Моя дипломная работа

Во-первых, 802.11ac включает поддержку дополнительного вида модуляции 256QAM (со скоростями кодирования 3/4 и 5/6), которая может использоваться в обеих передачах 802.11ac 80 МГц и 160 МГц.

Одним из методов повышения скорости передачи данных и спектральной эффективности систем связи является передача большего количества бит на символ путём перехода к сигнальным созвездиям более высокого порядка. Однако если средняя энергия сигнального созвездия остаётся той же, точки созвездия становятся ближе друг к другу и таким образом более подвержены шуму и другим воздействиям.

Модуляция 256QAM в сравнении с 64QAM увеличивает количество бит на одну поднесущую с 6 до 8, тем самым, прирост скорости передачи данных на физическом уровне составляет 33%. Однако, это увеличение происходит за счёт снижения устойчивости к битовым ошибкам в среде,

ослабляющей сигнал. Так модуляция 256QAM больше помогает на коротких расстояниях. Тем не менее, модуляция 256QAM не требует большей полосы частот или большего количества антенн, чем 64QAM.

Причинами, по которым модуляция 256QAM добавлена в качестве дополнительного режима, являются:

•Улучшение гибкости конструкции.

•Снижение стоимости и сложности реализации для приложений и устройств, которые не нуждаются в более высоких видах модуляции

•Облегчение поддержки 802.11ac в устройствах, которые не удовлетворяют строгим требованиям режима 256QAM по EVM (величине вектора ошибки), SNR (соотношению сигнал/шум) и PAPR (соотношению пиковой и средней мощности).

Вторым отличием 802.11ас от 802.11n является то, что количество определённых индексов модуляции и кодирования в 802.11ас значительно снижено. Только десять индексов MCS (0 до 9) определены для режима одного пользователя (см. Табл. 3.6).

61

Стандарт 802.11n предусматривал 77 индексов MCS, в том числе включающих поддержку «несимметричных» видов модуляции (unequal modulation,UEQM). Это позволяло системе передавать слабые потоки,

используя модуляцию более низкого порядка, тем самым детально оптимизируя скорость передачи данных в среде конкретного канала.

Например, один пользователь мог получить BPSK-модулированный сигнал в одном потоке и 16QAM-модулированный сигнал в другом.

Табл. 3.6. Схемы модуляции и кодирования для режима одного пользователя 802.11ac

	MCS	Модуляция	Скорость
			кодирования
	0	BPSK	1/2
	1	QPSK	1/2
	2	QPSK	3/4
	3	16-QAM	1/2
	4	16-QAM	3/4
	5	64-QAM	2/3
	6	64-QAM	3/4
	7	64-QAM	5/6
	8	256-QAM	3/4
	9	256-QAM	5/6

При разработке стандарта 802.11ac решено отказаться от поддержки несимметричных видов модуляции. Это означает, что все потоки в многопоточной передаче должны быть модулированы одним видом модуляции. Причиной такого отказа послужило то, что эта функция не нашла широкого применения в устройствах 802.11n. Кроме того, с учётом дополнительной пропускной способности канала и дополнительного вида модуляции 256QAM в 802.11ac, количество вариантов (следовательно, и

количество индексов MCS) было бы непрактичным и избыточным.

3.1.4 Формат кадра

В стандарте 802.11ac нет аналога преамбулы «Зелёного поля» 802.11n.

Стандарт 802.11ac определяет преамбулу только одного формата (Рис. 3.5),

которая будет доступна для расшифровки, в том числе, устройствам предыдущих стандартов 802.11a/n. Сделано это для того, чтобы такие

62

устройства могли извлечь из преамбулы информацию о длительности передачи, и не пытались передавать во время передачи устройства 802.11ac.

Вся преамбула состоит из двух частей. Первая часть – это традиционная преамбула, её назначение – обеспечить обратную совместимость, позволить устройствам а/nсинхронизироваться с сигналом.

Традиционная часть преамбулы состоит из 3-х полей: L-STF (короткая подстроечная последовательность), L-LTF (длинная подстроечная последовательность) и L-SIG (сигнал).

Рис. 3.5. Формат кадра 802.11ас

Поля L-STF и L-LTF содержат информацию, которая позволяет устройству обнаружить сигнал, выполнить оценку частотного сдвига,

времени синхронизации, и т.д. Поле L-SIG содержит информацию о длине остальной части пакета. Это означает, что все устройства, в том числе устаревшие смогут знать время передачи пакета.

Вторая часть преамбулы, следующая за традиционной частью – это новая преамбула стандарта 802.11ас. Она называется VHT-преамбула, в неё входят ниже описанные поля.

Традиционные поля и поле VHT-SIG-A дублируются в каждых 20 МГц полосы пропускания, с применением соответствующего вращения фазы.

Также вращение фазы применяется к каждому поддиапазону 20 МГц в VHTSTF, VHTLTF, иVHT-SIG-B.

После преамбулы передаются символы данных. Здесь, также,

реализовывается вращение фазы в верхних поддиапазонах20 МГц.

63

VHT-SIG-A

Поле VHT-SIG-A содержит два символа OFDM, которые следуют сразу за наследственной частью преамбулы. Символы используют длинный защитный интервал и являются BCC-кодированными со скоростью r = 1/2.

Первый символ BPSK-модулирован. Получив его, устройство 11n будет думать, что пакет является пакетом 11а и будет его игнорировать. Второй символ использует QBPSK, смещённую на 90 градусов (Рис. 3.6), что позволяет устройству 11ас автоматически обнаружить пакет 11ac.

Рис. 3.6. Сигнальные созвездия полей для модуляции полей L-SIG и VHT-SIG-A

Cимволы VHT-SIG-A содержат каждый 24 бита. 8 бит используются для CRC и 6 бит являются хвостовыми для кодера. Информация,

представленная в оставшихся 34 битах VHT-SIG-А необходима VHT-

устройству для чтения пакета VHT. В битах содержится информация,

позволяющая устройствам 11ас декодировать остальную часть пакета: полоса пропускания, STBC (пространственно-временное блоковое кодирование),

количество потоков, MCS, формирование луча и т.д. Назначение конкретных полей будет зависеть от режима одного или нескольких пользователей (SU-

или MU-MIMO). В случае нескольких пользователей (возможно до 4),

некоторые из VHT-SIG-А полей модифицируются, чтобы сигнализировать конкретному пользователю определённую информацию.

VHT-STF

VHT-STF используется для улучшения автоматической регулировки усиления в MIMO передаче. По данным этого поля можно определить на

64

анализаторе спектра поднесущие, которые имеют нулевое/ненулевое значение.VHT-STF всегда использует длинный защитный интервал.

VHT-LTF

Следующие 8 полей пакета – это поля VHT-LTF. Они используются для оценки MIMO канала и последующей коррекции принимаемого сигнала.

Пилот-сигналы вставляются в символы VHT-LTF для отслеживания фазы,

компенсации частотного сдвига и фазового шума, которые могут ухудшить сигнал OFDM и привести к ошибке оценки канала в приёмнике.

Количество символов LTF, отправленных в пакете зависит от количества пространственно-временных потоков: один LTF для одного пространственно-временного потока, два LTF для двух пространственно-

временных потоков, четыре LTF для трёх или четырёх потоков, шесть LTF

для пяти или шести потоков, восемь LTF для семи или восьми потоков. Так как количество отправляемых полей LTF больше или равно количеству потоков для каждого пользователя, они называются «разрешимые LTF».

Символы VHT-LTF также всегда используют длинный защитный интервал.

VH-SIG-B

Поле VHT-SIG-B является последним полем в преамбуле перед полем данных. Это один символ, BPSK модулированный, предоставляет информацию о длине полезных данных в пакете и в случае MU-MIMO

обеспечивает информацию о MCS (в случае одного пользователя информация о MCS передаётся в VHT-SIG-A). Формат поля VHT-SIG-B

зависит от того, является ли пакет SU-MIMO или MU-MIMO.

