Автор: Артем Красилов, Антон Кирьянов, Евгений Хоров
Одним из перспективных подходов к увеличению скорости передачи данных в беспроводных сетях следующих поколений, является использование диапазонов частот более 60 ГГц. Опубликованный в 2012 г. стандарт IEEE 802.11ad, определяющий принципы работы сетей Wi-Fi в диапазоне частот 60 ГГц, вводит новый метод доступа к беспроводному каналу.
Одним из ключевых факторов, определяющим развитие беспроводных сетей, является все увеличивающаяся потребность пользователей в скорости передачи данных. Такая потребность вызвана как экспоненциальным ростом числа самих пользователей, так и увеличивающимся объемом данных, генерируемых современными приложениями [1]. Предполагается, что скорости передачи данных в сетях пятого поколения (5G), появление которых ожидается к 2020 году, должны достигать десятков, сотен гигабит в секунду. Увеличение скорости передачи данных в двух доминирующих на сегодняшний день технологиях Wi-Fi и LTE достигалось с использованием следующих подходов, применяемых на физическом уровне. Во-первых, за счет введения новых сигнально-кодовых конструкций (СКК) повышалась спектральная эффективность использования частотно-временных ресурсов беспроводного канала. Во-вторых, увеличилась ширина используемых частотных каналов. В-третьих, были разработаны методы пространственного кодирования сигнала (Multiple Input Multiple Output, MIMO), которые за счет использования нескольких антенн на передающем и принимающем устройствах, позволяют увеличить число пространственных каналов, а, следовательно, и скорость передачи данных. Отметим, что дальнейшее применение данных подходов не позволит существенным образом увеличить пропускную способность сетей, работающих в традиционных диапазонах частот менее 6 ГГц (напомним, что современные сети Wi-Fi работают преимущественно в нелицензируемых диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, а сети LTE в лицензируемых диапазонах частот от 800 МГц до 2.7 ГГц). Связано это со следующими причинами. Во-первых, существующие СКК обеспечивают спектральную эффективность близкую к границе Шенона. Во-вторых, частотные ресурсы в диапазоне частот менее 6 ГГц ограничены, что позволяет использовать каналы шириной не более нескольких сотен МГц. В-третьих, использование более 8 пространственных каналов становиться едва возможным ввиду ограничения на размеры устройства (расстояние между антеннами должно быть порядка длины волны).
Одним из перспективных подходов к увеличению скорости передачи данных в беспроводных сетях следующих поколений является использование диапазона частот 60 ГГц, в котором доступны каналы шириной в несколько ГГц. Так, в 2012 г. был опубликован новый стандарт IEEE 802.11ad [2], описывающий модификацию технологии Wi-Fi для работы в диапазоне частот 60 ГГц. Даже при отсутствии методов MIMO и использовании только одного частотного канала шириной 2,2 ГГц, IEEE 802.11ad обеспечивает скорость передачи данных около 7 Гбит/c на расстоянии до десяти метров. Такие показатели позволяют применять IEEE 802.11ad для построения высокоскоростных персональных сетей. В настоящее время в комитете по стандартизации локальных и городских сетей IEEE 802 LMSC создана рабочая группа IEEE 802.11ay [3], задачей которой является увеличение скорости передачи до 20-40 Гбит/c и зоны покрытия сети до 500 м. Для достижения этой цели планируется использовать описанные выше методы MIMO, методы агрегации каналов, а также новые СКК, обладающие большей спектральной эффективностью, чем в IEEE 802.11ad [4].
Переход из диапазона частот 5 ГГц в диапазон 60 ГГц приводит к необ-ходимости изменения принципов работы как физического, так и канального уровней. В частности, увеличение частоты сигнала более чем в 10 раз, ведет к увеличению ослабления силы сигнала более чем на 20 дБ. Кроме того, миллиметровые волны имеют существенно более высокий коэффициент по-глощения по сравнению с сантиметровыми волнами. В связи с этим, для обеспечения приемлемой зоны покрытия сети и высокой скорости передачи данных, в стандарте IEEE 802.11ad используются направленные передачи. Использование миллиметровых длин волн позволяет создавать антенные решетки, имеющие сравнительно малые размеры, с помощью которых можно формировать достаточно узкий пучок радиоволн. Например, антенная решетка размером 2x8 занимает площадь менее 1 см и
Множественный доступ в сетях IEEE 802.11ad основан на методе множе-ственного доступа с временным разделением TDMA. Временная шкала делиться на интервалы одинаковой длительности, называемые бикон-интер- валами. В свою очередь каждый позволяет формировать пучок радиоволн шириной порядка 10° [5].
Так как в сетях IEEE 802.11ad передачи являются направленными, раз-работчиками стандарта был изменен метод множественного доступа к каналу. Базовым методом доступа в сетях Wi-Fi является метод случайного мно-жественного доступа с прослушиванием несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, CSMA/CA). Метод CSMA/CA разрабатывался в предположении, что все устройства используют всенаправленные антенны и слышат передачу друг друга. В случае же направленных передач большинство устройств сети не слышат передачу другого устройства, что приводит к высокой вероятности коллизий, а, следовательно, к низкой вероятности успешной доставки данных. По этой причине, в стандарте IEEE 802.11ad метод CSMA/CA был заменен на новый метод множественного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, TDMA). Доступ устройств к беспроводному каналу осуществляется в заранее выделенных временных интервалах, согласованных с центральным устройством, называемым координатором сети. Отметим, что стандарт описывает лишь базовые правила, по которым устройства могут согласовать передачу данных с координатором. Однако не описывает алгоритмы управления радиоресурсами, т.е. правила, по которым определяется в какой момент времени и какой объем канальных ресурсов необходимо выделить каждому устройству в зависимости от обслуживаемого этим устройством трафика и условий в беспроводном канале. Эти алгоритмы в конченом итоге оказывают прямое влияние на производительность сети. Целью данной работы является анализ открытых задач, возникающих при использовании нового метода доступа для обслуживания различных типов трафика, в том числе, трафика реального времени, предъявляющего жесткие требования к качеству обслуживания, а также поиск возможных решений этих задач.