Беспроводные стандарты будущего: 802.11ac и LTE-Advanced


PDF версия

В статье рассмотрены основные особенности стандартов 802.11ac и LTE-Advanced, за счет которых удалось добиться более высокой скорости передачи.

Основное направление развития беспроводных стандартов — увеличение скорости передачи, которое достигается главным образом за счет изменений на физическом уровне протокола. В настоящее время самыми «горячими» беспроводными протоколами являются 802.11ас для беспроводных сетей и 3GPP LTE-Advanced для сетей сотовой связи. Первый обеспечивает скорость передачи до 1,3 Гбит/с, второй — до 1 Гбит/с.
Стандарт 802.11ас пока не получил окончательного утверждения. Ожидается, что это произойдет в конце года. От предыдущих версий Wi-Fi его отличают большее количество каналов передачи (8×8), широкая полоса пропускания (160 МГц) и высокий порядок модуляции (256 QAM).
Стандарт LTE-Advanced разработан на основе 3GPP релиз 10 (сейчас распространен релиз 8). Полоса пропускания LTE-Advanced составляет 100 МГц, количество каналов связи — по 8 входных и выходных. Как и в предыдущих версиях, в LTE-Advanced используются принципы самоорганизации сети, позволяющие автоматически подстраивать ее параметры в соответствии с условиями в канале. Сети LTE характеризуются также гибкой архитектурой, за счет чего обеспечивается высокая емкость.
Ключевой особенностью LTE-Advanced является работа в нескольких частотных диапазонах. Этот принцип получил название агрегации частот и позволяет операторам создавать «виртуальные» несущие с более высокой пропускной способностью за счет объединения нескольких отдельных участков спектра.

Больше каналов — выше скорость

Согласно теореме Шеннона, у любого физического канала связи есть предел пропускной способности, определяющийся полосой пропускания и отношением сигнал-шум. Использование систем с n антеннами позволяет увеличить пропускную способность канала в n раз. В современных стандартах 802.11n и LTE применяется схема 4×4 MIMO (по 4 входных и выходных канала). В протоколах будущего поколения количество каналов будет удвоено: по 8 каналов в каждом направлении для LTE-Advanced и 802.11ас.
Тестирование многоканальных устройств связи всегда было непростой задачей. Современные инструменты позволяют выполнить эту процедуру без труда. Например, для получения 8-канального анализатора сигнала из 4-канального в типичной PXI-системе требуется только добавить недостающее количество понижающих преобразователей и цифровых кодеров, без изменения основного вычислительного блока.

Увеличение полосы частот

Самый очевидный способ увеличить пропускную способность сети — ускорить передачу символа за счет модуляции сигнала и введения дополнительных несущих частот.
В обоих рассматриваемых стандартах применяется ортогональное мультиплексирование OFDM. В версии 802.11g использовался один канал OFDM 20 МГц. В 802.11n появилась дополнительная несущая (2 канала 20 МГц). В 802.11ас предусмотрено еще больше вариантов ширины канала: 20, 40, 80 и 160 МГц. Пропускная способность увеличивается за счет увеличения количества поднесущих. Предусмотрен еще один режим, 80 + 80 МГц, когда точка доступа одновременно использует два разных канала 80 МГц по 256 несущих каждый.
В LTE-Advanced используется агрегация 5 смежных диапазонов 20 МГц. Общая ширина канала достигает 100 МГц. Однако с учетом высокой стоимости частотного спектра большинство устройств будет использовать не весь диапазон.
С точки зрения тестирования сетевого оборудования стандарты 802.11ас и LTE-Advanced представляют определенные трудности. Во-первых, большинство анализаторов сигнала работают на полосе 100 МГц и ниже, в то время как в 802.11ас ширина канала достигает 160 МГц. Кроме того, для тестирования устройств, работающих в нескольких диапазонах частот, требуется установка с несколькими генераторами и анализаторами сигнала. В этом случае очень удобно использовать модульную платформу PXI, позволяющую конфигурировать необходимые инструменты программно в рамках одной системы.

