Характеристики стандарта Wi-Fi на физическом уровне

Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1. Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как и в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов. Сети стандарта 802.11b обепечивают скорости передачи от 1 до 22 Мбит/с.

В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Частотный план сетей Wi-Fi при использовании DSSS

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют технологию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод используют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения сигналов (рис. 4.5).

Рис.4.5. Многолучевое распространение сигналов

Идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни, тысячи!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц и десятков миллисекунд.

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 4.6а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 4.6б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T_g, чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T_b увеличивается по сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT_b/(T_b+T_g) раз.

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальные созвездия при различных видах модуляции представлены на рис. 4.7.

Рассмотрим пример с передачей символов при модуляции 16-КАМ (рис. 4.8).

 

Рис. 4.6. Принцип технологии OFDM

Рис. 4.7. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi, WiMAX, LTE

 

Рис.4.8. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S_k, передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

.

В примере на рис. 4.8,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(4.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F₁: F_k = kF₁, а частота F₁ жестко связана с длительностью символа: F₁ = 1/T_b. Следовательно, на временном отрезке T_b укладывается k волн поднесущей частоты F_k. Каждый символ S_k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F_k. Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u_OFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 4.9 показаны поднесущие с частотами F₁ и F₂ и нулевыми начальными фазами на временном интервале T_b.

Рис.4.9. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T_b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 4.10). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.4.10. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

 

Рассмотрим, как работает приёмник k -ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(4.2)

На частоте F_k = kF₁

(4.3)

На любой другой поднесущей F_p = pF₁

 

(4.4)

 

поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.4.11), а на интервале T_b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды[1].

 

0 t

 

 

Рис.4.11. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (4.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью точка доступа (АР) в радиоканале вниз и и терминал абонента в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные сигналы, т.е. заранее известные комплексные числа С(n), принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В защитном интервале T_g между символами (рис.4.12) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T_g (рис. 4.12).

Рис. 4.12. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (4.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒ T_b, нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (4.3), а интегралы (4.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T_g, на интервале интегрирования T_b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (4.4) равны нулю.

В стандарте 802.11а ширина радиоканала – 20 МГц. Для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). На 4 поднесущих передают опорные сигналы. Длительность символа T_s = 3,2 мкс, длительность паузы T_g = 0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

Мбит/с.

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

Основные характеристики стандарта 802.11а приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Скорость передачи данных Мбит/с	Модуляция	Скорость кодирования	Число бит в символе	Число кодированных бит в OFDM символе	Число информационных бит в OFDM символе
	2-ФМ	1/2
	2-ФМ	3/4
	4-ФМ	1/2
	4-ФМ	3/4
	16-КАМ	1/2
	16-КАМ	3/4
	64-КАМ	2/3
	64-КАМ	3/4

 

Стандарт 802.11g объединяет возможности стандартов 802.11а и b в диапазоне 2,4….2,483 ГГц. Сети стандарта могут работать со скоростями 1; 2; 5,5; 6; 9; 11; 12; 18; 22; 24; 33; 36; 48; 54 Мбит/с. При передаче со скоростями 6; 9; 12; 18; 24; 36; 48; и 54 Ми т/с используют технологию OFDM.

Следующий этап развития Wi-Fi – стандарт IEEE802.11n. Цель разработки – повышение скоростей передачи. По сравнению со стандартами 802.11а и 802.11g изменены следующие параметры:

- число информационных поднесущих (трафика) в полосе 20 МГц увеличено с 48 до 52,

- опционально может быть уменьшен защитный интервал T_g до 0,4 мкс.

Кроме того, в стандарт 802.11n добавлены технологии объединения соседних рабочих полос (channel bonding) и пространственного мультиплексирования (MIMO). Внешний вид аппаратуры при использовании MIMO с 3 антеннами показан на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Аппаратура с 3 антеннами

При объединении соседних полос суммарная полоса увеличивается в 2 раза, до 40 МГц. При этом в полосе 40 МГц передачу ведут на 114 поднесущих, из которых 108 предназначены для передачи трафика.

