vk_logo twitter_logo facebook_logo googleplus_logo youtube_logo telegram_logo telegram_logo

Wi-Fi на стероидах - 802.11ad 10

Дата публикации: 06.03.2017
Количество просмотров: 6523

Введение

802.11ad – это очередная версия Wi-Fi, работающая в диапазоне 60 ГГц. Картина распределения спектра в диапазоне 2.4 и 5 ГГц давно знакома многим пользователям, но выделенный частотный план для 60-гигагерцового диапазона может показаться кому-то новым и удивительным. На рисунке 1 показано распределение спектра, выделенного для работы этого стандарта в разных странах.


Рисунок 1

Диапазон также, как и 2.4 и 5 ГГц нелицензируемый, то есть для эксплуатации в нём оборудования не требуется получать разрешения в специализированных организациях. Для работы в этом диапазоне выделено четыре канала, каждый из которых имеет полосу пропускания в целых 2,16 ГГц. Для сравнения – это в 54 раза больше, чем объединённые в 40 МГц каналы, доступные на оборудовании 802.11n.

Технические решения в 802.11ad

Модуляция и кодирование. В "11ad" определено два метода модуляции: SC – Single Carrier, и OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing. OFDM используется для связи на больших расстояниях и соответственно при больших задержках при распространении сигнала, как ни странно, но именно при таких условиях OFDM проявляет себя наилучшим образом. OFDM реализуется совместно с SQPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM модуляцией, при этом максимально достижимая скорость передачи данных на физическом уровне (PHY) составляет 6,756 Гбит/сек. SC модуляция рассчитана на работу с устройствами, имеющими небольшой форм-фактор и сравнительно низкий уровень потребления энергии. К такому типу устройств относятся, например, обычные сотовые телефоны и планшеты. SC использует  p/2-B/SK, p/2-QPSK, and p/2-16-QAM модуляцию. Несмотря на это максимальная скорость передачи данных – до 4,620 Гбит/сек на физическом уровне. В этом стандарте используется LDPC кодер со скоростью кодирования 1/2, 5/8, 3/4 и 13/16.

Мультигигабитные скорости передачи данных на физическом уровне в стандарте 802.11ad достигаются благодаря использованию очень широкого спектра (порядка 2-х ГГц) с простыми схемами модуляции, такими как BPSK и QPSK. В то время как в стандарте 802.11ac используются технологии модуляции с куда большим уплотнением бит на символ (256-QAM), а также используется до восьми потоков одновременно передаваемых данных. Это приводит к тому, что скорость получатся значительно ниже, так как максимальная ширина канала составляет 160 МГц (с объединением до восьми каналов).

В таблице 1 приведены схемы модуляции и кодирования (Modulation and Coding Schemes - MCS), используемые в стандартах 802.11n/ac/ad для достижения мультимегабитных и мультигигабитных скоростей. Данные в таблице позволяют сравнить скорости передачи разных стандартов методы модуляции и кодирования, благодаря которым происходит достижение этих скоростей.  Обратим внимание на то, что в 11n и 11ac используется длинный защитный интервал в 800 нс между передачей двух символов, возможна даже работа с коротким защитным интервалом в 400 нс. В то время как защитный интервал в 802.11ad составляет всего 48,4 нс.

Таблица 1

 

Данные в таблице 1 приведены для стандартов n и ac, использующих длинный защитный интервал. С использованием короткого интервала скорость передачи данных, естественно, увеличится, например для 802.11n максимальная скорость увеличится с 540 Мбит/сек до 600 Мбит/сек и для 802.11ac – с 6,240 Гбит/сек до 6,933 Гбит/сек.

Для стандарта 802.11n скорость передачи данных на физическом уровне может лежать в диапазоне от 6.5 до 600 Мбит/сек благодаря различным комбинациям схем модуляции, скорости кодирования, увеличению ширины канала, в зависимости от защитного интервала и количества пространственных потоков.  В 802.11ac скорость передачи данных также начинается с 6.5, но заканчивается 6.933 Гбит/сек.

