Физический и MAC-уровень в стандарте IEEE 802.11

Отличия стандарта IЕЕЕ 802.11 от других спецификаций семейства IЕЕЕ 802 начинаются на МАС-уровне. Как известно, основной принцип Ethernet – это множественный доступ к каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Станция может начать передачу, только если канал свободен. Если станции обнаруживают, что на одном канале пытаются работать несколько станций, все они прекращают передачу и пытаются возобновить ее через случайный промежуток времени. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т. е. работать на прием.

То, что относительно просто при проводной связи, проблематично в беспроводных коммуникациях – затухание сигнала в эфире намного сильнее, чем в проводе. Поэтому возникают две основные проблемы. Во-первых, весьма сложна, если вообще разрешима, задача контроля несущей передающим устройством (когда оно вещает, то собственный сигнал заведомо намного мощнее, чем сигнал удаленного устройства). Во-вторых, возможна ситуация, когда два устройства (А и В) удалены и не слышат друг друга, однако оба попадают в зону охвата третьего устройства С (рис. 1.8) – так называемая проблема скрытых станций. Если оба устройства А и В начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.

Рис. 2.4. Иллюстрация проблемы скрытых станций.

Для устранения подобных проблем в спецификации IЕЕЕ 802.11 принят механизм множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий. Перед началом передачи устройство слушает эфир и дожидается, когда канал освободится. Канал считается свободным при условии, что не обнаружено активности в течение определенного промежутка времени – межкадрового интервала определенного типа. Если в течение этого промежутка канал оставался свободным, устройство ожидает еще в течение случайного времени отсрочки и, если канал еще не занят, передает пакет. Если пакет предназначен конкретному устройству (не широковещательная или многоадресная передача), то приемник, успешно приняв пакет, посылает передатчику короткий кадр подтверждения получения АСК. Если передатчик не принял АСК, он считает посланный пакет утерянным и повторяет процедуру его передачи.

Примечательно, что, если устройство повторно передает пакет, для определения незанятости канала оно должно использовать увеличенный межпакетный интервал. Кроме того, время отсрочки выбирается случайным образом на некотором интервале. При первой попытке передачи этот интервал минимален. При каждой последующей он удваивается до тех пор, пока не достигнет заданного предельного значения. Эти меры приводят к тому, что устройство, успешно передавшее пакет, имеет преимущества в захвате канала (кто ошибается, тот дольше ждет).

Перед первой попыткой получить доступ к каналу устройство загружает длительность случайного интервала отсрочки в специальный счетчик. Его значение декрементируется с заданной частотой, пока канал свободен. Как только счетчик обнулится, устройство может занимать канал. Если до обнуления счетчика канал занимает другое устройство, счет останавливается, сохраняя достигнутое значение. При следующей попытке отсчет начинается с сохраненной величины. В результате неуспевший в прошлый раз получает больше шансов занять канал в следующий. В проводных сетях Ethernet подобного механизма нет.

Однако описанные процедуры доступа не избавляют от проблемы скрытых станций. Для ее преодоления используются два дополнительных кадра: RTS (запрос на передачу) и CTS (подтверждение готовности). Устройство, желающее отправить пакет-кадр данных, передает адресату короткий кадр RTS. Если приемное устройство готово к приему, оно выставляет передающему ответный кадр – CTS. Далее в соответствии с описанной выше процедурой передающее устройство отправляет кадр с данными и дожидается подтверждения АСК.

Стандарт IЕЕЕ 802.11 предусматривает два механизма контроля за активностью в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS/CTS содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи всем сообщает, на какое время оно резервирует канал.

Все описанные механизмы относятся к сети с распределенным управлением. Однако в сети могут присутствовать и АР, наделенные полномочиями узурпировать управление, тогда их называют точками координации (РС). Когда сеть переходит в режим централизованного управления, в трафике появляются интервалы, в которых конкурентный доступ отменен, и весь обмен происходит под управлением РС (рис. 1.9). По завершении такого интервала сеть возвращается в режим с распределенным управлением. Интервалы под управлением РС следуют через строго определенный период, в начале каждого интервала РС выставляет особый сигнальный кадр. РС не может передать очередной сигнальный кадр до тех пор, пока канал не освободится, т. е. очередной «свободный от конкуренции» интервал может начаться с задержкой.

Фактически режим централизованного управления – это режим синхронной передачи, под который в асинхронной сети резервируются определенные интервалы. Этот режим позволяет использовать технологию IЕЕЕ 802.11 для таких приложений, как передача аудио/видео и других синхронных по своей природе данных.

