wersja mobilna
Online: 663 Sobota, 2016.12.03

Technika

802.11n Standard IEEE w końcowej fazie

poniedziałek, 23 marca 2009 01:00

Trwają prace nad opracowaniem nowego standardu komunikacji bezprzewodowej IEEE 802.11n. W ich trakcie zmagano się z wieloma koncepcjami, wsteczną niekompatybilnością i problemami wzajemnej współpracy urządzeń.

Obecnie proces rozwoju standardu 802.11n większość przeciwności ma za sobą i finalizuje się. Specyfikacja będzie zapewniać 5–10 razy większą przepustowość oraz około dwukrotnie większy zasięg niż w przypadku wersji a, b i g standardu 802.11.

Nowa technologia ma duże znaczenie dla rynku urządzeń użytkowych, przemysłowych czy uniwersyteckich. Niestety, standard 802.11n jest złożony i obejmuje wiele cech, i opcji. To właśnie duża złożoność jest jednym z powodów przeciągających się prac. Według części firm uczestniczących w procesie rozwojowym, powodami takiego stanu rzeczy są m.in. konflikty między różnymi dostawcami.

Jeszcze zanim organizacja IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) zatwierdziła pierwszą propozycję standardu określaną jako Draft 1.0, co najmniej trzy firmy przedstawiły własne koncepcje rdzenia technologii 802.11n. Grupa TGn (Task Group N) sformowana przez IEEE do prac nad standardem, ograniczyła liczbę rozpatrywanych wariantów do dwóch.

Po ich połączeniu w maju 2006 roku zgłoszono zbiorczą propozycję standardu w wersji Draft 2.0, jednak nie zdołała ona uzyskać zgodności deweloperów na poziomie 75%, co udało się dopiero w marcu 2007. Później zatwierdzano kolejne wersje robocze: Draft 3.0, 4.0 oraz 5.0, a termin publikacji ostatecznej wersji standardu został przesunięty na koniec roku 2009. Specyfikacja jest cały czas dopracowywana ze względu na niespotykaną dotąd liczbę opcji, jednak deweloperzy są zgodni – jej cechy obowiązkowe najprawdopodobniej nie ulegną już żadnym zmianom.

W trakcie przedłużających się prac powstało kilka koalicji firm rozwijających koncepcje alternatywne, tak aby produkty mogły wchodzić na rynek przed zatwierdzeniem ostatecznej wersji specyfikacji. Sfrustrowani oczekiwaniem producenci zaczęli tworzyć urządzenia oparte na projektach różnych firm, jeszcze zanim ogłoszono roboczą wersję standardu, 802.11n Draft 1.0. Jak się później okazało, wiele z nich nie było ze sobą kompatybilnych.

Aby przyspieszyć proces rozwoju specyfikacji 802.11n, skupiające kilkaset firm stowarzyszenie Wi-fi Alliance (WFA) uruchomiło w maju 2007 roku proces certyfikacyjny dla produktów zawierających podstawowe cechy opracowywanego standardu. Producenci zapewniają, że ich urządzenia, które pozytywnie przeszły testy WFA, będą zgodne z finalnym standardem IEEE 802.11n po aktualizacji sterowników.

Zalety 802.11n

Bezprzewodowa technologia 802.11n jako jedyna zapewnia przepustowość pozwalającą na przesyłanie wielu strumieni telewizji HDTV, po 20 Mb/s każdy. Obok dużej przepustowości ma zapewnić jakość usług oraz bezpieczeństwo na poziomie zbliżonym do przemysłowych, uniwersyteckich czy miejskich sieci Ethernet. Metody pozwalające na sprostanie tym wymogom są złożone, co prowadzi do komplikacji samego standardu.

Jednym z problemów jest niejednolitość urządzeń przyłączanych do sieci bezprzewodowych. Ponieważ rynek Wi-fi stał się obecnie bardziej zróżnicowany niż na początku obowiązywania wczesnych wersji standardu 802.11, sieci oparte na technologii 802.11n muszą być przystosowane do obsługi znacznie większej liczby urządzeń.

Według analityków, nowo opracowywane aplikacje, w których najważniejszą kwestią jest minimalizacja zużycia energii oraz zwiększenie zasięgu, są przyczyną przeciągającego się procesu rozwoju standardu i powodują wzrost jego złożoności.

Szczegóły specyfikacji

Urządzenia zgodne ze standardem 802.11n mogą pracować w paśmie 2,4 GHz, 5 GHz lub w obu tych pasmach, dzięki czemu są kompatybilne ze starszymi produktami. Urządzenia 802.11n pracujące w paśmie 2,4 GHz i wykorzystujące kanał transmisyjny o szerokości 20 MHz są kompatybilne wstecz z urządzeniami 802.11b wykorzystującymi modulację CCK (Complementary Code Keying) oraz 802.11g wykorzystującymi modulację OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Urządzenia 802.11n pracujące w paśmie 5 GHz z kanałem o szerokości 20 lub 40MHz i modulacją OFDM są kompatybilne z urządzeniami 802.11a.

