Моя дипломная работа

Управляющее поле HT-SIGNAL состоит из двух частей по 24 бит каждая. Эти части кодируются (со скоростью 1/2), далее подвергаются перемежению (изменение порядка битов в последовательности в рамках

OFDM-символа) и двухстадийной перестановке, как и в случае IEEE 802.11g.

Поднесущие модулируются посредством BPSK, только модуляционные символы смещены на 90° относительно традиционного случая, т. е. на диаграмме Грея значения битов 0 и 1 соответствуют — 1 и 1 на квадратурной

(мнимой) оси Q. В результате поле HT-SIGNAL занимает 2 OFDM-

символа(Рис. 2.3).

Информация, передаваемая в HT-SIGNAL: номер схемы коди-

рования/модуляции (MCS), признак ширины канала (20/40 МГц), длина поля данных, признак оценки канала smoothing (интегральная или на каждой поднесущей отдельно), признак пакетов прослушивания канала (sounding),

признак объединения MAC-пакетов (aggregation), номер схемы STBC-

кодирования, указатель типа кодирования (BCC/LDPCC), признак короткого защитного интервала в OFDM-символах (short GI), число дополнительных длинных подстроенных последовательностей (N HT-LTF), контрольная сум-

ма CRC и разграничительные 6 бит (Tail) (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Поле SIGNAL заголовка пакета физического уровня стандарта IEEE 802.11n

Короткая подстроечная последовательность аналогична традиционной (за исключением числа используемых поднесущих).

41

Длинные подстроечные последовательности служат для оценки каналов передачи (для каждого антенного тракта), поэтому их число не может быть меньше, чем число пространственно-временных потоков NSTS. Кроме того, HT-LTF — это механизм прослушивания канала, поэтому в кадре может быть больше HT-LTF, чем необходимо для передачи поля данных именно этого кадра (т.е. больше, чем в данный момент используется пространственно-временных каналов). Эти дополнительные последовательности предназначены для оценки каналов, которые передатчик предполагает использовать. Т.е. если данные в кадре передаются, например, через антенные тракты 1 и 2, то в них используют длинные подстроечные последовательности HT-LTF1 и HT-LTF2, а

одновременно в незадействованных антенных трактах 3 и 4 могут транслироваться последовательности HT-LTF3 и HT-LTF4 для оценки соответствующих каналов. Длительность HT-LTF — 4 мкс, в режиме GF

первая HT-LTF вдвое длиннее.

В результате применения дополнительных антенных трактов, а

также 20- и 40-МГц каналов число возможных скоростей передачи и соответствующих им схем модуляции/кодирования существенно возрастает по отношению к базовому набору (табл. 2.2, 2.3, 2.4).

Табл. 2.2. Скорости передачи IEEE 802.11n. Канал 20 МГц.

Модуля-	FEC	1 поток		2 потока			3 потока		4 потока
ция
		Защитный		Защитный			Защитный		Защитный
		интервал		интервал			интервал		интервал
		800нс	400нс	800нс		400нс	800нс	400нс	800нс		400нс
BPSK	1/2	6.5	7.2	13.0		14.44	19.5	21.7	26.0		28.9
QPSK	1/2	13.0	14.4	26.0		28.89	39.0	43.3	52.0		57.8
QPSK	3/4	19.5	21.7	39.0		43.33	58.5	65.0	78.0		86.7
16-QAM	1/2	26.0	28.9	52.0		57.78	78.0	86.7	104.0		115.6
16-QAM	3/4	39.0	43.3	78.0		86.67	117.0	130.0	156.0		173.3
64-QAM	2/3	52.0	57.8	104.0		115.56	156.0	173.3	208.0		231.1
64-QAM	3/4	58.5	65.0	117.0		130.00	175.5	195.0	234.0		260.0
64-QAM	5/6	65.0	72.2	130.0		144.44	195.0	216.7	260.0		288.9

42

Табл. 2.3. Скорости передачи IEEE 802.11n. Канал 40 МГц.

