Стандарты беспроводных сетей

Сегодня мы рассмотрим все существующие стандарты IEEE 802.11 , которые предписывают использование определенных методов и скоростей передачи данных, методов модуляции, мощности передатчиков, полос частот, на которых они работают, методов аутентификации, шифрования и многое другое.

С самого начала сложилось так, что некоторые стандарты работают на физическом уровне, некоторые - на уровне среды передачи данных, а остальные — па более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем .

Существуют следующее группы стандартов:

IEEE 802.11а, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac дописывают работу сетевого оборудования (физический уровень).
Стандарт IEEE 802.11d, IEEE 802.11e, IEEE 802.11i, IEEE 802.11j, IEEE 802.11h и IEEE.
802.11r — параметры среды, частоты радиоканала, средства безопасности, способы передачи мультимедийных данных и т. д..
IEEE 802.11f IEEE 802.11с- принцип взаимодействия точек доступа между собой, работу радиомостов и т. п.

IEEE 802.11

Стандарт IE ЕЕ 802.11 был «первенцем» среди стандартов беспроводной сети. Работу над ним начали еще в 1990 году. Как и полагается, этим занималась рабочая группа из IEEE, целью которой было создание единого стандарта для радиооборудования, которое работало на частоте 2,4 ГГц. При этом ставилась задача достичь скорости 1 и 2 Мбит/с при использовании методов DSSS и FHSS соответственно.

Работа над созданием стандарта закончилась через 7 лет. Цель была достигнута но скорость. которую обеспечивал новый стандарт, оказалась слишком малой дли современных потребностей. Поэтому рабочая группа из IEEE начала разработку новых, более скоростных, стандартов.
Разработчики стандарта 802.11 учитывали особенности сотовой архитектуры системы.

Почему сотовой? Очень просто: достаточно вспомнить, что волны распространяются в разные стороны на определенный радиус. Получается, что внешне зона напоминает соту. Каждая такая сота работает под управлением базовой станции, в качестве которой выступает точка доступа. Часто соту называют базовой зоной обслуживания .

Чтобы базовые зоны обслуживания могли общаться между собой, существует специальная распределительная система (Distribution System. DS). Недостатком распределительной системы стандарта 802.11 является невозможность роуминга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает работу компьютеров без точки доступа, в составе одной соты. В этом случае функции точки доступа выполняют сами рабочие станции.

Этот стандарт разработан и ориентирован на оборудование, функционирующее в полосе частот 2400-2483,5 МГц. При этом радиус соты достигает 300 м, не ограничивая топологию сети.

IEEE 802.11а

IEEE 802.11a это один из перспективных стандартов беспроводной сети, который рассчитан на работу в двух радиодиапазонах - 2,4 и 5 ГГц. Используемый метод OFDM позволяет достичь максимальной скорости передачи данных 54 Мбнт/с. Кроме этой, спецификациями предусмотрены и другие скорости:

• обязательные 6. 12 н 24 Мбнт/с;
• необязательные - 9, 18.3G. 18 и 54 Мбнт/с.

Этот стандарт также имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ можно отметить следующие:

• использование параллельной передачи данных;
• высокая скорость передачи;
• возможность подключения большого количества компьютеров.

Недостатки стандарта IEEE 802.1 1a такие:

• меньший радиус сети при использовании диапазона 5 ГГц (примерно 100 м): J большая потребляемая мощность радиопередатчиков;
• более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием других стандартов;
• для использования диапазона 5 ГГц требуется наличие специального разрешения.

Для достижения высоких скоростей передачи данных стандарт IEEE 802.1 1a использует в своей работе технологию квадратурной амплитудной модуляции QAM .

IEEE 802.11b

Работа над стандартом IEEE 802 11b (другое название IFEE 802.11 High rate, высокая пропускная способность) была закончена в 1999 году, и именное ним связано название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность).

Работа данного стандарта основана на методе прямого расширения спектра (DSSS) с использованием восьмиразрядных последовательностей Уолша. При этом каждый бит данных кодируется с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). Это позволяет достичь скорости передачи данных 11 Мбит/с.

Как и базовый стандарт, IEEE 802.11b работает с частотой 2.4 ГГц, используя не более трех не перекрывающихся каналов. Радиус действия сети при этом составляет около 300 м.

Отличительной особенностью этого стандарта является то, что при необходимость (например, при ухудшении качества сигнала, большой удаленности от точки доступа. различных помехах) скорость передачи данных может уменьшаться вплоть до 1 Мбнт/с. Напротив, обнаружив, что качество сигнала улучшилось, сетевое оборудование автоматически повышает скорость передачи до максимальной Этот механизм называется динамическим сдвигом скорости.

Кроме оборудования стандарта IEEE 802.11b. часто встречалось оборудование IEEE 802.11Ь* . Отличие между этими стандартами заключается лишь в скорости передачи данных. В последнем случае она составляет 22 Мбит/с благодаря использованию метода двоичного пакетного свёрточного кодирования (Р8СС).

IEEE 802.11d

Стандарт IEEE 802.11d определяет параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Этот стандарт очень важен, поскольку для работы сетевого оборудования используются радиоволны. Если они не будут соответствовать указанным параметрам. То могут помешать другим устройствам. работающим в этом или близлежащем диапазоне частот.

IEEE 802.11е

Поскольку но сети могут передаваться данные разных форматов и важности, существует потребность в механизме, который бы определял их важность и присваивал необходимый приоритет. За это отвечает стандарт IEEE 802.11е, разработанный с целью передачи потоковых видео- или аудиоданных с гарантированным качеством и доставкой.

IEEE 802.11f

Стандарт IEEE 802.11f разработан с келью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter-Access Point Protocol) , который необходим для передачи данных между точками доступа При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

IEEE 802.11g

Вторым по популярности на сегодняшний день стандартом можно считать стандарт IEEE 802.11g. Целью создания данного стандарта было достижение скорости передачи данных 54 Мбит/с .
Как и IEEE 802.11b. стандарт IEEE 802.11g разработан для работы в частотном диапазоне 2,4 ГГц. IEEE 802.11g предписывает обязательные и возможные скорости передачи данных:

• обязательные -1;2;5,5;6; 11; 12 и 24 Мбит/с;
• возможные - 33;36;48 н 54 Мбит/с.

Для достижения таких показателен используется кодирование с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). метод ортогонального частотною мультиплексирования (OFDM), метод гибридного кодирования (ССК-OFDM) и метод двоичною пакетного свёрточного кодирования (РВСС).

Стоит отметить, что одной и той же скорости можно достичь разными методами, однако обязательные скорости передачи данных достигаются только с помощью методов ССК п OFDM , а возможные скорости с помощью методов ССК-OFDM и РВСС.

Преимуществом оборудования стандарта IEEE 802.11g является совместимость с оборудованием IEEE 802.11b. Вы сможете легко использовать свои компьютер с сетевой картой стандарта IEEE. 802.11b для работы с точкой доступа стандарта IEEE 802.11g. и наоборот. Кроме того, потребляемая мощность оборудования этого стандарта намного ниже, чем аналогичного оборудования стандарта IEEE 802.11а.

IEEE 802.11h

Стандарт IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде МАС (Media Access Control, управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11a.

В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами н т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети.

Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том. что при обнаружении отраженных сигналов (интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

IEEE 802.11i

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции зашиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

• AES (Advanced Encryption Standard, передовой алгоритм шифрования данных) - алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128. 15)2 и 256 бит;
• RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service, служба дистанционной аутентификации пользователя) — система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими. включающая в себя алгоритмы проверки ПОДЛИННОСТИ пакетов и т.д.;
• TKIР (Temporal Key Integrity Protocol, протокол целостности временных ключей) - алгоритм шифрования данных;
• WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) - алгоритм шифрования данных;
• ССМР (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) - алгоритм шифрования данных.

IEEE 802.11 j

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования беспроводных сетей в Японии, а именно для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4.9-5 ГГц. Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4.9 ГГц.

На данный момент частота 4,9 ГГц рассматривается как дополнительный диапазон для использования в США. Из официальных источников известно, что этот диапазон готовится для использования органами общественной и национальной безопасности.
Данным стандартом расширяется диапазон работы устройств стандарта IEEE 802.11a.

IEEE 802.11n

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n самый распространенный из всех стандартов, касающихся беспроводных сетей.

В основе стандарта 802.11n:

• Увеличение скорости передачи данных;
• Расширение зоны покрытия;
• Увеличение надежности передачи сигнала;
• Увеличение пропускной способности.

Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц.

На физическом уровне (PHY) реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.

На сетевом уровне (MAC) реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g (в настоящее время эти устройства уже считаются устаревшими).

В реальности, производительность беспроводной локальной сети зависит от многочисленных факторов, таких как среда передачи данных, частота радиоволн, размещение устройств и их конфигурация.

