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. 4.8 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. 4.8. 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. 4.9 представлена типичная инфраструктура BSS.

Рис. 4.9. 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) (рис. 4.10). Обычно выход на распределительную систему реализуют с помощью кабельного соединения, но спецификации стандарта 802.11 позволяют построить этот канал и как беспроводный.

Рис. 4.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Wi-Fi, как и другие стандарты семейства 802.Х, имеет следующую структуру протоколов (рис.4.11).

Рис. 4.11. Структура протоколов стандартов IEEE 802.X

На физическом уровне стандарт Wi-Fi специфицирован для 3-х диапазонов: 2,4 ГГц; 5 ГГц и инфракрасном (длина волны 850 – 950 нм). Впервые стандарт появился в 1999г и обеспечивал скорости в кадре в 1 и 2 Мбит/с. Далее последовали многочисленные дополнения в спецификации: на физическом уровне ‒ 802.11b и 802.11g для диапазона 2,4 ГГц, 802.11а для диапазона 5 ГГц, на уровне MAC ‒ 802.11e и 802.11i и ряд других. Сейчас основой стандарта Wi-Fi являются спецификации 2007г “IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications“, где отдельно описаны применяемые в разных диапазонах Wi-Fi технологии.

Передача информации в Wi-Fi идет кадрами. Формат кадра Wi-Fi приведен на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Формат кадра Wi-Fi

Преамбула состоит из двух полей. Поле Sync обеспечивает синхронизацию, а поле SFD (Start of Frame Delimiter) фиксирует начало кадра.

Заголовок PLCP (Physical Layer Convergence Procedure ) в поле Signal определяет тип модуляции и скорость передачи; поле Service добавляет подробности схемы кодирования; Length – длина МАС-фрейма в микросекундах; поле CRC служит для проверки правильности приема заголовка PLCP.

В диапазоне 5ГГц для сетей Wi-Fi выделено 3 поддиапазона. 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 поддиапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Передача в диапазоне 5 ГГц основана на использовании технологии OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (или ортогональное частотное разнесение – ОЧР). Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию.

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. 4.13).

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.

Рис.4.13. Многолучевое распространение сигналов

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 (рис.4.14).

Рис. 4.14. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi и WiMAX

Временная диаграмма OFDM сигнала приведена на рис. 4.15, где номерами i помечены отдельные поднесущие.

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:

, (4.1)

где - комплексная амплитуда одного переданного сигнала,

t_s – время начала каждого отдельного символа,

T_s – длительность символа.

Рис. 4.15. Структура сигнала OFDM

Спектральная картина OFDM сигнала показана на рис. 4.16.

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.

Рис. 4.16. Спектр OFDM сигнала

Для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). Длительность символа T_s =3,2 мкс, длительность паузы T_g =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

Мбит/с.

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

В зависимости от помеховой ситуации в стандарте Wi-Fi на 5 ГГц предусмотрено использование адаптивных схем модуляции и сверточного кодирования (СС). Основные характеристики стандарта приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Спецификациями предусмотрена возможность работы в полосах 10 и 5 МГц (вместо 20 МГц). Число поднесущих при этом не меняется (всего 52, из них для передачи данных используют 48). Соответственно длительности символа T_s и паузы T_p увеличиваются 2 и 4 раза, а скорости передачи в табл. 4.4 во столько же раз уменьшаются.

В диапазоне 2,4….2,483 ГГц применяют 5 различных технологий передачи данных. С целью снижения влияния помех может быть использована передача на прыгающей частоте со скоростями в кадре 1 и 2 Мбит/с (как в стандарте Bluetooth). Однако на этих скоростях обычно используют более совершенную технологию: прямое расширение спектра.

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 кодового заполнения символов, 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). При этом скорость передачи данных в кадре может составлять 11 Мбит/с (R_кода = 1/2) или 5,5 Мбит/с (R_кода = 1/4).

В отдельной главе спецификаций Wi-Fi описана работа с расширенном диапазоном скоростей (ERP – Extended Rate Physical) на 2,4 ГГц..Для получения больших скоростей используют технологию OFDM, полностью перенеся в диапазон 2,4 ГГц идеологию передачи данных из диапазона 5 ГГц (табл. 4.4). Кроме того, возможна передача со скоростями 22 и 33 Мбит/с для чего при передаче на одной частоте применяют модуляцию 8-ФМ, причем для получения скорости 33 Мбит/с частоту следования символов увеличивают до 16,5 Мсимв/с. При этом используют избыточное двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (packet binary convolutional coding) со скоростью кода R_кода = 2/3.

