MIMO Tehnoloogia: HT ja VHT PDF

2023 MIMO tehnoloogia: HT ja VHT 10. TEEMA HURMI JÜRJENS Table of Contents MIMO tehnoloogia, HT ja VHT ............................................................................................ 3 MIMO .................................................................................................

2023 MIMO tehnoloogia: HT ja VHT 10. TEEMA HURMI JÜRJENS Table of Contents MIMO tehnoloogia, HT ja VHT ............................................................................................ 3 MIMO ................................................................................................................................. 5 JOONIS 10.1 MIMO tööpõhimõte ja mitmekiireline levi .............................................................. 5 RAADIOAHELAD ......................................................................................................................... 6 JOONIS 10.2 2×3 ja 3×3 MIMO ...................................................................................................................... 7 RUUMILINE MULTIPLEKSIMINE ................................................................................................... 7 MIMO HAJUSVASTUVÕTT ................................................................................................... 9 RUUM-AEG-PLOKK-KODEERIMINE ............................................................................................ 10 TSÜKLILINE NIHKEHAJUSUS ...................................................................................................... 11 EDASTUSKIIRE MOODUSTAMINE .............................................................................................. 11 JOONIS 10.5 Kiiremoodustamisega andmete edastamine ........................................................................... 12 802.11AC ILMUTATUD KIIREMOODUSTAMINE........................................................................... 13 JOONIS 10.6 Ühe kasutaja kiiremoodustaja häälestamise protsess ............................................................. 14 Mitme kasutajaga MIMO ehk MU-MIMO.................................................................................. 14 JOONIS 10.7 Mitme kasutajaga MIMO ...................................................................................... 15 MITME KASUTAJAGA KIIREMOODUSTAMINE MU-MIMO .......................................................... 15 JOONIS 10.8 Mitme kasutajaga kiiremoodustamise kanalihäälestusprotsess .............................................. 16 JOONIS 10.9 Kiiremoodustamisega ülekanded MU-MIMO keskkonnas ....................................................... 16 JOONIS 10.10 MU-MIMO plokkide kinnitused ............................................................................................. 17 Kanalid ..................................................................................................................................... 18 20 MHZ LAIUSEGA KANALID ......................................................................................................................... 18 JOONIS 10.11 20 MHz NON-HT (802.11a/g) kanal....................................................................................... 19 40 MHZ KANALID ...................................................................................................................... 19 JOONIS 10.13 40 MHz HT või VHT kanal ....................................................................................................... 20 JOONIS 10.14 Kanali kokkusidumine (ingl k channel bonding) ..................................................................... 20 JOONIS 10.15 Kanalite kokkusidumine – 5 GHz U-NII sagedusalad .............................................................. 21 40 MHZ TALUMATUS ................................................................................................................. 21 80 MHZ JA 160 MHZ LAIUSEGA KANALID .................................................................................. 22 JOONIS 10.17 80 MHz VHT (802.11ac) kanal ............................................................................................... 22 Kaitsevahemik .................................................................................................................. 23 1 256-QAM modulatsioon ........................................................................................................... 24 802.11n/ac PPDU...................................................................................................................... 28 NON-HT .................................................................................................................................... 29 HT MIXED ................................................................................................................................. 29 VHT .......................................................................................................................................... 30 802.11n/ac MAC ............................................................................................................... 30 A-MSDU ................................................................................................................................... 30 A-MPDU ................................................................................................................................... 31 KÄTTETOIMETAMISE KINNITUSPLOKK – Block ACK .................................................................... 32 TOITEHALDUS ................................................................................................................... 33 MODULATSIOONI- JA KODEERIMISSKEEM ......................................................................... 34 802.11AC ANDMEEDASTUSKIIRUSED ................................................................................ 37 TABEL 10.5 802.11ac andmeedastuskiiruse tegurid ..................................................................................... 38 TABEL 10.6 Maksimaalne andmeedastuskiirus (Mbit/s) – VHT .................................................................... 39 HT/VHT kaitsemehhanismid ..................................................................................................... 39 HT KAITSEREŽIIMID (0–3) .......................................................................................................... 39 Wi-Fi Alliance'i sertifikaat ................................................................................................. 40 TABEL 10.7 Wi-Fi SERTIFITSEERITUD n baasnõuded ................................................................... 41 TABEL 10.8 Wi-Fi sertifitseeritud AC seadmete baasnõuded ...................................................... 42 Kokkuvõte ......................................................................................................................... 43 2 MIMO tehnoloogia, HT ja VHT Selles peatükis käsitleme mõlemat MIMO-põhist WiFi-tehnoloogiat: suure läbilaskevõimega (HT) edastusviis, mis oli algselt määratletud 802.11n-2009 muudatusega, ja väga suure läbilaskevõimega (VHT) edastusviis, mis oli algselt määratletud 802.11ac-2013 muudatusega. Mõlemad tehnoloogiad pakuvad PHY ja MAC täiustusi ning suuremat andmeedastuskiirust. Muudatuse 802.11n algne peamine eesmärk oli suurendada andmeedastuskiirusi ja läbilaskevõimet nii sagedusalades 2,4 GHz kui ka 5 GHz. 802.11n muudatus määratleb töörežiimi, mida nimetatakse suure läbilaskevõimega (HT) edastusviisiks, mis pakub PHY ja MAC täiustusi, et tagada edastuskiirus potentsiaalselt kuni 600 Mbit/s. 802.11ac muudatus määratles uue töörežiimi, mida tuntakse kui väga suure läbilaskevõimega (VHT) edastusviisi. VHT töötab ainult 5 GHz U-NII sagedusalades ning pakub PHY ja MAC täiustusi, mis võimaldavad edastuskiirust potentsiaalselt kuni 6933 Mbit/s. 802.11n esitles füüsilisel kihil täiesti uut lähenemist, kasutades tehnoloogiat, mida nimetatakse mitme sisendiga, mitme väljundiga (MIMO) edastuseks, mis nõuab mitme raadio ja antenni kasutamist. Nagu varasemates peatükkides õppisite, on mitmekiireline RF-levikäitumine, mis võib põhjustada jõudluse halvenemist pärandtehnoloogiat kasutavates 802.11a / b / g WLAN-ides. 802.11n ja 802.11ac raadiod kasutavad MIMO tehnoloogiat, mis kasutab mitmekiirelisust ära nii läbilaskevõime kui ka vahemiku suurendamiseks. Lisaks MIMO tehnoloogia kasutamisele tagavad HT ja VHT mehhanismid suurema läbilaskevõime, kasutades muid meetodeid. Arutame laiemate kanalite kasutamist, mis pakuvad suuremat sagedusriba. MAC-alamkihi täiustused tagavad ka suurema läbilaskevõime kaadrite agregeerimise abil. 802.11e muudatusega määratleti energiahalduse täiustused ja hiljem nägi 802.11n muudatus ette ka uued energiahaldustehnikad. 802.11ac laiendas ja mõnel juhul lihtsustas paljusid 802.11n tehnoloogiaid, tutvustades samal ajal ka uut tehnoloogiat, mida tuntakse mitme kasutajaga MIMO (MU-MIMO, ingl k Multi-User MIMO) nime all. Kuigi MU-MIMO on kuulutatud „imerelvaks“ oma tehnoloogilise uudsuse ja pakutavate võimaluste tõttu, toetavad MU-MIMO-tehnoloogiat väga vähesed kliendid; seega WLAN tavakasutajad saavad MUMIMO-st harva kasu. Seetõttu põhineb 802.11ac paremus enamasti siiski 802.11n täiustamises või laiendamises, pakkudes lihtsalt kiiremat WiFi-ühendust. Tabelis 10.1 on esitatud kokkuvõte erinevustest 802.11n ja 802.11ac vahel. 3 Tehnoloogia 802.11n - HT Sagedus 802.11ac - VHT 2,4 GHz ja 5 GHz Ainult 5 GHz Modulatsiooniviis BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256QAM Kanali laiused 20 MHz ja 40 MHz 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz Ruumilised vood Kuni neli Kuni kaheksa AP-del, kuni neli klientidel Lühikese kaitsevahemiku tugi Jah Kiiremoodustamine Moduleerimis- ja Jah Mitu tüüpi, nii ilmutatud kui Ilmutatud kujul ilmutamata kujul; vaikimisi ei nullandmeahelatega rakendata (NDP) kiiremoodustamine 77 10 Jah Jah, kõik kaadrid edastatakse kodeerimisskeemide arv (MCS) A-MSDU ja A-MPDU toetatus MIMO tugi Tehnoloogia A-MPDU kasutades SU-MIMO SU- MIMO ja MU-MIMO 802.11ac - VHT 802.11n - HT MIMO (MU-MIMO) Üks Neli 600 Mbit/s 6933 Mbit/s Kasutajate samaaegsete edastuste maksimaalne arv Maksimaalne andmekiirus TABEL 10.1 802.11n ja 802.11ac võrdlus Lõpuks vaatleme HT- ja VHT-võrkude erinevaid töörežiime ning seda, kuidas nende raadioedastused saavad eksisteerida samas WLAN-keskkonnas koos muude raadiotega, mis kasutavad pärandtehnoloogiaid, mida oleme seni käsitlenud. HT- ja VHT-võrkude juurutamiseks rakendatavad tehnoloogiad on nii keerulised, et neile on pühendatud hulgaliselt mahukaid teavikuid. Selles peatükis käsitleme HT ja VHT põhikomponente ning neid alusteadmisi, mis on vajalikud WLAN-võrguinsenerile igapäevatööks. 4 MIMO 802.11n ja 802.11ac muudatused puudutavad füüsilist (PHY) kihti. Nende muudatustega on määratletud kasutada mitme sisendiga, mitme väljundiga (ingl k multiple-input, multiple-output, MIMO) raadiotransiiveri lahendust. MIMO-raadiomoodulid edastavad korraga mitut raadiosignaali, et kasutada ära mitmekiirelise levi eeliseid. Traditsioonilistes 802.11 keskkondades on mitmekiirelise levi nähtus seni üksnes probleeme tekitanud. Mitmekiireline levi on nähtus, mille tulemuseks sama signaaliimpulsi energia (õigemini, selle mitu erinevat koopiat) jõuab vastuvõtuantenni mitut eri teed läbinult kas samaaegselt või üksteise suhtes hilistunult (nanosekundites mõõdetava ajavahemiku jooksul). Lainefrondi loomuliku laienemise tõttu toimub peegelduse, hajumise, difraktsiooni ja murdumise tulemusena mitmekiireline levikäitumine. Signaal võib leviteel ette jäävatelt objektidelt peegelduda või hajuda, murduda või difrageeruda. Selline levikäitumine võib põhjustada sama signaali levikut mitut teed pidi. Vastavalt teemas "Raadiosageduste põhialused" käsitletule võivad mitmekiirelise levi negatiivsed mõjud hõlmata amplituudi kahanemist ja laineimpulssi kätketud andmete rikkumist. MIMO-süsteemid aga kasutavad mitmekiirelise levi efekti hoopiski kasulikult ära ja selgub, et mitmekiirelist levi saab hoopis signaali tugevdamiseks rakendada. Tüüpilises siseruumi keskkonnas levivad MIMO raadio erinevatest antennidest saadetud RF-signaalid MIMO vastuvõtjateni jõudmiseks mitut teed pidi. Näiteks, nagu on näidatud joonisel 10.1, võetakse kolme originaalsignaali mitu koopiat vastu mitme antenniga. Seejärel kasutab MIMO vastuvõtja algselt edastatud signaalide sorteerimiseks täiustatud digitaalse signaalitöötluse (DSP, ingl k Digital Signal Processing) võtteid. Intensiivne mitmekiirelise levi keskkond aitab MIMO vastuvõtjal tegelikult eristada ainulaadseid andmevooge, mis kannavad mitut RF-signaali. Kui MIMO saatja saadetud mitu signaali jõuavad kõik üheaegselt vastuvõtjasse, võivad signaalid üksteist tühistada ja kogu sidekanali jõudlus on sellisel juhul põhimõtteliselt sama, mis mitte-MIMO süsteemil. JOONIS 10.1 MIMO tööpõhimõte ja mitmekiireline levi 5 Mitme andmevoo edastamine meetodiga, mida nimetatakse ruumiliseks multipleksimiseks (SM, ingl k Spatial Multiplexing), tagab suurema läbilaskevõime ja kasutab mitmekiirelise levi negatiivseid omadusi ära kasulikult. MIMO-süsteemid võivad paremaks edastamiseks ja vastuvõtmiseks kasutada ka mitut antenni, mis võib suurendada leviulatust ja töökindlust. MIMO edastus- ja vastuvõtutehnikaid on erinevaid. Ruum-aeg-plokkkodeerimine (STBC, ingl k Space-Time Block Coding) ja tsükliline nihkehajusus (CSD, ingl k Cyclic Shift Diversity) on hajaedastamise (ingl k Transmit Diversity) tehnikad, kus samad edastavad andmed saadetakse eetrisse mitmest antennist. STBC-side on võimalik ainult MIMO seadmete vahel. CSD hajus signaale saab vastu võtta kas 802.11n või pärandseadmetega. Edastava kiire moodustamine (TxBF) on tehnika, kus sama signaali edastatakse mitme antenni kaudu ja antennid toimivad faasivõrena. Maksimaalkiiruse kombineerimine (MRC, ingl k Maximal Rate Combining) on teatud tüüpi hajusvastuvõtutehnika, kus kombineeritakse mitu vastuvõetud signaali, parandades seeläbi süsteemi tundlikkust. Ruumilist multipleksimist ja erinevaid hajustehnikaid selgitatakse üksikasjalikumalt edaspidi. RAADIOAHELAD Vanemad, standardi IEEE 802.11 kohaselt talitlevad pärandraadiod edastavad ja võtavad vastu raadiosagedussignaale, kasutades ühe sisendiga ja ühe väljundiga (SISO, ingl k Single-Input, SingleOutput) süsteemi. SISO-süsteemides kasutatakse ühte raadioahelat. Raadioahel koosneb raadiotransiiverist ja kogu seda toetavast arhitektuurist, sealhulgas segustitest, võimenditest ja analoog/digitaalmuunduritest. MIMO-süsteem koosneb mitmest raadioahelast, kusjuures igal raadioahelal on oma antenn. 