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.
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.
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…?
