Wady i zalety częstotliwości 60 GHz (802.11ad)

Nowoczesna sieć proponuje wiele usług, do których obsługi niezbędna jest sieć bezprzewodowa o co najmniej gigabitowej przepustowości. Efektywność transmisji danych ściśle skorelowana jest z przepustowością łącza. Szczególną uwagę należy więc zwrócić na zastosowania sieci, w przypadku których występuje konieczność przesyłu znacznych ilości danych z dużą prędkością, takich jak transmisja nieskompresowanych plików multimedialnych wysokiej jakości, na przykład w rozdzielczości 2048 x 1080 i 4096 x 2160 (Digital Cinema) oraz klipów wideo obsługujących technologię 3D. Szybki oraz bezproblemowy przesył tego typu danych wymaga alokacji dużych obszarów widma, natomiast struktura sieci transmitujących opiera o wykorzystanie wyłącznie niewielkiej części dostępnej częstotliwości. W tym przypadku rozwiązaniem optymalnym wydaje się być międzynarodowe nielicencjonowane pasmo o częstotliwości około 60 GHz. Mimo, że zgodnie z wdrożonymi standardami pasmo to legitymować się powinno częstotliwością na poziomie 60 GHz, wartość ta może ulec zmianom w zależności od regionu. Niemniej jednak, w każdym regionie dostępne jest pasmo o częstotliwości co najmniej 3,5 GHz. W przeciwieństwie do nielicencjonowanych pasm 2,4 oraz 5 GHz, pasmo 60 GHz legitymuje się także niskim stopniem eksploatacji.

Transmisja na częstotliwości 60 GHz powoduje, że wykorzystana moc umożliwia danym przebycie krótszego niż optymalny dystansu, głównie z uwagi na zjawisko tłumienia w wolnej przestrzeni (tłumienie przy transmisji na odległość 1 m i częstotliwości 60 GHz wynosi 68 dB, co jest wynikiem o 21.6 dB gorszym niż w przypadku transmisji na częstotliwości 5 GHz). Jest ono spowodowane tłumieniem sygnału przez różnorodne obiekty znajdujące się na drodze sygnału, jak również przez ciało ludzkie (straty utrzymują się na poziomie od kilku do nawet ponad 30 dB).

Zauważalna absorpcja częstotliwości radiowych na paśmie 60 GHz spowodowana jest rezonansem molekuł tlenu. W wielu pracach naukowych fakt ten uznawany jest za jedno z istotniejszych ograniczeń w odniesieniu do możliwości transmisji danych na duże dystanse przy wykorzystaniu rzeczonego pasma. Nadmienić jednakże należy, że absorpcja osiąga poziom problematyczny przy odległościach pomiędzy urządzeniami na poziomie >100 m. Są one znacznie mniejsze w przypadku omawianych w ramach niniejszego dokumentu systemów transmisyjnych o niskim poborze mocy.

Mimo, że wykorzystanie rzeczonego pasma uniemożliwia transmisję na dalekie dystanse, w niektórych zastosowaniach jest to aspekt wysoce korzystny. Sprawia on bowiem, że minimalizowane jest ryzyko zastąpienia zakłóceń. Kolejną zaletą ograniczonego zakresu działania jest mniejsze ryzyko kradzieży chronionych lub poufnych danych przez podmioty nieupoważnione (częstotliwość 60 GHz po raz pierwszy wykorzystana została do komunikacji na polu bitwy właśnie z uwagi na nadmienioną wyżej właściwość transmisji).

Omawiając korzyści wynikające z wykorzystania częstotliwości do zastosowań konsumenckich nie można zapomnieć o łatwym dostępie do relatywnie tanich i zaawansowanych technologicznie komponentów mikrofalowych. Podzespoły charakteryzujące się wysokim zyskiem sygnałowym sprawiają, że urządzenia i podsystemy działające z częstotliwością 60 GHz już dziś zastosowane mogą zostać w rozwiązaniach komercyjnych. Było to niemożliwe jeszcze kilka lat temu. Przewiduje się, że procesory wykorzystujące technologie CMOS, InP i SiGe IC będą coraz częściej implementowane w urządzeniach bezprzewodowych LAN działających z częstotliwością 60 GHz.

Dotkliwość problemu znacznego tłumienia podczas transmisji zminimalizować można poprzez zastosowanie anteny o wyższym zysku. Niewielki dystans przesyłowy pozwala na wykorzystanie niedrogich komponentów, takich jak ceramiczne podzespoły współwypalane niskotemperaturowo (LTCC) i substraty termoplastyczne celem stworzenia dostosowanych do wymogów systemu, fizycznie niewielkich oraz zapewniających wysoki zysk anten kierunkowych.

W systemie zaimplementować można wiele anten oraz technologie sterowania wiązką, jednakże są to rozwiązania opcjonalne. Technologie sterowania wiązką mogą zostać zastosowane celem uniknięcia zakłóceń powodowanych przez niewielkie przeszkody, przykładowo - przez ludzi poruszających się po pomieszczeniu czy meble blokujące bezpośrednią ścieżkę transmisyjną pomiędzy urządzeniami. Pamiętać należy jednak, że większe odległości (> 10 m) oraz przeszkody o bardziej skomplikowanej strukturze (takie jak ściany czy drzwi) mogą utrudnić lub uniemożliwić transmisję.

Mało prawdopodobne jest na przykład, by serwer multimedialny zlokalizowany w jednym pomieszczeniu w sposób efektywny transmitował pliki wideo w jakości HD do wyświetlacza znajdującego się w drugim pomieszczeniu.

Od roku 1994, kiedy to Amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) po raz pierwszy zaproponowała ustanowienie nielicencjonowanego pasma o częstotliwości 59-64 GHz, organizacje regulujące transmisje radiowe dokonywały alokacji odpowiednich częstotliwości oraz parametrów modulacyjnych na całym świecie, aby możliwe było użytkowanie pasm nielicencjonowanych zgodnie z przepisami obowiązującego na danym terytorium prawa.

W momencie powstawania niniejszej publikacji, nielicencjonowana alokacja widma o częstotliwości 60 GHz zatwierdzona została przez Stany Zjednoczone, Kanadę, Unię Europejską, Japonię, Koreę Południową oraz Chiny. Dokładne dane przedstawiono na ilustracji.

Ilustracja ta prezentuje także podział pasma 57-66 GHz na kanały. Jest on wynikiem współpracy takich organizacji jak IEEE, Ecma, WirelessHDConsortium i Wireless Gigabit Alliance. W listopadzie 2011 roku, nadmieniony podział oraz maski widma zostały zatwierdzone przez organy certyfikujące i stały się częścią globalnego standardu ITU-R WP 5A.

W jego ramach udostępniono cztery kanały główne, każdy o zakresie 2.16 GHz. Mediany ich częstotliwości to kolejno: 58.32 GHz, 60.48 GHz, 62.64 GHz oraz 64.80 GHz. Jak widać na ilustracji 2, nie wszystkie kanały dostępne są w każdym z krajów. Kanał 2, do którego dostęp uzyskać można niemalże z każdego miejsca naszego globu, uznaje się za kanał domyślny dla urządzeń działających na wspomnianej częstotliwości.

Schematy modulacji

Specyfikacja zakłada zastosowanie 32 zróżnicowanych schematów kodowania oraz modulacji. Niemniej jednak, pamiętać należy, że pola początkowe wszystkich 32 schematów różnią się od siebie wyłącznie nieznacznie.

Za określenie typu pakietu, a tym samym rodzaju modulacji, odpowiadają nadmienione różnice pól początkowych. Zastosowanie sekwencji Gb128 zamiast Ga128 w STF wskazuje na transmisję pakietu kontrolnego, natomiast hierarchizacja pól Gu512 i Gv512 w CEF pozwala określić czy przetwarzany jest pakiet SC czy też OFDM. Umożliwia to znaczne uproszczenie specyfikacji poprzez podział listy MCS na cztery grupy podstawowe.

W tabeli przedstawiono zarówno kolejność jak i cel wykorzystania poszczególnych MCS. Dane te umożliwiają prawidłowe ustanowienie oraz kontynuację transmisji. Niezbędne jest także zapewnienie maksymalnej wydajności kanału kontrolnego. Zakłada się w tym miejscu, że specyfika kontrolnego kanału PHY oraz powody położenia nacisku na wydajność transmisji, nie natomiast na szybkość przesyłu danych są użytkownikowi znane. Problematyczne może być w niektórych systemach określenie ilości MCS gwarantujących efektywną transmisję.

Biorąc pod uwagę przewidywaną różnorodność typów urządzeń, które będą obsługiwały standard 802.11ad, sformułować można sensowne argumenty zarówno za jak i przeciwko wykorzystaniu modulacji OFDM oraz modulacji pojedynczej. W przypadku urządzeń o niskiej wydajności, zalecana jest dezaktywacja modułu korekcji błędów opartej LDPC celem maksymalizacji oszczędności energii.

W przypadku kategorii SC, OFDM i LPSC, wybrany MCS odpowiada za zabezpieczanie transmisji przed ewentualnymi błędami oraz zakres modulacji. Umożliwia to zauważalne zwiększenie jakości połączenia po stronie użytkownika bez konieczności ograniczania przepustowości połączenia.

Liderem w wykorzystaniu technologii AirFiber w paśmie 60 GHz jest w południowej Polsce ISP Airmax.pl, który świadczy usługi dostępu do internetu we Wrocławiu, oferta kierowana jest głównie do do biznesu, jednostek samorządu terytorialnego, urzędów centralnych, placówek oświatowych i innych firm i instytucji.

Zespół Operatorzy.net.pl
16.03.2017r.