Jak fale milimetrowe zrewolucjonizują łączność bezprzewodową?

Nadzieje pokładane w falach milimetrowych są uzasadnione z wielu powodów. Zakres ich częstotliwości jest bardzo szeroki - aktualnie wykorzystywane pasmo stanowi zaledwie jego ułamek. Rozwiązałoby to problem z dostępem do częstotliwości, który jest obecnie limitowany, a jeżeli nie, wówczas liczyć się należy z możliwością wystąpienia interferencji.

Fale milimetrowe umożliwią również uzyskanie przepustowości rzędu 10 Gb/s, a nawet większej. Kolejną zaletą są mniejsze anteny. Na przykład dipol półfalowy dla częstotliwości 900 MHz ma długość 15 cm, a dla 60 GHz - tylko 2,5 mm. Mniejsze rozmiary układów nadawczo-odbiorczych będą ogromną zaletą w przypadku urządzeń mobilnych.

Wady, które są zaletami

Wadą łączności na falach milimetrowych jest krótki zasięg oraz zjawisko ich tłumienia przez wodę (deszcz, mgłę, przy dużej wilgotności) oraz w atmosferze, które jeszcze skraca odległość transmisji. Absorpcja promieniowania w tej ostatniej jest szczególnie silna dla częstotliwości 60 GHz.

Dlatego z pasma tego dotychczas chętnie korzystało wojsko i wywiad, na przykład w komunikacji pomiędzy satelitami. Atmosfera ziemska pełniła bowiem funkcję ekranu, który uniemożliwiał podsłuch transmisji. Krótki zasięg i tłumienie sygnału również można potraktować jako zaletę, dzięki której urządzenia pracujące w sąsiedztwie nie będę się wzajemnie zakłócać.

Fale milimetrowe szansą LTE

Ruch w globalnej sieci internetowej stale rośnie - już teraz dziennie tylko w Ameryce Północnej ilość przesyłanych danych przekracza 1 eksabajt (1018). Według szacunków do 2017 na całym świecie przepłynie ich natomiast już ponad 1 zetabajt (1021). Odpowiedzią na te potrzeby jest standard LTE.

Przewiduje on transmisję z przepływnością do 100 Mb/s, a w najnowszej wersji LTE Advanced nawet 1 Gb/s. Rzeczywista prędkość transmisji jest jednak zależna od przepustowości łącza. W miarę jak komórki sieci osiągają swoje limity, operatorzy muszą rozbudowywać ją o coraz to mniejsze mikro- i pikokomórki, zwłaszcza na gęsto zaludnionych terenach. Obecnie średnia przepustowość łącza pomiędzy stacją bazową a centrum sieci komórkowej to 35 Mb/s. Żeby obsłużyć przewidywany ruch, powinna ona wzrosnąć do co najmniej 1 Gb/s w ciągu kilku najbliższych lat.

EHF konkurencją światłowodów

Medium transmisyjnym najpowszechniej używanym w komunikacji stacji bazowej z centrum są światłowody. Popularne są również łącza mikrofalowe w paśmie od 6 do 38 GHz. Te ostatnie nie zapewnią jednak wymaganej przepustowości, a poza tym dla operatorów obciążające są opłaty za ich licencje. Światłowody z kolei nie zawsze są dostępne akurat tam, gdzie rozmieścić trzeba małe komórki. Koszty ich rozprowadzenia i utrudnienia z tym związane są natomiast spore.

Dlatego coraz częściej w tym zastosowaniu pod uwagę brane są fale EHF. Instalacja infrastruktury jest bowiem w ich wypadku prosta, a sprzęt, na przykład do komunikacji w nielicencjonowanym paśmie 60 GHz, niedrogi. Transmisja w tym przedziale częstotliwości umożliwia także ewolucję sieci Wi-fi .

WiGig, czyli Wi-fi na falach EHF

Fale EHF są silnie tłumione przez wodę i atmosferę

WiGig (IEEE 802.11ad) to standard komunikacji bezprzewodowej opracowany przez Wireless Gigabit Alliance w oparciu o specyfikację IEEE 802.11, który jest wstecznie kompatybilny ze wszystkimi jej wcześniejszymi wersjami (11a/b/g/n/ ac). Dzięki temu budowanie urządzeń, które będą mogły się komunikować w sieciach WiGig i Wi-fi wyposażonych w wielozakresowe układy nadawczo-odbiorcze, będzie prostsze i tańsze.

WiGig zaprojektowano z myślą o szybkiej transmisji z prędkością do 7 Gb/s dużych ilości danych multimedialnych (na przykład nieskompresowanych strumieni wideo) przy użyciu urządzeń mobilnych. To ostatnie uwzględniono przez zastosowanie rozwiązań ograniczających pobór mocy.

Warstwa fizyczna

Sieci WiGig działają w pasmie 60 GHz (57 GHz-64 GHz) podzielonym na cztery kanały, każdy o szerokości 2,16 GHz, czyli pięćdziesiąt razy szerszych niż w 802.11n. Specyfikacja IEEE 802.11ad dopuszcza korzystanie z dwóch rodzajów modulacji, z których każda ma swoje zalety. Pierwsza z nich to OFDM. Umożliwia ona komunikację na większe odległości i z największą przewidzianą w tym standardzie prędkością transmisji.

Drugi rodzaj modulacji to SC (single carrier). Jej zaletą jest ograniczony pobór mocy, dlatego w tym trybie pracować powinny małe urządzenia mobilne. Wadą jest mniejsza prędkość transmisji, maksymalnie do 4,6 Gb/s. W warstwie MAC wprowadzono rozwiązania, dzięki którym zakres zastosowań sieci WiGig jest większy, ich integracja z sieciami Wi-fi łatwiejsza, pobór mocy mniejszy, natomiast transmisja - bezpieczniejsza.

Nowości

Przykładowo możliwa jest bezpośrednia łączność między dwoma urządzeniami. Znajduje to zastosowanie m.in. w ich szybkiej synchronizacji i transmisji danych, na przykład audiowizulanych, z komputera do projektora lub telewizora.

Wspominaną we wstępie wsteczną kompatybilność z wcześniejszym standardami z rodziny 802.11 uzyskano dzięki możliwości szybkiego i bezproblemowego przełączenia komunikacji z pasma 60 GHz na niższe częstotliwości, na przykład 2,4 GHz i 5 GHz. Energooszczędność zapewnia z kolei opcja zsynchronizowania momentów transmisji między urządzeniami łączącymi się bezpośrednio. Przez pozostały czas mogą one dla oszczędności baterii działać w trybie uśpienia. Bezpieczeństwo transmisji gwarantuje z kolei szyfrowanie blokowe Galois/ Counter Mode.

PAL

Nowością w WiGig jest też PAL (Protocol Adaptation Layer), czyli bezprzewodowa implementacja interfejsów komunikacyjnych popularnych w elektronice użytkowej bezpośrednio w warstwie MAC oraz fizycznej. Ułatwia to konstruowanie urządzeń z wbudowanym wsparciem specyficznych funkcji, na przykład bezprzewodowej łączności z wyświetlaczami.

Dotychczas dostępne PAL to A/V PAL oraz I/O PAL. Ten pierwszy obsługuje transmisję danych audio-wizualnych, na przykład z aparatu fotograficznego do projektora lub z laptopa do TV, dzięki implementacji interfejsów HDMI i DisplayPort oraz mechanizmu HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection). A/V PLA pozwala na transmisję skompresowanych i nieskompresowanych strumieni wideo. I/O PAL umożliwia z kolei skorzystanie z USB i PCIe.

Beamforming

Dzięki komunikacji w paśmie 60 GHz uzyskuje się dużą prędkość transmisji, jednak nie należy zapominać o stratach sygnału spowodowanych silną absorpcją promieniowania o tej częstotliwości, znacznie większych niż w łączności w paśmie 2,4 GHz lub 5 GHz. W specyfikacji IEEE 802.11ad problem ten rozwiązano, stosując specjalną technikę formowania wiązki (beamforming). Dzięki niej niezawodna i szybka transmisja jest gwarantowana na odległość powyżej 10 m.

Aby ograniczyć interferencje i uformować wiązkę w silnie skupiony promień, urządzenia wyposaża się w anteny kierunkowe. Po nawiązaniu połączenia te, które łączą się bezpośrednio, dostosowują ustawienia swoich anten, aż do uzyskania jak najlepszych parametrów transmisji. Ponadto, jeżeli pomiędzy węzłami sieci pojawi się przeszkoda, która uniemożliwia ich wzajemną bezpośrednią widoczność, są one w stanie ustanowić nowe połączenie, na przykład wykorzystując promieniowanie odbite.

Monika Jaworowska