Беспроводная технология Ultra WideBand

В технологии UWB Multi Band OFDM предусматривается использование не всего спектрального диапазона, а только частот от 3168 до 4752 МГц. Кроме того, данный частотный диапазон разбивается на три частотных канала шириной 528 МГц каждый (рис. 1): канал #1 -- 3186-3696 МГц, канал #2 -- 3696-4224 МГц, канал #3 -- 4224-4752 МГц.

Центральная (несущая) частота в каждом из частотных каналов рассчитывается по правилу:

f_c = 2094 + 528 x n_ch,

где n_ch -- номер канала. Таким образом, для первого канала несущая частота составляет 3432, для второго -- 3960, а для третьего -- 4488 МГц.

Рис. 1. Три частотных канала в технологии UWB MultiBand OFDM

Технология OFDM находит широкое применение в протоколах беспроводной связи, например в стандартах IEEE 802.11a, 802.11g и 802.16. Основное преимущество данной технологии заключается в том, что она позволяет реализовать высокую скорость передачи данных, обладает высокой спектральной эффективностью и создает предпосылки для эффективного подавления такого паразитного явления, как многолучевая интерференция сигналов, возникающая в результате многократных отражений сигала от естественных преград, в результате чего один и тот же сигнал попадает в приемник различными путями. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что приводит к искажению принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах.

Чтобы избежать многолучевого распространения, в технологии OFDM поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов и передача ведется параллельно на всех подканалах. При этом под ортогональностью каналов подразумевается, что несущие частоты каждого канала ортогональны друг другу. И 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. 2).

Рис. 2. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими

Для реализации метода OFDM в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис.3).

В технологии UWB MultiBand OFDM для разделения каждого из трех частотных каналов на подканалы используется быстрое обратное преобразование Фурье с окном на 128 частотных подканалов, из которых для передачи данных используются 100 подканалов, 12 подканалов применяются для согласования фазы и частоты сигнала а остальные подканалы не используются.

Рис. 3. Реализация метода OFDM

Другой особенностью технологии UWB MultiBand OFDM является временное чередование OFDM-символов по трем частотным каналам (TFI-OFDM), то есть первый символ передается с использованием OFDM-технологии в первом частотном канале, второй символ -- в третьем, третий -- во втором, четвертый -- опять в первом и т.д. (рис. 4). Такой подход позволяет равномерно заполнить весь частотный диапазон и снизить влияние многолучевой интерференции на искажение сигнала.

Кроме того, для борьбы с многолучевой интерференцией в технологии OFDM используются так называемый охранный интервал (Guard Interval, GI) и циклический префикс (Cycling Prefix). Охранный интервал длительностью 9,5 нс -- это временной промежуток между следованиями отдельных OFDM-символов, необходимый для переключения с одного частотного канала на другой.

Рис. 4. Чередование OFDM-символов по трем частотным каналам

Циклический префикс длительностью 60,6 нс добавляется в начало каждого OFDM-символа и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса 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. 5).

Рис. 5. Циклический префикс позволяет избежать межсимвольной интерференции

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. С учетом циклического префикса и охранного интервала длительность OFDM-символа составляет 312,5 нс, а период следований трех символов -- 937,5 нс (рис.6).

Рис. 6. Временные характеристики OFDM-символов

На физическом уровне в технологии UWB MultiBand OFDM при передаче данных используются традиционное скремблирование, сверточное кодирование, чередование битов (Bit Interliving) и фазовая модуляция QPSK (рис.7).

Рис.7. Схема передатчика

Особый интерес представляет технология чередования битов. Это чередование осуществляется как в пределах одного OFDM-символа (symbol interleaving), так и в пределах трех OFDM-символов (tone interleaving). На первом этапе биты данных разбиваются на группы по 300 бит в каждой (100 бит передается в одном OFDM-символе, поскольку для передачи данных используется 100 частотных подканалов). Далее биты перегруппируются таким образом, что составляют три последовательные группы. В первую группу включается каждый третий бит, начиная с первого, то есть x1x4x7...x298. Вторая и третья группы формируются по аналогичному правилу, но начиная со второго и третьего битов соответственно. Таким образом, входная последовательность 300 бит (x₁x₂x₃...x₃₀₀) преобразуется в последовательность x₁x₄...x₂₉₈x₂x₅...x₂₉₉x₃x₆...x₃₀₀.

После указанной перестановки битов полученная последовательность 300 бит опять подвергается перестановке, результатом которой являются три последовательности длиной по 100 бит. Первая последовательность состоит из 10 блоков длиной по 10 бит. В первый блок включается каждый десятый бит, начиная с первого, во второй блок -- каждый десятый, начиная со второго и т.д. Первая последовательность преобразуется к виду: y₁y₁₁...y₉₁y₂y₁₂...y₉₂...y₁₀y₂₀...y₁₀₀. По аналогичному алгоритму формируется вторая и третья последовательности, но начиная с 101-го и 201-го членов, то есть: y₁₀₁y₁₁₁...y₁₉₁y₁₀₂y₁₁₂...y₁₉₂...y₁₁₀y₁₂₀...y₂₀₀ и y₂₀₁y₂₁₁...y₂₉₁y₂₀₂y₂₁₂...y₂₉₂...y₂₁₀y₂₂₀...y₃₀₀. Каждая из трех сформированных последовательностей передается с помощью одного из трех OFDM-символов.

Использование технологии чередования битов в пределах OFDM-символа и в пределах трех OFDM-символов позволяет создать равномерный спектр сигнала в пределах всего частотного диапазона как в каждом частотном канале, так и во всем частотном диапазоне, что минимизирует вероятность возникновения межканальной интерференции и ошибок передачи.

Последний вопрос, который пока остался вне рамок нашего рассмотрения, -- это возможные скорости передачи. В технологии UWB MultiBand OFDM скорости передачи могут составлять 55, 80, 110, 160, 200, 320 и 480 Мбит/с, причем скорости 110, 200 и 480 Мбит/с являются обязательными, а остальные -- опциональными. Различие в скоростях определяется скоростью сверточного кодирования. Так, для скорости 110 Мбит/с используется сверточный кодер со скоростью 11/32, для скорости 200 Мбит/с скорость сверточного кодирования составляет 5/8, а для скорости 480 Мбит/с -- 3/4.

Wireless USB

В качестве примера высокоскоростной беспроводной технологии соединения устройств, которая базируется на технологии UWB MultiBand OFDM, можно назвать беспроводной интерфейс USB (Wireless USB). Этот новый этап в развитии технологии USB находится в центре внимания группы Wireless USB Promoter Group, в состав которой входят такие отраслевые лидеры, как Agere Systems, HP, Intel, Microsoft, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics, а в задачи Wireless USB Promoter Group включена разработка спецификации Wireless USB (WUSB). К настоящему времени уже достигнуты определенные результаты -- разработана спецификация WUSB с установленной пропускной способностью 480 Мбит/с. Данная спецификация поддерживает модель использования и архитектуру, которые применяются в проводной технологии USB для высокоскоростного подключения периферийных устройств к хост-компьютеру, что позволяет быстрее перевести сегодняшние проводные USB-решения на новые беспроводные технологии.

Существует несколько архитектурных требований к разрабатываемым WUSB-устройствам. Так, помимо возможности беспроводного подключения, WUSB-устройства должны обладать обратной совместимостью с проводной технологией USB и обеспечивать мостовые соединения с проводными USB-устройствам. Для успешного распространения описываемой технологии важно также, чтобы стоимость WUSB-устройств была невысокой. Разрабатываемые устройства будут точно следовать модели подключения, используемой в проводной технологии USB, что позволит сократить сроки разработки и сохранить эту недорогую и простую в применении модель, которая получила широкое распространение в секторе персональных компьютеров.

Первые WUSB-устройства будут иметь пропускную способность, достаточную для удовлетворения потребностей типичного пользователя устройств с проводным подключением. Намеченная на первом этапе пропускная способность технологии WUSB 480 Мбит/с сопоставима с аналогичными показателями стандарта USB 2.0 для проводной технологии USB. В дальнейшем спецификация WUSB обеспечит увеличение пропускной способности по мере совершенствования сверхширокополосных радиотехнологий и методов обработки сигнала, в результате чего эта величина должна превысить 1 Гбит/с.

Предполагается, что технология Wireless USB будет реализована в отдельных компонентах различных формфакторов, например в устанавливаемых во внутренние разъемы платах и в подключаемых к внешним разъемам устройствах, а также во встраиваемых решениях. Однако светлое «беспроводное будущее» наступит только тогда, когда технология WUSB, наряду с единой сверхширокополосной платформой, станет стандартным элементом каждого процессора и набора микросхем и будет интегрирована в полупроводниковые микросхемы.

Ортогональное частотное разделение каналов

При передачи радиосигналов в открытом пространстве неизбежно сталкиваешься с таким паразитным явлением, как многолучевая интерференция. Эффект многолучевой интерференции заключается в том, что в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приемник разными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому ослабление сигнала для них будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и начальными фазами, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции одни частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а другие, 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 превышает 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, -- так возникает межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее сильно на искажении сигнала сказывается 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 за счет усложнения схемы кодирования эффективность их применения падает.

При скорости передачи 11 или 22 Мбит/с в случае использования CCK-кодов или пакетного сверточного кодирования схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым. Поэтому для реализации более высоких скоростей передачи в стандарте 802.11g применяется принципиальной иной метод кодирования данных, который состоит 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, причем 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 каждого канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в его пределах, а с другой -- достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно плотнее 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. Ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Эта технология была заимствована из стандарта 802.11a. Для ее реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное

Рис. 8. Реализация ортогонального частотного разделения каналов

Как уже отмечалось, одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если точнее, то сама по себе технология OFDM не предотвращает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие «охранный интервал» (Guard Interval, GI) -- это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. GI добавляется к отсылаемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике, но именно он защищает от возникновения межсимвольной интерференции.

Охранный интервал задает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

В стандарте IEEE 802.11g технология ортогонального частотного разделения каналов OFDM является обязательной при скоростях передачи 6, 12 и 24 Мбит/с и опциональной при скоростях передачи 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Отметим, что в самом стандарте обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) - опциональными. Кроме того, одна и та же скорость передачи может реализовываться при различной технике модуляции. Например, скорость передачи 24 Мбит/с может быть достигнута как при многочастотном кодировании OFDM, так и при гибридной технике кодирования CCK-OFDM (табл. 13).

Таблица 1.

Скорости передачи,предусмотренные протоколом 802.11g.

Технология гибридного кодирования CCK-OFDM

Кроме технологии ортогонального частотного разделения каналов OFDM, для опциональных скоростей (6, 9, 12, 18, 24, 36,48 и 54 Мбит/с) может использоваться также технология гибридного кодирования CCK-OFDM.

Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок/преамбулу со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с использованием многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM не единственная гибридная технология - при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передаётся с использованием CCK-кодов, только данные кадра кодируются с использованием PBCC (рис 9).

Зона покрытия

Рассматривая особенности стандарта 802.11g, мы до сих пор не касались такой важной характеристики, как радиус действия (зона покрытия) беспроводной сети. Кроме того, было бы логично сравнить IEEE 802.11g с другими популярными стандартами беспроводной связи -- IEEE 802.11a и 802.11b/b+.

Рис. 9. Форматы кадров при использовании различного кодирования.

Говоря о зоне покрытия беспроводной сети, следует учитывать несколько обстоятельств. Во-первых, максимальное расстояние между двумя беспроводными адаптерами в значительной степени зависит от того, есть ли между ними преграды или эти адаптеры находятся в зоне прямой видимости. Радиус действия беспроводной сети зависит также от того, имеется ли в этой сети точка доступа (режим Infrastructure BSS) или же сеть функционирует в режиме Ad Hoc. Далеко не последнюю роль играет и мощность передатчика точки доступа. Поэтому понятие радиуса действия беспроводной сети довольно условно. К тому же, используя несколько точек доступа в режиме Infrastructure ESS, зону покрытия можно неограниченно увеличивать.

Если же говорить о зоне покрытия с одной точкой доступа в идеальных условиях (отсутствие преград и радиочастотных помех), то при сравнении возможностей различных беспроводных стандартов сети стандарта IEEE 802.11g оказываются и более скоростными, и более «дальнобойными», чем сети стандартов IEEE 802.11a и 802.11b/b+. Так, не уступая по своим скоростным характеристикам стандарту IEEE 802.11a, стандарт IEEE 802.11g обеспечивает такую же зону покрытия, как и стандарт IEEE 802.11b

Если средний радиус сети стандарта IEEE 802.11a составляет 50 м, то радиус действия сетей 802.11b и 802.11g -- порядка 100 м.