3.1.5 Технология MU-MIMO

Разрабатывая стандарт 802.11ac, группа TGac построила на возможности формирования луча из стандарта 802.11n новый механизм,

который позволяет точке доступа общаться с несколькими клиентскими устройствами в разных направлениях одновременно, используя один и тот же

65

канал, несколько антенн и пространственное мультиплексирование. Эта технология была названа MU-MIMO (многопользовательский MIMO). Она добавлена в 802.11ас для того, чтобы обеспечить требование суммарной пропускной способности 1 Гбит/c при работе с несколькими устройствами.

В стандарте 802.11n, точка доступа должна использовать временное разделение для мультиплексирования нескольких станций и обслуживать их по очереди друг за другом, таким образом, сокращая их эффективную пропускную способность.

Стандарт 802.11n допускал использование максимально четырёх пространственных потоков, предназначенных одному устройству в один момент времени (режим SU-MIMO). В стандарте 802.11ас врежиме MU-

MIMO точка доступа (или другая станция) передаёт независимые потоки данных нескольким станциям в одно и то же время в одном и том же частотном диапазоне (Рис. 3.7).

Предусматривается использование до восьми пространственных потоков, которые могут быть разделены максимально между четырьмя станциями, каждой из этих станций может выделяться различное количество пространственных потоков (но не более четырёх на одно устройство). При этом поддержка более одного пространственного потока клиентской станцией по стандарту не обязательна. Увеличение количества пространственных потоков позволило удвоить максимальную теоретическую пропускную способность всей сети 802.11ac в сравнении с 802.11n.

Рис. 3.7. Режимы SU- и MU-MIMO

а) Режим SU-MIMO, один пользователь, 4 пространственных потока,

б) Режим MU-MIMO, два пользователя, два пространственных потока к каждому.

66

Если точку доступа 802.11n можно рассматривать как аналог концентратора Ethernet (hub), то точку доступа 802.11ac можно рассматривать в качестве беспроводного коммутатора (на нисходящем канале).

При прохождении через беспроводной канал, потоки объединяются, и

задача приёмника разделить их и расшифровать. Путём предварительной обработки потоков данных в передатчике (аналогично, как и при формировании луча), помехи от наложения разных потоков,

предназначенных для различных станций, устраняются в приёмнике каждой станции. Таким образом, каждая станция получает свои требуемые данные,

свободные от помех параллельных передач. Однако использование модуляций высокого порядка, например 256QAM, нежелательно, так как они более чувствительны к искажениям.

Рис. 3.8. MU-MIMO использует сочетание формирования луча и «нулевого

управления» для нескольких пользователей одновременно

На рисунке 3.8 показан пример работы с тремя станциями в режиме формирования луча. Для передачи данных пользователю 1, точка доступа формирует к нему сильный луч, это показывает верхний лепесток голубой кривой. В то же время точка доступа уменьшает до минимума энергию луча к пользователю 1 в направлении пользователей 2и3.Это называется «нулевое управление» (управление положением нуля диаграммы направленности

67

антенны) и показано вырезами в кривой синего цвета. Аналогично в тоже время, точка доступа посылает данные пользователям 2и 3, формируя луч и образуя «вырезы», как показано на красной и жёлтой кривых. Таким образом,

каждый из пользователей 1, 2 и3 принимает сильный сигнал передаваемых именно ему данных, лишь в незначительной степени повреждённый наложением данных для других пользователей.

Сложность реализации MU-MIMO ложится главным образом на точку доступа, где и происходит предварительная обработка. Точка доступа должна очень точно знать характеристики беспроводного канала между собой и всеми станциями. Так как характеристики канала меняются с течением времени, она должна вести постоянные измерения, которые добавляют накладные расходы. Принимающие станции должны иметь возможность сообщать информацию о канале точке доступа. Требуемая информация о канале очень похожа на ту, что требуется для формирования луча в режиме явной обратной связи.

Втехнологии SU-MIMO пространственная избыточность

(дополнительные антенны) использовалась в основном в целях повышения достоверности передачи и увеличения пропускной способности в направлении от точки доступа к станции. В MU-MIMO к ним добавилась и вышла на первый план ещё одна – создание независимых передач различным станциям.

При одинаковой пропускной способности систем SU-MIMO и MUMIMO, последняя позволяет снизить требования к количеству антенн клиентов, что в свою очередь ведёт к снижению стоимости устройства и его размеров.

