Физический уровень стандарта IEEE 802.11g

 

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

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

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

 

 

Рисунок 2.20 - Кадры IEEE 802.11g в различных режимах модуляции

 

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

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

 

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

Скорость, Мбит/с	Тип модуляции
Обязательно	Допустимо
	Последовательность Баркера
	Последовательность Баркера
5,5	CCK	РВСС
	OFDM	CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
	CCK	РВСС
	OFDM	CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
		РВСС
	OFDM	CCK-OFDM
		РВСС
		OFDM, CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM
		OFDM, CCK-OFDM

 

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

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

 

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

 

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

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

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

В таблице 2.7 представлена сводная информация по параметрам физических уровней.

 

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

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

 

 

Антенны

 

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

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