МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 Некоммерческое акционерное общество

"Алматинский институт энергетики и связи" 

 

К.С.Чежимбаева

Ю.М. Гармашова 

ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ WI-FI

 Учебное пособие

 

Алматы 2009

 

В учебном пособии излагаются вопросы технологии беспроводной связи          WI-FI, её основные принципы и процессы функционирования.

Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Содержание

 

1 Передающая среда	5
1.1 Методы доступа к среде в беспроводных сетях	5
1.2 Технология расширенного спектра	10
2 Архитектура IEEE 802.11	14
2.1 Стек протоколов IEEE 802.11	14
2.2 Уровень доступа к среде стандарта 802.11	15
2.3 Технологии физического уровня стандарта IEEE 802.11	24
3 Антенны	43
3.1 Диаграммы направленности и основные типы антенн	43
3.2 Поляризация антенн	46
3.3 Коэффициенты усиления различных антенн	47
4. Распространение сигнала	51
4.1 Дифракция электромагнитных волн	51
4.2 Распространение волн вдоль линии прямой видимости	51
5. Передача сигнала в пределах линии прямой видимости	53
5.1 Затухание	53
5.2 Потери в свободном пространстве	54
5.3 Шум	56
5.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи	58
5.5 Атмосферное поглощение	59
5.6 Многолучевое распространение	60
5.7 Преломление	61
6. Расчёт зоны действия сигнала	64
6.1 Расчёт дальности работы беспроводного канала связи	64
6.2 Расчёт зоны Френеля	67
7 Организация беспроводных сетей	69
7.1 Сферы применения беспроводных сетей	69
7.2 Основные элементы сети	69
7.3 Режимы и особенности их организации	71
7.4 Роуминг	75
7.5 Технология Wireless Distribution System	76
8 Организация и планирование беспроводных сетей	78
Список литературы	84

Введение

 

Под аббревиатурой WI-FI (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Разработка этих стандартов ведется в рамках рабочей группы 802.11 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). WI-FI не является единственной технологией беспроводного доступа — специалисты IEEE и других учреждений разработали и продолжают работать над другими стандартами беспроводных коммуникаций, ориентированных на персональные сети (PWAN, для организации подключения в пределах, например, рабочего места сотрудника) или сети, масштаба города и региона (WWAN).

Количество точек беспроводного доступа в мире растет с каждым днем, обещая в недалеком будущем широкополосный вход в глобальную сеть откуда угодно и без особых проблем. Был бы под рукой компьютер с Wi-Fi-адаптером. Информационное издание JiWire опубликовало данные, из которых следует, что в настоящее время насчитывается 56139 хот-спотов в 93 странах мира [1].

WI-FI предназначен для создания беспроводных локальных сетей (WLAN) и организации высокоскоростных беспроводных подключений к Интернету. В зависимости от конкретного стандарта сети WI-FI работают на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц и обеспечивают скорость передачи данных от 2 Мбит/с. Одна точка доступа может обеспечить охват в радиусе до 200 метров. Широкое распространение, помимо домашних и офисных сетей, WI-FI нашел в сфере организации публичного доступа в Интернет (хот-спотов) — с использованием этой технологии любой посетитель гостиницы, кафе, ресторана, бизнес-центра или аэровокзала (одним словом, заведения, в котором есть публичная точка доступа Wi-Fi) получает возможность мобильного подключения к Сети посредством своего ноутбука, КПК или телефона, поддерживающего стандарт беспроводного доступа.

Учебное пособие позволяет ознакомиться с методами деления спектра применяемыми в беспроводных сетях, со стандартом IEEE 802.11, с антеннами, с распространением сигналов по беспроводным сетям. Пособие позволяет изучить передачу сигнала в пределах линии прямой видимости, расчёт зоны действия сигнала и организацию беспроводных сетей и их планирование.

 

1. Передающая среда

 

В системе передачи данных передающая среда является физическим путем между передатчиком и приемником. Передающие среды можно разделить на направляемые и ненаправляемые. В обоих случаях связь принимает форму распространения электромагнитных волн. В направляемых средах волны направляются по твердым проводникам, например, по медным витым парам, медным коаксиальным кабелям и оптическим волокнам. Атмосфера и открытый космос представляют собой примеры уже ненаправляемых сред, предоставляющих средства передачи электромагнитных сигналов, но не направляющих их; используемая в этом случае форма передачи обычно называется беспроводной [2].

Характеристики и качество передачи данных определяются как харак-теристиками среды, так и характеристиками сигнала. В направляемой среде более важным фактором, накладывающим ограничения на передачу, является сама cреда. При определении характеристик передачи в ненаправляемой среде более важным фактором является не сама среда, а ширина полосы сигнала, генерируемого передающей антенной. Одной из ключевых характеристик сиг-налов, передаваемых антенной, является их направленность. В общем случае сигналы низких частот являются ненаправленными, т.е. сигнал распространя-ется во всех направлениях от антенны. Сигналы высоких частот, наоборот, можно сфокусировать в направленный луч.

В ненаправляемых средах передача и прием производятся с помощью антенны. При передаче антенна излучает электромагнитную энергию в среду (обычно воздух), а при приеме антенна улавливает электромагнитные волны из окружающей среды. Существуют, по сути, две формы беспроводной передачи: направленная и ненаправленная. При направленной передаче передающая антенна излучает сфокусированный электромагнитный луч; следовательно, передающая и приемная антенны должны быть тщательно нацелены. При ненаправленной передаче передаваемый сигнал распространяется во всех направлениях и может быть принят множеством антенн. Вообще чем выше частота сигнала, тем легче его сфокусировать в направленный луч.

 

1.1 Методы доступа к среде в беспроводных сетях

 

Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения — выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.

Уплотнение с пространственным разделением основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с, время t и частоту в области s_i. To есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга.

Еще недавно данный метод считался малоэффективным — до тех пор, пока не получили промышленное развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон действия отдельных передатчиков. С появлением аппаратуры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на основе секторных антенн (или антенн с перестраиваемой диаграммой направленности) данный метод получил широкое распространение. Характерный пример — системы сотовой телефонной связи.

В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории (рисунок 1.1). Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

 

 

Рисунок 1.1 - Принцип частотного разделения каналов

 

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения — функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Более гибкой схемой является уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing, TDM). В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте  в области s, но в различные промежутки времени t_i (как правило, циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рисунок 1.2).

 

 

Рисунок 1.2 - Принцип временного разделения каналов

 

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто аналоговых сетях — даже если исходные данные аналоговые (например, речь), он требует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельного пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплотнения (в проводных сетях) — это метод магистральной передачи телефонного трафика посредством каналов Е1. На узловой АТС каждый аналоговый телефонный канал преобразуется в поток данных со скоростью 64 кбит/с (8 разрядов оцифровки х8кГц частоты выборок). Фрагменты по 8 бит из 32 каналов (30 телефонных и 2 служебных) образуют цикл. Длительность каждого цикла — 125 мкс, соответственно, скорость передачи данных — (32 х 8бит)/125мкс = 2048кбит/с (т.е. 2 048 000бит/с). Данный поток транслируется по магистральным каналам и восстанавливается (демультиплексируется) на приемном конце.

Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Последний тип мультиплексирования — это уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM). Первоначально, из-за сложности реализации, данная схема использовалась в военных целях, но со временем прочно заняла свое место в гражданских системах. Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA — CDM Access) даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000, WCDMA и др.). В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте  в области s во время t, но с разными кодами c_i .

Принцип кодового уплотнения иллюстрирует ситуация, когда много людей в одной комнате разговаривают на разных языках. При этом каждый человек понимает только один определенный язык. Для каждого речь на непонятном языке будет восприниматься как ничего не значащий шум, лишенный полезной информации. А на фоне этого шума он будет воспринимать поток информации на понятном ему языке.

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ — кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы корреляция двух любых CDM-кодов была минимальна (а в ряде случаев — чтобы автокорреляция CDM-кода при фазовом сдвиге была максимально возможной). Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом. Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов) мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Такие кодовые последовательности называют шумоподобными, соответственно, модулированные ими сигналы — шумоподобными сигналами сигналов (ШПС). Очевидно, что при передаче посредством ШПС спектр исходного сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum), о расширении спектра будет рассказано позже.

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев — и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код. Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Еще одна важная производная методов кодового и частотного уплотнения — механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Его суть: весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N — число поднесущих, назначенных данному передатчику. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

До недавнего времени распространение технологии OFDM сдерживала сложность его аппаратной реализации. Однако сегодня, с развитием полупроводниковой технологии, это уже не является преградой. В результате сегодня метод OFDM приобретает все большее распространение, в частности, используется в системах связи таких популярных стандартов, как IEEE 802.11a/g.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Но что более важно, OFDM позволяет подавить межсимвольную интерференцию во многолучевой среде. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) является малым. В схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи символа в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет T_s, то период сигнала OFDM будет равен NT_s. Это позволяет существенно снизить влияние межсимвольных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NT_s значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала.

 

1.2 Технология расширенного спектра

 

Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямого последовательного расширения. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.

 

1.2.1 Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

Идея метода расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) возникла во время Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и для управления военными объектами, например торпедами. Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.

Идею этого метода иллюстрирует рисунок 1.3. Последовательность перестройки частот:

 

 

Рисунок 1.3 - Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

 

В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие, как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.

Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рисунок 1.4, а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рисунок 1.4, б).

Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и имеет меньшие накладные расходы.

Методы FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth.

В методах FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования — вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным — ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо — коды расширенного спектра можно использовать также и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).

 

 

а

б

Рисунок 1.4 - Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов:

а — скорость передачи данных выше чиповой скорости;

б — скорость передачи данных ниже чиповой скорости.

 

1.2.2 Прямое последовательное расширение спектра

В методе прямого последовательного расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от метода FHSS весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Цель кодирования методом DSSS та же, что методом FHSS — повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.

Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью, а каждый бит такой последовательности — чипом. Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.

Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS, для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например, BFSK.

Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и тем больше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значения от 10 до 100.

Примером значения расширяющей последовательности является последовательность Баркера (Barker), которая состоит из 11 бит: 10110111000. Если передатчик использует эту последовательность, то передача трех битов 110 ведет к передаче следующих битов:

10110111000 10110111000 01001000111.

Последовательность Баркера позволяет приемнику быстро синхронизироваться с передатчиком, то есть надежно выявлять начало последовательности. Приемник определяет такое событие, поочередно сравнивая получаемые биты с образцом последовательности. Действительно, если сравнить последовательность Баркера с такой же последовательностью, но сдвинутой на один бит влево или вправо, то мы получим меньше половины совпадений значений битов. Значит, даже при искажении нескольких битов с большой долей вероятности приемник правильно определит начало последовательности, а значит, сможет правильно интерпретировать получаемую информацию.

Метод DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра, так как мощная узкополосная помеха влияет на часть спектра, а значит, и на результат распознавания единиц или нулей.

 

 

2 Архитектура IEEE 802.11

 

Это самый популярный стандарт беспроводных локальных сетей — IEEE 802.11. Заметим, что в этой области существуют и другие стандарты (в частности, институт ETSI разработал стандарт HIPERLAN 1), однако большинство производителей выпускают оборудование в соответствии со спецификациями IEEE 802.11[2].

 

 

2.1 Стек протоколов IEEE 802.11

 

 

Естественно, что стек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и уровня MAC, над которыми работает уровень LLC. Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11 определяется нижними двумя уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции. Так как искажения кадров в беспроводной среде более вероятны, чем в проводной, уровень LLC должен, скорее всего, использоваться в режиме LLC2. Но это уже не зависит от технологии 802.11, режим работы уровня LLC выбирается протоколами верхних уровней.

Структура стека протоколов IEEE 802.11 показана на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Стек протоколов IEEE 802.11

 

На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отличаются используемым частотным диапазоном, методом кодирования и как следствие — скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом уровня MAC, но некоторые временные параметры уровня MAC зависят от используемого физического уровня.

 

2.2 Уровень доступа к среде стандарта 802.11

 

В сетях 802.11 уровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function) и централизованный режим PCF (Point Coordination Function).

 

Распределенный режим доступа DCF

 

Рассмотрим, как обеспечивается доступ в распределенном режиме DCF. В этом режиме реализуется метод «множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий» (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распознавания коллизий по методу CSMA/CD, здесь используется их косвенное выявление. Для этого каждый переданный кадр должен подтверждаться кадром положительной квитанции, посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не поступает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия.

 

Рисунок 2.2 - Режим доступа DCF

 

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта проблема решается достаточно элегантно — временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра (рисунок 2.2). Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля за активностью в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS/CTS содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи всем сообщает, на какое время оно резервирует канал. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (IFS). Если после истечения IFS среда все еще свободна, то начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно начать передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. Номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW], где CW означает Contention Window (конкурентное окно).

О том, как выбирается размер/слота и величина конкурентного окна, будет сказано немного позже. А сейчас рассмотрим этот довольно непростой метод доступа на примере (рисунок 2.2). Пусть станция А выбрала для передачи на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки слот 3. При этом она присваивает таймеру отсрочки (назначение которого будет ясно из дальнейшего описания) значение 3 и начинает проверять состояние среды в начале каждого слота. Если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, и если результат равен нулю, то начинается передача кадра.

Таким образом, обеспечивается условие незанятости всех слотов, включая выбранный. Это условие является необходимым для начала передачи.

Если же в начале какого-нибудь слота среда оказывается занятой, то вычитания единицы не происходит, и таймер «замораживается». В этом случае станция начинает новый цикл доступа к среде, изменяя только алгоритм выбора слота для передачи. Как и в предыдущем цикле, станция следит за средой и при ее освобождении делает паузу в течение межкадрового интервала. Если среда осталась свободной, то станция использует значение «замороженного» таймера в качестве номера слота и выполняет описанную выше процедуру проверки свободных слотов с вычитанием единиц, начиная с замороженного значения таймера отсрочки.

Размер слота зависит от способа кодирования сигнала; так, для метода FHSS размер слота равен 28 мкс, а для метода DSSS — 1 мкс. Размер слота выбирается таким образом, чтобы он превосходил время распространения сигнала между любыми двумя станциями сети плюс время, затрачиваемое станцией на распознавание занятости среды. Если такое условие соблюдается, то каждая станция сети сумеет правильно распознать начало передачи кадра при прослушивании слотов, предшествующих выбранному ею для передачи слоту. Это, в свою очередь, означает следующее.

Коллизия может случиться только в том случае, когда несколько станций выбирают один и тот же слот для передачи.

В этом случае кадры искажаются, и квитанции от станций назначения не приходят. Не получив в течение определенного времени квитанцию, отправители фиксируют факт коллизии и пытаются передать свои кадры снова. При каждой повторной неудачной попытке передачи кадра интервал [0, CW], из которого выбирается номер слота, удваивается. Если, например, начальный размер окна выбран равным 8 (то есть CW = 7), то после первой коллизии размер окна должен быть равен 16 (CW = 15), после второй последовательной коллизии — 32 и т. д. Начальное значение CW в соответствии со стандартом 802.11 должно выбираться в зависимости от типа физического уровня, используемого в беспроводной локальной сети.

Как и в методе CSMA/CD, в данном методе количество неудачных попыток передачи одного кадра ограничено, но стандарт 802.11 не дает точного значения этого верхнего предела. Когда верхний предел в N попыток достигнут, то кадр отбрасывается, а счетчик последовательных коллизий устанавливается в нуль. Этот счетчик также устанавливается в нуль, если кадр после некоторого количества неудачных попыток все же передается успешно.

 

Проблема скрытого терминала

 

В беспроводных сетях возможна ситуация, когда два устройства (А и В) удалены и не слышат друг друга, однако оба попадают в зону охвата третьего устройства С (рисунок 2.3) — так называемая проблема скрытого терминала. Если оба устройства А и В начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.

 

 

Рисунок 2.3 - Иллюстрация проблемы скрытого терминала

 

В режиме доступа DFC применяются меры для устранения эффекта скрытого терминала. Для этого станция, которая хочет захватить среду и в соответствии с описанным алгоритмом начинает передачу кадра в определенном слоте, вместо кадра данных сначала посылает станции назначения короткий служебный кадр RTS (Request To Send — запрос на передачу). На этот запрос станция назначения должна ответить служебным кадром CTS (Clear To Send — свободна для передачи), после чего станция-отправитель посылает кадр данных. Кадр CTS должен оповестить о захвате среды те станции, которые находятся вне зоны сигнала станции-отправителя, но в зоне досягаемости станции-получателя, то есть являются скрытыми терминалами для станции-отправителя.

Максимальная длина кадра данных 802.11 равна 2346 байт, длина RTS-кадра — 20 байт, CTS-кадра — 14 байт. Так как RTS- и CTS-кадры гораздо короче, чем кадр данных, то потери данных в результате коллизии RTS- или CTS-кадров гораздо меньше, чем при коллизии кадров данных. Процедура обмена RTS- и CTS-кадрами не обязательна. От нее можно отказаться при небольшой нагрузке сети, поскольку в такой ситуации коллизии случаются редко, а значит, не стоит тратить дополнительное время на выполнение процедуры обмена RTS- и CTS-кадрами.

 

Фрагментация

 

Фрагментация фрейма — это выполняемая на уровне MAC функция, назначение которой — повысить надежность передачи фреймов через беспроводную среду. Под фрагментацией понимается дробление фрейма на меньшие фрагменты и передача каждого из них отдельно (рисунок 2.4). Предполагается, что вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через зашумленную беспроводную среду выше. Получение каждого фрагмента фрейма подтверждается отдельно; следовательно, если какой-нибудь фрагмент фрейма будет передан с ошибкой или вступит в коллизию, только его придется передавать повторно, а не весь фрейм. Это увеличивает пропускную способность среды.

 

 

Рисунок 2.4 - Фрагментация фрейма

 

Размер фрагмента может задавать администратор сети. Фрагментации подвергаются только одноадресатные фреймы. Широковещательные, или многоадресатные, фреймы передаются целиком. Кроме того, фрагменты фрейма передаются пакетом, с использованием только одной итерации механизма доступа к среде DCF.

Хотя за счет фрагментации можно повысить надежность передачи фреймов в беспроводных локальных сетях, она приводит к увеличению "накладных расходов" МАС-протокола стандарта 802.11. Каждый фрагмент фрейма включает информацию, содержащуюся в заголовке 802.11 MAC, а также требует передачи соответствующего фрейма подтверждения. Это увеличивает число служебных сигналов МАС-протокола и снижает реальную производительность беспроводной станции. Фрагментация — это баланс между надежностью и непроизводительной загрузкой среды.

 

Централизованный режим доступа PCF

 

В том случае, когда в сети имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может применяться также централизованный режим доступа PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды.

Режим доступа PCF в сетях 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов (рисунок 2.5).

 

 

Рисунок 2.5 - Сосуществование режимов PCF и DCF

 

После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:

- короткий межкадровый интервал (Short IFS, SIFS);

- межкадровый интервал режима PCF (PIFS);

- межкадровый интервал режима DCF (DIFS).

Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течение времени, равного или большего, чем DIFS. То есть в качестве IFS в режиме DCF нужно использовать интервал DIFS — самый длительный период из трех возможных, что дает этому режиму самый низкий приоритет.

Межкадровый интервал SIFS имеет наименьшее значение, он служит для первоочередного захвата среды ответными CTS-кадрами или квитанциями, которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра.

Значение межкадрового интервала PIFS больше, чем SIFS, но меньше, чем DIFS. Промежутком времени между завершением PIFS и DIFS пользуется арбитр среды. В этом промежутке он может передать специальный кадр, который говорит всем станциям, что начинается контролируемый период. Получив этот кадр, станции, которые хотели бы воспользоваться алгоритмом DCF для захвата среды, уже не могут этого сделать, они должны дожидаться окончания контролируемого периода. Длительность этого периода объявляется в специальном кадре, но этот период может закончиться и раньше, если у станций нет чувствительного к задержкам трафика. В этом случае арбитр передает служебный кадр, после которого по истечении интервала DIFS начинает работать режим DCF.

На управляемом интервале реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить каждой такой станции право на использование среды, направляя ей специальный кадр. Станция, получив такой кадр, может ответить другим кадром, который подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные (либо по адресу арбитра для транзитной передачи, либо непосредственно станции).

Для того чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничена. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр и начинается неконтролируемый период.

Каждая станция может работать в режиме PCF, для этого она должна подписаться на эту услугу при присоединении к сети.

 

Кадр MAC

 

На рисунке 2.6, а изображен формат кадра 802.11. Приведенная общая структура используется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях. Перечислим поля общего кадра:

-         Управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация (объясняется ниже).

-         Идентификатор  длительности/соединения. Если используется поле длительности, указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC. В некоторых кадрах управления в этом поле указывается идентификатор ассоциации, или соединения.

-         Адреса. Число и значение полей адреса зависит от контекста. Возможны следующие типы адреса: источника, назначения, передающей станции, принимающей станции.

-         Управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между данными приемником и передатчиком.

 

 

FC — управление кадром

D/I — идентификатор длительности/соединения

SC — управление очередностью

а) Кадр MAC

DS — система распределения    MD — больше данных

MF — больше фрагментов         W—бит защиты проводного эквивалента

RT — повтор                                0 — порядок

РМ — управление мощностью

б) Поле управления кадром 

 

Рисунок 2.6 - Формат кадра MAC IEEE 802.11

 

-         Тело кадра. Содержит модуль MSDU или фрагмент  MSDU. В данном случае MSDU — это модуль данных протокола LLC или управляющая информация MAC.

-         Контрольная последовательность кадра. 32-битовая проверка четности с избыточностью.

Поле управления кадром, показанное на рис. 5.6, б, состоит  из следующих полей.

-         Версия протокола. Версия 802.11, текущая версия — 0.

-         Тип. Определим тип кадра: контроль, управление или данные.

-         Подтип. Дальнейшая идентификация функций кадра. Разрешенные сочетания типов и подтипов перечислены в таблице 2.1.

-         К DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 1, если кадр предназначен распределительной системе.

-         От DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 0, если кадр исходит от распределительной системы.

-         Больше фрагментов. 1, если за данным фрагментом следует еще несколько.

-         Повтор. 1, если данный кадр является повторной передачей предыдущего.

-         Управление мощностью. 1, если передающая станция находится в режиме ожидания.

-         Больше данных. Указывает, что станция передала не все данные. Каждый блок данных может передаваться как один кадр или как группа фрагментов в нескольких кадрах.

 

Т а б л и ц а 2.1 - Разрешенные комбинации типа и подтипа

Значение типа	Описание типа	Значение подтипа	Описание подтипа
00	Управление	0000	Запрос ассоциации
00	Управление	0001	Ответ на запрос ассоциации
00	Управление	0010	Запрос повторной ассоциации
00	Управление	0011	Ответ на запрос повторной ассоциации
00	Управление	0100	Пробный запрос
00	Управление	0101	Ответ на пробный запрос
00	Управление	1000	Сигнальный кадр
00	Управление	1001	Объявление наличия трафика
00	Управление	1010	Разрыв ассоциации
00	Управление	1011	Аутентификация
00	Управление	1100	Отмена аутентификации
01	Контроль	1010	PS-oпpoc
01	Контроль	1011	Запрос передачи
01	Контроль	1100	"Готов к передаче"
01	Контроль	1101	Подтверждение
01	Контроль	1110	Без состязания (СF)-конец
01	Контроль	1111	CF-конец + CF-подтверждение
10	Данные	0000	Данные
10	Данные	0001	Данные + CF-подтверждение
10	Данные	0010	Данные + CF-oпpoc
10	Данные	0011	Данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc.
10	Данные	0100	Нулевая функция (без данных)
10	Данные	0101	Данные + CF-подтверждение
10	Данные	0110	Данные + CF-oпpoc
10	Данные	0111	Данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc

 

-         WEP. 1, если реализован алгоритм конфиденциальности проводного эквивалента (wired equivalent privacy — WEP). Протокол WEP используется для обмена ключами шифрования при безопасном обмене данными.

-         Порядок 1, если используется услуга строгого упорядочения, указывающая адресату, что кадры должны обрабатываться строго по порядку.

Рассмотрим теперь различные типы кадров MAC.

 

Контрольные кадры

Контрольные кадры способствуют надежной доставке информационных кадров. Существует шесть подтипов контрольных кадров.

-         Опрос после выхода из экономичного режима (PS-опрос). Данный кадр передается любой станцией станции, включающей точку доступа. В кадре запрашивается передача кадра, прибывшего, когда станция находилась в режиме энергосбережения, и в данный момент размещенного в буфере точки доступа.

-         Запрос передачи (RTS). Данный кадр является первым из четверки,  используемой для обеспечения надежной передачи данных. Станция, пославшая это сообщение, предупреждает адресата и остальные станции, способные принять данное сообщение,  о своей попытке передать адресату информационный кадр.

-         "Готов к передаче" (CTS). Второй кадр четырехкадровой схемы. Передается станцией-адресатом станции-источнику и предоставляет право отправки информационного кадра.

-         Подтверждение (АСК). Подтверждение успешного приема предыдущих данных, кадра управления или кадра PS-oпpoc.

-         Без состязания(СF)-конец. Объявляет конец периода без состязания; часть стратегии использования распределенного режима доступа.

-         CF-конец + CF-подтверждение. Подтверждает кадр CF-конец. Данный кадр завершает период без состязания и освобождает станции от ограничений, связанных с этим периодом.

 

Информационные кадры

 

Существует восемь подтипов информационных кадров, собранных в две группы. Первые четыре подтипа определяют кадры, переносящие данные высших уровней от исходной станции к станции-адресату. Перечислим эти кадры.

-         Данные. Просто информационный кадр. Может использоваться как в период состязания, так и в период без состязания.

-         Данные + CF-подтверждение. Может передаваться только в период без состязания. Помимо данных в этом кадре имеется подтверждение полученной ранее информации.

-         Данные + CF-oпpoc. Используется точечным координатором для доставки данных к мобильной станции и для запроса у мобильной станции информационного кадра, который находится в ее буфере.

-         Данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc. Объединяет в одном кадре функции двух описанных выше кадров.

Остальные четыре подтипа информационных кадров фактически не переносят данных пользователя. Информационный кадр "нулевая функция" не переносит ни данных, ни запросов, ни подтверждений. Он используется только для передачи точке доступа бита управления питанием в поле управления кадром, указывая, что станция перешла в режим работы с пониженным энергопотреблением. Оставшиеся три кадра (CF-подтверждение, CF-oпpoc, CF-подтверждение + CF-oпpoc) имеют те же функции, что и описанные выше подтипы кадров (данные + CF-подтверждение, данные + CF-oпpoc, данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc), но не несут пользовательских данных.

 

Кадры управления

 

Кадры управления используются для управления связью станций и точек доступа. Возможны следующие подтипы:

-         Запрос ассоциации. Посылается станцией к точке доступа с целью запроса ассоциации с данной сетью с базовым набором услуг (Basic Service Set, BSS).  Кадр включает информацию о возможностях, например, будет ли использоваться шифрование, или способна ли станция отвечать при опросе.

-         Ответ на запрос ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос ассоциации принят.

-         Запрос повторной ассоциации. Посылается станцией при переходе между BSS, когда требуется установить ассоциацию с точкой доступа в новом BSS. Использование повторной ассоциации, а не просто ассоциации позволяет новой точке доступа договариваться со старой о передаче информационных кадров по новому адресу.

-         Ответ на запрос повторной ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос повторной ассоциации принят.

-         Пробный запрос. Используется станцией для получения информации от другой станции или точки доступа. Кадр используется для локализации BSS стандарта IEEE 802.11.

-         Ответ на пробный запрос. Отклик на пробный запрос.

-         Сигнальный кадр. Передается периодически, позволяет мобильным станциям локализировать и идентифицировать BSS.

-         Объявление наличия трафика. Посылается мобильной станцией с целью уведомления других (которые могут находиться в режиме пониженного энергопотребления), что в буфере данной станции находятся кадры, адресованные другим.

-         Разрыв ассоциации. Используется станцией для аннуляции ассоциации.

-         Аутентификация. Для аутентификации станций используются множественные кадры.

-         Отмена аутентификации. Передается для прекращения безопасного соединения.

 

2.3 Технологии физического уровня стандарта IEEE 802.11

 

Набор стандартов 802.11 определяет целый ряд технологий реализации физического уровня (PHY), которые могут быть использованы подуровнем 802.11 MAC. В этой главе рассматривается каждый из уровней PHY, перечисленных ниже:

- уровень PHY стандарта 802.11 со скачкообразной перестройкой частоты (frequency hopping) в диапазоне 2,4 ГГц;

- уровень PHY стандарта 802.11 с расширением спектра методом прямой последовательности (direct sequence) в диапазоне 2,4 ГГц;

- уровень PHYстандарта 802.l1b с комплиментарным кодированием в диапазоне 2,4 ГГц;

- уровень PHY стандарта 802.11а с ортогональным частотным мультиплексированием (orthogonal frequency division multiplexion, OFDM) в диапазоне 5 ГГц;

- расширенный физический уровень (extended rate physical (ERP) layer) стандарта 802.11g в диапазоне 2,4 ГГц.

Основное назначение физических уровней стандарта 802.11 — обеспечить механизмы беспроводной передачи для подуровня MAC, а также поддерживать выполнение вторичных функций, таких, как оценка состояния беспроводной среды и сообщение о нем подуровню MAC. Уровни МАС и PHY разрабатывались так, чтобы они были независимыми. Именно независимость между MAC и подуровнем PHY и позволила использовать дополнительные высокоскоростные физические уровни, описанные в стандартах 802.l1b, 802.11а и 802.11g.

