Моя дипломная работа

Сигнальный кадр (Beacon). Передается периодически, позволяет клиентским станциям локализировать и идентифицировать BSS.

Кадр запроса на зондирование. Используется станцией для получения информации от другой станции или точки доступа. Кадр используется для локализации BSS (базовая зона обслуживания) стандарта

IEEE 802.11.

Кадр ответа на зондирование.

Запрос ассоциации. Посылается станцией к точке доступа с целью запроса ассоциации с данной BSS. Кадр включает информацию о возможностях, например, будет ли использоваться шифрование, или способна ли станция отвечать при опросе.

Ответ на запрос ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос ассоциации принят.

Запрос повторной ассоциации. Посылается станцией при переходе между BSS, когда требуется установить ассоциацию с точкой доступа в новой BSS. Использование повторной ассоциации, а не просто ассоциации, позволяет новой точке доступа договариваться со старой о передаче информационных кадров по новому адресу.

Ответ на запрос повторной ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос повторной ассоциации принят.

Разрыв ассоциации. Используется станцией для аннуляции ассоциации.

Кадр аутентификации.

Кадр отмены аутентификации.

Объявление наличия трафика. Посылается мобильной станцией с целью уведомления других (которые могут находиться в режиме пониженного энергопотребления), что в буфере данной станции находятся кадры, адресованные другим.

31

Глава 2. Стандарт IEEE 802.11n

Стандарт IEEE 802.11n предназначен для дальнейшего расширения диапазона скоростей передачи данных — до 100 Мбит/c и выше. В целом же он основывается на стандарте IEEE 802.11a, поскольку именно в нем описана технология OFDM.

Работы по созданию стандарта IEEE 802.11n официально начались 11

сентября 2002 г., через год образовалась целевая группа TGn. Весной 2005 г.

ситуация с выбором окончательного варианта зашла в тупик. Входящие в

TGn компании фактически разбились на два примерно равных лагеря —

WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency) и TGn Sync (и еще небольшая группа MITMOT). Долгое время ни один из альтернативных вариантов не мог набрать необходимые для его утверждения 75% голосов. Однако уже к осени 2005 г. противоборствующим сторонам удалось договориться и создать объединенное предложение, которое учло интересы всех. В

результате в январе 2006 г. на регулярной конференции на Гавайях были утверждены устраивающие всех документы (описания физического и МАС-

уровней нового стандарта), которые вошли в предварительный (draft) стан-

дарт IEEE 802.11n. Черновой статус стандарта заставлял производителей использовать словосочетание “802.11 Draft-N”. После очередной конференции в марте 2007 г. был создан документ с описанием

“черновой” версии, которую назвали Draft 2.0, и началась сертификация под новую версию.

Окончательно стандарт был утверждён 11 сентября 2009. Теперь приставка “Draft” больше не требуется. Большинство существующих устройств с поддержкой 802.11 Draft-N могут быть обновлены до финальной спецификации.

32

2.1 Отличия физического уровня

2.1.1 Каналы и режимы передачи

Проект IEEE 802.11n допускает как стандартные каналы с шириной полосы 20 МГц (как во всех предшествующих стандартах IEEE 802.11), так и расширенные до 40 МГц. Поскольку каналы шириной 40 МГц приемлемы не для всех стран, т.к. противоречат национальной политике распределения частотных ресурсов, их применение — это опциональная возможность.

Собственно, введение обязательной поддержки 40-МГц каналов и было одним из камней преткновения в противостоянии групп WWiSE и TGnSync.

Проект IEEE 802.11 предусматривает поддержку как традиционных режимов передачи (L — Legacy) как в IEEE 802.11a, так и режимов с высокой пропускной способностью (НТ –High Throughput).

В традиционных режимах число поднесущих не изменено. В НТ-

режимах оно увеличено: в 20-МГц канале их 56, из них 52 информационные и 4 пилотные. Только из-за этого скорость возрастает на 8%.

Также увеличена допустимая скорость кодирования до 5/6 (т.е. каждые

5 бит исходной последовательности превращаются в 6 бит кодированной).

Предусмотрена возможность двукратного сокращения длительности защитных интервалов GI в OFDM-символах — с 0,8 до 0,4 мкс. В результате скорость возрастает до 65 и 72,2 (опционально) Мбит/с.

Режим 20 МГц — обязательный, для него установлен базовый набор скоростей (табл. 2.1). В 40-МГц каналах поднесущих 114, из них 108

информационных и 6 пилотных. Один лишь этот фактор увеличивает пропускную способность канала на 125%.

Традиционный режим также позволяет увеличивать (удваивать)

скорость передачи данных. Это возможно при непосредственном удвоении полосы пропускания (40 МГц) фактически происходит передача на двух

33

смежных каналах IEEE 802.11а, используются 52 х 2=104 поднесущие (из 128

номинальных поднесущих не задействованы частоты с индексами от -5 по 5).

