Технология dsss стандарта 802.11

Аналогично подуровню PLCP, используемому в технологии FHSS, подуровень PLCP технологии DSSS стандарта 802.11 добавляет два поля во фрейм MAC, чтобы сформировать PPDU: преамбулу PLCP и заголовок PLCP. Формат фрейма представлен на рисунок 2.11.

Рисунок 2.11 - Формат фрейма DSSS PPDU стандарта 802.11

Преамбула PLCP состоит из двух подполей:

• подполе Sync шириной 128 бит, представляющее собой строку, состоящую из единиц. Задача этого подполя — обеспечить синхронизацию для приемной станции;

• подполе SFD шириной 16 бит; в нем содержится специфичная строка ОхF3A0; его задача — обеспечить тайминг (timing) для приемной станции.

Заголовок PLCP состоит из четырех подполей:

• подполе Signal шириной 8 бит, указывающее тип модуляции и скорость передачи для данного фрейма;

• подполе Service шириной 8 бит, зарезервировано. Это означает, что во время разработки спецификации стандарта оно осталось неопределенным; предполагается, что оно пригодится в будущих модификациях стандарта;

• подполе Length шириной 16 бит, указывающее количество микросекунд (из диапазона 16—216 - 1), необходимое для передачи части MAC фрейма;

• подполе CRC 16-битная контрольная сумма.

Подуровень PLCP преобразует фрейм в поток битов и передает данные на подуровень PMD. Весь PPDU проходит через процесс скремблирования с целью рандомизации данных.

Скремблированная преамбула PLCP всегда передается со скоростью 1 Мбит/с, в то время как скремблированный фрейм MPDU передается со скоростью, указанной в подполе Signal. Подуровень PMD модулирует отбеленный поток битов, используя следующие методы модуляции:

• двоичная относительная фазовая модуляция (differential binary phase shift keying, DBPSK) для скорости передачи 1 Мбит/с;

• квадратурная относительная фазовая модуляция (differential quadrature phase shift key, DQPSK) для скорости передачи 2 Мбит/с.

Физический уровень стандарта IEEE 802.11b

На физическом уровне к МАС-кадрам (MPDU) добавляется заголовок физического уровня, состоящий из преамбулы и собственно PLCP-заголовка (рисунок 2.12). Преамбула содержит стартовую синхропоследовательность (SYNC) для настройки приемника и 16-битный код начала кадра (SFD) — число F3A0₁₆. PLCP-заголовок включает поля SIGNAL (информация о скорости и типе модуляции), SERVICE (дополнительная информация, в том числе о применении высокоскоростных расширений и PBSS-модуляции) и LENGTH (время в микросекундах, необходимое для передачи следующей за заголовком части кадра). Все три поля заголовка защищены 16-битной контрольной суммой CRC.

Рисунок 2.12 - Структура кадров сети 802.11b PHY-уровня

В стандарте IEEE 802.11b предусмотрено два типа заголовков: длинный и короткий (рисунок 2.13). Они отличаются длиной синхропоследовательности (128 и 56 бит), способом ее генерации, а также тем, что символ начала кадра в коротком заголовке передается в обратном порядке. Кроме того, если все поля длинного заголовка передаются со скоростью 1 Мбит/с, то при коротком заголовке преамбула транслируется на скорости 1 Мбит/с, другие поля заголовка — со скоростью 2 Мбит/с. Остальную часть кадра можно передавать на любой из допустимых стандартом скоростей передачи, указанных в полях SIGNAL и SERVICE. Короткие заголовки физического уровня предусмотрены спецификацией IEEE 802.11b для увеличения пропускной способности сети.

Рисунок 2.13 - Короткий заголовок кадров сети 802.11b

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

Напомним, что изначально стандарт IEEE 802.11 предусматривал работу в режиме DSSS с использованием так называемой Баркеровской последовательности (Barker) длиной 11 бит: В1 = (10110111000). Каждый информационный бит замещается своим произведением по модулю 2 (операция «исключающее ИЛИ») с данной последовательностью, т. е. каждая информационная единица заменяется на B1, каждый ноль — на инверсию B1. В результате бит заменяется последовательностью 11 чипов. Далее сигнал кодируется посредством дифференциальной двух- или четырехпозиционной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK, один или два чипа на символ соответственно). При частоте модуляции несущей 11 МГц общая скорость составляет в зависимости от типа модуляции 1 и 2 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11b дополнительно предусматривает скорости передачи 11 и 5,5 Мбит/с. Для этого используется так называемая ССК-модуляция (Complementary Code Keying — кодирование комплементарным кодом). В основу данного метода легли работы специалистов компаний Intersil (ранее — Harris Semiconductor) и отчасти Agere Systems (полупроводниковое подразделение, выделенное из Lucent Technologies).

Хотя механизм расширения спектра, используемый для получения скоростей 5,5 и 11 Мбит/с с применением ССК, относится к методам, которые применяются для скоростей 1 и 2 Мбит/с, он по-своему уникален. В обоих случаях применяется метод расширения, но при использовании модуляции ССК расширяющий код представляет собой код из 8 комплексных чипов (complex chip), в то время как при работе со скоростями 1 и 2 Мбит/с применяется 11-разрядный код. 8-чиповый код определяется или 4, или 8 битами — в зависимости от скорости передачи данных. Скорость передачи чипов составляет 11 Мчип/с, т.е. при 8 комплексных чипах на символ и 4 или 8 битов на символ можно достигнуть скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с.

Для того чтобы передавать данные со скоростью 5,5 Мбит/с, нужно сгруппировать скремблированный поток битов в символы по 4 бита (b0, b1, b2 и bЗ). Последние два бита (b2 и bЗ) используются для определения 8 последовательностей комплексных чипов, как показано в таблице 2.3, где {cl, с2, сЗ, с4, с5, с6, с7, с8} представляют чипы последовательности. В таблице 2.3 j представляет мнимое число, корень квадратный из - 1, и откладывается по мнимой, или квадратурной оси комплексной плоскости.

Т а б л и ц а 2.3 - Последовательность чипов ССК

(b2, bЗ)	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7	С8
00	j	1	j	-1	j	1	-1	1
01	-j	-1	-j	1	j	1	-j	1
10	-j	1	-j	-1	-j	1	j	1
11	j	-1	j	1	-j	1	j	1

Теперь, имея последовательность чипов, определенную битами (b2, bЗ), можно использовать первые два бита (b0, b1) для определения поворота фазы, осуществляемого при модуляции по методу DQPSK, который будет применен к последовательности (таблице 2.4). Вы должны также пронумеровать каждый 4-битовый символ PSDU, начиная с 0, чтобы можно было определить, преобразуете вы четный либо нечетный символ в соответствии с этой таблицей. Следует помнить, что речь идет об использовании DQPSK, а не QPSK, и поэтому представленные в таблице изменения фазы отсчитываются по отношению к предыдущему символу или, в случае первого символа PSDU, по отношению к последнему символу предыдущего DQPSK символа, передаваемого со скоростью 2 Мбит/с.

Т а б л и ц а 2.4 - Поворот фазы при модуляции ССК

(b0,b1)	Изменение фазы четных символов	Изменение фазы нечетных символов
00	0
01		-
11		0
10	-

Это вращение фазы применяется по отношению к 8 комплексным чипам символа, затем осуществляется модуляция на подходящей несущей частоте.

Чтобы передавать данные со скоростью 11 Мбит/с, скремблированная последовательность битов PSDU разбивается на группы по 8 символов. Последние 6 битов выбирают одну последовательность, состоящую из 8 комплексных чипов, из числа 64 возможных последовательностей, почти так же, как использовались биты (b2, bЗ) для выбора одной из четырех возможных последовательностей. Биты (b0,b1) используются таким же образом, как при модуляции ССК на скорости 5,5 Мбит/с для вращения фазы последовательности и дальнейшей модуляции на подходящей несущей частоте.