 

Рис. 2.5. Циклы работы сети в режимах с концентрированным (PCF) и распределенным (DCF) управлением.

Весь обмен в сетях IЕЕЕ 802.11 происходит посредством отдельных кадров. По их структуре особенно четко видно разделение на физический и МАС-уровни. Фактически кадр формируется на МАС-уровне, на физическом уровне к нему добавляется заголовок физического уровня (PLCP). На МАС-уровень пакеты передаются от приложений верхнего уровня. Если их размер превышает максимально допустимый в IЕЕЕ 802.11, происходит дефрагментация – большой пакет разбивается на несколько меньших, которые передаются по специальной процедуре.

Кадры МАС-уровня могут быть трех типов: кадры данных, контрольные (АСК, RTS, CTS и т.п.) и кадры управления. Их структура одинакова. Каждый кадр включает МАС-заголовок, информационное поле и контрольную сумму CRC. В заголовке передается полная информация о версии протокола стандарта группы IЕЕЕ 802.11, типе кадра, системе защиты и т.д.; длительности процедуры передачи пакета, адреса получателя/отправителя (от 1 до 4; четыре адресных поля необходимы, если пакеты передаются из подсети одной точки доступа в подсеть другой) и информация о последовательности связанных пакетов. Информационное поле может быть различной длины или вовсе отсутствовать (в контрольных кадрах).

На физическом уровне к МАС-кадрам (MPDU) добавляется заголовок физического уровня, состоящий из преамбулы и собственно PLCP-заголовка (рис. 1.10).

Рис. 2.6. Структура кадров сети 802.11.

Преамбула содержит стартовую синхропоследовательность (SYNC) для настройки приемника и 16-битный код начала кадра (SFD). PLCP-заголовок включает поля SIGNAL (информация о скорости и типе модуляции), SERVICE (дополнительная информация) и LENGTH (время в микросекундах, необходимое для передачи следующей за заголовком части кадра). Все три поля заголовка защищены 16-битной контрольной суммой CRC

В стандарте IЕЕЕ 802.11b предусмотрено два типа заголовков: длинный и короткий (рис. 1.11). Они отличаются длиной синхропоследовательности (128 и 56 бит), способом ее генерации, а также тем, что символ начала кадра в коротком заголовке передается в обратном порядке. Кроме того, если все поля длинного заголовка передаются со скоростью 1 Мбит/с, то при коротком заголовке преамбула транслируется на скорости 1 Мбит/с, другие поля заголовка – со скоростью 2 Мбит/с. Остальную часть кадра можно передавать на любой из допустимых стандартом скоростей передачи, указанных в полях SIGNAL и SERVICE. Короткие заголовки физического уровня предусмотрены спецификацией IЕЕЕ 802.11b для увеличения пропускной способности сети.

Рис. 2.7. Короткий заголовок кадров сети 802.11b.

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

Изначально стандарт IЕЕЕ 802.11 предусматривал работу в режиме модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности с использованием так называемой Баркеровской последовательности. Каждый информационный бит замещается своим произведением по модулю 2 с данной последовательностью. В результате бит заменяется последовательностью 11 чипов. Далее сигнал кодируется посредством дифференциальной двух- или четырехпозиционной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK, один или два чипа на символ соответственно). При частоте модуляции несущей 11 МГц общая скорость составляет в зависимости от типа модуляции 1 и 2 Мбит/с.

Стандарт IЕЕЕ 802.11b дополнительно предусматривает скорости передачи 11 и 5,5 Мбит/с. Для этого используется так называемая ССК-модуляция (кодирование комплементарным кодом). Метод использует DQPSK-модуляцию в радиотракте. ССК-модуляция строится на выделении из последовательного информационного потока групп по 8 бит. Эти 8 бит определяют информационный символ С из восьми комплексных чипов С = [c0,...,с7]. Чипы являются комплексными, поскольку они определяют I- и Q-квадратурные составляющие сигнала для DQPSK. Восемь чипов информационного символа последовательно модулируют несущую с частотой модуляции 11 МГц. Для скорости 5,5 Мбит/с используется DBPSK-модуляция, и ССК-символ определяют не восемь, а четыре информационных бита, поэтому и скорость вдвое ниже.

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

На практике важно не только операционное усиление. Существенную роль играет и равномерность распределения символов в фазовом пространстве – они должны как можно дальше отстоять друг от друга, чтобы минимизировать ошибки их детектирования. И с этой точки зрения ССК-модуляция не выглядит оптимальной, ее реальное операционное усиление не превышает 2 дБ. Поэтому изначально прорабатывался другой способ модуляции – пакетное бинарное сверточное кодирование РВСС. Этот метод вошел в стандарт IЕЕЕ 802.11b как дополнительная (необязательная) опция. PВСС позволяет добиваться в сетях IEЕЕ 802.11b пропускной способности 5,5; 11 и 22 Мбит/с.

