802.11n

IEEE 802.11n-2009 alebo 802.11n je štandard bezdrôtovej siete, ktorý používa viacero antén na zvýšenie rýchlosti prenosu dát. Wi-Fi Alliance tiež spätne označila technológiu pre štandard ako Wi-Fi 4.[9][10] Okrem iných funkcií štandardizovala podporu pre viacnásobný vstup, viacnásobný výstup, agregáciu rámcov a vylepšenia zabezpečenia a možno ho použiť vo frekvenčných pásmach 2,4 GHz alebo 5 GHz.

Ako prvý štandard Wi-Fi, ktorý zaviedol podporu MIMO (viacnásobný vstup a viac výstupov), sa niekedy zariadenia/systémy, ktoré podporujú štandard 802.11n (alebo návrh verzie štandardu), označujú ako MIMO (produkty Wi-Fi). , najmä pred zavedením štandardu ďalšej generácie.[11] Použitie MIMO-OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) na zvýšenie rýchlosti prenosu dát pri zachovaní rovnakého spektra ako 802.11a bolo prvýkrát demonštrované spoločnosťou Airgo Networks.[12]

Účelom tohto štandardu je zlepšiť priepustnosť siete oproti dvom predchádzajúcim štandardom – 802.11a a 802.11g – s výrazným zvýšením maximálnej čistej dátovej rýchlosti z 54 Mbit/s na 72 Mbit/s s jediným priestorovým tokom za 20 MHz kanál a 600 Mbit/s (mierne vyššia hrubá bitová rýchlosť vrátane napríklad kódov na opravu chýb a mierne nižšia maximálna priepustnosť) s použitím štyroch priestorových tokov pri šírke kanála 40 MHz.[13][14]

IEEE 802.11n-2009 je dodatkom k štandardu bezdrôtových sietí IEEE 802.11-2007. 802.11 je súbor noriem IEEE, ktoré upravujú spôsoby prenosu bezdrôtových sietí. Dnes sa bežne používajú vo verziách 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac a 802.11ax na poskytovanie bezdrôtového pripojenia v domácnostiach a podnikoch. Vývoj 802.11n sa začal v roku 2002, sedem rokov pred zverejnením. Protokol 802.11n je teraz klauzula 20 zverejnenej normy IEEE 802.11-2012 a následne premenovaný na klauzulu 19 zverejnenej normy IEEE 802.11-2020.

Popis

IEEE 802.11n je dodatkom k IEEE 802.11-2007 v znení zmien a doplnení IEEE 802.11k-2008, IEEE 802.11r-2008, IEEE 802.11y-2008 a pridaním viacerých štandardov IEEE 802.11y-2002 a 802.111w. vstupný systém s viacerými výstupmi (MIMO) a 40 MHz kanály do PHY (fyzickej vrstvy) a agregácia rámcov do vrstvy MAC. Existovali staršie proprietárne implementácie MIMO a 40MHz kanálov ako Xpress, Super G a Nitro, ktoré boli založené na technológii 802.11ga 802.11a, ale toto bolo prvýkrát, čo bola štandardizovaná u všetkých výrobcov rádií.

MIMO je technológia, ktorá využíva viacero antén na koherentné rozlíšenie väčšieho množstva informácií, než je možné pri použití jedinej antény. Jedným zo spôsobov, ako to poskytuje, je multiplexovanie s priestorovým delením (SDM), ktoré priestorovo multiplexuje viacero nezávislých dátových tokov, prenášaných súčasne v rámci jedného spektrálneho kanála šírky pásma. MIMO SDM môže výrazne zvýšiť priepustnosť údajov, keď sa zvýši počet vyriešených tokov priestorových údajov. Každý priestorový tok vyžaduje samostatnú anténu na vysielači aj prijímači. Okrem toho technológia MIMO vyžaduje samostatný vysokofrekvenčný reťazec a analógovo-digitálny konvertor pre každú anténu, takže implementácia je nákladnejšia ako pri systémoch bez MIMO.

Kanály pracujúce so šírkou 40 MHz sú ďalšou funkciou začlenenou do 802.11n; toto zdvojnásobuje šírku kanála z 20 MHz v predchádzajúcich 802.11 PHY na prenos dát a poskytuje dvojnásobnú rýchlosť prenosu PHY dostupnú cez jeden 20 MHz kanál. Môže byť povolený v režime 5 GHz alebo v režime 2,4 GHz, ak je známe, že nebude rušiť žiadny iný systém 802.11 alebo iný systém (napríklad Bluetooth), ktorý používa rovnaké frekvencie.[15] Architektúra MIMO spolu so širšími kanálmi ponúka vyššiu fyzickú prenosovú rýchlosť oproti štandardu 802.11a (5 GHz) a 802.11g (2,4 GHz).[16]

Kódovanie údajov

Vysielač a prijímač používajú techniky predkódovania a postkódovania na dosiahnutie kapacity MIMO spojenia. Predkódovanie zahŕňa priestorové tvarovanie lúča a priestorové kódovanie, kde priestorové tvarovanie lúča zlepšuje kvalitu prijímaného signálu v štádiu dekódovania. Priestorové kódovanie môže zvýšiť priepustnosť údajov prostredníctvom priestorového multiplexovania a zvýšiť rozsah využívaním priestorovej diverzity pomocou techník, ako je kódovanie Alamouti.