6 Joonis 10.1.1. MIMO arhitektuur (allikas: researchgate.net) MIMO-süsteemi iseloomustab mitut raadioahelat kasutatavate saatjate ja vastuvõtjate arv. Näiteks 2×3 MIMO süsteem koosneks kolmest raadioahelast, millel on kaks saatjat ja kolm vastuvõtjat. 3×3 MIMO süsteem kasutaks kolme raadioahelat kolme saatja ja kolme vastuvõtjaga. MIMO süsteemis viitab esimene number alati saatjatele (TX) ja teine number vastuvõtjatele (RX). Joonisel 10.2 on kujutatud nii 2×3 kui ka 3×3 MIMO süsteeme. Pange tähele, et mõlemates süsteemides kasutatakse kolme raadioahelat; 3×3 süsteemil on aga kolm saatjat, samas kui 2×3 süsteemil on ainult kaks saatjat. JOONIS 10.2 2×3 ja 3×3 MIMO Mitme saatja kasutamine MIMO-süsteemis võimaldab edastada samas ajaühikus rohkem andmeid ruumilise multipleksimise rakendamise abil. Mitme vastuvõtja kasutamine suurendab signaali-müra suhet (SNR) täiustatud MIMO antenni hajustalitluse tõttu. 802.11n standard võimaldab MIMO järku kuni 4×4, kasutades nelja raadioahelat. Iga raadioahel vajab aga talitluseks energiat. 2×2 MIMO süsteem nõuaks seega palju vähem võimsust kui 4×4 MIMO süsteem. 802.11n raadiotel võib olla kuni 4 raadioahelat ja 802.11ac pöörduspunkti raadiotel võib olla kuni 8 raadioahelat. RUUMILINE MULTIPLEKSIMINE Olete juba õppinud, et MIMO raadiod edastavad mitmeid signaale. MIMO raadiol on ka võimalus saata sõltumatuid unikaalseid andmevooge. Iga sõltumatut andmevoogu nimetatakse ruumiliseks vooks ja iga unikaalne voog võib sisaldada andmeid, mis erinevad teistest voogudest, mida edastab üks või mitu teist raadioahelat. Iga voog läbib ka erineva tee ruumis, sest mitme saateantenni vaheline eraldatud ruumis on vähemalt pool lainepikkust. Asjaolu, et mitu voogu järgivad vastuvõtjani jõudes erinevaid teid saateantennide vahelise ruumilise eraldatuse tõttu, nimetatakse ruumhajususeks. Mitme sõltumatu unikaalse andmevoo saatmist ruumhajususe abil nimetatakse sageli ka ruumiliseks multipleksimiseks (SM) või ruumhajusmultipleksimiseks (SDM, ingl k Spatial Diversity Multiplexing). Mitme unikaalse andmevoo saatmise eeliseks on see, et läbilaskevõime suureneb seeläbi drastiliselt. Kui MIMO pöörduspunkt saadab kaks unikaalset andmevoogu MIMO kliendijaama, mis võtab vastu mõlemad vood, kahekordistub sel moel läbilaskevõime. Kui MIMO pöörduspunkt saadab kolm unikaalset andmevoogu MIMO kliendijaama, mis võtab vastu kõik kolm voogu, on läbilaskevõime tegelikult kolmekordistunud. 7 Sõltumatuid unikaalseid andmevooge ei tohi ajada sassi saatjate arvuga. Tegelikult on MIMO raadiotele viidates oluline viidata ka sellele, kui palju unikaalseid andmevooge MIMO raadiod saadavad ja vastu võtavad. Enamik WiFi-seadmete tootjaid kasutab MIMO raadiovõimaluste kirjeldamisel kolmenumbrilist süntaksit. MIMO süsteemis viitab esimene number alati saatjate (TX) arvule ja teine number vastuvõtjate (RX) arvule. Kolmas number näitab, kui palju unikaalseid andmevooge saab saata või vastu võtta. Näiteks 3×3:2 MIMO süsteemis kasutatakse kolme saatjat ja kolme vastuvõtjat, kuid ainult kahte unikaalset andmevoogu. 3×3: 3 MIMO süsteem kasutab kolme saatjat ja kolme vastuvõtjat kolme unikaalse andmevooga. Joonisel 10.3 on kujutatud 3×3:3 MIMO AP, mis edastab 3×3:3 MIMO kliendile kolm sõltumatut unikaalsete andmete voogu. JOONIS 10.3 Mitu ruumilist voogu Oluline on mõista, et kõigil 802.11n või 802.11ac raadiotel pole samu MIMO võimalusi. Paljudes varem toodetud 802.11n pöörduspunktides kasutati 3×3:3 MIMO raadiote asemel 3×3:2 MIMO raadiot. Paljud WLAN-i seadmetootjad pakuvad ka odavamaid 802.11n või 802.11ac pöörduspunkte, milles kasutatakse 2×2:2 MIMO raadioid. Kliendi poolel on eksisteerinud erinevaid kombinatsioone, paljudes sülearvutites on tänasel päeval kas 3×3:2 või 3×3:3 MIMO raadiomoodulid. Mõnedes nutiseadmetes aga kasutatakse endiselt ainult 802.11a/b/g -s leiduvaid SISO pärandvõimalusi. Vanemad mobiilseadmed, nagu nutitelefonid ja tahvelarvutid, kasutavad 802.11n raadioid 1×1: 1 võimalustega, mis toimivad tõhusalt SISO raadiona, millel on mõned 802.11n võimalused. 1×1:1 raadio ei paku mitme ruumilise voo kasutamise täielikke eeliseid; siiski on seejuures toetatud mõned muud 802.11n PHY ja MAC täiustused. Kui on olemas head raadiosageduslikud tingimused, saavad 3×3:3 pöörduspunkt ja 3×3:3 klientseade omavaheliseks suhtluseks unicast-edastuste jaoks kasutada kolme ruumilist voogu. Kui aga 3×3:3 pöörduspunkt ja 2×2:2 klientseade omavahel suhtlevad, kasutatakse unicast-edastuste jaoks ainult kahte ruumilist voogu. Kui kliendiraadio liitub põhiteenusekomplektiga (BSS), teavitatakse pöörduspunkti kliendiraadio MIMO toetatud võimalustest. 802.11n muudatus võimaldab kasutada kuni 4×4: 4 MIMO süsteemi. Enamik ettevõttelahendusteks kavandatud 802.1n pöörduspunkte on traditsiooniliselt olnud MIMO järguga 2×2:2 või 3×3:3. Enamik ettevõtte WLAN-i seadmetootjate AP-sid on kahesageduslikud. WLAN-i seadmetootjad pakuvad nüüd kahesageduslikke AP-sid 4×4:4 802.11ac raadioga 5 GHz ja 4×4:4 802.11n raadioga 2.4 GHz sagedusaladele. 802.11n/ac kliendiseadmete hulgas on palju erinevaid MIMO võimalusi. Sülearvutitel on 8 tavaliselt kas 2×2:2 või 3×3:3 raadiod, samas kui enamikul uuematest mobiilseadmetest, näiteks nutitelefonidel ja tahvelarvutitel, on nüüd 2×2:2 MIMO raadiod. Nagu varem mainitud, kasutasid paljud vanemad 802.11n tahvelarvutid ja nutitelefonid 1×1:1 MIMO raadioid. Mobiilseadmed kasutavad tavaliselt ainult kas 1×1:1 või 2×2:2 MIMO raadioid, kuna täiendavad raadioahelad tühjendaksid mobiilseadmete akusid kiiremini. Varem edastas enamik mobiilseadmeid algselt ainult 2,4 GHz sagedusalas; kuid enamik nutitelefonide ja tahvelarvutite tootjaid pakub nüüd tavaliselt kahesageduslikke raadioid, mis edastavad nii 2.4 kui ka 5 GHz sagedusalades. 802.11n muudatuse kohaselt saab sama (võrdse sügavusega) modulatsiooniga saata mitu ruumilist voogu või neid saab saata erineva (ebavõrdse sügavusega) modulatsiooni abil. Näiteks 3×3:3 MIMO raadio võib edastada kolme andmevoogu, kasutades sama 64-kvadratuurse amplituudmanipulatsiooni (QAM) tehnikat. Teine näide on 3×3:3 MIMO raadio, mis edastab kahte voogu, kasutades 64-QAM-i, ja kolmandat voogu, milles kasutatakse kvadratuursel faasmanipulatsioonil (QPSK) põhinevat modulatsiooni kõrgema mürapõranda tõttu. 3×3:3 MIMO süsteem, mis kasutab võrdset modulatsiooni, saavutaks suurema läbilaskevõime kui 3×3:3 MIMO süsteem, mis kasutab ebavõrdset modulatsiooni. Kuigi ebavõrdne modulatsioon on teoreetiliselt ja tehniliselt võimalik, ei ole WLAN-i seadmetootjad kunagi rakendanud ebavõrdset modulatsiooni 802.11n raadiomoodulites. 802.11ac muudatus kõrvaldas sellise funktsiooni toetamise täielikult. MIMO HAJUSVASTUVÕTT Kui katate ühe kõrva käega, kas kuulete enda ümber toimuvat ühe kõrvaga paremini või halvemini? Ilmselt kuulete paremini kahe kõrvaga. Kas arvate, et kuuleksite selgemalt, kui teil oleks kahe kõrva asemel kolm või neli kõrva? Kas arvate, et oleksite võimeline kuulma helisid suurematelt kaugustelt, kui teil oleks ainult kahe kõrva asemel kolm või neli kõrva? Jah, inimene kuuleks selgemalt ja suurema ulatusega, kui tal oleks rohkem kui kaks kõrva. MIMO-süsteemides kasutatakse täiustatud antennide hajusvastuvõtu võimalusi, mis toimivad analoogselt mitme kõrva omamise olukorraga. Antenni hajuskonfiguratsiooni peetakse sageli ekslikult MIMO kasutatavaks ruumiliseks multipleksimisvõimaluseks. Antenni hajustalitlus (nii vastuvõtul kui ka edastamisel) on meetod mitme antenni kasutamiseks mitmekiirelise levi negatiivsete mõjude kompenseerimiseks. Lihtne antenni hajuskonfiguratsioon (ingl k antenna diversity) on meetod mitmekiirelisusest tekkiva vastuvõtuprobleemi kompenseerimiseks, mitte mitmekiirelise leviefekti töölerakendamiseks suurema andmete läbilaskevõimekuse nimel. Enamik SISO raadioid kasutab ühe transiiveri ja mitme antenni konfiguratsioonis ümberlülitatavat hajusvastuvõttu (ingl k switched diversity). RF-signaalide vastuvõtmisel detekteerivad lülitussüsteemid mitmest antennist saabuvaid signaale. Sama signaali mitu koopiat jõuavad erineva amplituudiga vastuvõtja antennidesse. Lülitussüsteem valib välja parima amplituudiga signaali (antennisisendi) ja teisi signaale (antenne) ignoreeritakse. Edastamisel kasutatakse samuti ümberlülitatud hajuskonfiguratsiooni, kuid kasutatakse saatmiseks ainult ühte antenni. Saatja edastab signaali sellesse hajuskonfiguratsiooniga antenni, kus viimati õnnestus detekteerida parima amplituudiga signaal. 9 Kuna saatja ja vastuvõtja vaheline kaugus suureneb, kahaneb vastuvõetud signaali amplituud lõpuks mürapõranda nivooni. Kui signaali ja müra suhe (SNR) väheneb, kasvab andmete vigase vastuvõtu tõenäosus. Kahe antenniga detekteerimine suurendab tõenäosust sooritada vähemalt ühe signaali vastuvõtt ilma vigadeta. Kujutage nüüd ette, kui teil oleks kolm või neli antenni, mis kuulaksid parimat vastuvõetud signaali, kasutades ümberlülitatud hajuskonfiguratsiooni. Suurema amplituudiga ja vigadeta andmevooga signaalide tõenäosuslikud koefitsiendid on veelgi suurenenud. Suurem tõenäosus kuulda vähemalt üht veavaba signaali kolme või nelja antenni kasutavas kommuteeritavas hajusssüsteemis võimaldab olukorda käsitleda kui suuremat leviulatust. Kui kasutatakse hajusvastuvõttu, võib signaale ka lineaarselt kombineerida, kasutades signaalitöötlustehnikat, mida nimetatakse maksimaalkiiruse kombineerimiseks (ingl k Maximal Rate Combining - MRC). MRC algoritme kasutatakse mitme vastuvõetud signaali ühendamiseks, vaadates iga unikaalset signaali ja kombineerides signaale optimaalselt meetodil, mis võimaldab neid kokku liita. MRC-d kasutavad MIMO-süsteemid suurendavad vastuvõetud signaali SNR-i tõhusalt. Nagu on näidatud joonisel 10.4, on maksimaalkiiruse kombineerimine kasulik, kui mitte-MIMO raadio edastab MIMO vastuvõtjale ja toimub mitmekiireline edastus. MRC algoritm keskendub kõrgeima SNR-tasemega signaalile; siiski võib see kombineerida ka mürarikkamatest signaalidest pärinevat teavet. Lõpptulemusena võimaldab rekonstrueeritud algandmete parem hinnang väiksemat veamäära algandmevoo taastamisel. JOONIS 10.4 Maksimaalkiiruse kombineerimine (MRC) MRC kasutab vastuvõtu-kombineerimisfunktsiooni, mis hindab iga sissetuleva signaali faasi ja SNR-i. Iga vastuvõetud signaal on teiste koopiatega võrreldes faasinihkes, mis võimaldab neid kombineerida. Samuti muudetakse sissetulevate signaalide amplituudi, et keskenduda parima SNR-iga signaalile. RUUM-AEG-PLOKK-KODEERIMINE Ruum-aeg-plokk-kodeerimine (STBC) on meetod, kus sama teavet edastatakse kahe või enama antenni abil; antennide arv peab siiski olema mõlemal pool (saatjas ja vastuvõtjas) võrdne. See on üks hajusedastuse võtteid. STBC-d saab kasutada siis, kui raadioahelate arv ületab ruumiliste voogude arvu. Ruum-aeg-plokk-kodeerimine (STBC) edastab traadita sides ühe andmevoo mitu koopiat. STBC kasutab paljusid antenne, et toota andmetest mitu vastuvõtmiseks sobivat versiooni, parandades andmeedastuse töökindlust. Nende andmekoopiate hulga põhjal kombineeritakse optimaalsed koopiad, et saada vastuvõtul kõige usaldusväärsemaid andmeid. See koondamine suurendab võimalust kasutada saadud andmete ühte või mitut koopiat saadud andmete õigeks dekodeerimiseks. STBC ühendab kõik 10 vastuvõetud signaalide koopiad kasulike andmete saamiseks omavahel. Saates sama infovoo koopiaid mitmest antennist, ei suurene edastatud andmete tegelik kiirus saateantennide lisamisel. STBC suurendab siiski vastuvõtja võimet tuvastada signaale väiksema SNR-i puhul, kui muidu oleks võimalik. Selle tulemusena raadiosüsteemi vastuvõtutundlikkus paraneb. STBC ja tsükliline nihkehajusus (Cyclic Shift Delay - CSD) on edastamisel kaustatavad hajustöötlustehnikad, kus samad edastusandmed saadetakse mitmest antennist. STBC side on võimalik ainult MIMO seadmete vahel. CSD hajussignaale saab vastu võtta kas MIMO või vanade SISO seadmetega. TSÜKLILINE NIHKEHAJUSUS Tsükliline nihkehajusus (CSD) on veel üks hajusedastuse võtetest, mis on määratletud standardites 802.11n ja 802.11ac. Erinevalt STBC-st saab CSD-d kasutava saatja signaali vastu võtta pärandseadmetega 802.11g ja 802.11a. Segarežiimi juurutamiseks, kus 802.11n eksisteerib koos 802.11g ja 802.11a seadmetega, on vaja viisi, kuidas edastada pärand-OFDM-i preambulis olevaid sümboleid mitme saateantenni kaudu. Selleks kasutatakse CSD-d ja igale edastatud signaalile rakendatakse tsüklilist hilistust. Hilistused arvutatakse nii, et minimeerida mitme signaali vahelist korrelatsiooni. Tavapärane pärandsüsteem käsitleks mitut vastuvõetud signaali sama signaali mitmekiireliste versioonidena. Tsükliline hilistus valitakse nii, et see jääks kaitsevahemikku (GI) piiridesse, nii et see ei põhjustaks liigseid sümbolisiseseid häiringuid (ISI). MIMO-süsteemil pole probleeme mitme signaali kasutamisega preambuli üldise SNR parandamiseks. CSD on 802.11n / ac üks täpsemaid ja kõige vähem analüüsitud funktsioone, kuid sellegipoolest on see seadmete seadmetootjate raadiodisainerite jaoks endiselt oluline. EDASTUSKIIRE MOODUSTAMINE 802.11n muudatusettepanekus pakuti välja ka valikuline PHY-võimekus, mida nimetatakse edastuskiire moodustamiseks (TxBF), mis kasutab faasikorrektsiooni põhimõtet. Edastuskiire moodustamist saab kasutada siis, kui saateantenne on rohkem kui ruumilisi andmevooge. Edastuskiire moodustamine on meetod, mis võimaldab mitut antenni kasutaval MIMO-saatjal koordineeritud meetodil reguleerida väljuvate edastuste faasi ja amplituudi. Kui vastuvõtjale saadetakse sama signaali mitu koopiat, saabuvad signaalid tavaliselt üksteisega faasis nihutatult. Kui saatja (TX) teab vastuvõtja asukoha RF-karakteristikut, saab MIMO-saatjas edastusel erinevate signaalide faasi reguleerida. Nüüd, kui need mitu modifitseeritud faasiga signaali jõuavad vastuvõtjani, on need faasis, mille tulemuseks on konstruktiivne mitmekiireline lainesumma, mitte faasierisusega signaalide summeerimisel tekkiv amplituudikadu. Mitmest antennist edastatavate signaalide faasi hoolikas juhtimine toimib virtualiseeritud suundantennina. Kuna edastuskiire moodustamise tulemuseks on konstruktiivne mitmekiireline side, on tulemuseks suurem signaali ja müra suhe ja suurem vastuvõetud amplituud. Seetõttu annab edastuskiiremoodustamine suurema leviulatuse üksikutele klientidele, mis suhtlevad pöörduspunktiga. Edastuskiiremoodustamine toob kaasa ka suurema läbilaskevõime tänu kõrgemale SNR-ile, mis 11 võimaldab kasutada keerukamaid modulatsioonimeetodeid, mis suudavad kodeerida rohkem andmebitte. Kõrgem SNR toob kaasa ka vähem 2. kihi kordusedastamisi. Edastuskiire moodustamist võiks kasutada koos ruumilise multipleksimisega (SM); ruumiliste voogude arvu piirab aga vastuvõtuantennide arv. Näiteks võib 4×4:4 MIMO raadio edastada 2×2:2 MIMO raadiosse, mis suudab vastu võtta ainult kahte ruumilist voogu. 4×4: 4 MIMO raadio saadab ainult kaht ruumilist voogu, kuid võib kasutada ka teisi antenne, et moodustada kiiri, mis on rohkem keskendunud vastuvõtvale 2×2: 2 MIMO vastuvõtjale. Praktikas kasutatakse edastuskiiremoodustamist pigem siis, kui ruumiline multipleksimine ei ole parim valik. Nagu on näidatud joonisel 10.5, ei saada saatja edastuskiire moodustamise kasutamisel mitut unikaalset ruumilist voogu, vaid saadab selle asemel mitu samade andmete voogu, mille faas on kohandatud iga raadiosagedussignaali jaoks. JOONIS 10.5 Kiiremoodustamisega andmete edastamine Saatjad, mis kasutavad kiiremoodustamist, püüavad signaalide faasi reguleerida vastuvõtja tagasiside põhjal, kasutades sondeerimiskaadreid. Saatja ja vastuvõtja töötavad sõnumivahetuse kaudu koos, et teavitada teineteist MIMO kanali omaduste osas. Seda sondeerimiskaadrite vahetust kasutatakse RFkanali mõõtmiseks ja arvutusliku hinnangu loomiseks selle kohta, kuidas raadiosageduslikku energiat vastuvõtjale paremini juhtida (ingl k steering). Tulemusena moodustatavat hinnangut nimetatakse juhtimismaatriksiks (ingl k steering matrix). Edastuskiire moodustamine tugineb nii saatja kui ka vastuvõtja ilmutamata või ilmutatud tagasisidele. Iga kaadrit saab kasutada sondeerimiskaadrina. Nullfunktsiooni andmekaadreid saab kasutada siis, kui teisi kaadreid ei kasutata. Ilmutamata tagasiside kasutamisel saadab kiiremoodustaja-pöörduspunkt sondeeriva kaadri ja võtab seejärel vastu pikad treeningsümbolid, mida edastab klient-kiiremoodustaja, mis võimaldab sidekanali otspunktide vahelist MIMO kanalit hinnata pöörduspunkti poolt. Teisisõnu, kliendil ei ole kanali kvaliteedi otsest tagasisidet ja seega loob pöörduspunkt kiiremoodustamiseks vajaliku juhtimismaatriksi. Hea analoogia ilmutamata tagasiside jaoks on sonar. Sonaris kasutatakse objektide tuvastamiseks meetodit, mille puhul näiteks allveelaevad kasutavad teiste laevade avastamiseks vee all levivat helisignaali. Allveelaev saadab välja helilaine ja tagasipöörduva (keskkonnast peegeldunud) helilaine omaduste põhjal saab kindlaks määrata pealveelaeva tüübi, mis võib olla allveelaeva kursil. Siiski ei ole pealveelaevalt allveelaevale otsest ilmutatud kujul tagasisidet. 12 Kahe HT-raadio vahel saab vahetada palju rohkem teavet, kui mõlemad on võimelised ilmutatud tagasisideks. Ilmutatud tagasiside kasutamisel annab klient-kiiremoodustaja kanalile otsese hinnangu treeningsümbolite põhjal, mille pöörduspunkt-kiiremoodustaja talle saadab. Klient võtab selle teabe ja saadab täiendava tagasiside tagasi pöörduspunktile. Teisisõnu, klient kujundab juhtimismaatriksi. Seejärel edastab pöörduspunkt kliendile selle tagasiside põhjal. Tuleb märkida, et WLAN-i seadmetootjad ei võtnud 802.11n raadiote jaoks kunagi kasutusele ilmutatud kiiremoodustamist. Üks WLAN-seadmetootja võttis mõnes oma 802.11n AP-s kasutusele mõned kaudsed kiiremoodustamise võimalused. Kuid 802.11ac muudatus määratleb ainult ilmutatud kiiremoodustamise ja WLAN-i seadmetootjad on selle võimaluse ehitanud 802.11ac AP-desse. Selgesõnalist kiiremoodustamist, mida kasutatakse koos 802.11ac-ga, selgitatakse järgmistes jaotistes. 802.11AC ILMUTATUD KIIREMOODUSTAMINE Selles jaotises anname ülevaate ilmutatud kiiremoodustamisest, mida kasutavad 802.11ac raadiod ja uurime, kuidas seda kasutatakse mitme kasutajaga MIMO (MU-MIMO) puhul. Kiiremoodustamise teostamiseks edastavad AP mitu raadioahelat sama teavet erinevate antennide kaudu. AP ajastab oma ülekanded nii, et kõigi antennide lained jõuavad vastuvõtvasse raadiosse samal ajal ja üksteisega faasis. Selle tulemuseks peaks olema signaalitugevuse kasv umbes 3 detsibelli võrra. Selline signaalitugevuse suurenemine võib viia raadiote vahelise side kõrgemale andmeedastuskiirusele. Suurenemine ei ole tõenäoliselt piisav, et mõjutada kõrgemaid (256QAM jne) andmeedastuskiirusi (või ka madalamaid andmeedastuskiirusi), kuid see mõjutab sidet keskmistes andmeedastuskiiruse vahemikes. Nii nagu 802.11n, nimetab ka 802.11ac edastavat raadiot kiiremoodustamise initsiaatoriks (ingl k beamformer) ja vastuvõtvat raadiot kiiremoodustamise partneriks (ingl k beamformee). Kiiremoodustamist saab reguleerida kaadri kaupa, nii et ühe ülekande puhul võib AP olla kiiremoodustamise initsiaator ja järgmisel puhul võib klient olla kiiremoodustamise initsiaator. AP võib saata jaamale kokkulepitud kiirekonfiguratsiooniga edastuse ja kui jaam toetab mitut raadioahelat, võib ta saata AP-le kiiremoodustatud kaadreid. Muudatusega 802.11n määratleti mitu kiiremoodustamise meetodit. Kuid 802.11ac kasutab ainult ilmutatud tüüpi kiiremoodustamist ja vajab kiiremoodustamise kasutamiseks nii saatja kui ka vastuvõtja tuge. Ilmutatud kiiremoodustamine kasutab interaktiivset kalibreerimisprotsessi, et teha kindlaks, kuidas edastada mitme raadioahela abil. Seda protsessi nimetatakse kanali häälestamiseks (ingl k channel sounding). Protsessi alustamiseks edastab beamformer nullandmepaketi (NDP) teatekaadri, mis teavitab beamformee'd kavatsusest saata kiiremoodustatud tüüpi edastus. Seejärel saadab beamformer järgneva NDP-kaadri. Beamformee töötleb iga OFDM-i alamkandjat ja moodustab tagasisideinfo. Tagasisideinfo sisaldab teavet võimsuse ja faasinihke kohta iga saate- ja vastuvõtuantennide paari vahel. Seda infot kasutatakse tagasisidemaatriksi loomiseks, mis seejärel tihendatakse ja saadetakse tagasi beamformerile. Joonisel 10.6 on näidatud sellise kaadrite vahetuse skeemi. Beamformer kasutab tagasisidemaatriksit juhtimismaatriksi arvutamiseks, mida kasutatakse andmeedastuse suunamiseks beamformee'le. 13 JOONIS 10.6 Ühe kasutaja kiiremoodustaja häälestamise protsess Kuigi see osa selgitas kiiremoodustamise protsessi, selgitas see tegelikult seda, mida nimetatakse ühe kasutaja kiiremoodustamiseks. Järgmine jaotis tutvustab teile mitme kasutajaga MIMO (MU-MIMO) tööpõhimõtet. Pärast MU-MIMO selgitamist jätkame kiiremoodustamise, täpsemalt mitme kasutajaga (ingl k multiuser beamforming) MIMO talitluse selgitamist. Mitme kasutajaga MIMO ehk MU-MIMO Enne standardi 802.11ac väljatöötamist suutis 802.11 AP suhelda korraga ainult ühe seadmega. Kui AP käivitas edastuse, adresseeriti see ühele kliendiseadmele. 802.11ac abil on 802.11ac AP-l võimalik muMIMO tehnoloogiat kasutades suhelda korraga kuni nelja seadmega. Kuid mitte kõik 802.11ac raadiod ei toeta MU-MIMO-t ja toetavad ainult MIMO ühe kasutaja sidet. Lisaks toetavad ka 802.11n raadiod ainult MIMO ühe kasutaja sidet ega toeta MU-MIMO-t. Et eristada standardset MIMO tehnoloogiat, mis võeti kasutusele 802.11n-ga MU-MIMO-st, nimetame seda edaspidi ühe kasutajaga MIMO-ks (SUMIMO). Nii 802.11n kui ka 802.11ac AP-d on võimelised edastama mitut andmevoogu. Tehnoloogiakulude ja akusäästuvajaduse tõttu on paljud traadita võrkudes kasutatavad kõige levinumad ja populaarsemad kliendiseadmed võimelised edastama ainult ühte andmevoogu. See tähendab, et kui pöörduspunkt suhtleb traadita tahvelarvuti või muu nutiseadmega, ei kasutata suurt osa tehnoloogia potentsiaalist. MU-MIMO eesmärk on kasutada võimalikult palju ruumilisi vooge, olenemata sellest, kas edastamine toimub ühe kliendiga, kes kasutab nelja ruumilist voogu, või nelja kliendiga, kes kasutavad ühte ruumilist voogu. MU-MIMO-t toetatakse ainult allalülis sooritatavate edastuste puhul 802.11ac AP-lt 802.11ac klientidele. Joonisel 10.7 on kujutatud AP, mis on võimeline edastama nelja ruumilist voogu allalülis. Sellel joonisel kasutab AP kahte ruumilist voogu sülearvutile edastamiseks, kolmandat voogu tahvelarvutile edastamiseks ja neljandat voogu 802.11ac-toega nutitelefonile edastamiseks. 14 JOONIS 10.7 Mitme kasutajaga MIMO MU-MIMO raadio võimaluste kirjeldamisel kasutatakse mõnikord viiekohalist süntaksit. MU-MIMO süsteemis viitab esimene number alati saatjatele (TX) ja teine number vastuvõtjatele (RX). Kolmas number näitab, kui palju unikaalseid üksikkasutaja (SU) andmevooge saab saata või vastu võtta. Neljas number viitab sellele, kui palju mitme kasutaja (MU) vooge saab edastada. Viiendat numbrit kasutatakse MU-MIMO grupi tähistamiseks või kui palju MU-MIMO kliente korraga edastusi vastu võtab. Näiteks 4×4:4:3:3 802.11ac AP võib SU-MIMO režiimis töötades edastada ühele kasutajale kuni neli ruumilist voogu. Kuid MU-MIMO edastamiseks kuni kolmele MU-MIMO toetavale kliendile sai kasutada ainult kolme ruumilist voogu, kusjuures iga klient sai ühe voo. Mis aga toimub siis, kui 802.11ac AP töötaks 4×4:4:3:2 MU-MIMO AP-na? MU-MIMO gruppi kuuluks ainult kaks klienti. Kuna MU-MIMO ülekannete jaoks on saadaval kolm ruumilist voogu, oleks 1 ruumiline voog mõeldud ühele kliendile ja 2 ruumilist voogu teisele kliendile, kes kuuluvad MU-MIMO gruppi. Aga kuidas süsteem toimiks juhul, kui 802.11ac AP-ga oleks seostatud 20 MU-MIMO klienti? AP teeb otsuse selle kohta, millised kliendid said allalüli MU-MIMO ülekanded ja millised kliendid on määratud MU-MIMO kliendigruppi. Näiteks kolm klienti saaksid ruumilisi vooge üheaegselt vastu võtta esimeses allalüliedastuses ja seejärel saaksid kolm erinevat klienti ruumilisi vooge üheaegselt järgmises allalüliedastuses. Tuleb mõista, et 802.11ac MU-MIMO ülekanded on ainult allalülis 802.11ac MU-MIMO AP-lt mitmele 802.11ac MU-MIMO-toega kliendile. Üleslüli MU-MIMO lisandub alles järgmises standardis, 802.11ax. Beamforming on MU-MIMO kriitiline osa. MITME KASUTAJAGA KIIREMOODUSTAMINE MU-MIMO Varem selles peatükis selgitasime, kuidas 802.11ac teostab ilmutatud kiiremoodustamist. Selgitasime ka MU-MIMO põhimõtteid. Nüüd on aeg käsitleda neid kahte tehnoloogiat koos ja selgitada kiiremoodustamise tähtsust MU-MIMO edu alusena. 15 Ühe kasutaja MIMO puhul kasutatakse kiiremoodustamise protsessis kliendi suunas kiiratava edastuse RF-signaali faasi seadistamist, et suurendada nii signaalitugevust antud kliendi asukohas ja loodetavasti võimaldada AP-l ja kliendil suhelda suurema andmeedastuskiirusega. MU-MIMO puhul ei sooritata seda kiiremoodustamise ülesannet ainult ühe kliendi suunas edastuse parendamiseks; seda tehakse korraga kuni neljale kliendile edastamise kiirendamiseks. MU-MIMO kiiremoodustamise protsessi alustamiseks teostab AP kanali häälestamise protseduuri, mis on sarnane, kuid keerulisem kui SU-MIMO puhul. Protsessi alustamiseks edastab AP nullandmepaketi (NDP) teavituskaadri, teavitades mitut beamformeed kavatsusest saata kiiremoodustatud edastus. Seejärel saadab AP järgneva NDP-kaadri. Nagu kiiremoodustamisel ühele kasutajale, töötleb iga beamformee iga OFDM-i alamkandjat ja loob tagasisideteavet, luues tihendatud tagasisidemaatriksi. Esimene beamformee reageerib AP-le oma tihendatud tagasisidemaatriksiga. Seejärel küsitleb AP iga täiendavat beamformee'd järjestikku, kasutades Beamforming Report Polli kaadreid. Joonis 10.8 illustreerib seda protsessi. JOONIS 10.8 Mitme kasutajaga kiiremoodustamise kanalihäälestusprotsess Seejärel kasutab AP iga beamformee saadetud tagasisidemaatriksit, et luua ühtne juhtimismaatriks. See juhtimismaatriks määratleb AP iga antenni ja iga klientseadme iga antenni vahelise side edastusparameetrid, nagu on näidatud joonisel 10.9. JOONIS 10.9 Kiiremoodustamisega ülekanded MU-MIMO keskkonnas 16 Oluline on meeles pidada, et joonisel 10.9 saadab AP 16 ülekannet, 4 igast antennist. Nendest 16 edastusest peab vastuvõtuantenn suutma eristada ja tõlgendada signaali, mis on suunatud just sellele antennile, püüdes samal ajal ignoreerida ülejäänud 12 edastust. Konkreetse kliendi jaoks moodustatud signaalid on ajastatud saabuma samal ajal ja sünkroonis, tekitades tõhusalt tugevama signaali. Üksteisele liiga lähedal asuvad beamformeed võivad kogeda kasutajatevahelisi häireid teistele kasutajatele suunatud signaalide tõttu. Ideaaljuhul on kasutajad üksteisest füüsiliselt piisavalt eraldatud ja ettenähtud kasutajaseadme kiiremoodustatud signaal on tugev, samas kui teiste kasutajate jaoks on seesama vastuvõetud signaal nõrgem. Joonisel 10.9 on näidatud, kuidas kasutaja peaks erinevaid signaale ära tundma. Kui kasutajaseadmed on piisavalt eraldatud, peaks kiiremoodustatud signaal ettenähtud kasutajale olema tugev ja teiste kasutajate poolt vastu võetavad signaalid peaksid olema nullised või oluliselt nõrgemad. Pärast seda, kui AP edastab multikasutajakaadri, peab iga kliendijaam oma kaadri kinnitama. Nagu varem mainisime, toimub MU-MIMO ainult AP poolt kliendi poole, seega peavad kinnitused pärinema igalt üksikult kasutajalt ükshaaval. Kuna iga 802.11ac kaader on A-MPDU kaader, kontrollitakse kõigi üksikute MPDU-de kohaletoimetamist Block ACK abil. Kui on Block ACK on kohustuslik, saadab kaadrinõude algataja - antud juhul AP - vastuvõtjale ploki kinnitustaotluse (Block Acknowledgement Request, BAR) kaadri, mis sellele vastab vastab Block ACK saatmisega. Kuna tegemist on MU-MIMO kaadriga, saadab AP kasutajale BAR-kaadri, ootab sellelt kasutajalt saabuva Block ACK ära ja kordab seejärel protsessi järjest teiste kasutajatega. Seda järjestust illustreerib joonis 10.10. JOONIS 10.10 MU-MIMO plokkide kinnitused Allalüli (ingl k downlink) MU-MIMO võimalused võeti kasutusele teise põlvkonna 802.11ac pöörduspunktides; siiski on MU-MIMO tehnoloogia laialdane kasutamine praegu veel pigem haruldane. Kuigi MU-MIMO kõlab paberil suurepäraselt, ei ole tegelik rakendamine praktiline järgmistel põhjustel: ▪ Praegu on turul veel suhteliselt vähe MU-MIMO-võimekusega 802.11ac kliente ja seda tehnoloogiat kasutatakse ärilahendustes harva. Kliendid peavad toetama ka ilmutatud kiiremoodustamist. ▪ MU-MIMO nõuab ruumhajusust (Space Diversity); seetõttu on vajalik piisavalt suur füüsiline vahemaa klientide vahel. Enamik tänapäevaseid Wi-Fi juurutusi ettevõtetes on aga pigem suure kasutajate tihedusega, mis ei soodusta MU-MIMO talitlust. 17 ▪ MU-MIMO nõuab edastuskiire moodustamist (TxBF), mis nõuab kanalihäälestuskaadrite kasutamist. Kanalihäälestuskaadrid lisavad liiasust, eriti kui suurem osa andmekaadreid on väikesed. Täiendavate kaadrite tõttu tekkiv liiasus võib pärssida mis tahes jõudlust, mis kaasnes 802.11ac AP kasutamisega, mis edastab allalülis samaaegselt mitmele 802.11ac kliendile. Kanalid Eelnevast selgus, et standardi 802.11a muudatus määratles raadioedastuses uued võimalused, mis kasutavad ortogonaalse sagedusjaotusega multipleksimise (OFDM, ingl k Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing) tehnoloogiat 5 GHz U-NII sagedusalades. 802.11g määratles raadiote võimalused, kasutades ERP-OFDM-i, mis on tegelikult sama tehnoloogia, välja arvatud see, et edastused toimuvad 2.4 GHz ISM-sagedusalas. 802.11n muudatus määratleb ka OFDM-kanalite kasutamise. Siiski on 802.11n (HT) raadiote puhul peamised erinevused. Nagu käesolevas peatükis varem mainitud, võivad 802.11n (HT) raadiod töötada kas ühel või teisel sagedusel. Olete juba õppinud, et MIMO raadiod kasutavad ruumilist multipleksimist, et saata mitu sõltumatut unikaalsete andmete voogu. Ruumiline multipleksimine on üks meetod läbilaskevõime suurendamiseks. MIMO raadiote kasutatavad OFDM-kanalid koosnevad suuremast hulgast alamkandjatest ning nüüd on on olemas ka võimalus kanaleid omavahel kokku siduda (ingl k channel bonding). 802.11n (HT) ja 802.11ac (VHT) raadiote kasutatavate OFDM-kanalite pakutav suurem sagedusriba võib samuti pakkuda suuremat andmeedastuskiirust ja potentsiaalset läbilaskevõimet. 20 MHZ LAIUSEGA KANALID 802.11a ja 802.11g raadiod kasutavad harilikult 20 MHz laiuseid OFDM kanaleid. Nagu näidatud joonisel 10.11, koosneb iga kanal omakorda 64 alamkandjast. 48 alamkandjat edastavad andmeid, samas kui nelja alamkandjat kasutatakse piloottoonidena dünaamiliseks kalibreerimiseks saatja ja vastuvõtja vahel. Ülejäänud alamkandjaid ei kasutata. OFDM-tehnoloogia kasutab ka plokk-kodeerimist ja ennetavat veaparandust. 18 JOONIS 10.11 20 MHz NON-HT (802.11a/g) kanal 802.11n (HT) ja 802.11ac (VHT) raadiod kasutavad samuti sama OFDM tehnoloogiat. HT- ja VHTraadiote kasutatavatel 20 MHz kanalitel on neli täiendavat andmeside alamkandjat võrreldes NON-HT OFDM-kanaliga. Selle tulemusena võib ühe ruumilise vooga HT 20 MHz kanal pakkuda sama sagedusruumi jaoks suuremat summaarset läbilaskevõimet. Nagu on näidatud joonisel 10.12, on HT/VHT 20 MHz OFDM kanalil 64 alamkandjat. Kuid siin on 52 alamkandjat andmeedastuseks, samas kui 4 alamkandjat kasutatakse piloottoonidena saatja ja vastuvõtja vaheliseks dünaamiliseks kalibreerimiseks. Teisisõnu, kuigi mõned kasutamata alamkandjad on endiselt olemas, kasutab HT- või VHT-raadio andmeedastuseks nelja täiendavat alamkandjat. Nende nelja täiendava alamkandja kasutamine annab 20 MHz kanalite puhul tulemuseks olemasoleva sagedusruumi tõhusama kasutamise. JOONIS 10.12 20 MHz HT või VHT kanal 40 MHZ KANALID 802.11n ja 802.11ac raadiod on võimelised kasutama ka 40 MHz laiusega OFDM kanaleid. Nagu on näidatud joonisel 10.13, on 40 MHz kanalid 128 OFDM alamkandjaga; 108 alamkandjat edastavad andmeid, samas kui 6 alamkandjat kasutatakse piloottoonidena dünaamiliseks kalibreerimiseks saatja ja vastuvõtja vahel. Ülejäänud alamkandjaid ei kasutata. 40 MHz laiune kanal kahekordistab tõhusalt andmeedastuseks saadaolevat sagedusriba. 19 JOONIS 10.13 40 MHz HT või VHT kanal HT- ja VHT-raadiote kasutatavad 40 MHz laiusega kanalid on sisuliselt kaks 20 MHz OFDM-kanalit, mis on omavahel kokku ühendatud. Iga 40 MHz kanal koosneb primaarsest ja sekundaarsest 20 MHz kanalist. Primaarsed ja sekundaarsed 20 MHz kanalid peavad olema külgnevad 20 MHz laiused kanalid töösagedusalal. Nagu näidatud joonisel 10.14, on need kaks 20 MHz kanalit, mida kasutatakse 40 MHz laiusega kanali moodustamiseks, tähistatud primaarse ja sekundaarsena ning neid tähistavad kaks välja teatud 802.11 juhtimiskaadrite kehas. Esmane väli näitab peamise kanali numbrit. 802.11n 40 MHz kanalite puhul näitab positiivne või negatiivne nihe, kas sekundaarne kanal on ühe kanali võrra põhikanalist ülal- või allpool. 802.11ac (VHT) ei viita aga ühelegi kanalinihkele, vaid hoopis 40 MHz laiuse kanali kesksagedusele. Kuid WLAN-i seadmetootjad ei määra 802.11ac pöörduspunktis 40 MHz kanali konfigureerimisel kesksagedust. Selle asemel valitakse 20 MHz laiuse kanali number, mis toimib peamise kanalina. Primaarseid ja sekundaarseid kanaleid kasutatakse koos ainult andmekaadri edastamiseks 802.11n/ac AP ja 802.11n/ac kliendi vahel. Tagasiühilduvuse tagamiseks edastatakse kõik 802.11 haldus- ja juhtkaadrid ainult põhikanalil. Lisaks kasutatakse 802.11n/ac AP ja pärandtehnoloogia 802.11a/g klientide vaheliseks andmeedastuseks ainult primaarset kanalit. JOONIS 10.14 Kanali kokkusidumine (ingl k channel bonding) Kanalite taaskasutusmustrid, mis kasutavad 40 MHz kanaleid 5 GHz sagedusalas, on lihtsamalt rakendatavad, kuna 5 GHz U-NII sagedusalades on saadaval kogu sagedusriba. 40 MHz kanalite kasutamine 5 GHz sagedusalades on täiesti loogiline, sest on palju rohkem 20 MHz kanaleid, mida saab omavahel ühendada erinevates paarides, nagu on näidatud joonisel 10.15. 40 MHz kanalite juurutamine sagedusel 2,4 GHz ei ole kahjuks mitmekanalilise taaskasutusmustriga. 40 MHz kanalid on probleemiks ainult 802.11n raadiotega, kuna 802.11ac raadiod töötavad ainult 5 GHz sagedusalal. Nagu eelpool märkisime, on 2,4 GHz sagedusalal saadaval küll 14 kanalit, kuid 2,4 GHz ISM-sagedusalas on saadaval ainult kolm mitteülekattuvat 20 MHz laiusega kanalit. Kui väiksemad kanalid on omavahel kokku ühendatud, moodustades 2,4 GHz ISM-sagedusalas 40 MHz kanalid, kattuvad omavahel mis tahes kaks 40 MHz laiusega kanalit, nagu on näidatud joonisel 10.16. Teisisõnu, 2, 4 GHz juures saab kasutada ainult ühte 40 MHz laiusega kanalit ja kanali taaskasutamise võimalus on sisuliselt võimatu. 20 JOONIS 10.15 Kanalite kokkusidumine – 5 GHz U-NII sagedusalad JOONIS 10.16 Kanalite kokkusidumine — 2,4 GHz ISM-sagedusala 40 MHZ TALUMATUS Nagu te just teada saite, saab 2,4 GHz sagedusalas kasutada ainult ühte mitteülekattuvat 40 MHz laiusega kanalit; seetõttu on kanali taaskasutusmuster, mis võiks mitut 40 MHz kanalit 2,4 GHz sagedusalas kokku ühendada, ilma häiringute tekitamiseta võimatu. Siiski on 2,4 GHz sagedusalas kanalite kokkusidumine endiselt võimalik. Iga 2,4 GHz 802.11n pöörduspunkt, mis edastab 40 MHz kanalil, häirib teisi lähedal asuvaid AP-sid, mis on juurutatud standardse 20 MHz laiuste kanalitega taaskasutusmustriga 1, 6 ja 11. Vaikimisi peaksid 802.11n kliendid ja AP-d kasutama 2.4 GHz sagedusalas edastamisel 20 MHz laiusega kanaleid. Seejuures emiteerivad nad 40 MHz talumatuse märguandeid, kasutades erinevaid 802.11n juhtimiskaadreid. Iga 802.11n AP, mis kasutab 40 MHz laiusega kanalit, on sunnitud tagasi lülituma ainult 20 MHz laiuste kanalite kasutamisele, kui nad tuvastavad kaadreid lähedalasuvatest 802.11n 2.4 GHz jaamadest, mis ei kuulu 40 MHz laiuse kanalijaotusega sagedusmustrisse. Seega on 40 MHz talumatuse funktsioon kaitse „naabrimehe“ eest, kes võib kasutada 40 MHz laiusega kanalit ja häirida teie kasutuses olevaid 2.4 GHz 20 MHz jaotusega kanaleid. Ärilahenduste WLAN- 21 pöörduspunktide vaikesätteks peaks seetõttu olema sagedusalal 2,4 GHz valitud 20 MHz laiusega kanalid. Tuleb märkida, et 40 MHz talumatuse funktsioonid on mõeldud ainult 2,4 GHz sagedusalale ja need ei ole lubatud 5 GHz sagedusalas. 80 MHZ JA 160 MHZ LAIUSEGA KANALID Standard 802.11ac tutvustas kahte uut kanalilaiust: 80 MHz ja 160 MHz. Nii nagu 40 MHz laiune kanal luuakse kahe 20 MHz kanali kombineerimisel, ühendab 80 MHz kanalijaotus kokku neli 20 MHz kanalit. Nagu on näidatud joonisel 10.17, koosneb 80 MHz kanal kokku 256 alamkandjast, millest 234 kasutatakse andmete edastamiseks, 8 pilootkandjatena ja ülejäänud 14 on kasutamata. JOONIS 10.17 80 MHz VHT (802.11ac) kanal Teine kanalilaius, mis võeti kasutusele standardis 802.11ac, on 160 MHz. Nagu võite järeldada, koosneb 160 MHz kanal omakorda kahest 80 MHz kanalist; ent need kaks 80 MHz laiust kanalit ei pea olema spektris kõrvuti. Kui kanalid paikenvad kõrvuti, nimetatakse seda 160 MHz laiusega kanaliks. Kui kokkuühendatud kanalid pole külgnevad, nimetatakse seda 80+80 MHz kanaliks. Kuna need kanalid võivad olla külgnevad või eraldatud, käsitletakse neid kahe üksiku 80 MHz kanalina ja kanalite vahelisi kasutamata alamkandjaid ei saa kasutusele võtta. Seetõttu on 160 MHz kanal lihtsalt kaks 80 MHz kanalit ja see koosneb 512 alamkandjast, millest 468 kasutatakse andmete edastamiseks, 16 kasutatakse pilootkandjatena ja ülejäänud 28 on kasutamata. Joonisel 10.18 on näidatud kõik erinevad 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz ja külgnevate 160 MHz laiuste kanalite kombinatsioonid 5 GHz U-NII sagedusalades. Kuigi 802.11ac raadiotega on saadaval 80 MHz ja 160 MHz kanalid, ei ole soovitatav neid ärilahendustes kasutada. Peatükis "WLANdisainikontseptsioonid" saate teada, et 20 MHz laiuste kanalite korduvkasutusega disain on endiselt eelistatud meetod. Ka 40 MHz kanali korduvkasutuse disain võib hoolika planeerimise korral olla realiseeritav ilma suuremate probleemideta. 