Если сравнивать 802.11ac с модуляцией QAM-256 и 802.11n с модуляцией 64-QAM, и при этом оба этих стандарта используют защитный интервал в 800 нс, ширину канала в 40 МГц и 4 пространственных потока (MIMO 4x4), то скорость передачи данных в "ac" составит 720 Мбит/сек, а в "n" – 540 Мбит/сек. Таким образом, 256 QAM модуляция дает прирост в скорости передачи на 33 процента по сравнению с 64 QAM.

Для 802.11ad скорость передачи PHY начинается со значения 385 Мбит/сек и заканчивается значением в  6.7 Гбит/сек, это достигается комбинацией схемы модуляции и кодера. Для BPSK модуляции такая PHY скорость достигается благодаря использованию широкого канала в 2.16 ГГц, что по сравнению со стандартной шириной канала в 20 ГГц дает 58-кратное увеличение пропускной способности канала. И так как 11ad это первый стандарт Wi-Fi, работающий в диапазоне 60 ГГц, то обратная совместимость с ранее выпущенными стандартами не предусмотрена.

Beamforming - технология адаптивного формирования диаграммы направленности. Несмотря на то, что идея не новая, не сказать о ней в этом стандарте просто нельзя, ведь с ростом частоты радиосигнала beamforming становится неотъемлемой, так как на частотах в десятки гигагерц сигнал затухает очень быстро и не так хорошо может огибать препятствия. Таким образом, если приёмник и передатчик находятся не на прямой видимости, то вероятность получения пакета сильно уменьшается. Поэтому для повышения мощности радиосигнала в приёмнике, антенна разворачивается на источник сигнала. В основном beamfirming реализуется на фазированных антенных решетках, в которых форма диаграммы направленности задаются путём регулировки амплитудного и фазового распределения токов на элементах решётки, таким образом сосредотачивая мощность сигнала в нужном направлении. 

 

Устройства 802.11ad

Сложности реализации устройств 802.11ad и их энергопотребление, сравнение с 11ac. Как ни странно, но 802.11ad устройства более просты в изготовлении по сравнению с теми же 802.11ac из-за более простой схемы модуляции и благодаря тому, что используется только 1 пространственный поток (то есть системы SISO взамен нашумевшей MIMO). Для сравнения, чтобы реализовать несколько независимых потоков данных в 802.11ac потребуется несколько радиочастотных цепей и несколько схем модуляции – это естественным образом приводит к удорожанию и усложнению оборудования. На практике же, для лучшей работы радиолинии количество приемных и передающих цепей может быть больше, чем число пространственных потоков, то есть составлять N – число независимых и отдельно закодированных сигналов передатчика или приемника. Это, в свою очередь, подразумевает N-кратное увеличение мощности при работе передающего устройства, схемы обработки сигнала и устройства в целом. Несмотря на то, что в современных беспроводных устройствах применяется интеллектуальное управление электропитанием цепей RX и TX, система MIMO все равно потребляет не менее чем в N раз больше энергии по сравнению с одиночной цепью RX. Кроме того, мощность обработки, которую требуется добавить для формирования MIMO-потока должен быть добавлен в общий бюджет мощности.  

Форм-фактор устройств 802.11ad. В многоантенных системах MIMO соседние антенны должны быть разнесены на минимальное расстояние, приблизительно равное половине длины волны – это 27 мм для Wi-Fi, работающего на базе стандарта 802.11ac. Это условие необходимо для уменьшения взаимного валяния между антеннами и для успешного детектирования пространственных потоков. Для таких технических решений и устройств, в которых относительные размеры имеют существенное значение, это требование может стать ограничивающим фактором. Приходится уменьшать число антенн и, следовательно, число потоков. Это, в свою очередь, приводит к снижению максимальной скорости передачи данных.

В диапазоне 60 ГГц длина волны несущей составляет всего 5 мм, соответственно, относительно высокие коэффициенты усиления антенной системы могут быть реализованы в небольших размерах. Например, печатная антенная решётка с коэффициентом усиления в 13dB, выполненная на подложке с диэлектрической проницаемостью 2.2, имеет размеры всего 5х6 мм (ссылка на источник [1]). Таким образом, вместо того чтобы использовать дипольные антенны с коэффициентом усиления в 2 dBi (как в 802.11ac), компактную 60-гигагерцовую антенну можно установить на каждом конце линии связи, чтобы компенсировать дополнительные потери на трассе. Не смотря на преимущества в скорости работы технологии 802.11ad и малогабаритных размеров устройств, отдельно следует отметить ее стоимость. Для изготовления Wi-Fi радиомодулей используется технология CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) в РФ известная как КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). В диапазонах 2.4/5 ГГц приемопередатчики могут быть синтезированы с помощью традиционной КМОП-технологии, в то время как в диапазоне 60 ГГц нужны очень современные КМОП технологии (65 нм, 40 нм и пр.). На сегодняшний день Технология КМОП 40 нм остается довольно дорогостоящей, что в свою очередь сказывается  на увеличении стоимости устройств 802.11ad.

 

Заключение

С учётом всего, о чём было написано выше, отметим, для каких технических решений нам может пригодиться технология 802.11ad, а для каких можно использовать 802.11ac. Перед тем как ответить на этот вопрос, давайте получим более полное представление о том, на какое расстояние распространяются волны на частоте 5 ГГц и 60 ГГц. Естественно, что в 60-гигагерцовом диапазоне радиосигналы очень подвержены затуханию при распространении в атмосфере, нежели 5-гиггерцовые частоты. Если сравнивать 60 и 5 ГГц количественно, то можно отметить, что затухания в свободном пространстве для диапазона 60 ГГц будут в 21 раз больше чем потери для 5 ГГц. То есть при распространении на 1 метр затухание сигнала 5 ГГц составит 47 дБ, тогда как для 60 ГГц оно будет равно 68 дБ. Существует общее правило, согласно которому потери сигнала на каждые 6 дБ в половину снижают дальность распространения радиосигнала в свободном пространстве. Кроме того, наличие препятствий на пути распространения такого высокочастотного сигнала также оказывают существенное воздействие на его уровень. В источнике [2] указано, что наличие человека на пути сигнала на такой частоте может привести к потерям в диапазоне от 20 до 40 дБ.

Таким образом, можно сделать вывод, что технологии 802.11ad в большей степени подходят для реализации радиосвязи на прямой видимости в масштабах одного помещения с малым радиусом действия, но в то же время с высокой пропускной способностью для организации мультимедийных услуг и для передачи больших объёмов данных. Устройства стандарта IEEE 802.11ad позиционируются как беспроводные девайсы с малым форм-фактором и низким энергопотреблением с гигабитным радиоинтерфейсом. Wi-Fi-оборудование этого диапазона имеет высокий коэффициент усиления и за счёт малых размеров может быть использовано в качестве связующих устройств на небольших сетях.

 

Литература

[1] B. Biglarbegian et al., "Optimized Microstrip Antenna Arrays for Emerging Millimeter-Wave Wireless Applications," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 59, no. 5, 2011, pp. 1742–47.

[2] M. Fakharzadeh et al., "CMOS Phased Array Transceiver Technology for 60 GHz Wireless Applications," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 58, no. 4, 2010, pp. 560–73.

От редакции: если у вас есть чем поделиться с коллегами по отрасли, приглашаем к сотрудничеству
Ссылка на материал, для размещения на сторонних ресурсах
/articles/article/31193/wi-fi-na-steroidah-802-11ad.html

Комментарии:(10) комментировать

6 марта 2017 - 16:03
Robot_NagNews:
#1

Материал:
Несмотря на развитие сетей 4G и 5G, технология Wi-Fi также стремительно развивается и не собирается покидать инфраструктуру компьютерных сетей. В статье обсуждаются достоинства, недостатки и возможности применения мультигигабитного стандарта Wi-Fi 802.11ad. Приведем сравнение со стандартом 802.11ac, выявим основные технические ограничения для реализации беспроводных гигабитных скоростей.

Полный текст


6 марта 2017 - 16:03
NN----NN:
#2

Из анонса: "В статье обсуждаются достоинства, недостатки и возможности применения мультигигабитного стандарта Wi-Fi 802.11ad ..."

Может и обсуждаются ... Но надо полагать, что с 2013 года, когда статья была опубликована в "IEEE Wireless Communications", многое уже обсудили.

Автору:
1. То, что Вы изложили - перевод статьи, авторами которой являются Lochan Verma, Mohammad Fakharzadeh и Sunghyun Choi. Статья опубликована в декабрьском 2013 года выпуске IEEE Wireless Communications.
2. В тексте есть грамматические ошибки и опечатки, неудачные стилистические фразы, есть несколько ошибок и опечаток, которые точно заметит технический специалист (например, "20 ГГц" вместо "20 МГц"), ещё есть, как минимум, одна грубая ошибка - "21 дб" (в оригинале статьи) никак не равны "21 разу" (в тексте Д.Денисова).

Отдельный (не про текст Д.Денисова) комментарий по теме сравнения 802.11ac и 802.11ad: в оригинале статьи упоминается про реализацию в стандарте IEEE 802.11ac поддержки MU-MIMO (multi-user MIMO) и SU-MIMO (single-user MIMO). При реализации IEEE 802.11ad с его мультигигабитными скоростями нет поддержки многопользовательского мультипотокового режима работы, то есть 802.11ad рассчитан на потребителя-одиночку-эгоиста.

Ещё есть одно замечание к оригинальному тексту (да, понимаю, что этот комментарий зарубежные авторы не прочитают). Тем не менее напишу об этом, так как в "переводе" Д.Денисова есть упоминание про это. Речь идёт про сравнение реализации антенн для устройств 802.11ac и 802.11ad: можно подумать, что антенны в 802.11ac с их "жалким" усилением 2dbi хуже, чем компактная антенна для 60 ГГц с усилением 15 дб, но это сравнение того же характера, как в рекламе Energizer - в статье про 802.11ac и 802.11ad "сравнили" диполь и антенную решётку.


7 марта 2017 - 11:44
Denisov.dv:
#3

Цитата

Может и обсуждаются ... Но надо полагать, что с 2013 года, когда статья была опубликована в "IEEE Wireless Communications", многое уже обсудили.



Вы правы, это одна из нескольких статей, которой я пользовался при подготовке материалов. Не смотря на давность первоисточника информация по стандарту 802.11ad приводится актуальная. Некоторые моменты были обновлены. На просторах рускоязычного интернета информации по 802.11ad довольно мало, поэтому не считаю лишним опубликовать ее здесь. Если вы хотите читать только актуальные результаты современных научных достижений, то следует посещать не nag и habrahabr, а выписывать научные журналы по перечню ВАК РФ.

То что у антенны 802.11ac усиление в 2dbi - жалкое, об этом пишите вы, в статье речь идет совершенно о другом, но это ваше мнение и вы имеете на него полное право.

п.с.: По поводу всего что вы написали автору и по поводу его опечаток, - то на этот случай на сайте есть кнопка - "ошибка в тексте? выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter".


7 марта 2017 - 12:10
NN----NN:
#4

Видимо, я зря выбрал для своего комментария вежливый тон. Вместо признания "косяков" меня поучают?

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

Вы правы, это одна из нескольких статей, которой я пользовался при подготовке материалов.


Конечно же прав и мне не нужно ваше "подтверждение", так как я прочитал оригинальную статью. Ваш текст - укороченный перевод, да ещё с ошибками.

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

Не смотря на ...


Подучите русский язык, автор. И поищите-исправьте такие же ошибки в своём тексте.

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

На просторах рускоязычного интернета информации по 802.11ad довольно мало, поэтому не считаю лишним опубликовать ее здесь


Какое самомнение... Будет что-то опубликовано или нет - это решает владелец сайта или редактор, если есть.

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

Если вы хотите читать только актуальные результаты современных научных достижений, то следует посещать не nag и habrahabr, а выписывать научные журналы по перечню ВАК РФ.


А можно я сам решу - как и где я буду знакомиться с тем, что происходит в телекоме и смежных областях!? А Вы выписываете журналы по перечню ВАК?

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

То что у антенны 802.11ac усиление в 2dbi - жалкое, об этом пишите вы, в статье речь идет совершенно о другом, но это ваше мнение и вы имеете на него полное право.


Корона не жмёт? Причём тут моё мнение... Это реальность, это физика (и я писал об усилении диполя, а не о "у антенны 802.11ac"). А Вы даже не поняли, в чём я упрекнул авторов.

Просмотр сообщенияDenisov.dv (07 марта 2017 - 10:44) писал:

п.с.: По поводу всего что вы написали автору и по поводу его опечаток, - то на этот случай на сайте есть кнопка - "ошибка в тексте? выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter".


Хамите, однако. На роль корректора поищите кого-нибудь другого.

А какой кнопкой исправлять ваши "21 раз" вместо "21 дб"? Кстати, это может быть подтверждением того, что Вы воспользовались каким-то вторичным источником, а не оригиналом. Так как там "21 дб" и ничего другого.

P.S. Автор должен писать грамотно изначально, а если не способны, то обращайтесь к корректору.
Насчёт кнопки - Вы сначала её найдите, прежде чем советы раздавать.


7 марта 2017 - 15:13
Saab95:
#5

Статьи, в первую очередь, должны быть поучительными, после прочтения которых появляется некоторое понимание вопроса. В данном примере суть вопроса вообще не раскрыта, и сравнивать не сравнимое плохо. Более уместным было бы сравнение с другими технологиями передачи данных в прямой видимости на малых расстояниях (таких как связь через лампочки, инфракрасную связь и т.п.), а вайфай он и остается вайфаем, работает через стены и на гораздо большем расстоянии, чем позволяет описываемая новая технология.

Последнее время большая часть статей на ресурсе подобного рода - никакой полезной информации не несут, такое ощущение что размещены для галочки.


7 марта 2017 - 15:31
NN----NN:
#6

Статья-то 2013 года, тогда её "поучительность" была в том, что скорости 802.11ac - не предел. Плюс в те годы исследовали прохождение/распространение радиосигнала в диапазоне 60 ГГц (один из авторов описывает опыты, если не ошибаюсь, проходившие в 2010 году) и делились этими знаниями. Именно оттуда про потери 20 дб, если человек встанет на прямом пути между передающим устройством и принимающим.

Обсуждаемая статья, авторы которой Lochan Verma, Mohammad Fakharzadeh и Sunghyun Choi, по сути сравнение двух спецификаций.
И где в этом случае искать "поучительность"? Нигде, просто сравнивай и не забывай про ограничения, потому что не бывает плюсов без минусов.


10 марта 2017 - 13:32
wanderer_from:
#7

Парни, не ругайтесь. Вот вам полное описание стандарта IEEE802.11. Садитесь оба и переводите. Там всего 2700 страниц.


10 марта 2017 - 16:13
Kirya:
#8

Миш, уже далеко не полное описание.
Там с того времени добавились:
IEEE 802.11aa™-2012
IEEE 802.11ac™-2013
IEEE 802.11ad™-2012
IEEE 802.11ae™-2012
IEEE 802.11af™-2013

Друзья, пользуйтесь в своей работе первоисточниками.
Тем более это бесплатно, если не запрашивать драфты.
http://standards.iee...802/802.11.html
:)


10 марта 2017 - 16:22
NN----NN:
#9

Берёг для автора, но раз уж пошла такая пьянка, то:

"Приказ Минкомсвязи России «О внесении изменений в Правила применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц, утвержденные приказом Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 14.09.2010 №124»"
Приказ №129 от 22 апреля 2015 года
http://minsvyaz.ru/ru/documents/4626/

Добавили два приложения - "Требования к параметрам оборудования радиодоступа для БПД ТОС стандарта 802.11ac" и "Требования к параметрам оборудования радиодоступа для БПД ТОС стандарта 802.11ad"


10 марта 2017 - 17:22
wanderer_from:
#10

Просмотр сообщенияKirya (10 марта 2017 - 15:13) писал:

Друзья, пользуйтесь в своей работе первоисточниками.


да-да-да! :)


Обсудить на форуме

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Зарегистрироваться