При использовании устройств стандарта 802.11n, крайне важно понять, какие именно усовершенствования были реализованы в этом стандарте, на что они влияют, а также как они совмещаются и сосуществуют с сетями устаревшего стандарта 802.11a/b/g беспроводных сетей.

Важно понять, какие именно дополнительные особенности стандарта 802.11n реализованы и поддерживаются в новых беспроводных устройствах.

Одним из основных моментов стандарта 802.11n является поддержка технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output, Многоканальный вход/выход).
С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, вместо одной.

Стандарт 802.11n определяет различные антенные конфигурации «МхN», начиная с «1х1» до «4х4 » (самые распространенные на сегодняшний день это конфигурации «3х3» или «2х3»). Первое число (М) определяет количество передающих антенн, а второе число (N) определяет количество приемных антенн.

Например, точка доступа с двумя передающими и тремя приемными антеннами является «2х3» MIMO -устройством. В дальнейшем я более подробно опишу этот стандарт

IEEE 802.11г

Ни в одном беспроводном стандарте толком не описаны правила роуминга, то есть перехода клиента от одной зоны к другой. Это намереваются сделать в стандарте IEEE 802.11г.

Стандарт IEEE 802.11ac

Он обещает гигабитные беспроводные скорости для потребителей.

Первоначальный проект технической спецификации 802.11ac подтвердили рабочей группой (TGac) в прошлом году. В то время как ратификация Wi-Fi Alliance ожидается в конце этого года. Несмотря на то, что стандарт 802.11ac пока в стадии проекта и еще должен быть ратифицирован Wi-Fi Alliance и IEEE . Мы уже начинаем видеть продукты гигабитного Wi-Fi, доступные на рынке.

Характеристики стандарта нового поколения Wi-Fi 802.11ac:

WLAN 802.11ac использует целый ряд новых методов для достижения огромного прироста производительности к теоретически поддерживает гигабитный потенциал и обеспечение высоких пропускных способностей, таких как:

• 6GHz полоса
• Высокая плотность модуляции до 256 QAM.
• Более широкие полосы пропускания — 80MHz для двух каналов или 160MHz для одного канала.
• До восьми Multiple Input Multiple Output пространственных потоков.

Многопользовательские MIMO низкого энергопотребления 802.11ac ставят новые проблемы для разработки инженеров, работающих со стандартом. Далее мы обсудим эти проблемы и доступные решения, которые помогут разработке новых продуктов, основанных на этом стандарте.

Более широкая полоса пропускания:

802.11ac имеет более широкую полосу пропускания 80 MHz или даже 160 MHz по сравнению с предыдущим до 40 MHz в стандарте 802.11n. Более широкая полоса пропускания приводит к улучшению максимальной пропускной способности для цифровых систем связи.

Среди наиболее сложных задач проектирования и производства — генерация и анализ сигналов широкой полосы пропускания для 802.11ac. Потребуется тестирование оборудования, способного обрабатывать 80 или 160 MHz для проверки передатчиков, приемников и компонентов.

Для генерации 80 MHz сигналов, многие генераторы RF сигналов не имеют достаточно высокой частоты дискретизации для поддержки типичного минимума 2X соотношения пере дискретизации, которые дадут в результате необходимые образы сигналов. Используя правильные фильтрации и пере дискретизации сигнала из Waveform файла, возможно генерировать 80 MHz сигналы с хорошими спектральными характеристиками и EVM.

Для генерации сигналов 160 MHz , в широком диапазоне генератор волновых сигналов произвольной формы (AWG). Такие как Agilent 81180A, 8190A можно использовать для создания аналоговых I/Q сигналов.

Эти сигналы можно применить к внешнему I/Q. Как входы векторного генератора сигналов для преобразования частоты RF. Кроме того, можно создать 160 MHz сигналы с использованием 80 +80 MHz режима поддерживающего стандарт для создания двух сегментов 80 MHz в отдельных MCG или ESG генераторах сигнала, объединив затем радиосигналы.

MIMO:

MIMO является использованием нескольких антенн для повышения производительности системы связи. Вы могли видеть некоторые Wi-Fi точки доступа, имеющие более одной антенны. Которые торчат из них, — эти маршрутизаторы используют технологию MIMO.

Проверкой MIMO конструкций является изменение. Многоканальный генерации и анализ сигналов можно использовать для представления о производительности устройств MIMO. И оказания помощи в устранении неполадок и проверки проектов.

Усилитель Линейности:

Усилитель Линейности является характеристикой и усилителем. С помощью которого выходной сигнал усилителя остается верным входному сигналу по мере возрастания. Реально усилители линейности линейны только до предела, после которого выход насыщается.

Есть много методов для улучшения линейности усилителя. Цифровой предыскажения является одним из таких технику. Автоматизация проектирования программного обеспечения, как SystemVue обеспечивает приложение. Которое упрощает и автоматизирует цифрового дизайна предыскажений для усилителей мощности.

Совместимость с предыдущими версиями

Хотя стандарт 802.11n используется уже в течение многих лет. Но до сих пор также работают многие маршрутизаторы и беспроводные устройства более старых протоколов. Таких как 802.11b и 802.11g, правда их реально мало. Также и при переходе к 802.11ac, будут поддерживаться старые Wi-Fi стандарты и обеспечиваться обратная совместимость.

Пока это все. Если у Вас еще есть вопросы, можете смело написать мне в,

При покупке 5ГГц роутера слово DualBand (Двухдиапазонный) отвлекает наше внимание от более важной сути, стандарта Wi-Fi, использующего несущую 5ГГц. В отличие от стандартов использующих несущую 2.4ГГц, уже давно знакомых и понятных, 5ГГц устройства могут использоваться в комплексе с 802.11n или 802.11ac стандартами (в дальнейшем AC стандарт и N стандарт).

Группа стандартов Wi-Fi IEEE 802.11 эволюционировала довольно динамично, от IEEE 802.11a, который обеспечивал скорости до 2 Мбит/с , через 802.11b и 802.11g, которые давали скорости до 11 Мбит/с и 54 Мбит/с соответственно. Затем появился стандарт 802.11n или просто n-стандарт. N-стандарт был настоящим прорывом, так как теперь через одну антенну можно было передавать трафик на немыслимой по тем временам скорости 150Мбит . Это достигалось за счёт использования передовых технологий кодирования (MIMO), более тщательного учёта особенностей распространения ВЧ волн, технологии удвоенной ширины канала, не статичный защитный интервал определяемый таким понятием как индекс модуляции и схемы кодирования.

Принципы функционирования 802.11n

Уже привычный 802.11n может применяться в одном из двух диапазонов 2.4ГГц и 5.0 ГГц. На физическом уровне кроме усовершенствованной обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны , через каждую антенну можно пропустить до 150Мбит/с , т.е. это теоретически 600Мбит. Однако, учитывая, что одновременно антенна работает либо на приём либо на вещание, то скорость передачи данных в одну сторону не превысит 75Мбит/с на антенну.

Многоканальный вход/выход (MIMO)

Впервые поддержка этой технологии появилась в стандарте 802.11n. MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output, что в переводе - многоканальный вход многоканальный выход.

С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема и передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, а не одну.

Стандарт 802.11n определяет различные конфигурации антенн от "1х1" до "4х4". Также возможны несиметричные конфигурации, например, "2х3", где первое значение означает количество передающих, а второе количество принимающих антенн.

Очевидно, максимальную скорость приёма передачи возможно достичь только при использовании схемы "4х4". На самом деле количество антенн не увеличивает скорость само по себе, однако это позволяет применять различные усовершенствованные методы обработки сигналов, которые автоматически выбираются и применяются устройством, в том числе и исходя из конфигурации антенн. Например, схема "4х4" с модуляцией 64-QAM обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, схема "3х3" и 64-QAM обеспечивает скорость до 450 Мбит/с, а схемы "1х2" и "2х3" до 300 Мбит/с.

Ширина полосы пропускания канала 40 МГц

Особенностью стандарта 802.11n является удвоенная ширина 20МГц канала, т.е. 40 МГц .Возможность поддержки 802.11n устройствами работающих на несущих 2.4ГГц и 5ГГц. В то время как стандарт 802.11b/g работает только на 2.4 ГГц, а 802.11a работает на частоте 5 ГГц. В полосе частот 2.4 ГГц для беспроводных сетей доступны всего 14 каналов, из них первые 13 разрешены в СНГ, с интервалами 5 МГц между ними. Устройства использующие стандарт 802.11b/g используют каналы шириной 20 МГц. Из 13 каналов 5 пересекающихся. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Т.е. не пересекающимися будут только три канала на полосе 20 МГц: 1, 6 и 11.

Режимы работы 802.11n

Стандарт 802.11n предусматривает работу в трёх режимах: High Throughput (читый 802.11n), Non-High Throughput (полная совместимость с 802.11b/g) и High Throughput Mixed (смешанный режим).

High Throughput(НТ) - режим с высокой пропускной способностью.

Точки доступа 802.11n используют режим High Throughput. Данный режим абсолютно исключает совместимость с предыдущими стандартами. Т.е. усройства не поддерживающие n-стандарт подключиться не смогут. Non-High Throughput(Non-HT) - режим с невысокой пропускной способностью Чтобы устаревшие устройства могли подключиться, все кадры отправляются в формате 802.11b/g. В этом режиме используется ширина канала 20 МГц для обеспечения обратной совместимости. При использовании этого режима данные передаются со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством, подключённым к данной точке доступа (или Wi-Fi роутеру).

High Throughput Mixed - смешанный режим с высокой пропускной способностью. Смешанный режим позволяет устройству работаь одновременно по стандарту 802.11n и 802.11b/g. Обеспечит обратную совместимость устаревших устройств, и устройств использующих стандарт 802.11n. Однако, пока старое устройство осуществляет прием-передачу данных, устаройство поддерживающее 802.11n ждёт своей очереди, и это сказывается на скорости. Также очевидно, что, чем больше трафика будет идти по стандарту 802.11b/g, тем меньшую производительность сможет показать 802.11n устройство в режиме High Throughput Mixed.

Индекс модуляции и схемы кодирования (MCS)

Стандарт 802.11n определяет понятие "Индекс модуляции и схемы кодирования"(Modulation and Coding Scheme). MCS - это простое целое число, присваиваемое варианту модуляции (всего возможно 77 вариантов). Каждый вариант определяет тип модуляции радиочастоты (Type), скорость кодирования (Coding Rate), защитный интервал (Short Guard Interval) и значения скорости передачи данных. Сочетание всех этих факторов определяет реальную физическую (PHY) скорость передачи данных, начиная от 6,5 Мбит/с до 600 Мбит/с (данная скорость может быть достигнута за счет использования всех возможных опций стандарта 802.11n).

Некоторые значения индекса MCS определенны и показаны в следующей таблице:

Расшифруем значения некоторых параметров.

Короткий защитный интервал SGI (Short Guard Interval) определяет интервал времени между передаваемыми символами. В устройствах стандарта 802.11b/g используется защитный интервал 800 нс, а в устройствах 802.11n есть возможность использования паузы всего в 400 нс. Короткий защитный интервал (SGI) повышает скорость передачи данных на 11 процентов. Чем короче этот интервал тем большее количество информации можно передать в единицу времени, однако, при этом точность определения символов падает, поэтому разработчиками стандарта подобрано оптимальное значение этого интервала.

MCS значения от 0 до 31 определяют тип модуляции и схемы кодирования, которые будут использоваться для всех потоков. MCS значения с 32 по 77 описывают смешанные комбинации, которые могут быть использованы для модуляций от двух до четырех потоков.

Точки доступа 802.11n должны поддерживать MCS значения от 0 до 15, в то время как 802.11n станции должны поддерживать MCS значения от 0 до 7. Все другие значения MCS, в том числе связанные с каналами шириной 40 МГц, коротким защитным интервалом (SGI), являются опциональными, и могут не поддерживаться.

Особенности AC стандарта

В реальных условиях ни одному стандарту не удалось добиться максимума своей теоретической производительности, поскольку на сигнал влияет множество факторов: электромагнитные помехи от бытовой техники и электроники, препятствия на пути сигнала, отражения сигнала, и даже магнитные бури. Из-за этого производители и продолжают работать над созданием еще более эффективных вариантов стандарта Wi-Fi, более приспособленного не только для домашнего, но и активного офисного использования, а также построения расширенных сетей. Благодаря этому стремлению, совсем недавно, родилась новая версия IEEE 802.11 — 802.11ac (или просто AC стандарт ).

Принципиальных отличий от N в новом стандарте не слишком много, но все они направлены на увеличение пропускной способности беспроводного протокола. В основном разработчики пошли путём улучшения преимуществ стандарта N. Самое заметное — расширение каналов MIMO с максимальных трех до восьми. Это значит, что вскоре мы сможем увидеть в магазинах беспроводные маршрутизаторы с восемью антеннами. А восемь антенн — это теоретическое удвоение пропускной способности канала до 800 Мбит/с, это не говоря о возможных шестнадцатиантенных устройствах.

Устройства стандартов 802.11abg работали на каналах шириной пропускания 20 МГц, а чистый N предполагает каналы шириной 40 МГц. В новом стандарте предусмотренно, что AC роутеры имеют каналы на 80 и 160 МГц, а это означает удвоение и учетверение канала удвоенной ширины.