При использовании пространственного мультиплексирования можно передавать в рабочей полосе одновременно 2 или 3 независимых потока данных.

В результате в стандарте 802.11n специфицированы 24 модуляционно-кодирующие схемы (MCS). Скорости передачи данных в кадре для этих схем приведены в табл. 4.2.

Сети стандарта 802.11n могут работать как в диапазоне 2,4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц.

Таблица 4.2

MCS	Модуляция	Скорость кодирования	Число потоков	В (Мбит/с) в полосе 20 МГц	В (Мбит/с) в полосе 40 МГц
Tg = 0,8мкс	Tg = 0,4мкс	Tg = 0,8мкс	Tg = 0,4мкс
… MCS0	2-ФМ	1/2		6,5	7,2	13,5
MCS1	4-ФМ	1/2			14,4
MCS2	4-ФМ	3/4		19,5	21,7	40,5
MCS3	16-КАМ	1/2			28,9
MCS4	16-КАМ	3/4			43,3
MCS5	64-КАМ	2/3			57,8
MCS6	64-КАМ	3/4		58,5		131,5
MCS7	64-КАМ	5/6			72,2
MCS8	2-ФМ	1/2			14,4
MCS9	4-ФМ	1/2			28,9
MCS10	4-ФМ	3/4			43,3
MCS11	16-КАМ	1/2			57,8
MCS12	16-КАМ	3/4			86,7
MCS13	64-КАМ	2/3			115,6
MCS14	64-КАМ	3/4
MCS15	64-КАМ	5/6			144,4
MCS16	2-ФМ	1/2		19,5	21,7	40,5
MCS17	4-ФМ	1/2			43,3
MCS18	4-ФМ	3/4		58,5		121,5
MCS19	16-КАМ	1/2			86,7
MCS20	16-КАМ	3/4
MCS21	64-КАМ	2/3			173,3
MCS22	64-КАМ	3/4		175,5		364,5
MCS23	64-КАМ	5/6			2 16,7

 

Частотный план сетей 802.11n в диапазоне 2,4 ГГц соответствует частотному плану стандарта 802.11g (рис.4.4). Частотный план сетей 802.11n в диапазоне 5 ГГц различен для различных стран. В Российской Федерации сети стандарта 802.11n работают в поддиапазонах 5,170 ‒ 5,330 ГГц.

Развитие стандарта Wi-Fi продолжается. Появилась аппаратура версии 802.11ас, где для увеличения скоростей передачи данных предусмотрено расширение полосы до 80 МГц (опционально до 160 МГц), применение модуляции 256-КАМ и увеличение числа потоков при использовании пространственного мультиплексирования до 4 (8). Сети этого варианта стандарта работают только в диапазоне 5 ГГц. Частотные планы сетей 802.11ас показаны на рис. 4.15[2].

 

Рис. 4.15. Частотные планы сетей 802.11ас

Скорости передачи данных в сетях стандарта 802.11ас приведены в табл. 4.3.

 

