Хорошо

#WiFi6 и виртуальный оркестр.

Последний ответ май 21, 2020 15:23:39 291 17 6 0


Множество статей в интернете описывают преимущества Wi-Fi 6 опираясь на значения задержки, пропускной способности и других характеристик. Все это здорово, но несколько оторвано от реального пользовательского опыта. Что именно станет лучше и насколько оно станет лучше? Можно ли привести наглядный «видимый и слышимый» пример улучшений?


Модель искажений сигнала


КДПВ. К этому мы должны в итоге придти :)


Понятно, что, если у вас слабый сигнал, забиты диапазоны 2,4 и 5 ГГц и сеть работает плохо – конечно станет гораздо лучше. И сравнивать это нельзя, потому что неизвестно насколько плохо сейчас. Но если сеть вроде бы работает, все нормально, видео грузиться, скайп шевелится, фильмы скачиваются… Есть ли явные примеры, когда Wi-Fi 6 заметно изменит ситуацию?


Первое, что приходит в голову – онлайн игры или VR. Современные шутеры очень требовательны к пингу, сокращение задержки в несколько раз – кардинально повлияет на пользовательский опыт. 


Но с другой стороны… Не так уж это наглядно. Проф. игрокам, наверное, будет интересно увидеть, насколько плавнее начнут двигаться соперники, а вот всем остальным думаю быстро станет скучно.


И тут я вспомнил как несколько дней назад меня просили подсказать приложения для онлайн репетиций музыкантов. Еще недавно, идея репетировать «по скайпу» была бы, мягко говоря, странной. Но ситуация в мире заставляет искать новые решения и сегодня я знаю уже несколько небольших коллективов (в основном в сфере обучения музыке) регулярно проводящих репетиции онлайн. 


Во время обычной конференции в skype или zoom задержки сигнала могут быть довольно велики, обычно от нескольких десятых секунды и выше. Но при онлайн репетиции задержка должна быть много меньше. 

Но насколько меньше? Давайте попробуем разобраться.


Для начала определим из чего складывается задержка сигнала, от микрофона одного музыканта, до динамика другого в достаточно типичной системе, когда оба выходят в интернет через Wi-Fi-роутер (с телефона или ноутбука)?


1. Оцифровка сигнала, упаковка в пакеты данных.

2. Передача пакета на роутер через Wi-Fi

3. Передача по проводам провайдера от одного абонента другому

4. Передача пакета с роутера на телефон/ноутбук, через Wi-Fi

5. Перевод сигнала в аналог и воспроизведение.


Из чего будет складываться задержка в этом случае?


Операции преобразования сигнала очень быстрые. 


Передача по проводам провайдера (чаще всего музыканты находятся в одном городе) – тоже обычно занимает не больше нескольких мс (и в любом случае повлиять на них мы не можем). 


Самое затратное это Wi-Fi. Это ожидание пока накопиться буфер для отправки пакета (рассмотрим позже), и, конечно, непосредственно передача данных по воздуху.


Проверим, как быстро пакеты могут быть доставлены в типичных условиях.


img 1. Данные


Среднее время задержки всего 2,3 мс для сети Wi-Fi 2,4ГГц, и соответственно 1,5 мс для 5 ГГц. Однако самое главное прячется на графике:


img 3. Задержка Wi-Fi 4,5

Видно, что хотя почти всегда сигнал до роутера и обратно доходит за 1-2 мс, но иногда, задержка достигает 50 мс! (34 мс для Wi-Fi 5). 


Именно этот эффект приводит к проблемам в динамичных играх через Wi-Fi. Кажется, что 50 мс – не так много. Но если прикинуть - экран обновляется как минимум на 60 Гц, значит один кадр занимает 16 мс. Задержка 50 мс – это три пропущенных кадра, а это уже более чем заметно. Нужно добавить аналогичную задержку у оппонента, учесть общий пинг сети и т.п.


Впрочем, вернемся к музыке. 


Модель простых задержек при передаче звука


Попробуем смоделировать ситуацию и послушать как будет звучать «виртуальная репетиция», в разных ситуациях.


Тут я вынужден сделать ремарку. Все изложенное ниже – содержит качественную оценку, а не количественную. Для замера конкретных характеристик сигнала и искажений нужно делать физические замеры на реальном оборудовании. Также я не анализировал различные протоколы для передачи данных. Моя задача - показать относительную разницу между вариантами, визуализировать изменения на реальных сравнениях. Но добиться полного соответствия выкладок реальным искажениям сигнала – тема для другой статьи


Для начала, можно послушать как звучит стандартная задержка Wi-Fi 2,4ГГц. 


Предположим, наш буфер равен 3 мс (таких пакетов в Wi-Fi 4 – 83%, в Wi-Fi 5 – 94%). Если пакет доставляется за это время или меньше – все хорошо. Иначе – звук пропадает.



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/Qj-Mb-UUPl8)


С буфером 3 мс для Wi-Fi 4 - искажения очень сильны. По ходу видео я повысил буфер до 20 мс, стало получше, но в пике задержка все равно появляется. Для полного исчезновения заиканий пришлось бы поднять до 50 мс.


Проверим как себя покажет в этих же условиях Wi-Fi 5?



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/rqf5K4Ti6Pw)


5 ГГц – справляется более-менее, с задержкой около 20 мс. При этом нужно учесть, что у меня дома вообще нет других сетей в этом диапазоне.


Пойдем дальше.


До сих пор при неполучении пакета вовремя звук совсем пропадал, это нехорошо. Большинство программ стараются растягивать паузы или повторять небольшие фрагменты уже полученного звука, чтобы только не прерывать поток. Попробуем «растянуть» дорожку на проблемных местах.



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/ObYJ4uzr8z0)


Красный круг на видео - для наглядности, его радиус привязан к степени искажения сигнала. В начале видео лаг сигнала (задержка) был равен 0. Хорошо слышно, как в местах частых задержек появляется «дребезжание», вызванное постоянными «подтягиваниями» сигнала. Во второй половине видео – я добавил лаг, что сгладило задержку, и уменьшило негативный эффект. Хотя «гуляющая» частота, конечно, очень заметна.  


Модель взаимодействия музыкантов

До сих пор все касалось только передачи данных от музыканта на роутер и обратно. В нашем случае все сложнее, музыканты слушают друг друга, подстраивают свой темп под общий. Попробуем создать «модель синхронизации музыкантов».


Первый музыкант задает ритм.


img 4. Схема


Сигнал проходит две Wi-Fi сети, плюс другие задержки, и вот другие музыканты подстраиваются под заданный ритм (с некоторым опозданием).


После звук возвращается к первому музыканту (опять же с опозданием), и если он тоже скорректирует ритм, то получится что отставание будет расти.


Простая математическая модель этого процесса даст примерно такой результат (искажения усилены для наглядности):


img 5. модель


Если бы музыканты могли чувствовать течение времени (например, у них установлены синхронизированные метрономы) – то они смогут скорректировать отставание.


img 6. модель


Но в общем случае каждый музыкант опирается на то, что слышит, т.е. делает коррекцию темпа с учетом того какой темп он слышит у других участников.


При этом он опирается также на некоторый базовый темп, заданный в начале произведения. Если все это учесть, поведение модели примет примерно такой вид.



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/Mlzh5ROic8A)


Здесь показаны искажения свойственные Wi-Fi 4. Видно, что появление задержки вызывает достаточно сильные отклонение от графика, из-за того, что музыканты могут опираться только на общий ритм, а он подвержен искажениям при передаче. Однако в со временем график выравнивается. 


Не меняя настроек модели, проверим ее поведение в сети Wi-Fi 5. 



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр -  https://youtu.be/GN484lxln-Y)


Можно видеть, что характер искажений серьезно отличается. 


Максимальные задержки Wi-Fi 4 превосходят таковые у Wi-Fi 5 примерно в 2 раза (в условиях моего теста). Но в модели созависимых процессов, такие как онлайн репетиция – они многократно усиливаются, так как мешают музыкантам «поймать» друг друга.


img 7. Сравнение


Сравнение выше показывает отличия в работе модели для Wi-Fi 4 и 5 (слева и в центре).

Справа показан аналогичный график для сети Wi-Fi 6.


К сожалению, у меня нет реального оборудования для проверки, так что пришлось опираться на чужие исследования. Упрощенная модель задержек, в сравнении с прошлым графиком может выглядеть как-то так:


img 8. Задержка Wi-Fi 4,5,6


Зеленым показан результат Wi-Fi 6.


Здесь я опирался главным образом на минимизацию скачков на графике, так как ряд технологий Wi-Fi 6 таких как «окрашивание» сигнала, возможность «нарушения очередности» и другие, позволяет рассчитывать на их серьезное сокращение.


Ну и теперь можно посмотреть, как поведет себя модель в сети Wi-Fi 6.



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/5Bq7BPDSMCk)


Заметно что искажения практически отсуствуют. В условиях минимальных задержек алгоритм синхронизации музыкантов работает отлично.


И, наконец, можно объединить все вышесказанное и собрать «Виртуальный оркестр»:)



(ссылка на видео, на случай если не работает просмотр - https://youtu.be/3fV6fQzFNyM)


Тут использована многоканальная композиция (10 каналов). Для каждого канала реализованы задержки и отклонения согласно модели поведения реальных музыкантов.


В начале видео звук проигрывается без задержек (для наглядности), а потом подгружаются данные для эмуляции работы Wi-Fi 2.4ГГц, Wi-Fi 5 ГГц и наконец Wi-Fi 6.



Вывод. Wi-Fi 6 может использоваться как средство доступа в сеть при организации удаленных музыкальных репетиций. Предыдущие поколения Wi-Fi – подходят для этих целей гораздо хуже.


В заключение хочу заметить. Онлайн репетиции достаточно редкий кейс, но я выбрал его не за уникальность, а потому что он позволяет подать материал интереснее.


Wi-Fi 6 – это технология которая будет с нами не один и не два года. Требования к пропускной способности сети и минимизации задержек постоянно повышаются. Появляются новые более требовательные устройства и сценарии. Надеюсь, эта технология позволит открыть еще много интересного. 


Спасибо:)



UPD. Почему-то видео в посте то работают то нет. На всякий случай продублировал ссылками. Если проблема только у меня, пожалуйста, напишите в комментариях, и я удалю ссылки.




https://www.facebook.com/daniil.bakalin/posts/3291168764305278


https://vk.com/wall4274384_2564

  • x

Peterhof
MVE Опубликовано 2020-5-4 11:11:06 Полезно(0) Полезно(0)

Пара ремарок.
1. У меня пинг до роутера на проводе <1мс, на 2.4 ГГц =1мс, пинг до сервера в интернете не зависит от того как я подключён +-. Провалы будут в любом случае, вопрос только в их частоте и долготе.
2. Задержки в онлайн конференциях по большей (многократно большей) части будут связаны с работой интернета у её участников и работе серверов сервиса видеоконференций.

Развернуть
  • x

Danilius
Danilius Опубликовано 2020-5-4 13:01
Из-за ограничения на объем ответа в комментарии - ответил ниже.0  
Danilius
Опубликовано 2020-5-4 13:01:00 Полезно(0) Полезно(0)
Возможно, стоило этот момент осветить подробнее, но не хотелось еще больше раздувать статью.
1. Это не видеоконференции. Обмен идет только аудио данными для минимизации задержки.
2. Соединение устанавливается напрямую между участниками. Сервер участвует только в процессе установки соединения, но трафик через него не идет.
3. Как и указано в статье, все участники находятся в одном городе, более того, находятся в локальной сети одного провайдера. Пересылка данных внутри этой сети – очень стабильна.
4. Заявление о пинге 1 мс для wifi 2,4ГГц весьма категорично. Первый же график в статье показывает, что это так далеко не всегда.
5. Собственно статья как раз и описывает какие могут быть провалы, как с ними бороться и как новая технология может на них повлиять.
6. Я не отрицаю, что подход, основанный только на анализе wifi – несколько ограничен. Но другие части этого уравнения поменяются нескоро, поэтому может быть полезно увидеть, как влияет на результат выбор технологии доставки «последних 10 метров». Тем более что тесты показывают, что беспроводное соединение – является в данном случае тем самым «бутылочным горлышком».
Развернуть
  • x

Peterhof
MVE Опубликовано 2020-5-4 14:56:10 Полезно(0) Полезно(0)
Опубликовано пользователем Danilius в 2020-05-04 08:01 Возможно, стоило этот момент осветить подробнее, но не ...

