IEEE 802.11adBEAMWIDTH

Φοιτητής : Γιώργος Τζίνος

Καθηγητής : Περικλής Χατζημίσιος

Τα 2 πρωτα δημοφιλή πρωτοκολλα : IEEE 802.11a IEEE 802.11b

Αυξημέμη ζήτηση to 2009 έφερε : IEEE 802.11n

Ζήτηση για αύξηση του throughput έφερε : IEEE 802.11 ac IEEE 802.11 ad

Εισαγωγή

Πλεονεκτήματα - 1

Σε ελεύθερο χώρο προσφέρει τον καλύτερο rate/range προφίλ.

Μικρή εμβέλεια συνεπάγει μικρές κυψέλες και συνεπώς ελαχιστοποιεί τις παρεμβολές στο συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων κάτι το οποίο παρέχει την επαναχρησιμοποίηση του.

Μικρή πιθανότητα υποκλοπών λόγω της μικρής εμβέλιας ο υποκλοπέας θα πρέπει να βρίσκεται κοντά στην κεραία η οποία μεταδίδει

Δυνατότητα κατασκευής χαμηλού κόστους συσκευών και έτσι και εύκολη παροχή στο ευρύ κοινό.

Πλεονεκτήματα - 2

Δυνατότητα υποστήριξη κεραίας με δυνατότητα στροφής της ακτινοβολίας

Συμβατότητα με τα προηγούμενα πρωτόκολλα (backward compatibility) και χρήση ίδιου εύρους φάσματος συχνοτήτων

Πολύ χαμηλό latency στα 10 microsecond round trip

Mειονεκτήματα

Μικρή εμβέλεια σε μη ελεύθερο χώρο. Για να γίνει χρήση του σε ένα δωμάτιο σπιτιού θα πρέπει

να βρούμε έναν τρόπο ώστε το σήμα να αντανακλάται κατά αυτόν τον τρόπο στον χώρο έτσι ώστε να καταφέρει να φτάσει στο τέλος στον προορισμό του χωρίς πρόβλημα.

Κάποιος μπορεί να είναι 100 πόδια μακρια και να πάρει 2Gbps και κάποιος άλλος παρόλο που θα είναι στα 10 πόδια να πάρει 1Gbps για λόγους αντανάκλασης του σήματος

Πολύ ψηλή εξασθέσνηση στην εν λόγω ζώνη Απορρόφηση οξυγόνου (O2) Βροχη ( rain fading ) Εμπόδια διαδρομής

Αυτό το κομμάτι των συχνοτήτων επιτρέπει την παροχή υψηλότερου εύρους ζώνης καναλιού για μεγαλύτερη απόδοση.

Αυτά καθιστούν δυνατή τη χρήση συμπαγούς και ανταγωνιστικής κεραίας ή μιας συστοιχίας κεραιών. (beamforming).

Γιατί επιλέγουμε 60 Ghz?

Φυσικο επίπεδο 802.11ad (PHY)

Το φυσικό επίπεδο της 11ad προστέθηκε στο πρότυπο 802.11-2012 ως τροπολογία και ονομάζεται "Directional Multi-Gigabit (DMG) PHY".

Το φυσικό επίπεδο (PHY) του DMG του προτύπου 802.11ad-2012 της IEEE υποστηρίζει τρεις διαφορετικές μεθόδους διαμόρφωσης: Διαμόρφωση ενός ευρύτερου φάσματος Διαφοροποίηση ενιαίου φορέα (Single Carrier - SC). Ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal

Frequency Division Multiplex - OFDM)

BeamWidth

Με τον όρο Beamwidth αναφερόμαστε στη γωνία μεταξύ των σημείων εκατέρωθεν του κυρίως λοβού όπου η ισχύς του σήματος λήψης είναι η μισή (-3dB) σε σχέση με την ισχύ στο κέντρο του λοβού (Εικόνα 3.1α). Ο κύριος λοβός δηλώνει την κατεύθυνση λήψης της κεραίας όπου το σήμα έχει την μέγιστη ενίσχυση (κέρδος). Όταν κάποιος στενεύει ή εστιάζει την ακτίνα μιας κεραίας (δηλαδή τον κύριο λοβό), το κέρδος θα αυξηθεί.

Οριζόντιο & Κατακόρυφο εύρος - 1

Υπάρχουν δύο παράγοντες που συνδέονται με εύρος δέσμης: Το κάθετο εύρος (Εικόνα 3.1β)

Μετριέται σε μοίρες και είναι κάθετη προς την επιφάνεια της γης

Το οριζόντιο εύρος δέσμης (Εικόνα 3.1β). Μετριέται σε μοίρες και είναι παράλληλη προς την

επιφάνεια της γης

Οριζόντιο & Κατακόρυφο εύρος - 2

Εικόνα 3.1 – α) Beamwidth, β) Οριζόντιο και κατακόρυφο εύρος δέσμης

Χρήση του BeamWidth

Η χρήση beamwidth κατά το σχεδιασμό ενός ασύρματου δικτύου είναι πολύ σημαντική και πρέπει κανείς να καταλάβει : Ποιες εφαρμογές απαιτούν μεγαλύτερο οριζόντιο αντί

για κάθετο εύρος δέσμης, ή το αντίστροφο. Όταν προσπαθούμε να καλύψουμε ένα μακρόστενο

διάδρομο, η χρήση μιας κεραίας με μεγαλύτερο κάθετο αντί για οριζόντιο εύρος δέσμης, μπορεί να αποδειχθεί πιο αποτελεσματική στην εκπομπή ενός σήματος.

Προβλήματα Μειωση απωλειων

Η ενίσχυση του σήματος στην κεραία πρέπει να αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να μειωθεί το beamwidth. Για παράδειγμα, μία κεραία με 13dB κέρδος (gain) έχει περίπου 45ο beamwidth.

Από την άλλη μεριά, η μείωση του beamwidth απαιτεί την αυτόματη καθοδήγηση της κατεύθυνσης του κυρίως λοβού, ούτως ώστε να αποφευχθούν εμπόδια και να υπάρχει μέγιστη ενίσχυση του σήματος.

Οι συνθήκες του καναλιού μπορούν να αλλάξουν δραματικά κατά τη διάρκεια μιας σύνδεσης (για παράδειγμα, όταν κάποιος κινείται ανάμεσα σε ένα BluRay player και προβολέα κατά τη διάρκεια μιας 3D-σύνδεσης HD).

Προτάσεις για επίλυση

Αυτού του είδους τα προβλήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν σε πραγματικό χρόνο με τη χρήση μορφοποιημένης δέσμης (beamforming).

Επειδή το μέγεθος της κεραίας στη ζώνη των 60 GHz είναι πολύ συμπαγές, μικρές και ανταγωνιστικές συστοιχίες κεραιών μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αλλαγή κατεύθυνσης του κυρίως λοβού και του beamwidth.

BeamForming

Για να επιτευχθεί η βέλτιστη ενίσχυση σήματος, το πρωτόκολλο 802.11ad προσφέρει μία ευέλικτη διαδικασία beamforming που μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορα συστήματα κεραιών, χαμηλής ισχύος αλλά και πιο σύνθετα. Ο πλήρης χώρος εκπομπής της κεραίας σε ένα κελί (cell) χωρίζεται σε τομείς (sectors) και ο κάθε τομέας σε μικρότερα τμήματα. Έτσι το πρόβλημα ανάγεται στην επιλογή της βέλτιστης διεύθυνσης εκπομπής μέσα σε ένα sector με το μικρότερο δυνατό beamwidth, ώστε να πετύχουμε τη μέγιστη ενίσχυση.

Στάδια λειτουργίας BeamForming -1

Το πρωτόκολλο beamforming πραγματοποιείται σε τρία στάδια (Εικόνα 3.2).

Εικόνα 3.2 – beamforming

Στάδια λειτουργίας BeamForming-2

Το πρώτο στάδιο ονομάζεται sector level sweep (SLS, Εικόνα 3.3α). Η μια κεραία εκκινεί τη διαδικασία (STA1) και στέλνει δοκιμαστικά σήματα στους διάφορους τομείς. Η κεραία λήψης ρυθμίζει το πρότυπο λήψης σε quasi-omni directional, και η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται αντιστρέφοντας τους ρόλους της κεραίας εκπομπής και λήψης. Η κάθε κεραία επεξεργάζεται τα στοιχεία και επιλέγει τον καλύτερο τομέα για την επικοινωνία.

Στάδια λειτουργίας BeamForming-3

Εικόνα 3.3 – α) Sector level sweep, β) beam refinement

Στάδια λειτουργίας BeamForming-4

Κατά το δεύτερο στάδιο (Εικόνα 3.3β), γίνεται η βελτιστοποίηση των παραμέτρων κάθε κεραίας (beam refinement), με παρόμοια διαδικασία αποστολής και λήψης δοκιμαστικών σημάτων στον τομέα που έχει επιλεγεί στο 1ο στάδιο. Κατά το 2ο στάδιο, το beamwidth μικραίνει ακόμη περισσότερο.

Κατά το 3ο στάδιο, με την εισαγωγή κάποιον επιπλέον bits στο σήμα, διασφαλίζεται και παρακολουθείται η συσχέτιση και η σωστή επικοινωνία μεταξύ των κεραιων.

802.11ad - WLAN at 60 GHz, A Technology Introduction - White Paper 802.11ad - WLAN at 60 GHz, A Technology Introduction - White Paper Wireless LAN at 60 GHz - IEEE 802.11ad Explained IEEE 802.11ad Microwave Wi-Fi / WiGig Tutorial IEEE 802.1ad IEEE 802.11ad / WiGig IEEE 802.11 Packet Delay – A Finite Retry Limit Analysis, P. Chatzimisios, A.

Boucouvalas, and V. Vitsas. Wireless security handbook Kishor Chandra, R. Venkatesha Prasad, I.G.M.M. Niemegeers, Abdur R. Biswas

“Adaptive Beamwidth Selection for Contention Based Access Periods in Millimeter Wave WLANs”

Eldad Perahia, Michelle X. Gong, Gigabit Wireless LANs: an overview of IEEE 802.11ac and 802.11ad, Intel Corporation.

Kishor Chandra, Arjan Doff, Zizheng Caο, R. Venkatesha Prasad, Ignas Niemegeers. 60 GHz MAC Standardization: Progress and Way Forward

Αναφορές

Ερωτήσεις - Απορίες

Ευχαριστώ για την προσοχή σας