magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

13 abra RS WLANA küszöbön álló 802.11ax szabványban bevezetett új technikákkal gazdaságosabban hasznosítható a nem engedélyköteles 2,4 és 5 GHz-es sáv. Az új lehetőségeket különösen a nyilvános WLAN-hálózatok használhatják majd ki.

 

Háttér

Az elmúlt néhány évben ugrásszerűen megszaporodtak a WLAN-forgalmazásra képes eszközök. Gyarapodásuk üteme várhatóan gyorsul, mivel már nemcsak noteszgépek, okostelefonok és táblagépek csatlakoznak a WLAN-hálózatokhoz, hanem egyre több televízió, játékkonzol, kamera, intelligens otthoni eszköz és IoT-egység is. Mindezek eredményeképpen növekedni fog a hálózatok felhasználósűrűsége, ami észrevehetően lassabb adatátvitelhez vezet, egyrészt a gyakoribb csomagütközések, másrészt az egy felhasználóra jutó rövidebb „szabad” forgalmazási időközök miatt. A lakásokban használt WLAN-útvonalválasztók (hozzáférési pontok) hatása hasonló, mivel nagyon közel vannak egymáshoz és ezért zavarforrásként is viselkednek.

Ezeken a problémákon hivatott könnyíteni az IEEE jelenleg kidolgozás alatt álló, új WLAN-szabványa, a 802.11ax. A korábbi (802.11g/n/ac) normák esetében vagy a fizikai paraméterek – például a sávszélesség és a modulációs tényező – módosításával fokozták az adatsebességet, vagy új átviteli módszereket vezettek be. Ilyen például a MIMO (Multiple In – Multiple Out), amely mind az adó-, mind a vevőoldalon több rádióegység és antenna segítségével létesít kapcsolatot. A 802.11ax ezen a területen nem hoz lényegi változásokat. Az új szabvány elsődleges célja a hálózatok hatékonyságának javítása és a meglévő átviteli kapacitások jobb kihasználása.

 

1 abra RS WLAN

1. ábra A 802.11ax szabvány legfontosabb változásai

 

A 802.11ax norma

A szabvány jelenleg tervezési fázisban van, várhatóan 2018. végére készül el, de a WLAN-piac főszereplői már 2016-ban elkezdték fejleszteni a 802.11ax normára felkészített chipkészleteket. Bár a szabvány 2017 elején benyújtott, 1.0 változatú tervezetét nem szavazta meg az IEEE munkacsoport többsége, az első eszközök várhatólag már a végleges jóváhagyás előtt kaphatók lesznek.
A 802.11ax kidolgozásakor az intenzíven használt hálózatok teljesítőképességének javítása volt a fő cél, különösen az alábbi környezetekben:

  • repülőterek és vasútállomások,
  • helyi és helyközi tömegközlekedés,
  • stadionok és koncerttermek,
  • lakóházak.

A jelen cikkben bemutatjuk, hogy a 802.11ax milyen változásokat hoz a fizikai rétegben (1. ábra). A közeghozzáférési (MAC) réteg változásait a szabványtervezet[1] és a műszaki keretrendszer leírása[2] ismerteti.
Az átviteltechnikában a hangsúly egyre inkább a kültéri alkalmazásokra helyeződik. A szabadtéri csatornákra intenzívebb többutas jelterjedés és hosszabb reflexiós idők jellemzőek. Az ilyen környezetekben fellépő szimbólumközti áthallás elkerülésére a szabvány olyan opcionális adásmódot tervez bevezetni, amelynél a védelmi időköz és a szimbólumidő a korábbinál négyszer hosszabb, míg az alvivők távolsága a negyedére csökken, változatlan adatátviteli sebességnél a fadinghatással szembeni jobb ellenállóképességgel. Optimális körülmények között egy csatornán így akár 1200 Mbit/s adatsebesség is elérhető az újonnan bevezetett 1024QAM modulációnak és az arányaiban rövidebb védelmi időköznek köszönhetően. 8×8-as MIMO esetén elméletileg 9,6 Gbit/s biztosítható. Összehasonlításul: a 802.11ac optimális esetben is „csak” 6,9 Gbit/s sebességet nyújt.

 

2 abra RS WLAN

2a. ábra Az erőforrás-egységek lehetséges méretei és pozíciói 20 MHz-es sávszélesség esetén 
2b. ábra Példa különböző méretű erőforrás-egységekre többfelhasználós üzemmódban, a lejövő ágban. A szabvány szerint az alapsávi jelek nem tartalmaznak a sávközépi vivőnek megfelelő összetevőt a helyi oszcillátor szivárgásából fakadó zavarások elkerülése érdekében

 

OFDMA

A legjelentősebb változás a felmenő (uplink) és a lejövő (downlink) ágban bevezetett sokvivős moduláció (OFDMA), amelyben több felhasználó egyidejűleg képes adni és közösen használja a csatorna rendelkezésre álló sávszélességét. A korábbi szabványok ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelést (OFDM) alkalmaznak, melyben egyszerre csak egy felhasználó adhat a teljes sávszélességben.
Az OFDMA esetén mindegyik felhasználó megkapja a rendelkezésre álló spektrum egy részét olymódon, hogy a rendszer kioszt számára egy folytonos alvivő-csoportot (legalább 26-ot, legfeljebb 996-ot). Ez az alvivő-csoport az úgynevezett erőforrás-egység (Resource Unit – RU). Egy RU spektrális szélessége és modulációs üzemmódja előfizetőnként eltérő lehet, ezáltal egy hozzáférési pont ki tudja elégíteni mindegyik felhasználó egyedi adatsebesség-igényét. A frekvenciatartománybeli dinamikus jelleggel szemben az időtengely mentén egységes a struktúra: a zavarások, áthallások elkerülése érdekében az adatcsomagok hossza mindegyik RU-ban egyforma és a rendszer ezeket egyidejűleg sugározza ki. Ha egy felhasználónak a csomaghossz által megengedettnél kevesebb elküldendő adata van, kitöltő biteket kell beiktatnia a teljes csomagba.
A 2. ábra egy 20 MHz-es csatorna lehetséges RU-elrendezéseit szemlélteti. A legkisebb, 26 alvivőt tartalmazó erőforrás-egység esetén legfeljebb kilenc felhasználó adhat egyidejűleg (lásd a 2. ábra felső sorát). A maximális sávszélesség 160 MHz, ami legfeljebb 74 egyidejű felhasználót enged meg.
Az OFDMA speciális esete az egyetlen aktív felhasználó: ilyenkor egyetlen erőforrás-egység kapja meg a teljes sávszélességet (a 2. ábrán RU242).

 

3 abra RS WLAN

3. ábra A 802.11ax négy különböző csomagformátumot különböztet meg

 

A 802.11ax protokoll üzemmódjai

A korábbi WLAN-szabványok általában csak egy csomagtípust definiálnak, és nem különböztetik meg a felmenő-, illetve a lejövő ágat. A 802.11ax négy új csomagtípust vezet be, amelyek egy része a felmenő, másik része a lejövő ágban használható (3. ábra).
A „felmenő” irány továbbra is a mobileszköztől (állomástól, STA) a WLAN-útvonalválasztó (router, hozzáférési pont, access point, AP) felé irányuló forgalmat jelenti, míg a „lejövő” irány a hozzáférési ponttól az állomás felé haladó forgalmat jelöli. Mindegyik csomagtípus – HE-PPDU és PLCP – más-más felépítésű előtaggal közli a jelzésátviteli információkat, amelyeket a hasznos adatok követnek.

