Wi-Fi 6 Data System Using Beamforming Research

UDC 621.391.8
Publication date: 28.12.2022
International Journal of Professional Science №11-2-2022

Wi-Fi 6 Data System Using Beamforming Research

Исследование системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча

Roschinskiy Roman Sergeevich,
Fedorov Andrey Sergeevich,

1. Engineer of Research and Education Center «Wireless
Infotelecommunication Networks», SPbSUT
2. Engineer of Research and Education Center «Wireless
Infotelecommunication Networks», SPbSUT


Рощинский Роман Сергеевич,
Федоров Андрей Сергеевич

1. Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные
инфотелекоммуникационные сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
2. Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные
инфотелекоммуникационные сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Review article
Аннотация: Ввиду потребности увеличения пропускных способностей, снижения задержек, а также требований по увеличению гибкости, эффективности и масштабируемости сетей Wi-Fi, стандарт шестого поколения претерпел достаточно ощутимые изменения по сравнению с предыдущими версиями стандарта и обзавелся новыми используемыми механизмами, часть из которых успешно показала себя на практике при использовании других технологий, например сетей мобильной связи или сетей Интернета Вещей. В работе представлены результаты моделирования в среде MATLAB системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча, удовлетворяющих требованиям, действующим на территории России.

Abstract: The 802.11ax standard (Wi-Fi 6) is the latest standard in the Wi-Fi family to date. In view of the need to increase bandwidth, reduce latency, as well as the requirements for increasing the flexibility, efficiency and scalability of Wi-Fi networks, the sixth generation standard has undergone quite tangible changes compared to previous versions of the standard and has acquired new mechanisms used, some of which have successfully proved themselves in practice when using other technologies, such as mobile networks or Internet of Things networks. This paper presents the results of modeling in the MATLAB environment of the Wi-Fi 6 data transmission system using beamforming technology that meets the requirements applicable in Russia.
Ключевые слова: 802.11ax, Wi-Fi 6, отношение сигнал-шум, коэффициент битовой ошибки.

Keywords: 802.11ax, Wi-Fi 6, SNR, BER.

Технология Beamforming представляет из себя технологию формирования направленного луча, направленного от передающего устройства к приемному. Технология заключается в определении клиента в пространстве и последующем формировании условий для канала передачи на основе проведенной оценки. Местонахождение клиента и «следование» луча за ним обеспечивается за счет измерения задержек по времени прихода сигнала. Схематично технология Beamforming представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Стандарт Wi-Fi c использованием технологии формирования луча

Исследование системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча может быть осуществлено на базе модели, реализованной в программной среде MATLAB, и позволяет оценить показатель пакетной ошибки в зависимости от отношения сигнал-шум для различных задаваемых параметров передатчика, приемника и радиоканала [1]. Показатель пакетной ошибки (Packet Error Rate – PER) представляет из себя отношение числа пакетов, принятых с хотя бы одной ошибкой, к общему числу пакетов [2]. Структурная схема рассматриваемой модели представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема модели истемы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча

Для проведения моделирования необходимо задать ряд параметров приемника и передатчика. Параметр cfgHE.ChannelBandwidth отвечает за ширину полосы и принимает значения 20, 40, 60 и 160 МГц (значения задаются как ‘CBW20’, ‘CBW40’, ‘CBW80’ и ‘CBW160’ соответственно). Параметрами cfgHE.NumTransmitAntennas и tgaxChannel.NumReceiveAntennas задается количество антенн на передающей и приемной стороне соответственно, формируя таким образом порядок MIMO (в нашем случае задавались значения 2×2, 4×4 и 8×8), также параметром cfgHE.NumSpaceTimeStreams задавалось число формируемых пространственных потоков (в нашем случае задавались значения 2, 4 и 8). Параметром cfgHE.GuardInterval задавалось значение длительности защитного интервала OFDMA (возможны значения 0,8, 1,6 и 3,2 мкс). Параметры cfgHE.ChannelCoding (‘BCC’ и ‘LDPC’) и cfgHE.MCS (от 0 до 11) отвечают за выбор способа кодирования и используемой модуляционно-кодирующей схемы.

Кроме того, необходимо задать размер пакета передаваемых данных, за что отвечает параметр cfgHE.APEPLength (в соответствии с требованиями к РЭС стандарта Wi-Fi 6, действующими на территории России [3] [4], было задано значение в 4096 байт) и параметры симуляции, включающие в себя диапазон отношения сигнал-шум и шаг его перестройки параметром snr (был выбран диапазон от 0 до 50 дБ с шагом в 5 дБ) и число передаваемых пакетов параметром maxNumPackets (значение по умолчанию составляет 100 пакетов, для моделирования и получения более достоверных статистических данных было выбрано значение в 1000 пакетов).

Параметры моделирования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры модели системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча

Параметр Значение
cfgHE.ChannelBandwidth 20, 40, 80, 160 МГц
cfgHE.NumTransmitAntennas 4
tgaxChannel.NumReceiveAntennas 4
cfgHE.NumSpaceTimeStreams 4
cfgHE.GuardInterval 0,8 мкс
cfgHE.ChannelCoding LDPC
cfgHE.MCS 0-11
cfgHE.APEPLength 4096 байт
snr 0-50 с шагом в 5 дБ
maxNumPackets 1000

Результаты моделирования и расчета показателя пакетной ошибки при использовании технологии формирования луча для каналов шириной 20, 40, 80 и 160 МГц при параметрах передачи, указанных выше, представлены в таблице 2 соответственно. Зеленым цветом в таблицах выделены значения показателя пакетной ошибки, которые удовлетворяют требованиям [3] [4], (показатель ошибки не превышает 10 процентов). Красным цветом выделены значения, неудовлетворяющие этим требованиям.

Таблица 2

Результаты моделирования показателя пакетной ошибки в процентах (MIMO 4×4, 4 пространственных потока)

Номер MCS Отношение сигнал-шум, дБ
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Ширина канала 20 МГц
0 100 100 91,7 6 0 0 0 0 0 0 0
1 100 100 100 34,4 0 0 0 0 0 0 0
2 100 100 100 100 64,7 25 4 0 0 0 0
3 100 100 100 100 22,9 0 0 0 0 0 0
4 100 100 100 100 100 91,7 33,3 3 0 0 0
5 100 100 100 100 100 100 30,6 2 0 0 0
6 100 100 100 100 100 100 91,7 15,9 1 0 0
7 100 100 100 100 100 100 100 57,9 22,9 4 0
8 100 100 100 100 100 100 100 84,6 20,8 1 0
9 100 100 100 100 100 100 100 100 68,8 15,9 3
10 100 100 100 100 100 100 100 100 55 9 1
11 100 100 100 100 100 100 100 100 100 61,1 10
Ширина канала 40 МГц
0 100 100 78,6 1 0 0 0 0 0 0 0
1 100 100 100 40,7 0 0 0 0 0 0 0
2 100 100 100 100 78,6 26,8 2 0 0 0 0
3 100 100 100 100 15,1 0 0 0 0 0 0
4 100 100 100 100 100 100 32,4 1 0 0 0
5 100 100 100 100 100 100 22,9 0 0 0 0
6 100 100 100 100 100 100 91,7 15,9 0 0 0
7 100 100 100 100 100 100 100 61,1 15,3 0 0
8 100 100 100 100 100 100 100 78,6 9 0 0
9 100 100 100 100 100 100 100 100 91,7 13,3 0
10 100 100 100 100 100 100 100 100 50 6 0
11 100 100 100 100 100 100 100 100 100 73,3 3
Ширина канала 80 МГц
0 100 100 84,6 0 0 0 0 0 0 0 0
1 100 100 100 20 0 0 0 0 0 0 0
2 100 100 100 100 100 14,3 0 0 0 0 0
3 100 100 100 100 18,3 0 0 0 0 0 0
4 100 100 100 100 100 100 14,5 0 0 0 0
5 100 100 100 100 100 100 22,9 0 0 0 0
6 100 100 100 100 100 100 84,6 9 0 0 0
7 100 100 100 100 100 100 100 100 12,9 0 0
8 100 100 100 100 100 100 100 91,7 5 0 0
9 100 100 100 100 100 100 100 100 73,3 5 0
10 100 100 100 100 100 100 100 100 64,7 0 0
11 100 100 100 100 100 100 100 100 100 84,6 6
Ширина канала 160 МГц
0 100 100 91,7 0 0 0 0 0 0 0 0
1 100 100 100 23,9 0 0 0 0 0 0 0
2 100 100 100 100 100 7 0 0 0 0 0
3 100 100 100 100 5 0 0 0 0 0 0
4 100 100 100 100 100 91,7 13,9 0 0 0 0
5 100 100 100 100 100 100 19,3 0 0 0 0
6 100 100 100 100 100 100 100 6 0 0 0
7 100 100 100 100 100 100 100 100 3 0 0
8 100 100 100 100 100 100 100 100 4 0 0
9 100 100 100 100 100 100 100 100 91,7 2 0
10 100 100 100 100 100 100 100 100 91,7 0 0
11 100 100 100 100 100 100 100 100 100 78,6 1

Таким образом, на основании полученных результатов моделирования можно сделать вывод, что устройства стандарта Wi-Fi 6, использующее технологию формирования луча, позволяет получить меньший коэффициент пакетной ошибки по сравнению с «обычным» устройством при одном и том же отношении сигнал-шум, однако результаты моделирования показали, что коэффициент пакетной ошибки в данном случае носит более случайный характер, что подтверждает трудность реализации данной технологии на практике.

Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 122020100465-3 от 01.02.2022 в ЕГИСУ НИОКТР.

References

1. 802.11ax Compressed Beamforming Packet Error Rate Simulation [Электронный ресурс]. – URL: https://www.mathworks.com/help/wlan/ug/802-11ax-compressed-beamforming-packet-error-rate simulation.html?searchHighlight=802.11ax&s_tid=srchtitle_802.11ax_18 (дата обращения: 17.10.2022).
2. Jin H., Jiang W. Handbook of Research on Developments and Trends in Wireless Sensor Networks: From Principle to Practice. – 2010.
3. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 14 сентября 2010 года №124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц» [Электронный ресурс]. – URL: https://digital.gov.ru/uploaded/files/pr124-10.pdf (дата обращения: 04.03.2022).
4. Приказ Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 06.07.2020 г. № 321 «О внесении изменений в Правила применения оборудования радиодоступа. Часть 1. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц, утвержденные приказом Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 14.09.2010 № 124» [Электронный ресурс]. – URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202008070002 (дата обращения: 04.03.2022).