Интерференция CCI «лучше», чем ACI (Wi-Fi)? И если да, то как это формализовать?

Question

[ritchie_kyoto]

Вопрос в большей мере научный.

Согласно подходу, описанному в [1] и других подобных исследованиях, коэффициент интерференции (IF - interference factor) между двумя устройствами IEEE 802.11n (маршрутизаторами Wi-Fi) может быть получен путем подсчета перекрытия спектральных масок OFDM сигнала. В этом случае максимальная IF будет, когда устройства совместно используют один и тот же канал (CCI — co-channel Interference).

[UPD 21.03.22] То есть, вот спектральная маска OFDM сигнала:


Рис. 1. Передаваемы спектральные маски OFDM модуляции, использующейся в стандартах 802.11.[1]


IF вычисляется вот по такой вот формуле:



где i и j - это номера каналов, tau = 5| i - j| [MHz] - это расстояние между центральными частотами каналов, Si(f) и Sj(F) - распределения мощностей сигналов по частотным спектрам каналов i и j соответственно.

В итоге получаем вот такие вот значения IF:


Рис. 2. Нормализованный I-factor для OFDM сигналов.[1]

Это физика процесса. НО!

Но классическая рекомендация при планировании Wi-Fi состоит в том, чтобы использовать несколько непересекающихся каналов (например, 1, 6, 11) и, следовательно, избегать ACI (adjascent channel interference). Кроме того, мы знаем, что CCI не является «чистой» электромагнитной интерференцией, существуют специальные механизмы, такие как NAV (network allocation vector) и CW (contention window), которые влияют на совместное использование ресурсов.

[UPD 21.03.22] Не значит ли это, что ACI с малым "расстоянием" между каналами - это все-таки хуже, чем CCI?

Кроме того, я провел несколько измерений с двумя маршрутизаторами 802.11n, которые связывались со своими станциями (с помощью iperf, полная загрузка эфира), и случай CCI при достаточно хорошем сигнале (RSSI) показал лучшие результаты, чем ACI с разницей в один канал:


[UPD 21.03.22] Рис. 3. Медианные значения суммарных скоростей для трех экспериментов с разным RSSI [UPD 22.03.22] между Wi-Fi роутерами (ACI) (по горизонтальной оси: та самая |i - j| - разность между номерами каналов).

Буду признателен, если кто-нибудь знает и может поделиться некоторыми соответствующими исследованиями о CCI IF!

Литература:
1. Mi, P. and Wang, X., 2012, June. Improved channel assignment for WLANs by exploiting partially overlapped channels with novel CIR-based user number estimation. In 2012 IEEE International Conference on Communications (ICC) (pp. 6591-6595). IEEE.

Answer 1

[Griboks]

Ничего не понятно о вашем исследовании. Допустим, вы не ошиблись в расчётах. Вы показываете график, где скорость выше при работе на разных неперекрывающихся каналах чем на одном и том же. Это логично и сходится с рекомендациями других исследователей. Так в чем заключается вопрос?

Comments

[ritchie_kyoto]

Немного добавил контекста в сам вопрос. Вопрос в том, есть ли какие-то математические модели, которые описывают CCI и ACI в одном "масштабе"? Ну, то есть с точки зрения физики OFDM, CCI - это худший случай, а с точки зрения практики (и реализации протокола) - ACI c разницей в один канал - это худший случай. Если смотреть с точки зрения спектральных масок OFDM, то интерференция прекрасно описывается одной формулой, но такой подход на практике заведомо ложный.

[Griboks]

ritchie_kyoto,

Немного добавил контекста в сам вопрос. Вопрос в том, есть ли какие-то математические модели, которые описывают CCI и ACI в одном "масштабе"?

Так вот же у вас формула взаимокорреляции приведена. Вот она и описывает межканальную интерференцию.

но такой подход на практике заведомо ложный

Почему ложный? Похоже на то, что ваш эксперимент проводился в "грязных" условиях.

я провел несколько измерений с двумя маршрутизаторами 802.11n

Я так полагаю, вы поставили два роутера с фиксированными каналами 1 и 1/2/3/4/..., к которым подключались два компьютера.

с помощью iperf, полная загрузка эфира

Iperf не даёт загрузку эфира. Он даёт скорость связи до приёмника. А что вы использовали в качестве приёмника? Второй компьютер? Тогда у вас второй канал имеет 50% загрузку вместо 100%.

при достаточно хорошем сигнале (RSSI)

На какой паре устройств?

И ещё очень много вопросов по поводу эксперимента. Хотя бы вы убедились, что никто вокруг не использует wifi?

[ritchie_kyoto]

1) Хорошо, давайте абстрагируемся от эксперимента. Я его привел, как иллюстрацию, а не как доказательство.

Ваш тезис:

Почему ложный?

Мой тезис:

Но классическая рекомендация при планировании Wi-Fi состоит в том, чтобы использовать несколько непересекающихся каналов (например, 1, 6, 11) и, следовательно, избегать ACI (adjascent channel interference). Кроме того, мы знаем, что CCI не является «чистой» электромагнитной интерференцией, существуют специальные механизмы, такие как NAV (network allocation vector) и CW (contention window), которые влияют на совместное использование ресурсов.
Не значит ли это, что ACI с малым "расстоянием" между каналами - это все-таки хуже, чем CCI?

Давайте обсудим для начала это.

2)

при достаточно хорошем сигнале (RSSI)

На какой паре устройств?

My fault, не уточнил: имеется ввиду RSSI между роутерами.

[Griboks]

ritchie_kyoto, видимо, вы не до конца поняли сути интерференции. Между парой трансиверов, например роутер и телефон, возникает пространственно-временная область, которая переносит сигналы между устройствами. В случае с wifi нас интересует в большей степени электромагнитный частотный спектр и его объём. Объём - это, грубо говоря, сфера радиуса 5 - 100 метров в зависимости от обстановки, которая содержит внутри себя колеблющееся электромагнитное поле. Частотный спектр поля изменяется только в небольшом интервале, например 20 МГц, который и называется каналом.

Очевидно, что если другая пара трансиверов одновременно использует ту же самую пространственно-временную область, в том числе тот же участок частотного спектра, то возникают помехи. Мы эти помехи можем контролировать, поэтому придумали для них специальное название - интерференция. Так вот, когда два канала перекрываются, возникает межканальная интерференция (ACI), предельный случай которой - совпадение двух каналов, т.е. внутриканальная интерференция (CCI). Поэтому принципиально ACI и CCI - это одно и тоже. В общем случае это называется внутрисистемной интерференцией. Если же помехи пришли не от нашей системы, т.е. их нельзя контроллировать, то это называется межсистемной интерференцией.

[Griboks]

ritchie_kyoto,

Кроме того, мы знаем, что CCI не является «чистой» электромагнитной интерференцией, существуют специальные механизмы, такие как NAV (network allocation vector) и CW (contention window), которые влияют на совместное использование ресурсов.

Действительно, wifi использует технологий ofdm, которая в пределах одного канала разбивает полосу частот на множество подканалов (поднесущих), поэтому интерференция считается чуть сложнее, чем перемножение спектральных масок. Но это не играет существенной роли в вопросе выбора каналов.

[ritchie_kyoto]

Griboks, то есть вы хотите сказать, что если у нас есть 4 Wi-Fi роутера в диапазоне 2.4 ГГц, то распределение по каналам 1-1-6-11 будет хуже, чем 1-2-6-11 ?

Действительно, wifi использует технологий ofdm, которая в пределах одного канала разбивает полосу частот на множество подканалов (поднесущих), поэтому интерференция считается чуть сложнее, чем перемножение спектральных масок. Но это не играет существенной роли в вопросе выбора каналов.

Учитываете ли вы в своем тезисе, что NAV и CW - это не часть OFDM как такового, а часть CSMA/CA?



Схема интервалов доступа к среде при использовании NAV: станция посылает RTS (request to send), приемник отвечает CTS (clear-to-send) в качестве подтверждения; остальные станции заполняют свои NAV, которые соответствуют необходимому времени для пересылки служебных и пользовательских данных.

То есть это уровень множественного доступа, а не модуляции сигнала.

Меня интересует вопрос, не нивелируется ли физика CCI на уровне множественного доступа? Я могу быть не прав, но мне кажется, что CCI - это более управляемый случай, и поэтому скорость он должен давать большую, чем ACI с небольшой разницей каналов. Мне казалось, именно этим было продиктовано то, что в 5ГГц вообще нет пересекающихся 20МГц-х каналов.

