24.3. Физический уровень стандартов сетей Wi-Fi
Рассмотрим физические уровни стандартов группы 802.11, которые различаются технологиями и достижимыми скоростями:
Важной проблемой в развитии сетей Wi-Fi является выделение соответствующей полосы рабочих частот. Быстрое развитие сетей обеспечивается при выделении диапазона частот, не требующего лицензирования. В России разрешено нелицензионное использование диапазона частот 2,4 ГГц и 5,5 Ггц. Диапазон 2,4 ГГц предусмотрен всеми стандартами рассматриваемой группы, кроме 802.11а, который допускает работу только в нелицензионном диапазоне 5 ГГц. Нелицензионный диапазон частот используется для промышленных, медицинских и научных нужд ISM (Industrial, Scientific, Medical), включая домашние радиотелефоны, СВЧ — печи и др. Поэтому высокий уровень помех потребовал отмеченную в разделе 2 фрагментацию кадров на подуровне MAC.
24.3.1. Базовый стандарт 802.11
В базовом (изначальном) стандарте 802.11 регламентируется работа оборудования на центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 2 Мбит/с. На физическом уровне базового протокола 802.11 реализовано 2 метода передачи данных, позволяющие передать кадр подуровня МАС с одной станции на другую [10]:
- метод перескока частоты FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum);
- опционно метод расширение спектра методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).
Метод FHSS аналогичен ранее рассматриваемому перескоку частоты в сети GSM и EDGE, а метод DSSS во многом напоминает ранее рассматриваемый метод в системе кодового разделения CDMA. Устройства FHSS делят предназнченную для их работы полосу частот от 2,402 до 2,480 ГГц на 79 неперекрывающихся каналов. Ширина каждого из 79 каналов составляет 1МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные пересылаются последовательно по различным каналам с использованием выбранной схемы. Частота перескока должна быть не менее 2,5 раза в секунду между шестью каналами. Технология FHSS и DSSS обеспечивает максимальную скорость передачи данных лишь 2Мбит/с, в то время как сейчас имеются более быстродействующие сети на основе стандартов 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n.
24.3.2. Стандарт 802.11b
На физическом уровне 802.11b реализован метод высокоскоростной передачи широкополосного канала по методу прямой последовательности HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum). Каждый информационный бит замещается чиповой последовательностью 11 бит, равной скалярному произведению информационного бита на поледовательность Баркера длиной 11 бит B1=(10110111000). Далее сигнал кодируется посредством дифференциальной двух- или четырехпозиционной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK, один или два чипа на символ). При частоте модуляции несущей 11МГц общая скорость составляет в зависимости от типа модуляции 1 или 2 Мбит/с. Стандарт 802.11b предусматривает скорости передачи 11 и 5,5 Мбит/с. Для этого используется кодирование комплементарным кодом (ССК-модуляция, Complementary Code Keying), которое позволяет кодировать 8 бит на один символ, что соответствует скорости передачи 11 Мбит/с. При скорости передачи 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется 4 бита. В протоколе также предусмотрена коррекция ошибок FEC. В расширенном варианте стандарта 802.11b+ скорость передачи данных может достигать 22 Мбит/с. В стандарте 802.11b используется мониторинг качества канала, позволяющий автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от уровня сигнал/помеха. Поэтому теоретическая скорость не однозначно соответствует реальной скорости передачи данных. За последние годы во всем мире резко возросло количество беспроводных устройств, использование которых иногда создавало проблему помех и перегруженности диапазона 2,4 ГГц. Сети стандарта 802.11b работают в этом нелицензионном диапазоне. Чтобы разгрузить диапазон 2,4 ГГц был разработан стандарт 802.11a для частот 5 ГГц. В этом диапазоне уровень совокупности шумов меньше. В стандарте 802.11b принят в качестве дополнительного еще один способ модуляции — пакетное бинарное сверточное кодирование РВССС. Этот механизм позволяет добиваться в сетях пропускную способность 5,5; 11 и 22 Мбит/с.
Глава 24. Беспроводные локальные сети стандартов 802.11
Стандарт IEEE 802.11 является базовым для всех последующих спецификаций (802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n). Коммерческое название этих сетей — Wi-Fi (Wireless Fidelity). Эта технология используется в таких областях, как беспроводный доступ в Интернет, беспроводное телевидение. Различные стандарты семейства Wi-Fi определяют физический уровень (PHY) и подуровень управления доступом к среде (каналу) MAC (Medium Access Control). Верхние уровни совпадают по своей структуре, как для беспроводных, так и для проводных локальных сетей. Физический уровень определяет способ работы со средой передачи, скорость и методы модуляции. Подуровень MAC отвечает за распределение канала, т.е. за то, какая станция будет передавать следующей. На MAC-подуровне определён принцип, по которому устройства используют (делят) общий канал; механизм аутентификации пользователя и механизм шифрования данных. Поскольку стандарт 802.11 разрабатывался как «беспроводный Ethernet», он предусматривает пакетную передачу с 48-битовыми адресами пакетов, как и любая сеть Ethernet. Комитет IEEE 802 обеспечил совместимость всех своих стандартов. Беспроводные сети 802.11 легко сопрягаются с проводными сетями Ethernet.
Стандарт 802.11 предусматривает два основные способа (режима) организации сети [87,88]:
- с базовой станцией, называемой в терминологии 802.11 точкой доступа AP (Access Point). Связь между устройствами происходит только через AP. Через AP может быть выход во внешние проводные сети. Такие сети называют также структурированными или работающими в режиме инфраструктуры. Такой режим позволяет транслировать мультимедийную информацию для работы в Интернете (рис. 24.1, а). В сети 802.11 может быть несколько точек доступа, объединённых проводной сетью Ethernet (рис. 24.1, б). Фактически такая сеть представляет набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата. Точки доступа АР могут быть доступны к Интернету также через беспроводную сеть WiMAX (см. следующую главу).
- без базовой станции (т.е. без точки доступа), по принципу «равный с равным». Такие сети называют беспроводными самоорганизующимися сетями Ad Hoc (рис. 24.2). Беспроводные клиенты в этом режиме представляют независимый базовый набор служб IBSS (Independent Basis Service Set) [88]. Сети, которые поддерживают такую архитектуру, обычно называют беспроводными Ad Hoc сетями. Термин Ad Hoc-по английски — for this purpuse (целевые). Мобильная Ad Hoc сеть (MANET, Mobile Ad Hoc Network) является распределённой системой из мобильных терминалов, снабженных приемо-передатчиком [89]. Они могут динамически организовывать временные сети. В сетях MANET мобильные устройства выполняют функции не только оконечных станций, но и сетевых узлов, выполняющих функции маршрутизаторов.
Рис. 24.1. Режим с точкой доступа
Рис. 24.2. Режим без точки доступа (сеть Ad Hoc)
Как правило, такие сети не требуют администрирования. Терминалы, которые не находятся в радиусе действия приемо-передатчиков, осуществляют передачу через последовательность промежуточных маршрутизаторов. Сеть MANET является многошаговой (multihop) в отличие от сети с точкой доступа и может быть подключена с помощью шлюзов к фиксированной сети.