Самое интересное, что пинг до сервера в интернете вообще оказался не зависим от способа подключения.
Но вернёмся к нашему оркестру.

С буфером 3 мс для Wi-Fi 4 - искажения очень сильны. По ходу видео я повысил буфер до 20 мс, стало получше, но в пике задержка все равно появляется. Для полного исчезновения заиканий пришлось бы поднять до 50 мс.

Давайте попробуем посчитать размер буфера и объём информации, которую нужно передавать в данном случае.

1 с = 1000 мс.

50 мс = 1/20 с. Можно условно это привести к 20 Гц.

Предположим, музыкант будет использовать кодирование звука со скоростью 256 кбит/с.


Таким образом, за 1/20 секунды, у нас в буфере накопится 256/20 = 12,8 кбит информации. Не так много. Если у нас не будет много таких провалов, то эти несчастные 13 кбит с лёгкостью будут уходить в "следующее окно". Зная о нестабильности соединения, авторы программ изначально закладывают буферизацию для подобных данных. И чем хуже соединение, тем сильнее всё буферизируется.

Кроме того, даже в пределах одного провайдера есть большие шансы попасть на бутылочные горлышки у него в сети на выходе с коммутаторов, обслуживающих дома и районы, хотя это зависит от "запаса прочности" сети.

Развернуть
  • x

Danilius
Опубликовано 2020-5-4 16:18:23 Полезно(1) Полезно(1)

Самое интересное, что пинг до сервера в интернете вообще оказался не зависим от способа подключения.


Не знаю, как это комментировать. Если вы не верите мне посмотрите статью на хабре от профильной компании. Особенно раздел "WiFi против кабеля".


Давайте попробуем посчитать размер буфера и объём информации, которую нужно передавать в данном случае. 1 с = 1000 мс. 50 мс = 1/20 с


Хочется спросить, вы читали статью? Задержка 50 мс это очень много для музыкантов. А учитывая, что такая задержка может быть с обоих сторон - это вообще делает онлайн репетицию невозможной.

Ёжику понятно, что можно увеличить буфер и все будет плавно. Но музыкантам нужно не просто слышать друг друга, им нужно взаимодействовать в реальном времени. Статья как раз исследует допустимые пределы буферизации, для этого конкретного кейса. И показано, что WiFi 6 как раз позволяет сделать качественный скачек в этом направлении, по сути приблизившись к характеристикам проводного соединения, которое уже используется для организации таких репетиций.

Развернуть
  • x

Danilius
Danilius Опубликовано 2020-5-4 17:12
Просто пример. В оркестре, между музыкантами расстояние достигает 10 метров. И многим мешает задержка, вызванная временем прохождения звука. 1000 / (343/10) = 29 мс. При том что там есть дирижёр.  
vitek_bratello
Опубликовано 2020-5-4 17:05:02 Полезно(0) Полезно(0)
Интересный пост, автор конкретно заморочился с симуляцией и тестированием. А что касается хардкорных геймеров, то они не зря предпочитают проводное соединение.
Развернуть
  • x

Danilius
Опубликовано 2020-5-4 17:15:35 Полезно(0) Полезно(0)
Опубликовано пользователем vitek_bratello в 2020-05-04 17:05 Интересный пост, автор конкретно заморочился с симуля ...
Спасибо!
Развернуть
  • x

boolochka
Опубликовано 2020-5-5 20:15:03 Полезно(1) Полезно(1)
Всё здорово, симуляция хорошая, но ведь она не имеет отношения к Wi-Fi. Доступ к среде в 802.11 негарантированный и вероятностный, при этом в КАЖДОМ окне конкуренции задержка будет меняться случайным образом, потому что есть random backoff timer. Он натурально случайный, в разных пределах. Поэтому ГАРАНТИРОВАТЬ снижение задержки не может ни Wi-Fi 6, ни OFDMA, ни что-либо из прочего перечисленного. Мы по-прежнему пользуемся EDCA (за подробностями добро пожаловать в изучение 802.11e), по-прежнему боремся за каждый кадр друг с другом, даже если на точке доступа всего один клиент :)
Развернуть
  • x

Flawless%20procrastinator
Danilius
Опубликовано 2020-5-5 22:13:19 Полезно(0) Полезно(0)

Но ведь и моя модель тоже вероятностная. Я опирался на те данные, что смог сам получить - несколько часов гонял трафик по wifi 4 и 5, собирал статистику, и пиковая задержка во втором случае была в среднем в полтора-два раза ниже, а частота пиков 2-3 раза меньше. 