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

На практике важно не только операционное усиление. Существенную роль играет и равномерность распределения символов в фазовом пространстве — они должны как можно дальше отстоять друг от друга, чтобы минимизировать ошибки их детектирования. И с этой точки зрения ССК-модуляция не выглядит оптимальной, ее реальное операционное усиление не превышает 2 дБ. Поэтому изначально прорабатывался другой способ модуляции — пакетное бинарное сверточное кодирование РВСС (Packet Binary Convolutional Coding). Этот метод вошел в стандарт IEEE 802.11b как дополнительная (необязательная) опция. Механизм РВСС (рисунок 2.14) был предложен специалистами фирмы Alantro Communications, в 2000 году вошедшей в состав компании Texas Instruments. РВСС позволяет добиваться в сетях IEEE 802.11b пропускной способности 5,5; 11 и 22 Мбит/с.

Рисунок 2.14 - Общая схема РВСС-модуляции

Как следует из названия, метод основан на сверточном кодировании. Для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с поток информационных битов поступает в шестиразрядный сдвиговый регистр с сумматорами (рисунке 2.15.а). В начальный момент времени все триггеры сдвигового регистра инициализируют нулем. В результате каждый исходный бит d заменяется двумя битами кодовой последовательности (c0, c1). При скорости 11 Мбит/с с0 и c1 задают один символ четырехпозиционной QPSK-модуляции. Для скорости 5,5 Мбит/с используют двухпозиционную BPSK-модуляцию, последовательно передавая кодовые биты c0 и с1. Если же нужна скорость 22 Мбит/с, схема кодирования усложняется (рисунке 2.15.б): три кодовых бита (c0-c2) определяют один символ в 8-позиционной 8-РSК-модуляции.

После формирования PSK-символов происходит скремблирование. В зависимости от сигнала s (рисунок 2.9) символ остается без изменений (s = 0), либо его фаза увеличивается на (s = 1). Значение s определяет 256-битовая циклически повторяющаяся последовательность S. Она формируется на основе начального вектора U = 338Bh, в котором равное число нулей и единиц.

Рисунок 2.15 - Схема сверточного ВСС-кодирования: а — для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с; б — для скорости 22 Мбит/с

У шестиразрядного сдвигового регистра, применяемого в РВСС для скоростей 11 и 5,5 Мбит/с, 64 возможных выходных состояния. Так что при модуляции РВСС информационные биты в фазовом пространстве оказываются гораздо дальше друг от друга, чем при ССК-модуляции. Поэтому РВСС и позволяет при одних и тех же соотношении сигнал/шум и уровне ошибок вести передачу с большей скоростью, чем в случае СКК (рисунок 2.16). Однако плата за более эффективное кодирование — сложность аппаратной реализации данного алгоритма. Видимо, не случайно продвигать РВСС-модуляцию стала компания Texas Instruments — ведущий производитель процессоров цифровой обработки сигнала.

Несмотря на все усилия Texas Instruments, режим 22 Мбит/с так и не вошел в стандарт IEEE 802.11b, хотя даже появилось обозначение «IEEE 802.11b+» и устройства на основе АСХ100 начали производить такие известные компании, как D-Link и NDC. Не получили распространения и сети со скоростью 22 Мбит/с. Видимо, тут играют роль два обстоятельства. Прежде всего, процедура стандартизации — это конкуренция за получение значительных финансовых прибылей в виде лицензионных отчислений тому, чья технология стала стандартной. В данном случае столкнулись интересы двух гигантов полупроводниковой индустрии — компаний Intersil и Texas Instruments. Поддерживать одновременно два вида модуляции сложно в финансовом и техническом отношении, поэтому и был принят ССК-вариант.

Рисунок 2.16 - Дальность связи при различных способах модуляции и фиксированном затухании в канале (по материалам компании Texas Instruments о применении ИС АСХ100)

С другой стороны, скорости порядка 22 Мбит/с стали мало интересны для потребителей, так как перед ними открылись новые перспективы — до 54 Мбит/с.

Физический уровень стандарта IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а появился практически одновременно с IEEE 802.11b, в сентябре 1999 года. Эта спецификация была ориентирована на работу в диапазоне 5 ГГц и основана на принципиально ином, чем описано выше, механизме кодирования данных — на частотном мультиплексировании посредством ортогональных несущих (OFDM). В России допустимо использование оборудования стандартов 802.11а и Hiper LAN 2 в полосе частот 400 МГц (рисунок 2.17). Этой полосы достаточно для построения полноценных сетей радиодоступа на всей территории страны.

