Komunikacja bezprzewodowa jest bardzo złożona i składa się z wielu skomplikowanych mechanizmów i etapów. W pierwszej części artykułu omówiłem zasady formowania i transformacji fali radiowej w celu uzyskania użytecznej informacji. Znając te procesy czas zastanowić się w jaki sposób tak przygotowany sygnał może zostać wysłany – w tym artykule przeczytasz o metodzie OFDM.
Czym jest i jak działa OFDM?
Nadszedł czas aby przyjrzeć się bliżej metodzie OFDM, czyli Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Metoda ta jest szeroko wykorzystywana we współczesnych sieciach bezprzewodowych zgodnych ze standardem IEEE 802.11, co jednocześnie czyni ją najpopularniejszą obecnie stosowaną. Poprzednio omówione technologie, czyli FHSS oraz DSSS, stały się jedynie ułamkiem aktualnych wdrożeń Wi-Fi.
„Czy wiesz że…?”
OFDM jest szeroko używany także w innych technologiach, między innymi ADSL, VDSL (obie służą zapewnieniu szerokopasmowego dostępu do sieci), a także DVB-T (cyfrowa telewizja naziemna).
Początki wykorzystania OFDM w sieciach Wi-Fi sięgają roku 1999 (tak, poważnie!). Wtedy to powstał standard IEEE 802.11a, który korzysta z metody OFDM na częstotliwości 5 GHz. Cztery lata później, w 2003 roku, pojawiło się pojęcie ERP-OFDM. Związane to było z wydaniem standardu IEEE 802.11g, który korzysta z ERP-OFDM na częstotliwości 2.4 GHz w celu dostarczenia jednakowych prędkości transmisji, co IEEE 802.11a. Z technicznego punktu widzenia OFDM i ERP-OFDM działają dokładnie tak samo, różnią się jedynie częstotliwością na której operują.
W drugiej części artykułu tej serii przedstawiłem cechy i zasady funkcjonowania metod transmisyjnych typu Narrowband i Spread Spectrum. Metoda OFDM posiada cechy technik Spread Spectrum, czyli używa mniejszej mocy do transmisji danych na szerszym paśmie, jednakże czysto technicznie nie można jej do tej grupy zaliczyć. Transmisja OFDM odbywa się jednocześnie na kilkudziesięciu wąskich kanałach, określanych mianem subcarriers, co można zaobserwować na poniższym rysunku.
Pojedynczy kanał, niezależnie od tego czy transmisja odbywa się na 2.4 GHz czy na 5 GHz, składa się z 64 subcarriers. Oznaczone są one numerami od -32 do +32, plus środkowa zerowa, która nie jest uwzględniana w kalkulacjach. Szerokość pojedynczej subcarrier wynosi 312,5 KHz, co sumarycznie daje nam 20 MHz. Tyle też przyjmuje się za szerokość pojedynczego kanału używając metody OFDM.
Większość subcarriers wykorzystywanych jest do transmisji danych (tzw. data subcarriers), jednak nie wszystkie. Oprócz nich stosowane są tzw. pilot carriers, które pozwalają odbiorcy zsynchronizować się z sygnałem danych, oraz tzw. null carriers, które same nie przenoszą sygnału i tym samym pomagają zwiększyć odległość od sąsiednich kanałów. Ilość i rozkład poszczególnych rodzajów subcarriers zależy od standardu, który korzysta z OFDM.
IEEE 802.11a/g
W tradycyjnym rozwiązaniu stosowanym w sieciach IEEE 802.11a/g, dane wysyłane są poprzez 48 subcarriers, kolejne 4 służą jako pilot carriers, a pozostałe 12 to null carriers. W konsekwencji na samą transmisję danych wykorzystywane jest 15 MHz kanału. Poniższy rysunek przedstawia rozkład poszczególnych subcarriers.
HT – High Throughput
Format HT (High Throughput) dotyczy standardu IEEE 802.11n. Ze względu na utrzymanie kompatybilności wstecznej tego standardu z jego poprzednikami, można wyróżnić dwa tryby w których działa urządzenie IEEE 802.11n – Legacy Mode oraz HT Mode.
W przypadku Legacy Mode komunikacja odbywa się w dokładnie ten sam sposób, jak w IEEE 802.11a/g. Mamy zatem 48 subcarriers przeznaczonych na dane, 4 na pilot carriers oraz 12 na null carriers.
Natomiast w przypadku HT ilość data subcarriers zwiększa się do 52 kosztem null carriers, których ilość spada z 12 do 8. Począwszy od standardu IEEE 802.11n istnieje możliwość łączenia kanałów (tzw. binding) w celu zwiększenia szerokości transmisji, co również zostało uwzględnione w przystosowaniu metody OFDM. Poniższa tabela przedstawia podsumowanie dla standardu IEEE 802.11n.
VHT – Very High Throughput
Format VHT (Very High Throughput) dotyczy standardu IEEE 802.11ac. Zasada działania pozostaje ta sama, zmienia się jedynie rozkład poszczególnych subcarriers. Dodatkowo, standard IEEE 802.11ac pozwala na łączenie większej ilości kanałów, tworząc tym samym „superkanały” o szerokości 80 MHz, a nawet 160 MHz. Poniższa tabela przedstawia podsumowanie dla standardu IEEE 802.11ac.
Cykl artykułów „Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej”
Artykuły publikowane w ramach cyklu “Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej” można czytać niezależnie, ale najlepsze efekty osiągniesz, jeśli zapoznasz się z nimi po kolei. Cały cykl składa się z następujących artykułów:
Kodowanie
Celem kodowania jest zapewnienie integralności i spójności przesyłanych danych. Zgodnie ze standardem IEEE 802.11, w metodzie OFDM wykorzystywane jest kodowanie splotowe (ang. convolutional coding). Jest to rodzaj kodowania korekcyjnego, które pozwala wykryć i skorygować błędy transmisji spowodowane zakłóceniami.
Jednocześnie kodowanie splotowe może być kodowaniem nadmiarowym. W takim wypadku łączna ilość wysłanych bitów jest większa od ilości wysłanych bitów użytecznych, a bity nadmiarowe służą ochronie transmisji przed zakłóceniami. Im mniej bitów nadmiarowych, tym większa podatność na błędy, ale jednocześnie większa przepustowość transmisji. W skrajnym przypadku nie ma bitów nadmiarowych, a wszystkie wysyłane bity przenoszą użyteczną informację.
Zasada działania kodowania splotowego jest skomplikowana i wykracza poza główny wątek artykułu, dlatego też została celowo pominięta.
Metoda OFDM jest wykorzystywana przez sieci Wi-Fi prawie od początku ich istnienia, to jest prawie 20 lat. Dzięki dobremu dopasowaniu do potrzeb standardu IEEE 802.11, a także ciągłemu rozwojowi, metoda OFDM jest obecnie najpopularniejszą i najbardziej wydajną technologią transmisyjną. Na tę chwilę jest to ostatni artykuł z serii Fundamentów Komunikacji Bezprzewodowej, a przyszłość zweryfikuje jak długo jeszcze metoda OFDM będzie w stanie nadążyć za zmieniającymi się wymaganiami. Może niedługo potrzebne będzie dopisanie kolejnej części…?
Carrier to po polsku nośna, subcarrier – podnośna 🙂
W zasadzie to – i po polsku, i po angielsku – skrót myślowy od carrier frequency – częstotliwość nośna. Ale często mówi się po prostu nośna, i to wystarcza.
To jest normalne powszechnie używane w technice radiowej określenie i nie ma sensu od niego uciekać 🙂
A swoją drogą ciekawą kwestią, na którą w zasadzie nikt nigdy nie zwraca uwagę, jest to, że w modulacjach cyfrowych innych, niż w tych totalnie najprostszych, jak np. BPSK czy OOK, tak naprawdę dane nie są zakodowane w systemie binarnym, lecz w czwórkowym, ósemkowym, szesnastkowym, czy jakimkolwiek innym o podstawie równej liczbie punktów na diagramie konstelacji (nawet w… 1024-kowym dla 1024QAM). Znaczenia żadnego ta interpretacja w sumie nie ma, no ale… ciekawe, że tak właśnie jest. Jedna nadawana cyfra czy znak może przyjąć aż 1024 różne wartości, jeśli ktoś gdzieś faktycznie 1024QAM używa.
Trochę to przypomina popularny sposób szybkiej manualnej zamiany liczb binarnych na szesnastkowe i odwrotnie, gdy chcemy sobie w głowie rozkodować np. jakiś adres IPv6 z maską podsieci nie dzielącej adresu na granicy hextetów – no bo to jest w zasadzie to samo. Tyle, że użyte nie po to, by ułatwić życie adminom, a by znacznie przyspieszyć transmisję 🙂
\”Jest to dwuwymiarowa płaszczyzna podzielona na cztery części, wyglądem przypominająca układ współrzędnych.\”
Bo to po prostu jest układ współrzędnych 🙂 A nawet płaszczyzna zespolona. I jak najbardziej ma to znaczenie – co prawda może nie dla nas sieciowców, ale dla projektantów \”bebechów\”, które siedzą w takim access poincie i modulują sygnał albo rozbierają zmodulowany sygnał z powrotem na bity, to podstawa.
Dane nie są zakodowane w systemie binarnym. System binarny, dziesiętny itd. to tylko reprezentacja liczby. Liczba jest liczbą i tyle. Nie ma tutaj żadnego kodowania. Strumień bitów łączony jest w „paczki” o wielkości zależnej od MCS.
Tak, jest to układ współrzędnych, gdzie zamiast osi X, Y mamy osie I, Q.
Co do modulowania/demodulowania sygnału: wykorzystać można modulator/demoduluator I/Q. Obawiam się jednak, że do zmodulowania/zdemodulowania sygnału WIFI wykorzystuje się już operacje na DSP. Każda podnośna niesie jeden „strumień” danych o wybranej modulacji zależnej od MCS. Jak już wiemy, podnośnych jest kilkanaście lub więcej.
No to, czy są kodowane, czy nie, to trochę filozoficzna dyskusja.
Kod, w znaczeniu, jakie ma się na myśli w telekomunikacji, to jest po prostu określony sposób zapisu czy reprezentacji informacji. W tym rozumieniu nawet język ludzki np. polski też jest jakimś kodem.
Więc tak, system dwójkowy to reprezentacja liczby, ale reprezentacja liczby to właśnie kod.
I procesor komputera pracuje na kodzie binarnym, traktując go jako liczby, na których wykonuje działania matematyczne.
Ale na potrzeby przesyłu tych danych niekiedy (np. w modulacjach kwadraturowych) nie traktuje się tego już jako kod dwójkowy, lecz np. czwórkowy, jeśli mówimy o modulacji QPSK. Nie przesyłamy już dwóch symboli: 0 i 1, lecz 4 symbole: 00, 01, 10 i 11. To jest już ewidentnie inny kod (mamy przecież 2 razy więcej symboli), choć operacja kodowania i potem dekodowania jest tu banalnie prosta (dzielimy kod binarny na grupy po 2 cyfry i każdą taką grupę traktujemy jako pojedynczy symbol, jeden z czterech możliwych).