Особенности физического уровня

Основные положения IEEE 802.11n

Стандарт IEEE 802.11n предназначен для дальнейшего расширения диапазона скоростей передачи данных – до 100 Мбит/с и более. В целом же он основывается на рассмотренном выше стандарте IEEE 802.11a, поскольку именно в нем описывается технология OFDM. Увеличение скорости передачи данных в проекте IEEE 802.11n основано на двух физических принципах: удвоение полосы пропускания канала (с 20 до 40 МГц) и введении дополнительных антенных каналов приема – передачи (технология многоканальных антенных систем MIMO). Первым стандартом IEEE, описывающим технику MIMO, был стандарт широкополосных систем связи регионального масштаба IEEE 802.16. Он допускает опциональное использование техники MISO, т.е. применение двух антенн в передатчике и одной в приемнике. Однако в IEEE 802.11n эта техника проработана гораздо глубже – там возможно от одного до четырех антенных каналов как в передатчике, так и в приемнике. Причем в IEEE 812.11n, в отличие от 802.16, технология MIMO главным образом предназначена для увеличения полосы пропускания канала связи, а не только для повышения надежности передачи.

Проект IEEE 802.11n допускает как стандартные каналы с шириной полосы 20 МГц (как и во всех предшествующих стандартах IEEE 802.11, включая IEEE 802.11а), так и расширенные до 40 МГц. Поскольку 40-МГц каналы противоречат политике распределения частотных ресурсов ряда стран, то их применение - это опциональная (необязательная) возможность.

Проект 802.11n предусматривает поддержку как традиционных режимов передачи (как в IEEE 802.11а), так и режимов с высокой пропускной способностью (НТ - High Throughput). В традиционных (L) режимах число поднесущих не изменено. В НТ-режимах оно увеличено: в 20-МГц канале их 56, из них 52 - информационные и 4 пилотные. Только из-за этого скорость возрастает на 8%. Еще один фактор увеличения скорости - повышение допустимой скорости кодирования до 5/6 (т.е. каждые 5 бит исходной последовательности превращаются в 6 бит кодированной). Опционально предусмотрена возможность двухкратного сокращения длительности защитных интервалов GI в OFDM-символах - с 0,8 до 0,4 мкс. В результате скорость возрастает до 65 и 72,2 (опционально) Мбит/с. Режим 20 МГц - обязательный, для него установлен базовый набор скоростей (табл.2.). В 40-МГц каналах поднесущих 114, из них 108 информационных и 6 пилотных. Один лишь этот фактор увеличивает пропускную способность канала на 125%.

Отметим, что традиционный режим также позволяет увеличивать (удваивать) скорость передачи данных, используя 40-МГц каналы. Фактически передача ведется на двух смежных каналах IEEE 802.11а, используются 522 = 104 поднесущие (из 128 номинальных поднесущих не задействованы частоты с -5 по 5). При этом в верхней половине 40-МГц канала фаза модуляции смещена на 90°.

Таблица 2. Базовый набор скоростей в проекте IEEE 802n

3.2. Формирование MIMO – OFDM – сигналов

Ключевое отличие стандарта IEEE 802.11n от его предшественников - появление нескольких антенных каналов в приемнике и передатчике. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенных каналов оборудованием точек доступа (АР) и одного канала -пользовательскими (терминальными) станциями. Всего же и у АР, и у терминальной станции может быть до четырех антенных каналов приема-передачи.

Поскольку проектом IEEE 802.11n предусмотрена технология MIMO, изменяется структурная схема передающего и приемного устройств (рис.5.). Данные после скремблирования поступают на сверточный кодер (как и в IEEE 802.11а). Если скорость передачи данных превышает 300 Мбит/с, используются два сверточных кодера. В отличие от IEEE 802.11а, поддерживается скорость кодирования 5/6. Кроме того, опционально вместо двоичного сверточного кодера (ВСС) предусмотрено применение блокового кодера LDPCC (Low density parity check codes).

Дальше различия более серьезные. Кодированный поток битов разбивается на так называемые пространственные (пространственно - разделенные) потоки (spatial streams). Число таких потоков не может быть меньше, чем число антенных каналов в передатчике . Предусмотренный алгоритм распределения по потокам прост - входная последовательность разбивается на группы длиной

, где - число бит определяющих действительную и мнимую составляющую комплексного модуляционного символа на одной поднесущей, - число бит на поднесущую в одном OFDM-символе. Если в каждом пространственном потоке используется одинаковая схема мультиплексирования, то .