Недостаток MU-MIMO в том, что количество времени, в которое среда занята, определяется самым медленным каналом среди всех пар «точка доступа–станция» (или каналом, который требует больше всего времени для завершения его передачи). Новые данные не могут быть переданы любой из станций до тех пор, пока все передачи станциям в многопользовательской

68

группе не будут закончены. Если существует большая разница в количестве передаваемых данных или пропускной способности к различным станциям,

это может привести к неэффективному использованию беспроводной среды.

MU-MIMO является сложной технологией и требует времени для правильной реализации, поэтому она не будет доступна в устройствах первой волны стандартизации. По сути, расширение возможностей системы достигается за счёт значительно более дорогостоящей обработки сигнала и её повышенной сложности. По этой причине, технология MU-MIMO будет включена в стандарт 802.11ac как дополнительная.

3.1.6 Формирование луча

Технология формирования луча сама по себе не расширяет максимальный радиус действия и не увеличивает максимальную скорость,

это метод, позволяющий использовать более высокие схемы модуляции и кодирования в пределах заданного радиуса действия.

В стандарте 802.11n формирование луча (transmit beam forming)

является необязательной функцией. Она не нашла широкого применения из-

за несовместимости применяемых поставщиками методов. В значительной степени это обусловлено множеством вариантов протокола, доступных в оригинальном стандарте 802.11n, которые допускали слишком много вариантов зондирования, методов и форматов обратной связи.

Стандарт 802.11ac определяет единый метод формирования луча,

который будет способствовать функциональной совместимости. Этот метод – зондирование нулевым пакетом данных (null data packet, NDP) с прямой явной сжатой обратной связью. Выбранный протокол похож на протокол

802.11n и является его преемником. Он, как известно, обеспечивает наиболее точную оценку канала, которая учитывает все недостатки передатчика и приёмника.

В этом методе точка доступа передаёт специальный зондирующий сигнал всем станциям, которые оценивают канал между ними и точкой доступа и сообщают ей информацию о состоянии канала (матрицы

69

состояния). Обратная связь стандартизируется, поэтому точки доступа и станции различных поставщиков будут взаимодействовать правильно.

Устройство, обычно точка доступа, передаёт кадр Very High Throughput Null Data Packet Announcement(VHT NDP Announcement). Его единственная цель: содержать адрес точки доступа и целевой станции. За кадром VHTNDP Announcement сразу следует кадр VHTNDP, предназначенный для той же станции. Каждая станция измеряет радиочастотный канал между точкой доступа и собой, используя преамбулу кадра VHTNDP, и рассчитывает информацию о канале. Первый целевой получатель незамедлительно отвечает информацией о канале в кадре VHT Compressed Beam forming,

другие получатели отвечают, когда их опросит точка доступа. Кадры

VHTNDP Announcement, VHT NDP, VHT Compressed Beam forming сходны по функциям c 802.11n, однако из-за некоторых тонких различий, зондирование

802.11ac не обладает обратной совместимостью с устройствами 802.11n.

Несмотря на преимущество в оценке канала, этот механизм вносит довольно большие накладные расходы на кадры VHT NDP Announcement,

VHT NDP и кадр VHT Compressed Beam forming, несущий данные явной сжатой обратной связи. Для точки доступа с четырьмя антеннами, размер данных обратной связи может меняться от 180 до1800 байт, в зависимости от количества антенн клиентов и уровня сжатия. Зондирование только одного одноантенного клиента в диапазоне 80 МГц занимает около 250мкс.

Учитывая, что устройства могут передавать, к примеру, на скорости 433

Мбит/с, это дорогое удовольствие, так как за это же время можно передать дополнительно 13кбайт. Поэтому, формирование луча - это дополнительная функция в стандарте 802.11ac.

3.1.7 Совместимость

Стандарт 802.11ac разработан, с целью максимально прямой и обратной совместимости с устройствами стандартов 802.11a/n. На деле,

совместимость 802.11ac разработана ещё проще и тщательнее, чем совместимость 802.11n с устройствами 802.11a (Табл. 3.7).

70