 

Egyfelhasználós üzemmód (HE_SU)

Ebben az üzemmódban egyetlen felhasználóval lehet kommunikálni. A felmenő és a lejövő ági jelzésátvitel csomagformátuma azonos. A felhasználó egy maximális méretű erőforrás-egység formájában megkapja a teljes spektrumot. Ebben az üzemmódban elkerülhető a többfelhasználós esetben elkerülhetetlen járulékos jelzésátvitel.

 

Többfelhasználós lejövő ág (HE_MU)

A lejövő ág OFDMA üzemmódban a HE_MU csomagtípust használja. A hozzáférési pont minden felhasználónak egyszerre küldi el a csomagokat. Ez a 802.11ax normál működési módja. Az előtag HE_SIG_B mezője azt közli, hogy hogyan van felosztva a spektrum erőforrás-egységekre és hogy azok hogyan vannak felhasználókhoz rendelve.

 

4 abra RS WLAN

4. ábra Többfelhasználós átvitel a felmenő ágon, három felhasználóval és 20 MHz-es csatorna-sávszélességnél

 

Többfelhasználós felmenő ág (HE_TRIG)

Az OFDMA felmenő ágon az állomások egyszerre küldik el adatcsomagjaikat a hozzáférési pontnak, amikor az felszólítja őket erre. A folyamat ütközésmentességének érdekében előre meg kell adni, hogy melyik erőforrás-egység melyik felhasználóhoz van hozzárendelve, mennyi adatot küldenek át és melyik felhasználónak mekkora teljesítménnyel kell sugároznia. Ez azért fontos, mert az állomások által küldött adatoknak egyszerre és azonos szinten kell megérkezniük a hozzáférési pontba a zavarások elkerülése érdekében. Ennek biztosítására a hozzáférési pont először mindegyik felhasználónak küld egy szinkronizációs keretet (4. ábra), amely a konfigurációs paramétereket – a hasznos adatblokk hosszát, a sávszélességet, az erőforrásegység-hozzárendelést és a modulációs üzemmódot – tartalmazza. A felhasználóknak ezt követően egy előre definiált, úgynevezett SIFS (rövid keretközti) idő múlva kell megkezdeniük a PPDU-csomagok küldését a felmenő ágon.

 

5 abra RS WLAN

5. ábra Példa a BSS-azonosító nyújtotta előnyökre. Az STA2 állomás érzékeli mindkét hálózat jeleit, de a BSS-azonosítónak köszönhetően figyelmen kívül hagyhatja a zavaró hálózatot

 

Megnövelt hatótávolságú PPDU (HE_EXT_SU)

Ezt a csomagtípust kifejezetten nagy távolságú, kültéri átvitelhez hozták létre, ahol jellemzően rossz a jel/zaj viszony. A sávszélesség 20 MHz-re korlátozott, és a moduláció csak a hibatűrő BPSK és QPSK lehet. Az előtag egyes részeit 3 dB-lel nagyobb teljesítményszinten sugározza ki az adó a hatékony csatornabecslés érdekében.
Egy hozzáférési pont és a hozzá tartozó állomások alkotta hálózat az úgynevezett alapkiépítettségű rendszer (Basic Service Set, BSS). Minden állomás egy és csakis egy BSS-hez van hozzárendelve. Több BSS hálózat is működhet egymás közvetlen közelében. Az 5. ábra soklakásos épületeknél jellemző helyzetet szemléltet. Egy állomás (STA2) nemcsak a saját hozzáférési pontjának (AP1) a jelét veszi, hanem a szomszédos AP2 jelét is. A két hozzáférési pont nem ismeri fel egymást, ezért egymástól függetlenül és gyakran egyszerre adnak, ami csomagütközést és zavarást eredményez például az STA2 hozzáférési pontban. Az ennek eredményeként hibásan vett csomagokat a helyi hozzáférési pontnak meg kell ismételnie, ami többletterhelést jelent a hálózat számára; másrészt, maguk az állomások csak akkor adhatnak, ha az átviteli út szabad, azaz ha egyetlen más eszköz (hozzáférési pont vagy állomás) sem ad. Az STA2 állomásnak azonban erre ritkábban van lehetősége az AP2 hozzáférési ponttól érkező jelek miatt. Mindkét helyzet jelentősen csökkentheti az érintett állomás átbocsátó képességét. A frekvenciák jobb kihasználása érdekében a 802.11ax szabvány bevezeti a BSS-azonosító fogalmát. A 802.11ax előtagja mindegyik hozzáférési ponthoz egy-egy BSS-azonosítót rendel, így az STA2 állomás meg tudja különböztetni a saját BSS (intra-BSS) és egy szomszédos BSS (inter-BSS) csomagjait. Ennek eredményeként az STA2 állomás figyelmen kívül hagyhatja az egy bizonyos vételi szint alatti, szomszédos körzetből érkező csomagokat, és akkor is adhat, ha közben az AP2 hozzáférési pont is sugároz.

