Список стандартів протоколу ieee 802.11 бездротової мережі. Усі існуючі стандарти Wi-Fi-мереж

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Бездротові мережі стандарту IEEE 802.11 працюють у двох діапазонах: 2,4...2,483 ГГц і в декількох смугах поблизу 5 ГГц, які є неліцензійними. У цьому можливі кілька варіантів топологій:

• незалежні базові зони обслуговування (independent basic sets, IBSSs),
• базові зони обслуговування (basic service sets, BSSs),
• розширені зони обслуговування (extended service sets, ESS).

Незалежна базова зона обслуговування є групою працюючих відповідно до стандарту 802.11 станцій, що зв'язуються безпосередньо одна з одною. IBSS також називають епізодичною або неплановою (ad-hoc) мережею. На рис. 6.8 показано, як три станції, обладнані бездротовими мережевими інтерфейсними картами (network interface card, NIC) стандарту 802.11, можуть формувати IBSS і безпосередньо зв'язуватися одна з одною.

Мал. 6.8. Епізодична (ad-hoc) мережа

Технологія базових зон обслуговування передбачає наявність особливої ​​станції: точки доступу AP (access point). Точка доступу є центральним пунктом зв'язку для всіх станцій BSS. Станції клієнтів не зв'язуються безпосередньо одна з одною. Натомість вони передають повідомлення точці доступу, а вона вже направляє інформаційні пакети станції-адресату. Точка доступу може мати порт висхідного каналу (uplink port), через який BSS підключають до провідної мережі(наприклад, висхідний Ethernet для доступу до Інтернету). Тому BSS називають мережею з інфраструктурою. На рис. 6.9 представлено типову інфраструктуру BSS.

Мал. 6.9. Бездротова локальна мережа з інфраструктурою

Декілька інфраструктур BSS можуть бути з'єднані через їх інтерфейси висхідного каналу. Там, де діє стандарт 802.11, інтерфейс висхідного каналу з'єднує BSS із розподільчою системою (distribution system, DS). Декілька BSS, з'єднаних між собою через розподільчу систему, утворюють розширену зону обслуговування (ESS). Східний канал до розподільчої системи не обов'язково повинен використовувати дротове з'єднання. Специфікації стандарту 802.11 дозволяють побудувати цей канал бездротовий. Але найчастіше висхідні канали до розподільчої системи є канали проводової мережі Ethernet. На рис. 6.10 наведено приклад практичного втілення ESS.

Територію, покриту BSS або ESS із виходом до Інтернету, називають hot spot (“гарячою точкою”). "Гарячі точки" створюють у готелях, аеропортах, ресторанах, студентських гуртожитках та просто на вулицях. Наприкінці 2004 р. у світі працювало близько 50 000 "гарячих точок", а кількість користувачів ними досягла
50 млн. Чоловік. Швидке поширення послуг WLAN та велика кількість виробників апаратури потребує сумісності апаратних та програмних засобів, що пропонуються різними фірмами. З цією метою в 1999 р. була створена організація WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), незабаром перетворена на Wi-Fi Alliance. Він включає розробників і виробників апаратури стандарту 802.11, операторів мереж, експертів. Головна мета альянсу – сертифікація апаратури, що випускається з метою забезпечення взаємодії Wi-Fi пристроїв, що виробляються різними фірмами.

Мал. 6.10. Розширена зона обслуговування ESS бездротової локальної мережі

Стандарт 802.11 має 3 варіанти: 802.11a, b та g. У всіх випадках передачу інформації ведуть у пакетному режимі, окремими кадрами (пакетами)

Апаратура стандарту 802.11b працює у діапазоні 2,4….2,483 ГГц. Як було сказано, цей діапазон неліцензований і в ньому діє багато інших систем та пристроїв. Для зниження впливу перешкод у мережах 802.11b запропоновано 2 способи. Перший - використання, як і в стандарті Bluetooth, що стрибає частоти під час передачі кожного наступного кадру. Однак на практиці зазвичай застосовують інший спосіб: пряме розширення спектру шляхом заповнення інформаційних символів скремблюючим кодом.

У класичному варіанті 802.11b інформацію передають як символів зі швидкістю 1 Мсимв/с. При модуляції 2-ФМ швидкість передачі в кадрі становить 1 Мбіт/с, а при 4-ФМ 2 Мбіт/с. При застосуванні прямого розширення спектру кожен символ заповнюють m-послідовністю чіпи з 11 чіпів (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 . Чипова швидкість радіоканалі становить 11 Мчип/с, а ширина радіоканалу – 22 МГц. У діапазоні 2,4 ГГц фіксовані центральні частоти 13 радіоканалів: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2727 При прийомі сигнал піддають кореляційній обробці, що суттєво знижує вплив перешкод, як у стандартах стільникового зв'язкуз кодовим розподілом каналів.

Використання широкосмугового каналу дозволяє за високого відношення сигнал/перешкода (15 – 17 дБ) збільшити швидкість передачі. При цьому відмовляються від скремблювання, а дані передають із символьною швидкістю 11 Мсимв/с з модуляцією 4-ФМ. Для підвищення якості зв'язку при передачі використовують надмірне кодування за допомогою коду ССК (Complementary Code Keying). Швидкість передачі в кадрі може становити 11 або 5,5 Мбіт/с.

Максимальна потужність передавачів пристроїв стандарту 802.11b становить Європі 100 мВт, а США – 1 Вт.

Пристрої стандарту 802.11a працюють у трьох піддіапазонах на 5 ГГц. У піддіапазоні 5,15….5,25 ГГц потужність передачі обмежена 50 мВт, у піддіапазоні 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а піддіапазоні 5,725….5,825 ГГц –
1 Вт. У цих діапазонах виділено 12 каналів завширшки 20 МГц.

Перевагою стандарту 802.11а порівняно з 802.11b є підвищена швидкість передачі у кадрі: від 6 до 54 Мбіт/с. Для цього у стандарті 802.11а застосовують модуляцію OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексування з поділом по ортогональних частот. Цей метод застосовують для того, щоб за високої швидкості передачі даних усунути міжсимвольну інтерференцію. Наведемо характерний приклад.

Нехай радіоканалом йде передача із символьною швидкістю В=40 Мсимв/с. При передачі на одній частоті, що несе, тривалість символу с. Уявімо ситуацію передачі такого сигналу у великому приміщенні (вокзал, аеропорт, торговий центр- Мал. 6.11).

Рис.6.11. Багатопроменеве поширення сигналів

Для того щоб прямий і зворотний промені приходили із запізненням в 1 символ, різниця їх ходу повинна становити всього м. Таке запізнення можна спостерігати навіть у досить великій кімнаті. Щоб зняти проблему міжсимвольної інтерференції, слід збільшити довжину символу в 10 разів, а ще краще в 100 разів. Тоді міжсимвольна інтерференція буде помітна при різниці трас в 750 м. Звідси випливає ідея, покладена в основу OFDM: розщепити високошвидкісний потік даних на безліч окремих потоків (десятки!), передавати кожен із субпотоків на своїй частоті (піднесе), збільшивши довжину символу до одиниць мілісекунд.

Узагальнений символ є сумою символів, що передаються на N Sпіднесе. На всіх піднесучих можна використовувати різні види модуляції: 2-ФМ, 4-ФМ, 8-ФМ, 16-КАМ або 64-КАМ. Тимчасова діаграма сигналу OFDM наведена на рис. 6.12 де номером iпозначені окремі піднесучі.

Мал. 6.12. Структура сигналу OFDM

Символи один від одного спеціально відокремлені тривалістю паузами. Т р, щоб у разі багатопроменевого сигналу сусідні символи не наповзали один на одного.

Сумарний OFDM сигнал може бути представлений у вигляді:

, (6.1)

де - комплексна амплітуда одного переданого сигналу,

t s– час початку кожного окремого символу,

T s- Тривалість символу.

Спектральна картина сигналу OFDM показана на рис. 6.13.

Мал. 6.13. Спектр OFDM сигналу

Щоб при прийомі можна було розрізняти сигнали, що передаються на сусідніх піднесучих, всі сигнали повинні бути взаємно ортогональні. Ця умова здійсненна, якщо відстань між сусідніми піднесучими.

При передачі (формуванні) OFDM сигналу використовують зворотне дискретне перетворення Фур'є (зворотне БПФ); прийомі – пряме дискретне перетворення Фур'є (БПФ). Сигнал OFDM формують на зниженій частоті з подальшим перенесенням спектра частоту радіоканалу.

У стандарті 802.11а передачі інформації використовують 48 піднесучих (всього 52). Тривалість символу T s=3,2 мкс, тривалість паузи T p= 0,8 мкс. Відстань між сусідніми частотами МГц. При модуляції 2-ФM на кожній піднесеній швидкість передачі даних (без захисного кодування)

При переході до багатопозиційних методів модуляції

Мбіт/с,

Мбіт/с.

Залежно від перешкодової ситуації у стандарті 802.11а передбачено використання адаптивних схем модуляції та кодування. Основні характеристики стандарту наведено у табл. 6.4.

Таблиця 6.4

Стандарт 802.11g поєднує можливості стандартів 802.11а та b у діапазоні 2,4….2,483 ГГц. Основні характеристики стандарту наведено у табл. 6.5. Крім ССК та OFDM, у стандарті на ряді швидкостей використано надлишкове двійкове пакетне згорткове кодування PBCC (packet binary convolutional coding).

Таблиця 6.5

Доступ до мережі абонентських станцій та можливість передачі кадрів у мережах 802.11 здійснюють за допомогою координатних функцій. При використанні розподіленої координатної функції DCF (distributed coordination function) усі станції мають однаковий пріоритет і займають канал на основі змагань із таймерами відкату. Принцип дії DCF пояснює рис. 6.14.

Мал. 6.14. Робота станцій у режимі DCF

Працюючі станції прослуховують радіоканал і чекають, поки він стане вільним (припиниться передача несучої). На рис. 6.14 спочатку передає станція 3, а передачі готові станції 1, 2 і 5. Після завершення кадру станції 3 слід обов'язковий міжкадровий проміжок DIFS (34….50 мкс), після чого станції, готові передати свої пакети, починають змагання. Кожна зі станцій запускає таймер змагань, де встановлюються випадкові числа всередині вікна змагань: 0 ... 7, 0 ... 63, і далі до 127, 255, 511, 1023. З моменту початку змагання починається зчитування таймерів з тактовою швидкістю 9 . Та станція, яка першою обнулює таймер, займає канал (рис. 6.14 станція 2). Інші запам'ятовують вміст своїх таймерів (відкат) до наступного змагання. У процесі передачі можливі колізії, коли дві станції одночасно обнулять свої таймери (станції 4 та 5 на рис. 6.14). Це призводить до розширення вікна змагань із наступним повтором передачі кадрів.

У реальному алгоритмі доступу на основі DCF використовують надійнішу процедуру (рис. 6.15). Станція, яка виграла змагання, надсилає короткий пакет запиту одержувачу RTS – Request to Send, потім отримує підтвердження готовності одержувача до прийому CTS – Clear to Send. Після цього слідує передача інформаційного кадру. Цикл завершує пакет підтвердження (або непідтвердження) прийому кадру АСК. Так реалізують обмін файлами за протоколом TCP/IP.

Мал. 6.15. Процедура доступу до мережі на основі DCF

У циклі передачі кадри RTS – CTS – Дані – АСК поділяють короткими межкадровыми проміжками SIFS (10…16 мкс). Станції, які не беруть участь в обміні, за інформацією, що міститься в кадрах RTS і CTS про тривалість циклу передачі, встановлюють вектори NAV (network allocation vector). NAV – це час зчитування таймера, протягом якого станція перебуває у “сплячому” режимі і бере участь у змаганні, поки NAV стане рівним 0.

Розглянутий метод доступу використовують під час читання файлів з Інтернету. Однак він не дозволяє передавати потокове відео і тим більше IP-телефонію, де жорстко лімітовані допустимі затримки сигналів. Новий стандарт IEEE 802.11e передбачає підтримку у Wi-Fi мережах чотирьох класів трафіку, розставлених у порядку пріоритетів:

Voice - телефонію з якістю передачі на рівні міжміського зв'язку,

Video – передачу телебачення,

Best Effort – читання Інтернет-файлів,

Background – передача файлів із низьким пріоритетом.

Ця класифікація відповідає класам послуг мереж мобільного зв'язку 3-го покоління, що дозволяє організувати взаємодію мобільних та Wi-Fi мереж. Реалізація стандарту 802.11е можлива лише в мережах з точками доступу, де використовують канал точкову координатну функцію PCF (point coordination function). Принцип роботи мережі з урахуванням PCF пояснює рис. 6.16.

Процес передачі визначає точку доступу AP. Час передачі поділено на суперкадри, тривалість яких АР встановлює адаптивно та в процесі передачі може змінювати. На початку кожного суперкадру АР передає кадр маяка. Він встановлює тривалість суперкадра, максимальний розмір інформаційних кадрів та період, вільний від змагань. У цей час обмін інформацією між точкою доступу та станціями йде лише за опитуванням АР (сама станція зайняти канал не може). Одночасно з надсиланням кадру опитування (polling) АР може відправити на станцію та інформаційний кадр. Закінчення періоду без змагань АР маркує посилкою кадру CF-End. Після цього станції, включаючи АР, займають канал з урахуванням змагань. Такий метод доступу дозволяє організувати передачу пакетів даних із постійною швидкістю, що необхідно при телефонному та потоковому трафіку.

Мал. 6.16. Передача даних на основі PCF

Треба сказати, що точкова координатна функція PCF над повною мірою забезпечує параметри QoS. Для підтримки необхідної якості послуг розроблено спеціальний стандарт 802.11e. Він вводить поняття категорії доступу AC, які походять від групи стандартів 802.1D та задають рівні пріоритету. Усього існує 4 категорії доступу (табл. 6.6): голос (Voice), відео (Video), найкраща спроба (Best Effort) та фон (Background). Кожна категорія пов'язані з відповідним типом даних.

Таблиця 6.6

Стандарт 802.11e визначає новий тип доступу до середовища для забезпечення якості обслуговування гібридну координатну функцію (hybrid coordination function, HCF). HCF визначає два механізми доступу до середовища:

· Доступ до каналу, заснований на змаганні (contention-based channel l access);

· Керований доступ до каналу (controlled channel access).

Доступу до каналу, що базується на змаганні, відповідає розширений розподілений доступ до каналу ( enhanced distributed channel access, EDCA), а керованому доступу до каналу відповідає доступ до каналу, керованому HCF ( HCF controlled channel access, HCCA). У стандарті 802.11e, як і раніше, існують дві фази роботи всередині суперфрейму – періоди змагання (CP) та вільні від змагання періоди (CFP). EDCA використовують лише у CP, а HCCA використовують в обох періодах. HCF поєднує методи PCF та DCF, тому її називають гібридною. Результат перетворення архітектури МАС показано на рис. 6.17.

Мал. 6.17 Архітектура МАС

Станцію, яка працює як центральний координатор для всіх станцій усередині базового набору послуг, що підтримує QoS ( QoS supporting BSS, QBSS), називають гібридним координатором ( hybrid coordinator). Він, як і точковий координатор, розташовується всередині точки доступу. Клієнтські станції, які підтримують QoS, називають QSTA.

Станція 802.11e, якій надається доступ до середовища, не повинна використовувати радіоресурси більшої тривалості, ніж визначена в стандарті. Це нове запровадження називають можливістю передачі ( transmission opportunity, TXOP). TXOP – це інтервал, протягом якого станція має право передавати пакети. Він визначається своїм часом початку та тривалістю. TXOP, що існує у доступі до середовища, заснованого на змаганні, називають EDCA-TXOP. Аналогічно TXOP, що існує у керованому доступі до середовища, називають HCCA-TXOP. Тривалість EDCA-TXOP обмежена параметром TXOPlimit, значення якого постійно передають через певний інформаційний елементполя кадру маяка.

Інше покращення стандарту полягає в тому, що жодна станція не може передавати в момент, коли настає час передавати кадр маяка. Це зменшує очікувану затримку маяка, що дає гібридному координатору кращий контроль за середовищем, особливо тоді, коли після кадру маяка використовується опціональний CFP.

У новому стандарті станція може передавати пакети безпосередньо іншій станції QBSS, не зв'язуючись з точкою доступу. У старому стандарті в мережі з інфраструктурою всі пакети обміну даних між станціями йшли лише через точку доступу.

Підтримка якості обслуговування в EDCA забезпечує використання таких понять, як категорії доступу та безліч незалежних об'єктів відкату ( backoff entities). У кожній станції 802.11е можуть існувати кілька паралельних об'єктів відкату, причому цим об'єктам призначено різні пріоритети згідно з набором особливих параметрів категорій доступу ( EDCA parameter set). Як було зазначено вище, існують чотири категорії доступу, відповідно у кожній станції є чотири об'єкти відкату (рис. 6.18). Набір параметрів EDCA встановлює пріоритети доступу до середовища, визначаючи індивідуальні міжфреймові проміжки, вікна змагань та інші параметри.

Мал. 6.18. Чотири категорії доступу на одній станції

Для кожної категорії доступу визначено свої проміжки між кадрами ( arbitration interframe space, AIFS), аналогічні DIFS, але різної тривалості. Крім того, змінюється розмір вікна змагань залежно від пріоритету трафіку.

6. 5. Стандарт IEEE 802.16 - WiMAX

WiMAX-Worldwide Interoperability for Microwave Access

Таблиця 6.7

Основні характеристики стандарту WiMAX

Таблиця 6.8

Некомерційна організація WiMAX (World Interoperability for Microwave Access – взаємодія обладнання мережевого доступу на надвисоких частотах у всьому світі) утворена з метою сприяння розробці бездротового обладнання доступу до широкосмугових мереж на основі специфікації IEEE 802.16 для бездротових зональних мереж, сертифікації такого обладнання на сумісних а також прискорення його виходу на ринок.

У стандарті 802.16 передбачено роботу в діапазонах 2...11 ГГц і 10-66 ГГц (рис.6.1). У діапазоні 10-66 ГГц радіозв'язок можливий лише у разі прямої видимості між точками. У цьому діапазоні використовують пряму модуляцію несучої (режим з однією несучою).

У діапазоні 2…11 ГГц специфікації радіоінтерфейсу допускають можливість вирішення задачі радіозв'язку в умовах багатопроменевого поширення і за відсутності прямої видимості (NLOS - Non-Line-Of-Sight). Радіоінтерфейс WMAN-SC2 використовує модуляцію однієї несучої, радіоінтерфейс WMAN - OFDM - ортогональну частотну модуляцію (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) зі швидким перетворенням Фур'є на 256 пікселів і до 2048 пікселів. Сертифіковані діапазони частот для фіксованого та мобільного WiMAX профілів наведено на рис.1.

Фіксовані WiMAX профілі- 3,5 ГГц (FDD): 3,5; 7; (256)

3,5 ГГц (TDD): 3,5; 7; (256)

5,8 ГГц (TDD): 10 (256)

Мобільні профілі WiMAX- 2,3 - 2,4 ГГц: 5 (512); 10 (1024); 8.75 (1024);

всі TDD 2,305 - 2,320 ГГц: 3,5 (512); 5 (512)

2,345 - 2,360 ГГц: 10 (1024)

2,496 - 2,69 ГГц: 5 (512); 10 (1024)

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

3,4 - 3,8 ГГц: 5 (512)

3,4 - 3,6 ГГц: 7 (1024)

3,6 - 3,8 ГГц: 10 (1024)

Крім зазначених, можливе виділення каналів у діапазонах 5,7 ГГц,
1,710 - 1,755: 2,110 - 2,155 ГГц.

У стандарті 802.16 використовують такі інтерфейси:

1. WirelessMAN-SC (10 - 66 ГГц)

2. WirelessMAN-SCa (2 – 11 ГГц; ліцензійні діапазони)

3. WirelessMAN-OFDM (2 – 11 ГГц; ліцензійні діапазони)

6. WirelessMAN-OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(2 – 11 ГГц; ліцензійні діапазони)

5. WirelessHUMAN (2 – 11 ГГц; неліцензійні діапазони)

Інтерфейси 3 та 5 передбачають можливості Mesh – організацію мереж із повноважною топологією для прискорення передачі трафіку.

Зворотне перетворення Фур'є визначає форму сигналу OFDМ. Корисною тривалістю символу вважається величина Tb. Останню частину Tg періоду символу, названу захисним інтервалом, використовують для усунення впливу багатопроменевого поширення ортогональних складових сигналу (рис. 6.19).

Мал. 6.19. Формат символу на одній частоті

У частотній ділянці сигнал характеризують спектральні характеристики (рис. 6.20). У ньому присутні піднеслі передачі даних, пілотних сигналів, а по краях смуги розташовані захисні інтервали.

Мал. 6.20. Опис сигналу в частотній області

Символ OFDM характеризують такі параметри:

BW – номінальна ширина лінії каналу.

Nused - число піднесучих, що використовуються.

N – коефіцієнт вибірки. Цей параметр, у поєднанні з BW і Nused визначає рознесення піднесе і тривалість символу. Необхідні значення цього параметра визначено у табл.6.6.

G – відношення тривалості захисного інтервалу (префіксу) до корисного часу. Ця величина може становити 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Тб.

NFFT: кількість точок перетворення Фур'є,

Частота проходження посилок: Fs=floor (n*BW/0.008)*0.008 (BW- ширина смуги МГц),

-∆f: рознесення піднесучої, визначене як: Fs/NFFT,

Tb= 1/∆f – тривалість перетворення символу,

Tg=G*Tb – тривалість захисного інтервалу (CP),

Ts = Tb + Tg - тривалість символу OFDM,

Ts/NFFT – інтервал дискретизації.

Основні параметри OFDM каналів стандарту 802.16а наведено у табл. 6.9.

Таблиця 6.9.

Тривалість символів, залежно від ширини смуги каналу, наведена в табл. 6.10.

Таблиця 6.10

Схеми модуляції та кодування lдля стандарту 802.16-2004 зведені в табл. 6.11.

Таблиця 6.11

Величини швидкостей передачі в залежності від виду модуляції та кодової швидкості наведені у табл. 6.12 а вимоги до відношення сигнал/шум на вході приймача для різних схем модуляції і кодування в табл. 6.13.

Таблиця 6.12

Таблиця 6.13

Дані фізично передають у вигляді безперервної послідовності кадрів. Кожен кадр має фіксовану тривалість (2 (2,5) … 20 мс), тому його інформаційна ємність залежить від символьної швидкості та методу модуляції. Кадр складається з преамбули, керуючої секції та послідовності пакетів з даними. Мережі IEEE 802.16 дуплексні. Можливе як частотне FDD, так і тимчасове TDD поділ висхідного та низхідного каналів.

При тимчасовому дуплексуванні каналів кадр ділять на низхідний і висхідний субкадри (їх співвідношення може гнучко змінювати в процесі роботи в залежності від потреб смуги пропускання для висхідних та низхідних каналів), розділені спеціальним захисним інтервалом. При частотному дуплексуванні висхідний і низхідний канали передають двох несучих (рис. 6.21)

Мал. 6.21. Структура кадрів для TDD та FDD

У низхідному каналі інформацію від базової станції передають як послідовності пакетів. До кожного пакета можна ставити метод модуляції і схему кодування даних – тобто. вибирати між швидкістю та надійністю передачі. TDM – пакети передають одночасно всім абонентських станцій, кожна їх приймає весь інформаційний потік і вибирає «свої» пакети. Щоб абонентські станції могли відрізнити один пакет від іншого, в секції, що управляє, передають карти низхідного (DL-MAP), і висхідного (UL-MAP) каналів (рис. 6.22).

Рис.6.22. Структура низхідного каналу.

У карті низхідного каналу вказано тривалість кадру, номер кадру, кількість пакетів у низхідному субкадрі, а також точка початку та тип профілю кожного пакета. Точку початку відраховують у про фізичних слотах, кожен фізичний слот дорівнює чотирьом модуляційним символам.

Профіль пакета – це список його параметрів, включаючи метод модуляції, тип FEC – кодування (з параметрами схем кодування), а також діапазон значень відношення сигнал/шум у приймальному каналі конкретної станції, при якому цей профіль можна застосовувати. Базова станція періодично транслює список профілів у вигляді спеціальних керуючих повідомлень (дескрипторів низхідного та висхідного каналів DCD/UCD), причому кожному профілю присвоюють номер, який використовують у карті низхідного каналу.

Абонентські станції отримують доступ до середовища передачі через механізм тимчасового поділу каналів TDMA (Time Division Multiple Access). Для цього у висхідному субкадрі для АС базова станція резервує спеціальні часові інтервали – слоти (рис. 6.23). Інформація про розподіл слотів між АС записана в карті висхідного каналу UL-MAP, що транслюється в кожному кадрі. UL-MAP – функціонально аналогічна DL-MAP – у ній повідомляють, скільки слотів у субкадрі, точку початку та ідентифікатор з'єднання для кожного з них, а також типи профілів усіх пакетів. Повідомлення UL-MAP поточного кадру може відноситися як до цього кадру, так і до наступного. Швидкість модуляції (частота символів) у висхідному каналі має бути такою самою, як і в низхідному. Зазначимо, що, на відміну від низхідних TDM - пакетів, кожен пакет у висхідному каналі починається з преамбули - синхропослідовності довжиною 16 або 32 QPSK - символу.

Мал. 6.23. Структура висхідного каналу

Приклади структури кадру з TDD наведено на рис. 6.24.

Мал. 6.24. Приклад структури кадру OFDM з TDD

У висхідному каналі, крім призначених слотів БС для певних АС, передбачені інтервали, протягом яких АС може передати повідомлення для первинної реєстрації в мережі або для запиту зміни смуги пропускання каналу (надання каналів на вимогу DAMA - Demand Assigned Multiple Access).

Фізичний рівень стандарту IEEE 802.16 забезпечує безпосередню доставку потоків даних між БС та АС. Усі завдання, пов'язані з формуванням структур цих даних, і навіть управлінням роботою системи вирішуються на MAC (Medium Access Control) - рівні. Устаткування стандарту IEEE 802.16 формує транспортне середовище для різних програм (сервісів).

Мережі WiMAX підтримують 4 типи трафіку, що відрізняються вимогами до надійності та затримок:

UGS – Unsolicited Grant Service – передача в реальному часі сигналів та потоків телефонії (Е1) та VoIP. Допустима затримка менше 5 - 10 мс в одному напрямку при BER = 10 -6 ... 10 -6.

rtPS – Real Time Polling Service – потоки реального часу із пакетами змінної довжини (MPEG відео).

nrtPS – Non-Real-Time Polling Service – підтримка потоків змінної довжини під час передачі файлів у широкосмуговому режимі.

BE - Best Effort - решта трафік.

Бездротові мережі стандарту IEEE 802.11 працюють у двох діапазонах: 2,4...2,483 ГГц і в декількох смугах поблизу 5 ГГц, які є неліцензійними. У цьому можливі кілька варіантів топологій:

• незалежні базові зони обслуговування (independent basic sets, IBSSs),
• базові зони обслуговування (basic service sets, BSSs),
• розширені зони обслуговування (extended service sets, ESS).

Мал. 4.8. Епізодична (ad-hoc) мережа

Мал. 4.9. Бездротова локальна мережа з інфраструктурою

Мал. 4.10. Розширена зона обслуговування ESS бездротової локальної мережі

Стандарт 802.11 має 3 варіанти: 802.11a, b та g. У всіх випадках передачу інформації ведуть у пакетному режимі окремими кадрами (пакетами).

Апаратура стандарту 802.11b працює у діапазоні 2,4….2,483 ГГц

У класичному варіанті 802.11b інформацію передають як символів зі швидкістю 1 Мсимв/с. При модуляції 2-ФМ швидкість передачі в кадрі становить 1 Мбіт/с, а при 4-ФМ 2 Мбіт/с. При застосуванні прямого розширення спектру кожен символ заповнюють m-послідовністю чіпи з 11 чіпів (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1,

-1, -1 . Чипова швидкість радіоканалі становить 11 Мчип/с, а ширина радіоканалу – 22 МГц. У діапазоні 2,4 ГГц фіксовані центральні частоти 13 радіоканалів: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2727 При прийомі сигнал піддають кореляційної обробки, що суттєво знижує вплив перешкод, як у стандартах стільникового зв'язку з кодовим поділом каналів.

Пристрої стандарту 802.11a працюють у трьох піддіапазонах на 5 ГГц. У піддіапазоні 5,15….5,25 ГГц потужність передачі обмежена 50 мВт, у піддіапазоні 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а піддіапазоні 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. У цих діапазонах виділено 12 каналів завширшки 20 МГц.

Перевагою стандарту 802.11а порівняно з 802.11b є підвищена швидкість передачі у кадрі: від 6 до 54 Мбіт/с. Для цього у стандарті 802.11а застосовують модуляцію OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексування з поділом по ортогональних частот. Цей метод застосовують для того, щоб при високій швидкості передачі даних усунути міжсимвольну інтерференцію через багатопроменеве поширення сигналів (рис. 4.11).

Рис.4.11. Багатопроменеве поширення сигналів

Ідея, покладена в основу OFDM: розщепити високошвидкісний потік даних на безліч окремих потоків (десятки, сотні, тисячі!), передавати кожен із субпотоків на своїй частоті (піднесе), збільшивши довжину символу до одиниць і десятків мілісекунд.

Технологію OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональне частотне рознесення, що використовують для усунення міжсимвольної інтерференції у високошвидкісних радіоканалах. Замість того, щоб передавати nінформаційних символів цифрового інформаційного сигналу (ЦІС) на одній частоті, що несе (рис. 4.12а), їх передають одночасно на nпіднесучих частотах, розміщених у смузі радіоканалу (рис. 4.12б). Між символами вводять захисні проміжки такої тривалості T g, щоб приходять через багатопроменеве поширення радіохвиль символи із запізненням не "наповзали" на наступні. При цьому довжина кожного символу T bзбільшується в порівнянні з тривалістю символу у вихідній послідовності nT b /(T b +T g)разів.

u цис (t)

n інф.символів

u 1 t

u 2 t

u k t

u n t

Мал. 4.12. Принцип технології OFDM

Передача інформаційних символів каналом зв'язку є передачу комплексних чисел. Сигнальні сузір'я за різних видів модуляції представлені на рис. 4.13.

Розглянемо приклад із передачею символів при модуляції 16-КАМ (рис. 4.14).

Мал. 4.13. Сузір'я сигналів, що використовуються в Wi-Fi, WiMA, LTE

Рис.4.14. Сузір'я сигналу 16-КАМ

Символ S k, що передається на k-той піднесе, можна уявити як

де амплітуда символу

та фаза символу

.

У прикладі на рис. 4.14,

радий

В аналітичному вигляді сигнал OFDM є сумою гармонік:

(4.1)

Усі піднесучі є гармоніками основної частоти F 1: F k = kF 1, а частота F 1жорстко пов'язана із тривалістю символу: F 1 = 1/T b. Отже, на тимчасовому відрізку T bукладається до хвиль піднесучої частоти F k. Кожен символ S kможна розглядати як дискретний відлік спектру на піднесучій F k. Амплітуда k-тої піднесе ‒ а фаза ‒ При формуванні сигналу u OFDMвикористовують процедуру зворотного (швидкого) перетворення Фур'є. На рис. 4.15 показані піднесучі з частотами F 1і F 2та нульовими початковими фазами на часовому інтервалі T b.

Рис.4.15. Дві піднесучі на інтервалі 0 ‒ T b

Головною проблемою при застосуванні технології OFDM є забезпечення високого відношення сигнал/перешкода у приймачі. Формально при прийомі сигналів nпіднесуть повинні працювати nнезалежних приймачів. Однак спектри сигналів на розташованих поруч піднесуть накладені один на одного (рис. 4.16). Тому прийом сигналу OFDM та виділення окремих символів здійснюють з використанням процедури прямого (швидкого) перетворення Фур'є.

Рис.4.16. Спектр фрагмента OFDM-сигналу

Розглянемо, як працює приймач k-ой піднесе. Він виконує процедуру прямого перетворення Фур'є:

(4.2)

на частоті F k = kF 1

На будь-якій іншій піднесучій F p= pF 1

Оскільки інтеграл (площа) синусоїди за один період дорівнює 0 (рис.4.17), але в інтервалі T bпокладено ціле число │p-k│періодів синусоїди.

Рис.4.17. До визначення площі синусоїди

Отже, при точному виборі часу інтегрування перешкоди від інших сигналів піднесуть рівні 0. Однак, при обчисленні інтегралів (4.2) необхідно запускати функції з нульовою початковою фазою, тобто. забезпечити когерентний прийом сигналу З цією метою точка доступу (АР) в радіоканалі вниз та термінал абонента в радіоканалі вгору крім інформаційних символів передають опорні сигнали , тобто. заздалегідь відомі комплексні числа С(n)приймаючи які приймач забезпечує необхідну фазову корекцію і масштабування амплітуд прийнятих сигналів.

При передачі (формуванні) OFDM сигналу використовують зворотне дискретне перетворення Фур'є (зворотне БПФ); прийомі – пряме дискретне перетворення Фур'є (БПФ). Сигнал OFDM формують на зниженій частоті з подальшим перенесенням спектра частоту радіоканалу.

У захисному інтервалі T gміж символами (рис.4.12) передають циклічний префікс (CP – Cyclic Prefix) – кінець наступного символу тривалістю T g(Рис. 4.18).

Мал. 4.18. OFDM-символ із циклічним префіксом

Це роблять для зниження внутрішньосимвольних перешкод (Внутрішньосимвольної інтерференції). Якби циклічного префікса не було, то при обчисленні інтеграла (4.2) промені, що запізнюються, що прийшли після початку інтегрування, укладали б на тимчасовому відрізку 0‒ T b, неціле число піднесучих періодів. У результаті виникала б помилка при обчисленні інтеграла (4.3), а інтеграли (4.4) не зверталися б у нуль. При передачі СР при запізнюванні променя не більше ніж на T g, на інтервалі інтегрування T bна будь-якій піднесучій виявляється ціле число її періодів та інтеграли (4.4) дорівнюють нулю.

У стандарті 802.11а передачі інформації використовують 48 піднесучих (всього 52). На 4 піднесучих передають опорні сигнали. Тривалість символу T s=3,2 мкс, тривалість паузи T p= 0,8 мкс. Відстань між сусідніми частотами МГц. При модуляції 2-ФM на кожній піднесеній швидкість передачі даних (без захисного кодування)

При переході до багатопозиційних методів модуляції

Мбіт/с,

Мбіт/с.

Основні характеристики стандарту 802.11а наведено у табл. 4.4.

Про новий стандарт бездротового зв'язку IEEE 802.11n говорять уже не перший рік. Воно й зрозуміло, адже один із головних недоліків існуючих стандартів бездротового зв'язку IEEE 802.11a/b/g – надто низька швидкість передачі даних. Справді, теоретична пропускна спроможність протоколів IEEE 802.11a/g становить лише 54 Мбіт/с, а реальна швидкість передачі не перевищує 25 Мбіт/с. Новий стандарт бездротового зв'язку IEEE 802.11n повинен забезпечити швидкість передачі до 300 Мбіт/с, що на тлі 54 Мбіт/с виглядає дуже привабливо. Звичайно ж, реальна швидкість передачі даних у стандарті IEEE 802.11n, як показують результати тестування, не перевищує 100 Мбіт/с, проте навіть у цьому випадку реальна швидкість передачі даних виявляється вчетверо вищою, ніж у стандарті IEEE 802.11g. Стандарт IEEE 802.11n ще остаточно не прийнятий (це має статися до кінця 2007 року), проте вже зараз практично всі виробники бездротового обладнання розпочали випуск пристроїв, сумісних із попередньою (Draft) версією стандарту IEEE 802.11n.
У цій статті ми розглянемо базові положення нового стандарту IEEE 802.11n та основні його відмінності від стандартів 802.11a/b/g.

Про стандарти бездротового зв'язку 802.11a/b/g ми вже докладно розповідали на сторінках нашого журналу. Тому в цій статті ми не будемо у всіх деталях описувати їх, однак, щоб основні відмінності нового стандарту від його попередників були очевидними, доведеться зробити дайджест раніше опублікованих статей на цю тему.

Розглядаючи історію стандартів бездротового зв'язку, які використовуються для створення бездротових локальних мереж(Wireless Local Area Network, WLAN), напевно, варто згадати про стандарт IEEE 802.11, який хоч уже й не зустрічається в чистому вигляді, але є прабатьком всіх інших стандартів бездротового зв'язку для мереж WLAN.

Стандарт IEEE 802.11

У стандарті 802.11 передбачено використання частотного діапазону від 2400 до 2483,5 МГц, тобто діапазон шириною 83,5 МГц, розбитого на кілька частотних підканалів.

В основі стандарту 802.11 лежить технологія розширення спектра (Spread Spectrum, SS), яка має на увазі, що спочатку вузькосмуговий (в сенсі ширини спектра) корисний інформаційний сигнал при передачі перетворюється таким чином, що спектр виявляється значно ширше, ніж спектр початкового сигналу. Одночасно з розширенням спектра сигналу відбувається і перерозподіл спектральної енергетичної щільності сигналу - енергія сигналу також розмазується по спектру.

У протоколі 802.11 використовується технологія розширення спектра методом прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Суть її полягає в тому, що для розширення спектра спочатку вузькосмугового сигналу в кожен інформаційний біт, що передається, вбудовується чипова послідовність, яка являє собою послідовність прямокутних імпульсів. Якщо тривалість одного чіпового імпульсу в nякщо менше тривалості інформаційного біта, то і ширина спектра перетвореного сигналу буде в nразів більше ширини діапазону початкового сигналу. При цьому амплітуда сигналу, що передається, зменшиться в nразів.

Чипові послідовності, що вбудовуються в інформаційні біти, називають шумоподібними кодами (PN-послідовностями), що підкреслює те, що результуючий сигнал стає шумоподібним і його важко відрізнити від природного шуму.

Як поширити спектр сигналу та зробити його невідмінним від природного шуму – зрозуміло. Для цього, в принципі, можна скористатися довільною (випадковою) чиповою послідовністю. Проте постає питання, як такий сигнал приймати. Адже якщо він стає шумоподібним, то виділити з нього корисний інформаційний сигнал не так просто, якщо взагалі можливо. Проте зробити це можна, але для цього потрібно належним чином підібрати чіпову послідовність. Чипові послідовності, що використовуються для розширення спектру сигналу, повинні задовольняти певним вимогам автокореляції. Під автокореляцією в математиці мають на увазі ступінь подібності функції самої себе в різні моменти часу. Якщо підібрати таку чіпову послідовність, на яку функція автокореляції матиме різко виражений пік лише однієї моменту часу, такий інформаційний сигнал можна буде виділити лише на рівні шуму. Для цього в приймачі отриманий сигнал множиться на чипову послідовність, тобто обчислюється функція автокореляційна сигналу. В результаті сигнал знову стає вузькосмуговим, тому його фільтрують у вузькій смузі частот, що дорівнює подвоєній швидкості передачі. Будь-яка перешкода, що у смугу вихідного широкосмугового сигналу, після множення на чипову послідовність, навпаки, стає широкосмугової і обрізається фільтрами, а вузьку інформаційну смугу потрапляє лише частина перешкоди, потужності значно менша, ніж перешкода, діюча на вході приймача.

Чипових послідовностей, що відповідають зазначеним вимогам автокореляції, існує досить багато, але для нас особливий інтерес представляють так звані коди Баркера, оскільки вони використовуються в протоколі 802.11. Коди Баркера мають найкращі серед відомих псевдовипадкових послідовностей властивості шумоподібності, що й зумовило їхнє широке застосування. У протоколах сімейства 802.11 використовується код Баркера завдовжки 11 чіпів.

Для того щоб передати сигнал, інформаційна послідовність біт у приймачі складається за модулем 2 (mod 2) c 11-чіповим кодом Баркера з використанням логічного елемента XOR (що виключає АБО). Таким чином, логічна одиниця передається прямою послідовністю Баркера, а логічний нуль – інверсною послідовністю.

У стандарті 802.11 передбачено два швидкісні режими - 1 і 2 Мбіт/с.

При інформаційній швидкості 1 Мбіт/с швидкість проходження окремих чіпів послідовності Баркера становить 11x106 чіпів за секунду, а ширина спектра такого сигналу - 22 МГц.

Враховуючи, що ширина частотного діапазону дорівнює 83,5 МГц, отримуємо, що всього в даному частотному діапазоні можна вмістити три частотні канали, що не перекриваються. Весь частотний діапазон, однак, прийнято ділити на 11 частотних каналів, що перекриваються по 22 МГц, віддалених один від одного на 5 МГц. Наприклад, перший канал займає частотний діапазон від 2400 до 2423 МГц та центрований щодо частоти 2412 МГц. Другий канал центрований щодо частоти 2417 МГц, а останній, 11 канал - щодо частоти 2462 МГц. При такому розгляді 1, 6 і 11 канали не перекриваються один з одним і мають 3-мегагерцевий зазор один щодо одного. Саме ці три канали можуть застосовуватись незалежно один від одного.

Для модуляції синусоїдального сигналу, що несе, при інформаційній швидкості 1 Мбіт/с використовується відносна двійкова фазова модуляція (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).

При цьому кодування інформації відбувається за рахунок зсуву фази сигналу синусоїдального по відношенню до попереднього стану сигналу. Двійкова фазова модуляція передбачає два можливі значення зсуву фази - 0 і p. Тоді логічний нуль може передаватися синфазним сигналом (зсув фазою дорівнює 0), а одиниця - сигналом, який зрушений по фазі на p.

Інформаційна швидкість 1 Мбіт/с є обов'язковою у стандарті IEEE 802.11 (Basic Access Rate), але опціонально можлива і швидкість 2 Мбіт/с (Enhanced Access Rate). Для передачі даних на такій швидкості використовується та ж технологія DSSS з 11-чіповими кодами Баркера, але для модуляції коливання застосовується відносна квадратурна фазова модуляція (Differential Quadrature Phase Shift Key).

На закінчення розгляду фізичного рівня протоколу 802.11 зазначимо, що з інформаційної швидкості 2 Мбіт/с швидкість слідування окремих чіпів послідовності Баркера залишається незмінною, тобто 11x106 чіпів на секунду, отже, не змінюється і ширина спектра сигналу.

Стандарт IEEE 802.11b

На зміну стандарту IEEE 802.11 прийшов стандарт IEEE 802.11b, прийнятий у липні 1999 року. Даний стандарт є своєрідним розширенням базового протоколу 802.11 і, крім швидкостей 1 і 2 Мбіт/с, передбачає швидкості 5,5 і 11 Мбіт/с, для роботи на яких використовуються так звані комплементарні коди (Complementary Code Keying, CCK).

Комплементарні коди, або CCK-послідовності, мають ті властивості, що сума їх автокореляційних функцій для будь-якого циклічного зсуву, відмінного від нуля, завжди дорівнює нулю, тому вони, як і коди Баркера, можуть використовуватися для розпізнавання сигналу на тлі шуму.

Основна відмінність CCK-послідовностей від розглянутих раніше кодів Баркера полягає в тому, що існує не задана послідовність, за допомогою якої можна кодувати або логічний нуль, або одиницю, а цілий набір послідовностей. Ця обставина дозволяє кодувати в одному символі, що передається, кілька інформаційних біт і тим самим підвищує інформаційну швидкість передачі.

У стандарті IEEE 802.11b йдеться про комплексні комплементарні 8-чіпові послідовності, визначені на безлічі комплексних елементів, що приймають значення (1, –1, +j, -j}.

Комплексне уявлення сигналу - це зручний математичний апарат для представлення модульованого по фазі сигналу. Так, значення послідовності дорівнює 1 відповідає сигналу, синфазного сигналу генератора, а значення послідовності дорівнює -1 - протифазного сигналу; значення послідовності рівне j- сигналу, зсунутому по фазі на p/2, а значення дорівнює – j, - Сигналу, зсунутому по фазі на -p/2.

Кожен елемент CCK-послідовності є комплексне число, значення якого визначається за досить складним алгоритмом. Усього існує 64 набори можливих CCK-послідовностей, причому вибір кожної їх визначається послідовністю вхідних біт. Для однозначного вибору однієї послідовності CCK потрібно знати шість вхідних біт. Таким чином, у протоколі IEEE 802.11b під час кодування кожного символу використовується одна з 64 можливих восьмирозрядних CKK-послідовностей.

При швидкості 5,5 Мбіт/с в одному символі кодується одночасно 4, а при швидкості 11 Мбіт/с - 8 бітів даних. При цьому в обох випадках символьна швидкість передачі становить 1,385x106 символів за секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385), а враховуючи, що кожен символ задається 8-чіповою послідовністю, отримуємо, що в обох випадках швидкість слідування окремих чіпів складає 11x106 чіпів за секунду. Відповідно, ширина спектра сигналу при швидкості як 11, так і 5,5 Мбіт/с становить 22 МГц.

Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, прийнятий у 2003 році, є логічним розвитком стандарту 802.11b та ​​передбачає передачу даних у тому ж частотному діапазоні, але з вищими швидкостями. Крім того, стандарт 802.11g повністю сумісний із 802.11b, тобто будь-який пристрій 802.11g має підтримувати роботу з пристроями 802.11b. Максимальна швидкість передачі в стандарті 802.11g становить 54 Мбіт/с.

При розробці стандарту 802.11g розглядалися дві конкуруючі технології: метод ортогонального частотного поділу OFDM, запозичений зі стандарту 802.11a та запропонований до розгляду компанією Intersil, та метод двійкового пакетного згорткового кодування PBCC, запропонований компанією Texas Instruments. В результаті стандарт 802.11g містить компромісне рішення: як базові застосовуються технології OFDM і CCK, а опціонально передбачено використання технології PBCC.

Ідея згорткового кодування (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) полягає в наступному. Вхідна послідовність інформаційних біт перетворюється на згортковому кодері таким чином, щоб кожному вхідному біту відповідало більше одного вихідного. Тобто згортковий кодер додає певну надлишкову інформацію до вихідної послідовності. Якщо, наприклад, кожному вхідному біту відповідають два вихідні, то говорять про згорткове кодування зі швидкістю r= 1/2. Якщо ж кожним двом вхідним бітам відповідають три вихідні, то становитиме вже 2/3.

Будь-який згортковий кодер будується на основі декількох послідовно пов'язаних осередків, що запам'ятовують і логічних елементів XOR. Кількість осередків, що запам'ятовують, визначає кількість можливих станів кодера. Якщо, наприклад, в згортковому кодері використовується шість запам'ятовуючих осередків, то кодері зберігається інформація про шість попередніх станах сигналу, а з урахуванням значення вхідного біта отримаємо, що в такому кодері застосовується сім біт вхідної послідовності. Такий згортковий кодер називається кодером на сім станів ( K = 7).

Вихідні біти, що формуються в згортковому кодері, визначаються операціями XOR між значеннями вхідного біта і бітами, що зберігаються в пам'яті клітинок, тобто значення кожного формованого вихідного біта залежить не тільки від вхідного інформаційного біта, але і від декількох попередніх бітів.

У технології PBCC використовуються згорткові кодери на сім станів ( K= 7) зі швидкістю r = 1/2.

Головною перевагою згорткових кодерів є завадостійкість послідовності, що формується ними. Справа в тому, що при надмірності кодування навіть у разі виникнення помилок прийому вихідна послідовність біт може бути безпомилково відновлена. Для відновлення вихідної послідовності біт за приймача застосовується декодер Вітербі.

Дибіт, що формується в згортковому кодері, використовується надалі як символ, що передається, але попередньо він піддається фазової модуляції. Причому залежно від швидкості передачі можлива двійкова, квадратурна і навіть восьмипозиційна фазова модуляція.

На відміну від технологій DSSS (коди Баркера, ССК-послідовності), у технології згорткового кодування не застосовується технологія розширення спектра за рахунок використання шумоподібних послідовностей, проте розширення спектру до стандартних 22 МГц передбачено і в даному випадку. Для цього застосовують варіації можливих сигнальних сузір'їв QPSK та BPSK.

Розглянутий метод PBCC-кодування опціонально використовується у протоколі 802.11b на швидкостях 5,5 та 11 Мбіт/с. Аналогічно протоколі 802.11g для швидкостей передачі 5,5 і 11 Мбіт/с цей спосіб теж застосовується опціонально. Взагалі, внаслідок сумісності протоколів 802.11b та ​​802.11g технології кодування та швидкості, передбачені протоколом 802.11b, підтримуються і в протоколі 802.11g. У цьому плані до швидкості 11 Мбіт/с протоколи 802.11b і 802.11g збігаються один з одним, за винятком того, що в протоколі 802.11g передбачені такі швидкості, яких немає в протоколі 802.11b.

Опціонально у протоколі 802.11g технологія PBCC може використовуватися при швидкостях передачі 22 та 33 Мбіт/с.

Для швидкості 22 Мбіт/с проти вже розглянутої нами схемою PBCC передача даних має дві особливості. Насамперед застосовується 8-позиційна фазова модуляція (8-PSK), тобто фаза сигналу може приймати вісім різних значень, що дозволяє в одному символі кодувати вже три біти. Крім того, до схеми, за винятком згорткового кодера, доданий пунктурний кодер (Puncture). Сенс такого рішення досить простий: надмірність згорткового кодера, рівна 2 (на кожен вхідний біт припадає два вихідних), досить висока і за певних умов завадової обстановки є зайвою, тому можна зменшити надмірність, щоб, наприклад, кожним двом вхідним бітам відповідали три вихідні . Для цього можна, звичайно, розробити відповідний згортковий кодер, але краще додати в схему спеціальний пунктурний кодер, який просто знищуватиме зайві біти.

Допустимо, пунктурний кодер видаляє один біт з кожних чотирьох вхідних біт. Тоді кожним чотирьом вхідним бітам будуть відповідати три вихідні. Швидкість такого кодера становить 4/3. Якщо ж такий кодер використовується в парі з згортковим кодером зі швидкістю 1/2, то загальна швидкість кодування складе вже 2/3, тобто кожним двом вхідним бітам будуть відповідати три вихідні.

Як уже зазначалося, технологія PBCC є опціональною у стандарті IEEE 802.11g, а технологія OFDM – обов'язковою. Для того щоб зрозуміти суть технології OFDM, розглянемо детальніше багатопроменеву інтерференцію, що виникає при поширенні сигналів у відкритому середовищі.

Ефект багатопроменевої інтерференції сигналів полягає в тому, що в результаті багаторазових відображень від природних перешкод той самий сигнал може потрапляти в приймач різними шляхами. Але різні шляхи поширення відрізняються один від одного по довжині, а тому ослаблення сигналу буде для них неоднаковим. Отже, у точці прийому результуючий сигнал є інтерференцією багатьох сигналів, що мають різні амплітуди і зміщених один щодо одного за часом, що еквівалентно додавання сигналів з різними фазами.

Наслідком багатопроменевої інтерференції є спотворення сигналу, що приймається. Багатопроменева інтерференція властива будь-якому типу сигналів, але особливо негативно вона позначається на широкосмугових сигналах, оскільки при використанні широкосмугового сигналу в результаті інтерференції певні частоти складаються синфазно, що призводить до збільшення сигналу, а деякі навпаки протифазно, викликаючи ослаблення сигналу на даній частоті.

Говорячи про багатопроменеву інтерференцію, що виникає при передачі сигналів, відзначають два крайні випадки. У першому з них максимальна затримка між сигналами не перевищує тривалості одного символу і інтерференція виникає в межах одного символу, що передається. У другому - максимальна затримка між сигналами більша за тривалість одного символу, тому в результаті інтерференції складаються сигнали, що представляють різні символиі виникає так звана міжсимвольна інтерференція (Inter Symbol Interference, ISI).

Найбільше негативно на спотворення сигналу впливає саме міжсимвольна інтерференція. Оскільки символ - це дискретний стан сигналу, що характеризується значеннями несучої частоти, амплітуди і фази, для різних символів змінюються амплітуда і фаза сигналу, а отже, відновити вихідний сигнал вкрай складно.

З цієї причини при високих швидкостях передачі застосовується метод кодування даних, званий частотним ортогональним поділом каналів з мультиплексуванням (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть його полягає в тому, що потік даних, що передаються, розподіляється по безлічі частотних підканалів і передача ведеться паралельно на всіх таких підканалах. При цьому висока швидкість передачі досягається за рахунок одночасної передачі даних по всіх каналах, тоді як швидкість передачі в окремому підканалі може бути і невисокою.

Завдяки тому, що в кожному з частотних підканалів швидкість передачі даних можна зробити не надто високою, створюються передумови для ефективного придушення міжсимвольної інтерференції.

При частотному розділенні каналів необхідно, щоб окремий канал був досить вузьким для мінімізації спотворення сигналу, але в той же час досить широким для забезпечення необхідної швидкості передачі. Крім того, для економного використання всієї смуги каналу, що поділяється на підканали, бажано розташувати частотні підканали якомога ближче один до одного, але при цьому уникнути міжканальної інтерференції, щоб забезпечити повну незалежність. Частотні канали, що задовольняють переліченим вище вимогам, називаються ортогональними. Несучі сигнали всіх частотних підканалів ортогональні один одному. Важливо, що ортогональність несучих сигналів гарантує частотну незалежність каналів друг від друга, отже, і міжканальної інтерференції.

Розглянутий спосіб поділу широкосмугового каналу на ортогональні частотні підканали називається ортогональним частотним поділом з мультиплексування (OFDM). Для його реалізації в передавальних пристроях використовується зворотне швидке перетворення Фур'є (IFFT), що попередньо перекладає мультиплексований на n-каналів сигнал з часу ого подання до частотного.

Однією з ключових переваг методу OFDM є поєднання високої швидкості передачі з ефективним протистоянням багатопроменевого поширення. Звичайно, сама по собі технологія OFDM не відкидає багатопроменевого поширення, але створює передумови для усунення ефекту міжсимвольної інтерференції. Справа в тому, що невід'ємною частиною технології OFDM є охоронний інтервал (Guard Interval, GI) - циклічне повторення закінчення символу, що прилаштовується на початку символу.

Охоронний інтервал створює паузи між окремими символами, і якщо його тривалість перевищує максимальний час затримки сигналу внаслідок багатопроменевого поширення, міжсимвольної інтерференції не виникає.

При використанні технології OFDM тривалість охоронного інтервалу становить одну четверту тривалість символу. У цьому символ має тривалість 3,2 мкс, а охоронний інтервал - 0,8 мкс. Таким чином, тривалість символу разом із охоронним інтервалом становить 4 мкс.

Говорячи про технологію частотного ортогонального поділу каналів OFDM, що застосовується на різних швидкостях у протоколі 802.11g, ми досі не торкалися питання методу модуляції несучого сигналу.

У протоколі 802.11g на низьких швидкостях передачі застосовується двійкова та квадратурна фазові модуляції BPSK та QPSK. При використанні BPSK-модуляції в одному символі кодується лише один інформаційний біт, а при QPSK-модуляції - два інформаційні біти. Модуляція BPSK застосовується передачі даних на швидкостях 6 і 9 Мбіт/с, а модуляція QPSK - на швидкостях 12 і 18 Мбіт/с.

Для передачі більш високих швидкостях використовується квадратурна амплітудна модуляція QAM (Quadrature Amplitude Modulation), коли він інформація кодується з допомогою зміни фази і амплітуди сигналу. У протоколі 802.11g застосовується модуляція 16-QAM та 64-QAM. Перша модуляція передбачає 16 різних станів сигналу, що дозволяє закодувати 4 біти в одному символі; друга - 64 можливі стани сигналу, що дає можливість закодувати послідовність 6 біт в одному символі. Модуляція 16-QAM використовується на швидкостях 24 та 36 Мбіт/с, а модуляція 64-QAM - на швидкостях 48 та 54 Мбіт/с.

Крім застосування CCK-, OFDM- та PBCC-кодувань, у стандарті IEEE 802.11g опціонально передбачені також різні варіанти гібридного кодування.

Для того щоб зрозуміти сутність цього терміну, пригадаємо, що будь-який пакет даних містить заголовок (преамбулу) зі службовою інформацією і поле даних. Коли йдеться про пакет у форматі CCK, мається на увазі, що заголовок та дані кадру передаються у форматі CCK. Аналогічно при використанні технології OFDM заголовок кадру та дані передаються за допомогою OFDM-кодування. Гібридне кодування має на увазі, що для заголовка кадру та полів даних можуть використовуватися різні технології кодування. Наприклад, при застосуванні технології CCK-OFDM заголовок кадру кодується за допомогою CCK-кодів, але дані кадру передаються з використанням багаточастотного OFDM-кодування. Таким чином, технологія CCK-OFDM є своєрідним гібридом CCK та OFDM. Однак це не єдина гібридна технологія – при використанні пакетного кодування PBCC заголовок кадру передається за допомогою CCK-кодів, а дані кадру кодуються із застосуванням PBCC.

Стандарт IEEE 802.11а

Розглянуті вище стандарти IEEE 802.11b та ​​IEEE 802.11g відносяться до частотного діапазону 2,4 ГГц (від 2,4 до 2,4835 ГГц), а стандарт IEEE 802.11a, прийнятий у 1999 році, передбачає використання вже більш високочастотного діапазону ,15 до 5,350 ГГц та від 5,725 до 5,825 ГГц). У цей діапазон називають діапазоном нелицензионной національної інформаційної інфраструктури (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII).

Відповідно до правил FCC частотний діапазон UNII розбитий на три 100-мегагерцевих піддіапазони, що відрізняються обмеженнями по максимальній потужності випромінювання. Найнижчий діапазон (від 5,15 до 5,25 ГГц) передбачає потужність всього 50 мВт, середній (від 5,25 до 5,35 ГГц) – 250 мВт, а верхній (від 5,725 до 5,825 ГГц) – 1 Вт. Використання трьох частотних піддіапазонів із загальною шириною 300 МГц робить стандарт IEEE 802.11а найбільш широкосмуговим із сімейства стандартів 802.11 і дозволяє розбити весь частотний діапазон на 12 каналів, кожен з яких має ширину 20 МГц, причому вісім з них лежать в 50 ,15 до 5,35 ГГц, а решта чотирьох каналів - у 100-мегагерцевому діапазоні від 5,725 до 5,825 ГГц (рис. 1). При цьому чотири верхні частотні канали, що передбачають найбільшу потужність передачі, використовуються переважно для передачі сигналів поза приміщеннями.

Мал. 1. Поділ діапазону UNII на 12 частотних піддіапазонів

Стандарт IEEE 802.11a заснований на техніці частотного ортогонального поділу каналів з мультиплексуванням (OFDM). Для поділу каналів застосовується зворотне перетворення Фур'є з вікном у 64 частотних підканали. Оскільки ширина кожного з 12 каналів, що визначаються в стандарті 802.11а, має значення 20 МГц, виходить, що кожен ортогональний частотний підканал (піднесе) має ширину 312,5 кГц. Проте з 64 ортогональних подканалов задіюється лише 52, причому 48 їх застосовуються передачі даних (Data Tones), інші - передачі службової інформації (Pilot Тones).

За технікою модуляції протокол 802.11a мало чим відрізняється від 802.11g. На низьких швидкостях передачі для модуляції частот, що піднесуть, використовується двійкова і квадратурна фазові модуляції BPSK і QPSK. При застосуванні BPSK-модуляції в одному символі кодується лише один інформаційний біт. Відповідно при використанні QPSK-модуляції, тобто коли фаза сигналу може приймати чотири різні значення, в одному символі кодуються два інформаційних біти. Модуляція BPSK використовується передачі даних на швидкостях 6 і 9 Мбіт/с, а модуляція QPSK - на швидкостях 12 і 18 Мбіт/с.

Для передачі на більш високих швидкостях стандарту IEEE 802.11а використовується квадратурна амплітудна модуляція 16-QAM і 64-QAM. У першому випадку є 16 різних станів сигналу, що дозволяє закодувати 4 біти в одному символі, а в другому - вже 64 можливі стани сигналу, що дозволяє закодувати послідовність з 6 бітів в одному символі. Модуляція 16-QAM застосовується на швидкостях 24 та 36 Мбіт/с, а модуляція 64-QAM - на швидкостях 48 та 54 Мбіт/с.

Інформаційна ємність OFDM-символу визначається типом модуляції та числом піднесучих. Оскільки передачі даних застосовуються 48 піднесучих, ємність OFDM-символу становить 48 x Nb, де Nb - двійковий логарифм від числа позицій модуляції, або, простіше кажучи, кількість біт, які кодуються в одному символі в одному підканалі. Відповідно ємність OFDM-символу становить від 48 до 288 біт.

Послідовність обробки вхідних даних (бітів) в стандарті IEEE 802.11 виглядає наступним чином. Спочатку вхідний потік даних піддається стандартній операції скремблювання. Після цього потік даних надходить на згортковий кодер. Швидкість згорткового кодування (у поєднанні з пунктурним кодуванням) може становити 1/2, 2/3 або 3/4.

Оскільки швидкість згорткового кодування може бути різною, то при використанні того самого типу модуляції швидкість передачі даних виявляється різною.

Розглянемо, наприклад, модуляцію BPSK, коли він швидкість передачі становить 6 чи 9 Мбіт/с. Тривалість одного символу разом із охоронним інтервалом дорівнює 4 мкс, отже, частота проходження імпульсів становитиме 250 кГц. Враховуючи, що в кожному подканале кодується по одному біту, а таких подканалов 48, отримуємо, що загальна швидкість передачі даних складе 250 кГц x 48 каналів = 12 МГц. Якщо при цьому швидкість згорткового кодування дорівнює 1/2 (на кожен інформаційний біт додається один службовий), інформаційна швидкість виявиться вдвічі меншою за повну швидкість, тобто 6 Мбіт/с. При швидкості згорткового кодування 3/4 кожні три інформаційних біта додається один службовий, у разі корисна (інформаційна) швидкість становить 3/4 від повної швидкості, тобто 9 Мбіт/с.

Аналогічно кожному типу модуляції відповідають дві різні швидкості передачі (табл. 1).

Таблиця 1. Співвідношення між швидкостями передачі
та типом модуляції у стандарті 802.11a

Після згорткового кодування потік біт піддається операції перемежування, або інтерлівінгу. Суть її полягає у зміні порядку проходження біт в межах одного OFDM-символу. Для цього послідовність вхідних біт розбивається на блоки, довжина яких дорівнює біту в OFDM-символі (NCBPS). Далі за певним алгоритмом проводиться двоетапна перестановка біт у кожному блоці. На першому етапі біти переставляються таким чином, щоб суміжні біти при передачі символу OFDM передавалися на несуміжних піднесучих. Алгоритм перестановки біт цьому етапі еквівалентний наступній процедурі. Спочатку блок біт довжиною NCBPS рядково (рядок за рядком) записується в матрицю, що містить 16 рядків і NCBPS/16 рядів. Далі біти зчитуються з цієї матриці, але вже по рядах (або так, як записувалися, але з транспонованої матриці). В результаті такої операції спочатку сусідні біти передаватимуться на несуміжних піднесуть.

Потім слідує етап другої перестановки бітів, мета якого полягає в тому, щоб сусідні біти не опинилися одночасно в молодших розрядах груп, що визначають модуляційний символ в сигнальному сузір'ї. Тобто після другого етапу перестановки сусідні біти виявляються поперемінно у старших та молодших розрядах груп. Робиться це з метою поліпшення перешкодостійкості сигналу, що передається.

Після перемежування послідовність біт розбивається групи по числу позицій обраного типу модуляції і формуються OFDM-символи.

Сформовані OFDM-символи піддаються швидкому перетворенню Фур'є, у результаті формуються вихідні синфазний і квадратурний сигнали, які потім піддаються стандартній обробці - модуляції.

Стандарт IEEE 802.11n

Розробка стандарту IEEE 802.11n офіційно розпочалася 11 вересня 2002 року, тобто ще за рік до остаточного ухвалення стандарту IEEE 802.11g. У другій половині 2003 року була створена цільова група (Task Group) IEEE 802.11n (802.11 TGn), завданням якої була розробка нового стандарту бездротового зв'язку на швидкості понад 100 Мбіт/с. Цим завданням займалася й інша цільова група - 802.15.3a. До 2005 року процеси вироблення єдиного рішення в кожній із груп зайшли в глухий кут. У групі 802.15.3а спостерігалося протистояння компанії Motorola та всіх інших членів групи, а члени групи IEEE 802.11n розбилися на два приблизно однакові табори: WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency) та TGn Sync. Групу WWiSE очолювала компанія Aigro Networks, а групу TGn Sync – компанія Intel. У кожній із груп довгий час жоден із альтернативних варіантів не міг набрати необхідні для його затвердження 75% голосів.

Після майже трьох років безуспішного протистояння та спроб виробити компромісне рішення, яке б влаштовувало всіх, учасники групи 802.15.3а практично одноголосно проголосували за ліквідацію проекту 802.15.3а. Члени проекту IEEE 802.11n виявилися гнучкішими - їм вдалося домовитися і створити об'єднану пропозицію, яка б влаштовувала всіх. В результаті 19 січня 2006 на черговій конференції, що проходила в Коні на Гаваях, була схвалена попередня (draft) специфікація стандарту IEEE 802.11n. Зі 188 членів робочої групи 184 виступили за прийняття стандарту, а четверо утрималися. Основні положення схваленого документа стануть основою остаточної специфікації нового стандарту.

Стандарт IEEE 802.11n базується на технології OFDM-MIMO. Дуже багато реалізованих у ньому технічних деталей запозичені зі стандарту 802.11a, проте стандарті IEEE 802.11n передбачається використання як частотного діапазону, прийнятого для стандарту IEEE 802.11a, і частотного діапазону, прийнятого для стандартів IEEE 802.11b/g. Тобто пристрої, що підтримують стандарт IEEE 802.11n, можуть працювати в частотному діапазоні 5 або 2,4 ГГц, причому конкретна реалізація залежить від країни. Для Росії пристрої стандарту IEEE 802.11n підтримуватимуть частотний діапазон 2,4 ГГц.

Збільшення швидкості передачі у стандарті IEEE 802.11n досягається, по-перше, завдяки подвоєнню ширини каналу з 20 до 40 МГц, а по-друге, за рахунок реалізації технології MIMO.

Технологія MIMO (Multiple Input Multiple Output) передбачає застосування декількох передаючих та приймаючих антен. За аналогією традиційні системи, тобто системи з однією передавальною та однією приймаючою антеною, називаються SISO (Single Input Single Output).

Теоретично MIMO-система з nпередавальними та nприймаючими антенами здатна забезпечити пікову пропускну здатність nразів більшу, ніж системи SISO. Це досягається за рахунок того, що передавач розбиває потік даних на незалежні бітові послідовності і пересилає їх одночасно, використовуючи масив антен. Така техніка передачі називається просторовим мультиплексуванням. Зазначимо, що це антени передають дані незалежно друг від друга одному й тому частотному діапазоні.

Розглянемо, наприклад, MIMO-систему, що складається з nпередавальних та mприймають антен (рис. 2).

Мал. 2. Принцип реалізації технології MIMO

Передавач у такій системі посилає nнезалежних сигналів, застосовуючи nантен. На приймальній стороні кожна з mантен отримує сигнали, які є суперпозицією nсигналів від усіх передаючих антен. Таким чином, сигнал R1, що приймається першою антеною, можна представити у вигляді:

Записуючи подібні рівняння для кожної приймальні антени, Отримаємо наступну систему:

Або, переписавши даний виразу матричному вигляді:

де [ H] - матриця перенесення, що описує MIMO-канал зв'язку.

Для того щоб на приймальній стороні декодер міг правильно відновити всі сигнали, він повинен насамперед визначити коефіцієнти hij, що характеризують кожен з m x nканалів передачі. Для визначення коефіцієнтів hijу технології MIMO використовується преамбула пакета.

Визначивши коефіцієнти матриці переносу, можна легко відновити пер даний сигнал:

де [ H]–1 - матриця, зворотна матриці перенесення [ H].

Важливо, що у технології MIMO застосування кількох передавальних і приймаючих антен дозволяє підвищити пропускну спроможність каналу зв'язку з допомогою кількох просторово рознесених подканалов, у своїй дані передаються у тому самому частотному діапазоні.

Технологія MIMO ніяк не торкається методу кодування даних і в принципі може використовуватися в поєднанні з будь-якими методами фізичного та логічного кодування даних.

Вперше технологія MIMO була описана у стандарті IEEE 802.16. Цей стандарт допускає застосування технології MISO, тобто кількох передаючих антен та однієї приймаючої. У стандарті IEEE 802.11n допускається використання до чотирьох антен біля точки доступу та бездротового адаптера. Обов'язковий режим має на увазі підтримку двох антенок біля точки доступу і однієї антени та бездротового адаптера.

У стандарті IEEE 802.11n передбачені стандартні канали зв'язку шириною 20 МГц, так і канали з подвоєною шириною. Однак, застосування 40-мегагерцевих каналів є опціональною можливістю стандарту, оскільки використання таких каналів може суперечити законодавству деяких країн.

У стандарті 802.11n передбачено два режими передачі: стандартний режим передачі (L) та режим з високою пропускною здатністю (High Throughput, HT). У традиційних режимах передачі використовуються 52 частотних OFDM-подканалу (піднесучих частот), з яких 48 задіюється передачі даних, інші - передачі службової інформації.

У режимах з підвищеною пропускною здатністю при ширині каналу 20 МГц застосовуються 56 частотних підканалів, з яких 52 задіяні для передачі даних, а чотири канали є пілотними. Таким чином, навіть при використанні каналу шириною 20 МГц збільшення частотних підканалів з 48 до 52 дозволяє підвищити швидкість передачі на 8%.

При застосуванні каналу подвоєної ширини, тобто каналу шириною 40 МГц, у стандартному режимі передачі мовлення фактично ведеться на здвоєному каналі. Відповідно кількість піднесучих частот збільшується вдвічі (104 підканали, з яких 96 є інформаційними). Завдяки цьому швидкість передачі зростає на 100%.

При використанні 40-мегагерцевого каналу та режиму з високою пропускною здатністю застосовуються 114 частотних підканалів, з яких 108 підканалів – інформаційні, а шість – пілотні. Відповідно, це дозволяє збільшити швидкість передачі вже на 125%.

Таблиця 2. Співвідношення між швидкостями передачі, типом модуляції
та швидкістю згорткового кодування у стандарті 802.11n
(канал шириною 20 МГц, HT-режим (52 частотних підканалу))

Ще дві обставини, завдяки яким у стандарті IEEE 802.11n збільшується швидкість передачі - це скорочення тривалості охоронного інтервалу GI в OGDM-символах з 0,8 до 0,4 мкс і підвищення швидкості згорткового кодування. Нагадаємо, що в протоколі IEEE 802.11a максимальна швидкість згорткового кодування становить 3/4, тобто до кожних трьох вхідних біт додається ще один. У протоколі IEEE 802.11n максимальна швидкість згорткового кодування дорівнює 5/6, тобто кожні п'ять вхідних біт у згортковому кодері перетворюються на шість вихідних. Співвідношення між швидкостями передачі, типом модуляції і швидкістю згорткового кодування стандартного каналу шириною 20 МГц наведені в табл. 2.

Розповсюдження бездротових мереж, розвиток інфраструктури хот-спотів, поява мобільних технологійЗ вбудованим бездротовим рішенням (Intel Centrino) призвело до того, що кінцеві користувачі (не говорячи вже про корпоративних клієнтів) почали звертати все більше уваги на бездротові рішення. Такі рішення розглядаються насамперед як засіб розгортання мобільних та стаціонарних бездротових локальних мереж та як засіб оперативного доступу до Інтернету.

Однак кінцевий користувач, що не є мережним адміністратором, як правило, не надто розуміється на мережевих технологіях, тому йому важко зробити правильний вибірпри купівлі бездротового рішення, особливо з урахуванням різноманіття продуктів, що пропонуються сьогодні. Бурхливий розвиток технології бездротового зв'язку призвело до того, що користувачі, не встигнувши звикнути до одного стандарту, змушені переходити на інший, з більш високими швидкостями передачі. Йдеться, звичайно, про сімейство протоколів бездротового зв'язку, відоме як IEEE 802.11, куди входять протоколи 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g, 802.11g+, причому на100. А якщо до цієї численної родини додати ще й такі протоколи безпеки та QoS, як 802.11e, 802.11i, 802.11h тощо, то стане зрозуміло, що розібратися в цьому зовсім непросто.

Щоб полегшити життя тим, хто хоче долучитися до світу бездротового зв'язку, але не знає, з чого почати, ми вирішили скласти короткий посібник, ознайомившись з яким читач зможе зрозуміти основні відмінності між протоколами бездротового зв'язку сімейства 802.11 та розібратися з основними принципами функціонування бездротових мереж.

Фізичний рівень сімейства протоколів 802.11

основна різниця між стандартами сімейства 802.11 полягає в способах кодування інформації і в розбіжності, що випливають з цього, в швидкостях прийому/передачі. В основі всіх бездротових протоколів лежить технологія розширення спектру (Spread Spectrum, SS), яка має на увазі, що спочатку вузькосмуговий (по ширині спектра) корисний інформаційний сигнал при передачі перетворюється таким чином, що його спектр виявляється значно ширшим за спектр початкового сигналу, тобто спектр сигналу хіба що розмазується по частотному діапазону. Одночасно з розширенням спектра сигналу відбувається і перерозподіл спектральної енергетичної щільності сигналу - енергія сигналу також розмазується по спектру. В результаті максимальна потужність перетвореного сигналу виявляється значно нижчою за потужність вихідного сигналу. При цьому рівень корисного інформаційного сигналу може буквально порівнюватися з рівнем природного шуму, внаслідок чого сигнал стає в якомусь сенсі «невидимим» — він просто губиться на рівні природного шуму.

Для безліцензійного використання в Європі та США (саме в цьому спектральному діапазоні працюють протоколи сімейства 802.11) відводиться радіодіапазон від 2400 до 2483,4 МГц, призначений для застосування в промисловості, науці та медицині (Industry, Science and Medicine, ISM) та званий ISM- діапазоном), а також від 5725 до 5875 МГц, але при цьому суворо регламентується потужність передавачів, яка обмежується величиною 100 мВт у Європі (обмеження ETSI) та 1 Вт у США (обмеження FCC). Для організації спільного використання радіодіапазону за таких жорстких умов використовується технологія розширення спектра. У протоколах 802.11b/g використовується технологія розширення спектра методом прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Стандарт IEEE 802.11

Найпершим стандартом бездротових мереж, що послужили основою цілого сімейства протоколів бездротового зв'язку, був IEEE 802.11. Сьогодні вже не існує рішень, що базуються виключно на цьому протоколі, однак він заслуговує на окрему розмову хоча б тому, що входить як підмножина до протоколів 802.11b і 802.11g.

У стандарті 802.11 передбачено використання частотного діапазону від 2400 до 24835 МГц і швидкостей передачі 1 і 2 Мбіт/с. Для кодування даних використовується метод DSSS із 11-чіповими кодами Баркера. При інформаційній швидкості 1 Мбіт/с швидкість проходження окремих чіпів послідовності Баркера становить 11?106 чіп/с, а ширина спектра такого сигналу - 22 МГц.

Для модуляції синусоїдального несучого сигналу (процес, необхідний для інформаційного наповнення сигналу, що несе) використовується відносна двійкова фазова модуляція (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).

Інформаційна швидкість 1 Мбіт/с є обов'язковою у стандарті IEEE 802.11 (Basic Access Rate), але опціонально можлива і швидкість 2 Мбіт/с (Enhanced Access Rate). Для передачі даних на такій швидкості використовується технологія DSSS з 11-чіповими кодами Баркера, але для модуляції коливання застосовується відносна квадратурна фазова модуляція (Differential Quadrature Phase Shift Key).

При інформаційній швидкості 2 Мбіт/с швидкість проходження окремих чіпів послідовності Баркера залишається колишньою, тобто 11?106 чіп/с, а отже, не змінюється і ширина спектра сигналу, що передається.

Стандарт IEEE 802.11b

Протокол IEEE 802.11b, прийнятий у липні 1999 року, є свого роду розширенням базового протоколу 802.11 і крім швидкостей 1 і 2 Мбіт/с, передбачає швидкості 5,5 і 11 Мбіт/с. Для роботи на швидкостях 5,5 і 11 Мбіт/с замість шумоподібних послідовностей Баркера для розширення спектра використовуються так звані восьмичипові послідовності CCK (Complementary Code Keying, CCK).

Використання CCK-кодів дозволяє кодувати 8 біт на символ при швидкості 11 Мбіт/с і 4 біт на символ при швидкості 5,5 Мбіт/с. При цьому в обох випадках символьна швидкість передачі становить 1,385?106 символів в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385).

Значення фаз, визначальних елементи CCK-послідовності, залежить від послідовності вхідних інформаційних бітів. При швидкості передачі 11 Мбіт/с для однозначного визначення ССК-послідовності потрібне знання 8 біт (4 дибіт) вхідних даних. Перший дибіт вхідних даних визначає зсув по фазі всього символу щодо попереднього, а решта 6 бітів використовуються для завдання самої CCK-послідовності. Оскільки 6 біт даних можуть мати 64 різні комбінації, то в протоколі IEEE 802.11b при кодуванні кожного символу використовується одна з 64 можливих восьмирозрядних CKK-послідовностей, і це дозволяє кодувати 6 біт в одному символі, що передається. Оскільки кожен символ додатково зсувається по фазі щодо попереднього символу в залежності від значення першого дибіту і зсув фази може набувати чотирьох значень, отримуємо, що в кожному символі кодується 8 інформаційних бітів.

При швидкості передачі 5,5 Мбіт/с одному символі кодується вже 4 біт, що визначає вдвічі меншу інформаційну швидкість. При такій швидкості передачі використовуються вже розглянуті CCK-послідовності, що утворюються за тими самими правилами, - єдина відмінність полягає в кількості використовуваних CCK-послідовностей та правил їх вибору.

Для завдання всіх членів CCK-послідовності використовуються 4 вхідні інформаційні біти, тобто 2 дибіти. Перший дибіт, як і раніше, задає значення зсуву по фазі цілого символу, а другий дибіт використовується для вибору однієї з чотирьох можливих CCK-послідовностей. Якщо врахувати, що кожен символ ще додатково зсувається по фазі щодо попереднього на одне з чотирьох можливих значень, то це дозволяє кодувати в одному символі 4 інформаційних біта.

Розглядаючи можливі швидкості передачі 5,5 і 11 Мбіт/с протоколі 802.11b, ми досі залишали поза увагою питання, навіщо потрібна швидкість 5,5 Мбіт/с, якщо використання CCK-послідовностей дозволяє передавати дані на швидкості 11 Мбіт/с . Теоретично це дійсно так, але тільки якщо не враховувати при цьому перешкоди. У реальних умовах зашумленность каналів передачі і співвідношення рівнів шуму і сигналу можуть виявитися такими, що передача на високій інформаційній швидкості (тобто коли в одному символі кодується безліч інформаційних бітів) стане неможливою через їх помилкове розпізнавання. Не вдаючись у математичні деталі, відзначимо лише, що що вище зашумленность каналів зв'язку, тим менше інформаційна швидкість передачі. При цьому важливо, щоб приймач і передавач правильно аналізували перешкоду і вибирали прийнятну швидкість передачі.

Крім CCК-послідовностей, у протоколі 802.11b опціонально на швидкостях передачі 5,5 і 11 Мбіт/с передбачено альтернативний метод кодування - пакетне згорткове кодування PBCC. І саме цей режим кодування ліг основою протоколу 802.11b+ — розширення протоколу 802.11b. Власне, протоколу 802.11b+ як такого офіційно не існує, проте дане розширення свого часу було підтримано багатьма виробниками. бездротових пристроїв. У протоколі 802.11b+ передбачається ще одна швидкість передачі даних – 22 Мбіт/с із використанням технології PBCC.

При швидкості передачі 5,5 Мбіт/с для модуляції дибіту, що формується згортковим кодером зі швидкістю згорткового кодування 1/2, використовується двійкова фазова модуляція BPSK, а при швидкості 11 Мбіт/с квадратурна фазова модуляція QPSK. При цьому для швидкості 11 Мбіт/с у кожному символі кодується по одному вхідному біту і швидкість передачі бітів відповідає швидкості передачі символів, а при швидкості 5,5 Мбіт/с швидкість передачі бітів дорівнює половині швидкості передачі символів (оскільки кожному вхідному біту в даному випадку відповідають два вихідні символи). Тому і швидкості 5,5 Мбіт/с, і швидкості 11 Мбіт/с символьна швидкість становить 11Ѕ106 символів в секунду.

Для швидкості 22 Мбіт/с проти вже розглянутої нами схемою PBCC передача даних має дві відмінності. По-перше, використовується фазова 8-позиційна фазова модуляція (8-PSK), тобто фаза сигналу може набувати восьми різних значень, що дозволяє в одному символі кодувати вже 3 біт. По-друге, до схеми, крім згорткового кодера, доданий пунктурний кодер (Puncture) з наступної причини: надмірність згорткового кодера дорівнює 2 (на кожен вхідний біт припадає два вихідні) досить висока і за певних умов завадової обстановки є зайвою, тому можна зменшити надмірність , Щоб, наприклад, кожним двом вхідним бітам відповідало три вихідних. З цією метою можна, звичайно, розробити відповідний згортковий кодер зі швидкістю згорткового кодування 2/3, але краще додати в схему спеціальний пунктурний кодер, який просто знищуватиме зайві біти.

Розібравшись із принципом роботи пунктурного кодера, повернемося до розгляду кодування PBCC на швидкості 22 Мбіт/с у протоколі 802.11b+.

У згортковий кодер (r = 1/2) дані надходять зі швидкістю 22 Мбіт/с. Після додавання надмірності в згортковому кодері біти зі швидкістю потоку 44 Мбіт/с надходять у пунктурний кодер, в якому надмірність зменшується так, щоб на кожні чотири вхідні біти припадало три вихідні. Отже, після пунктурного кодера швидкість потоку становитиме вже 33 Мбіт/с (не інформаційна, а загальна швидкість з урахуванням доданих надлишкових бітів). Отримана в результаті послідовність направляється у фазовий модулятор 8-PSK, де кожні три біти упаковуються в один символ. У цьому швидкість передачі становитиме 11Ѕ106 символів на секунду, а інформаційна швидкість — 22 Мбіт/с.

Співвідношення між швидкостями передачі та типом кодування у стандарті 802.11b/b+ наведено у табл. 1.

* Швидкість 22 Мбіт/с стосується лише протоколу 802.11b+.

Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт 802.11g є логічним розвитком стандарту 802.11b і передбачає передачу даних у тому частотному діапазоні, але з вищими швидкостями. Крім того, стандарт 802.11g повністю сумісний із 802.11b, тобто будь-який пристрій 802.11g має підтримувати роботу з пристроями 802.11b. Максимальна швидкість передачі у стандарті 802.11g становить 54 Мбіт/с.

При розробці 802.11g розглядалися дві конкуруючі технології: метод ортогонального частотного поділу OFDM та метод двійкового пакетного згорткового кодування PBCC, опціонально реалізований у стандарті 802.11b. В результаті стандарт 802.11g заснований на компромісному рішенні: як базові застосовуються технології OFDM і CCK, а опціонально передбачено використання технології PBCC.

У протоколі 802.11g технологія кодування PBCC опціонально (але не обов'язково) може використовуватись на швидкостях 5,5; 11; 22 та 33 Мбіт/с. Взагалі ж, у стандарті обов'язковими є швидкості передачі 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 і 24 Мбіт/с, а вищі швидкості передачі 33, 36, 48 і 54 Мбіт/с опціональними. Крім того, та сама швидкість передачі може реалізовуватися при різній техніці модуляції. Наприклад, швидкість передачі 24 Мбіт/с може бути досягнута при багаточастотному кодуванні OFDM, так і при гібридній техніці кодування CCK-OFDM.

Єдине, про що ми поки що не згадували, — це техніка гібридного кодування. Щоб зрозуміти сутність цього терміну, пригадаємо, що будь-який пакет даних, що передається, містить заголовок/преамбулу зі службовою інформацією і поле даних. Коли йдеться про пакет у форматі CCK, то мають на увазі, що заголовок і дані кадру передаються у форматі CCK. Аналогічно і при використанні технології OFDM заголовок кадру та дані передаються за допомогою OFDM-кодування. При застосуванні технології CCK-OFDM заголовок кадру кодується за допомогою CCK-кодів, але дані кадру передаються за допомогою багаточастотного OFDM-кодування. Таким чином, технологія CCK-OFDM є своєрідним гібридом CCK та OFDM. Однак технологія CCK-OFDM - не єдина гібридна технологія: при використанні пакетного кодування PBCC заголовок кадру передається за допомогою CCK-кодів, а дані кадру кодуються за допомогою PBCC.

Стандарт IEEE 802.11а

Розглянуті вище стандарти 802.11b та ​​802.11g відносяться до частотного діапазону 2,4 ГГц (від 2,4 до 2,4835 ГГц), а стандарт 802.11a передбачає використання вже більш високочастотного діапазону (від 5,15 до 5,350 ГГц та від 5, 5,825 ГГц). У цей діапазон називають діапазоном нелицензионной національної інформаційної інфраструктури (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII).

Відповідно до правил FCC частотний діапазон UNII розбитий на три 100-мегагерцевих піддіапазони, що відрізняються обмеженнями по максимальній потужності випромінювання. Нижчий діапазон (від 5,15 до 5,25 ГГц) передбачає потужність лише 50 мВт, середній діапазон (від 5,25 до 5,35 ГГц) – 250 мВт, а верхній (від 5,725 до 5,825 ГГц) – до 1 Вт. Використання трьох частотних піддіапазонів із загальною шириною 300 МГц робить стандарт 802.11а найбільш широкосмуговим у сімействі стандартів 802.11 і дозволяє розбити весь частотний діапазон на 12 каналів шириною 20 МГц, вісім з яких лежать у 200-мегагерцевому діапазоні від 5 , а решта чотирьох - у 100-мегагерцевому діапазоні від 5,725 до 5,825 ГГц. При цьому чотири верхні частотні канали, що передбачають найбільшу потужність передачі, використовуються переважно для передачі сигналів поза приміщеннями.

Протокол 802.11a заснований на техніці ортогонального частотного розділення каналів з мультиплексуванням (OFDM). Для поділу каналів використовується зворотне перетворення Фур'є з вікном у 64 частотних підканали. Оскільки ширина кожного з 12 каналів, що визначаються в стандарті 802.11а, має значення 20 МГц, виходить, що кожен ортогональний частотний канал має ширину 312,5 кГц. Проте з 64 ортогональних подканалов задіюється лише 52, причому 48 їх застосовується передачі даних (Data Tones), інші — передачі службової інформації (Pilot Тones).

За технікою модуляції протокол 802.11a мало чим відрізняється від 802.11g. На низьких швидкостях передачі використовується двійкова та квадратурна фазові модуляції BPSK та QPSK, а на високих – квадратурна амплітудна модуляція 16-QAM та 64-QAM. Крім того, у протоколі 802.11а для підвищення перешкодостійкості передбачено застосування згорткового кодування. Оскільки швидкість згорткового кодування може бути різною, то при використанні того самого типу модуляції швидкість передачі виявляється різною.

У методі OFDM час тривалості одного символу разом із охоронним інтервалом становить 4 мкс, отже, частота проходження імпульсів буде 250 кГц. Враховуючи, що в кожному подканалі кодується по одному біту, а таких подканалов 48, отримаємо, що загальна швидкість передачі складе 250 кГцЅ48 каналів = 12 МГц. Якщо швидкість згорткового кодера становить 1/2, швидкість передачі інформаційних бітів виявиться рівною 6 Мбіт/с. Якщо ж швидкість згорткового кодування буде 3/4, швидкість передачі інформаційних бітів складе 9 Мбіт/с. Всього в протоколі 802.11a передбачено використання восьми різних режимів передачі, що відрізняються один від одного швидкістю, типом модуляції та швидкістю згорткового кодування, що використовується (табл. 2). При цьому наголосимо, що в самому протоколі 802.11а обов'язковими є лише швидкості 6, 12 та 24 Мбіт/с, а решта — опціональними.

Механізми колективного доступу до мереж 802.11

досі, розглядаючи різні протоколи бездротового зв'язку сімейства 802.11, ми концентрувалися саме на фізичному (PHY) рівні, що визначає методи кодування/декодування та модуляції/демодуляції сигналу при його передачі та прийомі. Однак такі питання, як регулювання спільного використання середовища передачі даних, визначаються на вищому рівні - на рівні доступу до середовища передачі даних, який називають МАС-рівнем (Media Access Control). Саме на MAC-рівні встановлюються правила спільного використання середовища передачі даних одночасно кількома вузлами. бездротової мережі.

Необхідність існування регламентуючих правил цілком очевидна. Уявіть собі, що було б, якби кожен вузол бездротової мережі, не дотримуючись жодних правил, почав передавати дані в ефір. В результаті інтерференції кількох таких сигналів вузли, яким призначалася відправлена ​​інформація, не змогли б не тільки її отримати, а й взагалі зрозуміти, що ця інформація адресована їм. Саме тому потрібне існування жорстких регламентуючих правил, які мають визначати колективний доступ до середовища передачі даних. Такі правила колективного доступу можна порівняти з правилами дорожнього руху, які регулюють спільне використання автошляхів усіма учасниками руху.

На MAC рівні протоколу 802.11 визначаються два типи колективного доступу до середовища передачі даних: функція розподіленої координації (Distributed Coordination Function, DCF) і функція централізованої координації (Point Coordination function, PCF).

Функція розподіленої координації DCF

На перший погляд організувати спільний доступ до середовища передачі даних не складає ніяких труднощів: для цього лише необхідно забезпечити, щоб всі вузли передавали дані лише тоді, коли середовище є вільним, тобто коли жоден з вузлів не здійснює передачу даних. Однак такий механізм неминуче призведе до колізій, оскільки велика ймовірність того, що відразу два або більше вузлів, намагаючись отримати доступ до середовища передачі даних, вирішать, що середовище є вільним, і почнуть одночасну передачу. Саме тому необхідно розробити алгоритм, здатний знизити ймовірність виникнення колізій та водночас гарантувати всім вузлам мережі рівноправний доступ до середовища передачі.

Одним із варіантів організації такого рівноправного доступу до середовища передачі даних є функція розподіленої координації (DCF), заснована на методі колективного доступу з виявленням несучої та механізмом уникнення колізій (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). За такої організації кожен вузол, перш ніж почати передачу, прослуховує середовище, намагаючись виявити сигнал, і лише за умови, що середовище вільне, може розпочати передачу даних.

