Популярность Wi-Fi-соединения растёт с каждым днём, поскольку огромными темпами увеличивается спрос на этот вид сети. Смартфоны, планшеты, ноутбуки, моноблоки, телевизоры, компьютеры - вся наша техника поддерживает беспроводное подключение к интернету, без которого уже невозможно представить жизнь современного человека.

Технологии передачи данных развиваются вместе с выпуском новой техники

Для того чтобы подобрать подходящую для ваших нужд сеть, необходимо узнать про все стандарты Wi-Fi, существующие на сегодняшний день. Компанией Wi-Fi Alliance разработано более двадцати технологий подключения, четыре из которых сегодня наиболее востребованы: 802.11b, 802.11a, 802.11g и 802.11n. Самым последним открытием производителя стала модификация 802.11ас, показатели которой в несколько раз превышают характеристики современных адаптеров.

Является старшей сертифицированной технологией беспроводного подключения и отличается общей доступностью. Устройство обладает весьма скромными параметрами:

Скорость передачи информации - 11 Мбит/с;
Диапазон частот - 2,4 ГГц;
Радиус действия (при отсутствии объёмных перегородок) - до 50 метров.

Следует отметить, что этот стандарт имеет слабую помехоустойчивость и низкую пропускную способность. Поэтому, несмотря на привлекательную цену этого Wi-Fi-подключения, его техническая составляющая значительно отстаёт от более современных моделей.

Стандарт 802.11a

Эта технология представляет собой улучшенную версию предыдущего стандарта. Разработчики сделали упор на пропускную способность устройства и его тактовую частоту. Благодаря таким изменениям, в этой модификации отсутствует влияние других устройств на качество сигнала сети.

Диапазон частот - 5 ГГц;
Радиус действия - до 30 метров.

Однако все преимущества стандарта 802.11a компенсированы в равной степени его недостатками: уменьшенным радиусом подключения и высокой (по сравнению с 802.11b) ценой.

Стандарт 802.11g

Обновлённая модификация выходит в лидеры сегодняшних стандартов беспроводных сетей, поскольку поддерживает работу с распространённой технологией 802.11b и, в отличие от неё, имеет достаточно высокую скорость соединения.

Скорость передачи информации - 54 Мбит/с;
Диапазон частот - 2,4 ГГц;
Радиус действия - до 50 метров.

Как вы могли заметить, тактовая частота снизилась до 2,4 ГГц, но зона покрытия сети вернулась до прежних показателей, характерных для 802.11b. Кроме того, цена на адаптер стала более доступной, что является весомым преимуществом при выборе оборудования.

Стандарт 802.11n

Несмотря на то, что эта модификация уже давно появилась на рынке и обладает внушительными параметрами, производители до сих пор работают над её улучшением. В связи с тем, что она несовместима с предыдущими стандартами, её популярность невелика.

Скорость передачи информации - теоретически до 480 Мбит/с, а на практике выходит вполовину меньше;
Диапазон частот - 2,4 или 5 ГГц;
Радиус действия - до 100 метров.

Так как этот стандарт до сих пор развивается, у него есть характерные особенности: он может конфликтовать с оборудованием, поддерживающим 802.11n, только потому, что производители устройств разные.

Другие стандарты

Кроме популярных технологий, производитель Wi-Fi Alliance разработал и другие стандарты для более специализированного применения. К числу таких модификаций, исполняющих сервисные функции, относятся:

802.11d - делает совместимым устройства беспроводной связи разных производителей, адаптирует их к особенностям передачи данных на уровне всей страны;
802.11e - определяет качество отправляемых медиафайлов;
802.11f - управляет многообразием точек доступа разных производителей, позволяет одинаково работать в разных сетях;

802.11h - предотвращает потерю качества сигнала при влиянии метеорологического оборудования и военных радаров;
802.11i - улучшенная версия защиты личной информации пользователей;
802.11k - следит за нагрузкой определённой сети и перераспределяет пользователей на другие точки доступа;
802.11m - содержит в себе все исправления стандартов 802.11;
802.11p - определяет характер Wi-Fi-устройств, находящихся в диапазоне 1 км и движущихся со скоростью до 200 км/ч;
802.11r - автоматически находит беспроводную сеть в роуминге и подключает к ней мобильные устройства;
802.11s - организует полносвязное соединение, где каждый смартфон или планшет может быть маршрутизатором или точкой подключения;
802.11t - эта сеть тестирует весь стандарт 802.11 целиком, выдаёт способы проверки и их результаты, выдвигает требования для работы оборудования;
802.11u - эта модификация известна всем по разработкам Hotspot 2.0. Она обеспечивает взаимодействие беспроводных и внешних сетей;
802.11v - в этой технологии создаются решения для совершенствования модификаций 802.11;
802.11y - незаконченная технология, связывающая частоты 3,65–3,70 ГГц;
802.11w - стандарт находит способы усиления защиты доступа к передаче информации.

Новейший и самый технологичный стандарт 802.11ас

Устройства модификации 802.11ас предоставляют пользователям абсолютно новое качество работы в интернете. Среди преимуществ этого стандарта следует выделить следующие:

Высокая скорость. При передаче данных посредством сети 802.11ас используются более широкие каналы и повышенная частота, что увеличивает теоретическую скорость до 1,3 Гбит/с. На практике пропускная способность составляет до 600 Мбит/с. Кроме того, устройство на базе 802.11ас передаёт больше данных за один такт.

Увеличенное количество частот. Модификация 802.11ас оснащена целым ассортиментом частот 5 ГГц. Новейшая технология обладает более сильным сигналом. Адаптер с высоким диапазоном охватывает полосу частот до 380 МГц.
Зона покрытия сети 802.11ас. Этот стандарт предоставляет более широкий радиус действия сети. Кроме того, Wi-Fi-подключение работает даже через бетонные и гипсокартонные стены. Помехи, возникающие при работе домашней техники и соседского интернета, никак не влияют на работу вашего соединения.
Обновлённые технологии. 802.11ас оснащён расширением MU-MIMO, которое обеспечивает бесперебойную работу нескольких устройств в сети. Технология Beamforming определяет устройство клиента и направляет ему сразу несколько потоков информации.

Познакомившись поближе со всеми существующими на сегодняшний день модификациями Wi-Fi-соединения, вы без труда сможете выбрать подходящую для ваших потребностей сеть. Следует напомнить, что большинство устройств содержит стандартный адаптер 802.11b, который также поддерживается технологией 802.11g. Если вы ищете беспроводную сеть 802.11ас, то количество оснащённых ею устройств сегодня невелико. Однако это весьма актуальная проблема и в скором времени всё современное оборудование перейдёт на стандарт 802.11ас. Не забудьте позаботиться о безопасности доступа в интернет, установив сложный код на своё Wi-Fi-соединение и антивирус для защиты компьютера от вирусного ПО.

Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4……2,483 ГГц и в нескольких полосах вблизи 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможны несколько вариантов топологий:

независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Рис. 4.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Рис. 4.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Рис. 4.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Стандарт 802.11 имеет 3 варианта: 802.11a, b и g. Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц

-1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения сигналов (рис. 4.11).

Рис.4.11. Многолучевое распространение сигналов

Идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни, тысячи!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц и десятков миллисекунд.

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 4.12а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 4.12б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T g , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T b увеличивается по сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT b /(T b +T g) раз.

u цис (t)

n инф.символов

u 1 t

u 2 t

u k t

u n t

Рис. 4.12. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальные созвездия при различных видах модуляции представлены на рис. 4.13.

Рассмотрим пример с передачей символов при модуляции 16-КАМ (рис. 4.14).

Рис. 4.13. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi, WiMA, LTE

Рис.4.14. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S k , передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

В примере на рис. 4.14,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(4.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F 1 : F k = kF 1 , а частота F 1 жестко связана с длительностью символа: F 1 = 1/T b . Следовательно, на временном отрезке T b укладывается k волн поднесущей часоты F k . Каждый символ S k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F k . Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u OFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 4.15 показаны поднесущие с частотами F 1 и F 2 и нулевыми начальными фазами на временном интервале T b .

Рис.4.15. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 4.16). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.4.16. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

Рассмотрим, как работает приёмник k -ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(4.2)

На частоте F k = kF 1

На любой другой поднесущей F p = pF 1

Поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.4.17), а на интервале T b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды.

Рис.4.17. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (4.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью точка доступа (АР) в радиоканале вниз и и терминал абонента в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные сигналы , т.е. заранее известные комплексные числа С(n) , принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В защитном интервале T g между символами (рис.4.12) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T g (рис. 4.18).

Рис. 4.18. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (4.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒T b , нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (4.3), а интегралы (4.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T g , на интервале интегрирования T b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (4.4) равны нулю.

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). На 4 поднесущих передают опорные сигналы. Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

Основные характеристики стандарта 802.11а приведены в табл. 4.4.

«Беспроводные сети, существующие и проектируемые, предусматривают некоторые наложения на границе своих сфер применения. Эти технологии сосуществуют, создавая много новых, захватывающих возможностей», - сказал Шон Малоней, генеральный директор группы коммуникаций компании Intel. В статье пойдет речь об особенностях стандарта IEEE 802.11n, будут приведены примеры аппаратного обеспечения, совместимого с данным стандартом беспроводной передачи данных.

Введение

В то время как технология Wi-Fi идеально подходит для развертывания беспроводной сети на небольших площадях, стандарты WiMAX и 3G предусматривают организацию доступа на больших дистанциях, обеспечивая охват от одной до шести миль, предоставляя таким образом доступ к жилым домам, к инфраструктуре населенных пунктов, транспорта и т. д. 3G - спецификация ITU для быстродействующих беспроводных коммуникаций. Этот тип беспроводной связи совместим с GSM, TDMA, и CDMA. Поколение 3G обеспечит беспроводной доступ дальнего действия для передачи голоса и данных.

3G является лучшей альтернативой для мобильных устройств, таких как PDA, КПК и сотовые телефоны. Сверхширокополосный доступ - UWB (Ultra Wide Band) - это проект беспроводной сети класса WPAN, которая может обеспечить высокую скорость передачи данных (до 400 Мбит/с) на коротких дистанциях. Среди наиболее интересных применений сверхширокополосного доступа можно отметить стандарт беспроводного USB (wUSB), который позволит вывести взаимодействие компьютерной периферии и бытовой электроники на принципиально новый уровень.

Сосуществующие одновременно технологии 3G, UWB, Wi-Fi и WiMAX будут обеспечивать обмен данными в любое время, в любом месте, где необходима возможность соединения. Тем временем, наметилась тенденция замедления внедрения оптоволоконных сетей в ожидании новых возможностей беспроводных технологий. Инженеры сосредоточивают свои усилия на разработке беспроводных устройств связи, что позволит популяризировать широкополосные беспроводные коммуникации.

Поскольку наблюдается постоянная тенденция к увеличению производительности устройств и, соответственно, пропускной способности их интерфейсов, наблюдается постоянное развитие стандарта WLAN и появляются новые поколения WLAN.

В ответ на эти тенденции при союзе IEEE была создана группа разработчиков (IEEE TGn) для выполнения разработки стандарта следующего поколения WLAN. По результатам исследования IEEE TGn ведется разработка стандарта IEEE 802.11n, скорость передачи данных в котором будет превышать 100 Мбит/с.

И, что очень важно, технология 802.11n поддерживает все прежние основные платформы, включая корпоративные производственные сети и мобильные платформы, а также бытовую электронику. Два основных положения, на которых «держится» новый стандарт - более широкая полоса пропускания и технология MIMO (Multiple Input Multiple Output, множественный вход, множественный выход) - удовлетворяют высоким требованиям производительности этого поколения сетей WLAN. В то же время, высокая производительность невозможна без реконструкции уровня управления доступом (МАС). Остановимся более подробно на эволюции этого стандарта.

Таблица 1.

Разработка стандарта IEEE 802.11n

Стандарт IEEE 802.11 (WLAN) был принят как дополнительная технология к быстродействующему стандарту IEEE 802. 3 (Ethernet) для портативных и мобильных устройств. Причина успешного применения состоит в том, что он поддерживает увеличение скорости передачи данных при относительно низких затратах. Стандарты IEEE 802.11, IEEE 802.11b и IEEE 802.11a/g обеспечивают скорости передачи данных 2 Мбит, с, 11 Мбит/с, и 54 Мбит/с соответственно.

Рабочая группа IEEE внесла некоторые изменения в 802.1, назвав новую спецификацию 802.11n. Основным требованием при разработке стандарта является получение более высокой производительности и большей скорости передачи данных. Отметим, что разные по цели стандарты IEEE 802.11b/. 11a/. 11g обеспечивают высокоскоростные уровни передачи данных по различным физическим уровням (PHY).

Стандарт IEEE 802.11n должен реализовать высокую производительность при более высоком уровне PHY и увеличении скорости работы уровня управления доступом к среде (МАС). Процесс разработки стандарта IEEE 802.11n имеет три стадии:

стадия 1 - этап подготовки (с января до сентября 2002 г.);
стадия 2 - исследование возможностей увеличения производительности (работа IEEE 802.11 HTSG с сентября 2002 г. до сентября 2003 г.);
стадия 3 - разработка стандарта IEEE 802.11n; работа целевой группы (TGn) в этом направлении началась в сентябре 2003 г. и, как ожидается, закончится в марте 2007 г.

Первое формальное совещание (стадия 1) об увеличении объема передачи данных по стандартам IEEE 802 состоялось в январе 2002 г. в Далласе, штат Техас (США). На этом совещании г-н Джонс (Mr. Jones) представил высокие требования к увеличению скорости передачи данных - более, чем 100 Мбит/с для стандарта IEEE 802.11, и описал технические аспекты реализации, как то: способы модуляции, методики кодирования, сделал обзор методов пространственного мультиплексирования (MIMO) и сообщил о необходимости удвоения полосы пропускания по сравнению со стандартом IEEE 802.11a. В Сиднее участники IEEE 802, встречаясь в мае 2002 г., доказали, что существует теоретический верхний предел производительности протокола IEEE 802.11.

В течение второй стадии проектного решения были установлены пять критериев для развития стандарта:

Широкий рыночный потенциал: то есть возможность широкого применения, многочисленные пользователи и сбалансированные затраты.
Совместимость: для совместимости требуется сохранение МАС интерфейса SAP, что касается уже существующих стандартов 802.11. Новый стандарт должен быть определен в формате и структуре, совместимой с существующими стандартами 802.11.
Отличительная идентичность: каждый стандарт IEEE 802 будет иметь набор отличий от другого стандарта IEEE 802.
Техническая выполнимость: исследования в первой и во второй стадии проекта показали техническую выполнимость стандарта. Кроме того, в настоящее время уже есть надежные WLAN-решения.
Экономическая целесообразность: экономическая целесообразность включает в себя соотношения известных факторов стоимости, формулирует требования разумной стоимости для реализации стандарта и оценивает общий уровень затрат.

Первая официальная встреча целевой группы IEEE 802.11n (TGN) (стадия 3) имела место в сентябре 2003 г. в Сингапуре. В результате стандарт IEEE 802.11n запланировали полностью издать в марте 2007. Как было выяснено, параметры IEEE 802.11n должны обеспечивать два фактора: повышение производительности уровня МАС и реконструкция PHY.

Если с реконструкцией уровня PHY все более или менее ясно (основное требование - увеличение полосы пропускания), то с уровнем МАС все не так просто. Реконструкция сообщения, то есть разумное сокращение служебных полей наряду с кодированием, называется нормализацией. Нормализуя сообщения, мы достигаем большей производительности (TUL - Throughput Upper Limit) при передаче данных. Существование TUL показывает, что при увеличении скорости передачи данных без сокращения служебной информации (другими словами без проведения нормализации) производительность весьма ощутимо ограничивается даже в тех случаях, когда скорость передачи данных бесконечно высока. Иначе говоря, сокращение служебных разрядов необходимо для стандарта IEEE 802.11с той целью, чтобы достигнуть поставленных требований высокой производительности.

Производительность - TUL - определяется следующим образом:

TUL = 8Ldata / 2Tp+Tphy+Tdifs+Tsifs+(CWmin-1) Tslot/2.

Определить различие между скоростью передачи данных и производительностью помогает нормализация данных. Например, нормализованная производительность равна 1 при 180 Мбит/с в том случае, когда размер полезной информации составляет 100 байт. Нормализованная производительность достигает 70% при 180 Мбит/с, когда размер полезной информации составляет 1500 байт (рис. 1).

Рис. 1. а) Графики зависимости MT и TUL для спецификации IEEE 802.11. б) Нормализованные накладные расходы в зависимости от скорости передачи данных и размера полезной информации

MT - максимальная производительность (maximum throughput);

LDATA - полезная информация в байтах;

Tp, Tphy - служебные разряды преамбулы заголовка физического уровня PHY;

Tslot, Tsifs, Tdifs - таймслоты: короткий (SIFS), дифференцированный (DIFS).

Другой путь для повышения скорости передачи данных стандарта IEEE 802.11 - концепция сжатия цикла МАС. Механизмы сжатия цикла (МСЦ) предоставляют множество преимуществ. Прежде всего, при передаче длинного цикла, можно достичь большей производительности, чем при передаче более короткого цикла. Используя эти механизмы, система может достигнуть большей производительности при передаче более длинных циклов. Другое, более важное преимущество - то, что эти механизмы могут уменьшить служебные разряды. Без этих механизмов передача каждого цикла нуждается в отдельном заголовке. С использованием этих механизмов, наоборот, вместо нескольких заголовков для различных циклов будет использоваться только один. Наконец, применение этих механизмов может способствовать уменьшению средней задержки. В противном случае, второй или более поздний цикл будет передан в намного более позднее время. С этими механизмами информация будет передана намного быстрее. Возникает одна проблема - в том, какой величины должна быть полная длина сжатого цикла. Одно ясно - что число сжатых циклов не должно быть большим, чем порог, при пересечении которого достоверность сообщения не может быть обеспечена. Аналогично, полная длина сжатых циклов должна быть меньше, чем другой порог, который является меньшим или равным порогу фрагментации сообщения.

Цель этих механизмов не состоит в том, чтобы строить огромные сжатые циклы, а подразумевает выбор разумного компромиссного решения. Чрезмерно большие циклы могут иметь плохую эффективность. Кроме того, сжатый цикл не резервирует механизм фрагментации. Фактически, предложенные механизмы требуют, чтобы полная длина сжатого цикла была меньше, чем порог фрагментации. Поэтому получим несжатый цикл, который был первоначально произведен предыдущим механизмом фрагментации. С другой стороны, сжатый цикл не будет фрагментирован, так как полная длина является меньшей, чем порог фрагментации.

Итак, стандарт IEEE 802.11n продолжает совершенствоваться для обеспечения повышения скорости передачи данных. Мы выделяем служебные разряды как фундаментальную проблему неэффективности уровня МАС. Простое увеличение скорости передачи данных «в лоб» однозначно не может помочь в решении проблемы. Не следует забывать, что заголовок является очень большим, если скорость передачи данных высока или размер цикла чрезмерно мал. Поэтому новые эффективные пути модернизации уровня МАС просто необходимы. Предлагается несколько вариантов совершенствования уровня МАС - уменьшать служебные разряды при помощи сжатия цикла. В результате изучения всех аспектов этой проблемы и ее перспектив был сформулирован верхний предел производительности с использованием схемы сжатия цикла. Отдельного рассмотрения заслуживает технология MIMO как базовая для последующих поколений беспроводных сетей. Использование MIMO позволяет добиться:

Высокоскоростной передачи данных, за счет увеличения числа используемых потоков данных;
Обеспечивает возможность установки соединения среди множества потоков данных;
В итоге способствует увеличению скорости передачи данных по сравнению с SISO-системой.

Технология MIMO настолько интересна и многогранна, что ее рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи.

WLAN Plus

Рынок сетей WLAN растет, управляемый бурным ростом мультимедийных возможностей современной электроники. Согласно ABI, по информации на март 2005 г., в 2008 г будут проданы приблизительно 150 млн чипсетов 802.11n WLAN. На настоящий момент в области реализации стандарта 802.11n безусловным лидером в мире является компания Metalink. Компанией разработан и производится чипсет WLAN Plus в соответствии с требованиями стандарта 802.11n (рис. 2).

Рис. 2. Чипсет WLAN Plus

Производитель позиционирует чипсет WLAN Plus как основу беспроводных устройств для таких областей применения, как:

автоматизация зданий и сооружений;
индивидуальное медицинское диагностическое оборудование;
промышленная автоматизация, управление процессами и мониторинг;
управление доступом и освещением;
персональные компьютеры и периферийное оборудование;
потребительская электроника;
IP-телефония.

Технология WLAN Plus обеспечивает высокую производительность и, благодаря своим уникальным техническим возможностям, имеет множество применений, не доступных для аппаратного обеспечения других производителей электронных компонентов. Один из возможных примеров использования чипсета 802.11n показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример использования чипсета 802.11n

Oсновные особенности WLAN Plus

WLAN Plus представляет собой законченное архитектурное решение из двух микросхем - микросхемы обеспечения доступа к физическому уровню PHY с поддержкой технологии MIMO (MtW8150) и микросхемы MAC-уровня MtW8170. Перечислим основные особенности чипсета WLAN Plus:

Поддержка технологии MIMO 2×2 или 2×3, для обеспечения высокой производительности и качества обслуживания.
Рабочий диапазон частот микросхемы PHY 4,9…5,6 ГГц при скорости передачи данных до 243 Мбит/с.
Возможность увеличение диапазона рабочих частот.
Совместимость со стандартом 802.11a и поддержка 802.11b/g.
Соддержка дополнительных схем обеспечения безопасности (WPA2, 802.11i).
Поддержка (WMM) (Wireless Multi-Media) 802.11e.
Встроенная поддержка PCI, Ethernet, и других интерфейсов.

Радиотрансивер MtW8150, структурная схема которого приведена на рис. 4, представляет собой автономную RFIC микросхему с поддержкой MIMO. Это основной элемент в решении WLAN Plus компании Metalink. Отметим, что микросхема имеет встроенный локальный генератор (LО - Local Oscillator, гетеродин), который обслуживает не только микросхему MtW8150, но и доступен для тактирования других элементов схемы. MtW8150 использует прямое преобразование частоты и нуждается во внешнем SAW-фильтре, настроенном на основную полосу частот. Радиочастотный RSSI-детектор позволяет осуществить точный автоматический контроль (AGC) устройства, так же как и достичь лучшего в этом классе устройств устранение интерференции. Для изготовления микросхемы MtW8150 используется техпроцесс на подложке из SiGe. Микросхема помещена в пластмассовый корпус TAPP (Thin Array Plastic Package) размерами всего 11Ч11 мм. Номинальное рабочее напряжение равно 3,0 В, что позволяет без проблем использовать микросхему в портативных устройствах с автономным питанием. Микросхема MtW8150 использует два полных канала RF, предназначенные для того, чтобы обеспечить соответ ствие технологии MIMO стандарта IEEE 802.11n. Кроме того, отметим, что микросхема MtW8150 реализует два приемопередатчика в составе: AGC и RSSI.

Рис. 4. Функциональная схема MtW8150

Архитектурa WLAN Plus

Ключевые особенности архитектуры чипсета (рис. 5) заключаются в следующем:

впервые в мире реализована поддержка 2×2 MIMO в одном чипе;
обеспечена совместимость стандартов IEEE 802.11n и IEEE 802.11a;
поддержка EVM модуляций до QAM 64;
лучшие в классе спектральные характеристики;
использование пространственного мультиплексирования, чтобы передать или принять два независимых потока данных по тому же самому каналу частоты;
две полных и независимых цепи RF;
каналы на 20 МГц для совместимости со стандартом IEEE 802.11a;
разделение частоты одного локального генератора LО между многочисленными цепями чипсета;
поддержка высокоразрядной MIMO (например, 4х4) с реальным функционированием;
поддержка переключения приёмной антенны;
динамическое разделение данных в каналах, чтобы отрегулировать изменяющееся SNR;
обратная связь для калибровки Tx/Rx;
быстрый и простой параллельный интерфейс;
быстрое переключение между приёмом и передачей;
простой интерфейс с baseband-контроллером;
отдельный контроль для каждой цепи RF;
независимый контроль мощности;
поддержка BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM.

Рис. 5. Архитектура WLAN Plus

С этим комплектом разработчики устройств для стандарта IEEE 802.11 могут концентрироваться на развитии их соб ственного приложения вместо того, чтобы сосредотачиваться на проблемах реализации WLAN. Это позволяет существенным образом снизить затраты проекта и обеспечить более быстрый вывод изделия на рынок.

Оценочный комплект

Оценочный комплект (рис. 6) позволяет пользователям проверить оборудование и оценить возможности технологии Metalink WLAN Plus MIMO. Оценочный комплект WLAN Plus позволяет следующие возможности:

оценку возможностей чипсета Metalink MtW8170 и MtW 8150;
разработка приложения для WLAN с учетом особенностей чипсета;
предоставление возможностей быстрого вывода изделия на рынок с минимумом затрат.

Рис. 6. Внешний вид оценочного комплекта

Комплект состоит из двух плат: платы mPCI и платы управления. Плата управления используется совместно с mPCI, чтобы обеспечить дополнительные варианты интерфейса с модулем WLAN Plus MIMO. Плата управления содержит слот mPCI, разъемы интерфейсов Ethernet и USB 2.0 для подсоединения к другим устройствам. Плата mPCI содержит чипсет Metalink WLANPlus MIMO, MtW8170, baseband-контроллер и радиотрансивер MtW8150. Поддерживаются конфигурации MIMO 2×2 и 2×3, а интерфейс mPCI позволяет подсоединять любые устройства, имеющие интерфейс mPCI.

Поддержка программного обеспечения

Оценочный комплект WLAN Plus поставляется с программным обеспечением для операционных систем Windows XP и Linux. Структура программного обеспечения чипсета WLAN Plus приведена на рис. 7. В заключение хотелось бы отметить, что архитектура ПО такова, что позволяет совершенствовать и в будущем добавлять конфигурации, которые в настоящее время не поддерживаются WLAN-системой. Указанный аспект представляется весьма актуальным с точки зрения масштабирования приложений, что особенно важно в современных условиях быстрого роста требований к электронной аппаратуре.

Рис. 7. Структура по WLAN Plus

Повсеместное распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление мобильных технологий со встроенным беспроводным решением (Intel Centrino) привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются прежде всего как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и как средство оперативного доступа в Интернет.

днако конечный пользователь, не являющийся сетевым администратором, как правило, не слишком разбирается в сетевых технологиях, поэтому ему трудно сделать правильный выбор при покупке беспроводного решения, особенно с учетом многообразия предлагаемых сегодня продуктов. Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи, не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, с еще более высокими скоростями передачи. Речь, конечно, идет о семействе протоколов беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят протоколы 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g, 802.11g+, причем на горизонте уже замаячил новый стандарт 802.11n. А если к этому многочисленному семейству добавить еще и такие протоколы безопасности и QoS, как 802.11e, 802.11i, 802.11h и т.д., то станет понятно, что разобраться в этом совсем непросто.

Чтобы облегчить жизнь тем, кто хочет приобщиться к миру беспроводной связи, но не знает, с чего начать, мы решили составить краткое руководство, ознакомившись с которым читатель сможет понять основные различия между протоколами беспроводной связи семейства 802.11 и разобраться с основными принципами функционирования беспроводных сетей.

Физический уровень семейства протоколов 802.11

сновная разница между стандартами семейства 802.11 заключается в способах кодирования информации и в вытекающих из этого различиях в скоростях приема/передачи. В основе всех беспроводных протоколов лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS), которая подразумевает, что первоначально узкополосный (по ширине спектра) полезный информационный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра первоначального сигнала, то есть спектр сигнала как бы размазывается по частотному диапазону. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается значительно ниже мощности исходного сигнала. При этом уровень полезного информационного сигнала может в буквальном смысле сравниваться с уровнем естественного шума, вследствие чего сигнал становится в каком-то смысле «невидимым» он просто теряется на уровне естественного шума.

Для безлицензионного использования в Европе и США (именно в этом спектральном диапазоне работают протоколы семейства 802.11) отводится радиодиапазон от 2400 до 2483,4 МГц, предназначенный для применения в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM) и называемый ISM-диапазоном), а также от 5725 до 5875 МГц, но при этом строго регламентируется мощность передатчиков, которая ограничивается величиной 100 мВт в Европе (ограничения ETSI) и 1 Вт в США (ограничения FCC). Для организации совместного использования радиодиапазона в таких жестких условиях используется технология уширения спектра. В протоколах 802.11b/g применяется технология уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Стандарт IEEE 802.11

Самым первым стандартом беспроводных сетей, послужившим основой для целого семейства протоколов беспроводной связи, был IEEE 802.11. Сегодня уже не существует решений, базирующихся исключительно на этом протоколе, однако он заслуживает отдельного разговора хотя бы потому, что входит как подмножество в протоколы 802.11b и 802.11g.

В стандарте 802.11 предусмотрено использование частотного диапазона от 2400 до 24 835 МГц и скоростей передачи 1 и 2 Мбит/с. Для кодирования данных используется метод DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера. При информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составляет 11Ѕ106 чип/с, а ширина спектра такого сигнала 22 МГц.

Для модуляции синусоидального несущего сигнала (процесс, необходимый для информационного наполнения несущего сигнала) используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).

Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость в 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key).

При информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11Ѕ106 чип/с, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала.

Стандарт IEEE 802.11b

Протокол IEEE 802.11b, принятый в июле 1999 года, является своего рода расширением базового протокола 802.11 и, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, предусматривает скорости 5,5 и 11 Мбит/с. Для работы на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с вместо шумоподобных последовательностей Баркера для уширения спектра используются так называемые восьмичиповые CCK последовательности (Complementary Code Keying, CCK).

Использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бит на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом в обоих случаях символьная скорость передачи составляет 1,385Ѕ106 символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385).

Значения фаз, определяющих элементы CCK-последовательности, зависят от последовательности входных информационных битов. При скорости передачи 11 Мбит/с для однозначного определения ССК-последовательности требуется знание 8 бит (4 дибит) входных данных. Первый дибит входных данных определяет сдвиг по фазе всего символа относительно предыдущего, а остальные 6 бит используются для задания самой CCK-последовательности. Поскольку 6 бит данных могут иметь 64 различные комбинации, то в протоколе IEEE 802.11b при кодировании каждого символа используется одна из 64 возможных восьмиразрядных CKK-последовательностей, и это позволяет кодировать 6 бит в одном передаваемом символе. Поскольку каждый символ дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего символа в зависимости от значения первого дибита и сдвиг фазы может принимать четыре значения, получаем, что в каждом символе кодируется 8 информационных битов.

CCK-последовательности

CCK-последовательности характеризуются тем, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю.

В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с различными фазами. Каждый элемент такой последовательности представляет собой комплексное число из набора следующих восьми значений: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Комплексное представление сигнала это лишь удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала. Так, значение последовательности равное 1 соответствует синфазному к сигналу генератора сигналу (то есть сдвиг фазы отсутствует), а равное –1 противофазному (сдвиг фазы равен p) сигналу и т.д.

Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера заключается в том, что здесь существует не строго заданная последовательность, посредством которой можно было кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей. А поскольку каждый элемент последовательности может принимать одно из восьми значений в зависимости от значения фаз, то можно скомбинировать достаточно большое число разных CCK-последовательностей. Это позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько информационных битов, повышая тем самым информационную скорость передачи.

При скорости передачи 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется уже 4 бит, что и определяет в два раза меньшую информационную скорость. При такой скорости передачи используются уже рассмотренные CCK-последовательности, образуемые по тем же самым правилам, единственное различие заключается в количестве используемых CCK-последовательностей и правиле их выбора.

Для задания всех членов CCK-последовательности используются 4 входных информационных бита, то есть 2 дибита. Первый дибит, как и прежде, задает значение сдвига по фазе целого символа, а второй дибит используется для выбора одной из четырех возможных CCK-последовательностей. Если учесть, что каждый символ к тому же дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего на одно из четырех возможных значений, то это позволяет кодировать в одном символе 4 информационных бита.

Рассматривая возможные скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с в протоколе 802.11b, мы до сих пор оставляли без внимания вопрос, зачем нужна скорость 5,5 Мбит/с, если использование CCK-последовательностей позволяет передавать данные на скорости 11 Мбит/с. Теоретически это действительно так, но только если не учитывать при этом помеховой обстановки. В реальных условиях зашумленность каналов передачи и соответственно соотношение уровней шума и сигнала могут оказаться такими, что передача на высокой информационной скорости (то есть когда в одном символе кодируется множество информационных битов) станет невозможной по причине их ошибочного распознавания. Не вдаваясь в математические детали, отметим лишь, что чем выше зашумленность каналов связи, тем меньше информационная скорость передачи. При этом важно, чтобы приемник и передатчик правильно анализировали помеховую обстановку и выбирали приемлемую скорость передачи.

Кроме CCК-последовательностей, в протоколе 802.11b опционально на скоростях передачи 5,5 и 11 Мбит/с предусмотрен альтернативный метод кодирования пакетное сверточное кодирование PBCC. И именно данный режим кодирования лег в основу протокола 802.11b+ расширения протокола 802.11b. Собственно, протокола 802.11b+ как такового официально не существует, однако данное расширение было в свое время поддержано многими производителями беспроводных устройств. В протоколе 802.11b+ предусматривается еще одна скорость передачи данных 22 Мбит/с с использованием технологии PBCC.

Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) состоит в следующем. Входящая последовательность информационных битов преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного, то есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования, даже в случае возникновения ошибок приема, исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена.

Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции, причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная и даже восьмипозиционная фазовая модуляция.

Как видите, технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), здесь не используется технология уширения спектра за счет применения шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. С этой целью применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

В методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала используются по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK.

При скорости передачи 5,5 Мбит/с для модуляции дибита, формируемого сверточным кодером со скоростью сверточного кодирования 1/2, используется двоичная фазовая модуляция BPSK, а при скорости 11 Мбит/с квадратурная фазовая модуляция QPSK. При этом для скорости 11 Мбит/с в каждом символе кодируется по одному входному биту и скорость передачи битов соответствует скорости передачи символов, а при скорости 5,5 Мбит/с скорость передачи битов равна половине скорости передачи символов (поскольку каждому входному биту в данном случае соответствуют два выходных символа). Поэтому и для скорости 5,5 Мбит/с, и для скорости 11 Мбит/с символьная скорость составляет 11Ѕ106 символов в секунду.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет два отличия. Во-первых, используется фазовая 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже 3 бит. Во-вторых, в схему, кроме сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture) по следующей причине: избыточность сверточного кодера равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных) достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовало три выходных. С этой целью можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер со скоростью сверточного кодирования 2/3, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.

Разобравшись с принципом работы пунктурного кодера, вернемся к рассмотрению кодирования PBCC на скорости 22 Мбит/с в протоколе 802.11b+.

В сверточный кодер (r = 1/2) данные поступают со скоростью 22 Мбит/с. После добавления избыточности в сверточном кодере биты со скоростью потока 44 Мбит/с поступают в пунктурный кодер, в котором избыточность уменьшается так, чтобы на каждые четыре входных бита приходилось три выходных. Следовательно, после пунктурного кодера скорость потока составит уже 33 Мбит/с (не информационная, а общая скорость с учетом добавленных избыточных битов). Полученная в результате последовательность направляется в фазовый модулятор 8-PSK, где каждые три бита упаковываются в один символ. При этом скорость передачи составит 11Ѕ106 символов в секунду, а информационная скорость 22 Мбит/с.

Соотношение между скоростями передачи и типом кодирования в стандарте 802.11b/b+ приведено в табл. 1.

* Скорость 22 Мбит/с относится только к протоколу 802.11b+.

Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт 802.11g является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

При разработке 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b. В результате стандарт 802.11g основан на компромиссном решении: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

В протоколе 802.11g технология кодирования PBCC опционально (но не обязательно) может использоваться на скоростях 5,5; 11; 22 и 33 Мбит/с. Вообще же, в самом стандарте обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи 33, 36, 48 и 54 Мбит/с опциональными. Кроме того, одна и та же скорость передачи может реализовываться при различной технике модуляции. Например, скорость передачи 24 Мбит/с может быть достигнута как при многочастотном кодировании OFDM, так и при гибридной технике кодирования CCK-OFDM.

Единственное, о чем мы пока не упоминали, это техника гибридного кодирования. Чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок/преамбулу со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, то имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично и при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются посредством многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Однако технология CCK-OFDM не единственная гибридная технология: при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передается с помощью CCK-кодов, а данные кадра кодируются посредством PBCC.

Стандарт IEEE 802.11а

Рассмотренные выше стандарты 802.11b и 802.11g относятся к частотному диапазону 2,4 ГГц (от 2,4 до 2,4835 ГГц), а стандарт 802.11a предполагает использование уже более высокочастотного диапазона (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). В США данный диапазон именуют диапазоном нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII).

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний диапазон (от 5,25 до 5,35 ГГц) 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) до 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт 802.11а самым широкополосным в семействе стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов шириной 20 МГц, восемь из которых лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц. При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Протокол 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов используется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяется для передачи данных (Data Tones), а остальные для передачи служебной информации (Pilot Тones).

Частотное ортогональное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM)

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку в результате интерференции некоторые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а другие, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте. В отношении многолучевой интерференции различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

В технологии OFDM в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, что создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. И хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить более точно, то технология OFDM как таковая не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Данная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK, а на высоких квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. Кроме того, в протоколе 802.11а для повышения помехоустойчивости предусмотрено применение сверточного кодирования. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи оказывается различной.

В методе OFDM время длительности одного символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс, а следовательно, частота следования импульсов будет 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получим, что общая скорость передачи составит 250 кГцЅ48 каналов = 12 МГц. Если скорость сверточного кодера составляет 1/2, то скорость передачи информационных битов окажется равной 6 Мбит/с. Если же скорость сверточного кодирования будет 3/4, то скорость передачи информационных битов составит 9 Мбит/с. Всего в протоколе 802.11a предусмотрено использование восьми различных режимов передачи, отличающихся друг от друга скоростью, типом модуляции и используемой скоростью сверточного кодирования (табл. 2). При этом подчеркнем, что в самом протоколе 802.11а обязательными являются только скорости 6, 12 и 24 Мбит/с, а все остальные опциональными.

Механизмы коллективного доступа в сетях 802.11

о сих пор, рассматривая различные протоколы беспроводной связи семейства 802.11, мы концентрировались именно на физическом (PHY) уровне, определяющем методы кодирования/декодирования и модуляции/демодуляции сигнала при его передаче и приеме. Однако такие вопросы, как регулирование совместного использования среды передачи данных, определяются на более высоком уровне на уровне доступа к среде передачи данных, который называют МАС-уровнем (Media Access Control). Именно на MAC-уровне устанавливаются правила совместного использования среды передачи данных одновременно несколькими узлами беспроводной сети.

Необходимость существования регламентирующих правил совершенно очевидна. Представьте себе, что было бы, если бы каждый узел беспроводной сети, не соблюдая никаких правил, стал передавать данные в эфир. В результате интерференции нескольких таких сигналов узлы, которым предназначалась отправленная информация, не смогли бы не только ее получить, но и вообще понять, что данная информация адресована им. Именно поэтому необходимо существование жестких регламентирующих правил, которые должны определять коллективный доступ к среде передачи данных. Такие правила коллективного доступа можно образно сравнить с правилами дорожного движения, которые регулируют совместное использование автодорог всеми участниками движения.

На MAC-уровне протокола 802.11 определяются два типа коллективного доступа к среде передачи данных: функция распределенной координации (Distributed Coordination Function, DCF) и функция централизованной координации (Point Coordination function, PCF).

Функция распределенной координации DCF

На первый взгляд организовать совместный доступ к среде передачи данных не составляет никакого труда: для этого лишь необходимо обеспечить, чтобы все узлы передавали данные только тогда, когда среда является свободной, то есть когда ни один из узлов не производит передачу данных. Однако такой механизм неизбежно приведет к коллизиям, поскольку велика вероятность того, что сразу два или более узлов, пытаясь получить доступ к среде передачи данных, решат, что среда свободна, и начнут одновременную передачу. Именно поэтому необходимо разработать алгоритм, способный снизить вероятность возникновения коллизий и в то же время гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к среде передачи данных.

Одним из вариантов организации такого равноправного доступа к среде передачи данных является функция распределенной координации (DCF), основанная на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избежания коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, прослушивает среду, стараясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных.

Однако, как мы уже отмечали, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий, и для того, чтобы снизить вероятность возникновения подобных ситуаций, используется механизм избежания коллизий (Collision Avoidance, CA). Суть данного механизма заключается в следующем. Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать передачу, выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот промежуток является случайным и складывается из двух составляющих: обязательного промежутка DIFS (DCF Interframe Space) и выбираемого случайным образом промежутка обратного отсчета (Backoff Time). В результате каждый узел сети перед началом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени, что, естественно, значительно снижает вероятность возникновения коллизий, поскольку вероятность того, что два узла сети будут выжидать в течение одного и того же промежутка времени, чрезвычайно мала.

Чтобы гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к среде передачи данных, необходимо соответствующим образом определить алгоритм выбора длительности промежутка обратного отсчета. Этот промежуток хотя и является случайным, но выбирается из множества некоторых дискретных промежутков времени, то есть равен целому числу элементарных временных промежутков, называемых тайм-слотами (SlotTime). Для выбора промежутка обратного отсчета каждый узел сети формирует так называемое окно конкурентного доступа (Contention Window, CW), использующееся для определения количества тайм-слотов, в течение которых станция выжидала перед передачей. Минимальной размер окна определяется в 31 тайм-слот, а максимальный в 1023 тайм-слота.

Когда узел сети пытается получить доступ к среде передачи данных, то после обязательного промежутка ожидания DIFS запускается процедура обратного отсчета, то есть включается обратный отсчет счетчика тайм-слотов начиная от выбранного значения окна. Если в течение всего промежутка ожидания среда оставалась свободной, то узел начинает передачу.

После успешной передачи окно формируется вновь. Если же за время ожидания передачу начал другой узел сети, то значение счетчика обратного отсчета останавливается и передача данных откладывается. После того как среда станет свободной, данный узел снова начинает процедуру обратного отсчета, но уже с меньшим размером окна, определяемым предыдущим значением счетчика обратного отсчета, и соответственно с меньшим значением времени ожидания. При этом очевидно, что чем большее число раз узел откладывает передачу по причине занятости среды, тем выше вероятность того, что в следующий раз он получит доступ к среде передачи данных.

Рассмотренный алгоритм реализации коллективного доступа к среде передачи данных гарантирует равноправный доступ всех узлов сети к среде. Однако при таком подходе вероятность возникновения коллизий все-таки существует. Понятно, что снизить вероятность возникновения коллизий можно путем увеличения максимального размера формируемого окна, однако это увеличит времена задержек при передаче, уменьшив тем самым производительность сети. Поэтому в методе DCF для минимизации коллизий используется следующий алгоритм. После каждого успешного приема кадра принимающая сторона через короткий промежуток SIFS (Short Interframe Space) подтверждает успешный прием, посылая ответную квитанцию кадр ACK (ACKnowledgement). Если в процессе передачи данных возникла коллизия, то передающая сторона не получает кадр ACK об успешном приеме и тогда размер окна для передающего узла увеличивается почти вдвое. Так, если для первой передачи размер окна равен 31 слоту, то для второй попытки передачи он уже составляет 63, для третьей 127, для четвертой 255, для пятой 511, а для всех последующих 1023 слота. Следовательно, увеличение размера окна происходит динамически, по мере роста числа коллизий, что позволяет, с одной стороны, уменьшить временные задержки, а с другой снизить вероятность возникновения коллизий.

Рассмотренный механизм регламентирования коллективного доступа к среде передачи данных имеет одно узкое место. Это так называемая проблема скрытых узлов. Из-за наличия естественных препятствий возможна ситуация, когда два узла сети не могут слышать друг друга напрямую; такие узлы называют скрытыми. Чтобы решить проблему скрытых узлов, функция DCF опционально предусматривает возможность использования алгоритма RTS/CTS.

Алгоритм RTS/CTS

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем как послать данные, сначала отправляет специальное короткое сообщение, которое называется RTS (Ready-To-Send) и означает готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети (если, конечно, они не скрыты от отправителя). Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear-To-Send), свидетельствующего о готовности станции к приему информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда сеть состоит из четырех узлов: A, B, C и D (рис. 1). Предположим, что узел C находится в зоне досягаемости только узла A, узел A находится в зоне досягаемости узлов C и B, узел B находится в зоне досягаемости узлов A и D, а узел D находится в зоне досягаемости только узла B, то есть в сети имеются скрытые узлы: узел C скрыт от узлов B и D, а узел A скрыт от узла D.

В подобной сети алгоритм RTS/CTS позволяет справиться с проблемой возникновения коллизий, которая не решается посредством рассмотренного базового способа организации коллективного доступа в DCF. Пусть узел A пытается передать данные узлу B; для этого он посылает сигнал RTS, который, помимо узла B, получает также узел C, но не получает узел D. Узел C, получив данный сигнал, блокируется, то есть приостанавливает попытки передавать сигнал до момента окончания передачи между узлами A и B. Узел B, в ответ на полученный сигнал RTS, посылает кадр CTS, который получают узлы A и D. Узел D, получив данный сигнал, также блокируется на время передачи между узлами A и B.

У алгоритма RTS/CTS имеются, однако, свои подводные камни, которые в определенных ситуациях ведут к снижению эффективности использования среды передачи данных. К примеру, иногда возможно такое явление, как распространение эффекта ложных блокировок узлов, что в конечном счете может привести к ступору в сети.

Рассмотрим, к примеру, сеть, показанную на рис. 2. Пусть узел B пытается передать данные узлу A, посылая ему кадр RTS. Поскольку этот кадр получает также и узел C, то последний блокируется на время передачи между узлами A и B. Узел D, пытаясь передать данные узлу C, посылает кадр RTS, но поскольку узел C заблокирован, то он не получает ответа и начинает процедуру обратного отсчета с увеличенным размером окна. В то же время кадр RTS, посланный узлом D, получает и узел E, который, неверно предполагая, что за этим последует сеанс передачи данных от узла D к узлу С, блокируется. Однако это ложная блокировка, поскольку реально между узлами D и C передачи нет, и такое явление ложной блокировки узлов может приводить к кратковременному ступору всей сети.

Функция централизованной координации PCF

Вышеописанный механизм распределенной координации DCF является базовым для протоколов 802.11 и может использоваться и в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, и в сетях, работающих в режиме Infrastructure, то есть в таких сетях, инфраструктура которых включает точку доступа (Access Point, AP).

Однако для сетей в режиме Infrastructure более естественным является несколько иной механизм регламентирования коллективного доступа, известный как функция централизованной координации (Point Coordination Function, PCF). Отметим, что механизм PCF является опциональным и применяется только в сетях с точкой доступа. В случае использования механизма PCF точка доступа является центром координации взаимодействия (Point Coordinator, PC). На центр координации возлагается управление коллективным доступом всех остальных узлов сети к среде передачи данных на основе определенного алгоритма опроса или исходя из приоритетов узлов сети. Центр координации опрашивает все узлы сети, внесенные в его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между всеми узлами сети. Следует отметить, что такой подход полностью исключает конкурирующий доступ к среде, как в случае механизма DCF, и делает невозможным возникновение коллизий.

Функция централизованной координации не отменяет функцию распределенной координации, а скорее дополняет ее, накладываясь поверх. В течение определенного промежутка времени реализуется механизм PCF, затем DCF, а потом все повторяется заново.

Для возможности чередования режимов PCF и DCF необходимо, чтобы точка доступа, выполняющая функции центра координации и реализующая режим PCF, имела приоритетный доступ к среде передачи данных. Это можно сделать, если использовать конкурентный доступ к среде передачи данных (как и в методе DCF), но для центра координации разрешить использовать промежуток ожидания, меньший DIFS. В этом случае если центр координации пытается получить доступ к среде, то он ожидает окончания текущей передачи, а поскольку для него определяется минимальный режим ожидания после обнаружения «тишины» в эфире, то он первым получает доступ к среде.

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Независимая базовая зона обслуживания представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют эпизодической или неплановой (ad-hoc), сетью. На рис. 6.8 показано, как три станции, оборудованные беспроводным сетевым интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рис. 6.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Технология базовых зон обслуживания предполагает наличие особой станции: точки доступа AP (access point). Точка доступа – это центральный пункт связи для всех станций BSS. Станции клиентов не связываются непосредственно друг с другом. Вместо этого они передают сообщения точке доступа, а уже она направляет информационные пакеты станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключают к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet для доступа к Интернету). Поэтому BSS называют сетью с инфраструктурой. На рис. 6.9 представлена типичная инфраструктура BSS.

Рис. 6.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BSS с распределительной системой (distribution system, DS). Несколько BSS, соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. Спецификации стандарта 802.11 позволяют построить этот канал как беспроводный. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной сети Ethernet. На рис. 6.10 представлен пример практического воплощения ESS.

Территорию, покрытую BSS или ESS с выходом в Интернет, называют hot spot (“горячей точкой”). “Горячие точки” создают в гостиницах, аэропортах, ресторанах, студенческих общежитиях и просто на улицах. В конце 2004 г. в мире работало около 50 000 “горячих точек”, а число пользователей ими достигло
50 млн. человек. Быстрое распространение услуг WLAN и большое число производителей аппаратуры требует совместимости аппаратных и программных средств, предлагаемых различными фирмами. С этой целью в 1999 г. была создана организация WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), вскоре преобразованная в Wi-Fi Alliance. Он включает в себя разработчиков и производителей аппаратуры стандарта 802.11, операторов сетей, экспертов. Главная цель альянса – сертификация выпускаемой аппаратуры с целью обеспечения взаимодействия Wi-Fi устройств, производимых разными фирмами.

Рис. 6.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц. Как было сказано, этот диапазон нелицензируемый и в нем действует много других систем и устройств. Для снижения влияния помех в сетях 802.11b предложено 2 способа. Первый – использование, как и в стандарте Bluetooth, прыгающей частоты при передаче каждого следующего кадра. Однако на практике обычно применяют другой способ: прямое расширение спектра путем заполнения информационных символов скремблирующим кодом.

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Использование широкополосного канала позволяет при высоком отношении сигнал/помеха (15 – 17 дБ) увеличить скорость передачи данных. При этом отказываются от скремблирования, а данные передают с символьной скоростью 11 Мсимв/с с модуляцией 4-ФМ. Для повышения качества связи при передаче используют избыточное кодирование с помощью дополняющего кода ССК (Complementary Code Keying). Скорость передачи данных в кадре может составлять 11 или 5,5 Мбит/с.

Максимальная мощность передатчиков устройств стандарта 802.11b составляет в Европе 100 мВт, а в США – 1 Вт.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц –
1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию. Приведем характерный пример.

Пусть по радиоканалу идет передача с символьной скоростью В=40 Мсимв/с. При передаче на одной несущей частоте длительность символа с. Представим себе ситуацию передачи такого сигнала в большом помещении (вокзал, аэропорт, торговый центр – рис. 6.11).

Рис.6.11. Многолучевое распространение сигналов

Для того чтобы прямой и обратный лучи приходили с запаздыванием в 1 символ, разность их хода должна составлять всего м. Такое запаздывание можно наблюдать даже в достаточно большой комнате. Чтобы снять проблему межсимвольной интерференции, следует увеличить длину символа в 10, а еще лучше в 100 раз. Тогда межсимвольная интерференция будет заметна при разности трасс в 750 м. Отсюда следует идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц миллисекунд.

Обобщенный символ является суммой символов, передаваемых на N S поднесущих. На всех поднесущих можно использовать различные виды модуляции: 2-ФМ, 4-ФМ, 8-ФМ, 16-КАМ или 64-КАМ. Временная диаграмма OFDM сигнала приведена на рис. 6.12, где номером i помечены отдельные поднесущие.

Рис. 6.12. Структура сигнала OFDM

Символы друг от друга специально отделены паузами длительностью Т р , чтобы в случае многолучевого сигнала соседние символы не «наползали» друг на друга.

Суммарный OFDM сигнал при может быть представлен в виде:

, (6.1)

где - комплексная амплитуда одного переданного сигнала,

t s – время начала каждого отдельного символа,

T s – длительность символа.

Спектральная картина OFDM сигнала показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Спектр OFDM сигнала

Чтобы при приеме можно было различать сигналы, передаваемые на соседних поднесущих, все сигналы должны быть взаимно ортогональны. Это условие выполнимо, если расстояние между соседними поднесущими .

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

В зависимости от помеховой ситуации в стандарте 802.11а предусмотрено использование адаптивных схем модуляции и кодирования. Основные характеристики стандарта приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Скорость передачи данных Мбит/с	Модуляция	Кодовая скорость	Число символов на поднесущую	Число символов в OFDM символе	Число бит в OFDM символе
	2-ФМ	1/2
	2-ФМ	3/4
	4-ФМ	1/2
	4-ФМ	3/4
	16-КАМ	1/2
	16-КАМ	3/4
	64-КАМ	2/3
	64-КАМ	3/4

Стандарт 802.11g объединяет возможности стандартов 802.11а и b в диапазоне 2,4….2,483 ГГц. Основные характеристики стандарта приведены в табл. 6.5. Кроме ССК и OFDM, в стандарте на ряде скоростей использовано избыточное двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (packet binary convolutional coding).

Таблица 6.5

Скорость, Мбит/с	Метод кодирования
Обязательно	Опционально
	Последовательность Баркера
	Последовательность Баркера
5,5	CCK	PBCC
	OFDM	CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
	CCK	PBCC
	OFDM	CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
		PBCC
	OFDM	CCK-OFDM
		PBCC
		OFDM, CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM

Доступ к сети абонентских станций и возможность передачи кадров в сетях 802.11 осуществляют с помощью координатных функций. При использовании распределенной координатной функции DCF (distributed coordination function) все станции имеют одинаковый приоритет и занимают канал на основе состязаний с таймерами отката. Принцип действия DCF поясняет рис. 6.14.

Рис. 6.14. Работа станций в режиме DCF

Работающие станции прослушивают радиоканал и ждут, пока он не станет свободным (прекратится передача несущей). На рис. 6.14 вначале передает станция 3, а к передаче готовы станции 1, 2 и 5. По завершении кадра станции 3 следует обязательный межкадровый промежуток DIFS (34….50 мкс), после чего станции, готовые передать свои пакеты, начинают состязание. Каждая из станций запускает таймер состязаний, где устанавливаются случайные числа внутри окна состязаний: 0…..7, 0… 63, и далее до 127, 255, 511, 1023. С момента начала состязания начинается считывание таймеров с тактовой скоростью 9…20 мкс. Та станция, которая первой обнулит таймер, занимает канал (на рис. 6.14 станция 2). Остальные запоминают содержимое своих таймеров (откат) до следующего состязания. В процессе передачи возможны коллизии, когда две станции одновременно обнулят свои таймеры (станции 4 и 5 на рис. 6.14). Это приводит к расширению окна состязаний с последующим повтором передачи кадров.

В реальном алгоритме доступа на основе DCF используют более надежную процедуру (рис. 6.15). Станция, выигравшая состязание, посылает короткий пакет запроса получателю RTS – Request to Send , на что получает подтверждение готовности получателя к приему CTS – Clear to Send . После этого следует передача информационного кадра. Цикл завершает пакет подтверждения (или неподтверждения) приема кадра АСК. Так реализуют обмен файлами по протоколу TCP/IP.

Рис. 6.15. Процедура доступа к сети на основе DCF

В цикле передачи кадры RTS – CTS – Данные – АСК разделяют короткими межкадровыми промежутками SIFS (10…16 мкс). Станции, не участвующие в обмене, по информации, содержащейся в кадрах RTS и CTS о длительности цикла передачи, устанавливают у себя векторы NAV (network allocation vector). NAV – это время считывания таймера, в течение которого станция находится в “спящем” режиме и не участвует в состязании, пока NAV не станет равным 0.

Рассмотренный метод доступа используют при чтении файлов из Интернета. Однако он не позволяет передавать потоковое видео и, тем более, IP-телефонию, где жестко лимитированы допустимые задержки сигналов. Новый стандарт IEEE 802.11e предусматривает поддержку в Wi-Fi сетях четырех классов трафика, расставленных в порядке приоритетов:

Voice – телефонию с качеством передачи на уровне междугородной связи,

Video – передачу телевидения,

Best Effort – чтение Интернет-файлов,

Background – передачу файлов с низким приоритетом.

Эта классификация соответствует классам услуг сетей мобильной связи 3-го поколения, что позволяет организовать взаимодействие мобильных и Wi-Fi сетей. Реализация стандарта 802.11е возможна только в сетях с точками доступа, где для занятия канала используют точечную координатную функцию PCF (point coordination function). Принцип работы сети на основе PCF поясняет рис. 6.16.

Процесс передачи определяет точка доступа AP. Время передачи поделено на суперкадры, длительность которых АР устанавливает адаптивно и в процессе передачи может менять. В начале каждого суперкадра АР передает кадр маяка. Он устанавливает длительность суперкадра, максимальный размер информационных кадров и период, свободный от состязаний. В это время обмен информацией между точкой доступа и станциями идет только по опросу АР (сама станция занять канал не может). Одновременно с посылкой кадра опроса (polling) АР может отправить на станцию и информационный кадр. Окончание периода без состязаний АР маркирует посылкой кадра CF-End. После этого станции, включая АР, занимают канал на основе состязаний. Такой метод доступа позволяет организовать передачу пакетов данных с постоянной скоростью, что необходимо при телефонном и потоковом трафике.

Рис. 6.16. Передача данных на основе PCF

Надо сказать, что точечная координатная функция PCF не в полной мере обеспечивает параметры QoS. Для поддержки требуемого качества услуг разработан специальный стандарт 802.11e. Он вводит понятие категории доступа AC, которые происходят от группы стандартов 802.1D и задают уровни приоритета. Всего существует 4 категории доступа (табл. 6.6): голос (Voice) , видео (Video), наилучшая попытка (Best Effort) и фон (Background). Каждая категория связана с соответствующим типом данных.

Таблица 6.6

Категория доступа	Описание	802.1D соответствие
Голос (Voice)	Наивысший приоритет. Позволяет осуществлять звонки VoIP с низкими задержками.	7, 6
Видео (Video)	Дает приоритет над передачей данных. Один канал 802.11a или 802.11g может поддерживать один поток телевидения высокой четкости или 4 потока телевидения стандартной четкости. Задержки небольшие и постоянные	5, 4
Наилучшая попытка (Best Effort)	Трафик приложений, которые не поддерживают QoS. Большие задержки	0, 3
Фон (Background)	Трафик низкого приоритета для передачи файлов, заданий печати для принтера и др. процессов, не требующих определенных значений задержек и пропускной способности	2, 1

Стандарт 802.11e определяет новый тип доступа к среде для обеспечения качества обслуживания – гибридную координатную функцию (hybrid coordination function, HCF ). HCF определяет два механизма доступа к среде:

· Доступ к каналу, основанный на состязании (contention-based channel l access);

· Управляемый доступ к каналу (controlled channel access).

Доступу к каналу, основанному на состязании, соответствует расширенный распределенный доступ к каналу (enhanced distributed channel access, EDCA ), а управляемому доступу к каналу соответствует доступ к каналу, управляемому HCF (HCF controlled channel access, HCCA ). В стандарте 802.11e по-прежнему существуют две фазы работы внутри суперфрейма – периоды состязания (CP) и свободные от состязания периоды (CFP). EDCA используют только в CP, а HCCA используют в обоих периодах. HCF объединяет методы PCF и DCF, поэтому ее называют гибридной. Результат преобразования архитектуры МАС показан на рис. 6.17.

Рис. 6.17 Архитектура МАС

Станцию, которая работает как центральный координатор для всех станций внутри базового набора услуг, поддерживающего QoS (QoS supporting BSS, QBSS ), называют гибридным координатором (hybrid coordinator ). Он, также как и точечный координатор, располагается внутри точки доступа. Клиентские станции, поддерживающие QoS, называют QSTA.

Станция 802.11e, которой предоставлен доступ к среде, не должна использовать радиоресурсы большей длительности, чем та, что определена в стандарте. Это новое введение называют возможностью передачи (transmission opportunity, TXOP ). TXOP – это интервал, в течении которого станция имеет право передавать пакеты. Он определяется своим временем начала и длительностью. TXOP, существующий в доступе к среде, основанному на состязании, называют EDCA-TXOP. Аналогично TXOP, существующий в управляемом доступе к среде, называют HCCA-TXOP. Длительность EDCA-TXOP ограничена параметром TXOPlimit, значение которого постоянно передают через определенный информационный элемент поля фрейма маяка.

Другое улучшение стандарта заключается в том, что ни одна станция не может передавать в момент, когда наступает время передавать фрейм маяка. Это уменьшает ожидаемую задержку маяка, что дает гибридному координатору лучший контроль над средой, особенно тогда, когда после фрейма маяка используется опциональный CFP.

В новом стандарте станция может передавать пакеты непосредственно другой станции в QBSS, не связываясь с точкой доступа. В старом стандарте внутри сети с инфраструктурой все пакеты обмена данных между станциями шли только через точку доступа.

Поддержка качества обслуживания в EDCA обеспечивает использование таких понятий, как категории доступа и множество независимых объектов отката (backoff entities ). В каждой станции 802.11е могут существовать несколько параллельных объектов отката, причем этим объектам назначены различные приоритеты согласно набору особых параметров категорий доступа (EDCA parameter set ). Как было указано выше, существуют четыре категории доступа, соответственно в каждой станции есть четыре объекта отката (рис. 6.18). Набор параметров EDCA устанавливает приоритеты в доступе к среде, определяя индивидуальные межфреймовые промежутки, окна состязаний и другие параметры.

Рис. 6.18. Четыре категории доступа в одной станции

Для каждой категории доступа определены свои межкадровые промежутки (arbitration interframe space, AIFS ), аналогичные DIFS, но разной длительности. Кроме того, меняется и размер окна состязаний в зависимости от приоритета трафика.

6. 5. Стандарт IEEE 802.16 - WiMAX

WiMAX -Worldwide Interoperability for Microwave Access

Таблица 6.7

Основные характеристики стандарта WiMAX

Таблица 6.8

Некоммерческая организация WiMAX (World Interoperability for Microwave Access – взаимодействие оборудования сетевого доступа на сверхвысоких частотах во всем мире) образована с целью содействия разработке беспроводного оборудования доступа к широкополосным сетям на основе спецификации IEEE 802.16 для беспроводных зональных сетей, сертификации такого оборудования на совместимость и взаимодействие, а также ускорению его выхода на рынок.

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах 2…11 ГГц и 10-66 ГГц (рис.6.1). В диапазоне 10-66 ГГц радиосвязь возможна лишь в случае прямой видимости между точками. В этом диапазоне используют прямую модуляцию несущей (режим с одной несущей).

В диапазоне 2…11 ГГц спецификации радиоинтерфейса, допускают возможность решения задачи радиосвязи в условиях многолучевого распространения и при отсутствии прямой видимости (NLOS - Non-Line-Of-Sight). Радиоинтерфейс WMAN-SC2 использует модуляцию одной несущей, радиоинтерфейс WMAN – OFDM – ортогональную частотную модуляцию (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) с быстрым преобразованием Фурье на 256 точек и до 2048 точек. Сертифицированные диапазоны частот для фиксированного и мобильного WiMAX профилей приведены на рис.1.

Фиксированные WiMAX профили – 3,5 ГГц (FDD): 3,5; 7; (256)

3,5 ГГц (TDD): 3,5; 7; (256)

5,8 ГГц (TDD): 10 (256)

Мобильные WiMAX профили - 2,3 – 2,4 ГГц: 5 (512); 10 (1024); 8.75 (1024);

все TDD 2,305 – 2,320 ГГц: 3,5 (512); 5 (512)

2,345 – 2,360 ГГц: 10 (1024)

2,496 – 2,69 ГГц: 5 (512); 10 (1024)

3,3 – 3,4 ГГц: 5 (512); 7 (1024); 10 (1024)

3,4 – 3,8 ГГц: 5 (512)

3,4 – 3,6 ГГц: 7 (1024)

3,6 – 3,8 ГГц: 10 (1024)

Кроме указанных, возможно выделение каналов в диапазонах 5,7 ГГц,
1,710 – 1,755: 2,110 – 2,155 ГГц.

В стандарте 802.16 используют следующие интерфейсы:

1. WirelessMAN-SC (10 – 66 ГГц)

2. WirelessMAN-SCa (2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

3. WirelessMAN-OFDM (2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

6. WirelessMAN-OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

5. WirelessHUMAN (2 – 11 ГГц; нелицензионные диапазоны)

Интерфейсы 3 и 5 предусматривают возможности Mesh – организацию сетей с полновесной топологией для ускорения передачи трафика.

Обратное преобразование Фурье определяет форму сигнала OFDМ. Полезной длительностью символа считается величина Tb. Последнюю часть Tg периода символа, названную защитным интервалом, используют, чтобы устранить влияние многолучевого распространения ортогональных составляющих сигнала (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Формат символа на одной частоте

В частотной области сигнал характеризуют спектральные характеристики (рис. 6.20). В нем присутствуют поднесущие для передачи данных, пилотных сигналов, а по краям полосы расположены защитные интервалы.

Рис. 6.20. Описание сигнала в частотной области

Символ OFDM характеризуют следующие параметры:

BW – номинальная ширина полосы канала.

Nused - число используемых поднесущих.

N - коэффициент выборки. Этот параметр, в соединении с BW и Nused определяет разнесение поднесущей и длительность символа. Требуемые значения этого параметра определены в табл.6.6.

G - отношение длительности защитного интервала (префикса) к полезному времени. Эта величина может составлять 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Tb.

NFFT: число точек преобразования Фурье,

Частота следования посылок: Fs=floor (n*BW/0.008)*0.008 (BW- ширина полосы в МГц),

-∆f: разнесение поднесущей, определенное как: Fs/NFFT,

Tb= 1/∆f – длительность преобразования символа,

Tg=G*Tb – длительность защитного интервала (CP),

Ts=Tb+Tg – длительность символа OFDM,

Ts/ NFFT - интервал дискретизации.

Основные параметры OFDM каналов стандарта 802.16а приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9.

Длительность символов в зависимости от ширины полосы канала приведена в табл. 6.10.

Таблица 6.10

Схемы модуляции и кодирования lдля стандарта 802.16-2004 сведены в табл. 6.11.

Таблица 6.11

Величины скоростей передачи в зависимости от вида модуляции и кодовой скорости приведены в табл. 6.12, а требования к отношению сигнал/шум на входе приемника для различных схем модуляции и кодирования в табл. 6.13.

Таблица 6.12

Полоса МГц	Скорость передачи Мбит/с
QPSK, 1/2	QPSK, 3/4	16-QAM, 1/2	16-QAM, 3/4	64-QAM, 2/3	64-QAM, 3/4
1,75	1,04	2,18	2,91	4,36	5,94	6,55
3,5	2,08	4,37	5,82	8,73	11,88	13,09
7,0	4,15	8,73	11,64	17,45	23,75	26,18
10,0	8,31	12,47	16,63	24,94	33,25	37,4
20,0	16,62	24,94	33,25	49,87	66,49	74,81

Таблица 6.13

Данные на физическом уровне передают в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длительность (2 (2,5) … 20 мс), поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16 дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение восходящего и нисходящего каналов.

При временном дуплексировании каналов кадр делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко менять в процессе работы в зависимости от потребностей полосы пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные специальным защитным интервалом . При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы передают на двух несущих (рис. 6.21)

Рис. 6.21. Структура кадров для TDD и FDD

В нисходящем канале информацию от базовой станции передают в виде последовательности пакетов. Для каждого пакета можно задавать метод модуляции и схему кодирования данных – т.е. выбирать между скоростью и надежностью передачи. TDM – пакеты передают одновременно для всех абонентских станций, каждая из них принимает весь информационный поток и выбирает «свои» пакеты. Чтобы абонентские станции могли отличить один пакет от другого, в управляющей секции передают карты нисходящего (DL-MAP), и восходящего (UL-MAP) каналов (рис. 6.22).

Рис.6.22. Структура нисходящего канала.

В карте нисходящего канала указана длительность кадра, номер кадра, число пакетов в нисходящем субкадре, а также точка начала и тип профиля каждого пакета. Точку начала отсчитывают в так называемых физических слотах, каждый физический слот равен четырем модуляционным символам.

Профиль пакета – это список его параметров, включая метод модуляции, тип FEC – кодирования (с параметрами схем кодирования), а также диапазон значений отношения сигнал/шум в приемном канале конкретной станции, при котором данный профиль можно применять. Базовая станция периодически транслирует список профилей в виде специальных управляющих сообщений (дескрипторов нисходящего и восходящего каналов DCD/UCD), причем каждому профилю присваивают номер, который и используют в карте нисходящего канала.

Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством механизма временного разделения каналов TDMA (Time Division Multiple Access). Для этого в восходящем субкадре для АС базовая станция резервирует специальные временные интервалы – слоты (рис. 6.23). Информация о распределении слотов между АС записана в карте восходящего канала UL-MAP, транслируемой в каждом кадре. UL-MAP – функционально аналогична DL-MAP – в ней сообщают, сколько слотов в субкадре, точку начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов. Сообщение UL-MAP текущего кадра может относиться как к данному кадру, так и к последующему. Скорость модуляции (частота символов) в восходящем канале должна быть такой же, как и в нисходящем. Отметим, что, в отличие от нисходящих TDM – пакетов, каждый пакет в восходящем канале начинается с преамбулы – синхропоследовательности длиной 16 или 32 QPSK - символа.

Рис. 6.23. Структура восходящего канала

Примеры структуры кадра с TDD приведен на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Пример структуры кадра OFDM с TDD

В восходящем канале, кроме назначенных БС слотов для определенных АС, предусмотрены интервалы, в течение которых АС может передать сообщение для первичной регистрации в сети или для запроса изменения полосы пропускания канала (предоставление каналов по требованию DAMA - Demand Assigned Multiple Access).

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы решаются на MAC (Medium Access Control) - уровне. Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для различных приложений (сервисов).

Сети WiMAX поддерживают 4 типа трафика, отличающиеся требованиями к надежности и задержкам:

UGS – Unsolicited Grant Service – передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP. Допустимая задержка менее 5 – 10 мс в одном направлении при BER = 10 -6 … 10 -6 .

rtPS – Real Time Polling Service – потоки реального времени с пакетами переменной длины (MPEG видео).

nrtPS – Non-Real-Time Polling Service – поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме.

BE – Best Effort – остальной трафик.