Wi-Fi на стероїдах
802.11ad – це ще одна версія Wi-Fi, що працює в діапазоні 60 ГГц. Картина розподілу спектра в діапазоні 2.4 та 5 ГГц давно знайома багатьом користувачам, але виділений частотний план для 60-гігагерцового діапазону може здатися комусь новим та дивовижним. На малюнку 1 показано розподіл спектру, виділеного до роботи цього стандарту різних країнах.
Діапазон також, як і 2.4 і 5 ГГц неліцензійний, тобто для експлуатації в ньому обладнання не потрібно отримувати дозволи у спеціалізованих організаціях. Для роботи в цьому діапазоні виділено чотири канали, кожен з яких має смугу пропускання цілих 2,16 ГГц. Для порівняння – це у 54 рази більше, ніж об'єднані у 40 МГц канали, доступні на обладнанні 802.11n.
Технічні рішення в 802.11ad
Мультигігабітні швидкості передачі даних на фізичному рівні у стандарті 802.11ad досягаються завдяки використанню дуже широкого спектру (порядку 2-х ГГц) з простими схемами модуляції, такими як BPSK та QPSK. У той час як у стандарті 802.11ac використовуються технології модуляції з куди більшим ущільненням біт на символ (256-QAM), а також використовується до восьми потоків даних, що одночасно передаються. Це призводить до того, що швидкість вийдуть значно нижчими, оскільки максимальна ширина каналу становить 160 МГц (з об'єднанням до восьми каналів).
У таблиці 1 наведено схеми модуляції та кодування (Modulation and Coding Schemes - MCS), які використовуються в стандартах 802.11n/ac/ad для досягнення мультимегабітних та мультигігабітних швидкостей. Дані таблиці дозволяють порівняти швидкості передачі різних стандартів методи модуляції та кодування, завдяки яким відбувається досягнення цих швидкостей.Звернемо увагу на те, що у 11n та 11ac використовується довгий захисний інтервал у 800 нс між передачею двох символів, можлива навіть робота з коротким захисним інтервалом у 400 нс. У той час як захисний інтервал 802.11ad становить всього 48,4 нс.
Дані в таблиці 1 наведені для стандартів n та ac, що використовують довгий захисний інтервал. З використанням короткого інтервалу швидкість передачі даних, природно, збільшиться, наприклад, для 802.11n максимальна швидкість збільшиться з 540 Мбіт/сек до 600 Мбіт/сек і для 802.11ac - з 6,240 Гбіт/сек до 6,933 Гбіт/сек.
Для стандарту 802.11n швидкість передачі даних фізично може лежати в діапазоні від 6.5 до 600 Мбіт/сек завдяки різним комбінаціям схем модуляції, швидкості кодування, збільшення ширини каналу, залежно від захисного інтервалу і кількості просторових потоків. У 802.11ac швидкість передачі також починається з 6.5, але закінчується 6.933 Гбіт/сек.
Якщо порівнювати 802.11ac з модуляцією QAM-256 і 802.11n з модуляцією 64-QAM, і при цьому обидва ці стандарти використовують захисний інтервал в 800 нс, ширину каналу в 40 МГц і 4 просторових потоку (MIMO 4x4), швидкість передачі даних "ac" складе 720 Мбіт/сек, а "n" – 540 Мбіт/сек. Таким чином, 256 QAM модуляція дає приріст швидкості передачі на 33 відсотки в порівнянні з 64 QAM.
Для 802.11ad швидкість передачі PHY починається зі значення 385 Мбіт/сек і закінчується значенням 6.7 Гбіт/сек, це досягається комбінацією схеми модуляції та кодера. Для BPSK модуляції така PHY швидкість досягається завдяки використанню широкого каналу 2.16 ГГц, що в порівнянні зі стандартною шириною каналу 20 ГГц дає 58-кратне збільшення пропускної здатності каналу. І так як 11ad це першийстандарт Wi-Fi, що працює в діапазоні 60 ГГц, зворотна сумісність з раніше випущеними стандартами не передбачена.
Beamforming - технологія адаптивного формування діаграми спрямованості. Незважаючи на те, що ідея не нова, не сказати про неї в цьому стандарті просто не можна, адже зі зростанням частоти радіосигналу beamforming стає невід'ємною, тому що на частотах у десятки гігагерц сигнал загасає дуже швидко і не так добре може огинати перешкоди. Таким чином, якщо приймач і передавач знаходяться не на прямій видимості, ймовірність отримання пакета сильно зменшується. Тому підвищення потужності радіосигналу в приймачі, антена розгортається на джерело сигналу. В основному beamfirming реалізується на фазованих антенних решітках, в яких форма діаграми спрямованості задаються шляхом регулювання амплітудного та фазового розподілу струмів на елементах решітки, таким чином зосереджуючи потужність сигналу в потрібному напрямку.
Пристрої 802.11ad
Складності реалізації пристроїв 802.11ad та їх енергоспоживання, порівняння з 11ac. Як не дивно, але 802.11ad пристрої простіші у виготовленні порівняно з тими ж 802.11 ac через більш просту схему модуляції та завдяки тому, що використовується тільки 1 просторовий потік (тобто системи SISO замість гучної MIMO). Для порівняння, щоб реалізувати декілька незалежних потоків даних у 802.11ac потрібно кілька радіочастотних ланцюгів і кілька схем модуляції – це природним чином призводить до подорожчання та ускладнення обладнання. Насправді ж, для кращої роботи радіолінії кількість приймальних і передавальних ланцюгів може бути більше, ніж число просторових потоків, тобто становити N – число незалежних та окремо закодованихсигналів передавача чи приймача. Це, у свою чергу, має на увазі N-кратне збільшення потужності при роботі передавального пристрою, схеми обробки сигналу та пристрою в цілому. Незважаючи на те, що в сучасних бездротових пристроях застосовується інтелектуальне керування електроживленням ланцюгів RX і TX, система MIMO все одно споживає не менше ніж N разів більше енергії в порівнянні з одиночним ланцюгом RX. Крім того, потужність обробки, яку потрібно додати для формування MIMO-потоку, повинен бути доданий до загального бюджету потужності.
Форм-фактор пристроїв 802.11ad. У багатоантенних системах MIMO сусідні антени повинні бути рознесені на мінімальну відстань, приблизно рівну половині довжини хвилі – це 27 мм для Wi-Fi, що працює на базі стандарту 802.11ac. Ця умова необхідна зменшення взаємного валяння між антенами й у успішного детектування просторових потоків. Для таких технічних рішень та пристроїв, у яких відносні розміри мають суттєве значення, ця вимога може стати обмежуючим фактором. Доводиться зменшувати кількість антен і, отже, кількість потоків. Це, своєю чергою, призводить до зниження максимальної швидкості передачі.
Висновок
З урахуванням всього, про що було написано вище, відзначимо, для яких технічних рішень нам може стати в нагоді технологія 802.11ad, а для яких можна використовувати 802.11ac. Перед тим як відповісти на це питання, давайте отримаємо повніше уявлення про те, на яку відстань поширюються хвилі на частоті 5 ГГц і 60 ГГц. Природно, що в 60-гігагерцовому діапазоні радіосигнали дуже схильні до згасання при поширенні в атмосфері, ніж 5-гігерцові частоти. Якщо порівнювати 60 і 5 ГГц кількісно, можна відзначити,що згасання у вільному просторі для діапазону 60 ГГц будуть у 21 разів більшими за втрати для 5 ГГц. Тобто при поширенні на 1 метр загасання сигналу 5 ГГц складе 47 дБ, тоді як для 60 ГГц воно дорівнюватиме 68 дБ. Існує загальне правило, згідно з яким втрати сигналу на кожні 6 дБ на половину знижують дальність поширення радіосигналу у вільному просторі. Крім того, наявність перешкод на шляху поширення такого високочастотного сигналу також істотно впливають на його рівень. У джерелі [2] зазначено, що наявність людини на шляху сигналу на такій частоті може призвести до втрат від 20 до 40 дБ.
Таким чином, можна зробити висновок, що технології 802.11ad більшою мірою підходять для реалізації радіозв'язку на прямій видимості в масштабах одного приміщення з малим радіусом дії, але в той же час з високою пропускною здатністю для організації мультимедійних послуг та передачі великих обсягів даних. Пристрої стандарту IEEE 802.11ad позиціонуються як бездротові девайси з малим форм-фактором та низьким енергоспоживанням із гігабітним радіоінтерфейсом. Wi-Fi-обладнання цього діапазону має високий коефіцієнт посилення і за рахунок малих розмірів може бути використане як зв'язувальні пристрої на невеликих мережах.
Література
[1] B. Biglarbegian et al., "Optimized Microstrip Antenna Arrays для 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.