Будущее мультигигабитных беспроводных сетей

Спецификация WiGig использует нелицензируемый диапазон 60 ГГц. В соответствии с ней трехдиапазонные устройства WiGig, работающие на частотах 2,4, 5 и 60 ГГц, будут передавать данные со скоростью до 7 Гбит/с, что более чем в 10 раз превышает самую высокую скорость 802.11n при сохранении совместимости с существующими Wi-Fi-устройствами.

Повсеместный доступ к цифровому мультимедийному контенту и его использование увеличили потребность в более высоких скоростях передачи данных по сетям, которые нынешние коммерческие стандарты не поддерживают. В отрасли появился спрос на единый стандарт для поддержки таких современных приложений как беспроводные дисплеи, стыковочные станции и системы беспроводного доступа.
Альянс Wireless Gigabit (WiGig) Alliance был образован с целью создания унифицированной спецификации для беспроводной связи на мультигигабитных скоростях. Эта спецификация позволит создать целую экосистему совместимых изделий.
Спецификация WiGig MAC и PHY предусматривает передачу данных со скоростями до 7 Гбит/с, что более чем в 10 раз превышает скорость самых быстрых сетей Wi-Fi на основе стандарта IEEE 802.11n. Эта спецификация определяет работу сетей в нелицензируемом диапазоне 60 ГГц с более широким каналом, чем тот, который используется существующими Wi-Fi-устройствами (2,4 и 5 ГГц). Таким образом, она расширяет полосу пропускания каналов, обеспечивая высокие скорости передачи данных.
Спецификация WiGig разработана на основе стандарта IEEE 802.11n, в соответствии с которым во всем мире работают сотни миллионов Wi-Fi-устройств. Она предусматривает внутреннюю поддержку Wi-Fi в диапазоне 60 ГГц, благодаря чему новые трехдиапазонные устройства получат возможность беспрепятственно интегрироваться в существующие сети 2,4 ГГц и 5 ГГц (см. рис. 1). Стандарт IEEE 802.11n представляет собой поправку к IEEE 802.11, определяя мультигигабитную связь в диапазоне 60 ГГц. Спецификация WiGig была утверждена в мае 2010 г. в качестве основы чернового проекта стандарта 802.11ad.

Рис. 1. Архитектура WiGig предусматривает связь в трех диапазонах

Эта спецификация позволяет увеличить число приложений, к числу которых относятся беспроводные стыковочные станции и беспроводные дисплеи, а также фактически мгновенное беспроводное резервирование данных, синхронизация и передача файлов между компьютерами и мобильными устройствами. Впервые пользователи получат полноценный беспроводной доступ к вычислительным устройствам и потребительской электронике.

Спецификация WiGig предназначена, в первую очередь, максимально увеличить производительность, свести к минимуму сложность и стоимость внедрения сетей, обеспечить совместимость с существующими сетями Wi-Fi и повысить безопасность систем. К ее основным характеристикам относятся следующие:
– поддержка скорости передачи данных до 7 Гбит/с всеми устройствами на основе этой спецификации;
– поддержка устройств, начиная с сотовых телефонов с малым потреблением и заканчивая высокопроизводительными ПК. Предусмотрена также поддержка функции управления энергопотреблением;
основу спецификации составляет стандарт IEEE 802.11. Спецификация обеспечивает оптимизированную поддержку Wi-Fi и позволяет устройствам переключаться между сетями 802.11, работающими в любом диапазоне, в т.ч. 2,4, 5 и 60 ГГц;
– поддержка формирования диаграммы направленности и обеспечение надежной связи на расстояниях больше 10 м;
– усовершенствованные средства обеспечения защиты с помощью режима GCM (Galois/Counter Mode) AES-алгоритма шифрования;
– поддержка высокопроизводительных беспроводных реализаций HDMI, DisplayPort, USB и PCIe.
Спецификация WiGig, основанная на IEEE 802.11, определяет уровни PHY и MAC. Она обеспечивает оптимизированную поддержку IP-сетей в диапазоне до 60 ГГц. Кроме того, она упрощает и удешевляет производство устройств, которые могут устанавливать связь как в рамках WiGig, так и по существующему стандарту Wi-Fi в трех диапазонах.
Альянс WiGig также определяет уровни PAL (Protocol Adaptation Layers), которые поддерживают стандарты передачи данных и подключения к дисплеям в диапазоне 60 ГГц. Уровни PAL обеспечивают беспроводные реализации этих стандартных интерфейсов, запускаемых непосредственно на WiGig MAC и PHY (см. рис. 2), и могут быть выполнены в «железе». К начальному уровню PAL относится аудиовизуальный уровень, который поддерживает интерфейсы HDMI и DisplayPort, а также систему ввода-вывода для USB и PCIe.

Рис. 2. Уровни PAL протокола WiGig

Диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц для Wi-Fi-связи, а также 60-ГГц полоса стандарта WiGig являются нелицензируемыми и используются во всем мире. Доступ к полосе 60 ГГц (см. рис. 3) несколько различается в разных странах. У полосы 60 ГГц канал намного шире, чем у 2,4 и 5 ГГц (83,5 МГц и 7 ГГц, соответственно). Этот спектр разделен на множество каналов.

Рис. 3. Доступность частотного спектра в полосе 60 ГГц

Благодаря намного более широкому спектру 60-ГГц полосы, ее каналы намного шире, что позволяет передавать данные с мультигигабитными скоростями. Спецификация WiGig определяет четыре канала, каждый шириной по 2,16 ГГц, т.е. в 50 раз шире, чем в стандарте 802.11n. Эти широкие каналы позволяют поддерживать приложения, которые требуют исключительно высоких скоростей передачи данных, например, несжатых видеоданных.