Модуляция

Еще один способ увеличить пропускную способность сети — использовать модуляцию более высокого порядка. Чем больше количество битов в одном передаваемом символе, тем выше порядок модуляции. Квадратурная амплитудная модуляция QAM является самой распространенной в беспроводных сетях.
Стандарт 802.11ас по сути впервые разрешает использовать модуляцию 256 QAM в гражданском беспроводном оборудовании (8 битов в одном символе). Одно это обстоятельство позволяет повысить пропускную способность на 33% по сравнению с 64 QAM (802.11n). Однако следует отметить, что модуляция такого высокого порядка может применяться только в незашумленных средах с достаточно высоким отношением сигнал-шум. Если шум в канале очень сильный, то следует использовать модуляцию более низкого порядка, например, QPSK.
С точки зрения тестирования сетевого оборудования переход на более высокий порядок модуляции не сопрягается с какими-либо трудностями и выполняется программно путем добавления новой формы сигнала.

Архитектура сети LTE-Advanced

В основе LTE-Advanced лежит релиз 10 LTE, в котором были применены принципы самоорганизующихся сетей, принцип агрегации несущих и введен режим реле. Самоорганизующаяся связь стала частью концепции гетерогенных сетей HetNet — еще одной важной особенностью LTE, позволяющей сократить расстояние между пользователями и обслуживающими их станциями и, как следствие, увеличить покрытие и емкость сети.
В областях, где требуется высокая емкость сети, располагается множест­во маленьких ячеек. Макро­ячейки используются в сельской местности и других регионах, где не требуется высокая емкость. Структура сети мо­жет меняться. Макроячейки могут раз­биваться на пико- и фемто­ячейки при увеличении нагрузки на сеть. Ос­нов­ные характеристики ячеек сети приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Характеристики сетевого оборудования HetNet

 

Макро­ячейки

Пико­ячейки

Фемтоячейки

Метро­ячейки

Фемто­ячейка пред­приятия

Домаш­няя фемто­ячейка

Количество пользователей

>256

64–128

32–64

16–32

4–16

Типичное покрытие

Несколько миль

<300 м

<300 м

<100 м

<30 м

Зона применения

Вне здания

Любая

Вне здания

В помещении

В помещении

Примеры использования

Сельская местность, спальные районы

Аэропорты, стадионы, воздушные суда

«горячие» точки и районы с плотной застройкой

Офисы, малые предприятия

Квартиры, дома

Тип доступа

Открытый

Открытый

Открытый

CSG или открытый

CSG или открытый

Гибкая структура HetNet приводит к возникновению проблем, связанных с управлением интерференцией и мобильностью, обеспечением безопасности и синхронизации станций. Все эти вопросы решаются с помощью самоорганизующихся сетей, в которых производится сбор данных от соседних ячеек и оптимизация конфигурации по результатам обработки полученной информации. Оценка работы может производиться по протоколам измерения, которые генерирует пользовательское оборудование, либо по результатам мониторинга нисходящих сигналов от соседних ячеек. Кроме того, ячейки могут обмениваться данными напрямую, однако пока эта опция неприменима к фемтоячейкам, поскольку не определен протокол обмена между ними.
Оптимизация конфигурации может производиться либо самой ячейкой, либо центральным сервером. Чаще всего используется гибридный подход.

Заключение

Мы рассмотрели основные особенности беспроводных стандартов 802.11ас и LTE-Advanced. Для увеличения пропускной способности в них применяются пространственное разделение каналов, более широкая полоса частот и высокий порядок модуляции. Увеличение емкости сети производится за счет архитектурных изменений. В LTE-Advanced применяются гибридные сети с ячейками разных размеров. Оптимальные параметры сети обеспечиваются за счет принципов ее самоорганизиции.
Тем не менее рано списывать со счетов стандарты 2G и 3G, которые продолжают активно развиваться. Например, принцип агрегации частот стал применяться в 2,5G EDGE. В стандарт HSPA+ не так давно была добавлена модуляция 64 QAM. Ожидается, что в следующей версии HSPA+ Advanced будет использоваться агрегация 2 и 4 несущих.
Высокая скорость передачи — большое преимущество сети. Некоторые проблемы, возникающие у проектировщиков оборудования, решаются при использовании современных модульных программно-определяемых платформ, типа PXI.

Литература
1. D. Hall. Introducing Wireless Standards of the Future: IEEE 802.11ac.
and LTE-Advanced//http://mwrf.com.
2. Guillaume de la Roche. A new wave in wireless: Small cells for a heterogeneous network//http://www.eetimes.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *