Introduzione alloStandard IEEE 802.11ay

Introduzione ad IEEE
802.11ay
Andrea Sghedoni - Presentazione di SRW @ Alma Mater Studiorum, Università di Bologna Introduzione ad IEEE 802.11 ay
Andrea Sghedoni, MATR. 0000736038, A.A. 2015/2016
Corso di Sistemi e Reti Wireless

INDICE
● Introduzione
● Casi d’uso
● Requisiti funzionali
● Channel Model
● Mobilità
● Tecnologia MIMO
● Conclusioni
Andrea Sghedoni - Presentazione di SRW @ Alma Mater Studiorum, Università di Bologna Introduzione ad IEEE 802.11 ay 2/26

● Standard IEEE per Wireless LAN
● Estensione del preesistente standard 802.11ad
● Gruppo di lavoro Task Group ay
● Approvato nel Marzo 2015
● Presunta data di pubblicazione Dicembre 2019
Cos’è IEEE 802.11ay ?

● Estendere ed integrare l’802.11ad rendendolo compatibile con
nuovi scenari, ambienti di utilizzo e casi d’uso
● Permettere la comunicazione wireless utilizzando onde
millimetriche (mmWave), con frequenze intorno ai 60GHz
(Extra High Frequency)
● Gestire la mobilità delle stazioni coinvolte nella comunicazione
● Data rate elevati con target massimo sui 20 Gbps
Obiettivi e caratteristiche

● Comunicazione Ultra Short Range tra un chiosco ed un device portatile
● Comunicazione in Line-Of-Sight, minimizzando la probabilità di interferenza
● Goal principale:
○ Sincronizzare dati/files, reperire contenuti multimediali di diversi Gb,
offerti dal chiosco, nell’ordine del secondo
● Data rate sui 10 Gbps, circa 10 volte maggiore rispetto all’802.11ad
● Esempi:
○ Stazioni, aeroporti, spazi pubblici
Caso d’uso 1 - Ultra Short Range Communication

Caso d’uso 1 - Ultra Short Range Communication

● Riproduzione simultanea di
contenuti streaming su device
client
● Numero importante di client posti
in una sala conferenze/show room
che mostrano contenuti streaming
in simultanea
● APs sul soffitto per minimizzare le
interferenze dato che la
comunicazione non è più
nell’ordine del centimetro
Caso d’uso 2 - Distribuzione Video/Mass-Data

● Considera device mobili con interfacce di rete 4G e più interfacce WiFi
● Considera device mobili con possibilità di fare switch tra tecnologie
diverse
● Caso d’uso illustrato dai documenti ufficiali TG prevede un utente che,
durante una videochiamata, entra nel range di un Hotspot 802.11ay
● Il device utente quindi dovrebbe accorgersi dell’Hotspot e fare switch
nella tecnologia 802.11ay, portando all’utente benefici in QoS, QoE dei
contenuti streaming, dato l’alto data rate offerto dallo standard
● Gestione della bassa mobilità (pedoni)
Caso d’uso 3 - Mobile Offloading and MultiBand

● Dipende anche dal caso d’uso/ambiente in cui si intende utilizzare la tecnologia
● In linea di massima si richiede:
○ Banda di frequenza
■ 57 GHz - 64 GHz
○ Data rate
■ al più di 20Gbps (cercando di avvicinarcisi sempre di più)
○ Retrocompatibilità con stazioni multigigabit 802.11ad e con gli altri standard preesistenti che
operano nella banda di frequenza in questione
○ Range
■ sui 10 m indoor
■ almeno 100 m outdoor
○ Supporto degli ambienti outdoor
○ Supporto alla bassa mobilità
Requisiti funzionali

● Si occupa di rappresentare ed analizzare il canale di comunicazione della
tecnologia
● Necessità, in fase progettazione, di descrivere ed individuare le componenti di
segnale utili che giungono alla stazione ricevente
● 802.11ad si basava su ray-tracing puro
● Il ray tracing non riesce a descrivere al meglio i contributi delle onde radio in
ambiente indoor ampi ed ambienti outdoor
● Vi potrebbero essere contributi di onde radio, riflesse da oggetti presenti in
modo aleatorio nell’ambiente che non vengono considerate dall’approccio
deterministico
Channel Model

