Wi-Fi

Стандарт 802.11a

Чтобы как-то разгрузить диапазон 2,4 ГГц, был разработан стандарт 802.11a для частот 5 ГГц. В этом диапазоне  не так много источников помех, как  в диапазоне 2,4 ГГц, и средний уровень  совокупных шумов значительно ниже. В стандарте 802.11a используются две базовые центральные частоты в районе 5 ГГц и максимальная скорость передачи данных составляет до 54 Мбит/с. В этом стандарте в качестве способа доступа к среде применен множественный метод с контролем несущей и предотвращением коллизий. В качестве основного метода расширения спектра принят Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) — мультиплексирование c ортогональным частотным разделением сигналов. Для стандарта 802.11а в России выделены две частотные полосы (табл. 3).

Таблица 3. Основные параметры стандарта IEEE 802.11a (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Наименование параметра	Значение параметра	Метод модуляции
Диапазон частот, МГц	5150-5350; 5650-6425
Метод доступа к среде	Множественный доступ с  контролем несущей и предотвращением  коллизий
Метод расширения спектра	OFDM
Частотный разнос каналов, МГц	20
Количество поднесущих в канале	52
Скорости передачи данных по радиоканалу, Мбит/с	6; 9	BPSK
	12; 18	QPSK
	24; 36	16QAM
	48; 54; 108	64QAM
Максимальная мощность излучения передатчика в полосе частот: 5150-5250; 5250-5350 МГц	Не более 20 дБм (100 мВт)
Максимальная мощность излучения передатчика в полосе частот: 5650-5725; 5725-5825; 5825-6425 МГц	Не более 30 дБм (1 000 мВт)

В соответствии с документом на территории РФ для стандарта 802.11a частотные полосы подразделяются на пять рабочих поддиапазонов. Диапазоны 5,150-5,250 и 5,250-5,350 ГГц предназначены для работы оборудования с мощностью передатчика до 100 мВт (20 дБм). Диапазоны 5,650-5,725; 5,725-5,825 и 5,825-6,425 ГГц отведены для оборудования с мощностью передатчика до 1000 мВт (30 дБм).

В стандарте 802.11а в качестве основного  используется метод, разработанный  фирмой Intersil и получивший название Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) — мультиплексирование c ортогональным частотным разделением сигналов.

Принцип модуляции сигнала OFDM:

 

 

Весь диапазон частот разбивается на поднесу-щие, которые хотя частично и перекрываются, но находятся в ортогональном положении относительно друг друга. Ортогональность несущих сигналов обеспечивается в том случае, когда за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Для реализации метода в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), которое переводит предварительно мультиплексированный на одном из каналов сигнал из временного представления в частотное. Таким образом, там, где одна поднесущая имеет максимум амплитуды, соседняя поднесущая имеет нулевое значение. Информация в данном методе передается в виде так называемых OFDM-символов.

Перед символом постоянно  заносится префикс. Для защиты от возникновения межсимвольных коллизий в технологии OFDM вводится понятие охранного интервала (Guard Interval, GI), в течение которого будет идти циклическое повторение OFDM. Префикс добавляется к передаваемому символу в передатчике и удаляется при приеме символа в приемнике. Охранный интервал снижает скорость передачи данных.

В стандарте 802.11а диапазон разбивается с частотным разносом каналов 20 МГц. При этом в каждом из каналов имеется 52 под-несущие частоты. Из них 48 используются для передачи данных, а остальные четыре — для кодов коррекции ошибок. Разнос поднесущих частот составляет 312,5 кГц. Ширина сигнальной полосы — 16,66 МГц. Скорости сверточного кодирования: 1/2, 9/16, 2/3, 3/4. В протоколе IEEE 802.11a максимальная скорость сверточного кодирования составляет 3/4, когда к каждым трем входным битам добавляется еще один. На разных уровнях используются различные схемы модуляции. На самом нижнем применяется бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK). Она обеспечивает пропускную способность подканала 125 кбит/с. Поэтому для основного канала пропускная способность составляет 6 Мбит/с (48 умножить на 125). На следующем уровне используется квадратурная фазовая модуляция (QPSK), позволяющая удвоить пропускную способность до 12 Мбит/с.

В случае, когда на физическом уровне задействована 16-уровневая квадратурная амплитудная модуляция (16QAM), кодирующая 4 бит на один Герц несущей частоты, пропускная способность канала составит 24 Мбит/с. При использовании 64-уровневой квадратурной амплитудной модуляции (64QAM), кодирующей 8 или 10 бит на один Герц несущей частоты, обеспечивается максимальная для этого стандарта скорость — 54 Мбит/с.

Таким образом, в стандарте 802.11а поддерживаются скорости передачи данных: 6, 12, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Однако сам  стандарт допускает также реализацию и более высоких скоростей. Так, например, фирма Atheros выпускает оборудование 802.11а с одновременным использованием двух несущих частот, за счет чего максимальная пропускная способность может достигать значения 108 Мбит/с.

Необходимо обратить внимание, что диапазон 5 ГГц примыкает к частотам, которые частично используются наземными станциями слежения за спутниками связи. Для того чтобы нелицен-зируемое Wi-Fi-оборудование не мешало работе других ведомственных систем, Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) были разработаны два дополнительных протокола: DFS (Dynamic Frequency Selection) и TPC (Transmit Power Control). С их помощью беспроводные устройства Wi-Fi могут автоматически менять частотные каналы или снижать излучаемую мощность в случаях возникновения коллизий на несущих частотах.

Стандарт 802.11g

Следующим шагом на пути развития устройств Wi-Fi был стандарт 802.11g, принятый в 2003 г. Практически 802.11g — это усовершенствованный вариант 802.11b. Он предназначен для устройств, работающих на частотах 2,4 ГГц с максимальной скоростью 54 Мбит/с. Этот стандарт задумывался как универсальный. Поэтому в нем допускаются методы расширения спектра, использующиеся в предыдущих версиях, а именно DSSS, OFDM, PBCC. Основные параметры Wi-Fi-802.11g, одобренные для РФ, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры стандарта IEEE 802.11g (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Наименование параметра	Значение параметра	Метод модуляции
Диапазон частот, МГц	2400-2483,5
План частот (центральные  частоты каналов, МГц)	2412+5(n-1), n = 1, 13
Режимы работы	DSSS, OFDM, PBCC, DSSS-OFDM
Скорости передачи данных по радиоканалу и модуляции, Мбит/с	1	DBPSK
	2	DQPSK
	5,5; 11	ССК, РВСС
	6; 9	BPSK
	12; 18	QPSK
	24; 36	16QAM
	48; 54; 108	64QAM
	22; 33	PBCC
Максимальная мощность излучения передатчика	Не более 24 дБм (250 мВт)

Выделенная для 802.11g полоса частот в РФ составляет 2400-2483,5 МГц. Частотный  план (Frequency Assignment Plan) рассчитывается по формуле из таблицы 4. Стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b. Основное отличие заключается в допустимых методах доступа к среде и способах модуляции. В стандарте 802.11g используются рассмотренные выше технологии DSSS, PBCC, которые взяты из 802.11b. Метод OFDM принят из стандарта 802.11a. Методы модуляции DBPSK, DBPSK, CCK, CCK, PBCC также взяты из 802.11a, b.

Не вдаваясь особенно в подробности, можно сказать, что  стандарт 802.11g аналогичен стандарту 802.11b по частоте 2,4 ГГц и похож на стандарт 802.11a по максимальной скорости передачи 54 Мбит/с [10].

Стандарт 802.11n

Последним из принятых для  технологии Wi-Fi стал стандарт 802.11n, в  котором разработчики предприняли  попытку объединить все лучшее, что  было реализовано в предыдущих версиях. Стандарт 802.11n разработан для оборудования, функционирующего на центральных частотах 2,4 и 5 ГГц с максимально возможной скоростью вплоть до 600 Мбит/с [11]. Этот стандарт был утвержден IEEE в сентябре 2009-го, а в России одобрен и разрешен к использованию во всех диапазонах только в конце 2010 г. [5]. Стандарт основан на технологии OFDM-MIMO. В IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных в несколько раз больше, чем в предыдущих. Это достигается благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а также за счет реализации технологии MIMO со множеством антенн.

