Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. 1 Дослідження та Проектування Компютерних Систем Лекція Стандарт беспроводной связи IEEE n Стандарт IEEE Стандарт IEEE Стандарт IEEE bСтандарт IEEE b Стандарт IEEE gСтандарт IEEE g Стандарт IEEE аСтандарт IEEE а Стандарт IEEE nСтандарт IEEE n Источник: С.Пахомов. Стандарт беспроводной связи IEEE n// Компьютер Пресс магистратура – компютерні системи та мережі

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. 2 Базовые положения нового стандарта IEEE n и основные его отличия от стандартов a/b/g Один из недостатков существующих стандартов беспроводной связи IEEE a/b/g низкая скорость передачи 54 Мбит/с,( а реально 25 Мбит/с). Новый стандарт беспроводной связи IEEE n должен обеспечить скорость передачи до 300 Мбит/с,хотя реальная скорость передачи при тестировании, не превышает 100 Мбит/с. В лекции будут рассмотрены базовые положения нового стандарта IEEE n и основные его отличия от стандартов a/b/g. Рассматривая историю стандартов беспроводной связи, используемых для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network, WLAN), стоит вспомнить о стандарте IEEE , который уже не встречается в чистом виде, но является прародителем всех остальных стандартов беспроводной связи для сетей WLAN.

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. 3 В стандарте используется частоты диапазона от 2400 до 2483,5 МГц, то есть шириной 83,5 МГц, разбитого на несколько частотных подканалов. В основе стандарта лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS) : первоначально узкополосный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире, чем спектр первоначального сигнала. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В протоколе применяется технология уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Для уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в каждый передаваемый информационный бит встраивается чиповая последовательность, которая представляет собой последовательность прямоугольных импульсов. Если длительность одного чипового импульса в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз. Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательностями), результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума. Стандарт IEEE

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В (2) Как уширить спектр сигнала и сделать его неотличимым от естественного шума для этого можно воспользоваться произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Как такой сигнал принимать? Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так-то просто. Для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под автокорреляцией в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал можно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал опять становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньше, чем помеха на входе приемника. 4

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В (3) Чиповых последовательностей, отвечающих указанным требованиям автокорреляции, существует много, но особый интерес представляют коды Баркера, поскольку обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. В протоколах используется код Баркера длиной в 11 чипов. Для того чтобы передать сигнал, информационная последовательность бит в приемнике складывается по модулю 2 (mod 2) c 11-чиповым кодом Баркера с использованием логического элемента XOR (исключающее ИЛИ). Таким образом, логическая единица передается прямой последовательностью Баркера, а логический нуль инверсной последовательностью. В стандарте предусмотрено два скоростных режима 1 и 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составляет 11x106 чипов в секунду, а ширина спектра такого сигнала 22 МГц. Учитывая, что ширина частотного диапазона равна 83,5 МГц, получаем, что всего в данном частотном диапазоне можно уместить три неперекрывающихся частотных канала. Весь частотный диапазон, однако, принято делить на 11 частотных перекрывающихся каналов по 22 МГц, отстоящих друг от друга на 5 МГц. К примеру, первый канал занимает частотный диапазон от 2400 до 2423 МГц и центрирован относительно частоты 2412 МГц. Второй канал центрирован относительно частоты 2417 МГц, а последний, 11-й канал относительно частоты 2462 МГц. При таком рассмотрении 1, 6 и 11-й каналы не перекрываются друг с другом и имеют 3- мегагерцевый зазор друг относительно друга. Именно эти три канала могут применяться независимо друг от друга. 5

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В (4) Для модуляции синусоидального несущего сигнала при информационной скорости 1 Мбит/с используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK). При этом кодирование информации происходит за счет сдвига фазы синусоидального сигнала по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Двоичная фазовая модуляция предусматривает два возможных значения сдвига фазы 0 и π. Тогда логический нуль может передаваться синфазным сигналом (сдвиг по фазе равен 0), а единица сигналом, который сдвинут по фазе на π. Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость в 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется та же технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key, DQPSK). При информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11x106 чипов в секунду, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала. 6

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE b В 1999 г. принят стандарт IEEE b - расширение базового протокола и, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, предусматривает скорости 5,5 и 11 Мбит/с, для работы на которых используются комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK). Комплементарные коды, или CCK-последовательности, обладают тем свойством, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю, поэтому они, как и коды Баркера, могут использоваться для распознавания сигнала на фоне шума. Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера заключается в том, что существует не строго заданная последовательность, посредством которой можно кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей. Это обстоятельство позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько информационных бит и тем самым повышает информационную скорость передачи. В IEEE b речь идет о комплексных комплементарных 8-чиповых последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов, принимающих значения {1, –1, +j, –j}. Комплексное представление сигнала это удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала. Так, значение последовательности равное 1 соответствует сигналу, синфазному к сигналу генератора, а значение последовательности равное –1 противофазному сигналу; значение последовательности равное j сигналу, сдвинутому по фазе на π/2, а значение равное –j, сигналу, сдвинутому по фазе на –π/2. 7

