802.11ac Wireless LAN חידושים והשפעה על התכנון והבדיקות

מאת: מירין ללו, Agilent Technologies

הסטנדרטים הפופולרייים הראשונים עבור רשת LAN אלחוטית (IEEE 802.11a and b), וגרסה מאוחרת יותר – 802.11g, נועדו בעיקר כדי לחבר מחשב נייד בבית ובמשרד, ולאחר מכן לאפשר קישוריות ניידת בשדות תעופה, בתי מלון, אינטרנט בבתי קפה, ומרכזי קניות. הפונקציה העיקרית שלהם היתה לספק קישור לחיבור קווי רחב פס עבור גלישה באינטרנט ודואר אלקטרוני. מכיוון שמהירות התעבורה בחיבור רחב פס היה הגורם המגביל, חיבור אלחוטי למהירות נמוכה יחסית הספיק. 802.11b סיפק עד 11 Mb/s ב- 2.4GHz וקצבי העברת הנתונים גדל ל- 54Mb/s עם 802.11a ב- 5GHz ו- 802.11g ב- 2.4GHz, כולם עבדו בתחומי ספקטרום ללא רישיון, אולם שימוש במודלים חדשים יחד עם הצורך בתפוקה גבוהה יותר הוכרו: לדוגמא, שיתוף הנתונים בין ההתקנים המחוברים בבית או במשרד קטן והדפסה למדפסות אלחוטיות. פרויקט מחקר שהוקם הפיק את תקן 802.11n בשנת 2009, וזה שיפר את קצב העברת המידע המרבי על ערוץ יחיד נתונים מעל 100Mb/s, והציג MIMO (Multiple Input, Multiple Output or spatial streaming), שבו עד 4 אנטנות, נפרדות פיזית, של שידור/קליטה שנשאו נתונים שהצטברו בתהליך האפנון והגילוי.

כיום ישנם מודלים נוספים לשימוש, המסוכמים בטבלה מס’ 1, שדורשים תפוקת נתונים גבוהה עוד יותר כדי לתמוך “במשרד אלחוטי”.

כדי לספק דרישות אלו קמה קבוצת עבודה IEEE חדשה (TGac) שנועדה להגדיר את תקן 802.11ac להעברת נתונים בקצב גבוה מאד (VHT) כשלוחה של 802.11n, לספק מינימום רוחב פס של 500Mb/s  בערוץ בודד ו- 1Gb/s כתפוקה הכללית, על פני תחום תדר של 5GHz. בהתחשב במספר העצום של התקני הצרכנים הקיימים – מחשבים ניידים, מחשבי לוח וטלפונים חכמים תאימות לאחור עם הסטנדרטים הקיימים  בשימוש אותם תדרים הנם בגדר חובה. המטרה היא שכל סדרת ה- 802.11 יהיו תואמים לאחור, ועל 802.11ac להיות תואמת לבקרת הגישה Medium Access Control   או שכבת ה- Data Link , ונבדלים רק במאפייני השכבה הפיזית (ראה איור 1). תקן 802.11ac אמור להסתיים עד סוף שנת 2013, אולם מכשירים התואמים את התקן עשויים להופיע בגרסאות טיוטא עוד לפני כן.

הבדלים טכניים לעומת 802.11n

השכבה הפיזית 802.11ac היא הרחבה של תקן 802.11n הקיים, ושומרת על תאימות לאחור. טבלה 2 מראה את תכונות השכבה הפיזית של 802.11n, וטבלה 3 מראה כיצד שודרג 802.11ac. קצב העברת נתונים תיאורטי מקסימלי עבור 802.11n הוא 600Mb/s תוך שימוש ברוחב פס 40MHz עם 4 אפיקים מרחביים, למרות שהתקני הצרכנים מוגבלים ל- 2 אפיקים. קצב העברת נתונים תיאורטי מקסימלי של 802.11ac הוא 6.93Gb/s, תוך שימוש ברוחב פס , 8 אפיקים מרחביים, אפנון MCS9 עם 256QAM ומרווח זמן ביטחון קצר. קצב נתונים מעשי יותר עבור התקני הצרכנים הוא בשיעור המרבי 1.56Gb/s שידרוש ערוץ 80MHz בעל 4 אפיקים זרמים מרחביים, MCS9, ומרווח זמן ביטחון נורמלי.

רוחב הסרט המנדטורי המורחב החדש לערוץ מוצג באיור 2. בעוד ש- 160MHz ומצבי 80+80MHz שניהם נכללו כתכונות אופציונליות ברמת התקן 802.11ac, סביר להניח כי המכשירים הראשונים יהיו לכל היותר בעלי רוחב פס של 80MHz, ולא יותר מ- 4 אפיקים מרחביים המפורטים בתקן 802.11n.

עבור ערוצי 20 ו- 40MHz, מספר ה- subcarriers ופילוט והעמדות שלהם זהה ל- 802.11n. ערכים חדשים הוגדרו ב- 802.11ac עבור ערוצי 80MHz  וערוצי 160 / 80+80MHz מוגדר באותו אופן כמו שני ערוצים 80MHz.

בתוך מבנה המסגרת, ה- preamble  ושדות “האימון” מאפשרים למקלט לזהות אוטומטית את תקן השכבה הפיזית בשימוש. מסגרות ה- preamble של 802.11n ו- 802.11ac מוצגים באיור 3. ארבעת השדות הראשונים נועדו להתקבל על ידי תחנות non-HT  ו- non-VHT  עבור תאימות לאחור. שדות “האימון” הראשוני הקצרים והארוכים (L-STF ו-L-LTF) ושדה אות (L-SIG) דומים לאותם שדות 802.11a/b/g, בעוד ההבדל בשדה הרביעי (סמלים 6 ו- 7) מזהה את המסגרת כ- 802.11n או 802.11ac.

בחינה של VHT preamble הנה יותר מפורטת עבור ערוצים רחבים יותר מאשר 20MHz, השדות הקודמים משוכפלים על כל תת רוחב פס של – 20MHz עם סיבוב הפאזה המתאים. Subcarriers מסובבים ב- 90 או 180 מעלות בתת רוחבי פס מסויימים על מנת לצמצם את

(peak-to-average power ratio (PAPR. כדי לראות שידור VHT ולאפשר זיהוי אוטומטי, הסמל הראשון של VHT-SIG-A הוא BPSK, ואילו השני הוא סמל BPSK עם סיבוב  של 90 מעלות (QBPSK). זה שונה מן ה- HT-SIG עבור 802.11n שבו שני סמלים משתמשים באפנון QBPSK.שדה ה- VHT-SIG מכיל את המידע הדרוש כדי לפרש packets VHT, רוחב פס, מספר אפיקים, מרווח ה- GUARD, קידוד, MCS ו- beamforming.

השדות הנותרים ב- preamble נועדו רק עבור מכשירי VHT. ה- VHT-STF משמש לשיפור הערכת מרווח זמן אוטומטי בשידור Multiple Input Multiple Output . אחריהן ישנן סדרות “אימון” ארוכות המספקות אמצעי למקלט כדי להעריך את ערוץ ה- MIMO בין אנטנות השידור והקליטה. יתכן ויש 1, 2, 4, 6 או 8 שדות VHT-LTFs בהתאם למספר הכולל של מרחב זמן האפיקים. מטריצת המיפוי עבור 1, 2 או 4 VHT-LTFs זהה ב- 802.11n, בחדשים מוסף 6 או 8 VHT-LTFs. השדה VHT-SIG-B מתאר את אורך הנתונים, האפנון ואת סכימת הקידוד (MCS) עבור מצב בודד או מצב מרובה משתמשים.

ביקור מחדש ל- MIMO

בדור הקודם של WLAN , היה רק אפיק אחד של נתונים בין נקודת הגישה והמכשיר. שידור MIMO הוצג לראשונה ב- 802.11n, וכלל את הדרישות החדשות בהן נקודת הגישה והמכשיר מתקשרים באמצעות שניים או יותר שרשרות שידור/קליטה על מנת לנצל את היתרונות של צימוד צולב ביניהם. המטרה העיקרית היתה להגדיל את קצב העברת הנתונים שמשתמש בודד יכול לצפות מהחיבור האלחוטי שלו.

במפרט, המונחים “קלט” ו- “פלט” מתייחסים לתווך בין משדרים ומקלטים, כולל רכיבי ה- RF של שניהם – המכונה “ערוץ”. לכן נקודת גישה עם שני משדרים מספקת שתי כניסות לערוץ – חלק ה- “MI”, וכן מכשיר עם שתי שרשראות קליטה לוקח שתי יציאות מערוץ – חלק ה- “MO”. עבור MIMO אמיתי, המידע המשודר על ידי כל שרשרת חייב להיות עצמאי ולא רק העתק של אותו מידע.

MIMO אמיתי, מוצג כאן עם שני משדרים ושני מקלטים בעלי תוכן נתונים עצמאי, ידוע גם בשם ריבוב מרחבי (spatial multiplexing). כל מקלט רואה שילוב של היציאות מן המשדרים. באמצעות טכניקות הערכת הערוץ, (channel estimation) המקלטים משתמשים במתמטיקה של מטריצות כדי להפריד בין שני אפיקי נתונים ולשחזר (demodulate) את הנתונים. בתנאים אידיאליים, עם תיאום מקסימלי בין האפיקים, קיבולת הנתונים הוכפלה, אם כי זה בא על חשבון הדרישה לשיפור ביחס אות לרעש.

מכשירי צריכה טיפוסיים של 802.11n מספקים תמיכה לשניים או שלושה אפיקים מרחביים ולא לארבעת האפיקים המרביים הנדרשים בתקן. 802.11ac מרחיב זאת למקסימום של שמונה אפיקים, כאשר היישומים הראשונים תמכו עד ארבעה אפיקים. החידוש ב- 802.11ac הוא הקונספט של ריבוי משתמשי  MIMO

 בניגוד ל- MIMO  רגיל (כלומר, עבור משתמש אחד), אשר משפר את הנתונים.

תפוקה להתקן יחיד, MU-MIMO מיועד למיחזור משאבים כדי לשפר את היעילות, אם כי קצב נתונים אל המכשיר האינדיוידואלי נשאר ללא שינוי.

דרישות בדיקה

הנפח הגדול של מכשירי ה- WLAN דורש הקפדה על עלויות הייצור, ושימוש בטכניקות תכנון חדשניות כדי למקסם את ההישנות ולצמצם עלויות הבדיקה. זה מוביל לצורך של ביצוע בדיקה ממצה עוד בשלבי התכנון ועד קדם ייצור.

בדיקות של משדר ומקלט סטנדרטי של 802.11ac זהות לבדיקות של 802.11n, עם הגדרות ומפרטים חדשים שנועדו לכסות את התכונות החדשות (ראה טבלה 4). הגרסה האחרונה של מפרט 802.11ac זמינה להורדה למנויים של: www.ieee802.org. בנוסף לבדיקות אלה, התכנון יצטרך לעבור בדיקות התאמה ובדיקות תפקוד נוספות כדי לאמת את הביצועים ולהוכיח יכולת פעולה הדדית.

אתגרים בתכנון ובדיקה

חלק מהתכונות החדשות בתדר 802.11ac  נבעו מאתגרים חדשים בתכנון ובבדיקות. אחד מהם הוא השימוש באפנון- 256QAM, המחייב error vector magnitude  או constellation error  של המשדר והמקלט. ניתוח אות וקטור מספק תובנה לגורמים של EVM חלש, וציוד כגון תוכנה 89600 VSA של Agilent מספק ניתוח מפורט של אותות

802.11.

אתגר קשה נוסף הוא predistortion דיגיטלי כדי לשפר את הליניאריות של מגברי הספק, אשר בדרך כלל דורש ייצור ומדידה של מכפלת אותות פי 3 עד 5 פעמים מרוחב הפס של המגבר שעובר לינאריזציה. תוכנת SystemVue של Agilent מספקת ישום של תכנון קדם-עיוות (PREDISTORTION) דיגיטלי אוטומטי. התוכנה יוצרת עירור waveform אשר ניתן להורדה למחולל אותות RF וממנה ליחידת מגבר ההספק. תגובת מגבר נקלטת באמצעות נתח אותות והשוואתה עם האות הרצוי כדי ליצור את מטריצת ה- predistortion. האות במצב predistorted נשלח למגבר ההספק והתגובה נבדקת.

הצורך המתמשך להגברת מהירות רוחב הפס של חיבור רשת LAN אלחוטית, והמורכבות הגוברת של סטנדרטים כדי לתמוך בה, מציב אתגרים גדולים בעבור קהילת הבדיקות והמדידות. תכנון מקיף ויכולת הבדיקה היא קריטית ליישום מוצלח של ייצור המוני לשוק מוצרי ה- VHT WLAN. כלי סימולציה מערכתית המכילים מערכת כלים ליצירה וניתוח של יותר 80 ו- 160 מגה רוחב פס עבור אותות 802.11ac הם המפתח לבדיקת המרכיבים, לבדיקות משדרים ומקלטים. תשומת לב מיוחדת לתכנון עבור היצור תסייע להקטנת עלות הבדיקה ותבטיח עמידה בציפיות הצרכן מבחינת מחיר וביצועים.