 

6 abra RS WLAN

6. ábra A 802.11ax protokollnál a többfelhasználós MIMO egyidejűleg akár nyolc állomást is támogat

 

Többfelhasználós MIMO

A 802.11n norma keretében bevezették az egyfelhasználós MIMO-technológiát. A cél az adatsebesség növelése volt olymódon, hogy a hozzáférési pont több antennán keresztül egyidejűleg több adatfolyamot küld egy adott előfizetőnek. Több előfizető esetén mindez szekvenciálisan történik. A 802.11ac szabvánnyal bevezetett többfelhasználós MIMO-eljárás (MU-MIMO, 6. ábra) tovább fokozza egy hálózat teljesítőképességét: további antennákon keresztül egyszerre több felhasználót lát el jellel, ami növeli a hálózat effektív adatsebességét.

 

7 abra RS WLAN

7. ábra A lejövő ágban nyalábformálással érik el az állomások célzott lefedését. A felmenő ágban az adatfolyamok nyalábformálás nélkül szétválaszthatók


A lejövő ágban a MU-MIMO nyalábformálást alkalmaz (7. ábra): egy antennasoron minden felhasználóra egyedi nyalábot állít be, így mindegyik állomás csak a neki szánt jeleket kapja meg.
A 802.11ax tartalmazza ezt a funkciót, így a párhuzamos adatfolyamok megengedett számát négyről nyolcra növeli. Ezenfelül első ízben a felmenő ágra is bevezeti a MU-MIMO technológiát, aminek köszönhetően több állomás egyszerre adhat (7. ábra). Az állomások azonban nem alkalmaznak nyalábformálást, így a jelek összekeverednek a hozzáférési pont felé vezető jelúton. A hozzáférési pont antennasora azonban szét tudja választani és a megfelelő egyedi felhasználókhoz tudja rendelni az átfedő jeleket.

 

Adási és vételi előírások

A 802.11ax tovább bővíti az állomások digitális és rádiófrekvenciás részegységeire vonatkozó követelményeket. A kisebb alvivő-távolság miatt a moduláció érzékenyebb a fáziszajra, ezért a helyi oszcillátor (LO) fáziszajának a 802.11ac szabványban előírtnál jobbnak kell lennie. Mivel 1024QAM esetén a konstellációs pontok közötti távolság kisebb, mint a kevesebb állapotszámú elrendezéseknél, a hibamentes átvitel biztosításához a rendszer zajszintjét is csökkenteni kell. Ez jobb jel/zaj viszonyú D/A- és A/D-átalakítókat követel meg. Az erősítőknek is minimális torzítással kell üzemelniük.
A szabvány számos követelményt fogalmaz meg az adási (TX) és a vételi (RX) üzemmód fizikai paramétereire, és megfelelő mérőberendezésekkel ezek mindegyikét ellenőrizni kell. Mivel a legtöbb érték nem változott a 802.11ac szabványban előírtakhoz képest, az alábbiakban csak a megváltozott új követelményeket tárgyaljuk.

 

Hibavektor-abszolútérték (EVM)

Az 1024QAM modulációra a sűrűbb állapotelrendezés miatt szigorúbb EVM-határértékek vonatkoznak. Míg a 802.11ac szabvány 256QAM moduláció esetén a vizsgált eszközre ‑32 dB-nél kisebb értéket írt elő, a 802.11ax szabványban 1024QAM moduláció esetén az előírás ‑35 dB. Ennek megfelelően szigorodtak a mérőműszerekkel szemben támasztott követelmények is. A mérési hibák minimalizálása érdekében a jelanalizátor saját EVM-szintjének jóval a vizsgált jelre előírt határértékek alatt kell lennie. Gyakran 10 dB tartalék a követelmény, ami mintegy 0,5 dB-es mérési hibát jelent. A kiváló jel/zaj viszonyú, R&S®FSW típusú spektrum- és jelanalizátor saját EVM-szintje kisebb, mint ‑53 dB, ami mindössze 0,07 dB mérési hibát jelent (8. ábra). Ebben a példában a mérőjelet a hasonlóan jó EVM-értékkel rendelkező, R&S®SMW200A típusú vektor-jelgenerátor állította elő.

 

8 abra RS WLAN

8. ábra 160 MHz sávszélességű, 802.11ax jel modulációjának elemzése az R&S®FSW-K91ax jelű opcióval. 1024QAM állapotelrendezés mellett, 5 GHz-en történő sugárzás esetén az R&S®FSW típusú analizátor hibavektor-abszolútértéke (EVM) kisebb, mint -53 dB

 

9 abra RS WLAN

9. ábra 80 MHz sávszélességű felmenő ági jel (HE_TRIG) spektruma egy 242 vivőnyi méretű (18,9 MHz sávszélességű) aktív hozzáférési egységgel

 

 

10 abra RS WLAN

10. ábra Spektrális melléksugárzási határérték, 26 vivős hozzáférési egységek esetén. Más méretű hozzáférési egységekre más határértékek és lépésközök vonatkoznak

 

A felmenő ágra (állomásokra) vonatkozó követelmények

  • Spektrális melléksugárzási hiba (Unused tone error)
    A felmenő ágban minden állomás csak abban a hozzáférési egységben ad, amelyet a hozzáférési pont osztott ki a számára (9. ábra). A szomszédos spektrális tartományokba – melyeket természetesen más állomások használnak – történő parazita sugárzást ezért minimalizálni kell. A 802.11ax szabvány e célból bevezette a spektrális melléksugárzási hiba fogalmát, ami az adott állomás által nem használt, (26 vivő szélességű) erőforrás-egységekbe eső teljesítményszintek mérését jelenti, a „hasznos” erőforrás-egység teljesítményére vonatkoztatva. Ez a szomszédos csatornás szivárgási arányhoz (Adjacent Channel Leakage Ratio – ACLR) hasonló mennyiség. A teljesítmények határértékeit az aktív hozzáférési egységre vonatkozó EVM-határértékekhez képest határozták meg (10. ábra). Például az adott hozzáférési egységhez közeli alvivők esetében a mért szintnek 2 dB-lel kell az EVM-határérték alatt lennie, míg távolabb ez az érték 10 dB-es lépésekben csökken, egészen ‑35 dB-ig.
  • Frekvenciahiba és időzítési hiba
    Az adásokat gyakorlatilag egyszerre kell elkezdeni, hogy az állomások ne zavarják egymást, amikor egyidejűleg adnak. Ellenkező esetben a keretek közötti időeltolódás szimbólumközti áthallást okoz. Ezenfelül minden állomásnak rendkívül pontosan hozzá kell igazítania saját adási frekvenciáját a hozzáférési pontéhoz. Egy állomás frekvenciahibája zavarást okoz a szomszédos állomások alvivőin. Az állomások a hozzáférési ponttól korábban megkapott szinkronizációs keretet használják frekvenciájuk szinkronizálására.

A 802.11ax szabvány két új mérést határoz meg a felmenő ágra vonatkozóan. A vizsgált eszköz először kap egy szinkronizációs keretet, amelyre egy HE_TRIG kerettel válaszol (a felmenő és a lejövő ág kereteinek eltérő nevük van). Meg kell mérni a válaszjel relatív frekvenciahibáját (±350 Hz), valamint a szinkronizációs keret vége és a válaszkeret kezdete közötti késleltetési időt (időzítési pontosság, ±0.4 µs). A mérési elrendezést a 11. ábra szemlélteti. Az R&S®SGT100A típusú vektor-jelgenerátor hozzáférési pontként előállítja a szinkronizációs keretet, és egyidejűleg – az R&S®FSW típusú analizátornak indítójelet küldve – elindítja a mérést. Az igen kismértékű megengedett frekvenciahiba méréséhez a rádiófrekvenciás jelnek rendkívül pontosnak kell lennie, ezért mind az R&S®SGT100A, mind az R&S®FSW külső, 10 MHz-es referenciajelről üzemel.

 

11 abra RS WLAN

11. ábra Összeállítás felmenő ági jelek mérésére

 

 

12 abra RS WLAN

12. ábra Az R&S®SMW-K142 jelű opció menüje lejövő ági jelek (HE_MU) konfigurálására

 

13 abra RS WLAN

13. ábra Nyolc adási vagy vételi jel létrehozására szolgáló, kompakt MIMO-rendszer, egy (opcionálisan valósidejű fading-szimulátorral kiegészített) R&S®SMW200A típusú vektor-jelgenerátorból és hat darab, R&S®SGT100A típusú bővítőegységből kialakítva

 

A vevőn végzett vizsgálatok

A vevőn különféle érzékenységi vizsgálatokat kell végezni. Például, kis bemeneti teljesítmény (1024QAM esetében 43 dBm) mellett a vett csomagoknak csak 10%-ában lehet bithiba.
A 802.11ax szabvány a 802.11ac norma szerinti vizsgálati eseteket továbbiakkal bővíti ki, az új, 1024QAM modulációból fakadó járulékos követelmények miatt. Ezekhez a vizsgálatokhoz kiváló pontosságú referenciajel szükséges, hogy a jelforrás ne befolyásolja a mérési eredményeket. Ilyen mértékű pontossággal az R&S®SMW-K142 jelű WLAN-opcióval kiegészített, R&S®SMW200A típusú vektor-jelgenerátor rendelkezik. A mérési elrendezést a 12. ábra szemlélteti egy 5 GHz-es összeállítás példáján keresztül. Az R&S®SMW-K142 opcióval előállíthatók mind a felmenő, mind a lejövő ág jelei. Több R&S®SGT100A típusú berendezés és valósidejű fading-opcióval kiegészített, R&S®SMW200A típusú generátor segítségével létrehozhatók akár nyolcantennás MIMO jelek is (13. ábra).

 

Hivatkozások

[1] IEEE 802, IEEE P802.11ax/D1.0, 2016
[2] Specification Framework for TGax, May 2016 [Online].
Link: https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/15/11-15-0132-17-00ax-spec-framework.docx

L. Ward, “IEEE 802.11ax Technology Introduction,” October 2016. [Online].
Link: https://www.rohde-schwarz.com/de/applikationen/application-note_56280-345664.html

 

Szerző: Dr. Michael Simon – Rohde & Schwarz

 

Rohde & Schwarz Budapesti Iroda
1138 Budapest, Madarász Viktor u. 47-49.
Tel.: +36 1 412 4460
E-mail: RS-Hungary@rohde-schwarz.com
www.rohde-schwarz.hu

 

Még több Rohde & Schwarz