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE b(2) Каждый элемент CCK-последовательности представляет собой комплексное число, значение которого определяется по сложному алгоритму. Всего существует 64 набора возможных CCK- последовательностей, причем выбор каждой из них определяется последовательностью входных бит. Для однозначного выбора одной CCK-последовательности требуется знать 6 входных бит. При кодировании каждого символа используется одна из 64 возможных восьмиразрядных CСK-последовательностей. При скорости 5,5 Мбит/с в одном символе одновременно кодируется 4, а при скорости 11 Мбит/с 8 битов данных. При этом в обоих случаях символьная скорость передачи составляет 1,385x106 символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385), а учитывая, что каждый символ задается 8-чиповой последовательностью, получаем, что в обоих случаях скорость следования отдельных чипов составляет 11x106 чипов в секунду. Соответственно ширина спектра сигнала при скорости как 11, так и 5,5 Мбит/с составляет 22 МГц. 8

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE g Стандарт IEEE g,( 2003 г.) является логическим развитием b и передаёт данные в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями 54 Мбит/с. Кроме того, стандарт g полностью совместим с b При разработке g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM( заимствованный из a) и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный Texas Instruments. В результате стандарт g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC. Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало бы более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3. 9

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE g(2) Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний (K = 7). Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов. В технологии PBCC используются сверточные кодеры на семь состояний (K = 7) со скоростью r = 1/2. Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. При избыточности кодирования даже в случае ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби. 10

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE g(3) Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в качестве передаваемого символа, но он подвергается фазовой модуляции. Причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная фазовая модуляция. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK. Рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов b и g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом b, поддерживаются и в протоколе g. Опционально в протоколе g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с. 11

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE g(4) Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже три бита. Кроме того, в схему, за исключением сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных. Для этого лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты. Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных бит. Тогда каждым четырем входящим бит будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных. Как уже отмечалось, технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE g, а технология OFDM обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде. 12

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Эффект многолучевой интерференции сигналов: в результате многократных отражений от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями, а потому ослабление сигнала будет для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте. В многолучевой интерференции сигналов отмечают два крайних случая. В первом - задержка между сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI). Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку символ это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно. Поэтому при высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)-поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. Высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой. Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. 13 Стандарт IEEE g(5)

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции. Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное. Одним из преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает. При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс. 14 Стандарт IEEE g(6)

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE g(7) Какой же метод модуляции несущего сигнала применяется в технологии частотного ортогонального разделения каналов OFDM на различных скоростях протокола g. В протоколе g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а при QPSK- модуляции два информационных бита на скоростях 12 и 18 Мбит/с. Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе g применяется модуляция 16-QAM(позволяет закодировать 4 бита в одном символе на скоростях 24 и 36 Мбит/с) и 64- QAM(может закодировать последовательность 6 бит в одном символе на скоростях 48 и 54 Мбит/с.). Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что; вторая 64 возможных состояния сигнала. Кроме применения CCK-, OFDM- и PBCC-кодирований, в стандарте IEEE g опционально предусмотрены также различные варианты гибридного кодирования. Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок (преамбулу) со служебной информацией и поле данных. Гибридное кодирование подразумевает, что для заголовка кадра и полей данных могут использоваться различные технологии кодирования. К примеру, при применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с использованием многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. 15

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE а ( 1999 г.) использует диапазон от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц -диапазон нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII). Диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE а самым широкополосным из семейства стандартов и позволяет разбить весь диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-МГц диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала в 100-МГц диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц. Четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений. Рис. 1. Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE а (2) Стандарт IEEE a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные для передачи служебной информации (Pilot Тones). По технике модуляции протокол a мало чем отличается от g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только 1 информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются 2 информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK на скоростях 12 и 18 Мбит/с. Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64- QAM на скоростях 48 и 54 Мбит/с. 17

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE а (3) 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 а 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 модуляцию BPSK, при которой скорость передачи 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. 18

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE а (4) Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (табл. 1). Таблица 1. Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте a Скорость передачи, Мбит/с Тип модуляции Скорость сверточного кодирования Количество бит в одном символе в одном подканале Общее количество бит в символе (48 подканалов) Количество информационных бит в символе 6BPSK1/ BPSK3/ QPSK1/ QPSK3/ QAM1/ QAM3/ QAM2/ QAM3/

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE а (5) 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 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. 20

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE n В 2003 г. была создана группа IEEE n, а в 2006 году была одобрена предварительная (draft) спецификация стандарта IEEE n. Стандарт n основан на технологии OFDM-MIMO. B n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для IEEE a, так и частотного диапазона, принятого для IEEE b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц. Для Украины устройства стандарта IEEE n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц. Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE n 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). Теоретически MIMO-система с n передающими и n принимающими антеннами способна обеспечить пиковую пропускную способность в n раз бoльшую, чем системы SISO. Это достигается за счет того, что передатчик разбивает поток данных на независимые последовательности бит и пересылает их одновременно, используя массив антенн. Такая техника передачи называется пространственным мультиплексированием. Все антенны передают данные независимо друг от друга в одном и том же частотном диапазоне. 21

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE n(2) Рассмотрим, к примеру, MIMO-систему, состоящую из n передающих и m принимающих антенн (рис. 2).

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE n(3) Передатчик в такой системе посылает n независимых сигналов, применяя n антенн. На приемной стороне каждая из m антенн получает сигналы, которые являются суперпозицией n сигналов от всех передающих антенн. Таким образом, сигнал R1, принимаемый первой антенной, можно представить в виде: Или, переписав данное выражение в матричном виде: где [H] матрица переноса, описывающая MIMO-канал связи. Для того чтобы на приемной стороне декодер мог правильно восстановить все сигналы, он должен прежде всего определить коэффициенты hij, характеризующие каждый из m x n каналов передачи. Для определения коэффициентов hij в технологии MIMO используется преамбула пакета. Записывая подобные уравнения для каждой приемной антенны, получим следующую систему:

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE n(4) Определив коэффициенты матрицы переноса, можно легко восстановить переданный сигнал: где [H]–1 матрица, обратная матрице переноса [H]. В технологии MIMO применение нескольких передающих и принимающих антенн позволяет повысить пропускную способность канала связи за счет реализации нескольких пространственно разнесенных подканалов в одном и том же частотном диапазоне. Технология MIMO может использоваться в сочетании с любыми методами физического и логического кодирования данных. Впервые технология MIMO была описана в стандарте IEEE Этот стандарт допускает применение технологии MISO, то есть нескольких передающих антенн и одной принимающей. В стандарте IEEE n 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.

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. В стандарте IEEE n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной (применение 40-МГц каналов опционально). В стандарте n предусмотрено два режима передачи: стандартный режим передачи (L) и режим с высокой пропускной способностью (High Throughput, HT). Традиционно используются 52 частотных OFDM-подканала (поднесущих частот), из которых 48 - для передачи данных, а остальные для служебной информации. В режимах с повышенной пропускной способностью при ширине канала в 20 МГц применяются 56 частотных подканалов,( 52 задействуются для данных, а 4 канала – пилотные). Таким образом, даже при использовании канала 20 МГц увеличение частотных подканалов с 48 до 52 позволяет повысить скорость передачи на 8%.При применении канала шириной 40 МГц, в стандартном режиме передачи вещание фактически ведется на сдвоенном канале, соответственно количество частот увеличивается вдвое (104 канала, из которых 96 являются информационными). Благодаря этому скорость передачи увеличивается на 100%. При использовании 40-МГц- канала и режима с высокой пропускной способностью применяются 114 частотных подканалов, из которых 108 подканалов информационные, а шесть пилотные. Соответственно это позволяет увеличить скорость передачи уже на 125%. Еще два обстоятельства, благодаря которым в стандарте IEEE n увеличивается скорость передачи, это сокращение длительности охранного интервала GI в OGDM-символах с 0,8 до 0,4 мкс - повышение скорости сверточного кодирования. 25

Черкаський державний технологічний університет 12 вересня 2008, Колесников К.В. Стандарт IEEE n (5) B протоколе IEEE a максимальная скорость сверточного кодирования составляет 3/4, то есть к каждым трем входным битам добавляется еще один. В протоколе IEEE n максимальная скорость сверточного кодирования равна 5/6, то есть каждые пять входных бит в сверточном кодере превращаются в шесть выходных. Cоотношение между скоростями передачи, типом модуляции и скоростью сверточного кодирования для стандартного канала шириной 20 МГц приведены в табл. 2. Таблица 2. HT-режим (52 частотных подканала) Тип модуляции Скорость сверточного кодирования Количество бит в одном символе в одном подканале Общее количество бит в OFDM-символе Количество информационных бит на символ Скорость передачи данных GI = 0,8 мкс BPSK1/ ,5 QPSK1/ ,0 QPSK3/ ,5 16-QAM1/ ,0 16-QAM3/ ,0 64-QAM2/ ,0 64-QAM3/ ,5