В результате в диапазоне 2,4 ГГц возможна передача со следующими скоростями (табл. 4.5):

Таблица 4.5

11.09.2009г. был утвержден и опубликован стандарт IEEE802.11n, направленный на повышение скоростей передачи за счет использования технологии OFDM в расширенной полосе (40 МГц) и применения многоантенных систем (технология MIMO – Multiple Input Multiple Output).При этом возможны следующие конфигурации антенн 2×2:2, 2×3:2, 3×3:2, 3×3:3 и теоретически 4×4:4. Прежде всего эта технология рассчитана на использование в диапазоне 5 ГГц, но ее применяют (с ограничениями по расширению полосы) и в диапазоне 2,4 ГГц. Сквозные скорости передачи (с учетом пилотных каналов) приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Уровень управления доступом к среде MAC (Media Access Control) выполняет несколько задач. Прежде всего, это непосредственно управление доступом к среде, а также поддержка роуминга, аутентификации и экономии мощности. Основными механизмами доступа к среде стандарта 802.11 на уровне MAC являются распределенная координатная функция DCF (Distributed Coordination Function), точечная координатная функция PCF (Point Coordination Function) и гибридная координатная функция HCF (Hybrid Coordination Function), используемая для обеспечения требуемого качества услуг QoS (Quality of Service).

Функция DCF является основным методом доступа к среде и должна быть реализована во всех станциях STA, работающих как в эпизодической сети ad hoc (IBSS), так и в сети с инфраструктурой (BSS).

В основе DCF лежит технология множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). CSMA/CA представляет собой механизм «прослушивание перед передачей» (listen before talk). Прежде чем станция начинает передавать информацию, она должна «прослушать» среду, чтобы определить, передает ли в данный момент другая станция. Если среда свободна, то исходная станция может начать передачу. Если среда занята, станция должна отложить передачу до момента, когда она вновь освободится. В начале каждой передачи станция выбирает интервал отката (backoff interval, произвольное число из определенного диапазона возможных значений), запускает декрементирующий счетчик и, пока среда свободна, уменьшает значение счетчика. Использование данного механизма позволяет снизить вероятность ситуаций, когда две или более станции одновременно начинают передачу, определяя, что среда свободна, и, как следствие, происходит наложение сигналов (коллизия).

Станция определяет состояние среды двумя способами:

· Проверкой на наличие или отсутствие несущей, с использованием данных от физического уровня PHY;

· Использованием виртуальной функцией контроля несущей и вектором распределения сети NAV (network allocation vector).

При использовании распределенной координатной функции DCF все станции имеют одинаковый приоритет и занимают канал на основе состязаний с таймерами отката. Принцип действия DCF поясняет рис. 4.17.

Рис. 4.17. Работа станций в режиме DCF

В реальном алгоритме доступа на основе DCF используют более надежную процедуру (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Процедура доступа к сети на основе DCF

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. В цикле передачи кадры RTS – CTS – Данные – АСК разделяют короткими межкадровыми промежутками SIFS (10…16 мкс). Все станции, не участвующие в обмене информацией, устанавливают у себя NAV – Network Allocation Vector, переходя на время передачи кадра в спящий режим.

Рассмотренный метод доступа используют при чтении файлов из Интернета. Однако он не позволяет качественно передавать потоковое видео и, тем более, IP-телефонию, где жестко лимитированы допустимые задержки сигналов. Поэтому спецификациями предусмотрена поддержка 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.

Реализация четырех классов услуг возможна в сетях с точками доступа, где для занятия канала, кроме DCF, используют точечную координатную функцию PCF (point coordination function). Принцип работы сети на основе PCF поясняет рис. 4.19.

Рис. 4.19. Передача данных на основе PCF

Точечную координатную функцию используют в сетях с инфраструктурой, в которых точка доступа (точка координации) имеет высший приоритет в сравнении с обычными станциями (компьютерами). Механизм PCF обеспечивает не подверженную конкуренции за среду передачу кадров от точки доступа и к ней в режиме опроса (polling). Во время состязаний более высокий приоритет точки доступа обеспечивается тем, что она использует более короткий межкадровый промежуток PIFS вместо SIFS.

Фактически доступ к среде реализуют с помощью гибридной координатной функции (hybrid coordination function, HCF). HCF определяет два механизма доступа к среде:

· Доступ к каналу, основанный на состязании (contention-based channel 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). Внутри суперкадра могут существовать две фазы работы: 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. Результирующая архитектура МАС показана на рис.4.20.

Рис. 4.20. Архитектура МАС

Поиск по сайту: