VISOKA TEHNIKA KOLA NI

SEMINARSKI RADIEEE 802.11n standardPredmet: irokopojasne pristupne mree

Mentor: dr Daniela Milovi

Student: Radenkovi Vladimir KTs 6/11

UvodIEEE skraenica je organizacije Institute of Electrical and Electronics Engineers Instituta ininjera elektronike i elektrotehnike, koja je najvee svetsko profesionalno udruenje posveeno tehnolokom napretku i usavravanju. Broji preko 400.000 lanova u preko 160 zemalja, od kojih je 45% iz Sjedinjenih drava. Naini na koji IEEE utie na tehnoloki napredak su izdavanje naunih publikacija, standarda, dranje konferencija, profesionalne i obrazovne aktivnosti. Meu preko 1300 standarda i projekata u razvoju IEEE posebno mesto zauzima grupa 802 standarda raunarskih mrea. Podgrupa 802.11 predstavlja standarde za beini LAN (Local Area Network), a standard 802.11n najnoviji je primenjeni standard koji omoguava brzinu prenosa i do 600 Mb/s. Druga veoma bitna organizacija za razvoj 802.11 standarda je Wi-Fi Alliance (Wi-Fi je skraenica od Wireless Fidelity - Alijansa vernih beinom). Rani proizvodi raeni po 802.11 standardu imali su problem interoperabilnosti, jer standard ne standard ne sadri odredbe za testiranje opreme na usklaenost. 1999. 10 vodeih kompanija u proizvodnji nove tehnologije podralo je odredbu IEEE 802.11b, osnovalo Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA Alijansa beine eternet kompatibilnosti) i brendiralo novu tehnologiju Wi-Fi. 2002. WECA je promenila ime u Wi-Fi Alliance i danas ima primarnu ulogu u sertifikovanju IEEE 802.11 kompatibilnih proizvoda. U ovom radu bie ukratko prikazan istorijski razvoj IEEE 802.11 standarda, a zatim temeljno obraen standard 802.11n i njegove osobnosti.

1. Istorijski razvoj IEEE 802.11 standarda1999. 802.11a Standard za beine mree koje rade na frekvenciji od 5GHz sa brzinom do 54Mb/s. 1999. 802.11b Standard za beine mree koje rade na frekvenciji od 2.4 GHz sa brzinom do 11Mb/s. 2001. 802.11d Dodata specifikacija koja doputa promene konfiguracije na nivou kontrole pristupa medijumu (MAC nivo) zbog usaglaavanja sa pravilima u zemlji gde se mrea koristi. 2003. 802.11g - Standard za beine mree koje rade na frekvenciji od 2.4 GHz sa brzinom do 54Mb/s.

1

2003. 802.11h Podrava zahteve za dinamiki izbor frekvencije (DFS - Dynamic Frequency Selection) i kontrolu prenosne snage (TPC - Transmit Power Control) zbog koegzistencije sa drugim radio ureajima na 5GHz. 2004. 802.11i Standard koji specificira bezbednosne mehanizme za 802.11 mree. 802.11i koristi AES blokovske ifre (Advanced Encription Standard). Standard takoe obuhvata poboljanja u rukovanju kljuevima, verifikaciju korisnika preko 802.1X i integritet podataka zaglavlja. 802.1X je standard za autentifikaciju baziranu na portovima, prvo primenjen u inim mreama, pa usvojen za WLAN za bezbenosni propust adresa u WEP (Wired Equivalent Privacy). WEP ima slab bezbednosni algoritam. 2004. 802.11j Specifikacija za beine mree koje obuhvataju Japanske regulative vezane za snagu beinog predajnika, reime rada, raspored kanala i nivo sporedne emisije. 2005. 802.11e Standard koji dodaje QoS karakteristike (Quality of Service kvalitet usluge) i multimedijalnu podrku za postojee 802.11a, 802.11b i 802.11g beine mree. 2009. 802.11n Podrava ureaje sa MIMO tehnologijom (Multiple-Input-MultipleOutput viestruki ulaz viestruki izlaz) koji koriste viestruke prijemnike i predajnike, kako na pristupnoj taki, tako i na strani korisnika kako bi poboljali rad. 802.11n sertifikovani proizvodi mogu da rade i na 2,4GHz i na 5GHz, kompatibilni su sa starijim mreama 802.11a/b/g i mogu da dostignu brzinu prenosa do 600Mb/s.

2. Pregled standarda IEEE 802.11n802.11n standard, kao to je ve reeno nudi brzinu do nominalnih 600Mb/s. Ova velika brzina i poboljana pouzdanost bile su neophodne za niz novih aplikacija: - beine kune mree sada zahtevaju vee brzine prenosa izmeu raunara i internet porta (povezanog na ini TK sistem), najvie zahvaljujui pojavi sistema fiber-to-the-home (optika do kue) - multimedijalne aplikacije (npr. prebacivanje audio i video datoteka sa hard-diska i DVD-a na TV) zahtevaju velike brzine; - VoIP (Voice over Internet Protocol glas preko internet protokola) aplikacije zahtevaju manje brzine prenosa, ali veu pouzdanost. 802.11n grupa ustanovljena je jo 2002. i zbog prepirki velikih kompanija kompromisno reenje ustanovljeno je 2006. Posle mnogih revizija i korekcija, konana verzija standarda odobrena je tek 2009. Nekoliko kompanija i pre 2009. radilo je proizvode po novom standardu koji su ostali kompatibilno s njim po izdavanju. 2

Velike brzine koje standard nudi posledica su uglavnom dve metode: upotrebe MIMO antena i poveanja raspoloivog opsega sa 20 na 40MHz. Opta struktura predajnika data je na slici Sl.1. Izvorni tok podataka najpre je skremblovan, a zatim (za brzine vee od 300Mb/s) podeljen u dva paralelna toka, da bi se smanjilo vreme obrade kodera/dekodera. Nekoliko razliitih kodeka se primenjuje: binarni konvolucioni koder je primarno reenje, dok su kodeci sa proverom pariteta bita najmanjeg teine (LDPC Low Density Parity Check) opcija za prenos sa visokim performansama. Ovako kodovani bitovi dele se na nekoliko prostornih tokova koji se preko antena prenose paralelno. Svaki prostorni tok je zatim prepleten, mapiran u simbole kompleksne modulacije i grupisan u OFDM simbole (Orthogonal frequencydivision multiplexing pravougaono frekventno multipleksiranje). Zatim se svaki od prostornih tokova moe modulisati Alamoutijevim kodovima i/ili ciklinim pomeranjem viestrukih tokova. Nakon toga prostorno mapiranje raspodeljuje prostorne tokove na modulacione veze sa prebacivanjem na viu frekvenciju.U svakoj vezi nad simbolima se vri IFFT (inverzna Furijeova transformacija), umee se zatitni interval i signal se frekvencijski dalje podie na propusni opseg. Ovaj deo obrade isti je kao kod 802.11a standarda.

Slika Sl.1 Blok dijagram IEEE 802.11n predajnika

3

3. Modulacija i kodovanjeZa jedan prostorni tok, modulacija je ista kao kod 802.11a standarda. Modulacioni formati su BPSK, QPSK, 16-QAM i 64-QAM. Kada se koristi konvoluciono kodovanje, odnos kodovanja je 1/2, 2/3 i 3/4, kao i kod 802.11a; dodatni odnos kodovanja 5/6 uveden je za brz protok pri dobrom stanju kanala. Ovo rezultira sa ukupno 8 ema modulacije i kodovanja (MCS) sa protokom od 6.5 do 65Mb/s. Kada se signal prenosi viestrukim antenama, predajnik (TX) moe da koristi ili iste MCS za prostorne kanale (ako nema informaciju o stanju kanala), ili moe da koristi razliite MCS za razliite tokove. Ukupno 32 MCS su definisane za sluaj jednake modulacije (kada se 8 osnovnih MCS-a koristi jednako na 1, 2, 3, ili 4 prostorna toka). Za nejednaku modulaciju definisano je 44 MCS-a, razliitih kombinacija postojeih ema na razliite prostorne kanale, iako nisu obavezne. 802.11n uvodi i koncept kratkog zatitnog intervala: zavisno od situacije, sistem odluuje da li da duina ciklinog prefiksa bude standardnih 800ns, ili 400ns; drugi sluaj se koristi da se povea spektralna efikasnost u uslovima gde je propagaciono kanjenje tako kratko da je dovoljan ovaj kratki ciklini prefiks. 802.11n standard takoe uvodi LDPC kodovanje koje smanjuje verovatnou greke po cenu vee kompleksnosti dekodovanja. Matrice za proveru pariteta mogu biti podeljene u kvadratne podmatrice koje mogu biti cikline permutacije, matrice identiteta, ili nula-matrice. 12 razliitih kodova je definisamo i sve su bazirane na istoj strukturi kodovanja. Duine kodne rei i submatrica su 648 (27), 1296 (54) i 1944 (81). U tabeli T.1 data modulacionokodna ema 802.11n standarda.

