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Chapter 15 IEEE 802.11 a/n

Chapter 15 IEEE 802.11 a/n. 2009. 5. 29 Man-Geun Cho nhyk9217@sju.ac.kr. Contents. IEEE 802.11a IEEE 802.11a 규격 및 블록 IEEE 802.11a 성능분석 IEEE 802.11a 프레임 포맷 IEEE 802.11a 동기부 IEEE 802.11a PLCP IEEE 802.11n IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 IEEE 802.11n 프레임 구조. IEEE 802.11a (1).

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  1. Chapter 15IEEE 802.11 a/n 2009. 5. 29 Man-Geun Cho nhyk9217@sju.ac.kr

  2. Contents • IEEE 802.11a • IEEE 802.11a 규격 및 블록 • IEEE 802.11a 성능분석 • IEEE 802.11a 프레임 포맷 • IEEE 802.11a 동기부 • IEEE 802.11a PLCP • IEEE 802.11n • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 • IEEE 802.11n 프레임 구조

  3. IEEE 802.11a (1) • IEEE 802.11a 주요 파라미터 • IEEE 802.11a 에서는 5GHz의 U-NII 대역을 사용하는 고속 물리계층을 규정

  4. IEEE 802.11a (2) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 • IEEE 802.11a 무선 모뎀의 블록도 연결1 연결1 연결2 연결2

  5. IEEE 802.11a (3) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • IEEE 802.11a 전송률에 따른 파라미터

  6. IEEE 802.11a (4) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • Scrambler • 송신단 • 전송시에 가상 랜덤 non-zero 상태로 초기화 • 127 bits 단위의 반복적인 시퀀스 생성 • 수신단 • 초기상태는 scrambler 0으로 초기화 • 처음 7 bits를 사용해 송신 단계의 scrambler 초기 상태를 추정 • Scrambler 블록도

  7. IEEE 802.11a (5) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • 컨볼루션 부호기 • Constraint length = 7, code rate =1/2 (133,171)

  8. IEEE 802.11a (6) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • 컨볼루션 부호기 • Puncturing을 통해 2/3 ,3/4 부호율 사용

  9. IEEE 802.11a (7) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • Interleaving • interleaver는 블록 크기가 한 OFDM 심볼에 실리는 부호화된 비트수, 즉 안 블록 Interleaver 사용. • 크기는 전송률에 따라 최소 48bits에서 최대 288bits의 범위를 가짐) • Interleaving 두 단계에 걸쳐 이루어짐 • 인접한 비트가 서로 인접하지 않는 부반송파에 실리도록 하기 위한 과정 • 데이터 심볼 맵핑 성상도에서의 비트 위치를 변경해주는 역할 :파라미터를 초과하지 않는 최대 정수 : 하나의 부반송파에 실리는 비트수

  10. IEEE 802.11a (8) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • Deinterleaver 과정 • Modulator • 전송률에 따라 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM으로 변조 • 변조방식에서 같은 평균 전력을 갖도록 하기 위해 정규화 함

  11. IEEE 802.11a (9) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • Pilot symbol • 각 OFDM 심볼에는 4개의 부 반송파가 잔류 위상 옵셋을 보상하기 위하여 파일럿 부반송파로 할당 • pilot은 -21, -7, 7, 21번째 부 반송파에 위치함

  12. IEEE 802.11a (10) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • OFDM 변조 • OFDM 물리계층의 파라미터

  13. IEEE 802.11a (11) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • OFDM 변조 (cont’d) • 48개의 데이터 심볼의 부 반송파 맵핑 함수 • 52개의 부 반송파와 IFFT 입력사이의 맵핑 관계

  14. IEEE 802.11a (12) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • 심볼 파형 성형 • IFFT에 의해 발생된 OFDM 심볼은 시간영역 윈도우에 의해 파형 성형 후 송신 • 시간영역 윈도우 주기 T는데이터 OFDM 심볼의 주기와 같으며, 초기동기화를 위한 훈련 심볼에는 그 두 배의 길이를 갖는 윈도우 사용 • 윈도우를 적용함으로써 연속되는 심볼간에 유연한 천이가 일어나도록 할 수 있는데 , 이 때 전송 신호의 대역외 스펙트럼의 크기가 감소

  15. IEEE 802.11a (13) • IEEE 802.11a 규격 및 블록 (cont’d) • 심볼 파형 성형 (cont’d) • 윈도우 크기 는 아래와 같이 정의 • 천이 시간 일 때 윈도우 값

  16. IEEE 802.11a (14) • IEEE 802.11a 성능분석 • BER 성능 분석을 위한 가정 • OFDM 심볼 동기 및 반송파 주파수 동기 오차 없이 추정 • 등화기 계수 값 오차 없이 추정 • 수신단에서는 단일 탭 등화기와 truncation path 의 길이가 35인 경판정 복호기 사용 • BPSK/QPSK 와 M-QAM 변조방식의 해석적 BER

  17. IEEE 802.11a (15) • IEEE 802.11a 성능분석 (cont’d) • 단일 부 반송파 VS 다수개의 부 반송파 성능 비교

  18. IEEE 802.11a (16) • IEEE 802.11a 성능분석 (cont’d) • 채널 코딩에 따른 성능 평가

  19. IEEE 802.11a (17) • IEEE 802.11a 성능분석 (cont’d) • AWGN 환경에서IEEE 802.11a 성능 평가

  20. IEEE 802.11a (18) • IEEE 802.11a 성능분석 (cont’d) • 옥내 환경에서 IEEE 802.11a 성능 평가

  21. IEEE 802.11a (19) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 • IEEE 802.11a PPDU(PLCP protocol data unit) • PLCP preamble, PLCP header, PSDU, Tail bits, Pad bits로 구성 • Rate, reserve, length, parity, tail bits 는 가장 안정적인 BPSK 변조와 ½부호화를 거쳐 전송 • PLCP header의 service, PSDU, tail,pad bits 는 data 필드로 정의되고 rate에 정의된 전송률로 전송

  22. IEEE 802.11a (20) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 (cont’d) • PLCP preamble • 동기화를 위해 사용되며 OFDM packet의 앞부분에 전송 • PCLP preamble 으로 이루어진 10개의 short training 심볼과 과 이루어진 2개의 long training심볼로 구성 • : 신호검출, AGC, diversity selection을 위해 할당 • : 대략적인 반송파 주파수 옵셋과 심볼동기 옵셋 추정 • : 세밀한 반송파 주파수 옵셋과 채널 추정을 수행

  23. IEEE 802.11a (21) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 (cont’d) • PLCP preamble (cont’d) • short training sequence • Long training sequence 0번째 입력(DC)

  24. IEEE 802.11a (22) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 (cont’d) • Signal field • Data field에서 사용될 전송률과 전송될 packet 길이에 대한 정보 포함 • BPSK,부호율 로 부호화 하고 가장 낮은 전송률 6Mbps로 전송

  25. IEEE 802.11a (23) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 (cont’d) • Data field • Data field 는 service, PSDU,tail, pad field 로 구성 • Service field • 모두 0 값을 갖는 16bits로 구성되며 처음 7bits는 descrambler를 초기화 하기 위해 사용 • PSDU • MAC layer로부터 내려온 data unit • Tail bits • Convolution 부호기를 ‘0’상태로 되돌리기 위해 사용 • Convolution 부호기의 에러 확률 감소 • PSDU 다음의 6개의 scramble된 bits를 0으로 바꾸어 줌으로써 tail bits 형성

  26. IEEE 802.11a (24) • IEEE 802.11a 프레임 포맷 (cont’d) • Data field (cont’d) • Pad bits • 최소 6 bits로구성되지만 signal field에 정의된 PSDU의 길이로 부터 계산 • OFDM 심볼수 , data field bit 수 라 한다면 pad bit 수 는 아래와 같이 계산 함수는 파라미터 보다 같거나 큰 최소 정수

  27. IEEE 802.11a (25) • IEEE 802.11a 동기부 • 일반적으로 burst 모뎀의 수신단에서는 preamble을 사용하여 데이터를 전송 이전에 초기 동기화 • 이러한 초기 동기는 burst하게 데이터를 전송하는 시스템의 성능에 크게 영향 • IEEE 802.11a preamble • 주기가 16, 64 sample인 두종류의 training 심볼로 정의 • 한 샘플의 주기는 50ns, preamble의 전체는 16us

  28. IEEE 802.11a (26) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • IEEE 802.11a preamble (cont’d) • Short training 심볼의 상관함수 특성

  29. IEEE 802.11a (27) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • IEEE 802.11a preamble (cont’d) • Long training 심볼의 상관함수 특성

  30. IEEE 802.11a (28) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 반송파 주파수 옵셋 동기부 • Training 심볼을 이용하여 주파수 옵셋 추정 • 수신된 두 반복 신호의 자기 상관함수를 이용한 Moore 방식이 적합 • 수신신호의 자기 상관을 이용하기 때문에 타이밍 옵셋과 다중경로 채널이 존재하는 경우에도 영향을 받지 않고 주파수 옵셋 추정 • 반복 주기가 D로 주어질 경우에 수신된 시간영역 신호 사이에는 반송파 주파수 옵셋에 의해 각각 , 만큼의 위상변화 • 두 신호의 위상차이와 반송파 주파수 옵셋의 추정범위 • Short training : N=64, D=16 이기 때문에, • Long training : N=D=64 이기 때문에,

  31. IEEE 802.11a (29) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 반송파 주파수 옵셋 동기부 (cont’d) • 반송파 주파수 옵셋 추정 성능

  32. IEEE 802.11a (30) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 반송파 주파수 옵셋 동기부 (cont’d) • 반송파 주파수 옵셋 추정 범위와 정확도

  33. IEEE 802.11a (31) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 채널 추정부 • IEEE 802.11a와 같이 burst data를 전송하는 모뎀의 경우에는 데이터 전송시간이 짧고 그 시간 동안 채널이 크게 변하지 않기 때문에 전송의 초기 단계에서 training 신호를 사용하여 채널을 추정 • LS 채널 추정 기법을 IEEE 802.11a의 long training 심볼에 적용한 성능

  34. IEEE 802.11a (32) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 잔류 위상 추적부 • 초기 반송파 주파수 동기화 이후 잔류 반송파 주파수 옵셋 • 작은 주파수 옵셋도 시간이 지나감에 따라 옵셋의 위상이 증가 • 옵셋의 위상 왜곡이 시스템에서 변조방식에 따른 위상 오차 허용 범위를 넘어서게 되면 수신 데이터의 오류가 발생 • 오류가 발생하기 시작하는 위상 변화량과 심볼 수

  35. IEEE 802.11a (33) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 잔류 위상 추적부 (cont’d) • Pilot 신호를 이용하여 다음과 같이 잔류 위상 옵셋 추적 및 보상

  36. IEEE 802.11a (34) • IEEE 802.11a 동기부 (cont’d) • 잔류 위상 추적부 (cont’d) • 잔류 위상 옵셋 추적 성능 비교

  37. IEEE 802.11a (35) • IEEE 802.11a PLCP • IEEE 802.11a 물리계층은세 기능 블록으로 구성 • PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) • MAC에서 필요한 물리계층 서비스로의 변환 또는 MAC에서 발생된 서비스를 물리계층에서 요구되는 신호형태로 변환 • PMD (Physical Medium Dependent) • OFDM 방식을 사용하여 2개 또는 그 이상의 스테이션과 데이터를 무선으로 송.수신 하는 역할 • PLME(Physical Layer Management Entity) • MAC management entity 와 연동하여 물리계층의 기능을 관리 • PLCP와 PMD 사이의 PMD SAP를통하여 서비스 프리미티브 전달

  38. IEEE 802.11a (36) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • IEEE 802.11a 의 데이터 링크 계층과 물리 계층

  39. IEEE 802.11a (37) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • 서비스 프리미티브 파라미터 • Peer와 peer간 또는 부계층과 부계층간의 상호작용을 위한 PHY SAP서비스 프리미티브 파라미터 • MAC state machine이 MLME라고 정의된 부계층에 존재 • MLME는 어떤 PMD구현을 할 경우 PHY SAP 프리미티브를 사용하여 PLME와 연동하여 동작 • 연동하여 동작할 때 PHY서비스 프리미티브 내에 정의된 파라미터 벡터는 TXVECTOR와 RXVECTOR

  40. IEEE 802.11a (38) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • 서비스 프리미티브 파라미터 (cont’d) • TXVECTOR 파라미터 40

  41. IEEE 802.11a (39) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • 서비스 프리미티브 파라미터 (cont’d) • RXVECTOR 파라미터

  42. IEEE 802.11a (40) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • 송수신 절차 • 송신 절차 42

  43. IEEE 802.11a (41) • IEEE 802.11a PLCP (cont’d) • 송수신 절차 (cont’d) • 수신 절차 43

  44. IEEE 802.11n (1) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 • 기존 무선랜과 호환성을 유지하면서 고속의 데이터를 보내기 위한 MIMO 무선랜 시스템 • IEEE 802.11b와 MAC 레벨에서 호환성을 보장하고, preamble 및 물리계층 특성을 11a/g와 호환 가능하게 구성 • 기본 모드와 옵션모드의 2가지 모드로 구성 • 송신 안테나는 2개를 사용하고 옵션으로 4개까지 고려 • 802.11a와의 호환성 때문에 20MHz를 기본으로 정하고 옵션으로 40MHz까지 고려 • 안테나 수의 증가와 추가 대역폭의 지원으로 인해 전송률 600Mbps까지 가능 • 20MHz 대역폭에서 56개, 40MHz 대역폭에서 114개 부반송파 개수 사용 • 변조 방식은 BPSK에서 64-QAM 까지 기본으로 지원하며, 옵션으로 빔형성 모드에서는 256-QAM 까지 지원 44

  45. IEEE 802.11n (2) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • IEEE 802.11n의 물리계층 주요 파라미터 45

  46. IEEE 802.11n (3) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • IEEE 802.11n의 타이밍 관련 파라미터 및 송수신단 블럭도 46

  47. IEEE 802.11n (4) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • IEEE 802.11n의 타이밍 관련 파라미터 및 송수신단 블럭도

  48. IEEE 802.11n (5) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • Scrambler/ Parser encoder • 무선감청에 의한 security를 위함 • Scrambler : 802.11a와 동일하게 사용 • Parser encoder : FEC encoder 개수만큼 분할 • FEC encoder • 보호구간이 800ns 일 때 데이터 전송율이 300Mbps 이상의 MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨이 사용되는 경우를 제외하고는 802.11a 와 같은 convolution code 사용 • HT(High troughput) 포맷을 사용시 높은 에러정정 효과를 얻기 위한LDPC 사용 • Stream parser • 부호화된 데이터 비트를 공간적으로 멀티플렉싱된 스트림의 개수로 분할 • 분할 방식은 각 부호화기에 대하여 round robin 방식으로 순차적 분할 48

  49. IEEE 802.11n (6) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • Interleaver • Convolution 부호화를 사용한 경우에 한해서 적용 • Stream parser를 통과한 신호에 대하여 IEEE 802.11a와 유사 • 열 방향으로 입력하고 행 방향으로 출력하는 것을 기본 구조로 사용 • 대역폭에 따라 행과 열의 길이가 다름 • 스트림의 개수가 1이상일 경우 주파수 회전 작업 수행 49

  50. IEEE 802.11n (7) • IEEE 802.11n 규격 및 기본 블록 (cont’d) • Interleaver (cont’d) • 공간 스트림이 한 개일 경우 • 하나 이상의 공간 스트림일 경우 50

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