80 MHz ja 160 MHz kanalite rakendused ei skaleeru ettevõtte WLAN-juurutustesse. 22 JOONIS 10.18 20, 40, 80 ja 160 MHz kanalid Kaitsevahemik Digitaalsignaalide puhul moduleeritakse andmed kandjasignaalile bittide või bitikogumitena, mida nimetatakse sümboliteks. Kui 802.11a/g raadiod edastavad sidekiirusel 54 Mbit/s, sisaldab iga OFDMsümbol 288 bitti; Neist bittidest 216 on andmed ja 72 bitti on veaparandusbitid. Kõik OFDM-sümboli andmebitid edastatakse 20 MHz NON-HT-kanali 48 andme-alamkandja kaudu. 802.11a/g raadiod kasutavad OFDM-sümbolite vahel 800-nanosekundilist kaitsevahemikku või ka kaitsevahemikku (ingl k Guard Interval, GI). Kaitsevahemik on sümbolite vaheline ajavahemik, mis võimaldab sümbolite hilisemat saabumist pikemate leviteede kaudu. Mitmekiirelises keskkonnas liiguvad sümbolid erinevaid leviteid pidi, nii et mõned sümbolid saabuvad vastuvõtja asukohta hilistunult. Seetõttu võib "järgmine" sümbol saabuda vastuvõtja sisendisse enne, kui "hilinenud" sümbol on kogu ulatuses kätte saadud. Seda olukorda nimetatakse sümbolisiseseks häiringuks (ISI) ja see võib põhjustada andmete rikkumist vastuvõetud bitivoo taastamise käigus. Eelpool arutasime ISI-d ja hilistushajusust. Hilistushajusus on signaalielementide (koopiate) saabumise ajavahe, mis tuleneb sama signaali mitmekiirelisest levist. Normaalne hilistushajusus on 50 nanosekundist 100 nanosekundini ja maksimaalne hilistus on umbes 200 nanosekundit. Kaitseintervall peaks olema kaks kuni neli korda pikem hilistuse pikkusest. Mõelge kaitsevahemikkust kui hilistushajususe puhvrist. Tavaline kaitseintervall on 800-nanosekundiline puhver sümbolite ülekannete vahel; kuid enamikus siseruumides tagab 400-nanosekundiline puhver ülekannete piisava eraldatuse. Nagu on näidatud joonisel 10.19, kompenseerib kaitseintervall hilistushajusust ja aitab vältida sümbolisiseseid häiringuid. Kui kaitseintervall on liiga lühike, võib sümbolisiseseid häiringuid siiski esineda. 23 JOONIS 10.19 Kaitseintervall HT/VHT tehnoloogia tutvustas 400-nanosekundilise kaitsevahemiku võimekust, mida mõnikord nimetatakse ka lühikeseks kaitsevahemikuks (ingl k Guard Interval, GI). 802.11n/ac raadiod kasutavad ka 800-nanosekundilist kaitsevahemikku; lühem 400-nanosekundiline kaitseintervall on siiski valikuline. Lühem kaitseintervall annab tulemuseks lühema sümboliaja, mis suurendab andmeedastuskiirust umbes 10 protsenti. Kui 802.11n/ac raadioga kasutatakse valikulist lühemat 400-nanosekundilist kaitsevahemikku, suureneb läbilaskevõime; kuid sümbolisiseste häirete esinemise tõenäosus suureneb. Kui lühema geograafilise tähise tõttu esineb tõepoolest sümbolisiseseid häireid, on tulemuseks veapuhangute tekkimine. Kui tekib rohkem edastusvigu, suureneb 2. kihi kordusedastuste hulk ja see mõjutab negatiivselt läbilaskevõimet. Kui läbilaskevõime väheneb lühema GI-seadistuse tõttu, tuleks selle asemel kasutada 800 nanosekundilist kaitsevahemiku seadistust. Enamikus sisetingimustes eelistatakse lühikese kaitsevahemikuna väärtust 400 nanosekundit. Pikka kaitsevahemikku võib vaja minna siseruumides suure mitmekiirelisuse tõenäosusega keskkonnas. Pikka kaitsevahemikku kasutatakse tavaliselt välitingimustes. 256-QAM modulatsioon Eelpool selgitasime, kuidas lainetega manipuleeritakse või kuidas kandesagedust moduleeritakse, et andmeid edastada. Aastate jooksul on 802.11 füüsilise kihi (PHY) tehnoloogiatesse integreeritud uuemad ja kiiremad modulatsioonimeetodid. Iga uue ja kiirema PHY kasutuselevõtuga võeti kasutusele ka uuem modulatsioonimeetod, mis on võimeline kodeerima rohkem bitte, suurendades seega võrgu efektiivset kiirust ja jõudlust. Oluline on meeles pidada, et isegi kui võetakse kasutusele uued ülekandeja modulatsioonimeetodid, toetatakse ja kasutatakse tagasiühilduvalt endiselt ka vanemaid ja aeglasemaid meetodeid. 24 Kui klient liigub pöörduspunktist eemale ja signaalitugevus väheneb, põhjustab dünaamiline kiiruse vahetamine kliendi ümberlülitumise aeglasemale andmeedastuskiirusele, et säilitada ühendus. Kuigi me kipume esile tõstma uusimaid ja parimaid tehnoloogiaid, mis võetakse kasutusele kõige uuema standardi või muudatusega, on vanemad ja aeglasemad tehnoloogiad endiselt iga infrastruktuuri peamised ja vajalikud komponendid. Selles jaotises kirjeldatakse 256-QAM-i, mis võeti kasutusele koos 802.11ac muudatusega. (QAM on akronüüm kvadratuur-amplituudmanipulatsioonist, ingl k Quadrature Amplitude Modulation) Järgnevalt on loetletud modulatsioonimeetodid, mida kasutatakse 802.11 võrkudes: DBPSK - Differential binary phase-shift keying (diferentsiaalne binaarne faasmanipulatsioon) • DQPSK - Differential quadrature phase-shift keying (diferentsiaalne kvadratuur-faasmanipulatsioon) • BPSK - Binary phase-shift keying (binaarne faasmanipulatsioon) • QPSK - Quadrature phase-shift keying (kvadratuur-faasmanipulatsioon) • 16-QAM - 16 quadrature amplitude modulation (16-kvadratuur-amplituudmanipulatsioon) • 64-QAM - 64 quadrature amplitude modulation (64-kvadratuur-amplituudmanipulatsioon) • 256-QAM - 256 quadrature amplitude modulation (256-kvadratuur-amplituudmanipulatsioon) 256-QAM on evolutsiooniline uuendus, mis võeti kasutusele standardis 802.11ac. 802.11a muudatusega kehtestati 64-QAM modulatsioon. 64-QAM määratleb 64 kordumatut väärtust. 64-QAM teostab sisuliselt faasinihet, mis suudab eristada kaheksat erinevat faasinurka ja kaheksat amplituuditaset. Ühendades need kaks võtet, suudab süsteem defineerida 64 unikaalset väärtust. 64 erineva väärtuse omamine annab igaühele võimaluse kätkeda endas 6 bitti (2 6 = 64). QAM-i esitatakse sageli konstellatsioonipildil kuvatud sümbolitena, nagu on näidatud joonisel 10.20. Iga punkt tähistab kordumatut sümbolit – erinevat 6-bitist rühma. 25 JOONIS 10.20 64-QAM konstellatsioonidiagramm 802.11ac-ga võeti kasutusele uus modulatsioonimeetod 256-QAM. 256-QAM defineerib ühes signaaliimpulsis ühe 256st unikaalsest väärtusest, kasutades 16 erinevat faasinihke- ja 16 erinevat amplituuditaset. Kuna nii on kokku 256 erinevat väärtust, on iga neist võimeline esindama 8 bitti (2 8 = 256). Joonisel 10.21 on kujutatud 256-QAM konstellatsioonidiagrammi. JOONIS 10.21 256-QAM konstellatsioonidiagramm Nüüd, kui oleme esitanud põhilise selgituse 64-QAM ja 256-QAM kohta, vaatame lähemalt, mis edastusel toimub ja kuidas need kaks modulatsioonimeetodit teineteisest erinevad. Kui 64-QAM raadio edastab andmeid, manipuleerib see laine amplituudi ja faasi ning edastab tekitatud signaali. Vastuvõttev 26 raadio peab seejärel võtma signaali vastu ja tuvastama amplituudi ja faasi modifikatsioonid, mis edastusel sisse viidi, et detekteerida, milline 64 sümbolist edastati. See ei ole alati lihtne, sest müra ja häiringud võivad raskendada vastuvõetud signaalist sell