ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

РЭС «РАПИРА» по праву можно назвать ближайшим предшественником систем Wi-Max 802.16a, поскольку в ней нашли реализацию все основные характерные черты этой перспективной технологии городских MAN сетей (Metropolian Area Networks).

В то же время радиомаршрутизатор на физическом уровне придерживается стандартов IEEE 802.11a, b/g, в частности – реализует утвержденную схему кодирования и модуляции сигналов.

Расскажем подробнее об особенностях физического уровня.

OFDM
Все современные и перспективные стандарты беспроводной связи, в том числе IEEE 802.16 (Wi-MAX), HiperLAN, 802.11a/g в качестве основы физического уровня (PHY) используют метод кодирования, называемый ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM), а для модуляции поднесущих - многофазовую QAM.

Проблема многолучевого распространения
Распространение сигналов в радиоэфире сопровождается возникновением всякого рода помех, источником которых служат сами распространяемые сигналы. Классический пример — эффект многолучевой интерференции сигналов. Вследствие многократного отражения сигнала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями, имеющими разные длины. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов.
Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Особенно негативно многолучевая интерференция сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, — противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте. Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).
Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ — это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно. Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.
В стандарте 802.11b с максимальной скоростью передачи 11 Мбит/с при использовании CCK-кодов схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым. Поэтому при более высоких скоростях передачи применяется принципиально иной метод кодирования данных – ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Как устроен OFDM

Идея данного метода заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.
Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.
Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а, следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 1).

Рис. 1.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 2).

Рис. 2.

Для получения N ортогональных частотных подканалов в протоколах 802.11a/g используется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет ширину 20 МГц, получаем, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 20 МГц: 64=312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов используются только 52, причем 48 подканалов используются для передачи данных (Data Tones), а остальные - для передачи служебной информации (Pilot Тones).

Как OFDM борется с помехами
Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа (рис. 3)

Рис. 3. Охранный интервал GI.

Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис. 4).
межсимвольная интерференция

Рис. 4. Избежание межсимвольной интерференции за счет использования охранных интервалов.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал — 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

Модуляция поднесущих
Говоря о передаче данных, мы до сих пор не касались вопроса о методе кодирования (модуляции), позволяющем в одном дискретном состоянии сигнала (символе) закодировать несколько информационных битов. Напомним, что в протоколе 802.11b для кодирования использовалась либо двоичная (BDPSK), либо квадратурная (QDPSK) относительная фазовая модуляция. В протоколах 802.11а/g используются те же методы фазовой модуляции (только не относительные), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируется два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation). Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. В протоколе 802.11а используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с. Естественно возникает вопрос: почему при одном и том же типе модуляции возможны различные скорости передачи?

Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Время длительности одного символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс. Следовательно, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получим, что общая скорость передачи составит 250 кГц х 48 каналов = 12 МГц. Однако далеко не все биты, кодируемые в символе, являются информационными. Для того чтобы обеспечить достоверность принимаемых данных, то есть иметь возможность обнаруживать и исправлять ошибки, используют избыточную информацию и так называемое свёрточное кодирование. Суть свёрточного кодирования заключается в том, что к последовательности передаваемых битов добавляются служебные биты, значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. Использование свёрточного кодирования в сочетании с алгоритмом Витерби позволяет не только обнаруживать, но и в подавляющем большинстве случаев исправлять ошибки передачи на приёмной стороне.

Не вдаваясь в подробности свёрточного кодирования, скажем лишь, что при скорости свёрточного кодирования 1/2, на каждый информационный бит добавляется один служебный (избыточность равна 2). Именно по этой причине при скорости свёрточного кодирования 1/2 информационная скорость вдвое меньше полной скорости. При скорости свёрточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости.
Из этого следует, что при использовании одного и того же типа модуляции могут получаться разные значения информационной скорости (табл. 1) - всё зависит от скорости свёрточного кодирования. Так, при использовании BPSK-модуляции со скоростью свёрточного кодирования 1/2 получаем информационную скорость 6 Мбит/с, а при использовании свёрточного кодирования со скоростью 3/4 - 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи.

Значения скоростей

Таблица 1: режим OFDM

Скорость передачи, Мбит/c	Тип модуляции	Скорость сверточного кодирования	Количество битов на символ в одном подканале	Общее количество битов в OFDM символе (48 подканалов)	Количество битов данных в OFDM символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

Для сохранения совместимости с оборудованием предыдущего поколения 802.11b в РЭС «РАПИРА» также реализована возможность работы в режиме DSSS (CCK).

Таблица 2: режим DSSS (CCK)

Скорость передачи, Мбит/c	Кодовая последовательность	Тип модуляции	Символьная скорость, 106 символов в секунду	Количество битов на символ
1	11-чиповая (Баркера)	DBPSK	1	1
2	11-чиповая (Баркера)	DQPSK	1	2
5,5	8-чиповая (СCK)	DQPSK	1,375	4
11	8-чиповая (СCK)	DQPSK	1,375	8

Отложено позиций: 0

Просмотреть