Стоит отметить предусмотренную в стандарте улучшенную реализацию технологии MIMO — технологию MU-MIMO. Старые версии протоколов, совместимые со стандартом N, поддерживали полудуплексную передачу пакетов от устройства к устройству. То есть в момент, передачи пакета одним устройством, другие устройства могут работать только на прием. Соответственно, если одно из устройств подключается к роутеру, используя старый стандарт, тогда и другие будут работать медленнее из-за увеличившегося времени передачи пакетов устройству использующему старый стандарт. Это может быть причиной понижения качества характеристик беспроводной сети в случае, если к ней подключено много таких устройств. Технология MU-MIMO решает эту проблему, создавая многопоточный канал передачи, при использовании которого остальные устройства не ждут своей очереди. В то же время AC роутер должен быть обратносовместим с предыдущими стандартами.

Однако, конечно же есть и ложка дёгтя. В настоящее время по прежнему абсолютное большинство ноутбуков, планшетов, смартфонов не поддерживают не только AC стандарт Wi-Fi, а даже не умеют работать на несущей 5ГГц. Т.е. и 802.11n на 5ГГц им недоступна. Также сами AC роутеры и точки доступа могут в несколько раз превышать по стоимости роутеры ориентированные на использование стандарта 802.11n.

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

Технологии передачи данных развиваются вместе с выпуском новой техники

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

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

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

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

Стандарт 802.11a

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

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

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

Стандарт 802.11g

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

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

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

Стандарт 802.11n

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

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

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

Другие стандарты

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

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

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

Новейший и самый технологичный стандарт 802.11ас

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

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

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

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

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

Введение

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

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

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

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

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

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

Таблица 1.

Разработка стандарта IEEE 802.11n

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Производительность - TUL - определяется следующим образом:

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

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

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

MT - максимальная производительность (maximum throughput);

LDATA - полезная информация в байтах;

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

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

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

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

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

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

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

WLAN Plus

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

Рис. 2. Чипсет WLAN Plus

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

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

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

Рис. 3. Пример использования чипсета 802.11n

Oсновные особенности WLAN Plus

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

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

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

Рис. 4. Функциональная схема MtW8150

Архитектурa WLAN Plus

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

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

Рис. 5. Архитектура WLAN Plus

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

Оценочный комплект

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

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

Рис. 6. Внешний вид оценочного комплекта

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

Поддержка программного обеспечения

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

Рис. 7. Структура по WLAN Plus

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

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

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

Физический уровень семейства протоколов 802.11

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

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

Стандарт IEEE 802.11

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

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

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

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

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

Стандарт IEEE 802.11b

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

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

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

	CCK-последовательности CCK-последовательности характеризуются тем, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю. В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с различными фазами. Каждый элемент такой последовательности представляет собой комплексное число из набора следующих восьми значений: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Комплексное представление сигнала — это лишь удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала. Так, значение последовательности равное 1 соответствует синфазному к сигналу генератора сигналу (то есть сдвиг фазы отсутствует), а равное –1 — противофазному (сдвиг фазы равен p) сигналу и т.д. Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера заключается в том, что здесь существует не строго заданная последовательность, посредством которой можно было кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей. А поскольку каждый элемент последовательности может принимать одно из восьми значений в зависимости от значения фаз, то можно скомбинировать достаточно большое число разных CCK-последовательностей. Это позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько информационных битов, повышая тем самым информационную скорость передачи.

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

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

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

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

	Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) состоит в следующем. Входящая последовательность информационных битов преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного, то есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2. Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования, даже в случае возникновения ошибок приема, исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции, причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная и даже восьмипозиционная фазовая модуляция. Как видите, технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), здесь не используется технология уширения спектра за счет применения шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. С этой целью применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK. В методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала используются по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK.

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

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

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

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

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

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

Стандарт IEEE 802.11g

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

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

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

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

Стандарт IEEE 802.11а

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

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

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

	Частотное ортогональное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM) Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку в результате интерференции некоторые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а другие, наоборот, — противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте. В отношении многолучевой интерференции различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI). В технологии OFDM в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, что создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. И хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции. Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить более точно, то технология OFDM как таковая не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Данная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

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

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

Механизмы коллективного доступа в сетях 802.11

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

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

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

Функция распределенной координации DCF

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

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

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

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

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

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

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

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

Алгоритм RTS/CTS

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

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

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

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

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

Функция централизованной координации PCF

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

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

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

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