Таблица 4.3

MCS	Модуляция	Число бит на символ	Скорость кодирования	В (Мбит/с) в полосе 20 МГц	В (Мбит/с) в полосе 40 МГц	В (Мбит/с) в полосе 80 МГц	В (Мбит/с) в полосе 160 МГц
0,8 мкс	0,4 мкс	0,8 мкс	0,4 мкс	0,8 мкс	0,4 мкс	0,8 мкс	0,4 мкс
1 пространственный поток
MCS0	2-ФМ		1/2	6,5	7,2	13,5		29,3	32,5	58,5
MCS1	4-ФМ		1/2		14,4			58,5
MCS2	4-ФМ		3/4	19,5	21,7	40,5		87,8	97,5	175,5
MCS3	16-КАМ		1/2		28,9
MCS4	16-КАМ		3/4		43,3			175,5
MCS5	64-КАМ		2/3		57,8
MCS6	64-КАМ		3/4	58,5		131,5		263,3	292,5	526.5
MCS7	64-КАМ		5/6		72,2			292,5
MCS8	256-КАМ		3/4		86,7
MCS9	256-КАМ		5/6	Не использ.-				433,3		866,7
2 пространственных потока
MCS0	2-ФМ		1/2		14,4			58,5
MCS1	4-ФМ		1/2		28,9
MCS2	4-ФМ		3/4		43,3			175,5
MCS3	16-КАМ		1/2		57,8
MCS4	16-КАМ		3/4		86,7
MCS5	64-КАМ		2/3		115,6
MCS6	64-КАМ		3/4					526,5
MCS7	64-КАМ		5/6		144,4
MCS8	256-КАМ		3/4		173,3
MCS9	256-КАМ		5/6	Не использ -				866,7
3 пространственных потока
MCS0	2-ФМ		1/2	19,5	21,7	40,5		87,8	97,5	175,5
MCS1	4-ФМ		1/2		43,3			175,5
MCS2	4-ФМ		3/4	58,5		121,5		263,3	292,5	526,5
MCS3	16-КАМ		1/2		86,7
MCS4	16-КАМ		3/4					526,5
MCS5	64-КАМ		2/3		173,3
MCS6	64-КАМ		3/4	175,5		364,5		Не использ -
MCS7	64-КАМ		5/6		216,7			877,5
MCS8	256-КАМ		3/4
MCS9	256-КАМ		5/6		288,9					Не использ -

 

К сожалению, реальные скорости передачи данных в сетях Wi-Fi могут быть значительно ниже скоростей, приведенных в табл. 4.1, 4.2 и 4.3. Передача трафика в сетях Wi-Fi идет кадрами (фреймами). В разных вариантах стандарта структуры фреймов несколько отличаются друг от друга. На рис. 4.16. показана структура фрейма на физическом уровне PPDU (PLCP Data Unit; PLCP ̶ Physical Layer Convergence Procedure) в стандарте 802.11а.

 

L-STF	L-LTF	L-SIG	Service	PSDU	Tail	Pad
8 мкс	8 мкс	4 мкс	16 бит	Длина переменная	6 бит

 

Рис. 4.16. Структура фрейма PPDU в стандарте 802.11а

 

Фрейм начинается с преамбулы PLCP, состоящей из участков с короткими символами (L-STF – Short Training Field) и длинными символами (L-LTF – Long Training Field). Преамбула фиксирует начало фрейма, обеспечивает синхронизацию при приеме и установку параметров АРУ приемника. Длина преамбулы 16 мкс. Поле L-SIG (Signal) определяет длину информационной части фрейма PSDU (PLCP Service Data Unit) и скорость передачи данных в PSDU (модуляционно-кодирующую схему). PSDU представляет собой информационный фрейм MPDU (MAC Protocol Data Unit), сформированный на логическом подуровне L2 MAC после выполнения на физическом уровне процедур скремблирования, избыточного кодирования и перемежения. Поля Service и Tail, необходимые для дескремблирования и декодирования принятого сигнала, равно как и поле Pad (Padding), состоящее из добавочных бит, чтобы получить целое число передаваемых OFDM-символов, ввиду своих небольших размеров мало влияют на результирующую скорость передачи данных, в то время как передача преамбулы и поля L-SIG занимает 20 мкс.

Во фреймах стандартов 802.11n и 802.11ас несколько меняются структуры преамбулы и полей управления, но принцип организации фрейма соответствуют показанному на рис.4.16. Приведенные в табл. 4.1, 4.2 и 4.3 скорости передачи относятся к информационной части фрейма (PSDU), время передачи которой зависит от объема PSDU и скорости передачи данных. Чем меньшую часть составляет время передачи PSDU, тем больше будет снижение реальной скорости передачи в сравнении с табличной. В реальности дело обстоит ещё хуже из-за времязатратного протокола доступа станций к сети, который рассмотрен далее. Для обеспечения высоких скоростей передачи в стандартах 802.11n и 802.11ас используют технологию агрегации (объединения) информационных фреймов, что позволяет существенно увеличить время передачи информационной части PSDU.