4

Tabela T.1 MCS 801.11n 20 MHz-ni kanal u Mb/s Tip modulacije 800 ns GI 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 6,5 13,0 19,5 26,0 39,0 52,0 58,5 65,0 13,0 26,0 39,0 52,0 78,0 104,0 117,0 130,0 400 ns GI 7,2 14,4 21,7 28,9 43,3 57,8 65,0 72,2 14,4 28,9 43,3 57,8 86,7 115,6 130,0 144,4 40 MHz-ni kanal u Mb/s 800 ns GI 13,5 27,0 40,5 54,0 81,0 108,0 121,5 135,0 27,0 54,0 81,0 108,0 162,0 216,0 243,0 270,0 400 ns GI 15,0 30,0 45,0 60,0 90,0 120,0 135,0 150,0 30,0 60,0 90,0 120,0 180,0 240,0 270,0 300,0

Indeks

Prostorni tokovi

Repeats for Three Streams 23 3 64-QAM 195,0 216,6 405,0 450,0

Repeats for Four Streams 31 4 64-QAM 260 288,9 450 600

5

4. Prostorni tokoviKoncept prostornih tokova povezan je sa sposobnou predaje i prijema viestrukih RF kanala. Vei broj predajnika i prijemnika omoguava pristupnoj taki (AP access point) da alje nezavisne tokove podataka i prenese veu koliinu podataka jednovremeno. Prostorni tokovi dele podatke na vie delova i prosleuju ih razliitim RF vezama. Podaci imaju razliite propagacione puteve. Na slici Sl.2 prikazan je koncept viestrukih prostornih tokova podataka.

Slika Sl.2 MIMO prenos sa dva prostorna toka podataka

Deo prednosti MIMO sistema i prostornih tokova je da mogu iskoristiti vieputni prenos u svoju korist. Vieputni prenos degradira karakteristike SISO sistema (Single Input Single Output), jer razliito propagaciono kanjenje moe da izazove interferenciju signala. Meutim, razliito propagaciono kanjenje omoguava MIMO sistemima da prostorni tokovi budu pravilno primljeni na prijemnoj strani. Za predaju i prijem viestrukih prostornih tokova potreban je sistem viestrukih antena. Zavisno od hardvera AP i klijent mogu da predaju, ili primaju onoliko prostornih tokova koliko antena imaju. Meutim AP mogu imati vei broj antena od prostornih tokova.

5. Tehnika viestrukih antenaKljuno za 801.11n standard je korienje tehnika viestrukih antena. Standard predvia nekoliko razliitih tehnika konkretno za (I) prostorno multipleksiranje, (II) blok kodovanje prostor-vreme, (III) svojstveno formiranje zraka, (IV) izbor antena.

5.1 Kodovanje prostor-vremeBlok kodovi prostor-vreme mogu se koristiti u 802.11n standardu kako bi se poveala otpornost sistema. Konkretno se koriste Alamoutijevi kodovi koji se mogu kombinovati sa prostotnim multipleksiranjem. Ako postoje dve predajne RF veze, jedan prostorni tok je 6