Эта спецификация поддерживает два типа схем модуляции и кодирования, что обеспечивает следующие преимущества:
– метод OFDM поддерживает связь на более длинные расстояния с большей задержкой распространения, обеспечивая большую гибкость в устранении препятствий и отраженных сигналов. Более того, OFDM поддерживает скорость передачи данных до 7 Гбит/с;
– схема SC (single carrier — одна несущая) обеспечивает меньшее энергопотребление, поэтому она предпочтительнее для использования в маломощных устройствах. Эта схема поддерживает скорости до 4,6 Гбит/с.
Две этих схемы совместно используют такие элементы как преамбула и канальное кодирование, что упрощает производителям реализацию устройств WiGig. В MAC-уровень спецификации WiGig добавлены новые функции, которые поддерживают современные модели использования (см. рис. 4), облегчают интеграцию в сети Wi-Fi, уменьшают энергопотребление и обеспечивают высокий уровень безопасности.

Рис. 4. Модели использования

Определяемая этой спецификацией сетевая архитектура обеспечивает прямое соединение двух устройств друг с другом, позволяя быстро синхронизовать их и передать аудиовизуальные данные на проектор или телевизор. Кроме того, эта спецификация поддерживает существующие сетевые архитектуры 802.11, в т.ч. использование точки доступа, как в сетях Wi-Fi.
Сеанс связи можно быстро и беспрепятственно переключить между 60-ГГц каналом и низкочастотным каналом Wi-Fi, в т.ч. каналами на 2,4 и 5 ГГц. Эта новая опция позволяет переходить в полосы 2,4 и 5 ГГц в том случае, если 60-ГГц канал окажется недоступным.
Устройства WiGig могут использовать опцию переключения каналов, чтобы уменьшить энергопотребление. Два устройства соединяются друг с другом напрямую в запланированные интервалы времени, вне которых они погружаются в режим сна. Эта возможность особенно актуальна для сотовых телефонов и других портативных устройств с батарейным питанием.
Спецификация WiGig построена на механизмах безопасности с помощью стандарта IEEE 802.11. В этой спецификации применяется GCM – очень эффективный рабочий режим, разработанный на основе рекомендуемого правительством стандарта шифрования AES. Он поддерживает скорость передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Следует понимать, что при высокоскоростном соединении в полосе частот 60 ГГц потери при распространении выше, чем в полосах 2,4 и 5 ГГц.
Спецификация WiGig решает эту задачу с помощью адаптивного формирования диаграммы направленности — метода, позволяющего установить надежное мультигигабитное соединение на расстояниях, превышающих 10 м. В этом методе используются направленные антенны, чтобы уменьшить интерференцию и направить сигнал между двумя устройствами в виде пучка. При этом вырастает скорость передачи данных, и увеличивается дальность связи. Метод формирования диаграммы направленности определяется на уровнях PHY и MAC спецификации WiGig. В процессе формирования пучка два устройства устанавливают связь, а затем регулируют параметры антенны таким образом, чтобы повысить качество установленной связи.
Еще одним преимуществом этого метода на случай возникновения препятствий в зоне прямой видимости является возможность создания альтернативного канала связи за счет лучей, отраженных от стен.

Уровни PAL обеспечивают реализацию основных интерфейсов компьютеров и потребительской электроники в 60-ГГц сетях WiGig. PAL упрощают разработку устройств со встроенной поддержкой специфических функций, например, подключения к беспроводным дисплеям.
PAL-уровни позволяют удовлетворить требованиям к энергоэффективности благодаря тому, что определены непосредственно на уровнях MAC и PHY, а не в других протоколах, и могут быть реализованы аппаратно. В результате максимально повышается производительность устройств и уменьшается их потребление. На текущий момент определены APAL-уровни для аудиовизуальных функций (Audio-Visual, A/V) и системы ввода-вывода (I/O).
PAL-уровень A/V обеспечивает беспроводную передачу аудиовизуальных данных, например, фильма с компьютера или видеокамеры на телевизор или проектор. Этот PAL-уровень поддерживает беспроводные реализации интерфейсов HDMI и Display-Port, а также схему HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) для защиты цифрового контента, передаваемого по данным интерфейсам. Этот уровень масштабируется для передачи как сжатых, так и несжатых видеоданных.
PAL-уровень I/O определяет высокопроизводительные беспроводные реализации широко используемых компьютерных интерфейсов в диапазоне 60 ГГц. Существующие определения PAL касаются интерфейсов USB и PCIe. USB, как правило, используется для подключения внешних и других устройств к компьютеру. PAL-уровень USB предусматривает мультигигабитное беспроводное соединение между USB-устройствами и облегчает разработку, например, стыковочных станций.
Как правило, интерфейс PCIe применяется в компьютерах для подключения центрального процессора (ЦП) и памяти к контроллерам портов ввода-вывода, которые поддерживают интерфейсы устройств хранения данных, сетевые платы и т.д. Кроме того, PCIe используется для подключения к мультимедийным и графическим процессорам для повышения качества изображения или разгрузки ЦП. Реализация PAL обеспечивает беспроводную синхронизацию мультигигабитных устройств друг с другом и соединение с запоминающими устройствами и другой высокоскоростной периферией. Спецификация WiGig и PAL подерживает реализацию широкого ряда новых и существующих моделей использования (см. рис. 4).
Новая спецификация позволит производителям создать экосистему совместимых изделий WiGig. В мае 2010 г. альянсы WiGig Alliance и Wi-Fi Alliance заключили соглашение о сотрудничестве по вопросам обмена спецификациями для разработки сертификационной программы следующего поколения. Этот договор предусматривает разработку изделий, которые поддерживают 60-ГГц технологию и функции Wi-Fi.