Особенности нового Wi-Fi-стандарта 802.11ac


PDF версия

В статье описаны предполагаемые характеристики стандарта 802.11ас, рассмотрены особенности его физического уровня. Разработка стандарта идет полным ходом, завершить ее планируется уже в текущем году.

В настоящее время идет работа по увеличению пропускной способности беспроводных Wi-Fi сетей, с целью приблизить их характеристики к проводным. Готовятся сразу два варианта поправок: 802.11ad и 802.11ас. В первой используется широкая полоса частот 60 ГГц, а во второй — 5 ГГц.
Стандарт 802.11ac, который еще называют VHT (very high throughput — очень высокая пропускная способность), представляет собой поправки к удачной версии 802.11-2007. За счет применения новых механизмов 802.11ac позволяет повысить пропускную способность и стать более удобным для пользователя в существующих беспроводных сетях. В основе 802.11ac лежит стандарт 802.11n-2009. Пока стандарт не завершен, и о нем известно довольно мало.

Основные требования

Стандарт 802.11ас разрабатывается с учетом определенных требований. Во-первых, он должен обеспечивать полную обратную совместимость с устройствами 802.11а и 802.11n, работающими в полосе 5 ГГц. Это предполагает не только правильное взаимодействие устройств, но и накладывает ограничения на структуру пакета, которая должна подходить под формат 11а и 11n.
Во-вторых, необходимо предусмотреть механизм одновременной работы с сетями стандартов 11а и 11n. Пропускная способность сети с одной станцией, соответствующей требованиям 11ас на физическом и канальном уровнях, должна составлять 500 Мбит/с при использовании канала не более 80 МГц. При использовании нескольких станций пропускная способность системы увеличивается до 1 Гб/с по каналу не более 80 МГц.

Применение

Более высокая скорость передачи и большая пропускная способность позволяют использовать стандарт в следующих категориях:
1. Беспроводные дисплеи для игровых приложений, просмотра телевизионных программ или изображений с проекторов.
2. Домашние распределенные сис­темы, например, HDTV.
3. Обмен большими файлами с сервером.
4. Системы обратной транспортировки (ячеистая сеть, точка-точка и т.д.).
5. Техника для учебных заведений.
6. Автоматизация производства.
Первые три типа устройств появятся в 2012 г.

Физический уровень

В стандарте 802.11ас по возможности будут сохранены все особеннос­ти 802.11n и 802.11а для обеспечения обратной совместимости и взаимодействия сетей, кроме того он позволяет сосредоточить усилия разработчиков на увеличении пропускной способности 11ас.
На физическом уровне в 11ас, как в 11а и 11n, применяется мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов OFDM. Используется тот же принцип модуляции, перемежение битов и кодирование, что и в 11n. Устройства 802.11ас должны поддерживать каналы 20, 40 и 80 МГц и 1 пространственный поток. В то же время для обеспечения более высокой пропускной способности введено несколько дополнений:
– поддержка каналов шириной 80+80 МГц и 160 МГц;
– поддержка от 2 до 8 пространственных каналов;
– модуляция 256QAM;
– принцип MIMO для нескольких пользователей;
– короткий защитный интервал 400 нс;
– блочное кодирование пространство-время STBC (space time block coding);
– контроль четности низкой плотности LDPC (low density parity check).
Устройства 11ас, которые выполняют только обязательные требования, передают данные со скоростью 293 Мбит/с, а устройства, оснащенные всеми дополнительными особенностями, обеспечивают скорость почти 3,5 Гбит/с. Канал шириной 80 МГц состоит из двух соседних неперекрывающихся полос по 40 МГц. Канал 160 МГц состоит из двух половин по 80 МГц, которые могут быть смежными или разделенными.
Как мы уже упоминали, в 802.11ас используется мультиплексирование OFDM, как и в 802.11n. Данный вид модуляции предполагает передачу данных по равномерно распределенным поднесущим, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Распределение поднесущих по полосе

Полоса частот, МГц

Количество поднесущих

Поднесущие, по которым происходит передача сигнала

20

64

–28…–1, 1..28

40

128

–58…–2, 2..58

80

256

–122…–2, 2…122

160

512

–250…–130, –126…–6, 6…126, 130…250

80+80

256 на каждом канале

–122…–2, 2…122

 

Незадействованные поднесущие являются нулевыми, которые используются для передачи постоянного сигнала или в качестве защитного интервала. Поскольку устройства 802.11ас обязательно должны быть совместимыми с существующими устройствами более ранних версий 802.11, то они посылают преамбулу в каждой полосе 20 МГц, чтобы устройства могли синхронизироваться с пакетом. При этом увеличивается PAPR (отношение пиковой мощности к средней), ухудшая эффективность усилителей мощности. Для ослабления этого эффекта применяется вращение сигнала на поднесущих верхней полосы 20 МГц (см. табл. 2). Аналогичный прием уже применялся в стандарте 802.11n для канала 40 МГц.

Таблица 2. Поворот поднесущих

Полоса частот, МГц

Количество повернутых поднесущих

Угол поворота

20

Нет

40

≥0

90º (j)

80

≥–64

180º (–1)

160

–192…–1, ≥64

180º (–1)

80+80

Так же, как и для случая 80 МГц для каждой половины канала

То же, что и для канала 80 МГц

 

Вторым отличием стандарта 11ас является малое количество индексов MCS, характеризующих способы модуляции. Из таблицы 3 видно, что в 11ас предусмотрено 10 вариантов, а в 11n — 77. Стандарт 11n поддерживал редкие типы модуляции, например, BPSK на одном канале и 16QAM на другом. В то же время в действительности ни одно устройство 11n не поддерживало разные типы модуляции, поэтому в 11ас принято решение использовать только одинаковые.

Таблица 3. MCS индексы 11ас

MCS

Модуляция

Кодирование

RCE

0

BPSK

½

–5

1

QPSK

½

–10

2

QPSK

3/4

–13

3

16QAM

1/2

–16

4

16QAM

3/4

–19

5

64QAM

2/3

–22

6

64QAM

3/4

–25

7

64QAM

5/6

–28

8

256QAM

3/4

–30

9

256QAM

5/6

–32

 

Формат пакета

Структура пакета 802.11ас показана на рисунке 1. Первые три поля занимают две тренировочные последовательности L-STF (короткая), L-LTF (длинная) и L-SIG (сигнал). Тренировочные последовательности содержат информацию, необходимую для обнаружения сигнала. Они используются при оценке смещения частоты, синхронизации по времени и т.д. Пометка L обозначает «legacy», т.е. устаревший стандарт. Эти поля необходимы для совместимости с предыдущими версиями Wi-Fi. Поле L-SIG содержит информацию о длине пакета.

 

Рис. 1. Структура пакета 802.11ас

Поля с меткой VHT являются новыми для 11ас. Поле VHT-SIG-А содержит два OFDM-символа. Первый модулируется с помощью BPSK, чтобы устройства стандарта 11n распознали пакет как пакет формата 11а. Второй символ модулирован повернутой на 90º BPSK, чтобы устройства VHT распознавали его как пакет формата 11ас. Данные символы содержат информацию о полосе пропускания, схеме модуляции и кодирования, количестве временных потоков и т.д. Все рассмотренные поля повторяются на каждых 20 МГц полосы пропускания.
Поле VHT-STF служит для автоматической регулировки коэффициента усиления при передаче в условиях многолучевости. Следующие поля называются VHT-LTF. Они используются для оценки канала MIMO и осуществления подстройки принятого сигнала.
Последнее поле перед информационными данными — это VHT-SIG-В. Сигнал модулирован BPSK и содержит информацию о длине полезных данных в пакете. В случае MU-MIMO он передает информацию о схеме модуляции и кодировании (MCS). Для одиночного пользователя эти данные передаются в поле VHT-SIG-А. К полю VHT-SIG-В также применяется вращение фазы на участках полосы 20 МГц.

Характеристики передатчика

Рассмотрим основные характеристики передатчика 802.11ас. Общий вид спектральной маски для каналов 20, 20, 80 и 160 МГц показан на рисунке 2, частоты перелома указаны в таблице 4. По вертикали на графике отложена «амплитуда» в dBr, т.е. по отношению к максимальной спектральной плотности сигнала.

Таблица 4. Характерные точки спектральной маски

Канал, МГц

А, МГц

B, МГц

C, МГц

D, МГц

20

9

11

20

30

40

19

21

40

60

80

39

41

80

120

160

79

81

160

240

 

Рис. 2. Спектральная маска

В случае использования канала 80+80, для каждой половины используется маска 80 МГц. Точки, в которых стыкуются маски, перечислены в таблице 5. Маска для двух несмежных сигналов 80 МГц, разделенных полосой 160 МГц, отражена на рисунке 3. После определения маски в dBr следует пересчитать ее на величину передаваемой мощности, чтобы удостовериться, что ни одно значение маски не лежит ниже –59 дБм/МГц.

Таблица 5. Точки стыковки масок для канала 80+80 МГц

Шаг

Параметры исходных масок

Параметры суммарной маски

1

Обе маски лежат в диапазоне –20…–40 dBr

Линейная сумма двух масок

2

Ни одна маска не попадает в диапазон 0…–20 dBr

Большее значение из двух масок

3

Значения не определены

Выраженная в дБ линейная интерполяция между двумя ближайшими частотными точками с определенными значениями маски

 

Рис. 3. Маска для двух несмежных сигналов

Спектральная неравномерность позволяет измерить, имеют ли поднесущие одинаковую мощность. Энергия, передаваемая на каждой поднесущей, не должна отставать от среднего значения для полосы больше, чем на заданную величину. На рисунке 4 показана спектральная неравномерность как функция от частоты поднесущей. Значения характерных точек приведены в таблице 6. Например, в канале шириной 20 МГц энергия поднесущей с индексом 5 должна отличаться от средней энергии поднесущих 1–16 не более чем на ±4 дБ, а энергия поднесущей с индексом 20 должна лежать в коридоре +4/–6 дБ от средней энергии поднесущих 17–28. Заметим, что для канала 160 МГц все поднесущие должны отклоняться от среднего не более чем на +4/–6 дБ.

Таблица 6. Характерные точки для графика спектральной неравномерности

Канал, МГц

А

В

С

20

1

17

28

40

2

43

58

80

2

85

122

160

6

250

 

Рис. 4. Зависимость спектральной неравномерности от частоты поднесущей

Следующий параметр — точность модуляции. Для ее определения следует измерить потери сигнала на центральной частоте и относительную погрешность созвездия (RCE). Потери на центральной частоте — это энергия, которая рассеивается через элементы передатчика. В зависимости от типа приемника большие потери на центральной частоте могут привести к плохой работе демодулятора, если в нем используются промежуточные сигналы нулевой частоты.
Пока данная характеристика находится в стадии обсуждения. Однако поскольку в 11ас применяется тот же тип модуляции, что и в 11n, то, скорее всего, значения отклонения центральной частоты будут такими же, что и в 11а или 11g.
Значения RCE приведены в таблице 3. Этот параметр не зависит от полосы сигнала. Количество пространственных каналов должно совпадать с количеством передающих антенн. Значение RCE измеряется для каждого передающего порта в отдельности. Передаваемый сигнал должен содержать не менее 19 кадров, в каждом не менее 16 символов со случайными данными.

Характеристики приемника

Рассмотрим параметры приемников, которые должны соответствовать стандарту 802.11ас. Во-первых, проводится анализ на минимальную чувствительность по входу, чтобы гарантировать, что приемник может демодулировать минимально допустимый сигнал, т.е. количество ошибочных пакетов не должно превышать 10%. Для 11ас минимальный входной уровень сигнала определяется типом модуляции, скоростью кодирования и полосой (см. табл. 7). При тестировании накладываются следующие ограничения: длина пакета не менее 4096 байт, защитные интервалы 800 нс, BCC и кодирование без использования STBC.

Таблица 7. Минимальная чувствительность приемника

Модуляция

Кодирование

Минимальная чувствительность, дБм

20 МГц

40 МГц

80 МГц

160 МГц или 80+80 МГц

BPSK

½

–82

–79

–76

–73

QPSK

½

–79

–76

–73

–70

QPSK

3/4

–77

–74

–71

–68

16QAM

1/2

–74

–71

–68

–65

16QAM

3/4

–70

–67

–64

–61

64QAM

2/3

–66

–63

–60

–57

64QAM

3/4

–65

–62

–59

–56

64QAM

5/6

–64

–61

–58

–55

256QAM

3/4

–59

–56

–53

–50

256QAM

5/6

–57

–54

–51

–48

Анализ на подавление соседних и несмежных каналов позволяет оценить способность приемника обнаруживать и демодулировать сигнал в присутствии постороннего более сильного сигнала в близлежащем канале. Для иллюстрации обратимся к рисунку 5.

 

Рис. 5. Пример анализа

Приемник демодулирует полезный сигнал с частотой fo, полосой W и мощностью на 3 дБ выше, чем минимальный порог (см. табл. 7). Присутствует сторонний OFDM-сигнал с рабочим циклом более 50% и с полосой W, отстоящей на W от fo. Мощность постороннего сигнала больше, чем полезного.
Увеличивая мощность стороннего сигнала, измеряем частоту появления ошибочных пакетов. Когда она достигает 10%, измеряем разницу между мощностью стороннего и полезного сигнала. Допустимые значения приведены в таблице 8. Для случая несмежных каналов значения аналогичны за тем исключением, что сторонний сигнал отстоит от полезного на 2W.

 

Таблица 8. Пример анализа на подавление соседних и несмежных каналов

Моду­ляция

Кодиро­вание

Подавление смежного канала

Подавление несмежного канала

20, 40, 80,160 МГц

80+80 МГц

20, 40,80,160 МГц

80+80 МГц

BPSK

½

16

13

32

29

QPSK

½

13

10

29

26

QPSK

3/4

11

8

27

24

16QAM

1/2

8

5

24

21

16QAM

3/4

4

1

20

17

64QAM

2/3

0

–3

16

13

64QAM

3/4

–1

–4

15

12

64QAM

5/6

–2

–5

14

11

256QAM

3/4

–7

–10

9

6

256QAM

5/6

–9

–12

7

4

Анализ на максимальный уровень входного сигнала показывает способность приемника демодулировать сигнал мощностью –30 дБ. К антенне прикладывается сигнал мощностью –30 дБм. Частота ошибочных пакетов должна быть не более 10%.
Оценка чистоты канала характеризует способность устройства определять статус канала (свободен или занят). Если занят, то в поле CCA ставится бит «занят». В основном канале устройство должно определять загруженность канала за 4 мкс с вероятностью более 90%. На вторичном канале отводится промежуток 25 мкс с той же вероятностью. Уровень мощности на занятом канале зависит от полосы пропускания и типа сигнала (обычный или VHT).

Литература
1. 802.11ac Technology Introduction//www.rohde-schwarz.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *