Wi-Fi на стероидах - 802.11ad

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.