2.3 Технологии физического уровня стандарта ieee 802.11
Набор стандартов 802.11 определяет целый ряд технологий реализации физического уровня (PHY), которые могут быть использованы подуровнем 802.11 MAC. В этой главе рассматривается каждый из уровней PHY, перечисленных ниже:
- уровень PHY стандарта 802.11 со скачкообразной перестройкой частоты (frequency hopping) в диапазоне 2,4 ГГц;
- уровень PHY стандарта 802.11 с расширением спектра методом прямой последовательности (direct sequence) в диапазоне 2,4 ГГц;
- уровень PHYстандарта 802.l1b с комплиментарным кодированием в диапазоне 2,4 ГГц;
- уровень PHY стандарта 802.11а с ортогональным частотным мультиплексированием (orthogonal frequency division multiplexion, OFDM) в диапазоне 5 ГГц;
- расширенный физический уровень (extended rate physical (ERP) layer) стандарта 802.11g в диапазоне 2,4 ГГц.
Основное назначение физических уровней стандарта 802.11 — обеспечить механизмы беспроводной передачи для подуровня MAC, а также поддерживать выполнение вторичных функций, таких, как оценка состояния беспроводной среды и сообщение о нем подуровню MAC. Уровни МАС и PHY разрабатывались так, чтобы они были независимыми. Именно независимость между MAC и подуровнем PHY и позволила использовать дополнительные высокоскоростные физические уровни, описанные в стандартах 802.l1b, 802.11а и 802.11g.
Каждый из физических уровней стандарта 802.11 имеет два подуровня:
Physical Layer Convergence Procedure (PLCP). Процедура определения состояния физического уровня.
Physical Medium Dependent (PMD). Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи.
На рисунке 2.7 показано, как эти подуровни соотносятся между собой и с вышестоящими уровнями.
Рисунок 2.7 - Подуровни уровня PHY модели взаимодействия
открытых систем (Open System Interconnection, OSI)
Подуровень PLCP по существу является уровнем обеспечения взаимодействия (handshaking layer), на котором осуществляется перемещение элементов данных протокола MAC (MAC protocol data units, MPDU) между МАС-станциями с использованием подуровня PMD, на котором реализуется тот или иной метод передачи и приема данных через беспроводную среду. Подуровни PLCP и PMD отличаются для разных вариантов стандарта 802.11.
Перед тем, как приступить к рассмотрению физических уровней, рассмотрим одну из составляющих физического уровня, до сих пор не упомянутую, а именно: скремблирование.
Скремблирование
Одна из особенностей, лежащих в основе современных передатчиков, благодаря которой данные можно передавать с высокой скоростью, — это предположение о том, что данные, которые предлагаются для передачи, поступают, с точки зрения передатчика, случайным образом. Без этого предположения многие преимущества, получаемые за счет применения остальных составляющих физического уровня, остались бы нереализованными. Однако вполне вероятно и часто происходит на практике, что принимаемые данные не вполне случайны и на самом деле могут содержать повторяющиеся наборы и длинные последовательности нулей и единиц. Скремблирование (перестановка элементов) — это метод, посредством которого принимаемые данные делаются более похожими на случайные; достигается это путем перестановки битов последовательности таким образом, чтобы превратить ее из структурированной в похожую на случайную. Эту процедуру иногда называют отбеливание (whitening) потока данных. Дескремблер (descrambler) приемника затем выполняет обратное преобразование этой случайной последовательности с целью получения исходной структурированной последовательности. Большинство из способов скремблирования относится к числу самосинхронизирующихся; это означает, что дескремблер способен самостоятельно синхронизироваться со скремблером.
Физический уровень стандарта IEEE 802.11
Исходный стандарт 802.11 определяет три метода передачи на физическом уровне:
передача в диапазоне инфракрасных волн;
технология расширения спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц;
технология широкополосной модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц.
В первом варианте средой являются инфракрасные волны диапазона 850 нм, которые генерируются либо полупроводниковым лазерным диодом, либо светодиодом (LED). Так как инфракрасные волны не проникают через стены, область покрытия LAN ограничивается зоной прямой видимости. Стандарт предусматривает три варианта распространения излучения: ненаправленную антенну, отражение от потолка и фокусное направленное излучение. В первом случае узкий луч рассеивается с помощью системы линз. Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например, между двумя зданиями
Беспроводные локальные сети со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)
Беспроводные локальные сети FHSS поддерживают скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. Как следует из названия, устройства FHSS осуществляют скачкообразную перестройку частоты по предопределенной схеме. Устройства FHSS делят предназначенную для их работы полосу частот от 2,402 до 2,480 ГГц на 79 неперекрывающихся каналов (это справедливо для Северной Америки и большей части Европы). Ширина каждого из 79 каналов составляет 1 МГц, поэтому беспроводные локальные сети FHSS используют относительно высокую скорость передачи символов, 1 МГц, и намного меньшую скорость перестройки с канала на канал.
Последовательность перестройки частоты должна иметь следующие параметры: частота перескоков не менее 2,5 раз в секунду, как минимум, между 6-ю (6 МГц) каналами. Чтобы минимизировать число коллизий между перекрывающимися зонами покрытия, возможные последовательности перескоков должны быть разбиты на три набора последовательностей, длина которых для Северной Америки и большей части Европы составляет 26. В таблице 2.2 представлены схемы скачкообразной перестройки частоты, обеспечивающие минимальное перекрытие.
Т а б л и ц а 2.2 - Схема FHSS для Северной Америки и Европы
Набор |
Схема скачкообразной перестройки частоты |
1 |
{0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,30,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60,63,66,69,72, 75} |
2 |
{1,4,7,10,13,16,19,22,25,28,31,34,37,40,43,46,49,52,55,58,61,64,67,70,73, 76} |
3 |
{2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,56,59,62,65,68,71,72,77} |
По сути, схема скачкообразной перестройки частоты обеспечивает неторопливый переход с одного возможного канала на другой таким образом, что после каждого скачка покрывается полоса частот, равная, как минимум, 6 МГц, благодаря чему в многосотовых сетях минимизируется возможность возникновения коллизий.