Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 17 ноября
 
 

Это интересно!

Ранее

WiMAX — стандарт широкополосной беспроводной связи

В статье изложены принципы работы беспроводных сетей. Приведены основные характеристики стандарта WiMAX. Также подробно разобраны методы модуляции и кодирования передаваемого сигнала. Статья будет полезна начинающим разработчикам беспроводных сетей.

SDR — программно-конфигурируемое радио

В статье кратко рассматриваются основные особенности и методы построения программно-конфигурируемого радио SDR, которое завоевывает все большую популярность благодаря увеличению производительности и снижению стоимости DSP-процессоров и матриц FPGA. Описаны основные архитектуры и указаны главные проблемы развития приложения. В библиографической ссылке приведен значительный список литературы, позволяющий разработчику глубже вникнуть в суть вопроса.

Инь и Янь в вопросах согласования. Часть 3*

Это заключительная часть учебной статьи, охватывающей основы теории согласования СВЧ-цепей.

 

25 ноября

802.11n — беспроводной стандарт с проводной скоростью передачи

Хотя MIMO-версия стандартов беспроводной связи еще не принята, некоторые ведущие производители уже приступили к выпуску соответствующей аппаратуры и элементной базы для локальных сетей. В статье обсуждаются преимущества и недостатки улучшенной версии беспроводных сетей спецификации 802.11n, которая обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с традиционными сетями Wi-Fi. Рассмотрены принципы работы сетей 802.11n , режимы работы станций и схемы построения передатчиков и приемников.



П

омимо очевидных преимуществ, беспроводные сети обладают большим недостатком — низкая по сравнению с кабельными сетями скорость передачи данных. Так, максимально возможная пропускная способность Wi-Fi составляет 54 Мбит/с, в то время как в проводных стандартах этот параметр достигает 100 и даже 1000 Мбит/с в зависимости от типа кабеля и используемых протоколов.
Немаловажной проблемой является защита сетей от несанкционированного доступа и прослушивания. В этом смысле наиболее приемлемый вариант — оптоволоконная линия. Такие линии не подвержены воздействию внешних электромагнитных помех. Канал в беспроводных сетях, наоборот, на всей зоне покрытия открыт для доступа. В связи с этим необходимо предусмотреть специальные методы защиты — пароли, ключи и т.д.
Сравнительно недавно появилась улучшенная версия беспроводных сетей (Wi-Fi) спецификации 802.11n, которая по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 10 раз превышает производительность классического Wi-Fi.
Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:
– большая скорость передачи данных (около 500 Мбит/с);
– равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;
– совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.
Недостатки:
– большая мощность потребления;
– два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);
– усложненная и более габаритная аппаратура.
Стандарт 802.11n обеспечивает более высокую скорость передачи дан­ных, сохраняя при этом совместимость с предыдущими версиями Wi-Fi. Устройства, поддерживающие 802.11n, уже появились на рынке, однако сам стандарт окончательно пока не принят.

Принцип работы

Для повышения пропускной способности сети самое простое решение — увеличение числа каналов передачи. В стандарте 802.11n это реализовано путем использования принципа MIMO и мультиплексирования с ортогональным частотным разделением канала (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — OFDM) [3].
В самом широком смысле MIMO — это система, имеющая «много входов и много выходов» (Multiple Input Multiple Output). Применительно к беспроводным сетям и системам связи в целом это означает, что сигнал передается и принимается не одной, а несколькими антеннами одновременно (см. рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы системы MIMO

Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность — каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число.
Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии.
Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:
1. Унаследованный режим (legacy mode).
2. Смешанный режим (mixed mode).
3. Режим зеленого поля (green field mode).
Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы — служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO.
Кроме того, структура преамбулы определяет некоторые первичные задачи приемника, такие как оценка мощности принимаемого сигнала для системы автоматической регулировки усиления (АРУ), обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режимы работы станций MIMO

Унаследованный режим. Этот режим предусмотрен для обеспечения обмена между двумя станциями с одной антенной. Передача информации осуществляется по протоколам 802.11а. Если передатчиком является станция MIMO, а приемником — обычная станция, то в передающей системе используется только одна антенна и процесс передачи идет так же, как и в предыдущих версиях стандарта Wi-Fi. Если передача идет в обратном направлении — от обычной станции в многоантенную, то станция MIMO использует много приемных антенн, однако в этом случае скорость передачи не максимальная. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как в версии 802.11а.
Смешанный режим. В этом режиме обмен осуществляется как между системами MIMO, так и между обычными станциями. В связи с этим системы MIMO генерируют два типа пакетов, в зависимости от типа приемника. С обычными станциями работа идет медленно, поскольку они не поддерживают работу на высоких скоростях, а между MIMO — значительно быстрее, однако скорость передачи ниже, чем в режиме зеленого поля. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, что и в стандарте 802.11а, а в пакете MIMO она немного изменена. Если передатчиком выступает система MIMO, то каждая антенна передает не целую преамбулу, а циклически смещенную. За счет этого снижается мощность потребления станции, а канал используется более эффективно. Однако не все унаследованные станции могут работать в этом режиме. Дело в том, что если алгоритм синхронизации устройства основан на взаимной корреляции, то произойдет потеря синхронизации.
Режим зеленого поля. В этом режиме полностью используются преимущества систем MIMO. Передача возможна только между многоантенными станциями при наличии унаследованных приемников. Когда идет передача MIMO-системой, обычные станции ждут освобождения канала, чтобы избежать конфликтов. В режиме зеленого поля прием сигнала от систем, работающих по первым двум схемам, возможен, а передача им — нет. Это сделано для того, чтобы исключить из обмена одноантенные станции и тем самым повысить скорость работы. Пакеты сопровождаются преамбулами, которые поддерживаются только станциями MIMO. Все эти меры позволяют максимально использовать возможности систем MIMO-OFDM.
Во всех режимах работы должна быть предусмотрена защита от влияния работы соседней станции, чтобы предотвратить искажения сигналов. На физическом уровне модели OSI для этого используются специальные поля в структуре преамбулы, которые оповещают станцию о том, что идет передача и необходимо определенное время ожидания. Некоторые методы защиты принимаются и на канальном уровне (МАС).
В зависимости от используемой полосы пропускания режимы работы классифицируются следующим образом:
1. Наследуемый режим. Этот режим нужен для согласования с предыдущими версиями Wi-Fi. Он очень похож на 802.11a/g как по оборудованию, так и по полосе пропускания, которая составляет 20 МГц.
2. Двойной наследуемый режим. Устройства используют полосу 40 МГц, при этом одни и те же данные посыла­ются по верхнему и нижнему каналу (каждый шириной 20 МГц), но со смещением фазы на 90°. Структура пакета ориентирована на то, что приемником является обычная станция. Дублирование сигнала позволяет уменьшить искажения, повышая тем самым скорость пере­дачи.
3. Режим с высокой пропускной способностью. Устройства поддерживают обе полосы частот — 20 и 40 МГц. В этом режиме станции обмениваются только пакетами MIMO. Скорость работы сети максимальна.
4. Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина диапазона 40 МГц. Станции могут обмениваться любыми пакетами.
5. Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина диапазона 40 МГц. Станции также могут обмениваться любыми пакетами.

Методы повышения быстродействия

Скорость передачи данных зависит от многих факторов (см. табл. 1) и, прежде всего, от полосы пропускания. Чем она шире, тем выше скорость обмена. Второй фактор — количество параллельных потоков. В стандарте 802.11n максимальное число каналов равно 4. Также большое значение имеют тип модуляции и метод кодирования. По­ме­хоустойчивые коды, которые обычно применяются в сетях, предполагают внесение некоторой избыточности. Если защитных битов будет слишком много, то скорость передачи полезной информации снизится. В стандарте 802.11n максимальная относительная скорость кодирования составляет до 5/6, то есть на 5 битов данных приходится один избыточный.
В таблице 1 приведены скорости обмена при квадратурной модуляции QAM и BPSK. Видно, что при прочих одинаковых параметрах модуляция QAM обеспечивает гораздо большую скорость работы.

Таблица 1. Скорость передачи данных при различных типах модуляции

Модуляция

Относительная скорость кодирования

Полоса пропускания, МГц

Количество поднесущих

Число каналов

Скорость передачи данных
при СР = 800 нс

Скорость передачи данных при
СР = 400 нс

BPSK

1/2

20

52

1

6,5

7,2

64-QAM

5/6

65

72,2

BPSK

1/2

2

13

14,4

64-QAM

5/6

130

144

BPSK

1/2

3

19,5

21,7

64-QAM

5/6

195

216,7

BPSK

1/2

4

26

28,9

64-QAM

5/6

260

288,9

BPSK

1/2

40

108

1

13,5

15

64-QAM

5/6

135

150

BPSK

1/2

2

27

30

64-QAM

5/6

270

300

BPSK

1/2

3

40,5

45

64-QAM

5/6

405

450

BPSK

1/2

4

54

60

64-QAM

5/6

540

600

Примечание: CP — циклический префикс.

Передатчики и приемники 802.11n

Общая структурная схема передатчика изображена на рис. 2. Передаваемые данные проходят через скремблер, который вставляет в код дополнительные нули или единицы (так называемое маскирование псевдослучайным шумом), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные разделяются на N потоков и поступают на кодер с прямой коррекцией ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, а если используются три или четыре передающих канала, то N = 2.

Рис. 2. Общая структура передатчика MIMO-OFDM

Кодированная последовательность разделяется на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке перемеживаются (для устранения блочных ошибок), а затем модулируются. Далее происходит формирование пространственно-временных потоков, которые проходят через блок обратного быстрого преобразования Фурье и поступают на антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн.
Структура приемника аналогична структуре передатчика (см. рис. 3), но все действия выполняются в обратном порядке.

Рис. 3. Общая структура приемника MIMO-OFDM

Заключение

Хотя стандарт 802.11n еще не принят, у него хорошие перспективы. Можно ожидать, что с его появлением беспроводные сети получат большее распространение и, возможно, потеснят кабельные линии. Устройства, поддерживающие отдельные возможности 802.11n, уже вышли на рынок, поэтому сомневаться в успешности технологии MIMO-ОFDM не приходится.

Литература

1. www.wirelessnetdesignline.com/showAr­ticle.jhtml?articleID=199601155
2. www.electronics.ru/issue/2006/1/11
3. Электронные компоненты, №9, 2008, ИД «Электроника».



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Екатерина Клюева, редактор, журнал «Электронные компоненты»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты