Беспроводные сети связи 16 11 15

После каждого успешного приема кадра принимающая сторона через короткий промежуток SIFS (Short Interframe Space) подтверждает успешный прием, посылая ответную квитанцию – кадр ACK (рис. 9). Если в процессе передачи данных возникла коллизия, то передающая сторона не получает кадр ACK об успешном приеме. В этом случае размер CW-окна для передающего узла увеличивается.

Рис. 9. Кадры квитанции, отсылаемые в случае успешной передачи данных

Механизм DCF имеет одно узкое место — так называемую проблему скрытых узлов. Из-за наличия естественных препятствий возможна ситуация, когда два узла сети не могут «слышать» друг друга напрямую. Такие узлы называют скрытыми.

Для того чтобы разрешить проблему скрытых узлов, функция DCF опционально предусматривает возможность использования алгоритма RTS/CTS.

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем как послать данные в «эфир», сначала отправляет специальное короткое сообщение, которое называется RTS (Ready To Send) и означает готовность данного узла к отправке данных. RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети (если только они не скрыты от отправителя). Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посыл-

41

кой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приему информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием. Последовательность отправки кадров между двумя узлами сети показана на рис. 10 и рис 11.

Рассмотрим, как алгоритм RTS/CTS позволяет справиться с проблемой возникновения коллизий на примере сети из четырех узлов: A, B, C и D (рис. 11). Предположим, что узел C находится в зоне досягаемости только узла A, узел A находится в зоне досягаемости узлов C и B, узел B находится в зоне досягаемости узлов A и D, а узел D находится в зоне досягаемости только узла B. То есть, узел C скрыт от узлов B и D, узел A скрыт от узла D.

Пусть узел A пытается передать данные узлу B. Для этого он посылает сигнал RTS, который, помимо узла B, получает также узел C, но не получает узел D. Узел C, получив данный сигнал, блокируется, то есть приостанавливает попытки передавать сигнал до момента окончания передачи между узлами A и B. Узел B, в ответ на полученный сигнал RTS, посылает кадр CTS, который получают узлы A и D. Узел D, получив данный сигнал, также блокируется на время передачи между узлами A и B.

42

Механизм распределенной координации DCF является базовым для протоколов 802.11 и может использоваться как в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, так и в сетях, функционирующих в режиме Infrastructure.

Механизм PCF является опциональным и применяется только в сетях с точкой доступа. В случае задействования механизма PCF один из узлов сети (точка доступа) является центральным и называется центром координации (Point Coordinator, PC). Центр координации опрашивает все узлы сети, внесенные в его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между всеми узлами сети. Такой подход полностью исключает конкурирующий доступ к среде и делает невозможным возникновение коллизий. PCF может использоваться для организации приоритетного доступа к среде передачи данных.

Фактически в сетях с механизмом PCF реализуется как механизм PCF, так и традиционный механизм DCF. В течение определенного промежутка времени реализуется механизм PCF, затем – DCF, а потом все повторяется заново.

Режимы DCF и PCF объединяются в суперфрейме. Суперфрейм начинается с кадрамаячка (beacon), получив который все узлы сети приостанавливают попытки передавать данные на определенное время. Кадры маячки несут служебную информацию о продолжительности промежутка бесконкурентного доступа к среде.

43

Во время режима PCF точка доступа опрашивает все узлы сети о кадрах, которые стоят в очереди на передачу, посылая им служебные кадры CF_POLL. Опрашиваемые узлы в ответ на получение кадров CF_POLL посылают подтверждение СF_ACK.

Выглядит это примерно так:

Кадр MAC

Общая структура кадра используется для всех информационных и управляющих кадров.

FC - управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация

D/I- идентификатор длительности/соединения. Указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC.

SC- управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между данными приемником и передатчиком.

Тело кадра содержит модуль данных протокола LLC или управляющую информацию МAC.

CRC- контрольная последовательность кадра.

MAC уровень 802.11 поддерживает два режима потребления энергии:

-режим продолжительной работы (РПР),

-сберегающий режим (СР).

РПР – устройство всегда включено, при СР - периодически включается через определѐнные промежутки времени для приѐма "маячковых" сигналов. Клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в "спящий" режим.

44

Физический уровень стандарта IEEE 802.11

Определяет три метода передачи на физическом уровне.

Передача в диапазоне инфракрасных волн (IR) диапазона 850 нм, область покрытия ограничивается зоной прямой видимости,

Технология FHSS в диапазоне 2,4 ГГц,

Технология DSSS в диапазоне 2,4 ГГц.

IR: поддерживаются скорости ПД – 1 и 2 Мбит/с. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.

FHSS: полоса частот от 2,402 до 2,480 ГГц поделена на 79 неперекрывающихся каналов шириной по 1 МГц, частота перескоков не менее 2,5 раз в секунду.

Модуляция: для скорости 1 Мбит/с - двухуровневая GFSK, для 2 Мбит/с - четырехуровневая GFSK.

Скорость 1 Мбит/с обязательная, 2 Мбит/с – опция. Мощность передатчика ограничена 100 мВт.

DSSS: диапазон частот 2,4ГГц – 2,483 ГГц делится на 14 частично перекрывающихся каналов.

Модуляция: для скорости 1 Мбит/с - DBPSK, для 2 Мбит/с - DQPSK.

Протокол IEEE 802.11b/b+

802.11b (июль 1999 г.) - это расширение 802.11, работает на частоте 2,4 ГГц, макс. скорость до 22 Мбит/с. Макс. мощность передатчика не более 20 дБм (100 мВт). Используется DSSS.

Для работы на 1 и 2 Мбит/с используются коды Баркера, а для 5,5 и 11 Мбит/с - кодирование комплементарным кодом CCK.

Метод CCK использует DQPSK-модуляцию. Метод ССК строится на выделении из информационного потока групп по 8 бит. Эти 8 бит определяют информационный символ из 8 комплексных чипов. Чипы являются комплексными, поскольку они определяют I- и Q- квадратурные составляющие сигнала для DQPSK. Восемь чипов информационного символа последовательно модулируют несущую с частотой модуляции 11 МГц. Для 5,5 Мбит/с используется DBPSK-модуляция, и ССК-символ определяют не 8, а 4 инф-х бита, поэтому и скорость вдвое ниже.

В IEEE 802.11b как дополнительная опция вошел метод пакетного бинарного сверточного кодирования РВСС (пропускная способность 5,5; 11 и 22 Мбит/с).

Для 22 Мбит/с (IEEE 802.11b+) используется 8-PSK, в схему кроме сверточного кодера добавлен пунктурный кодер, который уничтожает лишние биты для уменьшения избыточности.

Средний радиус сети 802.11b составляет порядка 100 м.

Стандарт IEEE 802.11а.

802.11a (сентябрь 1999 г.) ориентирован на работу в 5-ГГц диапазоне. Диапазон разбит на три 100-МГц поддиапазона, различающихся по макс. мощности излучения:

IEEE 802.11а основывается на OFDM. Каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих. Из них 48 - для ПД, а 4 - для кодов коррекции ошибок. Разнос поднесущих 312,5 кГц.

Ширина сигнальной полосы - 16,66 МГц.

Скорости сверточного кодирования: 1/2, 9/16, 2/3, 3/4.

На разных уровнях используются различные схемы модуляции. На самом нижнем – BPSK, пропускная способность 6 Мбит/с. На след. уровне QPSK, скорость до 12 Мбит/с.

Для 16QAM ( кодирование 4 бит на 1Герц несущей частоты) пропускная способность канала 24 Мбит/с.

Для 64QAM (кодирование 8 или 10 бит на 1Герц ) обеспечивается макс. для стандарта скорость — 54 Мбит/с.

OFDM-символы передаются через каждые 4 мкс, каждому символу длительностью 3,2 мкс предшествует защитный интервал (циклический префикс) 0,8 мкс.

Кадр (пакет) OFDM включает

преамбулу (12 символов синхропоследовательности),

заголовок физического уровня и

информационное поле, сформированное на МАС-уровне.

Взаголовке передается информация о скорости кодирования, типе модуляции и длине пакета.

Преамбула и заголовок транслируются с минимально возможной скоростью (BPSK, 1/2), информационное поле – с указанной в заголовке скоростью.

Средний радиус сети стандарта IEEE 802.11a составляет 50 м.

Стандарт IEEE 802.11g (11 сентября 2003 г.)

представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM (802.11а) из диапазона 5

ГГц в область 2,4 ГГц при сохранении функциональности устройств стандар-

та 802.11b.

Для скоростей до 11 Мбит/с предусмотрена ССК-модуляция, для более высоких - OFDM.

Если в зоне слышимости окажутся устройства 802.11b и 802.11g, и обмен будет происходить между устройствами посредством OFDM, то оборудование 802.11b не поймет, что другие устройства сети ведут передачу, и попытается начать трансляцию. Для устранения такой ситуации предусмотрена работа в смешанном режиме CCKOFDM. В CCK-OFDM преамбула и заголовок кадра модулируются методом ССК, а инф. поле - методом OFDM. Т. о., все устройства 802.11b, постоянно "прослушивающие" эфир, принимают заголовки кадров и узнают, сколько времени будет транслироваться кадр 802.11g. В этот период они "молчат". Пропускная способность сети падает, поскольку скорость передачи преамбулы и заголовка - 1 Мбит/с.

46

Форматы кадров при использовании различного кодирования

В качестве доп. возможности в 802.11g ввели необязательный режим - PBCC, в котором заголовок и преамбула передаются по схеме ССК, а информационное поле модулируется по схеме PBCC и передается на скорости 22 или 33 Мбит/с.

Диапазон поддерживаемых скоростей IEEE 802.11g

Максимальная мощность излучения передатчика не более 24 дБм (250 мВт). Средний радиус сети стандарта 802.11g - порядка 100 м.

Стандарт 802.11n (11 сентября 2009 г.) разработан для оборудования, функционирующего на частотах 2,4 и 5 ГГц с максимально возможной скоростью до 600 Мбит/с.