Однак, як ми вже зазначали, у цьому випадку велика ймовірність виникнення колізій, і для того, щоб знизити ймовірність виникнення подібних ситуацій, використовується механізм уникнення колізій (Collision Avoidance, CA). Суть даного механізму ось у чому. Кожен вузол мережі, переконавшись, що середовище вільне, перш ніж розпочати передачу, вичікує протягом певного проміжку часу. Цей проміжок є випадковим і складається з двох складових: обов'язкового проміжку DIFS (DCF Interframe Space) і проміжку зворотного відліку (Backoff Time), що вибирається випадковим чином. В результаті кожен вузол мережі перед початком передачі вичікує протягом випадкового проміжку часу, що, природно, значно знижує ймовірність виникнення колізій, оскільки ймовірність того, що два вузли мережі будуть вичікувати протягом одного і того ж проміжку часу, надзвичайно мала.

Щоб гарантувати всім вузлам мережі рівноправний доступом до середовища передачі даних, необхідно відповідним чином визначити алгоритм вибору тривалості проміжку зворотного отсчета. Цей проміжок хоч і є випадковим, але вибирається з безлічі деяких дискретних проміжків часу, тобто дорівнює цілій кількості елементарних тимчасових проміжків, які називаються тайм-слотами (SlotTime). Для вибору проміжку зворотного відліку кожен вузол мережі формує так зване вікно конкурентного доступу (Contention Window, CW), що використовується визначення кількості тайм-слотів, протягом яких станція чекала перед передачею. Мінімальний розмір вікна визначається у 31 тайм-слот, а максимальний – у 1023 тайм-слоти.

Коли вузол мережі намагається отримати доступ до середовища передачі даних, після обов'язкового проміжку очікування DIFS запускається процедура зворотного відліку, тобто включається зворотний відлік лічильника тайм-слотів починаючи від обраного значення вікна. Якщо протягом усього проміжку очікування середовище залишалося вільним, то вузол починає передачу.

Після успішної передачі вікно формується знову. Якщо ж за час очікування передачу почав інший вузол мережі, значення лічильника зворотного відліку зупиняється і передача даних відкладається. Після того як середовище стане вільним, даний вузол знову починає процедуру зворотного відліку, але вже з меншим розміром вікна, що визначається попереднім значенням лічильника зворотного відліку, і відповідно з меншим значенням часу очікування. При цьому очевидно, що чим більше разів вузол відкладає передачу через зайнятість середовища, тим вища ймовірність того, що наступного разу він отримає доступ до середовища передачі даних.

Розглянутий алгоритм реалізації колективного доступу до середовища передачі гарантує рівноправний доступ всіх вузлів мережі до середовища. Однак за такого підходу ймовірність виникнення колізій таки існує. Зрозуміло, що зменшити ймовірність виникнення колізій можна шляхом збільшення максимального розмірувікна, що формується, однак це збільшить часи затримок при передачі, зменшивши тим самим продуктивність мережі. Тому методі DCF для мінімізації колізій використовується наступний алгоритм. Після кожного успішного прийому кадру сторона, що приймає, через короткий проміжок SIFS (Short Interframe Space) підтверджує успішний прийом, посилаючи відповідну квитанцію - кадр ACK (ACKnowledgement). Якщо в процесі передачі даних виникла колізія, то сторона, що передає, не отримує кадр ACK про успішний прийом і тоді розмір вікна для передавального вузла збільшується майже вдвічі. Так, якщо для першої передачі розмір вікна дорівнює 31 слоту, то для другої спроби передачі він становить 63, для третьої — 127, для четвертої — 255, для п'ятої — 511, а для всіх наступних — 1023 слота. Отже, збільшення розміру вікна відбувається динамічно, зі зростанням кількості колізій, що дозволяє, з одного боку, зменшити тимчасові затримки, з другого — знизити ймовірність виникнення колізій.

Розглянутий механізм регламентування колективного доступу до середовища передачі має одне вузьке місце. Це так звана проблема прихованих вузлів. Через наявність природних перешкод можлива ситуація, коли два вузли мережі не можуть чути одне одного прямо; такі вузли називають прихованими. Для вирішення проблеми прихованих вузлів функція DCF опціонально передбачає можливість використання алгоритму RTS/CTS.

Алгоритм RTS/CTS

Відповідно до алгоритму RTS/CTS кожен вузол мережі, перед тим як надіслати дані, спочатку відправляє спеціальне коротке повідомлення, що називається RTS (Ready-To-Send) і означає готовність даного вузла до надсилання даних. Таке RTS-повідомлення містить інформацію про тривалість майбутньої передачі та про адресат і доступне всім вузлам в мережі (якщо, звичайно, вони не приховані від відправника). Це дозволяє іншим вузлам затримати передачу на час, що дорівнює оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція, отримавши сигнал RTS, відповідає посилкою сигналу CTS (Clear-To-Send), що свідчить про готовність станції прийому інформації. Після цього станція, що передає, посилає пакет даних, а приймальна станція повинна передати кадр ACK, що підтверджує безпомилковий прийом.

Тепер розглянемо ситуацію, коли мережа складається з чотирьох вузлів: A, B, C та D (рис. 1). Припустимо, що вузол C знаходиться в зоні досяжності тільки вузла A, вузол A знаходиться в зоні досяжності вузлів C і B, вузол B знаходиться в зоні досяжності вузлів A і D, а вузол D знаходиться в зоні досяжності тільки вузла B, тобто в мережі є приховані вузли: вузол C прихований від вузлів B і D, а вузол A прихований від вузла D.

У подібній мережі алгоритм RTS/CTS дозволяє впоратися з проблемою виникнення колізій, яка вирішується за допомогою розглянутого базового способу організації колективного доступу в DCF. Нехай вузол A намагається передати дані вузлу B; для цього він посилає сигнал RTS, який, крім вузла B, отримує також вузол C, але не отримує вузол D. Вузол C, отримавши даний сигнал, блокується, тобто зупиняє спроби передавати сигнал до моменту закінчення передачі між вузлами A і B. B, у відповідь отриманий сигнал RTS, посилає кадр CTS, який отримують вузли A і D. Вузол D, отримавши даний сигнал, також блокується на час передачі між вузлами A і B.

У алгоритму RTS/CTS є, однак, свої підводні камені, які у певних ситуаціях ведуть до зниження ефективності використання середовища передачі даних. Наприклад, іноді можливе таке явище, як поширення ефекту помилкових блокувань вузлів, що в кінцевому рахунку може призвести до ступору в мережі.

Розглянемо, наприклад, мережу, показану на рис. 2. Нехай вузол B намагається передати дані вузлу A, надсилаючи йому кадр RTS. Оскільки цей кадр отримує також і вузол C, останній блокується на час передачі між вузлами A і B. Вузол D, намагаючись передати дані вузлу C, посилає кадр RTS, але оскільки вузол C заблокований, то він не отримує відповіді і починає процедуру зворотного відліку із збільшеним розміром вікна. У той же час кадр RTS, надісланий вузлом D, отримує і вузол E, який, невірно припускаючи, що за цим піде сеанс передачі даних від вузла D до вузла, блокується. Однак це помилкове блокування, оскільки реально між вузлами D і C передачі немає, і таке явище помилкового блокування вузлів може призводити до короткочасного ступору всієї мережі.

Функція централізованої координації PCF

Вищеописаний механізм розподіленої координації DCF є базовим для протоколів 802.11 і може використовуватися і в бездротових мережах, що функціонують в режимі Ad-Hoc, і в мережах, що працюють у режимі Infrastructure, тобто в таких мережах, інфраструктура яких включає точку доступу (Access Point, AP ).

Однак для мереж в режимі Infrastructure природнішим є дещо інший механізм регламентування колективного доступу, відомий як функція централізованої координації (Point Coordination Function, PCF). Зазначимо, що механізм PCF є опціональним і застосовується лише у мережах із точкою доступу. У разі використання механізму PCF точка доступу є центром координації взаємодії (Point Coordinator, PC). На центр координації покладається управління колективним доступом решти вузлів мережі до середовища передачі на основі певного алгоритму опитування чи з пріоритетів вузлів мережі. Центр координації опитує всі вузли мережі, внесені до його списку, і виходячи з цього опитування організує передачу даних між усіма вузлами мережі. Слід зазначити, що такий підхід повністю виключає конкуруючий доступ до середовища, як у випадку механізму DCF, і унеможливлює виникнення колізій.

Функція централізованої координації не скасовує функцію розподіленої координації, а доповнює її, накладаючись поверх. Протягом певного проміжку часу реалізується механізм PCF, потім DCF, а потім все повторюється заново.

Для можливості чергування режимів PCF та DCF необхідно, щоб точка доступу, що виконує функції центру координації та реалізує режим PCF, мала пріоритетний доступ до середовища передачі даних. Це можна зробити, якщо використовувати конкурентний доступ до середовища передачі даних (як і в методі DCF), але для центру координації дозволити використовувати проміжок очікування менший DIFS. У цьому випадку, якщо центр координації намагається отримати доступ до середовища, то він очікує закінчення поточної передачі, а оскільки для нього визначається мінімальний режим очікування після виявлення «тиші» в ефірі, він першим отримує доступ до середовища.

IEEE 802.11 - набір стандартів зв'язку для комунікації в бездротовій локальній мережній зоні частотних діапазонів 0,9; 2,4; 3,6 та 5 ГГц.

Користувачам більш відомий за назвою Wi-Fi, що фактично є брендом, запропонованим і просувається організацією Wi-Fi Alliance. Набув широкого поширення завдяки розвитку в мобільних електронно-обчислювальних пристроях: КПК та ноутбуках.

Інститут інженерів з електротехніки та електроніки - IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E - "Ай трипл і") - міжнародна некомерційна асоціація фахівців у галузі техніки, світовий лідер у галузі розробки стандартів з радіоелектроніки та електротехніки.

Спочатку стандарт IEEE 802.11 передбачав можливість передачі даних по радіоканалу на швидкості не більше 1 Мбіт/с та, опціонально, на швидкості 2 Мбіт/с. Один із перших високошвидкісних стандартів бездротових мереж - IEEE 802.11a - визначає швидкість передачі вже до 54 Мбіт/с брутто. Робочий діапазон стандарту - 5 ГГц.

Всупереч своїй назві, прийнятий в 1999 році стандарт IEEE 802.11b не є продовженням стандарту 802.11a, оскільки в них використовуються різні технології: DSSS (точніше, його покращена версія HR-DSSS), технологія DSSS (розширення спектра радіосигналу за принципом прямої послідовності), в 802.11b проти OFDM, OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів), в 802.11a. Стандарт передбачає використання неліцензійного діапазону частот 2,4 ГГц. Швидкість передачі до 11 Мбіт/с.

Продукти стандарту IEEE 802.11b, що постачаються різними виробниками, тестуються на сумісність та сертифікуються організацією Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), яка нині більше відома під назвою Wi-Fi Alliance. Сумісні бездротові продукти, що пройшли випробування за програмою "Альянсу Wi-Fi", можуть бути марковані знаком Wi-Fi.

Довгий час IEEE 802.11b був поширеним стандартом, на базі якого було збудовано більшість бездротових локальних мереж. Зараз його місце зайняв стандарт IEEE 802.11g, що поступово витісняється високошвидкісним IEEE 802.11n.

Проект стандарту IEEE 802.11g був затверджений у жовтні 2002 р. Цей стандарт передбачає використання діапазону частот 2,4 ГГц, забезпечуючи швидкість з'єднання до 54 Мбіт/с (брутто) і перевищуючи таким чином стандарт IEEE 802.11b, який забезпечує швидкість з'єднання до 11 Мбіт/с. Крім того, він гарантує зворотну сумісність із стандартом 802.11b. Зворотна сумісність стандарту IEEE 802.11g може бути реалізована в режимі модуляції DSSS, тоді швидкість з'єднання буде обмежена одинадцятьма мегабітами в секунду або в режимі модуляції OFDM, при якому швидкість може досягати 54 Мбіт/с. Таким чином, даний стандартє найбільш прийнятним під час побудови бездротових мереж.

Масовість бездротових технологій зв'язку в наш час просто вражає. На окрему тему заслуговує технологія IEEE 802.11. У місті практично неможливо знайти місце, де ноутбук чи планшет «не знайшов» хоча б одну Wi-Fi мережа. У будь-якому кафе, багатоповерховому будинку чи офісі можна знайти кілька мовлень. Дуже важко недооцінити ту нотку зручності, яку надає нам ця технологія.

Той Wi-Fi, який ми використовуємо сьогодні, пройшов великий та тернистий шлях для зручності користувача, до якого ми всі з вами звикли. Безліч стандартів зі своїми особливостями передачі та частотними діапазонамисформували те, без чого життя IT-шника чи просто сучасної людиниважко уявити. Не занурюватимемося в історію, а лише зазначимо, що на даний момент активно експлуатуються стандарти 802.11g та 802.11n, які працюють у діапазоні 2,4 ГГц. У побуті існує безліч джерел перешкод для бездротових мереж, проте вони є основною проблемою. Винуватцем більшості незручностей є сама точка Wi-Fi, а якщо бути точніше, то їхня велика кількість поблизу один одного. Через популярність цієї технології та велику насиченість місць мовлення, користувачі можуть стикатися з деякими труднощами в роботі. Велике скупчення бездротових мереж може викликати ефект накладаючи частот один на одного, що викликає зменшення швидкості передачі або втрату з'єднання зовсім. Цей вагомий недолік, спричинений популяризацією бездротовий технології, був одним із гучних дзвіночків у WECA для впровадження стандарту IEEE 802.11ac.