В идеальном случае удвоение ширины полосы означает прямо пропорциональное увеличение скорости передачи данных на физическом уровне (PHY). На практике все оказывается намного сложнее. В основу технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) положена идея применения раздельно нескольких передающих и приемных антенн [12]. Передаваемый поток данных разбивается на независимые последовательности битов, которые пересылаются одновременно, с использованием разных антенн. При этом антенны передают данные независимо друг от друга и в одном и том же частотном диапазоне. Иными словами, в технологии MIMO реализовано несколько пространственно разнесенных подканалов, по которым данные передаются одновременно в одном и том же частотном диапазоне. В простейшем примере это выглядит как передатчик с двумя антеннами и приемник с двумя антеннами, в которых по каждому каналу одновременно и независимо передаются и принимаются потоки данных.

Технология MIMO не влияет на метод кодирования данных и  может использоваться с разными  способами модуляции. В стандарте 802.11n в качестве метода расширения спектра используется Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), который хорошо зарекомендовал себя в стандарте 802.11a. Технологии MIMO включают в себя сложные векторные и матричные алгоритмы обработки в системах со множеством антенн (multi-antenna).

Метод кодирования OFDM по своей структуре в настоящее  время является оптимальным для  поддержания технологии MIMO. В MIMO используется методика предварительного кодирования  и последующего декодирования (Precoding) с формированием пространственной диаграммы направленности (beamforming), которая представляет собой некое векторное расширение стандартной плоской диаграммы направленности. При формировании пространственной диаграммы направленности используется множество антенн для передачи сигналов. Такой подход позволяет значительно улучшить охват и емкость системы, а также уменьшить вероятность нарушения связи. Чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас времени на замирание, в методе MIMO используются коды «пространство-время» (Space-Time Code, STC).

Методика MIMO включает в  себя так называемое «пространственное  мультиплексирование» (Spatial Multiplexing, SM), которое повышает скорости передачи и увеличивает пропускную способность по сравнению с отдельной одиночной антенной. При пространственном мультиплексировании множество потоков передаются по множеству антенн. Например, если приемник и передатчик имеют по две антенны и есть возможность выделить из всего многообразия электромагнитного излучения необходимые волны, то можно увеличить пиковую скорость данных вдвое.

Методы пространственно-временного кодирования

Блочные методы пространственно-временного кодирования.

Упрощенно принцип блочного кодирования заключается в разбиении  потока данных на блоки и ретрансляции блока в различные временные интервалы. Таким образом соблюдается принцип неоднократной посылки данных и улучшается помехоустойчивость схемы MIMO как таковой. Однако энергетического выигрыша кодирования по помехоустойчивости (ЭВК) блочные коды не дают. Наиболее простой и распространенной схемой является т. н. cхема Аламоути, согласно которой данные в кодере распределяются в соответствии с матрицей:

Таким образом, первая антенна  передает подряд символы  и , вторая - и . Кодовая скорость здесь равна 1. Таким образом, данная схема не дает выигрыша по скорости передачи данных, но может использоваться для предотвращения негативных воздействий замираний (здесь вводится предположение о том, что обе антенны не могут одновременно находиться в "плохих" с точки зрения помех положениях). Декодирование происходит по схеме максимального правдоподобия.

Решетчатое пространственно-временное кодирование

Пропускная способность  системы в целом и ее BER также  в немалой степени определяются выбранными алгоритмами декодирования. Все основные алгоритмы декодирования  строятся на следующих возможных  принципах:

• принцип максимального правдоподобия;
• принцип минимальной среднеквадратичной ошибки;
• принцип обнуления (ZF- zero forcing);
• принцип решетчатого кодирования (выражается в присвоении каждому переходу от одного символа к другому уникальной последовательности бит, формируемой на основе заранее известного полинома).

Кодер STTC представляет собой  совокупность M-PSK либо M-QAM модулятора и  решетчатого кодера с заданным полиномом (в частноти, кодера Витерби).

Неортогональные методы пространственно-временного кодирования

BLAST

Технология BLAST (Bell Labs Space-Time Transformation) предназначена для :

• распределения потоков модулированных данных по нескольким антенно-фидерным трактам приемопередающего устройства;
• распределения входящих модулированных сигналов по временным слотам.