Перевод с английского: Магистр ДонНТУ Кусов Р.С.

Технология расширения спектра даёт приемлемую скорость передачи данных для разного типа беспроводных локальных сетей (WLAN), но для мультимедиа данных, OFDM может предложить более подходящее решение.

Модуляция с расширением спектра была основной для многих запатентованных и основанных на стандарте IEEE 802.11 беспроводных LAN (WLAN). С помощью использования скачков по частоте и прямого расширения спектра, WLAN предоставляли скорости передачи данных от 1 до 11 Мбит/с. В добавок, разработчики стандарта IEEE 802.11 рассматривали версию прямого расширения спектра со скоростью передачи данных 22 Мбит/с.

Обращая внимание на эти относительно высокие скорости передачи данных, нагрузка в беспроводных широкополосных LAN и MAN сетях состоит в смещении частоты огибающей в случае использования технологии расширения спектра. Из-за сравнительно неэффективного использования ширины полосы, системы с расширением спектра, возможно, будут не удовлетворять более высоким скоростям передачи данных, которые требуют мультимедиа приложения. Вдобавок, мультимедиа приложения, функционирующие вне помещений или со значительным уровнем промышленных помех, нуждаются в беспроводных сетях, способных функционировать более эффективно на территориях с «радиочастотным шумом».

Для реализации передачи мультимедиа, рассматривается более эффективный и надёжный метод мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM - orthogonal frequency division multiplexing). OFDM иногда называют модуляцией с множеством несущих или дискретной мульти-тоновой модуляцией, использующей множество поднесущих для передачи информации от одного пользователя к другому. Системы, основанные на технологии OFDM, разделяют высокоскоростной информационный сигнал на множество низкоскоростных подсигналов, которые одновременно передаются системой на разных частотах.

Преимущества OFDM следующие: высокая спектральная эффективность, устойчивость к радиочастотной интерференции и низкий уровень многолучевых искажений. Ортогональная природа OFDM позволяет частичное перекрытие подканалов, сохраняя при этом спектральную эффективность (рисунок 1). Каждая из поднесущих, передающая информацию, находится достаточно далеко от соседних, что теоретически позволяет избежать интерференции.

Рисунок 1. Ортогональная природа OFDM для эффективного использования ширины полосы

Эта параллельная форма передачи с использованием множества поднесущих позволяет беспроводным сетям, использующим технологию OFDM, функционировать на более высоких скоростях передачи данных, например до 54 Мбит/с для стандарта IEEE 802.11a. Вдобавок, интерференция радиочастотных сигналов исказит лишь часть передаваемого OFDM сигнала, связанного с интерферирующими частотами.

OFDM вызывает более низкую задержку распространения, из-за того, что высокоскоростные композитные подсигналы передают низкоскоростные данные. Из-за более низкой скорости передачи данных, задержки в многолучевых системах не влияют так, как в одноканальных высокоскоростных системах. Для примера, узкополосный сигнал, передаваемый на высокой скорости через однолучевой канал, скорее всего, испытает более негативный эффект, чем сигнал в системах с расширением спектра, потому что передаваемые символы находятся ближе друг к другу.

Фактически, информация, содержащаяся в узкополосном сигнале, может быть полностью утеряна на приёмной стороне, если многолучевое искажение будет максимальным на передаваемой частоте. Использование OFDM сигнала с множеством поднесущих значительно уменьшает эту проблему.

Многолучевое искажение также может стать причиной межсимвольной интерференции, которая происходит вследствие частичного перекрытия смежных сигналов. OFDM сигналы обычно имеют защитный интервал в 800 нс, тем не менее, обеспечивая при этом допустимую задержку распространения сигнала до 250 нс. Это достаточно хорошо для всех, кроме среды распространения. Задержка распространения для многолучевого сигнала должна соответствовать 50 нс в жилых помещениях, 100 нс в офисах и 300 нс в промышленной среде.

Применение OFDM

Многие проводные и беспроводные стандарты используют OFDM для различных приложений. Например, OFDM это основа для глобального стандарта ассиметричной цифровой абонентской линии (ADSL) и для цифрового радиовещания (DAB) на Европейском рынке телекоммуникаций. В беспроводных сетях, OFDM это основа стандартов IEEE 802.11a и HiperLAN/2, которые используют OFDM описанным выше способом. Главное различие в использовании заключается в способе свёрточного кодирования.

Индустрия беспроводных сетей значительно возросла за последние годы. На сегодняшний день существует и появляется множество компаний, развивающих высокоскоростные беспроводные сети для предоставления услуг передачи мультимедиа приложений. Более высокие скорости передачи данных и надёжность систем с OFDM позволяет беспроводным сетям поддерживать высокоскоростные приложения на больших площадях, где среда распространения хоть немного подходит для радиопередачи.

Идеальное применение для OFDM – это создание беспроводных сетей конфигурации точка-точка и точка-многоточие. Фактически, большинство зарождающихся продуктов, основанных на OFDM, предоставляют такую возможность. Множество беспроводных MAN сетей, основанных на OFDM, начали появляться на рынке в начале 2001 года. WLAN системы, основанные на OFDM, тем не менее, ограничены в своём количестве, в виду использования комбинаций множества частот с относительно низкой мощностью.

Это делает проблематичным поддержание допустимого уровня сигнал-шум (SNR) на больших расстояниях в данных системах. Как результат, сравнительно высокое количество точек доступа необходимо для обеспечения достаточного радио покрытия с целью поддержания мобильности на местности. Держа это на уме, поставщики OFDM технологии должны подождать до тех пор, пока не снизятся цены на беспроводные сети с OFDM.

OFDM и IEEE 802.11a

В июне 1997 года, институт IEEE окончательно оформил базовый стандарт для беспроводных LAN (WLAN) – IEEE 802.11. Это стандарт устанавливает рабочую частоту в 2,4 ГГц со скоростью передачи данных в 1 или 2 Мбит/с, используя либо прямое расширение спектра, либо расширение спектра скачками по частоте (FHSS). Рабочая группа IEEE 802.11 ввиду этого опубликовала два подстандарта к стандарту IEEE 802.11: 802.11a (OFDM на частоте 5,8 ГГц) и 802.11b (прямое расширение спектра на частоте 2,4 ГГц).

Многие компании разрабатывают и производят продукцию WLAN основанную на стандарте 802.11b. Рабочая группа IEEE 802.11 приняла решение использовать вариант OFDM, предлагаемый NTT и Lucent. Некоторые компании ожидали выпуска продукции, основанной на стандарте 802.11a в начале 2001 года.

Стандарт IEEE 802.11a определяет OFDM на физическом уровне (PHY), который разделяет информационный сигнал между 52 независимыми поднесущими для предоставления скоростей передачи данных в 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Скорости в 6, 12 и 24 Мбит/с обязательны для любого оборудования. Четыре поднесущие являются пилотными, которые используются системой в качестве справочной информации для пренебрежения частотой или фазовым сдвигом во время передачи сигнала.

Псевдо двоичная последовательность передаётся через пилот-сигналы для предотвращения порождений высших гармоник. Оставшиеся 48 поднесущих предоставляют независимые беспроводные пути для передачи информации в параллельной форме. В результате разнос по частоте между поднесущими составляет 0,3125 МГц (для 64 возможных подканалов по 20 МГц каждый).

Основное назначение физического уровня OFDM – передача медиа данных (MAC) через протокол MPDU в MAC уровне стандарта 802.11. Физический уровень OFDM разделяется на два элемента: протокол конвергенции физического уровня (PLCP) и подуровень среды передачи (PMD).

MAC уровень связан с PLCP через специальные PHY точки доступа. Когда MAC уровень настроен, PLCP готовит MPDU к передаче. PLCP также доставляет входящие кадры от беспроводной среды на MAC уровень. Подуровень PLCP сводит к минимуму зависимость MAC уровня от PMD подуровня, преобразовывая MPDU в кадры, пригодные для передачи через PMD.

Ниже направления PLCP, PMD предоставляет фактическую передачу и получение объектов PHY между двумя станциями через беспроводную среду. Для предоставления этой услуги, интерфейсы PMD связаны с воздушной средой и осуществляют модуляцию и демодуляцию передаваемых кадров. PLCP и PMD связываются, используя основные службы управления передачей и функций приёма.

Формат кадра и протокол 802.11a

На рисунке 2 изображён формат кадра стандарта 802.11а. Поле преамбулы PLCP представлено для получателя для извлечения входящего OFDM сигнала и синхронизации демодулятора. Преамбула содержит 12 символов. Десять из них предназначены для автоматического контроля усилением (AGC) и грубой оценки частоты несущего сигнала. Приёмник использует длинные последовательности для точной настройки. Используя эту преамбулу, приёмнику необходимо 16 мкс для точной настройки после получения первого кадра.

Рисунок 2. Формат кадра IEEE 802.11a

Поле сигнала состоит из 24 бит, определяя скорость данных и длину кадра. Версия OFDM в 802.11а использует одну из модуляций BPSK (двоичная фазовая), QPSK (квадратурная фазовая) и QAM (квадратурная амплитудная) в зависимости от выбранной скорости передачи данных (таблица 1). Поле длины определяет количество октетов в кадре. Преамбула PLCP и поле сигнала кодируется свёрточным кодом и передаётся со скоростью 6 Мбит/с используя BPSK, в независимости от того, какая скорость передачи данных выставлена в индикаторе сигнального поля.

Скорость кодирования свёрточным кодом зависит от выбранной скорости передачи данных (рисунок 2). Поле паритета это один бит (единица), и конечное поле содержит 6 бит (все нули) привязанные к символу, для переключения свёрточного кодера в нулевое состояние.

Служебное поле содержит 16 бит, из которых шесть первых – нули для синхронизации дешифратора в приёмнике, и оставшиеся 9 бит (все нули) зарезервированы для использования в будущем. Служебные данные PLCP (PSDU) – это полезная нагрузка получаемая от MAC уровня. Заполненное поле содержит минимум 6 бит ,но это фактически номер битов, создаваемых полем данных сжатием номера кодируемых бит в OFDM символах (48, 96, 192 или 288). Шифрование данных использует 127-битную последовательность, генерируемую шифратором, для рандомизации последовательности бит данных с целью исключения длительных последовательностей единиц или нулей.

С OFDM модуляцией в 802.11а, бинарный периодический сигнал разделяется на группы (символы) из одного, двух, четырёх или шести бит, в зависимости от выбранной скорости передачи данных и обращённых в комплексные числа, представляющие допустимые точечные комбинации. Например, если выбрана скорость передачи данных в 24 Мбит/с, то PLCP преобразовывает биты данных в последовательность КАМ-16 (рисунок 3). Последовательность кодируется кодом Грея.

Рисунок 3. Диаграмма состояний для модуляции КАМ-16 802.11a

После преобразования, PLCP нормализует комплексные числа для достижения той же средней мощности для всех комбинаций. PLCP определяет каждый символ, имеющий продолжительность в 4 мкс для каждой поднесущей. Обратное быстрое преобразование Фурье (FFT) объединяет поднесущие перед передачей.

Как и физический уровень других подстандартов 802.11, PLCP оснащен протоколом загрузки канала, для определения средней занятости канала от MAC уровня к точке доступа. MAC уровень использует эту информацию для установления рекомендаций о возможности фактической передачи на MDSU.

Используемые частоты для уровня OFDM в 802.11а попадают в число трёх полос в 100 МГц, которые не подлежат лицензированию (U-NII). Это диапазоны: 5,15-5,25 ГГц, 5,25-5,35 ГГц и 5,725-5,825 ГГц. Как показано в таблице 2, существует 12 каналов по 20 МГц и каждый имеет разные ограничения выходной мощности.

Стандарт 802.11а требует от приёмников минимальной чувствительности от -82 до -65 дБм, в зависимости от выбранной скорости передачи данных. Из-за сравнительно низких ограничений мощности на низших частотных диапазонах, оборудование должно осторожно использоваться приложениями для выбора необходимого диапазона.

Высшая степень спектральной эффективности OFDM зависит от интерференции и многолучевого искажения, эти обстоятельства учитываются в передовых высокоскоростных стандартах WLAN, предоставляющих мощную основу для развития новейших широкополосных беспроводных сетей. Технология естественно доказала, что неизвестное будущее унифицированных единых стандартов является причиной вопросов о том, для какой версии OFDM будет производиться оборудование. Вдобавок, несоответствие единым стандартам уменьшает экономический эффект для компаний из-за использования различной компонентной базы, в зависимости от выбранного типа OFDM. Несмотря на это, будущее OFDM блестяще, как его существенные выгоды для продвижения в промышленном применении.