Макс. скорость ПД достигается благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а также за счет реализации технологии MIMO со множеством антенн.

В основу технологии MIMO положена идея применения раздельно нескольких передающих и приемных антенн. Передаваемый поток данных разбивается на независимые последовательности битов, которые пересылаются одновременно, с использованием разных антенн. При этом антенны передают данные независимо друг от друга и в одном и том же частотном диапазоне. В технологии MIMO реализовано несколько

47

пространственно разнесенных подканалов, по которым данные передаются одновременно в одном и том же частотном диапазоне.

Технология MIMO не влияет на метод кодирования данных и может использоваться с разными способами модуляции.

На приемной стороне каждая из m антенн получает сигналы, которые являются суперпозицией n сигналов от всех передающих антенн. Для приведенного на рисунке 111 примера сигналы Ri приемника, можно представить в виде:

Для того чтобы на приемной стороне декодер мог правильно восстановить все сигналы, он должен прежде всего определить коэффициенты передачи канала hij. В целях оценки канала используются некоторые из подканалов с пилотными поднесущими. Пилот-сигналы – это сигналы с заранее известными параметрами, с помощью которых можно проводить оценку канала. Пилотные поднесущие модулируются ПСП, известной на приеме. На приеме эталонное значение пилот-несущей делят на принятый пилот-сигнал, и получают коэффициент канала.

Существует большое количество методов обработки полученного сигнала, но самый простой по сути и самый ресурсоемкий это ML (Maximum Likehood — максимального правдоподобия). Решение о принятом сигнале принимается по минимальной разнице между вычисленным значением сигнала и принятой реализацией прямым перебором по всем подканалам и возможным сигналам.

Основные параметры 802.11n:

5725-5825

Оборудование Wi-Fi в стандарте 802.11n может работать в трех режимах:

режим предыдущих версий (Legacy), поддержка всех предыдущих версий стан-

дарта 802.11a, b, g (нет поддержки 802.11n);

смешанный режим (Mixed), поддержка всех предыдущих версий стандарта

802.11a, b, g и частичная поддержка 802.11n;

высокоскоростной режим (HT), только полная поддержка 802.11n и не поддерживаются все предыдущие версии.

Максимальная теоретическая скорость 600 Мбит/с может быть достигнута для четырех потоков, модуляции 64-QAM, скорости кодирования 5/6, длительности защитного интервала 400 нс. При других комбинациях параметров - другие скорости передачи.

IEEE 802.11ac (январь 2014 г.) называют VHT (очень высокая пропускная способность). В основе 802.11ac лежит 802.11n-2009. Одна из особенностей - больший диапазон покрытия и стабильный сигнал. Улучшения были получены с помощью технологии «бимформинга» (Beamforming) - возможности динамически менять диаграмму направленности антенн. Определяется расположение оборудования и сигнал Wi-Fi направляется в определенное место. Данная схема позволяет увеличить качество приема сигнала.

На физ. уровне в 11ас применяется OFDM. Используется тот же принцип модуляции, перемежение битов и кодирование, что и в 11n. Устройства 802.11ас должны поддерживать каналы 20, 40 и 80 МГц и один пространственный поток. Для обеспечения более высокой пропускной способности введено несколько дополнений:

–поддержка каналов шириной 80+80 МГц и 160 МГц;

–поддержка от 2 до 8 пространственных каналов;

–модуляция 256QAM;

–принцип MIMO для нескольких пользователей;

–короткий защитный интервал 400 нс;

–блочное кодирование пространство-время STBC;

–контроль четности низкой плотности LDPC.

Устройства 11ас, которые выполняют только обязательные требования, передают данные со скоростью 293 Мбит/с, а устройства, оснащенные всеми дополнительными особенностями, обеспечивают скорость до 3,5 Гбит/с. Канал шириной 80 МГц состоит из двух соседних неперекрывающихся полос по 40 МГц. Канал 160 МГц состоит из двух половин по 80 МГц, которые могут быть смежными или разделенными.

49

Продукты 802.11ас принято делить на «две волны». Решения 802.11ас «первой волны» поддерживают до трех пространственных потоков и полосу шириной до 80 МГц. Возможные скорости при этом — до 1,3 Гбит/с (при использовании 3 пространственных потоков).

Вторая волна 802.11ac предполагает внедрение Multi-User MIMO (MU MIMO), а также поддержку до 8 пространственных потоков и полосы шириной до 160 МГц. Такие усовершенствования позволят увеличить скорости передачи до 6,9 Гбит/с.

ТД с поддержкой 802.11ac MU MIMO может одну часть пространственных потоков направлять на одного клиента, другие — на других.

Пример использования техно-

логии MU MIMO:

ТД передает два потока данных на ноутбук и смартфон. ТД оснащена 4 антеннами, ноутбук — 3, смартфон — 1. Передатчик задействует 3 антенны для обслуживания ноутбука: поток для ноутбука разделяется на три потока, которые пересылаются на все 3 антенны

приемника. Четвертая антенна передатчика выделена для обслуживания смартфона.

50