Стандарт 802.11n — путь к новому поколению WLAN
Как повысить производительность беспроводных сетей нового поколения
Повышение скорости передачи данных
Управление режимами функционирования на физическом уровне
Увеличение эффективности передачи
Совместимость с устройствами в стандарте 802.11
о второй половине 2003 года комитет по стандартам Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE-SA) создал исследовательскую группу IEEE 802.11 n (802.11 TGn). В задачу группы входит внесение изменений в спецификации протоколов физического уровня и уровня управления доступом к среде (Physical Layer и Medium Access Control Layer, PHY/MAC), что позволит повысить пропускную способность точек доступа MAC (MAC SAP) в четыре раза по сравнению с нынешними сетями 802.11a/g, доведя ее как минимум до 100 Мбит/с (см. таблицу).
Сравнение скоростей передачи данных для разных стандартов 802.11
Следующая задача группы TGn состоит в максимальном расширении сферы использования беспроводных сетей, в подготовке рынка к тому моменту, когда станут доступны новые приложения и секторы рынка. Переход к новым технологиям будет плавным благодаря обратной совместимости с действующими стандартами беспроводных сетей IEEE (802.11a/b/g).
К исследованиям TGn в области стандартов 802.11 серьезный интерес проявил Wi-Fi Alliance. В рамках Wi-Fi Alliance уже ведется работа над перечнем маркетинговых требований (Marketing Requirements Document, MRD), где будут определены потребности отрасли в плане производительности, что позволит расширить спектр применения беспроводных сетей конечными пользователями за счет роста диапазона области действия, повышения устойчивости интерфейса и надежности всего набора базовых услуг (Basic Service Set, BSS).
Корпорация Intel приступила к разработке основных документов, которые будут применяться при создании стандарта 802.11n и включать модели каналов, модели использования, требования к функционированию и критерии сравнения.
Корпорация Intel также взяла на себя финансирование развития технологий уровней MAC и PHY, методологий измерения производительности, а также методологий моделирования.
Как повысить производительность беспроводных сетей нового поколения
ля того чтобы начать широкое использование новых беспроводных сетей, недостаточно просто продемонстрировать устойчивую пропускную способность в 100 Мбит/с при определенных условиях. Будущий стандарт IEEE 802.11n рассчитан на достижение и превышение пропускной способности в 100 Мбит/с, установленной IEEE TGn для точек доступа MAC. Технология 802.11n будет поддерживаться устройствами бытовой электроники, персональными компьютерами и портативными платформами и применяться всеми основными корпоративными, домашними и общественными приложениями.
Там, где возможно, в стандарте 802.11n будут использоваться уже существующие технологии, но, по мере появления, будут внедряться новые, повышающие производительность. Использование таких технологий, как частотное уплотнение ортогональных сигналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), кодирование с прямым исправлением ошибок (Forward Error Correction, FEC), квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), позволяет уменьшить стоимость разработки и обеспечивает обратную совместимость.
Пакеты блока данных протокола физического уровня (PHY Protocol Data Unit, PPDU) должны декодироваться независимо от метода передачи. Существующие устройства должны иметь возможность частичного декодирования высокоскоростных пакетов новых форматов и не допускать повторной передачи, даже если распознавание пакета было неполным. В то же время необходимо обеспечить такое взаимодействие новых высокоскоростных устройств стандарта 802.11n с имеющимися устройствами стандартов 802.11a/g, чтобы обработка пакетов старых форматов не приводила к значительному снижению пропускной способности.
Говоря об увеличении производительности беспроводных сетей, необходимо рассмотреть три ключевые проблемы.
Во-первых, для увеличения физической скорости передачи данных требуется усовершенствовать технологию радиосвязи. Во-вторых, необходимо разработать новые механизмы для обеспечения эффективного управления усовершенствованными режимами функционирования на физическом уровне. В-третьих, нужно повысить эффективность передачи данных, чтобы уменьшить влияние заголовков пакетов физического уровня и задержки из-за реверсирования радиосигналов на скорость передачи, поскольку это может свести на нет все преимущества, которые появятся благодаря повышению физической скорости передачи данных.
При разработке новых средств повышения производительности следует помнить о необходимости обеспечить совместимость с существующими устройствами стандартов 802.11a/b/g.
 |
|
Повышение скорости передачи данных
дин из путей повышения физической скорости передачи данных в беспроводных сетях — использование большого числа антенных систем как в приемнике, так и в передатчике. Эта технология называется системой со многими входами и многими выходами (multiple-input multiple-output, MIMO), или интеллектуальной радиосетью. При использовании MIMO одновременно передается и принимается несколько сигналов, что позволяет повысить эффективность радиосвязи.
К важным преимуществам технологии MIMO относятся пространственное разнесение антенн и пространственное мультиплексирование. Использование многоэлементных антенн в технологии MIMO позволяет принимать несколько лучей сигнала посредством пространственно разнесенных приемных антенн. Многолучевые сигналы — это отраженные сигналы, которые принимаются после приема основного сигнала, или сигнала прямой видимости (line of sight, LOS). Такие сигналы обычно воспринимаются как помехи, снижающие способность приемника восстанавливать правильную информацию.
Еще одно преимущество технологии MIMO — возможность пространственного уплотнения сигналов (Spatial Division Multiplexing, SDM). SDM позволяет пространственно разделять несколько независимых потоков данных, которые одновременно передаются в одном частотном диапазоне. Использование SDM в MIMO значительно увеличивает пропускную способность, так как возрастает количество принимаемых разделенных потоков данных. Для каждого пространственного потока необходима своя пара из приемной/передающей антенны на каждой стороне. При использовании технологии MIMO для каждой антенны необходим отдельный радиочастотный тракт и отдельный АЦП, что увеличивает сложность и стоимость разработки системы.
Технология MIMO будет играть заметную роль в проекте группы IEEE TGn. В стандарте IEEE 802.11n эта технология придет на смену существующему физическому интерфейсу OFDM, который применяется в стандартах 802.11a/g. Однако для практической реализации MIMO могут потребоваться дополнительные технологические решения.
Еще один способ увеличения скорости передачи на физическом уровне — использование каналов с расширенной полосой частот. Увеличение частотного диапазона канала — подход не новый. Как можно увидеть из формулы Клода Шеннона [C = Blog2(1 + SNR)], теоретический предел пропускной способности канала «C» возрастает прямо пропорционально применяемой полосе частот «B» (рис. 1).
Рис. 1. Увеличение пропускной способности канала
Использование расширенной полосы частот совместно с технологией OFDM должно обеспечить значительные преимущества благодаря существенному увеличению производительности. Каналы с расширенным частотным диапазоном очень эффективны, поскольку для их работы требуется лишь небольшое увеличение мощности цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processing, DSP). При правильной реализации использование каналов с полосой частот 40 МГц способно более чем вдвое увеличить полезную пропускную способность двух существующих каналов 802.11. Сочетание архитектуры MIMO и каналов с расширенной полосой частот открывает возможность разработки очень мощных и недорогих решений, которые позволят значительно увеличить физическую скорость передачи.
Если при реализации MIMO использовать только каналы с полосой частот 20 МГц, то для того, чтобы удовлетворить требованиям TGn и достичь скорости передачи 100 Мбит/с, необходимо значительное увеличение стоимости разработок. Для реализации требований IEEE TGn на таких каналах потребуется, как минимум, три высокочастотных антенных тракта на каждой стороне — как для приемника, так и для передатчика. В то же время, используя каналы с полосой частот 20 МГц, можно создать надежное решение для приложений на базе существующего оборудования, которым для работы требуется высокая пропускная способность.
На рис. 2 представлены результаты моделирования (выполненного в лабораториях Intel с использованием модели каналов D группы TGn), отражающие эфирную (over-the-air, OTA) пропускную способность для разных значений соотношения «сигнал/шум», где это соотношение определялось с учетом ухудшения передачи каналов.
Рис. 2. Эфирная (over-the-air, OTA) пропускная способность каналов с различной полосой частот
Результаты моделирования демонстрируют сравнение производительности реализаций каналов 20 и 40 МГц. Конфигурация системы обозначается таким образом: двухантенный передатчик, передающий два потока данных на двухантенный приемник через канал с полосой частот 40 МГц, обозначается на графике как 2Ѕ2-40 МГц. Другие обозначения соответствуют следующим конфигурациям:
• 4x4-20 МГц — передача четырех потоков данных;
• 2x3-20 МГц — передача трех потоков данных;
• 2x2-20 МГц — передача двух потоков данных.
Основным преимуществом использования конфигурации 2x3-20 МГц по сравнению с 2x2-20 МГц является улучшение соотношения «сигнал/шум» (signal-to-noise ratio, SNR). Измерения производились в широком для данной пропускной способности диапазоне. Результаты показывают, что конфигурация MIMO на базе двух каналов не позволяет выполнить требование TGn о пропускной способности 100 Мбит/с. Для того чтобы удовлетворить этому требованию, потребуются по крайней мере три канала 20 МГц. По результатам моделирования очевидно преимущество конфигурации 2x2-40 МГц. Отметим, что даже использование четырех радиоканалов с полосой частот 20 МГц, передающих четыре потока данных, не позволяет достичь производительности двух каналов с полосой частот 40 МГц, передающих два потока данных. Применение каналов с полосой частот 40 МГц позволяет уменьшить сложность и стоимость системы, обеспечив надежное высокопроизводительное решение.
Для того чтобы с большой степенью надежности выполнить требования стандарта 802.11n о повышении пропускной способности, необходимо использовать технологию MIMO и каналы с расширенной полосой частот. Умеренное увеличение полосы частот и продуманная реализация технологии MIMO позволят создать недорогие системы, удовлетворяющие этим требованиям. Подход, при котором MIMO применяется совместно с каналами 40 МГц, обеспечит еще большую производительность технологии IEEE 802.11n в соответствии с законом Мура и достижениями технологий CMOS в области цифровой обработки сигналов.
Стандарт IEEE 802.11n должен использовать минимальные средства для обеспечения эффективного функционирования беспроводных сетей с высокой пропускной способностью. Стандарт должен поддерживать как каналы 20 МГц, так и каналы 40 МГц. При этом каналы с полосой частот 40 МГц будут широкополосными и будут состоять из двух смежных частотных каналов по 20 МГц. Кроме того, должны быть предусмотрены и каналы с полосой частот 20 МГц для использования в случае ограничений на полосу частот.
Все устройства в стандарте 802.11n будут поддерживать каналы 40 МГц, если это разрешено законодательством. Поддержка каналов 40 МГц необходима для того, чтобы предотвратить снижение производительности при совместной работе устройств 20 МГц и высокоскоростных устройств 40 МГц. Это позволит достичь в сетях 802.11n максимально возможной производительности. В условиях, когда ширина полосы пропускания канала ограничена 20 МГц, для достижения требуемой производительности понадобятся дополнительные расходы на более сложные реализации MIMO. После повсеместного распространения устройств в стандарте 802.11n в странах, где запрещено использование каналов с шириной полосы пропускания 40 МГц, можно надеяться, что это ограничение будет снято.
В стандарте 802.11n также требуется поддержка как минимум двух пространственно разделенных потоков данных с использованием пространственного уплотнения сигналов (Spatial Division Multiplexing, SDM). Поддержка таких потоков необходима для создания архитектурных решений, которые смогут эффективно функционировать в сетях с высокой пропускной способностью. Для поддержки как минимум двух пространственно разделенных потоков данных все устройства стандарта 802.11n должны будут иметь не менее двух передающих антенн. Поддержка большего числа каналов и более двух антенн откроет дополнительные возможности. Исходя из практических соображений максимальное количество каналов будет ограничено четырьмя.
Для приложений, требующих максимальной производительности, можно будет применять дополнительные возможности, которые позволят достичь максимальной пропускной способности. Эти дополнительные возможности будут описаны в стандарте 802.11n, но применяться будут только в случае необходимости. Данные возможности могут включать поддержку более чем двух передающих антенн, адаптивное формирование луча для канала, а также расширенные возможности кодирования с прямым исправлением ошибок (FEC).
|
|
Управление режимами функционирования на физическом уровне
ля того чтобы добиться максимальной пропускной способности, потребуются интеллектуальные механизмы управления режимами функционирования на физическом уровне. Несмотря на то что уровень MAC напрямую не влияет на физическую скорость передачи, он будет играть ключевую роль в оптимизации выбора эффективных режимов функционирования на физическом уровне.
Адаптация каналов первоначально будет происходить на физическом уровне, без участия уровня MAC. После того как будет установлена начальная адаптация, уровень MAC при помощи периодического обмена сигналами должен будет устанавливать и поддерживать адаптацию в зависимости от условий передачи. Подобное управление будет включать выбор схемы кодирования и модуляции, скорости передачи информации, конфигурации антенн, ширины полосы пропускания каналов, а также выбор канала, на котором можно будет достичь максимальной пропускной способности благодаря оптимизации соотношения «прием/передача».
|
|
Увеличение эффективности передачи
точках доступа MAC большую роль в плане повышения общей пропускной способности будут играть новые функции уровня MAC, которые обеспечат максимальную пропускную способность. Важно понять, что передача заголовков пакетов физического уровня и задержки вследствие реверсирования радиосигналов значительно ограничивают достижимую пропускную способность. На эти ограничения практически не влияет увеличение физической скорости передачи. Новые современные режимы функционирования физического уровня, описанные выше, должны будут обеспечивать обработку заголовков пакетов физического уровня. Понимая, что размер заголовков пакетов будет возрастать, необходимо минимизировать общие издержки при передаче.
Новый эффективный подход к увеличению эффективности передачи — составные последовательности обмена (aggregate exchange sequences). Составная последовательность — это объединение нескольких блоков данных протокола MAC (MAC Protocol Data Units, MPDU) в один блок данных протокола PHY (PHY Protocol Data Unit, PPDU). Составные последовательности обмена доступны при использовании протокола, который может подтверждать прием нескольких блоков MPDU одним подтверждением приема блока (Block ACK) в ответ на запрос подтверждения блока (block acknowledgement request, BAR). Такой протокол снимает необходимость инициирования передачи каждого блока MPDU. Если использовать существующие протоколы уровня MAC без составных последовательностей, то для того, чтобы достичь предписанной группой TGn скорости передачи данных 100 Мбит/с в точке доступа MAC, физическая скорость передачи должна быть равна 500 Мбит/с.
Еще одна возможность повышения эффективности передачи — новые механизмы передачи данных уровня MAC, которые позволяют передавать данные в обоих направлениях без необходимости инициации передачи. Данный подход позволяет посылать ответ на составной блок MPDU в обратном направлении в ответ на инициацию передачи станцией-инициатором. При обеспечении защиты от конфликтов в BSS можно создать механизмы для минимизации времени реверсирования передачи между инициатором и ответчиком.
Для более эффективной передачи данных и снижения накладных расходов на связь необходимо использовать составные пакеты PPDU, содержащие несколько пакетов MPDU, которые передаются из одного источника в одно и то же место назначения. Для того чтобы повысить эффективность этого метода, необходимо увеличить размер пакета PPDU, который по сегодняшним стандартам составляет 4095 байт.
Новые форматы пакетов MPDU дадут возможность использовать составные пакеты PPDU в том числе и для передачи данных в разные места назначения. Такая возможность будет полезна для приложений, использующих протокол Voice over Internet Protocol (VoIP). Этот подход требует большой мощности BSS для обслуживания множества станций с относительно низкими требованиями к пропускной способности.
|
|
Совместимость с устройствами в стандарте 802.11
дно из требований IEEE TGn — обеспечение обратной совместимости с устройствами в стандартах 802.11a/b/g. Устройства в стандарте 802.11b будут сосуществовать, а устройства в стандартах 802.11a/g смогут работать совместно с устройствами 802.11n в том же диапазоне частот и на том же канале (это означает, что для обеспечения обратной совместимости стандарт 802.11n должен будет поддерживать каналы с шириной полосы пропускания 20 МГц).
Обратную совместимость с существующими устройствами 802.11a/b/g должен будет обеспечивать уровень MAC (это означает, что все имеющиеся устройства в стандартах 802.11a/b/g должны иметь доступ к BSS стандарта 802.11n). На уровне MAC также будет обеспечиваться совместная работа поддерживаемых схем модуляции (например, OFDM) в совместимых частотных диапазонах (например, 2,4 ГГц ISM или 5,0 ГГц U-NII по мере реализации). Для управления несоответствием частот в смешанной среде BSS и для обеспечения поддержки работы в смешанном режиме с низким уровнем накладных расходов потребуются специальные механизмы сосуществования 802.11n и существующих устройств 802.11a или 802.11g.
|
|
Заключение
настоящее время беспроводные сети стандартов 802.11a/b/g обеспечивают достаточный уровень производительности для существующих сетевых приложений, и возможности беспроводных сетей соответствуют ожиданиям пользователей. Но с появлением нового поколения беспроводных сетевых приложений потребуется значительное увеличение пропускной способности беспроводных сетей. Для того чтобы обеспечить эти потребности, группы IEEE TGn и Wi-Fi Alliance сформулировали свой прогноз уровня производительности беспроводных сетей нового поколения.
Главная цель будущего стандарта IEEE 802.11n — достижение и превышение пропускной способности в 100 Мбит/с, установленной IEEE TGn для точек доступа MAC (Top-of-MAC). Технология 802.11n будет поддерживать все основные платформы, включая устройства бытовой электроники, персональные компьютеры и портативные платформы. Она будет использоваться всеми основными корпоративными, домашними и общественными приложениями. В более широком смысле цель такого подхода — пропаганда практических применений надежных и экономичных новых технических решений, которые могут быть разработаны и внедрены в течение времени, отведенного группой IEEE TGn на реализацию этого проекта.
Ключевыми критериями при разработке беспроводных сетей нового поколения являются снижение стоимости и устойчивая работа. Для надежного удовлетворения растущих потребностей приложений нового поколения к пропускной способности необходимо использовать сочетание технологии MIMO и каналов с расширенным частотным диапазоном. В то же время благодаря новым функциям MAC, которые позволяют увеличить полезную пропускную способность, повысится общая пропускная способность точек доступа MAC.