Počty antén a dátových tokov

Počet simultánnych dátových tokov je obmedzený minimálnym počtom používaných antén na oboch stranách spojenia. Jednotlivé rádiá však často ešte viac obmedzujú počet priestorových tokov, ktoré môžu prenášať jedinečné údaje. Označenie a × b : c pomáha identifikovať, čoho je dané rádio schopné. Prvé číslo (a) je maximálny počet vysielacích antén alebo vysielacích TF reťazcov, ktoré môže rádio použiť. Druhé číslo (b) je maximálny počet prijímacích antén alebo prijímacích RF reťazcov, ktoré môže rádio použiť. Tretie číslo (c) je maximálny počet dátových priestorových tokov, ktoré môže rádio použiť. Napríklad rádio, ktoré môže vysielať na dvoch anténach a prijímať na troch, ale môže odosielať alebo prijímať iba dva dátové toky, by bolo 2 × 3 : 2.

Návrh 802.11n umožňuje až 4 × 4 : 4. Bežné konfigurácie zariadení 11n sú 2 × 2 : 2, 2 × 3 : 2 a 3 × 2 : 2. Všetky tri konfigurácie majú rovnakú maximálnu priepustnosť a vlastnosti a sa líšia iba množstvom diverzity, ktorú anténne systémy poskytujú. Okrem toho sa stáva bežnou štvrtou konfiguráciou 3 × 3 : 3, ktorá má vyššiu priepustnosť vďaka dodatočnému toku údajov.[17]

Dátové rýchlosti

Za predpokladu rovnakých prevádzkových parametrov ako v sieti 802.11g dosahujúcej 54 megabitov za sekundu (na jednom 20 MHz kanáli s jednou anténou), sieť 802.11n môže dosiahnuť 72 megabitov za sekundu (na jednom 20 MHz kanáli s jednou anténou a 400 ns ochranou interval); Rýchlosť 802.11n sa môže zvýšiť až na 150 megabitov za sekundu, ak v susedstve nie sú žiadne iné Bluetooth, mikrovlnné alebo Wi-Fi vysielanie pomocou dvoch 20 MHz kanálov v 40 MHz režime. Ak sa použije viac antén, potom 802.11n môže dosiahnuť rýchlosť až 288 megabitov za sekundu v režime 20 MHz so štyrmi anténami alebo 600 megabitov za sekundu v režime 40 MHz so štyrmi anténami a ochranným intervalom 400 ns. Pretože pásmo 2,4 GHz je vo väčšine mestských oblastí vážne preťažené, siete 802.11n majú zvyčajne väčší úspech pri zvyšovaní rýchlosti prenosu dát tým, že využívajú viac antén v režime 20 MHz namiesto prevádzky v režime 40 MHz, pretože režim 40 MHz vyžaduje relatívne bezplatné rádiové spektrum, ktoré je dostupné len vo vidieckych oblastiach mimo miest. Sieťoví inžinieri, ktorí inštalujú sieť 802.11n, by sa preto mali snažiť vybrať smerovače a bezdrôtových klientov s čo najväčším počtom antén (jednu, dve, tri alebo štyri podľa špecifikácie štandardu 802.11n) a pokúsiť sa zabezpečiť, aby šírka pásma siete bola uspokojivá. aj v režime 20 MHz.

Dátové rýchlosti do 600 Mbit/s sa dosahujú len pri maximálne štyroch priestorových tokoch s použitím jedného 40 MHz širokého kanála. Rôzne modulačné schémy a kódovacie rýchlosti sú definované štandardom, ktorý tiež priraďuje každému ľubovoľné číslo; toto číslo je index modulačnej a kódovacej schémy alebo index MCS. V tabuľke nižšie sú uvedené vzťahy medzi premennými, ktoré umožňujú maximálnu rýchlosť prenosu dát. GI (Guard Interval): Časovanie medzi symbolmi.[18]

20 MHz kanál používa FFT 64, z toho: 56 OFDM subnosných, 52 je pre dáta a 4 sú pilotné tóny s oddelením nosnej 0,3125 MHz (20 MHz/64) (3,2 μs). Každá z týchto čiastkových nosných môže byť BPSK, QPSK, 16-QAM alebo 64-QAM. Celková šírka pásma je 20 MHz s obsadenou šírkou pásma 17,8 MHz. Celkové trvanie symbolu je 3,6 alebo 4 mikrosekúnd, čo zahŕňa ochranný interval 0,4 (známy aj ako krátky ochranný interval (SGI)) alebo 0,8 mikrosekúnd.