Beamforming - strålformning


Strålformning är när man på något sätt kan rikta energin som strålar ut från sändarantennen, eller rikta mottagarens känslighet på samma sätt. Man skapar alltså en riktantenn som skickar strålningen i en bestämd riktning, snarare än åt alla håll på en gång. Låter man bli att skicka signalen dit där ingen lyssnar utan koncentrerar sig på att pejla in den mottagande datorn och skicka all energi dit, ökar chansen att data ska komma fram i bättre skick.

Men en gammaldags vanlig riktantenn är inte till mycket nytta i en accesspunkt som ska hantera många arbetsstationer. Istället behövs en styrbar antenn, en sk adaptiv riktantenn (adaptive antenna), som kan riktas åt valfritt håll på elektronisk väg. I praktiken brukar man utföra det med flera likadana enkla antennelement som man förser med samma radiosignal, men något fasförskjuten så att den konstruktiva interferensen på långt avstånd (fjärrfältet) får det att verka som om man har en riktantenn.

Strålningsdiagrammen ovan visar ungefär vad man kan åstadkomma med de vanliga tre sprötantennerna som de flesta trådlösa accesspunkter har idag. Strålarna blir inte direkt som ljuskäglan från en ficklampa utan mera som en dusch inställd på dimma. Det blir inte en stråle heller, utan två. Men det är ändå oerhört mycket bättre än en rundstrålande nod. Man kan vrida antenndiagrammet så att den åsyftade terminalen hamnar i en av framloberna och förstärks. Samtidigt hamnar eventuella störningar förhoppningsvis i bakloberna och dämpas. Det går att definiera loberna bättre med flera sprötantenner. Upp till sex antenner förekommer.

Vill man ha en skarp stråle får man skaffa sig en hel antennmatta, ungefär som i en missilradar, som den i bilden ovan, engelska Fylingdale.

Man snurrar mottagningsloben runt, runt accesspunkten många hundra gånger i sekunden för att ta reda på i vilka riktningar man hör de olika stationerna bäst. Det behöver inte vara rakt på, utan det mycket väl vara att en reflex hörs bättre. Men riktningen är inte statisk, eftersom bärbara datorer flyttar på sig hela tiden och människor på ett kontor rör sig i vägen för strålen eller reflexen, varför intensiteten måste mätas om hela tiden.

Dessutom går det inte att veta hur terminalens antenn vänder, vertikalt eller horisontellt, eller något mitt emellan. Därför måste accesspunkten ha en möjlighet att vrida sin polarisation för att få bästa möjliga signal.

Det amerikanska företaget Ruckus har gjort sin egen, mycket bättre variant på riktbara antenner, som vi ska se nedan.

Fattar du det där med böjbara sprötantenner? Det går inte att förstå vad det kan bli för strålningsdiagram med antennerna spretande så här och det förstår nog inte accesspunkten heller. Det är bara fotografen som tycker det är snyggt. Avsikten är naturligtvis att man vill medge en möjlighet att anpassa strålningens polarisation till arbetsstationerna, men det är dömt att misslyckas, kanske främst för att man aldrig kan veta arbetsstationernas polarisation. Istället tappar man riktverkan.

Det andra kravet för att Mimo ska fungera är att arbetsstationen också har tre eller fler antenner som kan sända och ta emot med olika faslägen. Med i allt detta får man räkna med alla ledare i den bärbara datorn och människan som sitter framför den.


Verkligt antenndiagram för bärbar dator. Bild: Jerzy Gutermann

Tyvärr blir strålningsdiagrammet inte så värst optimalt i verkligheten eftersom människan, som inte alls kan liknas vid ett metalliskt plan, har oregelbunden form och absorberar en del av strålningen. Detta är givetvis anledningen till att de ståtliga utannonserade 900 Mbps mycket sällan uppnås i praktiken. Bilden ovan visar förhållandet med en bärbar dator med fyra Mimo-antenner. Med en smart telefon i handen blir diagrammet ännu miserablare. Vi ska nog vara glada att det fungerar så bra som det faktiskt gör.

802.11a-z-standarder


Som det ser ut nu finns trådlösa nät i varianter från 802.11-ingenting till 802.11aq med allt från kapaciteter på 1 Mbps upp till knappa 7 Gbps och bärvågsfrekvenser från 54 MHz för de numera övergivna TV-banden (white frequencies) upp till millimetervåg. En del av dessa är för närvarande bara förslag, men nätverk på 60 GHz har standardiserats. Tabellen nedan visar bara de viktigare standarderna.
 

Standard Fq band GHz Band- bredd MHz Spat. data- str Kap. per ström (Mbps) Sam- man- lagd kap. Modu- lation Annat
802.11 2,4 20 1 1-2 DSSS, FHSS
802.11a 5 20 1 6-54 OFDM
802.11b 2,4 20 1 1-11 DSSS
802.11e Quality of Service
802.11g 2,4 20 1 6-54 OFDM, DSSS 16-, 64-QAM
902.11h Channle change
802.11n 2,4/5 20 4 7,2-72,2 OFDM Strålformning, 16-, 64-QAM
40 4 15-150
802.11ac 5 20 8 ...87,6 OFDM 16-, 64-, 256-QAM, MU-MIMO
40 8 ...200
80 8 ...433
160 8 ...887
802.11ad 2,4/ 5/ 60 20-160 8 866 6912 OFDM
802.11af 0,054- 0,79 6-8 4 26-35 427-569 OFDM
802.11ah <1 0,1 stora sensornät

.
Anmärkningar

De olika kapaciteterna per dataström kommer av den typ av modulation som väljs. Blir störsituationen för svår väljer men enklare modulation men får böta med lägre kapacitet. I 802.11n kan man pröva 77 olika kombinationer av modulationer, kanalbredder, underbärvågor och dataströmmar.

Alla övriga delar av 802.11 finns på http://en.wikipedia.org/wiki/802.11

802.11h channel change announcement medger att accesspunkten kan lyssna på alla kanaler och prova runt efter den som ger bäst flöde och sedan be arbetsstationera växla till denna. Under växlingen får accesspunkten mellanlagra data, så inget data förloras. ISM-bandet vid 5 GHz konkurrerar också med flygradar på så sätt at dess övertoner kan komma in i radarmottagaren. Skulle en 802.11h-kompatibel accesspunkt detektera radarsändningar på en kanal ska den automatiskt lämna den kanalen.

Modulationsmetoderna bredspektrum (DSSS, direct-sequence spread spectrum) förklaras på http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-sequence_spread_spectrum och ortogonal frekvensdelningsmultiplex (OFDM, Orthogonal frequency-division multiplexing) förklaras på http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing.

SISO är inget sisu, men det är miso och mimo


Om du tagit dig igenom de tekniska förklaringarna ovan är det dags att sätta samman alltihop till en fungerande helhet. Man talar lite kryptiskt om antalet inputs och outputs, där input är antalet separata sändare med egen sändarantenn och output är antalet separata mottagare med egen mottagarantenn. Det förutsätts också att antennerna sitter på stort avstånd från varandra, åtminstone mer än en väglängd, så att negativ, utsläckande interferens vid en av antennerna inte ger samma fenomen vid de övriga.

Vanlig, gammaldags Wifi, 802.11-ingenting med en enda antenn i accesspunkt och i terminal är SISO (Single Input Single Output). Med siso kan man inte genomföra strålformning eller någon annan åtgärd för att dra nytta av multipla överföringsvägar. Med miso har man flera sändarantenner och kan utföra strålformning och med mimo kan man både utföra strålformning i sändaren och i mottagaren och dessutom överföra olika data på olika radiostrålar och därigenom höja kapaciteten. Simo är knappast ekonomiskt försvarbart, så det hoppar vi över.

Detta att kunna dela upp den inkommande dataströmmen i flera olika radiostrålar och köra dem olika väg utan att de stör varandra kallas för precoding och eftersom metoden nyttjar flera dataströmmar och riktade strålar kallar man det också ”multi-stream beamforming”. Eftersom de olika strålarna tar olika väg till mottagaren blir resultatet rumsdiversitet eller ”spatial diversity”, varför detta också kallas för ”spatial multiplexing”. Eftersom dataströmmarna tar olika fysiska vägar kallas de för ”spatial data streams”. Det är många fina ord.

Den inkommande dataströmmen delas upp i exempelvis tre skilda strömmar, som då bara kräver tredjedelen så hög kapacitet vid överföringen. Var och en av dataströmmarna får modulera var sin underbärvåg, och det tillgängliga frekvensspektrumet delas upp i tre delkanaler. Metoden kallas OFDM (ortogonal frekvensdelningsmultiplex). Men, tänker du, vilken är skillnaden mot att sända allt på en bärvåg? Det skulle ju ta upp samma bandbredd. Fördelen med OFDM är att om en av delkanalerna skulle drabbas av dämpning, fading, störning eller bortfall, fortsätter de andra två att fungera.


Flervägsutbredning på kontor. Bild: Stefan Berger.

För att kunna utföra precoding måste sändaren och helst även mottagaren ha kännedom om överföringskanalens egenheter, riktningar till den andra parten osv. Detta kallas för att ha channel state information (CSI).

Sändaren måste känna till kanalen så väl att den kan ställa in sina sändarantenner i sådan riktning att det bildas ett lokalt maximum vid den avsedda mottagarantennen och utsläckning vid de övriga mottagarantennerna, som är avsedda för de andra delkanalerna som sänds samtidigt. De andra delkanalerna sänds visserligen på andra frekvenser, men kommer ändå att störa varandra eftersom de ligger så nära. Detta måste i möjligaste mån undvikas om man vill ha upp kapaciteten.

Mottagaren identifierar varje enskild signals ankomstriktning och riktar mottagarantennerna så att det bildas känslighetsminima för de oönskade kanalerna, så att mottagningen störs minst. Det är ungefär samma sak som att säga att mottagaren kan väga signalerna från de olika antennerna för att åstadkomma önskad riktverkan på samma sätt som sändaren.

Ytterligare en metod att klämma ihop data är ”frame aggregation” där accesspunkten plockar ihop flera mindre datapaket till ett större och därmed undviker att slösa bandbredd på att sända så många headers. Mängden nyttodata per datapaket ökas.

Sida 3 / 7

Innehållsförteckning