mapiran na te veze (odatle i na antene) po standardu Almaoutijevog koda. Ako postoje tri predajne antene, a dva prostorna toka, jedan tok mapiran je na dva RF kanala putem Almaoutijevog kodovanja, a jedan tok je mapiran direktno na preostalu vezu. Za etiri predajne veze mogu se koristiti tri toka gde je jedan Alamounti kodovan, ili dva toka gde je svaki Alamounti kodovan. Na razliitim tokovima mogu se koristiti razliite modulacione eme, jer su Alamounti kodirani tokovi otporniji i mogu podrati vie modulacione eme od nekodovanih. Drugi nain za ostvarivanje viestrukog prenosa je korienje viestrukog prenosa sa ciklinim pomerajem (Cyclic Shift Diversity - CSD). Ovaj metod, slian viestrukom prenosu sa kanjenjem, uvodi razliito kanjenje za svaki signal. Za razliku od viestrukog prenosa sa kanjenjem gde signali kasne linearno, u CSD OFDM simboli se ciklino pomeraju. To znai da je signal na k-tom podnosiocu pomeren za exp[-j2kFi] gde k oznaava frekvenciju podnosioca, F je rastojanje izmeu podnosilaca, a i je ciklini pomeraj primenjen na i-ti signal. Ciklini pomeraji su 0, -400, -200 i -600ns za prvi, drugi, trei i etrvrti prostorni tok, respektivno.

5.2 Prostorno multipleksiranje i formizanje zrakaProstorno multipleksiranje direktno utie na iskorienje kapaciteta jednvremenim prenosom viestrukih tokova podataka. Teoretski, kapacitet jednog linka poveava se linearno sa poveanjem broja antenskih elemenata. Prostotno multipleksiranje koristi sistem viestrukih antena na predajniku za prenos paralelnih tokova podataka. Originalni tok podataka velike brzine multipleksiran je na nekoliko paralelnih tokova gde se svaki alje sa jednog predajnog antenskog elementa. Kanal mea tokove podataka, tako da svaki prijemni antenski element vidi njihovu kombinaciju. Ako se kanal ponaa dobro, primljeni signal predstavlja linearno nezavisne kombinacije. U ovakvom sluaju se adekvatnom obradom signala odvajaju tokovi podataka. Osnovni uslov je da je broj antenskih elemenata na prijemu bar jenak broju predajnih tokova podataka. Ovakvim pristupom drastino se poveava koliina jednovremeno prenetih podataka. Dok god su tokovi podataka ortogonalni jedni prema drugima, nema interferencije meu njima. Na slici Sl.3 prikazan je blok dijagram generikog sistem koji e biti razmotren u cilju izraunavanja kapaciteta. Na predajniku tok podataka ulazi u koder iji je izlaz prosleen na Nt predajnih antena. Sa antena signal se alje beinim propagacionim kanalom koji se podrazumeva da je kvazi-statian i frekventno neutralan, ako nije navedeno drugaije. Pod

7

kvazi-statinim smatramo da je vreme povezanosti kanala tako dugo da se velika koliina bitova moe preneti unutar tog vremena.

Slika Sl.3 Blok dijagram MIMO sistema Sa H oznaavamo matricu kanala dimenzija NrxNt:

gde hij predstavlja prenosnu funkciju (kompleksno pojaanje kanala) za j-tu predajnu i i-tu prijemnu antenu. Vektor primljenog signala: R= Hs+n=x+n sadri signale primljene sa Nr antenskih elemenata, gde je s vektor predajnog signala, a n vektor uma. Deljenje originalnog toka podataka odraava se na ukupan broj (Nss) prostornih tokova, koji moe biti manji, ili jednak broju raspoloivih RF veza (NRF) za uzlazni prenos. U svakom sluaju, linearne kombinacije prostornih tokova dodeljuju se RF vezama; ove kombinacije opisane su pomou tzv. prostornog mapiranja matrice Q, tako da je u svakom

8

trenutku vektor prostornog toka x mapiran na signal RF veza y po formuli y=Qx. Standard definie sledee mogunosti: Direktno mapiranje: metod se koristi ako je Nss=NRF. U najprostijem sluaju, Q je matrica identiteta (jedinina matrica), ili dijagonalna matrica iji elemnti vre CSD, pa je Qi,i= exp[-j2kFi]. CSD slui da se izbegne sluajno formiranje zraka gde se isti signali nalaze u razliitim prostornim tokovima. Prostorno mapriranje kada je Nss=NRF: u ovom sluaju Q je proizvod SCD matrice i kvadratne matrice sa ortogonalnim kolonama, kao to je Furijeova i Hadamardova matrica. Prostorno mapiranje kada je Nss