Рис.5. Структура аппаратуры передачи стандарта IEEE 802.11n

Группы длиной последовательно (по кругу) распределяются между пространственных потоков. Далее в каждом потоке происходит перемежение битов, аналогично IEEE 802.11а (на первой стадии для перестановок применяется таблица в 13 строк на столбцов для 20-МГц канала и - для 40-МГц канала). Если использовано более одного пространственного потока, появляется третья стадия перемежения - частотная ротация. Она описывается выражением

,

где - индекс бита после второй стадии перестановок, - номер пространственного канала. Коэффициент принимает значения 11 и 29 для 40-МГц каналов, соответственно.

Применение технологии MIMO преследует две цели - повышение надежности приема/передачи и обеспечение связи по пространственно-разделенным каналам (SDM - Spatial Division Multiplexing). В первом случае используется так называемый пространственно-временной блоковый код (STBC - Space Time Block Code), повышение скорости передачи происходит за счет сокращения проверочных последовательностей и уменьшения защитных интервалов. При SDM скорость увеличивается благодаря распараллеливанию потоков транслируемых данных.

Пространственно-временное кодирование подразумевает преобразование одного потока OFDM-символов в два пространственно-временных потока (табл.3, символ * означает комплексное сопряжение). Поэтому в системах IEEE 802.11 n число пространственно-временных потоков должно превышать . Возможны различные сочетания значений и , лишь бы >.

Таблица 3. Пространственно-временное кодирование

После стадии формирования пространственно-временных потоков (если STBC не используется, можно считать, что пространственно-временной поток однозначно соответствует пространственному потоку, =), происходит их распределение по антенным каналам. Проект IEEE 802.11n предусматривает несколько схем такого распределения. Наиболее простая - прямое назначение (direct mapping) пространственного потока антенному каналу с одинаковыми номерами, при этом число антенных каналов передатчика =.

Если, >, используются различные схемы пространственного расширения, которые математически описывает выражение

,

где r – вектор символов, передаваемых в антенных каналах (длиной ), x – вектор символов в пространственно-временных каналах длиной , Q – матрица с строками и столбцами. В схеме прямого назначения Q – диагональная единичная матрица.

В случае двух пространственно-временных потоков и трех антенных трактов первый поток может передаваться через первый и третий антенные тракты, т.е.

, при и .

Отметим, что столбцы матрицы Q должны быть ортогональными (например, на основе матриц Адамара).

Предусмотрен и режим, когда матрица Q принимает различные значения для каждой поднесущей : в рассмотренном случае при и =2

или .

В антенных каналах 2, 3 и 4 информация передается с временной задержкой (относительно канала 1) в 400, 200 и 600 нс, соответственно. Такой фазовый сдвиг необходим, чтобы избежать непроизвольного формирования стабильной диаграммы направленности передающей антенной системы - а это может произойти, например, при синфазном или противофазном излучении.

Однако предусмотрен так называемый режим формирования луча (beamforming). В этом режиме матрица Q формируется передатчиком на основе информации о состоянии канала связи между ним и выбранным приемником. Вектор принятого приемником совокупного по всем антенным каналам сигнала можно записать как y = [y _1,…, y _RX ]^T. Вектор передаваемого сигнала r = [r _1,…, r _TX ]^T. Тогда y = H r + n, где n - вектор шума в канале, H - матрица (размерности, , ) состояния канала. Поскольку r = Q x, то y = H Q x + n.

Следовательно, для компенсации задержек и затуханий в канале, описываемых матрицей Н, необходимо вычислить и применить соответствующую матрицу Q. Для этого приемник вычисляет и транслирует передатчику либо матрицу состояния канала Н, либо уже подготовленные матрицы Q. В качестве тестовой последовательности (заранее известной передатчику) выступают преамбулы пакетов физического уровня (точнее - длинные подстроечные последовательности режима НТ, HT-LTF) либо специальные тестовые пакеты "прослушивания" канала, включая пакеты прослушивания без поля данных.

Дата добавления: 2014-01-20