как это работает
Одна антенна, передающая беспроводной сигнал, излучает этот сигнал во всех направлениях (если только он не заблокирован каким-либо физическим объектом). Так работают электромагнитные волны. Но когда необходимо сфокусировать этот сигнал в определенном направлении, чтобы сформировать целевой луч электромагнитной энергии используется несколько антенн в непосредственной близости, каждая из которых передает один и тот же сигнал в разное время. Перекрывающиеся волны будут создавать помехи, которые в некоторых областях являются конструктивными (они усиливают сигнал), а в других областях – деструктивными (они делают сигнал слабее или не обнаруживаемым). При правильном выполнении этот процесс формирования луча может сфокусировать ваш сигнал там, где вы хотите.
Преимущества и ограничения Beamforming
Фокусируя сигнал в определенном направлении, Beamforming позволяет вам отправлять сигнал более высокого качества для клиентского устройства, что на практике означает более быструю передачу информации и меньшее количество ошибок, без необходимости увеличения мощности вещания. В качестве дополнительного преимущества, поскольку вы не транслируете свой сигнал в направлениях, где он не нужен, формирование луча может уменьшить помехи.
Ограничения формирования диаграммы направленности в основном связаны с необходимыми вычислительными ресурсами. Существует множество сценариев, в которых время и ресурсы требуемые для расчетов формирования диаграммы направленности, сводят на нет ее преимущества. Но постоянные улучшения в мощности и эффективности процессоров сделали методы формирования луча достаточно доступными для встраивания в потребительское сетевое оборудование.
Когда использовать
Формирование луча улучшает ваши характеристики на среднем и дальнем расстоянии. Включение формирования луча может повысить уровень вашего сигнала в ранее труднодоступных местах, таких как край дома или рядом с шкафом. Однако при небольшом пространстве, таком как небольшая квартира или студия, прироста производительности может быть ограничен, поэтому следует протестировать полезна ли опция.
Развитие
Beamforming – 802.11n
Beamforming стало появляться в маршрутизаторах еще в 2008 году, с появлением стандарта Wi-Fi 802.11n и поддерживал технологию с несколькими входами и несколькими выходами, или MIMO, в которой формирование диаграммы направленности необходимо для отправки нескольких перекрывающихся сигналов.
Beamforming – 802.11ac и 802.11ac Wave2
В 2016 году со стандартом 802.11ac все изменилось. Существует набор определенных методов формирования диаграммы направленности для устройств Wi-Fi. В 802.11ac Wave2 – для точек доступа стало возможным отправлять до четырех потоков одновременно и неявное формирование луча.
Beamforming – 802.11ax
В 2019 году 802.11ax допускает восемь одновременных потоков и использует технологию явного формирования луча для более точного наведения этих потоков на антенну приемника.
Способы формирования луча
Есть несколько способов, которыми может работать формирование луча Wi-Fi.
Явное формирование луча (Explicit Beamforming) – если маршрутизатор и конечная точка поддерживают формирование луча в соответствии со стандартом 802.11ac, они начнут свой сеанс связи с небольшого «рукопожатия», которое помогает обеим сторонам установить свои соответствующие местоположения и канал, по которому они будут производить передачу данных.
Неявное формирование луча (Implicit Beamforming) / Универсальное формирование луча (Universal Beamforming) – если клиентские устройства поддерживающие только 802.11n или более старые стандарты, то маршрутизатор с формированием диаграммы направленности все еще может пытаться нацеливаться на эти устройства, но без помощи со стороны конечной точки он не сможет выполнить настройку с такой точностью. Теоретически данный способ формирования луча работает с любым устройством.
Beamforming и MU-MIMO / SU-MIMO
Формирование луча является ключевым моментом для поддержки многопользовательской MIMO или MU-MIMO.
SU-MIMO использует формирование луча для улучшения мощности сигнала и достижения более высоких скоростей для одного клиента.
MU-MIMO использует формирование луча, чтобы направить энергию одному клиенту и отвести эту энергию от других клиентов, адресованных при передаче MU-MIMO, таким образом связь от маршрутизатора эффективно нацелена на каждого подключенного клиента.
Beamforming
Каждый может попробовать бросить камень в воду, будут волны, распространяющиеся в сторону. Если вы бросите еще один камень, два вида волн будут перекрываться. Если вы бросаете еще больше камней, эти круговые волны будут разбиты, потому что они мешают друг другу. Это похоже на сегодняшние беспроводные помехи: так много беспроводных устройств (маршрутизаторов или точек доступа) распространяют сигнал во всей области, и эти сигналы подобны волнам, мешающим друг другу. Чем больше их, тем более неустойчивым будет ваше интернет-соединение, что вызовет проблемы.
Основы формирования луча
В очень упрощенных объяснениях формирование луча связано с фокусировкой сигнала Wi-Fi в определенном направлении.
Beamforming обещает быстрый, более сильный Wi-Fi-сигнал с большим диапазоном для каждого устройства. Вместо того, чтобы просто транслировать по всех направлениях, маршрутизатор/точка доступа пытается широковещать беспроводные данные, предназначенные для устройства, что является оптимальным для устройства.
802.11ac vs 802.11n
Благодаря спецификации 802.11ac это было исправлено. Существует стандартный способ формирования диаграммы направленности, и любые устройства 802.11ac, которые поддерживают формирование диаграммы направленности, будут работать с другими, которые также это делают. По сути, устройства 802.11ac, такие как ваш маршрутизатор и ноутбук, могут взаимодействовать друг с другом и предоставлять информацию об их относительных позициях.
Типы формирования луча
Существует два типа Beamforming: неявный (implicit) и явный(explicit).
Наличие двух устройств, работающих вместе, даст вам самое сильное возможное соединение, и поэтому явный Beamforming намного эффективнее, чем неявный.
Следует отметить, что поддержка 802.11ac не означает, что устройство поддерживает Beamforming.
Явное формирование луча зависит от обратной связи с клиентом. Это позволяет точке доступа задавать свои параметры формирования луча с большей точностью, что, в свою очередь, позволяет использовать более направленный луч. Вместо того, чтобы звуковые кадры передавались от клиента к точке доступа, они отправляются с точки доступа клиенту. Клиент записывает, как он получил звуковые кадры и строит матрицу (описанную ниже). Затем эта матрица передается обратно в точку доступа. Благодаря ей точка доступа может точно рассчитать, как передавать данные.
С другой стороны, Implicit Beamforming позволяет более старым устройствам без технологии 802.11ac получать некоторые преимущества, принесенные Beamforming. Если ваша точка доступа имеет технологию Beamforming, но клиент нет, соединение всеравно будет немного улучшено.
При использовании неявного формирования луча точка доступа предполагает, что настройки, которые позволяют ей лучше всего слышать клиента, также являются настройками, которые позволяют клиенту лучше всего слышать точку. Это предположение обычно полезно, но не всегда полностью точно. Настройка для неявного формирования луча очень проста. Точка доступа просит клиента отправить предсказуемый набор звуковых кадров. Затем она прослушивает эти звуковые кадры, отмечая, когда и как они принимаются на каждой из своих антенн. Это позволяет точке доступа задуматься о шаблоне, который она должна использовать для передачи.
Явные матрицы формирования луча
Эта матрица известна как информация о состоянии канала Channel State Information (CSI). CSI сжимается и возвращается в точку доступа. Для калибровки явного формирования луча точка доступа должна выполнять инверсию матрицы в CSI. Как только это будет сделано, точка доступа будет применять параметры от инвертированной матрицы к антенной решетке. В результате антенны, которые были услышаны в последний раз, транслируются раньше, чем те, которые были услышаны первыми. Мы можем компенсировать небольшие амплитудные расхождения аналогичным образом.
Размер сжатого CSI может сильно варьироваться в зависимости от количества антенн и количества интересующих нас каналов. Большой CSI может быть более 20 КБ.
В заключение
Beamforming является более сложным, чем другие технологии антенны, но является очень полезным. Антенна является единственным самым слабым звеном в сети, и формирование луча решает эту проблему.