Проектирование беспроводной сети Wi-Fi на основе стандарта 802.11n в общежитии № 2 Алматинского Института Энергетики и Связи

Для передачи на более высоких  скоростях в стандарте IEEE 802.11а  используется квадратурная амплитудная  модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором — уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM — на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции  и числом поднесущих. Поскольку для  передачи данных применяются 48 поднесущих, емкость OFDM-символа составляет 48 x Nb, где Nb — двоичный логарифм от числа позиций модуляции, или, проще говоря, количество бит, которые кодируются в одном символе в одном подканале. Соответственно емкость OFDM-символа составляет от 48 до 288 бит.

Последовательность обработки  входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом. Первоначально входной поток  данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток  данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4. Поскольку  скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной. Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с. При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (таблица 1.2).

 

Таблица 1.2 - Соотношение  между скоростями передачи и типом  модуляции в стандарте 802.11a

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость сверточного  кодирования	Количество бит  в одном символе в одном подканале	Общее количество бит в  символе (48 подканало)	Количество информационных бит в символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

 

После сверточного кодирования  поток бит подвергается операции перемежения, или интерливинга. Суть ее заключается в изменении порядка  следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу  бит в OFDM-символе (NCBPS). Далее по определенному  алгоритму производится двухэтапная  перестановка бит в каждом блоке. На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные  биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально  блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее  биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как  записывались, но из транспонированной  матрицы). В результате такой операции первоначально соседние биты будут  передаваться на несмежных поднесущих.

Затем следует этап второй перестановки битов, цель которого заключается  в том, чтобы соседние биты не оказались  одновременно в младших разрядах групп, определяющих модуляционный  символ в сигнальном созвездии. То есть после второго этапа перестановки соседние биты оказываются попеременно  в старших и младших разрядах групп. Делается это с целью улучшения  помехоустойчивости передаваемого  сигнала.

После перемежения последовательность бит разбивается на группы по числу  позиций выбранного типа модуляции  и формируются OFDM-символы.

Сформированные OFDM-символы  подвергаются быстрому преобразованию Фурье, в результате чего формируются  выходные синфазный и квадратурный сигналы, которые затем подвергаются стандартной обработке — модуляции.

 

1.3.3 Стандарт IEEE 802.11n

Этот стандарт был утверждён 11 сентября 2009. 802.11n по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз превышает производительность классического Wi-Fi.

Можно отметить следующие  основные преимущества стандарта 802.11n:

– большая скорость передачи данных (около 300 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.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Стандарт IEEE 802.11n основан  на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные  в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование  как частотного диапазона, принятого  для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц.

 

Рисунок 1.4 - Принцип реализации технологии 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:

- Унаследованный режим  (legacy mode).

- Смешанный режим (mixed mode).

- 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, 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. 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 (таблица 1.3) 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 3 приведены скорости обмена при квадратурной модуляции QAM и BPSK. Видно, что при прочих одинаковых параметрах модуляция QAM обеспечивает гораздо большую скорость работы.

 

Таблица 1.3 - Скорость передачи данных при различных типах модуляции

 

 

Передатчики и приемники 802.11n

 

В стандарте IEEE 802.11n допускается  использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного  адаптера. Обязательный режим подразумевает  поддержку двух антенн у точки  доступа и одной антенны и  беспроводного адаптера. В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные  каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Общая структурная схема передатчика изображена на рисунке 1.5. 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.

 

Рисунок 1.5 - 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 изображена на рисунке 1.6, но все действия выполняются  в обратном порядке.