OFDM jest najczęściej wykorzystywaną metodą modulacji w standardzie 802.11 ze względu na jej większą efektywność niż CCK, która jest stosowana w starszych sieciach Wi-Fi. W standardzie 802.11n modulacja OFDM wykorzystuje 52 częstotliwości podnośne (zamiast 48 stosowanych w poprzedniej specyfikacji), co pozwala na zwiększenie przepustowości z 54 do 65 Mbps w standardach 802.11a i 802.11g.

Inną nowością jest skrócenie czasu między kolejnymi transmisjami z 800 do 400ns, co zwiększa wydajność OFDM i tym samym całkowitą przepustowość. Poprzednie wersje standardu 802.11 pozwalały na stosowanie tylko jednego pasma częstotliwościowego, kanału o jednej szerokości, jednego strumienia przestrzennego (odbieranie lub wysyłanie) oraz definiowały jedną maksymalną przepustowość.

W specyfikacji 802.11n oprócz ulepszonej modulacji OFDM zwiększono dwukrotnie szerokość kanału oraz wprowadzono technologię grupowania ramek (Frames Aggregation), potwierdzeń blokowych (Block Acknowledgement) oraz multipleksacji przestrzennej (Spatial Multiplexing). Ta ostatnia jest obowiązkowym wariantem implementacji techniki MIMO. Wykorzystuje szerokość kanału 20MHz i 40MHz (lub obie jednocześnie) oraz od jednego do czterech strumieni przestrzennych dla każdego kierunku.

Przepustowość sieci 802.11n jest zatem zmienna i zależy od rodzaju modulacji, szerokości kanału oraz liczby strumieni przestrzennych. Urządzenia zgodne ze standardem 802.11n mogą w zależności od projektu osiągać przepustowość na poziomie 144 Mb/s przy zastosowaniu modulacji OFDM, kanału o szerokości 20 MHz oraz dwóch strumieni nadawczych i odbiorczych (co określa się mianem konfiguracji 2x2).

Innym wariantem jest maksymalna przepustowość na poziomie 600 Mb/s przy zastosowaniu modulacji OFDM, konfiguracji 4x4 oraz kanału o szerokości 40 MHz. Większość obecnie stosowanych urządzeń zgodnych ze specyfikacją 802.11n zapewnia prędkość transmisji od 300 Mb/s (z OFDM, konfiguracją 2x2 oraz kanałem o szerokości 40MHz) do 450 Mb/s (po zmianie konfiguracji MIMO na 3x3).

Zasięg sieci również zależy od wielu elementów. Jednak w standardzie 802.11n jest to kwestia bardziej złożona, ze względu na występowanie takich zmiennych, jak moc transmisji, liczba anten odbiorczych oraz metody modulacji i korekcji błędów. Specyfikacja pozwala również na pracę w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz oraz w podwójnym paśmie 2,4/5 GHz.

Tabela 1. Porównanie cech standardu 802.11g i 802.11n w wersji Draft 2.0. Źródła: Atheros, Broadcom, iSuppli, Wi-Fi AllianceRóżnice pomiędzy roboczymi wersjami standardu Draft 1.0 i Draft 2.0 są niewielkie. Jedna z najważniejszych zmian dotyczy wzajemnego współdziałania urządzeń zgodnych ze specyfikacjami 802.11n i 802.11g w paśmie 2,4 GHz. Kwestia ta jest mniej istotna w przypadku pasma 5 GHz, gdyż jest ono mniej zatłoczone.

Urządzenia zgodne ze standardem 802.11n mogą doświadczać problemów we współpracy z urządzeniami 802.11b oraz innymi, działającymi w paśmie 2,4 GHz i wykorzystującymi kanał o szerokości 40 MHz ze względu na możliwość występowania interferencji. Do rozwiązania tych problemów przydatne mogą być algorytmy bazujące na pomiarze natężenia ruchu. Jeśli w otoczeniu występuje duży ruch sieciowy, stosowany jest kanał o szerokości 20 MHz. Przy małym ruchu szerokość kanału może zostać zwiększona do 40 MHz, co zwiększa przepustowość.

Innym sposobem zapobiegania interferencjom jest technika CCA (Clear-Channel Assessment). Polega na sprawdzeniu, czy oba kanały są wolne i istnieje możliwość transmisji w całym paśmie 40 MHz przed wysłaniem pakietu. Opcja ta prawdopodobnie zostanie zaimplementowana w finalnej wersji standardu. Specyfikacja 802.11n w wersji Draft 2.0 wymaga zarówno pomiaru natężenia ruchu, jak i wykorzystywania metod zapobiegania interferencjom, takich jak CCA.

Kluczową kwestią w warstwie MAC jest sposób obsługi pakietów. Największą zmianą w wersji Draft 2.0 w stosunku do Draft 1.0 jest wprowadzenie mechanizmu grupowania pakietów. W starszych specyfikacjach 802.11 pakiet jest retransmitowany dotąd, aż zwrócone zostanie potwierdzenie jego otrzymania (ACK).

W standardzie 802.11n mechanizm grupowania wysyła wiele pakietów w jednej zbiorczej ramce i otrzymuje łączną informację o tym, które z nich zostały poprawnie odebrane. Tylko pakiety niepoprawne muszą zostać przesłane ponownie, co pozwala na lepsze wykorzystanie pasma.

Jeśli urządzenia zawierają cechy opcjonalne, specyfikacja 802.11n umożliwia negocjowanie, które z nich będą obsługiwane. Jednak problemy mogą pojawić się w konfiguracjach sieciowych. Jeśli sieć do przesyłania i odbierania sygnałów wymaga techniki kształtowania wiązki, to muszą ją obsługiwać zarówno punkty dostępowe, jak i urządzenia klienckie. Co prawda w innym przypadku sieć będzie funkcjonować, jednak nie osiągnie maksymalnej wydajności.

Czym jest MIMO

Rys. 1. Technika MIMO polega na nadawaniu wielu strumieni danych w celu zwiększenia przepustowości, niezawodności i zasięgu transmisjiMIMO (Multi Input, Multi Output) można zdefiniować jako metodę transmisji wielokierunkowej. W specyfikacji 802.11n Draft 2.0 obowiązkową techniką implementacji MIMO jest multipleksacja przestrzenna, a dwiema opcjonalnymi: przestrzenno-czasowe kodowanie blokowe (Space-Time Block Coding) oraz kształtowanie wiązki (Beamforming). Każda z tych metod do wysyłania strumieni danych wykorzystuje wiele anten, zarówno w nadajniku, jak i w odbiorniku, co wpływa na zwiększenie przepustowości, zasięgu i niezawodności.

Transmisja MIMO wykorzystuje echa radiowe, będące nieodłączną częścią komunikacji w.cz. W celu zwiększenia przepustowości w trybie multipleksacji przestrzennej sygnał jest jednocześnie przesyłany w tym samym paśmie częstotliwościowym przez 2–4 anteny (rysunek 1).

Ponieważ technika ta wymaga większej złożoności odbiornika, często jest łączona z najbardziej efektywną metodą modulacji – OFDM. Przestrzenno-czasowe kodowanie blokowe, będące cechą opcjonalną standardu 802.11n, wykorzystuje wiele anten do zapewnienia nadmiarowości i zwiększenia niezawodności transmisji. Inną opcjonalną metodą jest kształtowanie wiązki, która używa anten w taki sposób, jakby były one częścią szeregu, tworząc antenę kierunkową zwiększającą zasięg.

Specyfikacja 802.11n umożliwia nadawanie lub odbieranie sygnałów za pomocą od jednej do czterech anten, jednak transmisja MIMO wymaga minimum dwóch anten dla każdego z kierunków. W zastosowaniach wymagających dużej przepustowości, niezawodności łącza oraz dużego zasięgu liczba strumieni nadawczych i odbiorczych może zostać zwiększona. O ile w aplikacjach komórkowych wystarcza najprostsza konfiguracja (jedno wejście, wiele wyjść), to w większości pozostałych zastosowań stosuje się konfigurację 2x2 z dwoma nadajnikami i dwoma odbiornikami.

Stanowi to minimum w programie certyfikowania urządzeń do standardu 802.11n Draft 2.0. Symetryczne strumienie danych wymagane są przez punkty dostępowe. Asymetria polegająca na istnieniu większej liczby odbiorników niż nadajników poprawia wydajność odbiorników dzięki większemu zasięgowi i lepszej korelacji danych, co jest przydatne w urządzeniach klienckich, takich jak laptopy czy telefony komórkowe. Jednak każda dodatkowa antena zwiększa pobór mocy i koszt urządzenia.

Podsumowanie

W pierwszej fazie programu certyfikacji urządzeń zgodnych ze standardem 802.11n Draft 2.0, WFA zdefiniowała zbiór cech, które muszą być obsługiwane przez zgłoszone urządzenia. W programie testuje się też wybrane cechy opcjonalne. Część cech opcjonalnych może zostać uwzględniona w ostatecznej wersji specyfikacji. Będą one przydatne dla pewnych klas urządzeń służących np. do gromadzenia danych, strumieniowej transmisji sygnałów audio i wideo oraz innych, np. podręcznych urządzeń z funkcjami głosowymi, telefonicznymi czy VoIP.

Dostępne układy 802.11n różnią się w zależności od tego, czy są przeznaczone do punktów dostępowych, czy urządzeń klienckich, przemysłowych lub użytkowych. Inne różnice mogą dotyczyć wydajności oraz wykorzystywanych konfiguracji MIMO. Chipset do urządzeń zgodnych ze standardem 802.11n obejmuje kontroler MAC z głowicą odbiorczą i zewnętrzny wzmacniacz mocy. Wersje jednochipowe będą najprawdopodobniej dostępne w 2009 roku.

Grzegorz Michałowski