Стандарт 802.11a определяет характеристики оборудования, применяемого в офисных или городских условиях, когда распространение сигнала происходит по многолучевым каналам из-за множества отражений.

В IEEE 802.11а каждый кадр передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала — 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, а также 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования r (1/2 и 3/4, для 64-QAM — 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48

Рисунок 2.17 - Национальные распределения полос частот для оборудования стандарта IEEE 802.11а

и 54 Мбит/с. В таблице 2.5 показано, как необходимая скорость передачи данных преобразуется в соответствующие параметры узлов передатчика OFDM.

Из 52 несущих 48 предназначены для передачи информационных символов, остальные 4 — служебные. Структура заголовков физического уровня отличается от принятого в спецификации IEEE 802.11b, но не существенно (рисунок 2.18). Кадр включает преамбулу (12 символов синхропоследовательности), заголовок физического уровня (PLCP-заголовок) и собственно информационное поле, сформированное на МАС-уровне. В заголовке передается информация о скорости кодирования, типе модуляции и длине кадра. Преамбула и заголовок транслируются с минимально возможной скоростью (BPSK, скорость кодирования r = 1/2), а информационное поле — с указанной в заголовке, как правило, максимальной, скоростью, в зависимости от условий обмена. OFDM-символы передаются через каждые 4 мкс, причем

Т а б л и ц а 2.5 - Параметры передатчика стандарта 802.11а

Скорость передачи данных (Мбит/с)	Модуляция	Скорость сверточного кодирования	Число канальных битов на поднесущую	Число канальных битов на символ	Число битов данных на символ OFDM
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

каждому символу длительностью 3,2 мкс предшествует защитный интервал 0,8мкс (повторяющаяся часть символа). Последний необходим для борьбы с многолучевым распространением сигнала — отраженный и пришедший с задержкой символ попадет в защитный интервал и не повредит следующий символ.

Рисунок 2.18 -. Структура заголовка физического уровня стандарта IEEE 802.11а

Естественно, формирование/декодирование OFDM-символов происходит посредством быстрого преобразования Фурье (обратного/прямого, ОБПФ/БПФ). Функциональная схема трактов приема/передачи (рисунок 2.19) достаточно стандартна для данного метода и включает сверточный кодер, механизм перемежения /перераспределения (защита от пакетных ошибок) и процессор ОБПФ. Фурье-процессор, собственно, и формирует суммарный сигнал, после чего к символу добавляется защитный интервал, окончательно формируется OFDM-символ и посредством квадратурного модулятора/конвертера переносится в заданную частотную область. При приеме все происходит в обратном порядке.

Рисунок 2.19 - Функциональная схема трактов приема/передачи стандарта IEEE 802.11а

Физический уровень стандарта IEEE 802.11g

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

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

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

Рисунок 2.20 - Кадры IEEE 802.11g в различных режимах модуляции

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

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

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

Скорость, Мбит/с	Тип модуляции
	Обязательно	Допустимо
1	Последовательность Баркера
2	Последовательность Баркера
5,5	CCK	РВСС
6	OFDM	CCK-OFDM
9		OFDM, CCK-OFDM
11	CCK	РВСС
12	OFDM	CCK-OFDM
18		OFDM, CCK-OFDM
22		РВСС
24	OFDM	CCK-OFDM
33		РВСС
36		OFDM, CCK-OFDM
48		OFDM, CCK-OFDM
54		OFDM, CCK-OFDM

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

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

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

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

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

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

В таблице 2.7 представлена сводная информация по параметрам физических уровней.

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

Параметр	802.11 DSSS	802.11 FHSS	802.11b	802.11а	802.11g
Частотный диапазон (ГГц)	2,4	2,4	2,4	5	2,4
Максимальная скорость передачи данных (Мбит/c)	2	2	11	54	54
Технология	DSSS	FHSS	CCK	OFDM	OFDM
Тип модуляции (для максимальной скорости передачи)	QPSK	GFSK	QPSK	64-QAM	64-QAM
Число неперекрывающихся каналов	3	3	3	15	3