 

С random backoff timer я пытался разобраться, возможно что-то упустил, но я так понял, что он ответственен в основном за типичные задержки, что-то в районе единиц мс. Но такие задержки в моей модели роли не играют, так как перекрываются буферизацией. А вот задержки свыше 20 мс (а главное частота их появления) - важны, и судя по тому, что я нашел, у wifi 6 с ними все несколько лучше чем в wifi5. 

 

Увы я не нашел подробной статистики по задержкам wifi6, а сам не настолько хорошо знаю стандарт чтобы сделать более точную модель. Если кто-нибудь тут может выполнить в сети wifi6 команду вроде:

nping -c 1000 --rate 2 --tcp 192.168.0.1 >> c:\temp\nping-wifi-6-1000.txt

И выложит результат. Было бы интересно посмотреть. И возможно обновить мою модель.

Развернуть
  • x

boolochka
Опубликовано 2020-5-5 22:43:24 Полезно(2) Полезно(2)
Опубликовано пользователем Danilius в 2020-05-05 22:13 Но ведь и моя модель тоже вероятностная. Я опирался на ...
Диапазон RBT удваивается при каждом переповторе, поэтому может вносить кучу интересностей в анализ доступности сети, это безусловно. Я бы осторожно утверждал, что задержки доступа в 802.11ax меньше только потому, что тестируют их пока энтузиасты на сравнительно чистых "скамейках" с минимальным количеством абонентов в сети и самих сетей вокруг. Мы на WLPC 2019 в Праге набрали одну точку и семь клиентов ax, но задержки особо не измеряли (хотя есть pcap - можно попробовать из него достать, если есть желание и если я найду его), наверное, это одна из самых нагруженных сетей Wi-Fi 6 only, какие я пока видел :) Сам по себе протокол 802.11ax не даёт ну совершенно никаких инструментов для того, чтобы прямо повлиять на снижение общей задержки сети. Поправьте меня, если я ошибаюсь. OFDMA - не про задержку, преамбула там всё равно обратно совместимая с OFDM, а значит, и с тем же Wi-Fi 4. И, я осмелюсь предположить, именно по этой причине Вы и не нашли информации про средние задержки - потому что её в принципе не может быть. Гарантированная (во всяком случае, на L2) задержка есть в TDMA, когда для каждого CPE есть свой "таймслот" в расписании BS - вот тут да, полная задержка равна двум циклам TDMA, всё просто и прозрачно, но это всегда проприетарные решения, совместимые только сами с собой.

Это не отменяет того, что статью Вы написали на порядок интереснее традиционной мантры "OFDMA-TWT-9 гигабит", за это огромное спасибо и моё уважение!
Развернуть
  • x

boolochka
boolochka Опубликовано 2020-5-5 22:51
Ладно, объективно - не только TDMA: ещё если в 802.11 мы будем использовать PCF. Но это ещё более редкое решение, чем проприетарные MAC-уровни на TDMA, так что общий смысл остаётся тем же.  
Flawless%20procrastinator
12
К списку

Комментарий

Отправить
Выполните вход в систему, чтобы ответить на пост. Вход | Регистрация

Внимание Внимание! В целях защиты правовых интересов Вас, сообщества и третьих лиц, не публикуйте любой материал, содержащий политические высказывания, порнографию, упоминание азартных игр, употребление наркотиков, а также материал, нарушающий коммерческую тайну или содержащий персональные данные пользователей. Также не предоставляйте данные от вашей учетной записи. Вы будете нести ответственность за все действия, выполняемые под вашим аккаунтом. Подробная информация: “Политика конфиденциальности..”
Если кнопка вложения недоступна, обновите Adobe Flash Player до последней версии.

My Followers

Авторизуйтесь и пользуйтесь всеми преимуществами участника!

Вход

Huawei ICT Club
Huawei ICT Club