Fundamenty komunikacji bezprzewodowej – część 4 – OFDM

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.

Podział kanału na 64 subcarriers, każda o szerokości 312,5 MHz
Podział kanału na 64 subcarriers, każda o szerokości 312,5 KHz

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.

Rozkład subcarriers w modelu stosowanym w IEEE 802.11a/g
Rozkład subcarriers w modelu stosowanym w IEEE 802.11a/g

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.

Podsumowanie ilości i rozkładu subcarriers w standardzie IEEE 802.11n
Podsumowanie ilości i rozkładu subcarriers w standardzie 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.

Podsumowanie ilości i rozkładu subcarriers w standardzie IEEE 802.11ac
Podsumowanie ilości i rozkładu subcarriers w standardzie 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:

  1. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 1 – Podstawy
  2. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 2 – FHSS
  3. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 3 – DSSS
  4. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 4 – OFDM

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.

Modulacja

Po zakodowaniu dane muszą zostać poddane modulacji w celu utworzenia sygnału zdolnego przenosić użyteczne informacje (ang. carrier signal). W technologii OFDM wykorzystywanych jest wiele różnych metod modulacji. Pierwsza z nich to Binary Phase Shift Keying (BPSK), czyli modulacja wykorzystująca przesunięcie fazy. W tym przypadku dostępne są dwie możliwości przesunięcia (0 i 180 stopni), a każda z nich odwzorowuje pojedynczy bit (0 lub 1).

Do dyspozycji dostępna jest także druga metoda o nazwie Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), która dwukrotnie zwiększa ilość możliwych przesunięć fazy (0, 90, 180 i 270 stopni). Każda z tych opcji pozwala odwzorować dwa bity (00, 01, 10, 11), dzięki czemu dostępna prędkość wzrasta dwukrotnie.

Oprócz tego dostępne są kolejne wersje modulacji QAM, czyli Quadrature Amplitude Modulation. Jest to hybryda modulacji fazy i amplitudy, która znacznie zwiększa dostępne prędkości transmisji. Do zobrazowania działania modulacji QAM potrzebny jest tzw. constellation diagram. Jest to dwuwymiarowa płaszczyzna podzielona na cztery części, wyglądem przypominająca układ współrzędnych. Poniższa animacja przedstawia działanie modulacji 16-QAM.

Zasada działania modulacji QAM, źródło: wikipedia.com
Zasada działania modulacji QAM, źródło: wikipedia.com

Odchylenia od osi poziomej, wyrażane w stopniach, są odzwierciedleniem przesunięcia fazy pomiędzy kolejnymi symbolami. Z kolei odległość od początku układu współrzędnych związana jest z amplitudą odebranego sygnału. Modulacja 16-QAM zawiera 16 możliwych punktów do wyboru na diagramie, z których każdy zawiera 4 bity danych.

Dostępne są także bardziej rozbudowane wersje QAM – 64-QAM i 256-QAM, których poszczególne punkty na diagramie pozwalają odwzorować odpowiednio 6 i 8 bitów danych. Poniższy rysunek przedstawia constellation diagram dla modulacji 64-QAM.

Constellation diagram modulacji 64-QAM, źródło: IEEE
Constellation diagram modulacji 64-QAM, źródło: IEEE

“Czy wiesz że…?”

Modulacja QAM jest nadal rozwijana i powstają jej kolejne wersje. Dla przykładu, standard IEEE 802.11ax definiuje użycie modulacji 1024-QAM. Każdy punkt na diagramie tej modulacji odwzorowuje 10 bitów danych.

Metoda OFDM posiada bardzo dużo wariantów, a wybrane sposoby modulacji i poziom kodowania wpływają na otrzymaną prędkość transmisji danych. Poniższa tabela przedstawia podsumowanie opcji dostępnych w metodzie OFDM dla standardów IEEE 802.11a/g.

Podsumowanie opcji dostępnych w metodzie OFDM dla standardów IEEE 802.11a/g
Podsumowanie opcji dostępnych w metodzie OFDM dla standardów IEEE 802.11a/g

Dla porównania, standard IEEE 802.11ac, korzystając z modulacji 256-QAM, kodowania 5/6, i przy spełnieniu kilku dodatkowych założeń, jest w stanie osiągnąć teoretyczną prędkość transmisji na poziomie prawie 7 Gb/s!

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…?

Jak uważasz, jaka jest przyszłość technologii transmisyjnych? Gdzie jest granica przepustowości, którą możemy osiągnąć?

🗳 Jak przydatna była ta publikacja?

Średnia ocena / 5. Ilość głosów:

Dziękuję za ocenę! Zapraszam Cię do obserwowania NSS w mediach społecznościowych!

Przykro mi, że ta publikacja okazała się być dla Ciebie nieprzydatna!

Uwaga: Twój głos będzie liczony tylko jeśli udzielisz feedbacku używając formularza poniżej.

author avatar
Łukasz Kowalski

Network Architect, Współtwórca Na Styku Sieci

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wszystkie pola są wymagane

Subscribe
Powiadom o
guest
1 Comment
Newest
Oldest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
kpc21

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.

Top