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

При модуляции РВСС информационные биты в фазовом пространстве оказываются гораздо дальше друг от друга, чем при ССК-модуляции. Поэтому РВСС и позволяет при одних и тех же соотношении сигнал/шум и уровне ошибок вести передачу с большей скоростью, чем в случае СКК. Однако плата за более эффективное кодирование – сложность аппаратной реализации данного алгоритма.

Основные стандарты

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

Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

Стандарт	802.11g	802.11a	802.11n
Частотный диапазон, ГГц	2,4-2,483	5,15-5,25	2,4 или 5,0
Метод передачи	DSSS,OFDM	DSSS,OFDM	MIMO
Скорость, Мбит/с	1-54	6-54	6-300
Совместимость	802.11 b/n	802.11 n	802.11 a/b/g
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, 64-QAM
Дальность связи в помещении, м	20-50	10-20	50-100
Дальность связи вне помещения, м

Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC. Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного.

Стандарт IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогонально частотное мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения сигнала. В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) — 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) — 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала — в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рисунок 1.3). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 3.1 - Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Стандарт IEEE 802.11n

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

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

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

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

– совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

– большая мощность потребления;

– два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

– усложненная и более габаритная аппаратура.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output). Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц.

Рисунок 3.2 - Принцип реализации технологии MIMO

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

Cтандарт 802.11n применяет три основных механизма для увеличения скорости передачи данных:

- применение нескольких приемопередатчиков и специальных алгоритмов передачи и приема радиосигнала, известный по аббревиатуре MIMO;

- увеличение полосы частот сигнала с 20 до 40 МГц;

- оптимизация протокола уровня доступа к сети.

Рисунок 3.3 - Первый фактор увеличения скорости передачи данных

Первый фактор. С применением MIMO появляется возможность одновременно передавать несколько потоков данных в одном и том же канале, а затем при помощи сложных алгоритмов обработки восстанавливать их на приеме. Проводя аналогию с автодорогами, можно сказать, что ранее существовал только 1 путь, соединяющий точки А и Б. Теперь таких путей несколько и общая пропускная способность системы увеличилась.

 

Рисунок 3.4 - Второй фактор увеличения скорости передачи данных

Второй фактор – увеличение доступной ширины полосы частот. Теоретически достижимая пропускная способность канала связи напрямую зависит от ширины занимаемой им полосы частот. В новом стандарте появилась возможность объединять соседние каналы по 20 МГц и таким образом увеличивать пропускную способность практически в 2 раза. По аналогии с автомагистралями можно считать, что вдвое увеличивается количество доступных для движения полос.

 

Рисунок 3.5 - Третий фактор увеличения скорости передачи данных

Первые два фактора относились к физическому каналу. Третий важный фактор увеличения производительности – оптимизация протокола передачи данных на уровне доступа к среде. В предыдущих версиях прием каждого переданного кадра (порции данных) должен был подтверждаться приемной стороной. В новой версии введена возможность блокового подтверждения. Приемник информации передает одно подтверждение сразу на несколько успешно принятых кадров, что уменьшает загрузку общей пропускной способности канала служебными сообщениями. Кроме того, уменьшен временной промежуток между кадрами, что также позволило повысить полезную пропускную способность. Проводя аналогии с повседневной жизнью, можно сравнить кадры с контейнерами для перевозок грузов. Новые правила 802.11 n позволили уменьшить дистанцию между контейнерами и позволили диспетчеру подтверждать не каждый груз в отдельности, а сразу партию грузов.

 

Заключение

Беспроводные сети Wi-Fi – это сети, являющиеся хорошей альтернативой проводным ethernet-сетям. Официальное название набора стандартов Wi-Fi – IEEE 802.11; У пользователя всегда есть выбор между несколькими стандартами, каждый из которых обладает как преимуществами, так и недостатками, а главное - имеет свои области применения. Уже сейчас существует масса потребительских решений, способных полностью обеспечить нужды конкретного человека в организации беспроводного обмена данными между цифровыми устройствами, при этом полученная сеть будет многократно надежнее и дешевле в развертывании, нежели традиционное проводное подключение. Потребитель должен лишь выбрать, какие сети следует построить: возможно, ему нужно подключить множество периферийных устройств, используя WPAN; не исключено, что назрела необходимость перевести локальную сеть на WLAN, да и местный проводной доступ в Интернет перестал устраивать, или появилась надобность в мобильности... А то и все вместе.