Каждый из физических уровней стандарта 802.11 имеет два подуровня:

-         Physical Layer Convergence Procedure (PLCP). Процедура определения состояния физического уровня.

-         Physical Medium Dependent (PMD). Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи.

На рисунке 2.7 показано, как эти подуровни соотносятся между собой и с вышестоящими уровнями.

 

Рисунок 2.7 - Подуровни уровня PHY модели взаимодействия  

                   открытых систем (Open System Interconnection, OSI)

 

Подуровень PLCP по существу является уровнем обеспечения взаимодействия (handshaking layer), на котором осуществляется перемещение элементов данных протокола MAC (MAC protocol data units, MPDU) между МАС-станциями с использованием подуровня PMD, на котором реализуется тот или иной метод передачи и приема данных через беспроводную среду. Подуровни PLCP и PMD отличаются для разных вариантов стандарта 802.11.

Перед тем, как приступить к рассмотрению физических уровней, рассмотрим одну из составляющих физического уровня, до сих пор не упомянутую, а именно: скремблирование.

 

Скремблирование

 

Одна из особенностей, лежащих в основе современных передатчиков, благодаря которой данные можно передавать с высокой скоростью, — это предположение о том, что данные, которые предлагаются для передачи, поступают, с точки зрения передатчика, случайным образом. Без этого предположения многие преимущества, получаемые за счет применения остальных составляющих физического уровня, остались бы нереализованными. Однако вполне вероятно и часто происходит на практике, что принимаемые данные не вполне случайны и на самом деле могут содержать повторяющиеся наборы и длинные последовательности нулей и единиц. Скремблирование (перестановка элементов) — это метод, посредством которого принимаемые данные делаются более похожими на случайные; достигается это путем перестановки битов последовательности таким образом, чтобы превратить ее из структурированной в похожую на случайную. Эту процедуру иногда называют отбеливание (whitening) потока данных. Дескремблер (descrambler) приемника затем выполняет обратное преобразование этой случайной последовательности с целью получения исходной структурированной последовательности. Большинство из способов скремблирования относится к числу самосинхронизирующихся; это означает, что дескремблер способен самостоятельно синхронизироваться со скремблером.

 

Физический уровень стандарта IEEE 802.11

Исходный стандарт 802.11 определяет три  метода передачи на физическом уровне:

-         передача в диапазоне инфракрасных волн;

-         технология расширения спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц;

-         технология широкополосной модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц.

В первом варианте средой являются инфракрасные волны диапазона 850 нм, которые генерируются либо полупроводниковым лазерным диодом, либо светодиодом (LED). Так как инфракрасные волны не проникают через стены, область покрытия LAN ограничивается зоной прямой видимости. Стандарт предусматривает три варианта распространения излучения: ненаправленную антенну, отражение от потолка и фокусное направленное излучение. В первом случае узкий луч рассеивается с помощью системы линз. Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например, между двумя зданиями

 

Беспроводные локальные сети со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)

 

Беспроводные локальные сети FHSS поддерживают скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. Как следует из названия, устройства FHSS осуществляют скачкообразную перестройку частоты по предопределенной схеме. Устройства FHSS делят предназначенную для их работы полосу частот от 2,402 до 2,480 ГГц на 79 неперекрывающихся каналов (это справедливо для Северной Америки и большей части Европы). Ширина каждого из 79 каналов составляет 1 МГц, поэтому беспроводные локальные сети FHSS используют относительно высокую скорость передачи символов, 1 МГц, и намного меньшую скорость перестройки с канала на канал.

Последовательность перестройки частоты должна иметь следующие параметры: частота перескоков не менее 2,5 раз в секунду, как минимум, между 6-ю (6 МГц) каналами. Чтобы минимизировать число коллизий между перекрывающимися зонами покрытия, возможные последовательности перескоков должны быть разбиты на три набора последовательностей, длина которых для Северной Америки и большей части Европы составляет 26. В таблице 2.2 представлены схемы скачкообразной перестройки частоты, обеспечивающие минимальное перекрытие.

 

Т а б л и ц а 2.2 - Схема FHSS для Северной Америки и Европы

Набор	Схема скачкообразной перестройки частоты
1	{0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,30,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60,63,66,69,72, 75}
2	{1,4,7,10,13,16,19,22,25,28,31,34,37,40,43,46,49,52,55,58,61,64,67,70,73, 76}
3	{2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,56,59,62,65,68,71,72,77}

 

По сути, схема скачкообразной перестройки частоты обеспечивает неторопливый переход с одного возможного канала на другой таким образом, что после каждого скачка покрывается полоса частот, равная, как минимум,   6 МГц, благодаря чему в многосотовых сетях минимизируется возможность возникновения коллизий.

FHSS на подуровне PLCP

После того как уровень MAC пропускает МАС-фрейм, который в локальных беспроводных сетях FHSS называется также служебный элемент данных PLCP, или PSDU (сокращение от PLCP service data unit), подуровень PLCP добавляет два поля в начало фрейма, чтобы сформировать таким образом фрейм PPDU (напомним, PPDU — это элемент данных протокола PLCP). На рисунке 2.8 представлен формат фрейма FHSS подуровня PLCP.

 

 

Рисунке 2.8 - Формат фрейма FHSS подуровня PLCP

 

Преамбула PLCP состоит из двух подполей:

-         подполе Sync размером 80 бит. Строка, состоящая из чередующихся 0 и 1, начинается с 0. Приемная станция использует это поле, чтобы принять решение о выборе антенны при наличии такой возможности, откорректировать уход частоты (frequency offset) и синхронизировать распределение пакетов (packet timing).

-         подполе флага начала фрейма (start of frame delimiter, SFD) размером 16 бит. Состоит из специфической строки (0000 1100 1011 1101, крайний слева бит первый) в обеспечение синхронизации фреймов (frame timing) для приемной станции.

Заголовок фрейма PLCP состоит из трех подполей:

-         слово длины служебного элемента данных PLCP (PSDU), PSDU length word (PLW) размером 12 бит. Указывает размер фрейма MAC (PSDU) в октетах;

-         сигнальное поле PLCP (signaling field PLCP, PSF) размером 4 бит. Указывает скорость передачи данных конкретного фрейма.

Служебный элемент данных PLCP (PSDU) проходит через операцию скремблирования с целью отбеливания (рандомизации) последовательности входных битов. Получившийся в результате PSDU представлен на рисунке 2.9. Заполняющие символы (stuff symbols) вставляются между всеми 32-символьными блоками. Эти заполняющие символы устраняют любые систематические отклонения (bias) в данных, например, когда единиц больше, чем нулей, или наоборот, которые могли бы привести к нежелательным эффектам при дальнейшей обработке.

Подуровень PLCP преобразует фрейм в поток битов и передает его на подуровень PMD. Подуровень PMD технологии FHSS модулирует поток данных с использованием модуляции, основанной на гауссовой частотной модуляции (Gaussian frequency shift keying, GFSK), которая была рассмотрена ранее.

 

Рисунке 2.9 - Скремблированный на подуровне PSDU в технологии FHSS

 

Беспроводные локальные сети, использующие широкополосную модуляцию DSSS с расширением спектра методом прямой последовательности

В спецификации стандарта 802.11 оговорено использование и другого физического уровня — на основе технологии широкополосной модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS). Как было указано в стандарте 802.11 разработки 1997 года, технология DSSS поддерживает скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. В 1997 году рабочая группа ратифицировала стандарт 802.11b, позволяющий поддерживать скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. Физический уровень DSSS стандарта 802.11b совместим с существующими WLAN стандарта 802.11. Подуровень PLCP технологии DSSS стандарта 802.11b такой же, как и для стандарта 802.11, лишь с дополнительными опциональными короткими преамбулой и заголовком.

Беспроводные локальные сети DSSS используют каналы шириной 22 МГц, благодаря чему многие WLAN могут работать в одной и той же зоне покрытия. В Северной Америке и большей части Европы каналы шириной 22 МГц позволяют создать в диапазоне 2,4—2,483 ГГц три неперекрывающихся канала передачи. Эти каналы показаны на рисунке 2.10.

 

Рисунке 2.10 - Каналы, используемые в технологии DSSS

Технология DSSS стандарта 802.11

 

Аналогично подуровню PLCP, используемому в технологии FHSS, подуровень PLCP технологии DSSS стандарта 802.11 добавляет два поля во фрейм MAC, чтобы сформировать PPDU: преамбулу PLCP и заголовок PLCP. Формат фрейма представлен на рисунок 2.11.

 

 

Рисунок 2.11 - Формат фрейма DSSS PPDU стандарта 802.11

 

Преамбула PLCP состоит из двух подполей:

-         подполе Sync шириной 128 бит, представляющее собой строку, состоящую из единиц. Задача этого подполя — обеспечить синхронизацию для приемной станции;

-         подполе SFD шириной 16 бит; в нем содержится специфичная строка ОхF3A0; его задача — обеспечить тайминг (timing) для приемной станции.

Заголовок PLCP состоит из четырех подполей:

-         подполе Signal шириной 8 бит, указывающее тип модуляции и скорость передачи для данного фрейма;

-         подполе Service шириной 8 бит, зарезервировано. Это означает, что во время разработки спецификации стандарта оно осталось неопределенным; предполагается, что оно пригодится в будущих модификациях стандарта;

-         подполе Length шириной  16 бит, указывающее количество микросекунд (из диапазона 16—216 - 1), необходимое для передачи части MAC фрейма;

-         подполе CRC 16-битная контрольная сумма.

Подуровень PLCP преобразует фрейм в поток битов и передает данные на подуровень PMD. Весь PPDU проходит через процесс скремблирования с целью рандомизации данных.

Скремблированная преамбула PLCP всегда передается со скоростью 1 Мбит/с, в то время как скремблированный фрейм MPDU передается со скоростью, указанной в подполе Signal. Подуровень PMD модулирует отбеленный поток битов, используя следующие методы модуляции:

-         двоичная относительная фазовая  модуляция  (differential binary phase shift keying, DBPSK) для скорости передачи 1 Мбит/с;

-         квадратурная относительная фазовая модуляция (differential quadrature phase shift key, DQPSK) для скорости передачи 2 Мбит/с.

 

 

Физический уровень стандарта IEEE 802.11b

 

На физическом уровне к МАС-кадрам (MPDU) добавляется заголовок физического уровня, состоящий из преамбулы и собственно PLCP-заголовка (рисунок 2.12). Преамбула содержит стартовую синхропоследовательность (SYNC) для настройки приемника и 16-битный код начала кадра (SFD) — число F3A0₁₆. PLCP-заголовок включает поля SIGNAL (информация о скорости и типе модуляции), SERVICE (дополнительная информация, в том числе о применении высокоскоростных расширений и PBSS-модуляции) и LENGTH (время в микросекундах, необходимое для передачи следующей за заголовком части кадра). Все три поля заголовка защищены 16-битной контрольной суммой CRC.

 

 

Рисунок 2.12 -  Структура кадров сети 802.11b PHY-уровня

 

В стандарте IEEE 802.11b предусмотрено два типа заголовков: длинный и короткий (рисунок 2.13). Они отличаются длиной синхропоследовательности (128 и 56 бит), способом ее генерации, а также тем, что символ начала кадра в коротком заголовке передается в обратном порядке. Кроме того, если все поля длинного заголовка передаются со скоростью 1 Мбит/с, то при коротком заголовке преамбула транслируется на скорости 1 Мбит/с, другие поля заголовка — со скоростью 2 Мбит/с. Остальную часть кадра можно передавать на любой из допустимых стандартом скоростей передачи, указанных в полях SIGNAL и SERVICE. Короткие заголовки физического уровня предусмотрены спецификацией IEEE 802.11b для увеличения пропускной способности сети.

 

 

Рисунок 2.13 - Короткий заголовок кадров сети 802.11b

 

Из описания процедур связи сети IEEE 802.11 видно, что «накладные расходы» в этом стандарте выше, чем в проводной сети Ethernet. Поэтому крайне важно обеспечить высокую скорость передачи данных в канале. Повысить пропускную способность канала с заданной шириной полосы частот можно, разрабатывая и применяя более совершенные методы модуляции. По этому пути пошла группа разработчиков IEEE 802.11b.

Напомним, что изначально стандарт IEEE 802.11 предусматривал работу в режиме DSSS с использованием так называемой Баркеровской последовательности (Barker) длиной 11 бит: В1 = (10110111000). Каждый информационный бит замещается своим произведением по модулю 2 (операция «исключающее ИЛИ») с данной последовательностью, т. е. каждая информационная единица заменяется на B1, каждый ноль — на инверсию B1. В результате бит заменяется последовательностью 11 чипов. Далее сигнал кодируется посредством дифференциальной двух- или четырехпозиционной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK, один или два чипа на символ соответственно). При частоте модуляции несущей 11 МГц общая скорость составляет в зависимости от типа модуляции 1 и 2 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11b дополнительно предусматривает скорости передачи 11 и 5,5 Мбит/с. Для этого используется так называемая ССК-модуляция (Complementary Code Keying — кодирование комплементарным кодом). В основу данного метода легли работы специалистов компаний Intersil (ранее — Harris Semiconductor) и отчасти Agere Systems (полупроводниковое подразделение, выделенное из Lucent Technologies).

Хотя механизм расширения спектра, используемый для получения скоростей 5,5 и 11 Мбит/с с применением ССК, относится к методам, которые применяются для скоростей 1 и 2 Мбит/с, он по-своему уникален. В обоих случаях применяется метод расширения, но при использовании модуляции ССК расширяющий код представляет собой код из 8 комплексных чипов (complex chip), в то время как при работе со скоростями 1 и 2 Мбит/с применяется 11-разрядный код. 8-чиповый код определяется или 4, или 8 битами — в зависимости от скорости передачи данных. Скорость передачи чипов составляет 11 Мчип/с, т.е. при 8 комплексных чипах на символ и 4 или 8 битов на символ можно достигнуть скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с.

Для того чтобы передавать данные со скоростью 5,5 Мбит/с, нужно сгруппировать скремблированный поток битов в символы по 4 бита (b0, b1, b2 и bЗ). Последние два бита (b2 и bЗ) используются для определения 8 последовательностей комплексных чипов, как показано в таблице 2.3, где {cl, с2, сЗ, с4, с5, с6, с7, с8} представляют чипы последовательности. В таблице  2.3 j представляет мнимое число, корень квадратный из - 1, и откладывается по мнимой, или квадратурной оси комплексной плоскости.

 

 

 

Т а б л и ц а 2.3 - Последовательность чипов ССК 

(b2, bЗ)	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7	С8
00	j	1	j	-1	j	1	-1	1
01	-j	-1	-j	1	j	1	-j	1
10	-j	1	-j	-1	-j	1	j	1
11	j	-1	j	1	-j	1	j	1

        

Теперь, имея последовательность чипов, определенную битами (b2, bЗ), можно использовать первые два бита (b0, b1) для определения поворота фазы, осуществляемого при модуляции по методу DQPSK, который будет применен к последовательности (таблице 2.4). Вы должны также пронумеровать каждый 4-битовый символ PSDU, начиная с 0, чтобы можно было определить, преобразуете вы четный либо нечетный символ в соответствии с этой таблицей. Следует помнить, что речь идет об использовании DQPSK, а не QPSK, и поэтому представленные в таблице изменения фазы отсчитываются по отношению к предыдущему символу или, в случае первого символа PSDU, по отношению к последнему символу предыдущего DQPSK символа, передаваемого со скоростью 2 Мбит/с.

 

Т а б л и ц а 2.4 - Поворот фазы при модуляции ССК

(b0,b1)	Изменение фазы четных символов	Изменение фазы нечетных символов
00	0
01		-
11		0
10	-

 

Это вращение фазы применяется по отношению к 8 комплексным чипам символа, затем осуществляется модуляция на подходящей несущей частоте.

Чтобы передавать данные со скоростью 11 Мбит/с, скремблированная последовательность битов PSDU разбивается на группы по 8 символов. Последние 6 битов выбирают одну последовательность, состоящую из 8 комплексных чипов, из числа 64 возможных последовательностей, почти так же, как использовались биты (b2, bЗ) для выбора одной из четырех возможных последовательностей. Биты (b0,b1) используются таким же образом, как при модуляции ССК на скорости 5,5 Мбит/с для вращения фазы последовательности и дальнейшей модуляции на подходящей несущей частоте.

В чем достоинство ССК-модуляции? Дело в том, что чипы символа определяются на основе последовательностей Уолша-Адамара.  Последовательности Уолша-Адамара хорошо изучены, обладают отличными автокорреляционными свойствами. Что немаловажно, каждая такая последовательность мало коррелирует сама с собой при фазовом сдвиге — очень полезное свойство при борьбе с переотраженными сигналами. Нетрудно заметить, что теоретическое операционное усиление ССК-модуляции — 3 дБ (в два раза), поскольку без кодирования QPSK-модулированный с частотой 11 Мбит/с сигнал может транслировать 22 Мбит/с. Как видно, ССК-модуляция представляет собой вид блочного кода, а потому достаточно проста при аппаратной реализации. Совокупность этих свойств и обеспечила ССК место в стандарте IEEE 802.11b в качестве обязательного вида модуляции.

На практике важно не только операционное усиление. Существенную роль играет и равномерность распределения символов в фазовом пространстве — они должны как можно дальше отстоять друг от друга, чтобы минимизировать ошибки их детектирования. И с этой точки зрения ССК-модуляция не выглядит оптимальной, ее реальное операционное усиление не превышает 2 дБ. Поэтому изначально прорабатывался другой способ модуляции — пакетное бинарное сверточное кодирование РВСС (Packet Binary Convolutional Coding). Этот метод вошел в стандарт IEEE 802.11b как дополнительная (необязательная) опция. Механизм РВСС (рисунок 2.14) был предложен специалистами фирмы Alantro Communications, в 2000 году вошедшей в состав компании Texas Instruments. РВСС позволяет добиваться в сетях IEEE 802.11b пропускной способности 5,5; 11 и 22 Мбит/с.

 

 

Рисунок 2.14 -  Общая схема РВСС-модуляции

 

Как следует из названия, метод основан на сверточном кодировании. Для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с поток информационных битов поступает в шестиразрядный сдвиговый регистр с сумматорами (рисунке 2.15.а). В начальный момент времени все триггеры сдвигового регистра инициализируют нулем. В результате каждый исходный бит d заменяется двумя битами кодовой последовательности (c0, c1). При скорости 11 Мбит/с с0 и c1 задают один символ четырехпозиционной QPSK-модуляции. Для скорости 5,5 Мбит/с используют двухпозиционную BPSK-модуляцию, последовательно передавая кодовые биты c0 и с1. Если же нужна скорость 22 Мбит/с, схема кодирования усложняется (рисунке 2.15.б): три кодовых бита (c0-c2) определяют один символ в 8-позиционной 8-РSК-модуляции.

После формирования PSK-символов происходит скремблирование. В зависимости от сигнала s (рисунок 2.9) символ остается без изменений (s = 0), либо его фаза увеличивается на  (s = 1). Значение s определяет 256-битовая циклически повторяющаяся последовательность S. Она формируется на основе начального вектора U = 338Bh, в котором равное число нулей и единиц.

 

 

Рисунок 2.15 - Схема сверточного ВСС-кодирования: а — для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с; б — для скорости 22 Мбит/с

 

У шестиразрядного сдвигового регистра, применяемого в РВСС для скоростей 11 и 5,5 Мбит/с, 64 возможных выходных состояния. Так что при модуляции РВСС информационные биты в фазовом пространстве оказываются гораздо дальше друг от друга, чем при ССК-модуляции. Поэтому РВСС и позволяет при одних и тех же соотношении сигнал/шум и уровне ошибок вести передачу с большей скоростью, чем в случае СКК (рисунок 2.16). Однако плата за более эффективное кодирование — сложность аппаратной реализации данного алгоритма. Видимо, не случайно продвигать РВСС-модуляцию стала компания Texas Instruments — ведущий производитель процессоров цифровой обработки сигнала.

Несмотря на все усилия Texas Instruments, режим 22 Мбит/с так и не вошел в стандарт IEEE 802.11b, хотя даже появилось обозначение «IEEE 802.11b+» и устройства на основе АСХ100 начали производить такие известные компании, как D-Link и NDC. Не получили распространения и сети со скоростью 22 Мбит/с. Видимо, тут играют роль два обстоятельства. Прежде всего, процедура стандартизации — это конкуренция за получение значительных финансовых прибылей в виде лицензионных отчислений тому, чья технология стала стандартной. В данном случае столкнулись интересы двух гигантов полупроводниковой индустрии — компаний Intersil и Texas Instruments. Поддерживать одновременно два вида модуляции сложно в финансовом и техническом отношении, поэтому и был принят ССК-вариант.

 

 

Рисунок 2.16 - Дальность связи при различных способах модуляции и фиксированном затухании в канале (по материалам компании Texas Instruments о применении ИС АСХ100)

 

С другой стороны, скорости порядка 22 Мбит/с стали мало интересны для потребителей, так как перед ними открылись новые перспективы — до 54 Мбит/с.

 

Физический уровень стандарта IEEE 802.11а

 

Стандарт IEEE 802.11а появился практически одновременно с IEEE 802.11b, в сентябре 1999 года. Эта спецификация была ориентирована на работу в диапазоне 5 ГГц и основана на принципиально ином, чем описано выше, механизме кодирования данных — на частотном мультиплексировании посредством ортогональных несущих (OFDM). В России допустимо использование оборудования стандартов 802.11а и Hiper LAN 2 в полосе частот 400 МГц (рисунок 2.17). Этой полосы достаточно для построения полноценных сетей радиодоступа на всей территории страны.

Стандарт 802.11a определяет характеристики оборудования, применяемого в офисных или городских условиях, когда распространение сигнала происходит по многолучевым каналам из-за множества отражений.

В IEEE 802.11а каждый кадр передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала — 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, а также 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования r (1/2 и 3/4, для 64-QAM — 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48

 

Рисунок 2.17 - Национальные распределения полос частот для оборудования стандарта IEEE 802.11а

 

и 54 Мбит/с. В таблице 2.5 показано, как необходимая скорость передачи данных преобразуется в соответствующие параметры узлов передатчика OFDM.

Из 52 несущих 48 предназначены для передачи информационных символов, остальные 4 — служебные. Структура заголовков физического уровня отличается от принятого в спецификации IEEE 802.11b, но не существенно (рисунок 2.18). Кадр включает преамбулу (12 символов синхропоследовательности), заголовок физического уровня (PLCP-заголовок) и собственно информационное поле, сформированное на МАС-уровне. В заголовке передается информация о скорости кодирования, типе модуляции и длине кадра. Преамбула и заголовок транслируются с минимально возможной скоростью (BPSK, скорость кодирования r = 1/2), а информационное поле — с указанной в заголовке, как правило, максимальной, скоростью, в зависимости от условий обмена. OFDM-символы передаются через каждые 4 мкс, причем

 

Т а б л и ц а 2.5 - Параметры передатчика стандарта 802.11а

каждому символу длительностью 3,2 мкс предшествует защитный интервал 0,8мкс (повторяющаяся часть символа). Последний необходим для борьбы с многолучевым распространением сигнала — отраженный и пришедший с задержкой символ попадет в защитный интервал и не повредит следующий символ.

 

 

Рисунок 2.18 -.  Структура заголовка физического уровня стандарта IEEE 802.11а

 

Естественно, формирование/декодирование OFDM-символов происходит посредством быстрого преобразования Фурье (обратного/прямого, ОБПФ/БПФ). Функциональная схема трактов приема/передачи (рисунок 2.19) достаточно стандартна для данного метода и включает сверточный кодер, механизм перемежения /перераспределения (защита от пакетных ошибок) и процессор ОБПФ. Фурье-процессор, собственно, и формирует суммарный сигнал, после чего к символу добавляется защитный интервал, окончательно формируется OFDM-символ и посредством квадратурного модулятора/конвертера переносится в заданную частотную область. При приеме все происходит в обратном порядке.

 

Рисунок 2.19 - Функциональная схема трактов приема/передачи стандарта IEEE 802.11а

 

Физический уровень стандарта IEEE 802.11g

 

Стандарт IEEE 802.11g по сути, представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM, прекрасно зарекомендовавшей себя в 802.11а, из диапазона 5 ГГц в область 2,4 ГГц при сохранении функциональности устройств стандарта 802.11b. Это возможно, поскольку в стандартах 802.11 ширина одного канала в диапазонах 2,4 и 5 ГГц схожа — 22 МГц по уровню -30 и -20 дБ, соответственно. По уровню -28 дБ маска канала в 802.11а допускает спектральную полосу шириной 40 МГц.

Одним из основных требований к спецификации 802.11g была обратная совместимость с устройствами 802.11b. Это требование привело к очередному столкновению интересов компаний Intersil и TI. Действительно, в стандарте 802.11b в качестве основного способа модуляции принята схема ССК (Complementary Code Keying), а в качестве дополнительной возможности допускается модуляция PBSS. В последней крайне заинтересована компания TI. Разработчики 802.11g предусмотрели ССК-модуляцию для скоростей до  11 Мбит/с и OFDM для более высоких скоростей. С этим были согласны все. Но сети стандарта 802.11 при работе используют принцип CSMA/CA — множественный доступ к каналу связи с контролем несущей и предотвращением коллизий. Ни одно устройство 802.11 не должно начинать передачу, пока не убедится, что эфир в его диапазоне свободен от других устройств. Если в зоне слышимости окажутся устройства 802.11b и 802.11g, причем обмен будет происходить между устройствами 802.11g посредством OFDM, то оборудование 802.11b просто не поймет, что другие устройства сети ведут передачу, и попытается начать трансляцию. Последствия очевидны.

Чтобы подобную ситуацию не допустить, предусмотрена возможность работы в смешанном режиме — CCK-OFDM. Информация в сетях 802.11 передается кадрами. Каждый информационный кадр включает два основных поля: преамбулу с заголовком и информационное поле (рисунок 2.20).

 

 

Рисунок 2.20 - Кадры IEEE 802.11g в различных режимах модуляции

 

Преамбула содержит синхропоследовательность и код начала кадра, заголовок - служебную информацию, в том числе о типе модуляции, скорости и продолжительности передачи кадра. В режиме CCK-OFDM преамбула и заголовок модулируются методом ССК (реально — путем прямого расширения спектра DSSS посредством последовательности Баркера, поэтому в стандарте 802.11g этот режим именуется DSSS-OFDM), а информационное поле — методом OFDM. Таким образом, все устройства 802.11b, постоянно «прослушивающие» эфир, принимают заголовки кадров и узнают, сколько времени будет транслироваться кадр 802.11g. В этот период они «молчат». Естественно, пропускная способность сети падает, поскольку скорость передачи преамбулы и заголовка — 1 Мбит/с.

Видимо, данный подход не устраивал лагерь сторонников технологии PBSS, и для достижения компромисса в стандарт 802.11g в качестве дополнительной возможности ввели, так же как и в 802.11b, необязательный режим — PBSS, в котором заголовок и преамбула передаются так же, как и при ССК, а информационное поле модулируется по схеме PBSS и передается на скорости 22 или 33 Мбит/с. В результате устройства стандарта 802.11g должны оказаться совместимыми со всеми модификациями оборудования 802.11b и не создавать взаимных помех. Диапазон поддерживаемых им скоростей отражен в таблице 2.6, зависимость скорости от типа модуляции — на рисунке 2.21.

 

Т а б л и ц а 2.6 - Возможные скорости и тип модуляции в спецификации IEEE 802. 11g

Скорость, Мбит/с	Тип модуляции
	Обязательно	Допустимо
1	Последовательность Баркера
2	Последовательность Баркера
5,5	CCK	РВСС
6	OFDM	CCK-OFDM
9		OFDM, CCK-OFDM
11	CCK	РВСС
12	OFDM	CCK-OFDM
18		OFDM, CCK-OFDM
22		РВСС
24	OFDM	CCK-OFDM
33		РВСС
36		OFDM, CCK-OFDM
48		OFDM, CCK-OFDM
54		OFDM, CCK-OFDM

 

Очевидно, что устройствам стандарта IEEE 802.11g достаточно долго придется работать в одних сетях с оборудованием 802.11b. Также очевидно, что производители в массе своей не будут поддерживать режимы CCK-OFDM и PBSS в силу их необязательности, ведь почти все решает цена устройства. Поэтому одна из основных проблем нового стандарта — как обеспечить бесконфликтную работу смешанных сетей 802.11b/g.

Основной принцип работы в сетях 802.11 — «слушать, прежде чем вещать». Но устройства 802.11b не способны услышать устройства 802.11g в OFDM-режиме. Ситуация аналогична проблеме скрытых станций: два устрой-

 

Рисунок 2.21 - Зависимость скорости передачи от расстояния для различных технологий передачи. Расстояние приведено в процентах, 100% — дальность передачи с модуляцией ССК на скорости 11 Мбит/с

 

ства удалены настолько, что не слышат друг друга и пытаются обратиться к третьему, которое находится в зоне слышимости обоих. Для предотвращения конфликтов в подобной ситуации в 802.11 введен защитный механизм, предусматривающий перед началом информационного обмена передачу короткого кадра «запрос на передачу» (RTS) и получение кадра подтверждения «можно передавать» (CTS). Механизм RTS/CTS применим и к смешанным сетям 802.11b/g. Естественно, эти кадры должны транслироваться в режиме ССК, который обязаны понимать все устройства. Однако защитный механизм существенно снижает пропускную способность сети. Так, при физической скорости 54 Мбит/с потолок пропускной способности гомогенной сети 802.11g (с учетом всей служебной и управляющей информации) около 32 Мбит/с, а реальные показатели оборудования — на уровне 24 Мбит/с. Если же сеть смешанная, то защитный механизм RTS/CTS понизит пропускную способность до 12 Мбит/с. Это практически вдвое превышает пропускную способность однородной сети 802.11b (~6 Мбит/с), но ведь всегда хочется большего. Поэтому вместо механизма RTS/CTS можно использовать только кадры CTS, предшествующие каждому OFDM-кадру. В результате пропускная способность несколько повысится — до 14,5 Мбит/с. Однако этот механизм неприемлем, если не все устройства сети находятся в зоне слышимости друг друга (пресловутая проблема «скрытой точки»).

Видимо, поэтому производители ИС для сетей 802.11 разрабатывают специальные механизмы, способные в рамках действующих стандартов повысить скорость передачи. Так, компания Atheros для стандартов 802.11а и g предложила так называемый режим Turbo Mode, позволяющий удвоить номинальную скорость до 108 Мбит/с за счет передачи информации одновременно по двум каналам. Для поддержки Turbo Mode компания выпустила специальный чипсет AR5001X+, отличающийся от AR5001X модифицированным процессором AR5212.

Корпорация Intersil пошла другим путем. Она представила свою технологию PRISM Nitro, включающую два основных элемента: защитный механизм и групповую передачу OFDM-кадров. Защитный механизм не содержит ничего принципиально нового и подразумевает передачу перед каждым OFDM-кадром кадра CTS. Intersil ратует за введение этого средства защиты в спецификацию 802.11g в качестве обязательного элемента. Групповая же передача OFDM-кадров способна, по мнению специалистов компании, существенно повысить пропускную способность как смешанной 802.11b/g сети, так и однородной.

В таблице 2.7 представлена сводная информация по параметрам физических уровней.

 

Т а б л и ц е 2.7 - Стандарты физического уровня

Параметр	802.11 DSSS	802.11 FHSS	802.11b	802.11а	802.11g
Частотный диапазон (ГГц)	2,4	2,4	2,4	5	2,4
Максимальная скорость передачи данных (Мбит/c)	2	2	11	54	54
Технология	DSSS	FHSS	CCK	OFDM	OFDM
Тип модуляции (для максимальной скорости передачи)	QPSK	GFSK	QPSK	64-QAM	64-QAM
Число неперекрывающихся каналов	3	3	3	15	3

 

 

3 Антенны

 

Антенну можно определить как проводник, используемый для излучения или улавливания электромагнитной энергии из пространства. Для передачи сигнала радиочастотные электрические импульсы передатчика с помощью антенны преобразуются в электромагнитную энергию, которая излучается в окружающее пространство. При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего подаётся на               приёмник [2, 3].

Как правило, при двусторонней связи одна и та же антенна может быть использована как для приёма, так и для передачи сигнала. Такой подход возможен, потому что любая антенна с равной эффективностью поставляет энергию из окружающей среды к принимающим терминалам и от передающих терминалов в окружающую среду.

 

3.1 Диаграммы направленности и основные типы антенн

 

Диаграммы направленности

 

Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлении неодинакова. Наиболее распространенным способом определения эффективности антенны является диаграмма направленности, которая представляет собой зависимость излучающих свойств антенны от пространственных координат.

Один из наиболее простых типов диаграммы направленности соответствует идеальному случаю так называемой изотропной антенны. Под изотропной антенной понимают точку в пространстве, которая излучает энергию одинаково во всех направлениях. Диаграмма направленности для изотропной антенны представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением антенны. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы. Подобная диаграмма для изотропной антенны представлена на рисунке 3.1, а. Расстояние от антенны до любой точки диаграммы направленности прямо пропорционально энергии, которая была излучена антенной в данном направлении. На рисунке 3.1, б представлен еще один идеализированный случай — направленная антенна с одним выделенным направлением излучения (вдоль горизонтальной оси).

Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции. Чтобы на основе относительного расстояния определить приведенную мощность в заданном направлении, от точки размещения антенны до пересечения с диаграммой направленности проводят прямую линию под соответствующим

 

(а)  Изотропная антенна                            (б)  Направленная антенна

 

Рисунок 3.1 - Диаграммы направленности

 

углом наклона. На рисунок 3.1 для двух антенн сравниваются два угла передачи сигнала (А и Б). Изотропной антенне соответствует ненаправленная круговая диаграмма; векторы А и Б равны по величине.

Ширина луча (также называемая шириной луча по уровню половинной мощности) - это угол, в пределах которого излучаемая мощность составляет не меньше половины мощности, которая излучается в преимущественном направлении. Антенна, используемая для приема сигналов, характеризуется диаграммой приема. Наибольшие секторы такой диаграммы определяют направление, оптимальное для получения сигналов.

 

Типы антенн

Двумя наиболее простыми примерами антенн являются полуволновой диполь (также называемый вибратором Герца, рисунок 3.2, а) и четвертьволновая вертикальная антенна (антенна Маркони, рисунок 3.2, б).

 

 

(а)  Полуволновой диполь                    (б)  Четвертьволновая антенна

 

Рисунок 3.2 - Простейшие антенны

 

 

Полуволновой диполь состоит из двух прямых коллинеарных проводников равной длины, разделенных небольшой щелью, на которую подается сигнал. Максимальная эффективность передачи сигнала достигается при длине антенны, равной половине длины волны.

Вертикальная четвертьволновая антенна наиболее часто используется в автомобильных или портативных радиолах.

Полуволновой диполь характеризуется ненаправленной диаграммой излучения в одном измерении трехмерного пространства. В двух других плоскостях диаграмма по форме напоминает цифру «8» (рисунок 3.3).

 

Вид сбоку(xy-плоскость) Вид сбоку(zy-плоскость) Вид сверху(xz-плоскость)

 

Рисунок 3.3 - Диаграмма направленности полуволнового диполя

 

Для излучения направленных сигналов могут использоваться более сложные типы антенн. Распространённый пример диаграммы направленности такой антенны  представлен на рисунок 3.4. В данном случае максимум мощности излучается в направлении оси x.

Вид сбоку(xy-плоскость) Вид сбоку(zy-плоскость) Вид сверху(xz-плоскость)

 

Рисунок 3.4 - Диаграмма направленности направленных сигналов

 

Параболические отражающие антенны используются широко, в частности, для спутниковой связи, а также в наземных системах СВЧ-связи.

Парабола – это геометрическое место точек, равноудаленных от некоторой фиксированной прямой линии и фиксированной точки, которая не принадлежит этой линии. Упомянутая фиксированная точка называется фокусом; фиксированную линию называют директрисой (рисунок 3.5, а).

В результате обращения параболы вокруг собственной оси получается поверхность, именуемая параболоидом. Поперечное сечение параболоида, проведенное параллельно его оси, является параболой, тогда как при сечении,

(а)Парабола               (б)Отражающие свойства параболической антенны

 

Рисунок 3.5 - Параболическая отражающая антенна

 

которое перпендикулярно данной оси, образуется окружность. Подобные поверхности используются при создании прожекторов, оптических телескопов и радиотелескопов, а также СВЧ-антенн. Столь широкое их  применение  объясняется  следующим свойством: если источник электромагнитной энергии поместить в фокус параболоида и если поверхность параболоида является отражающей, тогда волны будут отражаться параллельно оси параболоида. На рисунке 3.5 б представлен вид подобного эффекта в поперечном сечении. Теоретически при образовании луча, параллельного оси параболоида, дисперсия отсутствует. Однако на практике дисперсия будет иметь место, поскольку объем источника энергии больше одной точки.

Верно также утверждение, обратное приведённому ранее: если принимаемые волны параллельны оси отражающего параболоида, результирующий сигнал будет сконцентрирован в фокусе.

 

3.2 Поляризация антенн

 

Важной характеристикой антенны является её поляризация. В системах радиодоступа используют антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (с правым и левым вращением) поляризациями (рисунок 3.6).

Учёт поляризации позволяет получить дополнительные энергетические преимущества при решении задач электромагнитной совместимости, планировании зон обслуживания и т. д. При заполнении определенного пространства радиомодемами до предельного уровня, после которого взаимные радиопомехи начинают мешать нормальной работе сетей, достаточ-

(а)                                                                                 (б)

 

Рисунок 3.6 - Вертикальная (а) и горизонтальная (б) поляризации

 

но изменить поляризацию антенн, после чего можно продолжать наращивать радиосеть.

В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического E и магнитного H полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определённым образом. Поляризация электромагнитной волны является её пространственно-временнóй  характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства.

При круговой или циклической поляризации электромагнитное поле вращается вокруг оси Х с определенным циклом, или шагом, так, что в разных точках пространства принимает или вертикальную, или горизонтальную поляризацию. Такой вид поляризации сравнительно редко применяется.

 

3.3 Коэффициенты усиления различных антенн

 

Коэффициент усиления является мерой направленности антенны. Данный параметр определяется как отношение мощности сигнала, излученного в определённом направлении, к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной в любом направлении.

Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю обычно дается в дБ (dB), а по отношению к изотропному излучателю – в дБи (dBi)

 

Единицы измерения (дБ)

 

Впервые использованная для измерений интенсивности сигнала, единица измерения децибел была названа так в честь Александра Грэма Бэлла. При помощи децибела инженеры без труда смогли описать коэффициент входящей и выходящей энергии или напряжения. Значения в децибелах вычисляются по логарифмической шкале, что позволяет обеспечить спецификацию характеристик в широком диапазоне напряжений или мощностей 3.1 и 3.2.

 

                                   (3.1)

                (3.2)

где  – измеренная мощность (Вт);

 – эталонная мощность (Вт);

 – измеренное напряжение (В);

 – эталонное напряжение (В).

 

Усиление и снижение интенсивности сигнала, а также его относительные уровни обычно выражаются в децибелах дБ (dB). Децибелом называется мера отношения между двумя уровнями сигнала.

Для такого выбора имеется несколько причин:

-   интенсивность сигнала часто снижается по логарифмическому закону, поэтому ослабление проще выражать в децибелах, являющихся логарифмическими единицами;

-   суммарное усиление или ослабление сигнала в каскадном канале передачи можно вычислить с помощью простых операций сложения или вычитания.

 

Пример 1: Если на входе линии передачи уровень мощности сигнала составляет 100 мВт, а на некотором расстоянии 50 мВт, то ослабление сигнала можно выразить следующим образом:

 

.

 

В децибелах выражается относительное, а не абсолютное отличие сигналов. Ослабление сигнала с 10 Вт  на 5 Вт также является ослаблением на 3 дБ.

 

Пример 2: Использование децибелов полезно при определении усиления или снижения мощности, происходящего на последовательности передающих элементов. Рассмотрим, например, последовательность элементов, на вход которой подаётся мощность 4 мВт, первый элемент является кабельной сборкой с затуханием 12 дБ, второй элемент - это усилитель с усилением 35 дБ, а третий - ещё одна кабельная сборка с затуханием 10 дБ. Суммарное усиление тракта равно (-12+35-10)=13 дБ. Вычисляем мощность на выходе:

 

,

.

Значения в децибелах связаны с относительными амплитудами или изменениями амплитуд, но никак не с абсолютными уровнями. Было бы удобно представить абсолютный уровень мощности также в децибелах, чтобы можно было легко вычислять усиление или снижение мощности по отношению к исходному сигналу. Единица дБВт или dBW  (децибел-ватт) широко используется для расчёта СВЧ радиолиний. В качестве эталонного уровня выбрана величина 1 Вт, и ей присвоено значение 0 дБВт. Абсолютный уровень мощности в децибел-ваттах определяется следующим образом:

 

.

 

Широко используется и другая производная единица – дБмВт (dBm) (децибел-милливат). В этом случае за эталонный уровень мощности принимается 1 мВт, т.е. 0 дБмВт соответствует 1 мВт.

 

.

 

Полезно также запомнить следующие соотношения:

+30 дБмВт = 0 дБВт;

0 дБмВт = - 30 дБВт

Увеличение мощности сигнала в одном направлении возможно лишь за счёт остальных направлений распространения. Другими словами, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечёт за собой уменьшение мощности в других направлениях. Необходимо отметить, что коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной (как может показаться из названия), поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.

 

Эффективная площадь антенны

 

Эффективная площадь антенны связана с предыдущим параметром и также зависит от размеров и формы антенны. Отношение между коэффициентом направленного действия антенны и ее эффективной площадью можно записать в следующем виде:

 

                                             (3.3)

 

Здесь

 – коэффициент направленного действия антенны;

 – эффективная площадь;

 – несущая частота;

 – скорость света ( м/с);

 – длина волны несущей.

В таблице 3.1 приводятся значения коэффициента усиления антенны и эффективной площади для некоторых распространенных форм антенн.

 

Т а б л и ц а 3.1 - Коэффициенты усиления и эффективная площадь некоторых типов антенн

Тип антенны	Эффективная площадь , м2	Коэффициент усиления мощности (относительно изотропной антенны)
Изотропная		1
Бесконечно малый диполь или контур		1,5
Полуволновой диполь		1,64
Рупорная антенна, площадь раструба
Параболическая площадь лицевой поверхности
Турникетная (два перпендикулярно пересекающихся  диполя)		1,15

4 Распространение сигнала

 

При распространении сигнал, излученный антенной, может огибать поверхность Земли, отражаться от верхних слоев атмосферы либо распространяться вдоль линии прямой видимости.

 

4.1 Дифракция электромагнитных волн

 

При огибании поверхности Земли (рисунок 4.1) путь распространения сигнала в той или иной степени повторяет контур планеты. Передача может производиться на значительные расстояния, намного превышающие пределы прямой видимости. Данный эффект имеет место для частот до 2 МГц. На способность сигналов, принадлежащих данной полосе частот, повторять кривизну земной поверхности влияет фактор дифракции электромагнитных волн. Данное явление связано с поведением электромагнитных волн при наличии препятствии [2, 3].

 

 

Рисунок 4.1 - Распространение околоземных волн (частота до 2 МГц)

 

Рассеяние электромагнитных волн указанного диапазона в атмосфере происходит таким образом, что в верхние атмосферные слои эти волны не попадают.

 

4.2 Распространение волн вдоль линии прямой видимости

 

Если частота радиосигнала превышает 30 МГц, то огибание им земной поверхности и отражение от верхних слоев атмосферы становятся невозможными. В этом случае связь должна осуществляться в пределах прямой видимости (рисунок 4.2).

При связи через спутник сигнал с частотой свыше 30 МГц не будет отражаться ионосферой. Такой сигнал может передаваться от наземной станции к спутнику и обратно при условии, что спутник не находится за пре делами горизонта. При наземной связи передающая и принимающая антенны должны находиться в пределах эффективной линии  прямой видимости. Ис-

 

Рисунок 4.2 - Распространение сигнала вдоль линии видимости (частота свыше 30 МГц)

 

пользование термина "эффективный" связано с тем, что волны сверхвысокой частоты искривляются и преломляются атмосферой. Степень и направление искривления зависят от различных факторов. Однако, как правило, искривления сверхвысокочастотных волн повторяют кривизну поверхности Земли. Поэтому такие волны распространяются на расстояние, превышающее оптическую линию прямой видимости.

 

 

5 Передача сигнала в пределах линии прямой видимости

 

Для любой системы связи справедливо утверждение, что принимаемый сигнал отличается от переданного сигнала. Данный эффект является следствием различных искажений в процессе передачи. При передаче аналогового сигнала искажения приводят к его случайному изменению, что проявляется в ухудшении качества связи. Если же передаются цифровые данные, искажения приводят к появлению двоичных ошибок – двоичная единица может преобразоваться в нуль и наоборот. Рассмотрим различные типы искажений, а также их влияние на пропускную способность каналов связи в пределах прямой видимости. Наиболее важными являются следующие типы искажений [2, 3, 4, 6]:

-         затухание и амплитудное искажение сигнала;

-         потери в свободном пространстве;

-         шум;

-         атмосферное поглощение;

-         искажение вследствие многолучевого распространения;

-         преломление.

 

5.1 Затухание

 

При передаче сигнала в любой среде его интенсивность уменьшается с расстоянием. В изотропной среде такое ослабление, или затухание, в общем случае логарифмически зависит от расстояния. Как правило, для изотропной среды затухание можно выразить как постоянную потери интенсивности (в децибелах) на единицу длины. Для неизотропной среды затухание может выражаться более сложной функцией расстояния и состава атмосферы. При рассмотрении затухания для инженера-связиста важны три фактора:

-         полученный сигнал должен обладать мощностью, достаточной для его обнаружения и интерпретации приёмником;

-         чтобы при получении отсутствовали ошибки, мощность сигнала должна поддерживаться на уровне, в достаточной мере превышающем шум;

-         при повышении частоты сигнала затухание возрастает, что приводит к искажению.

Первые два фактора связаны с затуханием интенсивности сигнала и использованием усилителей или ретрансляторов. Для двухточечного канала связи мощность сигнала передатчика должна быть достаточной для четкого приема. В то же время интенсивность сигнала не должна быть слишком большой, так как в этом случае контуры передатчика или приемника могут оказаться перегруженными, что также приведет к искажению сигнала. Если расстояние между приемником и передатчиком превышает определенную постоянную, свыше которой затухание становится неприемлемо высоким, для усиления сигнала в заданных точках пространства располагаются ретрансляторы или усилители. Задача усиления сигнала значительно усложняется, если существует множество приемников, особенно если расстояние между ними и передающей станцией непостоянно.

Третий фактор списка известен как амплитудное искажение. Вследствие того, что затухание является функцией частоты, полученный сигнал искажается по сравнению с переданным, что снижает четкость приема. Относительная мощность частотных компонентов полученного и переданного сигналов неодинакова. Для устранения этой проблемы используются методы выравнивания искажения в определенной полосе частот. Одним из возможных подходов может быть использование устройств, усиливающих высокие частоты в большей мере, чем низкие.

 

5.2 Потери в свободном пространстве

                                         

Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной с постоянной эффективной площадью, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Для спутниковой связи упомянутый эффект является основной причиной снижения интенсивности сигнала. Даже если предположить, что все прочие причины затухания и ослабления отсутствуют, переданный сигнал будет затухать по мере распространения в пространстве. Причина этого – распространение сигнала по всё большей площади. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излучённого сигнала  к мощности полученного сигнала . Для вычисления того же значения децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10.

Для идеальной изотропной антенны потери в свободном пространстве составляют

 

                                             (5.1)

 

где:  – мощность сигнала передающей антенны;

 – мощность сигнала, поступающего на антенну приемника;

 – длина волны несущей;

 – расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами;

 – скорость света ( м/с).

Приведённое выражение можно записать в следующем виде:

 

                  (5.2)

 

На рисунке 5.1 приводится зависимость потерь сигнала в свободном пространстве от пройденного расстояния.

Рисунок 5.1 - Потери мощности сигнала

 

Для других типов антенн следует учитывать коэффициент усиления. В результате уравнение для потерь мощности сигнала в свободном пространстве принимает следующий вид:

 

                                 (5.3)

Здесь

 – коэффициент усиления передающей антенны;

 – коэффициент усиления антенны приемника;

 – эффективная площадь передающей антенны;

 – эффективная площадь антенны приемника.

Переход от второй дроби к третьей выполнен с учетом связи коэффициента усиления антенны и ее эффективной площади, которая была определена в уравнении (5.3). Выражение для потерь в свободном пространстве можно переписать в следующем виде:

 

                          (5.4)

 

Следовательно, если размеры антенн и их разнесение в пространстве ос-таются неизменными, увеличение длины несущей волны (снижение несущей частоты ) приводит к увеличению потерь в свободном пространстве.

Сравним уравнения (5.2) и (5.4). Из уравнения (5.2) следует, что по мере возрастания частоты растут и потери в свободном пространстве, а потому при высоких частотах радиосигнала потери становятся значительным препятствием для связи. Однако, проанализировав уравнение (5.4), можно сказать, что потери легко компенсировать, увеличивая коэффициент усиления антенны. Действительно, при работе на высоких частотах усиление увеличивается, тогда  как остальные факторы, влияющие на качество связи, остаются неизменными. Из уравнения (5.2) следует, что при фиксированном расстоянии между приемником и передатчиком увеличение частоты приводит к возрастанию потерь в свободном пространстве на величину . Однако если учесть коэффициент усиления антенны, а также считать ее эффективную площадь неизменной, потери мощности сигнала в свободном пространстве составят . Следовательно, при использовании более высоких частот потери мощности сигнала снижаются.

 

5.3 Шум

 

Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее распространения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи.

Шумы можно разделить на четыре категории:

-         тепловой шум;

-         интермодуляционные шумы;

-         перекрестные помехи;

-         импульсные помехи.

Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Данный тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду передачи электромагнитных сигналов. Тепловой шум является функцией температуры и равномерно распределен по спектру частот, поэтому данный тип шума называют также белым шумом. Тепловой шум устранить нельзя, поэтому именно он определяет верхний предел производительности систем связи. Тепловой шум оказывает значительное влияние на спутниковые системы связи, поскольку сигнал, получаемый наземной станцией от спутника, достаточно слаб.

Тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства или проводника составляет

 

 (Вт/Гц).

 

Здесь

 – плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы;

 – постоянная Больцмана, ;

 – температура в Кельвинах (абсолютная температура).

Считается, что шум не зависит от частоты. Следовательно, тепловой шум, присутствовавший в полосе диапазона B Гц, можно выразить следующим образом:

 

 

Запишем данное выражение, используя децибел-ватты:

 

 

Если сигналы разной частоты передаются в одной среде, может иметь место интермодуляционный шум. Интермодуляционным шумом являются помеха, возникающие на частотах, которые представляют собой сумму, разность или произведение частот двух исходных сигналов. Например, смешивание двух сигналов, передаваемых на частотах  и  соответственно, может привести к передаче энергии на частоте . При этом данный паразитный сигнал может интерферировать с сигналом связи, передаваемым на частоте .

Интермодуляционный шум возникает вследствие нелинейности приемника, передатчика или же промежуточной системы передачи. Как правило, все указанные компоненты ведут себя как линейные системы, т.е. их выходная мощность равна входной мощности, умноженной на некоторую константу. Для нелинейных систем выходная мощность является более сложной функцией входной мощности. Нелинейность может быть вызвана неисправностью одной из деталей, использованием сигнала чрезмерной мощности или же просто природой используемого усилителя. Для указанных случаев помехи возникают на частотах, являющихся суммой или разностью частот исходных сигналов.

С перекрёстными помехами сталкивался каждый, кто во время использования телефона переменно слышал разговор посторонних людей. Данный тип помех возникает вследствие нежелательного объединения трактов передачи сигналов. Такое объединение может быть вызвано сцеплением близко расположенных витых пар, по которым передаются множественные сигналы. Перекрестные помехи могут возникать во время приема посторонних сигналов антеннами СВЧ-диапазона. Несмотря на то, что для указанного типа связи используют высокоточные направленные антенны, потерь мощности сигнала во время распространения избежать все же невозможно. Как правило, мощность перекрёстных помех равна по порядку (или ниже) мощности теплового шума. Все указанные выше типы помех являются предсказуемыми и характеризуются относительно постоянным уровнем мощности. Таким образом, вполне возможно спроектировать систему передачи сигнала, которая была бы устойчивой к указанным помехам.

Однако, кроме вышеперечисленных типов помех, существуют так называемые импульсные помехи, которые по своей природе являются прерывистыми и состоят из нерегулярных импульсов или кратковременных шумовых пакетов с относительно высокой амплитудой. Причин возникновения импульсных помех может быть множество, в том числе, внешние электромагнитные воздействия (например, молнии) или дефекты (поломки) самой системы связи.

Как правило, отрицательное влияние импульсных помех на процесс аналоговой передачи данных незначительно. Например, при передаче голосового сигнала может появляться потрескивание или щелчки, не сильно влияющие на разборчивость передаваемой информации. В то же время при передаче цифровых данных импульсные помехи — это основной источник ошибок. К примеру, посторонний импульс длительностью 0,01 сек. никак не повлияет на голосовой сигнал, однако, при передаче данных со скоростью         56 Кбит/с появление такого импульса будет означать потерю 560 бит информации.

 

5.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи

 

Отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов на        1 герц  — используется в качестве меры производительности цифровых систем связи. Рассмотрим цифровой или аналоговый сигнал, содержащий двоичные цифровые данные, передаваемые с определенной скоростью — R бит/с. Напомним, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную энергию одного бита сигнала: (где  – мощность сигнала;  – время передачи одного бита). Скорость передачи данных R можно выразить в виде . Следовательно,

 

.

 

Отношение, выраженное в децибелах, принимает следующий вид:

 

 

Отношение  имеет большое практическое значение, поскольку скорость появления ошибочных битов является (убывающей) функцией данного отношения. При известном значении , требуемом для получения желаемого уровня ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном уравнении. Необходимо отметить, что для сохранения требуемого значения  при повышении скорости передачи данных R потребуется увеличивать мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму.

Довольно часто уровень мощности шума достаточен для изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить скорость передачи данных вдвое, биты будут «упакованы» в два раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведёт к потере двух битов информации. Следовательно, при неизменной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за собой возрастание уровня возникновения ошибок.

 

5.5 Атмосферное поглощение

 

Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Максимальные потери мощности сигнала наблюдаются вблизи точки 22 ГГц, что вызвано взаимодействием с водяными парами. Для частот ниже 15 ГГц потери мощности намного меньше. Пик потерь мощности вследствие взаимодействия электромагнитных волн с кислородом наблюдается вблизи точки 60 ГГц; действие данного фактора ослабляется при частотах ниже 30 ГГц. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приемником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты.

 

5.6 Многолучевое распространение

 

Если расположение антенн в системе связи является относительно произвольным, может случиться так, что тракт связи совпадет с линией прямой видимости между передатчиком и приемником (при отсутствии препятствий, приводящих к интерференции). Как правило, именно такое расположение выбирается для спутниковых систем или двухточечных сверхвысокочастотных каналов связи. Противоположным примером может служить мобильная телефонная связь — в данном случае препятствия на пути распространения сигнала встречаются довольно часто. Препятствия могут отражать сигнал, что приводит к появлению нескольких его копий, поступающих с различными интервалами задержки. В некоторых крайних случаях исходный сигнал может вообще отсутствовать. В зависимости от разницы между траекториями распространения прямой волны и ее отраженных копий мощность первой может быть меньше или больше суммы мощностей отражённых сигналов. Для систем связи стационарных антенн с удачно выбранным расположением, а также связи спутника и неподвижной наземной станции может осуществляться усиление исходного сигнала и отсечение побочных компонентов, вызванных многолучевым распространением. Единственным исключением является прохождение сигнала над поверхностью воды, отражающая поверхность которой постоянно колеблется из-за ветра. Для систем мобильной телефонной связи, а также для антенн с неудачным расположением эффекты многолучевого распространения могут быть основным фактором, влияющим на качество сигнала.

На рисунках 5.2 и 5.3 схематически изображены основные виды многолучевого распространения, типичные для неподвижных сверхвысокочастотных устройств, а также для наземных и мобильных систем связи.

 

Рисунок 5.2 - Сверхвысокочастотная линия визирования

 

На первом из упомянутых рисунков, кроме распространения вдоль линии прямой видимости, сигнал может преломляться атмосферой. Могут также присутствовать сигнальные компоненты, вызванные отражением от земли. При мобильной связи отражающую поверхность представляют здания и другие объекты местности.

 

 

Рисунок 5.3 - Мобильная радиосвязь

 

5.7 Преломление

 

При распространении в атмосфере радиоволны преломляются (или изгибаются). Преломление является результатом изменения скорости волны по мере изменения высоты или же происходит вследствие других изменений состояния атмосферы. При нормальных условиях скорость сигнала увеличивается с высотой, что приводит к его "изгибанию" по направлению к земле. Однако в некоторых случаях погодные условия могут приводить к таким изменениям скорости распространения в зависимости от высоты, которые значительно отличаются от обычных флуктуаций. В итоге только часть волны, передаваемой вдоль линии прямой видимости, достигнет антенны приемника. Возможна также ситуация, при которой сигнал не будет получен вообще.

 

Пример:

 Необходимо связать сетевые инфраструктуры двух офисов А и Б по беспроводной линии, рисунок 5.4:

Как видно из рисунка 5.4, офис Б находится вне зоны прямой видимости от офиса А. Заметим, что беспроводные сети WI-FIобычно не настраиваются на связь вне зоны прямой видимости, к таким подходам настроек прибегают только тогда, когда нет больше вариантов.

Так как офис Б находится на небольшом расстоянии от угла трёхэтажного дома, то для передачи сигнала воспользуемся физическими свойствами электромагнитной волны, без установки ретрансляторов. Для примера возьмём характеристики используемого излучения: диапазон частот 2,4 ГГц, длина волны 12 см (стандарт 802.11b(+)).

 

Рисунок 5.4

 

На рисунке 5.5 изображено три механизма распространения электромагнитных волн:

Рисунок 5.5

 

1. Если препятствие имеет размеры меньше или порядка длины волны, происходит рассеяние. Исходный сигнал разделяется на несколько более слабых сигналов. Для сверхвысоких частот, которые обычно используются в сотовой связи и в беспроводных сетях передачи данных, рассеяние может вызываться множеством объектов, например, фонарными столбами, деревьями, дорожными знаками.

2. Когда электромагнитная волна сталкивается с препятствием, размеры которого значительно превышают длину волн, происходит её отражение.

3. На краю объектов, непроницаемых для электромагнитного излучения, размеры которых значительно больше длинны волны, происходит дифракция. При поступлении на край такого объекта радиоволны начинают распространяться в разные стороны. При этом точку, в которой происходит дифракция, можно рассматривать как источник излучения. В результате сигнал может быть получен приёмником, который находится вне линии прямой видимости передатчика.

Даже при неблагоприятных погодных условиях, например, в сильный снег, будет наблюдаться хорошее качество связи. Оно достигается за счёт того, что длина волны в диапазоне 2,4 ГГц – 12 см намного больше размеров снежинок, града, дождевых капель или тумана, поэтому метеорологические явления не оказывают какого-либо влияния на работу канала передачи данных (проливной дождь ослабляет сигналы с интенсивностью до 0,05 дБ/км, густой туман вносит ослабление 0,02 дБ/км).

 

 

 

 

6 Расчёт зоны действия сигнала

 

6.1 Расчёт дальности работы беспроводного канала связи

 

Расчёт по графику

 

Эта методика позволяет определить теоретическую дальность работы беспроводного канала связи, построенного на оборудовании D-LINK (и не только) стандартов 802.11 b и g (частота 2.4 ГГц) и 802.11 а (час 5Г). Следует сразу отметить, что расстояние между антеннами, получаемое по формуле – максимально достижимое теоретически, а так как на беспроводную связи влияет множество факторов, получить такую дальность работы, особенно в черте города, увы, практически невозможно [2, 3, 6].

Для определения дальности связи необходимо рассчитать суммарное усиление тракта и по графику определить соответствующую этому значению дальность. Усиление тракта в дБ определяется по формуле:

 

                        (6.1)

 

где  – мощность передатчика;

 – коэффициент усиления передающей антенны;

 – коэффициент усиления приемной антенны;

 – реальная чувствительность приемника;

 – потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта;

 – потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.

По графику, приведённому на рисунке 6.1, находим необходимую дальность работы беспроводного канала связи.

Разберем каждый параметр на примере:

 – мощность передатчика – мощность беспроводной точки доступа или адаптера в дБмВт. Эту информацию Вы можете найти в спецификации на оборудование. Для оборудования D-LINK это от 15 dBm для обычных точек доступа и карт и до 25 дБмВт для оборудования во внешнем исполнении DWL-2700AP и DWL-7700AP;

 – коэффициент усиления передающей антенны (дБи). D-LINK предлагает антенны для внешнего и внутреннего использования от 4 до               21 дБи;

 – коэффициент усиления приемной антенны. То же, что и , но "на другой стороне" радиолинка;

 – чувствительность приемника, которую Вы также можете найти

 

Рисунок 6.1

 

в спецификации на оборудование. Чувствительность приемника зависит от скорости, на котором работает оборудование и задается со знаком "минус";

,  – потери в коаксиальном кабеле и разъемах приемного или передающего тракта. Рассчитать потери можно следующим образом: предлагаемый нами кабель BELDEN 9880 имеет затухание 0,24 дБ/м, т.е. при 10-метровой длине кабеля затухание в нем составит 2,4 дБ. Также следует прибавить к потерям по ~ 0,5 - 1,5 дБ на каждый разъем. Итого: 10-метровый кабель между антенной и точкой доступа имеет потери  дБ.

Предположим, что мы имеем две точки доступа DWL-900AP+ , две широконаправленные антенны ANT24-0801, каждая точка подключается к своей антенне 10-метровым кабелем, тогда

 

= 15 дБмВт; = 8 дБи; = 8 дБи;

 

= -79 дБмВт; = 5.4 дБ; = 5.4 дБ.

 

Отсюда

 

 = 15+8+8-(-79)-5.4-5.4=99.2 дБ.

 

По графику (красная кривая для 2.4 GHz) определяем соответствующую этому значению дальность. Получаем дальность, равную ~300 метрам.

 

Напомню, что мы проводили расчет для скорости 11 Mbps.

При скорости 1 Mbps:

= -89 дБмВт;

тогда:

 

 = 15+8+8-(-89)-5.4-5.4=109.2 дБ.

 

По графику (красная кривая для 2.4 GHz) определяем соответствующую этому значению дальность. Получаем дальность, равную ~1000 метрам.

 

Расчет по формуле

 

Без вывода приведём формулу для расчёта дальности. Она берётся из инженерной формулы расчёта потерь в свободном пространстве:

 

,

 

где FSL (free space loss) – потери в свободном пространстве (дБ);

F – центральная частота канала на котором работает система связи (МГц);

D – расстояние между двумя точками (км).

 

FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:

Суммарное усиление = Мощность передатчика (дБмВт) + | Чувствительность приёмника (–дБмВт)(по модулю) | + Коэф. Усиления антенны передатчика + Коэф усиления антенны приёмника – затухание в антенно-фидерном тракте передатчика – затухание в антенно-фидерном тракте приёмника – SOM.

 

Для каждой скорости приёмник имеет определённую чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2 мегабита) чувствительность наивысшая: от –90 дБмВт  до –94 дБмВт. Для высоких скоростей чувствительность намного меньше. В качестве примера приведём несколько характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g:

# 54 Мбит/с: -66 дБмВт;

# 48 Мбит/с: -71 дБмВт;

# 36 Мбит/с: -76 дБмВт;

# 24 Мбит/с: -80 дБмВт;

# 18 Мбит/с: -83 дБмВт;

# 12 Мбит/с: -85 дБмВт;

# 9 Мбит/с: -86 дБмВт;

# 6 Мбит/с: -87 дБмВт  и т.д.

В зависимости от марки радио-модулей максимальная чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для разных скоростей максимальная дальность будет разной.

SOM (System Operating Margin) – запас в энергетике радиосвязи (дБ). Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие, как:

-         температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;

-         всевозможные погодные аномалии: туман, снег, дождь;

-         рассогласование антенны, приёмника, передатчика с антенно-фидерным трактом.

Параметр SOM берётся равным 15 дБ. Считается, что 15-ти децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета.

Центральная частота канала F берётся из таблицы 6.1.

 

В итоге получим формулу дальность связи:

 

.

 

Т а б л и ц а 6.1 - Вычисление центральной частоты

Канал	Центральная частота (МГц)
1	2412
2	2417
3	2422
4	2427
5	2432
6	2437
7	2442
8	2447
9	2452
10	2457
11	2462
12	2467
13	2472
14	2484

 

6.2 Расчёт зоны Френеля

 

Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля (рисунок 6.2). Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.

 

 

Рисунок 6.2 - Зона Френеля

 

Радиус первой зоны Френеля в самой широкой части может быть рассчитан с помощью формулы:

 

                                                          (6.2)

 

где  – радиус зоны Френеля (м);

 – расстояние между антеннами (км);

 – частота (ГГц).

 

Замечания:

-   Обычно блокирование 20% зоны Френеля вносит незначительное затухание в канал. Свыше 40% затухание сигнала будет уже значительным, следует избегать попадания препятствий на пути распространения.

-   Этот расчет сделан в предположении, что земля плоская. Он не учитывает кривизну земной поверхности. Для протяженных каналов следует проводить совокупный расчет, учитывающий рельеф местности и естественные преграды на пути распространения. В случае больших расстояний между антеннами следует стараться увеличивать высоту подвеса антенн, принимая во внимание кривизну земной поверхности.

 

 

7. Организация беспроводных сетей

 

Беспроводные сети обладают гибкостью при конфигурации и расширении. Могут служить как добавлением, так и заменой проводных сетей при построении сетевой инфраструктуры [2, 6, 7].

Пользователи могут свободно перемещаться, т.к. беспроводные сети обеспечивают доступ к сетевым ресурсам компании из любого места.

Беспроводные сети не только обеспечивают мобильный доступ, но и сами мобильны, т.к. можно легко переместить сеть в другое место. Быстрая и лёгкая инсталляция.

Вместе с тем, необходимо помнить и об ограничениях беспроводных сетей. Это, как правило, несколько меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.

Сегмент  WI-FIсети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты. WI-FIсеть может использоваться:

- для беспроводного подключения пользователей к сети;

- для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;

-для подключения к сетям провайдера интернет-услуг вместо использования выделенной проводной линии или Dialup соединения.

 

7.1 Сферы применения беспроводных сетей

 

Перечислим сферы применения беспроводных сетей:

-         внутриофисные сети;

-         домашние сети;

-         выставочные комплексы и конференц-залы;

-         доступ к сети Интернет в гостиницах, кафе, библиотеках, студенческих городках и т.д. – “hot spot”;

-         сети провайдеров Интернет: подключение клиентов там, где нет возможности протянуть кабель;

-         «Гостевой» доступ к корпоративной сети для клиентов и партнеров.

 

7.2 Основные элементы сети

 

Для построения беспроводной сети используются WiFi – адаптеры и точки доступа.

Адаптер, рисунок 7.1, представляет собой устройство, подключающееся через слот расширения PCI, CardBus, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. WiFi–адаптер выполняет ту же

 

Рисунок 7.1 - Адаптеры>

 

функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Многие современные компьютеры имеют встроенные WiFi–адаптеры. WiFi–адаптерами, как правило, снабжены КПК, что также позволяет подключать их к беспроводным сетям.

Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерам. Такая сеть называется специальной (ad hoc), или внеплановой сетью. Адаптер может также устанавливать связь через специальное устройство – точку доступа. Такой режим называется  инфраструктурой.

Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен на использование ad hoc либо инфраструктурного режима.

Точка доступа, рисунок 7.2, представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством. Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль концентратора.

 

 

Рисунок 7.2 - Точка доступа

 

Точка доступа должна иметь и сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого эта точка может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки.

Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим- режим точки доступа), так и для взаимодействия с  другими точками доступа для построения распределенной сети (Wireless distributed system – WDS). Это режимы беспроводного моста «точка-точка» и «точка-много точек», беспроводной клиент и повторитель.

Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны обслуживания (service set indentifier, SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.

Зоной обслуживания (service set, SS) называются логически сгруп-пированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.

Базовая зона обслуживания (basic service set, BSS) – это группа работающих по стандарту 802.11 станций, связывающихся одна с другой по беспроводной связи. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точкой доступа (access point). Сетевой интерфейс точки доступа используется для подключения базовой зоны обслуживания к проводной сети (например, Ethernet), поэтому BSS называют также инфраструктурой BSS.

 

7.3 Режимы и особенности их организации

 

7.3.1 Режим AD HOC

 

 

Рисунок 7.3

 

В режиме Ad hoc, рисунок 7.3, клиенты устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу «точка-точка», и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.

Назначение и область применения. Основное достоинство данного режима – простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Режим может применяться для создания временных сетей для передачи данных.

Однако необходимо иметь в виду, что режим Аd hoc позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 мбит/сек, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данных будет ниже и составит не более 11/N мбит/сек, где N – число устройств в сети. Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния.

Для организации долговременных беспроводных сетей следует использовать инфраструктурный режим.

 

7.3.2 Инфраструктурный режим

В этом режиме точки доступа обеспечивают связь клиентских компьютеров. Точку доступа можно рассматривать как беспроводной концентратор. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой, а связываются с точкой доступа, и она уже направляет пакеты адресатам, рисунок 7.4.

 

 

Рисунок 7.4

 

Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который базовая зона обслуживания подключается к проводной или смешанной сети – к сетевой инфраструктуре.

 

7.3.3 Режим беспроводного моста

Режим беспроводного моста, рисунок 7.5, аналогично проводным мостам, служит для объединения подсетей в общую сеть. С помощью беспроводных мостов можно объединять проводные LAN, находящиеся как на небольшом расстоянии в соседних зданиях, так и на расстояниях до нескольких километров. Это позволяет объединить в сеть филиалы и центральный офис, а также подключать клиентов к сети провайдера Интернет.

Беспроводной мост может использоваться там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна. Данное решение позволяет достичь значительной экономии средств и обеспечивает простоту настройки и гибкость конфигурации при перемещении офисов.

Рисунок 7.5 - Беспроводной мост

 

К точке доступа, работающей в режиме моста, подключение беспроводных клиентов невозможно. Беспроводная связь осуществляется только между парой точек, реализующих мост. Для подключения клиентов к мостовому соединению необходимо использовать проводное соединение точек моста с проводным коммутационным оборудованием или с другой точкой доступа.

 

7.3.4 Режим беспроводного моста точка – много точек

 

 

Рисунок 7.6 - Беспроводной мост точка - много точек

 

Режим беспроводного моста «точка – много точек» используется для объединения двух и более проводных сегментов LAN, находящихся на расстоянии до нескольких километров. В этом случае одна из точек доступа переводится в режим моста «точка – много точек», и служит для подключения остальных точек. Реализуется топология типа «звезда». Как и в предыдущем случае, подключение клиентов к мосту осуществляется только через проводной интерфейс.

7.3.5 Режим повторителя

 

 

Рисунок 7.7 - Режим повторителя

 

Может возникнуть ситуация, когда оказывается невозможно, или неудобно, соединить точку доступа с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи точки доступа с местом расположения беспроводных станций клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку-повторитель (рис. 2.5.).

Аналогично проводному повторителю, беспроводной повторитель просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводный интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который они были получены.

При применении точки доступа-повторителя следует помнить, что наложение широковещательных доменов может привести к сокращению пропускной способности канала вдвое, потому что начальная точка доступа также «слышит» ретранслированный сигнал.

Режим повторителя не включен в стандарт 802.11, поэтому  для его реализации рекомендуется использовать однотипное оборудование (вплоть до версии прошивки) и от одного производителя. С появлением WDS данный режим потерял свою актуальность, потому что функционал WDS заменяет его. Однако его можно встретить в старых версиях прошивок и в устаревшем оборудовании.

 

7.3.6 Режим клиента

 

Рисунок 7.8 - Режим клиента

При переходе от проводной архитектуры к беспроводной иногда можно обнаружить, что имеющиеся сетевые устройства поддерживают проводную сеть Ethernet, но не имеют интерфейсных разъемов для беспроводных сетевых адаптеров. Для подключения таких устройств к беспроводной сети можно использовать точку доступа – клиент. При помощи точки доступа-клиента к беспроводной сети подключается только одно устройство.

Этот режим не включен в стандарт 802.11 и поддерживаются не всеми производителями.

 

7.4 Роуминг

 

Роуминг - это возможность радиоустройства перемещаться за пределы действия базовой станции и, находясь в зоне действия «гостевой» станции, иметь доступ к «домашней» сети.

В беспроводных сетях роуминг означает переход от одной точки доступа к другой без потери доступа к сетевым службам и разрыва соединения.

Роуминг в сетях стандарта 802.11 может быть двух видов: “кочевой” и “бесшовный”.

 

Рисунок 7.9 - “Кочевой” роуминг в сетях WI-FI

 

“Кочевой” роуминг проще в реализации, и поэтому он нашел наиболее широкое применение. При его организации все точки доступа, обеспечивающие роуминг, конфигурируются на использование одинакового идентификатора зоны обслуживания (SSID). Все точки доступа относятся к одному широковещательному домену, или одному домену роуминга.

Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в стандарте 802.11, и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. Наиболее простой широко распространенный алгоритм переключения заключается в том, что адаптер взаимодействует с одной точкой вплоть до момента, когда уровень сигнала не упадет ниже допустимого уровня. После этого осуществляется поиск точки доступа с одинаковым SSID и максимальным уровнем сигнала и переподключение к ней.

Роуминг включает значительно больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться. Опишем некоторые из задач, которые должны решаться в ходе роуминга на канальном уровне:

-         Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия.

-         Предыдущая точка доступа должна буферизовать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг.

-         Новая точка доступа должна показать предыдущей, что клиент успешно переместился в ее зону.

-         Предыдущая точка доступа должна послать буферизованные данные новой точке доступа.

-         Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия.

-         Точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента.

Спецификации 802.1 If описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol – IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных, дата утверждения этих спецификаций в качестве стандарта пока не определена.

 

7.5 Технология Wireless Distribution System

 

Технология WDS (Wireless Distribution System) позволяет одновременно подключать беспроводных клиентов к точкам доступа, работающим в режиме «беспроводной мост».

 

Рисунок 7.10 - Использование режима WDS

 

В этом случае не требуется отдельных точек доступа для подключения клиентов, как это было для режима беспроводного моста.

Технология WDS также несертифицирована стандартом 802.11 и может не поддерживаться оборудованием различных производителей. Режим WDS поддерживается всеми устройствами D-Link, начиная с линии AirPlus XtremeG (108 Мб/с).

Режим WDS объединяет в себе режимы моста и точки доступа, делая возможным подключение клиентов к тем же самым точкам, которые реализуют мост. Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети.

Появление технологии WDS привел к устареванию режимов моста и повторителя, поскольку он полностью реализует их функционал.

Однако режим WDS имеет и существенный недостаток: все устройства, включённые в эту систему, работают на одной частоте – в одном «домене коллизий». В результате полная пропускная способность полосы на данной частоте разделяется между всеми подключенными устройствами.

Выходом из ситуации может стать использование дополнительного оборудования, реализующего мостовое соединение в другой полосе частот.

Для реализации такого соединения предусмотрено два режима работы WDS:

- WDS with Access Point (WDS with AP). В этом режиме точки доступа соединяются между собой по беспроводной связи, образуя беспроводной мост. Помимо этого, к точкам доступа по беспроводной связи подключаются также и клиенты. Таким образом, каждая точка реализует функции и моста, и точки доступа одновременно.

Тем не менее, необходимо помнить, что все устройства в составе одной WDS работают на одной частоте и создают взаимные помехи, что ограничивает количество клиентов до 15-20 узлов. Для увеличения количества подключаемых клиентов можно использовать несколько WDS-сетей, настроенных на разные неперекрывающиеся каналы и соединенные проводами через uplink-порты.

- Point to Multi Point WDS (PTMP WDS). В этом режиме точки доступа соединяются только между собой, образуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети через uplink-порты точек.

Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал. Поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим.

Топология связей между точками в этом режиме представляет собой ациклический граф типа дерево. Для устранения лишних связей, способных приводить к появлению циклов в графе, реализуется алгоритм Spanning tree. Его работа приводит к выявлению и блокированию лишних связей. При изменении топологии сети, например, из-за отключения некоторых точек или невозможности работы каналов – алгоритм Spanning tree запускается заново, и прежде заблокированные лишние связи могут использоваться взамен вышедших из строя.

 

8 Организация и планирование беспроводных сетей

 

Общие принципы организации беспроводных сетей

 

На качество и дальность работы связи влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал [2, 7, 8]. Обычно расстояние зависит от типа материалов и радиочастотного шума от других электроприборов в вашем помещении. Для увеличения проникаемости надо следовать базовым принципам:

1. Сократить число стен и перекрытий между абонентами беспроводной сети - каждая стена и перекрытие отнимает от максимального радиуса от 1м до 25м. Расположить точки доступа, радиошлюзы и абонентов сети так, чтобы количество преград между ними было минимально.

2. Проверить угол между точками доступа, радиошлюзами и абонентами сети. Стена толщиной 0,5м, при угле в 45 градусов, для радиоволны становится как однометровая стена. При угле в 2 градуса стена становится преградой толщиной в 12м! Надо стараться расположить абонентов сети так, чтобы сигнал проходил под углом в 90 градусов к перекрытиям или стенам.

3. Строительные материалы влияют на прохождение сигнала по-разному – целиком металлические двери или алюминиевая облицовка негативно сказываются на прохождении радиоволн. Желательно, чтобы между абонентами сети не находились металлические или железобетонные препятствия.

4. С помощью программного обеспечения проверки мощности сигнала надо позиционировать антенну на лучший прием.

5. Удалить от абонентов беспроводных сетей, по крайней мере, на 1-2 метра электроприборы, генерирующие радиопомехи, микроволновые печи, мониторы, электромоторы, ИБП. Для уменьшения помех эти приборы должны быть надежно заземлены.

6. Если используются беспроводные телефоны стандарта 2.4GHz или оборудование X-10 (например, системы сигнализации), качество беспроводной связи может заметно ухудшиться или прерваться.

Для типичного жилья расстояние связи не представляет особой проблемы. Если обнаружена неуверенная связь в пределах дома, то надо расположить точку доступа между комнатами, которые надо связать беспроводной связью.

Для обнаружения точек доступа, попадающих в зону действия беспроводной сети и определения каналов, на которых они работают, можно использовать программу Network Stumbler (http://www.stumbler.net/). С ее помощью можно также оценить соотношение сигнал/шум на выбранных каналах.

 

Офисная сеть

 

 

Рисунок 8.1 - Сеть небольшого офиса

 

Простая беспроводная сеть для небольшого офиса или домашнего использования (Small Office / Home Office - SoHo) может быть построена на основе одной точки доступа, к которой подключаются ПК, оснащенные беспроводными адаптерами.

Для организации сети адаптеры переводятся в режим инфраструктуры, а точка доступа – в режим точки доступа. При этом создается одна зона обслуживания, в которой находятся все пользователи сети.

При размещении точки доступа при организации малой сети следует обеспечить достаточное качество связи на всех рабочих местах, а также удобство в размещении самой точки. Типовое решение – закрепить точку доступа непосредственно на фальш-потолке, при этом провода электропитания и проводной сети будут проходить над фальш-потолком либо в коробах.

Необходимо иметь в виду, что при росте сети и при увеличении количества пользователей скорость связи будет падать (пропорционально числу пользователей). Наибольшее разумное количество пользователей обычно составляет 16-20. Помимо этого, скорость и качество связи зависит и от расстояния между клиентом и точкой. Эти соображения могут потребовать расширения базовой сети.

Для расширения сети следует использовать uplink-порт точки доступа. Он может использоваться как для объединения базовых зон обслуживания в сеть, так и для интеграции в имеющуюся проводную или беспроводную инфраструктуру, например, для обеспечения пользователей доступом к разделяемым ресурсам других подразделений или для подключения к сети Интернет.

 

Расширение сети

 

Часто развертывание беспроводной сети начинается с прицелом на обслуживание каких-то определенных помещений, например, конференц-залов. Такие варианты развертывания обычно являются переходными к полным вариантам развертывания, когда к сети получают доступ обитатели всех помещений.

При расширении сети необходимо следить, чтобы частоты соседних точек доступа не перекрывались во избежание взаимных помех и снижения скорости передачи. Это достигается настройкой соседних точек на не перекрывающиеся по частоте каналы 1, 6 и 11. Чередуя каналы таким образом, что соседние точки с каналами 1, 6 и 11 окажутся  в вершинах равностороннего треугольника, возможно охватить беспроводной связью сколь угодно большую площадь без перекрытия частот.

 

Сеть между несколькими офисами

 

 

 

Рисунок 8.2 - Организация сети между несколькими офисами

 

Беспроводная связь может использоваться для объединения подсетей отдельных зданий, например, центрального офиса и филиалов, там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна.

Для организации связи между зданиями могут использоваться внешние беспроводные точки, работающие в режиме моста. Через uplink-порт внешняя точка подключается к обычному коммутатору и через него обеспечивает связь со всеми компьютерами подсети.

Внешние беспроводные точки имеют водонепроницаемый термостатированный корпус, систему грозозащиты, систему питания Power-on-Ethernet. Благодаря сменной антенне, можно обеспечивать устойчивую радиосвязь на расстоянии до нескольких километров на специализированные узконаправленные антенны.

При организации внешней беспроводной связи особое внимание следует обратить обеспечению безопасности передачи данных, в связи с ее большей уязвимостью как к прослушиванию, так и к прямому физическому воздействию. Поэтому рекомендуется использовать точки доступа, специально предназначенные для наружного применения и позволяющие использовать аутентификацию, контроль доступа и шифрование передаваемых данных.

Необходимо также обратить внимание, что для внешних точек предусмотрена более сложная процедура лицензирования.

 

Последняя миля, ее планировка, подключение домашних сетей

 

  

 

Рисунок 8.3 - Реализация последней мили на основе беспроводной связи

 

Беспроводную связь можно рассматривать как удобный вариант подключения к глобальным информационным сетям (Интернет), обеспечиваемый местными провайдерами («последняя миля»). Удобства такого варианта как для провайдера, так и для клиентов, достаточно очевидны: провайдеру не нужно прокладывать кабель к клиентам, а клиенты, в свою очередь, выигрывают в мобильности и получают достаточно производительный и относительно дешевый канал.

Вместе с тем, необходимо помнить и о недостатках беспроводной связи. Радиоволны гигагерцового диапазона распространяются фактически в пределах прямой видимости, и различные здания и сооружения на пути их распространения могут приводить к отсутствию связи. Переотражения от зданий и водных поверхностей вносят помехи в передачу сигналов и ухудшают качество связи. На качество связи могут также влиять сезонно-климатические явления. Дождь, снег, обледенение способны существенно нарушать распространение сигнала, а порывы ветра могут отклонять узконаправленные антенны от расчетного направления. Может сложиться ситуация, что сеть, спроектированная, например, в летнее время, окажется неработоспособной в другие сезоны. Это говорит о необходимости более строгого учета потенциально опасных факторов при проектировании и развертывании беспроводной сети.

При организации подключения стационарных клиентов в зданиях может использоваться следующая схема. На крыше здания устанавливается внешняя точка доступа, работающая в режиме моста. При необходимости точка может использовать узконаправленную антенну для улучшения условий приема и передачи. Точка через коммутатор подсоединяется к коммутаторам подъездов и этажей, которые образуют кабельную сеть здания для подключения конечных пользователей. Для подключения пользователей к сети может использоваться как обычное проводное соединение, так и беспроводное через отдельную точку доступа. 

При поддержке оборудованием провайдера технологии WDS возможно также и прямое подключение оборудование пользователей в режиме клиента. 

 

Hot spot

 

  

 

Рисунок 8.4 - Организация Hot Spot

 

При развертывании беспроводного выхода в сеть Интернет в интернет-кафе, гостиницах и т.д. (hot spot) приходится решать ряд дополнительных задач, связанных с ограничением доступа к данным локальной сети, ограничения доступа к некоторым интернет-серверам, подсчета стоимости услуг, контроля над подключениями и обеспечения их безопасности. То же самое относится и к организации гостевого доступа в корпоративных сетях.

Для этих целей могут использоваться как обычные точки доступа, соединенные с маршрутизатором, так и специальные точки доступа – беспроводные шлюзы.

Беспроводной шлюз представляет собой маршрутизатор, построенный на основе технологии Ethernet, специально разработанный для предоставления одновременного широкополосного доступа к сети Интернет пользователям публичной и частной беспроводной сети. Беспроводной шлюз, как правило, имеет несколько Ethernet-портов для подключения к нему, соответственно, частной сети, гостевой сети и сети Интернет. Частная сеть может быть подключена к шлюзу через коммутатор. Подключение к сети Интернет может осуществляется через DSL-модем. Гостевая сеть образуется подключением точки доступа или использованием беспроводного соединения.

 

Сети выставочных залов и конференций

 

При принятии решений относительно развертывания беспроводных LAN (WLAN) необходимо учитывать особенности работы протокола 802.11, поведение мобильных узлов и вопросы защиты информации. Для развертывания точек доступа нужно сделать гораздо больше, чем просто проложить кабель и осуществить потолочный монтаж устройств. Необходимо определить зоны покрытия каждой точки доступа, количество точек доступа, необходимых для покрытия заданной области, установить параметры каждого канала и излучаемую мощность. Кроме того, необходимо учесть плотность размещения беспроводных клиентов и их мобильность.

Администратор сети должен также принять во внимание схемы роуминга и типы приложений, используемых беспроводными клиентами.

На основании этих данных следует принять решения: как много точек доступа придется использовать, каково количество зон перекрытия и местоположение устройств более высокого уровня, таких, как серверы аутентификации.

На развертывание беспроводных сетей используемые приложения оказывают влияние по-разному. Наиболее важные факторы – это:

– Расчетная скорость в пересчете на одного клиента;

– Типы используемых приложений;

– Задержки в передаче данных.

Расчетная скорость каждого клиента уменьшается с вводом в зону обслуживания новых клиентов.

Типы применяемых приложений существенно влияют на объемы передаваемых данных. Приложения потокового типа, такие, как передача речи или видео, существенно отличаются от приложений пульсирующего типа, таких как почтовые и Web-приложеня. Например, типичный двухсторонний разговор по технологии G.711 требует средней производительности 240 Кбит/с. Для работы с электронной почтой, Web, или приложениями типа клиент/сервер, требования к скорости передачи данных существенно ниже, и пределом считается 25 клиентов на одну точку доступа.

Возникновение задержек является результатом конкуренции за доступ к среде. Это может привести к возникновению тайм-аутов протокола более высокого уровня и к прерыванию сеанса связи выполняемого приложения.

В зависимости от того, необходимо ли обеспечить максимальную скорость связи или же обеспечить максимальную зону покрытия, необходимо выбрать количество используемых точек и расстояние между ними. 

Список литературы 

1. Щербаков А. К. Wi-Fi: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить. Неофициальное пособие по глобальной системе местоопределения. - 2005. 352 с.

2. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Федотов Р.А., Бобков А.В., Чирков Д.Н., Платонов В.А. Организация беспроводных сетей. Под редакцией д.т.н., профессора Пупкова К.А.– М., Издательство МГОУ, 2006.-180 с.

3. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 640 с.

4. Вишневский В., Ляхов А., Портной С., Шахнович И. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.:Эко-Трендз, 2005. – 592 с.

5. Олифер В.Г.,. Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. – Спб.: Питер, 2006. – 958 с.

6. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. – М.:Эко-Трендз, 2005. – 384 с.

7. Рошан Педжман, Лиэри Джонатан. Основы постороения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2004. - 304 с.

8. www.dlink.ru – сайт компании D-LINK.