● L’802.11ay utilizza un approccio ibrido, considerando simultaneamente
componenti deterministiche ed aleatorie:
○ Componente deterministica → deriva dal ray tracing e dallo studio
dell’ambiente
○ Componente stocastica → rappresenta fenomeni che non possono
essere rappresentati a priori(ad esempio il passaggio di un’auto
nell’ambiente o la presenza di oggetti non prevedibile a priori)
○ Componente empirica → rilevazioni e testing di invio/ricezioni radio
nell’ambiente considerato
Channel Model - approccio

● Modello descritto prende il nome di Quasi-Deterministic Approach, dove la
quantità di segnale utile sulla stazione ricevente può essere interpretata come
l’aggregazione di 3 tipi di raggio:
○ Raggi D
■ Componente deterministica e raggi che danno il maggior contributo
al segnale in arrivo
■ Determinati a priori nell’ambiente in cui si utilizza l’802.11ay
■ Raggi diretti in LOS tra TX e RX
■ raggi riflessi di primo/secondo ordine da oggetti considerati costanti
nell’ambiente (es il suolo)
Channel Model - Quasi-Deterministic Approach(1)

● Raggi R
■ Componente stocastica
■ Raggi riflessi da oggetti non considerabili deterministicamente a
priori, dipendenti dall’ambiente in cui si va ad operare
● Raggi F
■ Componente stocastica
■ Introdotti per ambienti dinamici
■ Componente che rappresenta raggi riflessi
■ Possono portare contributi importanti di segnale al RX
■ Considerati per un Δt limitato

● Fondamentale importanza se si vuole adottare lo standard con device
mobili in ambienti outdoor
● Movimento della stazione RX → Effetto Doppler
● Questo, combinato con i ritardi degli echi sulla stazione ricevente
produce uno scostamento di fase e variazione di ampiezza che può
portare ad ISI
● Si considera un’esperienza che paragona la configurazione di un
canale IEEE 802.11ad con i parametri tipici di un canale mmWave
La mobilità

● Delay spread (Ts
)
○ ritardo degli echi dovuto alla propagazione
multipath
● Banda di coerenza (Bc
)
○ massima separazione in freq per cui due sinusoidi
possono ancora essere correlate in ampiezza,
avendo subito attenuazione e sfasamento simili
○ Bc
= 1/Ts
● Doppler Spread (Bd
)
○ scostamento massimo in frequenza causato
dall’effetto Doppler
○ Bd
= fc
(Δv
) / c
Parametri
● Tempo coerenza canale (Tc
)
○ tempo entro il quale i segnali
subiscono lo stesso tipo di fading
○ Tc
= 1/Bd

● Considerando il canale mmWave in ambiente outdoor:
○ RX con velocità pari a 3 km/h
■ Doppler Spread Bd
170 Hz
■ tempo di coerenza Tc
6ms
○ RX con velocità 120 km/h
■ Doppler Spread Bd
6700 Hz
■ tempo di coerenza canale Tc
0.15ms
→ All’aumentare della velocità RX diminuisce il Tc
portando a fenomeni di
fading temporale
Considerazioni(1)

● Considerando il canale 802.11ad:
○ Banda 11ad (2160 MHz) >>> Banda di coerenza Bc
(~ 300 MHz)
○ Sistema a banda larga
→ Rischio di introdurre ISI e distorsione del segnale in ricezione
Lo Standard 802.11ay dovrà trovare il giusto trade-off per non introdurre
ISI e fading temporale nelle proprie trasmissioni
Considerazioni(2)

● 802.11ad utilizza prevalentemente la tecnologia SISO
● Tecnologia MIMO:
○ utilizzare sistemi di multi antenne sulla stazioni riceventi e trasmittenti per
aumentare la capacità del canale trasmissivo
○ Questo permette agli array multi antenna di comprendere più simboli in
simultanea, aumentando di conseguenza il numero di bit in ricezione
○ Sottoclassi:
■ SU-MIMO → La comunicazione rimane 1:1 tra TX e RX
■ MU-MIMO → Stream dati in simultanea per la comunicazione con più utenti
riceventi
Tecnologia MIMO

● tecnica per potenziare il segnale in ricezione, direzionando lato
trasmittente la propagazione verso la direzione RX
● rispetto all’antenna omnidirezionale cerca di indirizzare il segnale verso
dispositivi target, identificati come riceventi
● funziona bene per le brevi distanze, ottenendo un buon rapporto segnale
utile/rumore
● Utilizzo di Phased-Array Antenna, direzionando il lobo principale con
maggior guadagno verso una antenna RX
Beamforming

● Per ottenere tutti i benefici che il MIMO si prefigge:
Tecniche MIMO
1. Separazione spaziale
● Predisporre gli array ad una giusta
distanza tra loro per evitare interferenze
2. Separazione polarizzazione
● Polarizzare nella stessa maniera array
che si intendono far comunicare, ed in
maniera diversa dagli altri
3. Hybrid beamforming
● Gli array cercano di non propagare
segnale in eventuali direzioni di
interferenza

● Casi d’uso:
○ Home theater
○ Sync-and-Go
● Antenne PAA:
○ 1x4 elementi smartphone
○ 1x8 Laptop e TV
● Obiettivo:
○ Mostrare differenze di performance ed eventuali benefici della tecnologia
MIMO, comparandola con la tecnologia SISO, variando inoltre le
tecniche viste nella slide precedente
Esperienza

● Nei primi 1,5 m il throughput (14 Gbps) è
completamente raddoppiato rispetto al
SISO (7 Gbps)
● Dai 3,5 m il SISO diventa più performante
del semplice MIMO, mentre il MIMO Hybrid
beamformed continua su prestazioni
elevate
Risultati Home Theater

Risultati Sync-and-Go
● Andamento simile al caso precedente, con
semplice MIMO più performante sotto gli
0,5 m
● MIMO Hybrid beamformed continua su
prestazioni elevate per le distanze
considerate
● Le distanze sono minori a causa dei
requisiti del caso d’uso e del minor numero
di elementi negli array PAA dello
smartphone

● Introduzione all’802.11ay definendo Casi d’uso, requisiti funzionali e Channel
Model
● Quasi-Deterministic Approach introducendo aleatorietà per ambienti dinamici
● Si prefigge il goal di lavorare su frequenze dei 60GHz con data rate sui 15-20
Gbps
● Necessità di gestione della mobilità dei device, evitando di introdurre ISI e
fading temporale nelle comunicazioni
● Adottare tecnologia MIMO in maniera che porti benefici
● Fine lavori previsti nel dicembre 2019
Conclusioni

● [1] Task Group IEEE 802.11ay, “Standard IEEE 802.11ay”,
http://www.ieee802.org/11/Reports/tgay_update.htm, Mar. 2015 –In corso
○ Documenti della Tgay:
■ Usage model
■ Functional requirements
■ Channel model
● [2] A.Maltsev, A.Sadri, C.Cordeiro, A.Pudeyev, “Practical LOS MIMO Technique for Short-Range
Millimeter-Wave systems”,http://ieeexplore.ieee.org/document/7324501/ , Nov. 2015
● [3] A.Maltsev, I.Bolotin, A.Lomayev, A.Pudeyev, “User Mobility Impact on Millimeter-Wave
System Performance”, http://ieeex-plore.ieee.org/document/7481505/ , Apr. 2016
● [4] A.Maltsev, I.Bolotin, A.Lomayev, A.Pudeyev, “Channel modeling in the next generation
mmWave Wi-Fi: IEEE 802.11ay standard”, http://ieeexplore.ieee.org/document/7499315/ ,
Giu.2016
Bibliografia

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