[Griboks]

ritchie_kyoto,

то есть вы хотите сказать, что если у нас есть 4 Wi-Fi роутера в диапазоне 2.4 ГГц, то распределение по каналам 1-1-6-11 будет хуже, чем 1-2-6-11 ?

Нет. В моём примере только 2 роутера. Если у нас есть два роутера, то лучше использовать два неперекрывающихся канала, например 2 и 9.

Учитываете ли вы в своем тезисе, что NAV и CW - это не часть OFDM как такового, а часть CSMA/CA? То есть это уровень множественного доступа, а не модуляции сигнала.

В том то и дело, что интерференция возникает на физическом уровне. А на канальном уровне возникает временная интерференция, которую принято называть коллизиями.

Меня интересует вопрос, не нивелируется ли физика CCI на уровне множественного доступа?

Ну если так совпало, что оба роутера и оба телефона поддерживают одинаковый стандарт + имеют одинаковые прошивки и настройки + у них получилось синхронизировать между собой два канала, то тогда, по сути, в идеальном случае, это уже перестаёт являться CSMA (вероятностым доступом), ведь доступ к каналу заведомо распределён между устройствами.

CCI - это более управляемый случай, и поэтому скорость он должен давать большую, чем ACI с небольшой разницей каналов

В этом есть доля правды. Когда каналы перекрываются, но ещё не совпадают, трансивер может прочитать в эфире лишь кусок чужого сигнала, ограниченного спектральной маской приёма. Чем меньше этот кусок, тем выше вероятность нераспознать стандарт связи, т.е. этот кусок превращается в неконтролируемую помеху. Следовательно, механизмы избежания коллизий уже не работают, скорость падает. С другой стороны, если этот кусок имеет большую мощность, то его всё ещё можно распознать и включить защиту от коллизий. С третьей стороны, если этот кусок имеет маленькую мощность, то его можно просто игнорировать, что немного повысит вероятность ошибочного приёма, но не критично. Значит, эффективность работы CSMA/CA зависит от мощности помехи и спектральной маски приёмника.

Мне казалось, именно этим было продиктовано то, что в 5ГГц вообще нет пересекающихся 20МГц-х каналов.

Теперь рассмотрим случай неперекрывающихся каналов. Тут всё просто - никакой интерференции и коллизий. Скорость в ~2 раза больше, но в 2 раза меньше свободных каналов. Грубо оценим спектральную эффективность (802.11n SISO DL): V/Δf=(V1+V2)/(Δf1+Δf2)=(72.2+72.2)/(20+20)=3.61.

Далее рассмотрим случай, где вместо двух роутеров и двух телефонов используется один роутер и два телефона. CCI и ACI отсутствуют, коллизии сокращаются на ~30%. Скорость в ~1.3 раза больше, но в 2 раза больше свободных каналов. Cпектральная эффективность: V/Δf=(V1+V2)/Δf=(36.1+36.1)/20=3.61.

Вывод: нужно использовать один единый роутер (одну сеть) на всех телефонах.

[ritchie_kyoto]

Griboks

В этом есть доля правды. Когда каналы перекрываются, но ещё не совпадают, трансивер может прочитать в эфире лишь кусок чужого сигнала, ограниченного спектральной маской приёма. Чем меньше этот кусок, тем выше вероятность нераспознать стандарт связи, т.е. этот кусок превращается в неконтролируемую помеху. Следовательно, механизмы избежания коллизий уже не работают, скорость падает. С другой стороны, если этот кусок имеет большую мощность, то его всё ещё можно распознать и включить защиту от коллизий. С третьей стороны, если этот кусок имеет маленькую мощность, то его можно просто игнорировать, что немного повысит вероятность ошибочного приёма, но не критично. Значит, эффективность работы CSMA/CA зависит от мощности помехи и спектральной маски приёмника.

Вот! Я к тому и подводил (за неточность в терминах извиняюсь). Можем ли мы как-то формализовать этот вероятностный процесс, не встречали исследований на эту тему?

[Griboks]

ritchie_kyoto, хм, никогда этим не интересовался. Вы можете провести "правильный" эксперимент или прочитать сам стандарт. Но, возможно, конкретный алгоритм в стандарте не предопределён, и вендоры самостоятельно его придумывают. Тогда это уже коммерческая тайна как в случае с планировщиками для мобильной связи.

[ritchie_kyoto]

Griboks, спасибо за дискуссию!