Nowe możliwości sieci bezprzewodowych - Standard 802.11n

Poprawiona warstwa fizyczna

Oprócz technologii MIMO, standard 802.11n wprowadza kilka dodatkowych zmian podnoszących efektywna przepustowość sieci WLAN. Najważniejsze z nich to zwiększona szerokość kanału, wyższe prędkości modulacji oraz obniżony narzut tzw. overhead. Ta część raportu opisuje każda z tych zmian, wraz z ich wpływem na przepustowość sieci WLAN.

Kanały 20 i 40 MHz

Miarą wydajności połączenia bezprzewodowego jest szybkość transmisji danych przypadająca na daną szerokość pasma radiowego. Wydajność ta, nazywana wydajnością widmową wyrażana jest w bitach/s/Hz. Wydajność widmowa standardu 802.11b wynosi pół bita na sekundę na Hertz (11 Mbps w kanale o szerokości 22 MHz). Standardy 802.11g oraz 802.11a oferują wyższą wydajność widmową dochodząca do 2,7 bita na sekundę na Hertz (54 Mbps w kanale o szerokości 20 MHz).
Wykorzystując dokładnie ta samą technologię niektóre systemy WLAN są zdolne do transmisji z prędkością do 108 Mbps. Systemy te używają prostej techniki podwajającej wydajność sieci 802.11a/g polegającej na wykorzystaniu dwóch kanałów jednocześnie. Technika ta w zależności od producenta spotykana jest pod nazwą channel bonding, turbo, super A/G lub po prostu 40MHz. Podczas korzystania z tej techniki wydajność widmowa jest taka sama jak w 802.11a/g ale pasmo kanału jest dwa razy większe (40 MHz zamiast 20 MHz). Dzięki temu również prędkość transmisji jest dwukrotnie większa.
Standard 802.11n może korzystać zarówno z kanałów o 20 jak i 40 MHz szerokości. Tak jak we wcześniejszych rozwiązaniach 40 MHz kanał w standardzie 802.11n jest tworzony jest poprzez połączenie dwóch przyległych do siebie 20 MHz kanałów. Podczas korzystania z kanału o szerokości 40 MHz standard 802.11n wykorzystuje fakt, że każdy 20 MHz kanał posiada po obu stronach zarezerwowaną niewielką ilość pasma, pomagającą redukować interferencję pomiędzy sąsiednimi kanałami. W trakcie pracy z 40 MHz kanałem górna część niższego kanału oraz dolna cześć wyższego kanału nie musi być rezerwowana w tym celu. Teraz mogą one być wykorzystane do przenoszenia informacji.

 

Bardziej efektywne wykorzystanie dwóch 20 MHz kanałów pozwala standardowi 802.11n na ponad dwukrotne zwiększenie prędkości transmisji podczas przejścia z 20 MHz na 40 MHz szerokość kanału.

Wyższe prędkości modulacji

Standardy 802.11a oraz 802.11g wykorzystują metodę modulacji nazwaną orthogonal frequency division multiplexing - OFDM. OFDM dzieli kanał radiowy na dużą liczbę mniejszych kanałów tzw. podnośnych. Podnośne, z których każda przenosi dane, są do siebie ortogonalne, czyli mówiąc prościej nie zakłócają się wzajemnie mimo faktu, iż na siebie nachodzą. Z grubsza odpowiada to posiadaniu grupie niezależnych torów radiowych połączonych razem.
Dla standardu 802.11a oraz 802.11g okres trwania pojedynczego symbolu wynosi 4 mikrosekundy, wliczając w to 800 nanosekundowy okres ochronny tzw. guard interwal. Podczas transmisji z najwyższą prędkością czyli 54 Mbps każdy symbol przenosi 216 bitów danych. Dane te są rozłożone na 48 podnośnych. Dodatkowo, do każdego symbolu wysyłanego z prędkością 54Mbps dołączane są 72 bity korekcji błędów, dając w sumie 288 bitów w symbolu (jest to koder o sprawności 3/4). Aby umieścić tak duża liczbę bitów w każdej z podnośnych, podnośne są modulowane z wykorzystaniem kwadraturowej modulacji amplitudy -  64 QAM (quadrature amplitude modulation). Oznacza to, że każda podnośna może przenosić 6 bitów (łącznie bity danych oraz bity korekcji błędów) na symbol.
Standard 802.11n kontynuuje rozwój modulacji. Nadal korzysta z OFDM i domyślnie 4 mikrosekundowego okresu trwania symbolu, podobnie jak standard  802.11a oraz 802.11g. Jednakże, 802.11n zwiększa liczbę podnośnych z 48 do 52 w każdym 20 MHz kanale. 802.11n oferuje wybór ośmiu prędkości transmisji danych, wliczając w to transmisję danych wykorzystującą  64 QAM z nowym koderem o sprawności 5/6. Wszystkie te zmiany te nieznacznie zwiększają prędkość transmisji danych do maksimum 65 Mbps dla pojedynczego nadajnika. Dzięki przestrzennej multiplikacji standard 802.11n zwiększa  liczbę dostępnych nadajników do czterech. Łącznie daje to do 32 prędkości transmisji danych w 20 MHz kanale. Dla dwóch nadajników maksymalna szybkość transmisji danych wynosi 130 Mbps. Trzy nadajniki dostarczają maksymalnej szybkości transmisji danych na poziomie 195 Mbps. Maksymalna liczba czterech nadajników jest w stanie zaoferować 260 Mbps. Wydajność widmowa wzrasta pięciokrotnie i osiąga 13 bitów na sekundę na Herc.
Wykorzystując 40 MHz kanał w standardzie  802.11n  ilość dostępnych podnośnych wzrasta do 108. Pozwala to na osiągnięcie maksymalnej prędkości transmisji danych na poziomie 135, 270, 405 lub 540 Mbps odpowiednio dla jednego do czterech nadajników. Analogicznie, możliwych jest osiem prędkości transmisji danych dla każdego z nadajników, łącznie daje to 32 prędkości dla 40 MHz kanału. Dzięki dodatkowym podnośnym wydajność widmowa osiąga 13.5 bit/s/Hz.
Zmniejszony narzut: Guard Interval

Guard Interval – składnik każdego symbolu OFDM - jest okresem czasu, który służy minimalizacji interferencji pomiędzy symbolami. Interferencje te w środowisku wielościeżkowym występują w momencie kiedy początek nowego symbolu dociera do odbiornika przed końcem poprzedniego symbolu. Oba symbole docierają do odbiornika różnymi drogami. “Spóźniony” symbol, który nie został jeszcze całkowicie odebrany przed dotarciem nowego symbolu podróżował dłuższa drogą niż nowy symbol.

W momencie pojawienia się takiej sytuacji, interferencja nią spowodowana redukuje poziom SNR. Guard Interval jest okresem ciszy trwającym pomiędzy symbolami, pozwalającym na odebranie spóźnionych symboli pokonujących dłuższa ścieżkę. Długość Guard Interval jest określana na podstawie panujących warunków radiowych. Standardy 802.11a oraz 802.11g używają 800 nanosekundowego GI, pozwala to na uniknięcie interferencji przy maksymalnie 240 metrowej różnicy pomiędzy długościami ścieżek sąsiednich symboli.

Domyślnie standard  802.11n również korzysta z 800 nanosekundowego GI. Jednak jeśli warunki radiowe są na tyle korzystne, że nie występują tak duże różnice długości ścieżek pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, 802.11n może zredukować GI do 400 nanosekund. Zmniejsza to czas trwania symbolu z 4 do 3.6 mikrosekundy. Zredukowany czas trwania symbolu przekłada się na zwiększanie prędkości transmisji danych. Dla 20 MHz kanału maksymalne szybkości transmisji danych przy zredukowanym GI wynoszą odpowiednio 72 dla pojedynczego, 144 dla podwójnego, 216 dla potrójnego oraz 288Mbps dla poczwórnego nadajnika. Przy wykorzystaniu 40 MHz szerokości kanału będzie to juz 150, 300, 450 oraz 600 Mbps.

Poniżej tabela modulacji i kodowania (Modulation and Coding Scheme - MCS) przedstawiająca osiągane prędkości transmisje danych dla określonej liczby strumieni przestrzennych, rodzaju modulacji, sprawności kodowania, długości Guard Interval oraz szerokości kanału.

Indeks MCS	Liczba strumieni	Modulacja i sprawność kodowania	Szybkosc danych warstwy fizycznej [Mbps] Kanał 20 MHz		Szybkosc danych warstwy fizycznej [Mbps] Kanał 40 MHz
			GI = 800 ns	GI = 400 ns	GI = 800 ns	GI = 400 ns
0	1	BPSK 1/2	6,5	7,2	13,5	15
1	1	QPSK 1/2	13	14,4	27	30
2	1	QPSK 3/4	19,5	21,7	40,5	45
3	1	16-QAM 1/2	26	28,9	54	60
4	1	16-QAM 3/4	39	43,3	81	90
5	1	64-QAM 2/3	52	57,8	108	120
6	1	64-QAM 3/4	58,5	65	121,5	135
7	1	64-QAM 5/6	65	72,2	135	150
8	2	BPSK 1/2	13	14,4	27	30
9	2	QPSK 1/2	26	28,9	54	60
10	2	QPSK 3/4	39	43,3	81	90
11	2	16-QAM 1/2	52	57,8	108	120
12	2	16-QAM 3/4	78	86,7	162	180
13	2	64-QAM 2/3	104	115,6	216	240
14	2	64-QAM 3/4	117	130	243	270
15	2	64-QAM 5/6	130	144,4	270	300
16	3	BPSK 1/2	19,5	21,7	40,5	45
17	3	QPSK 1/2	39	43,3	81	90
18	3	QPSK 3/4	58,5	65	121,5	135
19	3	16-QAM 1/2	78	86,7	162	180
20	3	16-QAM 3/4	117	130	243	270
21	3	64-QAM 2/3	156	173,3	324	360
22	3	64-QAM 3/4	175	195	364	405
23	3	64-QAM 5/6	195	216,7	405	450
24	4	BPSK 1/2	26	28,9	54	60
25	4	QPSK 1/2	52	57,8	108	120
26	4	QPSK 3/4	78	86,7	162	180
27	4	16-QAM 1/2	104	115,6	216	240
28	4	16-QAM 3/4	156	173,3	324	360
29	4	64-QAM 2/3	208	231,1	432	480
30	4	64-QAM 3/4	234	260	486	540
31	4	64-QAM 5/6	260	288,9	540	600