Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была завершена в 1997 г., является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них - протокол управления доступом к среде MAC (Medium Accsess Control - нижний подуровень канального уровня) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. Протокол доступа к среде (MAC) Стандартом 802.11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующих различным технологиям передачи сигналов - по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) , а также с помощью инфракрасного излучения. Обе эти широкополосные технологии предлагаются в двух частотных диапазонах: один в районе частоты 915 МГц, другой в диапазоне от 2400 МГц до 2483,5 МГц. Но именно диапазон 2,4 ГГц является наиболее интересным для использования его в беспроводных сетях, так как он наименее "зашумлен" посторонними сигналами и позволяет расширить полосу передачи. В режиме FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами). В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, которых одновременно может быть использовано не более трех. Метод FHSS предусматривает изменение несущей частоты сигнала при передаче информации. При использовании FHSS конструкция приемопередатчика получается очень простой, но этот метод применим, только если пропускная способность не превышает 2 Мбит/сек. Как уже отмечалось выше, эта проблема стала одной из главных причин создания новых версий стандарта. Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит/с. По сравнению с проводными ЛС Ethernet возможности подуровня MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высокого уровня, в частности, процедур фрагментаци и ретрансляции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную пропускную способность системы благодаря снижению накладных расходов на повторную передачу пакетов. В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий). Управление питанием Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, используемых в беспроводных ЛС, стандартом 802.11 предусмотрен механизм переключения станций в так называемый пассивный режим с минимальным потреблением мощности. Архитектура и компоненты сети В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS) Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями. Роуминг Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых ситемах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает. Обеспечение безопасности Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информации (шифрование). IEEE 802.11a

Является наиболее "широкополосным" из семейства стандартов 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости - 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с).

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методом и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала.

К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300м, а для 5ГГц - около 100м).

Подводя краткий итог отметим, что данная версия является как бы "боковой ветвью" основного стандарта 802.11. Для увеличения пропускной способности канала здесь используется диапазон частот передачи 5,5 ГГц. Для передачи в 802.11a используется метод множества несущих, когда диапазон частот разбивается на подканалы с разными несущими частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по которым поток передается параллельно, разбитым на части. Использование метода квадратурной фазовой модуляции позволяет достичь пропускной способности канала 54 Мбит/сек.

IEEE 802.11b Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практичкски зквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей. В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены.

Этот стандарт является наиболее популярным на сегодняшний день и, собственно, он носит торговую марку Wi-Fi. Как и в первоначальном стандарте IEEE 802.11, для передачи в данной версии используется диапазон 2,4 ГГц. Он не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне. Для передачи сигнала используется метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), при котором весь диапазон делится на 5 перекрывающих друг друга поддиапазонов, по каждому из которых передается информация. Значения каждого бита кодируются последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Пропускная способность канала при этом составляет 11 Мбит/сек.

IEEE 802.11d
Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки. Стандарт определяет требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран. IEEE 802.11e
Спецификации разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей, как корпоративных так и индивидуальных. При сохраненеии полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS). Предварительный вариант спецификаций 802.11е должен был быть утвержден к концу 2001г.

Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика - таким, как аудио- и видеоприложения.

IEEE 802.11f

Cпецификации 802.11f 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 была не определена.

Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта - Inter Access Point Protocol.

IEEE 802.11g
Спецификации 802.11g, находящиеся сейчас в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше) благодаря использованию более эффективной модуляциии сигнала. Из нескольких предложений по базовой радиотехнологии для стандарта рабочая группа IEEE недавно выбрала решение компании Intersil, основанное на методе OFMD, однако окончательное принятие 802.11g ожидается только к концу 2002 г. Одним из достоинств будущего стандарта является обратная совместимость с 802.11b. IEEE 802.11h Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC (уровень доступа к среде передачи) и 802.11a PHY (физический уровень в сетях 802.11a) алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отчетов.

Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм "квазиинтеллектуального" управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи.

IEEE 802.11i До мая 2001 г. стандартизация средств информационной безопасности для беспроводных сетей 802.11 относилась к ведению рабочей группы IEEE 802.11e, но затем эта проблематика была выделена в самостоятельное подразделение. Разрабатываемый стандарт 802.1X призван расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций. В основе 802.1X лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон - вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами. Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях - Ethernet и Token Ring. Вот почему будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с комитетом IEEE 802.1.

Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети - в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств - в частности, Intel Centrino - с 802.11i-сетями.

IEEE 802.11j
Спецификация 802.11j - настолько нова, что IEEE еще официально не сформировал рабочую группу для ее обсуждения на момент публикации. Предполагается, что стандарт будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2. Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц. IEEE 802.11n
Институт IEEE ведет работу над созданием новой спецификации протокола связи в беспроводных локальных сетях (WLAN). 802.11n работает вдвое быстрее, чем 54-мегабитные "g" и "a": на скорости от 100 Мбит/c. Новый стандарт уравняет проводные и беспроводные системы, что позволит корпоративным клиентам использовать беспроводные сети там, где это было невозможно из-за ограниченной скорости. Определение скоростных характеристик для стандарта "n" будет более строгим, чем у "g" или "b". Оно основывается на фактической скорости передачи файлов и потоков, а не на размере низкоуровневого трафика, снабженного множеством служебных заголовков. Ускорение достигается за счет более оптимального использования частотного диапазона, аналоговых радиочипов, выполненных по улучшенной CMOS-технологии и интеграции WLAN-адаптера в один чип.

IEEE 802.11 -- набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9; 2,4; 3,6 и 5 ГГц.

Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию в мобильных электронно-вычислительных устройствах: КПК и ноутбуках.

Институт инженеров по электротехнике и электронике -- IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E -- «Ай трипл и») -- международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

Стандарт	Частотный диапазон	Пропускная способность	Типичная скорость	Технологии
		300/600 Мбит/с	150/300 Мбит/с
		6,93 Гбит/с		OFDM, MIMO, Beamforming

Стандарт	Частотная полоса	Скорость передачи потока, Мбит/с	Число потоков
		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
		7,2; 14,4; 21,7; 28,9; 43,3; 57,8; 65; 72,2
	15; 30; 45; 60; 90; 120; 135; 150
	20/40/80/160 МГц	65; 130; 195; 260; 390; 520; 585; 650; 780; 866.7

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и, опционально, на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей -- IEEE 802.11a -- определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с брутто. Рабочий диапазон стандарта -- 5 ГГц.

Вопреки своему названию, принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b не является продолжением стандарта 802.11a, поскольку в них используются различные технологии: DSSS (точнее, его улучшенная версия HR-DSSS) ,технология DSSS (расширение спектра радиосигнала по принципу прямой последовательности), в 802.11b против OFDM, OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing -- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), в 802.11a. Стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

Долгое время IEEE 802.11b был распространённым стандартом, на базе которого было построено большинство беспроводных локальных сетей. Сейчас его место занял стандарт IEEE 802.11g, постепенно вытесняемый высокоскоростным IEEE 802.11n.

Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость соединения до 54 Мбит/с (брутто) и превосходя, таким образом, стандарт IEEE 802.11b, который обеспечивает скорость соединения до 11 Мбит/с. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость соединения будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость может достигать 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

Массовость беспроводных технологий связи в наше время просто поражает. Отдельной темы заслуживает технология IEEE 802.11. В городе практически невозможно найти место, где ноутбук или планшет «не нашел» хотя бы одну Wi-Fi сеть. В любом кафе, многоэтажном доме или офисе можно обнаружить несколько вещаний. Очень трудно недооценить ту нотку удобства, которую нам предоставляет эта технология.

Тот Wi-Fi, который мы используем сегодня, проделал большой и тернистый путь для удобства пользователя, к которому мы все с вами привыкли. Множество стандартов со своими особенностями передачи и частотными диапазонами сформировали то, без чего жизнь IT-шника или просто современного человека трудно представить. Не будем окунаться в историю, а только отметим, что на данный момент активно эксплуатируются стандарты 802.11g и 802.11n, которые работают в диапазоне 2,4 ГГц. В быту существует множество источников помех для беспроводных сетей, однако не они являются основной проблемой. Виновником большинства неудобств является сама точка Wi-Fi, а если быть точнее, то их большое количество вблизи друг друга. В виду популярности этой технологии и большой насыщенности мест вещания, пользователи могут сталкиваться с некоторыми трудностями в работе. Большое скопление беспроводных сетей может вызвать эффект накладывая частот друг на друга, что вызывает уменьшение скорости передачи или потерю соединения вовсе. Этот весомый недостаток, вызванный популяризацией беспроводной технологии, был одним из громких звоночков в WECA для внедрения стандарта IEEE 802.11ac.

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешёвой, а главное, удовлетворяющей современным жёстким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как , , и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте .

Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости "втыкать" сетевой провод в свой компьютер. По прогнозам, к 2003 году в мире будет насчитываться более миллиарда мобильных устройств, а стоимость рынка продукции WLAN к 2002 году прогнозируется более чем в 2 миллиарда долларов.

Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 1). Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Рис. 1. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования — клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети — режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры — infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Рис. 2. Архитектура сети "клиент/сервер".

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) — это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 3). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Рис. 3. Архитектура сети "Ad-hoc".

Физический уровень 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один — в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

Для модуляции сигнала FHSS использует технологию Frequency Shift Keying (FSK). При работе на скорости 1 Mbps используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Mbps — четвёртого уровня.

Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Mbps используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Mbps — дифференциальная квадратичная PSK модуляция.

Заголовки физического уровня всегда передаются на скорости 1 Mbps, в то время как данные могут передаваться со скоростями 1 и 2 Mbps.

Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR)

Реализация этого метода в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Вместо направленной передачи, требующей соответствующей ориентации излучателя и приёмника, передаваемый ИК сигнал излучается в потолок. Затем происходит отражение сигнала и его приём. Такой метод имеет очевидные преимущества по сравнению с использованием направленных излучателей, однако есть и существенные недостатки — требуется потолок, отражающий ИК излучение в заданном диапазоне длин волн (850 — 950 нм); радиус действия всей системы ограничен 10 метрами. Кроме того, ИК лучи чувствительны к погодным условиям, поэтому метод рекомендуется применять только внутри помещений.

Поддерживаются две скорости передачи данных — 1 и 2 Mbps. На скорости 1 Mbps поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости 2 Mbps метод модуляции немного отличается — поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырёх импульсов. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.

Метод FHSS

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно.

Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приёмопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. Это ограничение вызвано тем, что под один канал выделяется ровно 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц. Это означает, что должно происходить частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.

Метод DSSS

Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов (в США доступно только 11 каналов). Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надёжность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна, он в большинстве случаев всё равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Изменения, внесённые 802.11b

Основное дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт — это поддержка двух новых скоростей передачи данных — 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумлённых сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Mbps, но в том случае, если повысится уровень помех, или пользователь удалится на большое расстояние, мобильное устройство начнёт передавать на меньшей скорости — 5,5, 2 или 1 Mbps. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнёт передавать с более высокой скоростью. Сдвиг скорости — механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия.

MAC уровень 802.11 очень похож на реализованный в 802.3, где он поддерживает множество пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет носитель перед доступом к нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна обладать способностью и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи.

Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым.

CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI — метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

Рис. 4. Иллюстрация проблемы "скрытой точки".

Другая специфичная проблема MAC-уровня — это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 4). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт RTS и ждёт ответа точки доступа с CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, сигнал CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Так как RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя носитель, он обычно используется только для пакетов очень большого объёма, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей.

Наконец, MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчёта CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселённых" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть повреждёнными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети. MAC уровень ответственен за сборку полученных фрагментов, делая этот процесс "прозрачным" для протоколов более высокого уровня.

Подключение к сети

MAC уровень 802.11 несёт ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на её частоту (рис. 5).

Рис. 5. Подключение к сети и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа.

Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как её главное назначение — распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу (Рис. 5).

Поддержка потоковых данных

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF). В противоположность Distributed Coordination Function (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В том случае, если установлен BSS с включенной PCF, время равномерно распределяется промежутками для работы в режиме PCF и в режиме CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Так как PCF даёт возможность каждой станции передавать в определённое время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы является то, что точка доступа должна производить опрос всех станций, что становится чрезвычайно неэффективным в больших сетях.

Управление питанием

Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, MAC уровень 802.11 поддерживает энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает два режима потребления энергии, называемые "режим продолжительной работы" и "сберегающий режим". В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио периодически включается через определённые промежутки времени для приёма "маячковых" сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в "спящий" режим.

Безопасность

802.11b обеспечивает контроль доступа на MAC уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешённых MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

Безопасность для здоровья

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

Дальнейшее развитие

В настоящее время разрабатываются два конкурирующих стандарта на беспроводные сети следующего поколения — стандарт IEEE 802.11a и европейский стандарт HIPERLAN-2. Оба стандарта работают во втором ISM диапазоне, использующем полосу частот в районе 5 ГГц. Заявленная скорость передачи данных в сетях нового поколения составляет 54 Mbps.

Производители устройств 802.11b

На сегодняшний день наиболее известными и популярными производителями на рынке WaveLAN решений являются компании Lucent (серия ORiNOCO) и Cisco (серия Aironet). Помимо них существует достаточно большое количество компаний, производящих 802.11b совместимое оборудование. К их числу можно отнести такие компании, как 3Com (серия 3Com AirConnect), Samsung, Compaq, Symbol, Zoom Telephonics и пр. В следующей части статьи мы рассмотрим характеристики серий ORiNOCO компании Lucent и Aironet компании Cisco, а затем произведём тестирование обоих серий.

Ссылки

• — Рабочая группа 802.11
• — WaveLAN на Украине
• — Обзоры, тестирование WaveLAN, правовая информация

В настоящее время широко используется преимущественно три стандарта группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 1.1)

Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

Стандарт
Частотный диапазон, ГГц			2,4 или 5,0
Метод передачи
Скорость, Мбит/с
Совместимость
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM
Дальность связи в помещении, м
Дальность связи вне помещения, м

1.3.1 Стандарт ieee 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью равной 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.

Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний.

Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби.

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

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе 802.11g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов 802.11b и 802.11g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом 802.11b, поддерживаются и в протоколе 802.11g. В этом плане до скорости 11 Мбит/с протоколы 802.11b и 802.11g совпадают друг с другом, за исключением того, что в протоколе 802.11g предусмотрены такие скорости, которых нет в протоколе 802.11b.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже три бита. Кроме того, в схему, за исключением сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных. Для этого можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты. Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных бит. Тогда каждым четырем входящим бит будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.

Технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM - обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде.

Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но разные пути распространения отличаются друг от друга по длине, а потому ослабление сигнала будет для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, отмечают два крайних случая. В первом из них максимальная задержка между сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором - максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

По этой причине при высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть его заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время - достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n -каналов сигнал из временно го представления в частотное.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) - циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа.

Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции - два информационных бита. Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g применяется модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая - 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

1.3.2 Стандарт IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогонально частотное мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения сигнала.

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) - 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) - 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала - в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рисунок 1.3). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 1.3 - Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

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

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE 802.11а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором - уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции и числом поднесущих. Поскольку для передачи данных применяются 48 поднесущих, емкость OFDM-символа составляет 48 x Nb, где Nb - двоичный логарифм от числа позиций модуляции, или, проще говоря, количество бит, которые кодируются в одном символе в одном подканале. Соответственно емкость OFDM-символа составляет от 48 до 288 бит.

Последовательность обработки входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом. Первоначально входной поток данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной. Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с. При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость сверточного кодирования	Количество битв одном символе в одном подканале	Общее количество бит в символе (48 подканало)	Количество информационных бит в символе

После сверточного кодирования поток бит подвергается операции перемежения, или интерливинга. Суть ее заключается в изменении порядка следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу бит в OFDM-символе (NCBPS). Далее по определенному алгоритму производится двухэтапная перестановка бит в каждом блоке. На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как записывались, но из транспонированной матрицы). В результате такой операции первоначально соседние биты будут передаваться на несмежных поднесущих.

Затем следует этап второй перестановки битов, цель которого заключается в том, чтобы соседние биты не оказались одновременно в младших разрядах групп, определяющих модуляционный символ в сигнальном созвездии. То есть после второго этапа перестановки соседние биты оказываются попеременно в старших и младших разрядах групп. Делается это с целью улучшения помехоустойчивости передаваемого сигнала.

После перемежения последовательность бит разбивается на группы по числу позиций выбранного типа модуляции и формируются OFDM-символы.

Сформированные OFDM-символы подвергаются быстрому преобразованию Фурье, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы, которые затем подвергаются стандартной обработке - модуляции.

1.3.3 Стандарт IEEE 802.11n

Этот стандарт был утверждён 11 сентября 2009. 802.11n по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз превышает производительность классического Wi-Fi.

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

– большая скорость передачи данных (около 300 Мбит/с);

– равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;

– совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

– большая мощность потребления;

– два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

– усложненная и более габаритная аппаратура.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц.

Рисунок 1.4 - Принцип реализации технологии MIMO

Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность - каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число. Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии.Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:

Унаследованный режим (legacy mode).

Смешанный режим (mixed mode).

Режим зеленого поля (green field mode).

Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы - служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO. Кроме того, структура преамбулы определяет некоторые первичные задачи приемника, такие как оценка мощности принимаемого сигнала для системы автоматической регулировки усиления, обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режимы работы станций MIMO.

Унаследованный режим. Этот режим предусмотрен для обеспечения обмена между двумя станциями с одной антенной. Передача информации осуществляется по протоколам 802.11а. Если передатчиком является станция MIMO, а приемником - обычная станция, то в передающей системе используется только одна антенна и процесс передачи идет так же, как и в предыдущих версиях стандарта Wi-Fi. Если передача идет в обратном направлении - от обычной станции в многоантенную, то станция MIMO использует много приемных антенн, однако в этом случае скорость передачи не максимальная. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как в версии 802.11а.

Смешанный режим. В этом режиме обмен осуществляется как между системами MIMO, так и между обычными станциями. В связи с этим системы MIMO генерируют два типа пакетов, в зависимости от типа приемника. С обычными станциями работа идет медленно, поскольку они не поддерживают работу на высоких скоростях, а между MIMO - значительно быстрее, однако скорость передачи ниже, чем в режиме зеленого поля. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, что и в стандарте 802.11а, а в пакете MIMO она немного изменена. Если передатчиком выступает система MIMO, то каждая антенна передает не целую преамбулу, а циклически смещенную. За счет этого снижается мощность потребления станции, а канал используется более эффективно. Однако не все унаследованные станции могут работать в этом режиме. Дело в том, что если алгоритм синхронизации устройства основан на взаимной корреляции, то произойдет потеря синхронизации.

Режим зеленого поля. В этом режиме полностью используются преимущества систем MIMO. Передача возможна только между многоантенными станциями при наличии унаследованных приемников. Когда идет передача MIMO-системой, обычные станции ждут освобождения канала, чтобы избежать конфликтов. В режиме зеленого поля прием сигнала от систем, работающих по первым двум схемам, возможен, а передача им - нет. Это сделано для того, чтобы исключить из обмена одноантенные станции и тем самым повысить скорость работы. Пакеты сопровождаются преамбулами, которые поддерживаются только станциями MIMO. Все эти меры позволяют максимально использовать возможности систем MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть предусмотрена защита от влияния работы соседней станции, чтобы предотвратить искажения сигналов. На физическом уровне модели OSI для этого используются специальные поля в структуре преамбулы, которые оповещают станцию о том, что идет передача и необходимо определенное время ожидания. Некоторые методы защиты принимаются и на канальном уровне. В зависимости от используемой полосы пропускания режимы работы классифицируются следующим образом:

1. Наследуемый режим. Этот режим нужен для согласования с предыдущими версиями Wi-Fi. Он очень похож на 802.11a/g как по оборудованию, так и по полосе пропускания, которая составляет 20 МГц.

2. Двойной наследуемый режим. Устройства используют полосу 40 МГц, при этом одни и те же данные посылаются по верхнему и нижнему каналу (каждый шириной 20 МГц), но со смещением фазы на 90°. Структура пакета ориентирована на то, что приемником является обычная станция. Дублирование сигнала позволяет уменьшить искажения, повышая тем самым скорость передачи.

3. Режим с высокой пропускной способностью. Устройства поддерживают обе полосы частот - 20 и 40 МГц. В этом режиме станции обмениваются только пакетами MIMO. Скорость работы сети максимальна.

4. Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина диапазона 40 МГц. Станции могут обмениваться любыми пакетами.

5. Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина диапазона 40 МГц. Станции также могут обмениваться любыми пакетами.

Методы повышения быстродействия.

Скорость передачи данных зависит от многих факторов (таблица 1.3) и, прежде всего, от полосы пропускания. Чем она шире, тем выше скорость обмена. Второй фактор - количество параллельных потоков. В стандарте 802.11n максимальное число каналов равно 4. Также большое значение имеют тип модуляции и метод кодирования. Помехоустойчивые коды, которые обычно применяются в сетях, предполагают внесение некоторой избыточности. Если защитных битов будет слишком много, то скорость передачи полезной информации снизится. В стандарте 802.11n максимальная относительная скорость кодирования составляет до 5/6, то есть на 5 битов данных приходится один избыточный. В таблице 3 приведены скорости обмена при квадратурной модуляции QAM и BPSK. Видно, что при прочих одинаковых параметрах модуляция QAM обеспечивает гораздо большую скорость работы.

Таблица 1.3 - Скорость передачи данных при различных типах модуляции

Передатчики и приемники 802.11n

В стандарте IEEE 802.11n допускается использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного адаптера. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенн у точки доступа и одной антенны и беспроводного адаптера. В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Общая структурная схема передатчика изображена на рисунке 1.5. Передаваемые данные проходят через скремблер, который вставляет в код дополнительные нули или единицы (так называемое маскирование псевдослучайным шумом), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные разделяются на N потоков и поступают на кодер с прямой коррекцией ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, а если используются три или четыре передающих канала, то N = 2.

Рисунок 1.5 - Общая структура передатчика MIMO-OFDM

Кодированная последовательность разделяется на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке перемеживаются (для устранения блочных ошибок), а затем модулируются. Далее происходит формирование пространственно-временных потоков, которые проходят через блок обратного быстрого преобразования Фурье и поступают на антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогична структуре передатчика изображена на рисунке 1.6, но все действия выполняются в обратном порядке.

Рисунок 1.6 - Общая структура приемника MIMO-OFD

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

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

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

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

Рис. 6.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

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

Рис. 6.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

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

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

Рис. 6.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.6.11. Многолучевое распространение сигналов

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

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

Рис. 6.12. Структура сигнала OFDM

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

Суммарный OFDM сигнал при может быть представлен в виде:

, (6.1)

где - комплексная амплитуда одного переданного сигнала,

t s – время начала каждого отдельного символа,

T s – длительность символа.

Спектральная картина OFDM сигнала показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Спектр OFDM сигнала

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

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

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

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

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

Таблица 6.4

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

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

Таблица 6.5

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

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

Рис. 6.14. Работа станций в режиме DCF

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

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

Рис. 6.15. Процедура доступа к сети на основе DCF

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

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

Voice – телефонию с качеством передачи на уровне междугородной связи,

Video – передачу телевидения,

Best Effort – чтение Интернет-файлов,

Background – передачу файлов с низким приоритетом.

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

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

Рис. 6.16. Передача данных на основе PCF

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

Таблица 6.6

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

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

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

· Управляемый доступ к каналу (controlled channel access).

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

Рис. 6.17 Архитектура МАС

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

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

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

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

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

Рис. 6.18. Четыре категории доступа в одной станции

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

6. 5. Стандарт IEEE 802.16 - WiMAX

WiMAX -Worldwide Interoperability for Microwave Access

Таблица 6.7

Основные характеристики стандарта WiMAX

Таблица 6.8

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

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

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

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

3,5 ГГц (TDD): 3,5; 7; (256)

5,8 ГГц (TDD): 10 (256)

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

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

2,345 – 2,360 ГГц: 10 (1024)

2,496 – 2,69 ГГц: 5 (512); 10 (1024)

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

3,4 – 3,8 ГГц: 5 (512)

3,4 – 3,6 ГГц: 7 (1024)

3,6 – 3,8 ГГц: 10 (1024)

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

В стандарте 802.16 используют следующие интерфейсы:

1. WirelessMAN-SC (10 – 66 ГГц)

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

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

6. WirelessMAN-OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

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

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

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

Рис. 6.19. Формат символа на одной частоте

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

Рис. 6.20. Описание сигнала в частотной области

Символ OFDM характеризуют следующие параметры:

BW – номинальная ширина полосы канала.

Nused - число используемых поднесущих.

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

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

NFFT: число точек преобразования Фурье,

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

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

Tb= 1/∆f – длительность преобразования символа,

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

Ts=Tb+Tg – длительность символа OFDM,

Ts/ NFFT - интервал дискретизации.

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

Таблица 6.9.

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

Таблица 6.10

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

Таблица 6.11

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

Таблица 6.12

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

Таблица 6.13

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

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

Рис. 6.21. Структура кадров для TDD и FDD

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

Рис.6.22. Структура нисходящего канала.

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

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

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

Рис. 6.23. Структура восходящего канала

Примеры структуры кадра с TDD приведен на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Пример структуры кадра OFDM с TDD

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

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

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

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

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

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

BE – Best Effort – остальной трафик.