В соответствии с теоремой Шеннона, максимально достижимая скорость безошибочной передачи данных, С (бит/с) определяется как:

( )

где W– ширина полосы пропускания в Герцах, – отношение мощности

полезного сигнала к мощности шума в этой полосе (соотношение сигнал/шум).

Из уравнения следует, что максимальная скорость передачи прямо пропорциональна ширине полосы канала. Поскольку стандарт IEEE 802.11n

позволяет работать в канале шириной 40 МГц, порог максимальной скорости

передачи удваивается по сравнению со скоростью 802.11a.

Табл.2.1. Базовый набор скоростей проекта IEEE 802.11n

Модуля-	Скорость	Число	Кодир-	Информа-	Скорость
ция	кодирова-	бит на	ванных	ционныхбит	передачи данных
	ния	подне-	бит на	на символ
					GI=0.8	GI=0.4мкс
		сущую	символ		мкс
BPSK	1/2	1	52	26	6.5	7.2
QPSK	1/2	2	104	52	13	14.4
QPSK	3/4	2	104	78	19.5	21.7
16-QAM	1/2	4	208	104	26	28.9
16-QAM	3/4	4	208	156	39	43.3
64-QAM	2/3	6	312	208	52	57.8
64-QAM	3/4	6	312	234	58.5	65
64-QAM	5/6	6	312	260	65	72.2

34

2.1.2 Технология MIMO

Основное отличие стандарта IEEE 802.11n от его предшественников — появление нескольких антенных каналов в приемнике и передатчике.

Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенных каналов оборудованием точек доступа (АР) и одного канала — пользовательскими

(терминальными) станциями. Всего и у АР, и у терминальной станции может быть до четырех антенных каналов приема-передачи.

Применение технологии MIMO преследует две цели - повышение надежности приема/передачи и увеличение скорости передачи, используя пространственно-разделенные каналы (SDM — Spatial Division Multiplexing).

В первом случае на приемной стороне может использоваться комбинация сигналов различных антенн MRC (Maximum Ratio Combining). DSP приемника (цифровой сигнальный процессор) подстраивает фазу полученных сигналов так, чтобы она совпадала. Далее сигналы складываются. Таким образом, увеличивается соотношение сигнал/шум,

максимально допустимое расстояние и скорость передачи. Данная технология не требует от передатчика многоантенной системы и, поэтому,

совместима с устройствами 802.11 a/b/g.

Также увеличить вероятность безошибочного приема можно с помощью пространственно-временного блокового кода (STBC–Space Time Block Code).

Повышение скорости передачи происходит за счет сокращения проверочных последовательностей и уменьшения защитных интервалов.

Суть данного метода заключается в том, что подлежащая передаче последовательность символов разбивается на пары (например, смежные четный и нечетный символы xi и xi+1). Для передачи такого блока требуются два излучателя и два интервала передачи. В первом интервале передающая антенна 1 будет излучать сигнал символа xi, а антенна 2 – сигнал xi+1. В

следующем временном интервале антенна 1 передает сигнал -x*i+1, а антенна 2 – сигнал x*i.

35

Математическое представление сигналов:

ه

Если в первом временном интервале сигналы синфазны, во втором они обязательно будут в противофазе, и наоборот. Если же фазы сигналов в первом интервале ортогональны (разность 90°), то они таковыми останутся и во втором, с той лишь разницей, что опережение фазы излучения поочередно будет возникать то на первой, то на второй антеннах (Рис. 2.1).

Рис. 2.1. Изменение ориентации максимумов излучения системы из двух вибраторов в зависимости от разности фаз питающих сигналов: а) синфазная передача, б)

противофазная передача

Когда передающая антенная система состоит из двух несимметричных вибраторов, результирующая диаграмма направленности (ДН) существенно зависит от соотношения фаз входных сигналов. В общем случае результирующая ДН отклоняется от нормали к линии, соединяющей вибраторы, в сторону элемента, на котором фаза сигнала запаздывает.

Таким образом, максимум энергии сигнальной смеси MIMO,

излучается каждый раз в различных направлениях, причем различных для каждой новой передаваемой пары символов в зависимости от разности фаз сигналов. Это повышает вероятность их прохождения с учетом наличия множественных отражений.

Для приема кодированного двухсимвольного сигнала достаточно одной приемной антенны и пары временных отсчетов сигнальной смеси. Таким

36

образом, фактически можно обойтись системой MISO. При оцифровке сигнальной смеси в двух последовательных временных интервалах получим совокупность напряжений yi и yi+1:

{

где ni, ni+1 - отсчеты напряжений внутреннего шума приемника, а h1 и h2

-передаточные характеристики канала для сигналов, излученных первой и второй антеннами, соответственно. Два временных отсчета необходимы для того, чтобы число уравнений в системе равнялось числу неизвестных.

Для оценки характеристик канала передачи h1и h2 при вхождении в связь транслируются заранее известные пилотные сигналы zi и zi+1.