Модул-	FEC	1 поток		2 потока		3 потока		4 потока
яция
		Защитный		Защитный		Защитный интервал		Защитный интервал
		интервал		интервал
		800нс	400нс	800нс	400нс	800нс	400нс	800нс	400нс
BPSK	1/2	13.5	15.0	27.0	30.0	40.5	45.0	54.0	60.0
QPSK	1/2	27.0	30.0	54.0	60.0	81.0	90.0	108.0	120.0
QPSK	3/4	40.5	45.0	81.0	90.0	121.5	135.0	162.0	180.0
16-QAM	1/2	54.0	60.0	108.0	120.0	162.0	180.0	216.0	240.0
16-QAM	3/4	81.0	90.0	162.0	180.0	243.0	270.0	324.0	360.0
64-QAM	2/3	108.0	120.0	216.0	240.0	324.0	360.0	432.0	480.0
64-QAM	3/4	121.5	135.0	243.0	270.0	364.5	405.0	486.0	540.0
64-QAM	5/6	135.0	150.0	270.0	300.0	405.0	450.0	540.0	600.0

Табл. 2.4. Диапазоны скоростей передачи 802.11n

Симметрич	Ширина	Защитный	Число	Минимальная	Максимальная скорость	Число скоростей
ная	канала	интервал	потоков	скорость наPHY	наPHY уровне(Мбит/с)	в диапазоне
модуляция	(МГц)	(нс)		уровне(Мбит/с)
Да	20	800	1	6.5	65	8
Да	20	400	1	7.2	72.2	8
Да	20	800	2	13	130	8
Да	20	400	2	14.4	144.4	8
Да	20	800	3	19.5	195	8
Да	20	400	3	21.7	216.7	8
Да	20	800	4	26	260	8
Да	20	400	4	28.9	288.9	8
Да	40	800	1	13.5	135	8
Да	40	400	1	15	150	8
Да	40	800	2	27	270	8
Да	40	400	2	30	300	8
Да	40	800	3	40.5	405	8
Да	40	400	3	45	450	8
Да	40	800	4	54	540	8
Да	40	400	4	60	600	8
Нет	20	800	2	39	97.5	6
Нет	20	400	2	43.3	108.3	6
Нет	20	800	3	52	156	14
Нет	20	400	3	57.8	173.3	14
Нет	20	800	4	65	214.5	24
Нет	20	400	4	72.2	238.3	24
Нет	40	800	2	81	202.5	6
Нет	40	400	2	90	225	6
Нет	40	800	3	108	324	14
Нет	40	400	3	120	360	14
Нет	40	800	4	135	445.5	24
Нет	40	400	4	150	495	24

43

2.2 Особенности МАС-уровня

Повышение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n произошло также за счет модернизации МАС-уровня. Одна из важнейших особенностей

IEEE 802.11n — возможность объединения (агрегирования) нескольких МАС-пакетов (MPDU) в один пакет физического уровня PSDU (A-MPDU)

(рис. 2.4). У такого объединенного пакета может быть только один адрес получателя.

Рис. 2.4. Интегрированные заголовки МАС-уровня стандарта IEEE 802.11n

При этом повышается скорость передачи данных, т.к. сокращается удельный объем служебной информации (заголовки и преамбулы пакетов физического уровня). Объединение пакетов - это обязательное требование, и

только те МPDU-пакеты, которые требуют индивидуального подтверждения приема (ACK), могут передаваться как отдельные пакеты. Кроме того, один

MPDU может агрегировать несколько пакетов MSDU (MAC service data unit),

принадлежащих различным приложениям и обладающих различными требованиями к качеству предоставления услуг (QoS), лишь бы у них был

44

единый адрес приемника. В результате формируется объединенный МАС-

пакет A-MSDU (рис. 2.4).

Для подтверждения приема пакетов физического уровня PSDU ис-

пользуется пакет блочного подтверждения (Block Acknowledge — ВА),

описанный в стандарте IEEE 802.11e (стандарт по обеспечению качества обслуживания - QoS). Однако в IEEE 802.11n применяют “сжатые” ВА — в

этом пакете предусмотренное стандартом IEEE 802.11e поле подтверждения размером 128 байт сокращено до 8 байт, причем каждый бит в этом поле подтверждает прием отдельного MSDU (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Передача посредством агрегированных пакетов и блоков подтверждений

Необходимый запрос подтверждения (отдельный пакет BAR - ВА request) может не использоваться, вместо этого достаточно задать определенный тип политики подтверждений. По утверждениям разработчиков, данный механизм обмена (объединенный пакет и блок

45

подтверждения) более чем в 2,5 раза эффективнее, чем традиционный

«данные-подтверждение».

Еще одно важное нововведение стандарта IEEE 802.11n - режим PSMP (Power Save Multi-Poll) — энергосберегающий множественный опрос. Он похож на стандартный режим централизованного распределения ресурсов

PCF — управляющая станция АР транслирует специальный управляющий пакет PSMP, в котором для каждой станции (из тех, которым разрешен режим PSMP) назначается время и длительность приема и передачи в интервале обслуживания (цикле повторения приема-передачи).

Длительность интервала обслуживания для каждой станции может быть различной. Для подтверждения приема в режиме PSMP используются специальные пакеты подтверждения (МТВА), следующие немедленно за переданными агрегированными пакетами данных. Электроэнергия экономится благодаря тому, что станции знают, когда им необходимо активизироваться, и могут выключать свои энергоемкие блоки на время бездействия.

Особенность данного режима — его гибкость. В рамках одного цикла

PSMP управляющая станция может передавать дополнительные пакеты

PSMP (sub-PSMP) — режим мультифазного PSMP.

Его удобство в том, что если какая-либо станция не успела передать данные в отведенный для нее интервал (рис.2.6), тогда в конце этого интервала она посылает АР специальный пакет (запрос RR) с указанием необходимых этой станции дополнительных ресурсов. Если есть возможность, АР отправляет в ответ пакет sub-PSMP, в котором данной станции выделен дополнительный интервал передачи. Другой случай — потеря данных. Если передающая станция не получила подтверждения приема, АР также может предоставить ей дополнительные ресурсы для повторной передачи посредством sub-PSMP.

46

Рис. 2.6. Выделение дополнительного окна передачи для досылки информации и повторной отправки данных в режиме мультифазового PSMP

Еще одна особенность IEEE 802.11n - режим изменения направления обмена соединения. Пусть станция А передает данные станции Б. Оставаясь в рамках того же соединения, т. е. без дополнительных процедур доступа к каналу, возможно изменить направление передачи — от станции Б к станции А, а затем вновь передать права трансляции станции А.

Помимо перечисленных особенностей, МАС-протокол проекта IEEE 802.11n включает поддержку всех изменений физического уровня. Он определяет специальные форматы пакетов калибровки канала передачи,

выбора антенн, измерения характеристик канала, и передачи матриц параметров канала, формирования диаграмм направленности.

Предусмотрено применение сокращенных до 2 мкс межкадровых интервалов (RIFS).

47

Глава 3. Стандарт IEEE 802.11ac

В конце 2008 года была сформирована и начала работу целевая группа

TGac для разработки стандарта 802.11ac. Основная цель её работы заключается в значительном улучшении пропускной способности стандарта

802.11, так чтобы производительность беспроводной сети достигала скоростей, эквивалентных проводной сети Ethernet.

По состоянию на май 2013 года утверждена «черновая» версия стандарта IEEE 802.11ас Draft 5.0. Если все пойдёт по плану, в

окончательном виде стандарт должен быть принят и опубликован в феврале

2014 года. Поскольку его завершённость составляет порядка 96%, это даёт право рассматривать основные принципы проекта IEEE 802.11ac,

основываясь на предварительных документах целевой группы TGac.

Для поддержки новых приложений и будущих испытаний устройств, TGac определила три основных требования к производительности и функциональности 802.11ac.

1. Производительность системы. Стандарт 802.11ac должен достигать значений максимальной пропускной способности для одной станции (режим

Single-STA) не менее 500 Мбит/с и для нескольких станций (режим Multi-

STA) не менее 1 Гбит/с. Это значение скорости для уровня MAC, измеренное в сервисной точке доступа (SAP) в диапазоне 5 ГГц в канале шириной не более 80 МГц. Поскольку это требование к уровню MAC, а не физическому уровню, это подразумевает, что вопрос эффективности MAC должен решаться не только улучшением скорости передачи данных физического уровня.

Это – требования к стандарту 802.11ac (то есть, документу), а не к отдельным устройствам. Стандарт определяет, что устройство может называть себя устройством 802.11.ac, если поддерживает возможность работы со скоростью 293 Мбит/с в полосе 80 МГц для одного пользователя и не поддерживает многопользовательский режим вообще.

48

2. Обратная совместимость. Стандарт 802.11ac должен обеспечивать обратную совместимость, возможность взаимодействия с устройствами

802.11a/n. Для этого должна быть определена структура кадра. По той причине, что стандарт 802.11ас работает в полосе частот 5 ГГц, обратная совместимость с устройствами стандартов 802.11b/gне предусматривается.

3. Сосуществование. Стандарт 802.11ac должен включать механизмы,

обеспечивающие сосуществование между устройствами 802.11ac и

развёрнутыми устройствами 802.11a/n.

Чтобы обеспечить обратную совместимость и сосуществование, 802.11ac повторно использует технические решения 802.11n там, где это возможно. В частности, использует на физическом уровне ту же модуляцию

OFDM и поддерживает те же архитектуры кодирования и перемежения, что и

802.11n. Однако для того чтобы достичь большей производительности,

необходимы некоторые изменения старых и введение новых функции.

При разработке стандарта был определён ряд приложений, которым потребуется повышенная пропускная способность. Для них предусмотрены шесть основных моделей использования:

•Устройства беспроводного отображения;

•Распределение HDTV трафика, потокового видео;

•Быстрая выгрузка/загрузка больших файлов из/на сервер;

•Обратный транзит траффика (между ячейками, точка-точка);

•Развёртывание в университетах и аудиториях;

•Автоматизация поэтажного производства.

3.1Физический уровень

Скорость беспроводной связи является продуктом трёх составляющих:

полосы пропускания канала, плотности сигнального созвездия и количества пространственных потоков. Стандарт 802.11ac развивается именно в этих трёх направлениях.

49

Математически скорость на физическом уровне 802.11ac

рассчитывается по таблице 3.1.Так, например, при полосе пропускания в 80

МГц, модуляции 256QAM с тремя пространственными потоками и коротким защитным интервалом скорость составит: 234×3×5/6×8бит/3,6мкс= 1300Мбит/с.

Табл. 3.1.Расчётмаксимально возможных значений скорости802.11nи802.11ac

	Количество		Кол-во
Физическ	информационн						Длительность
			пространст		Бит данных на
ий	ых поднесущих						защитного
			венных		одну поднесущую
уровень	(полоса						интервала
			потоков
	пропускания)
										Скорость
	52(20 МГц)				Максимально для			4 мкс(длинный защитный интервал)		Данных на
										физическом
11n или					64QAM:
			От 1 до 4				3.6мкс(короткий защитный интервал)			уровне
11ac
	108 (40 МГц)									(бит/с)
					5/6×log2(64) = 5
	234 (80 МГц)				Максимально для
Только					256QAM:
			От 5 до 8
11ac
	2×234 (160 МГц)				5/6×log2(256) ≈
					6.67

Непосредственно можно видеть, что увеличение полосы канала до

80МГц даёт прирост скорости в 2,16 раз, дальнейшее увеличение полосы до

160МГц позволяет ещё раз её удвоить. Переход от модуляции 64QAM к 256QAM также помогает увеличить скорость ещё в 8/6=1,33 раза (Рис. 3.1).

Также, скорость прямо пропорциональна количеству пространственных потоков. В 802.11ac их количество увеличено до 8, что позволяет ещё раз удвоить максимальную скорость.

Рис.3.1. Как 802.11ac превышает 802.11n

50