В приемнике решается приведенная выше система уравнений, где в качестве неизвестных выступают передаточные характеристики канала h1и h2:

{

После установления связи по известным значениям передаточных характеристик декодируются пары переданных символов:

{

Данные соотношения являются оптимальными оценками максимального правдоподобия. Следует, однако, иметь в виду, что характер переотражений на трассе распространения сильно зависит от направления излучения, поэтому для систем MIMO известный в антенной теории принцип взаимности передающих и приемных антенн может не выполняться. Это вынуждает независимо рассчитывать характеристики каналов передачи в

37

прямом и обратном направлениях связи. Однако на передающей стороне знать свойства трассы распространения сигналов не требуется.

Такое кодирование в условиях многократных переотражений позволяет, в конечном счете, получить выигрыш в отношении сигнал-шум около 5 дБ для модуляции BPSK и до 10 дБ – для 64-QAM.

Главное ограничение в применении рассмотренного метода кодирования – допущение о неизменности характеристик канала не только в двух последовательных временных интервалах, по которым рассчитываются передаточные характеристики, но и вплоть до момента окончания приема полезной информации. По этой причине пространственно-временное кодирование для мобильных абонентов сопровождается падением эффективности передачи.

При пространственном разделении каналов SDM скорость увеличивается благодаря распараллеливанию потоков транслируемых данных.

Разделить сигналы MIMO-систем можно на основе пространственной селекции, по углам прихода на приемную антенну. Если сигналы на приемник поступают с разных угловых направлений, различающихся более чем на ширину луча ДН приемной антенны, то их можно разделить обычной пространственной селекцией. Например, в случае двух сигналов, с помощью приемной smart-антенны (ЦАР – цифровая антенная решетка) можно сформировать два независимых луча ДН и сориентировать их в направлениях максимальной приходящей мощности. Для увеличения углового разноса трасс прохождения сигналов можно искусственно ориентировать ДН передающей антенны не в направлении приемника, а в сторону переотражателя (стены и т.п.).

Если же различия в направлениях приема сигналов не превышают ширины главного луча результирующей приемной ДН, а остальные их параметры совпадают, сигналы передатчика MIMO могут быть разделены на основе методов углового “сверхразрешения”.

38

Если известны угловые координаты излучателей (βm) относительно нормали к приемной антенне, задача разделения сигналов, излученных парой вибраторов, сводится к решению системы уравнений, составленных по одному отсчету АЦП:

	{	(	)	(	)
		(	)	(	)

где y1, y2 – выходные напряжения приемных антенн; х1, х2 –

неизвестные комплексные амплитуды излученных сигналов; h1(βm), h2(βm) –

известные ДН приемных антенных элементов в направлениях источников излучения.

Неизвестные угловые координаты источников излучения β определяются на этапе вхождения в связь при цифровом формировании ДН.

В результате ДН подобных приемных антенн (являющиеся виртуальными функциями) могут быть крайне узконаправленными и остроконечными, что позволяет повысить пространственную избирательность антенной системы.

Характерно, что передавать сигналы в данном случае может антенна с широкой ДН.

Следует отметить, что в режиме MIMO цифровое диаграммообразование со сверхразрешением быстро теряет свою эффективность с увеличением расстояния передачи.

В проекте IEEE 802.11n Draft также предусмотрен режим формирования луча (beam forming). Сигналы антенн передатчика должны быть сфазированы так, что в направлении выбранного приемника они идут синфазно и на приемной стороне повышается уровень сигнала. Смещение фазы для различных антенн передатчик определяет на основе информации о состоянии канала связи между ним и выбранным приемником.

2.1.3 Структура кадров физического уровня

Проект IEEE 802.11n на физическом уровне предусматривает три структуры кадров - традиционную (совпадающую с IEEE 802.11a/g),

смешанную и так называемое “Зеленое” (чистое) поле “Green Field” (Рис.2.2).

39

Эти структуры соответствуют одноименным режимам работы. Последние два из них называют скоростными (НТ).

Смешанный режим (ММ — mixed mode) предназначен для совместимости с сетями IEEE 802.11a/g — традиционные устройства распознают присутствие оборудования 802.11n и определяют режим передачи (например, длительность захвата канала), что позволяет предотвратить коллизии, особенно в случае скрытых станций. Для этого в структуре пакетов смешанного режима присутствуют как традиционные поля — короткая и длинная подстроечные последовательности (L-STF и L- LTF) и заголовок SIGNAL (L-SIG), так и поля, необходимые для НТ-режима.

К последним относятся управляющее поле HT-SIGNAL (HT-SIG), а также короткая и длинные подстроечные последовательности (HT-STF и HT-LTF).

Временная задержка между каналами добавляется именно перед НТ-полями.

Рис. 2.2. Пакеты физического уровня стандарта IEEE 802.11n

Режим Зеленого ноля (GF) позволяет передавать данные наиболее эффективно. В GF-кадрах присутствуют только HT-поля, и традиционные приемники IEEE 802.11 такие посылки не воспримут. Поэтому данный режим может использоваться, только если все станции сети поддерживают IEEE 802.11n.

40