Протоколы беспроводных локальных сетей
Двоичное пакетное сверточное кодирование
Использование метода PBCC в протоколе IEEE 02.11b
Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием
овсеместное
распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление
мобильных технологий со встроенным беспроводным решением (Intel Centrino) привело
к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали
обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются
прежде всего как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных
локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет. Однако конечный
пользователь, не являющийся сетевым администратором, как правило, не слишком
разбирается в сетевых технологиях, поэтому ему трудно сделать выбор при покупке
беспроводного решения, особенно учитывая многообразие предлагаемых сегодня продуктов.
Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи,
не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, предлагающий
еще более высокие скорости передачи. Речь, конечно же, идет о семействе протоколов
беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят следующие протоколы:
802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g, а в последнее время стали говорить
и о протоколе 802.11g+.
А если к этому богатому семейству добавить еще протоколы безопасности и QoS, такие как 802.11e, 802.11i, 802.11h и т.д., то станет понятно, что разобраться во всем этом не так-то просто.
С целью облегчить жизнь тем, кто хочет приобщиться к миру беспроводной связи, но не знает, с чего начать, мы решили составить краткое руководство, ознакомившись с которым читатель сможет понять основные различия между протоколами беспроводной связи семейства 802.11 и разобраться с принципами функционирования беспроводных сетей.
Прежде чем переходить к рассмотрению конкретных стандартов семейства 802.11, основные различия между которыми, как будет показано в дальнейшем, заключается в способах кодирования информации и вытекающей из этого разнице в скоростях приема/передачи, нам предстоит разобраться с технологией передачи данных и используемыми для этого методами кодирования на физическом уровне.
Технология уширения спектра
основе всех беспроводных протоколов семейства 802.11 лежит технология уширения
спектра (Spread Spectrum, SS). Данная технология подразумевает, что первоначально
узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информационный сигнал при передаче
преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра
первоначального сигнала. То есть спектр сигнала как бы «размазывается» по частотному
диапазону. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение
спектральной энергетической плотности сигнала — энергия сигнала также «размазывается»
по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается
значительно ниже мощности исходного сигнала. При этом уровень полезного информационного
сигнала может в буквальном смысле сравняться с уровнем естественного шума. В
результате сигнал становится неразличимым — он теряется на уровне естественного
шума.
Собственно, именно в изменении спектральной энергетической плотности сигнала и заключается идея уширения спектра. Дело в том, что если подходить к проблеме передачи данных традиционным способом, то есть так, как это делается в радиоэфире, где каждой радиостанции отводится свой диапазон вещания, то мы неизбежно столкнемся с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне, предназначенном для совместного использования, невозможно уместить всех желающих. Поэтому необходимо найти такой способ передачи информации, при котором пользователи могли бы сосуществовать в одном частотном диапазоне и при этом не мешать друг другу.
Для безлицензионного использования в Европе и США (именно в этом спектральном диапазоне работают протоколы семейства 802.11) отводится радиодиапазон от 2400 до 2483,4 МГц, предназначенный для применения в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM) и называемый ISM-диапазоном), и от 5725 до 5875 МГц, но при этом строго регламентируется мощность передатчиков, которая ограничивается величиной 100 мВт в Европе (ограничения ETSI) и 1 Вт в США (ограничения FCC).
Именно для того чтобы иметь возможность организовать совместное использование в радиодиапазона в таких жестких условиях, и используется технология уширения спектра.
Существует несколько различных технологий уширения спектра, однако для дальнейшего понимания протоколов беспроводной связи нам необходимо детально ознакомиться лишь с технологией уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).
Технология DSSS
При потенциальном кодировании информационные биты — логические нули и единицы — передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность информационного бита, тем больший спектр занимает такой сигнал.
Для преднамеренного уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в технологии DSSS в каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) в буквальном смысле встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты — логические нули или единицы — при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип — это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.
Величину, характеризующую, во сколько раз ширина спектра преобразованного сигнала больше ширины спектра первоначального сигнала, называют коэффициентом уширения спектра сигнала (Processing Gain, PG), выражают в децибелах и рассчитывают по формуле:
,
где C — скорость чиповой последовательности, а R — информационная скорость.
Ясно, что если длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного
бита, то есть в одном информационном бите умещается n чипов, то скорость чиповой
последовательности в n раз больше информационной скорости, поэтому коэффициент
уширения спектра сигнала можно выразить по формуле: 
.
Рассмотрим, к примеру, ситуацию, когда в один информационный бит, соответствующий логической единице, встраивается 11-чиповая последовательность нулей и единиц: 10110111000. Логический нуль при этом может соответствовать инверсной чиповой последовательности, то есть последовательности 01001000111. При этом должно выполняться условие, чтобы длительность одного чипа последовательности была в 11 раз меньше длительности информационного бита:
.
Коэффициент уширения спектра сигнала в этом случае будет равен:
.
Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.
Как уширить спектр сигнала и сделать его неотличимым от естественного шума, понятно. Для этого, в принципе, можно воспользоваться произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Однако возникает вопрос: а как такой сигнал принимать? Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так-то просто, если вообще возможно. Оказывается, возможно, но для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника (рис. 1).
Рис. 1. Использование технологии уширения спектра позволяет предавать данные на уровне естественного шума
Коды Баркера
Чиповых последовательностей, отвечающих указанным требованиям, существует достаточно много, но для нас особый интерес представляют так называемые коды Баркера, поскольку именно они используются в протоколе 802.11.
Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение.
Существуют различные по длительности коды Баркера: 3, 4, 5, 7, 11 и 13 чипов, которые отличаются друг от друга коэффициентом уширения спектра (табл. 1).
Таблица 1. Коды Баркера и соответствующий им коэффициент уширения спектра
В протоколах семейства 802.11 используется код Баркера длиной в 11 чипов с коэффициентом уширения спектра 10,41 дБ.
Для того чтобы передать сигнал, информационная последовательность бит в приемнике складывается по модулю 2 (mod 2) c 11-чиповым кодом Баркера с использованием логического элемента XOR (исключающее ИЛИ) (рис. 2).
Рис. 2. Принцип работы передатчика
 |
|
Протокол IEEE 802.11
ассмотренного
способа уширения спектра DSSS вполне достаточно, что разобраться с самым первым
протоколом беспроводной связи IEEE 802.11, послужившим основой для целого семейства
протоколов беспроводной связи. Сегодня решений, базирующихся исключительно на
этом протоколе, уже не существует, однако он заслуживает отдельного разговора
хотя бы потому, что входит как подмножество в протоколы 802.11b и 802.11g.
В стандарте 802.11 предусмотрено использование частотного диапазона от 2400 до 24835 МГц и скоростей передачи 1 и 2 Мбит/с.
Для кодирования данных используется метод DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера.
При информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составляет 11x106 чип/с, а ширина спектра такого сигнала — 22 МГц.
Для модуляции синусоидального несущего сигнала (процесс, необходимый для информационного наполнения несущего сигнала) используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).
При относительной фазовой модуляции кодирование информации происходит за счет
сдвига фазы синусоидального сигнала по отношению к предыдущему состоянию сигнала.
Двоичная фазовая модуляция предусматривает два возможных значения сдвига фазы
— 0 и p. Тогда логический нуль может передаваться синфазным сигналом (сдвиг
по фазе равен 0), а единица — сигналом, который сдвинут по фазе на 
.
Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется та же технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key). При относительной квадратурной фазовой модуляции сдвиг фаз может принимать четыре различных значения:
и 
.
Следовательно, используя четыре дискретных состояния сигнала, отличающихся
друг от друга сдвигами фаз, можно в одном дискретном состоянии закодировать
последовательность двух информационных бит (дибит) и тем самым в два раза повысить
информационную скорость передачи. К примеру, дибиту 00 может соответствовать
сдвиг фазы, равный 0; дибиту 01 — сдвиг фазы, равный 
;
дибиту 11 — сдвиг фазы, равный ;
дибиту 10 — сдвиг фазы, равный 
.
Для полноты картины нам остается выяснить, почему относительная фазовая модуляция
с четырьмя возможными значениями сдвига фазы называется квадратурной. Дело в
том, что любой модулированный по фазе гармонический сигнал 
можно
представить в виде суммы двух гармонических составляющих, смещенных друг относительно
друга по фазе на :
.
Oдна из этих составляющих синфазна сигналу генератора несущего сигнала, а вторая
находится в квадратуре по отношению к этому сигналу (отсюда и происходит название
квадратурной модуляции). Синфазная составляющая 
обозначается
как I (In Phase), а квадратурная составляющая 
—
как Q (Quadrature).
Схема квадратурного модулятора показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема квадратурного модулятора
В заключение рассмотрения физического уровня протокола 802.11 отметим, что при информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11·106 чип/с, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала.
CCK-последовательности
Для работы на скоростях выше 2 Мбит/с вместо шумоподобных последовательностей Баркера для уширения спектра используются так называемые комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK).
Такие CCK-последовательности обладают тем свойством, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю.
Нас будут интересовать 8-чиповые CCK-последовательности, определенные на множестве комплексных элементов {1, –1, j, –j}, поскольку именно такие последовательности используются в протоколе 802.11b.
В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с четырьмя различными фазами, то есть о комплементарных последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов {1, –1, j, –j}.
Каждый элемент такой последовательности представляет собой комплексное число,
записываемое в виде 
,
где значение 
может быть
равным 0, , —
и . Соответственно сами элементы 8-чиповой
последовательности могут принимать одно из следующих восьми значений: 1, –1,
j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j.
Тут стоит сделать небольшое лирическое отступление, дабы не оттолкнуть читателя
сложностью используемого математического аппарата. Математика комплексных чисел
может вызывать массу негативных воспоминаний, ассоциируясь с чем-то уж совсем
абстрактным. Но в данном случае все достаточно просто. Комплексное представление
сигнала — это лишь удобный математический аппарат для представления модулированного
по фазе сигнала. Так, значение последовательности, равное 1, соответствует синфазному
к сигналу генератора сигналу (то есть сдвиг фазы отсутствует). Значение последовательности,
равное –1, соответствует противофазному (сдвиг фазы равен )
сигналу. Соотношение между возможными элементами последовательности и соответствующими
сдвигами фаз представлено в табл. 2.
Таблица 2. Соотношение между возможными элементами последовательности и соответствующими сдвигами фаз
Общий вид ССК-последовательности довольно сложен для восприятия и уж тем более
для запоминания, поэтому рассмотрим сначала алгоритм построения этой последовательности.
Значение 
каждого члена
последовательности зависит от значения четырех фаз 
и
может быть найдено путем умножения некоторой образующей матрицы размером 4x8
на вектор :
Структура образующей матрицы весьма проста для запоминания: первый столбец состоит из одних единиц, второй столбец — чередующиеся единицы и нули, третий столбец — чередование двух единиц и двух нулей, а в последнем столбце — чередование четырех единиц и четырех нулей.
Если же с помощью данного матричного выражения записать саму 8-чиповую CCK-последовательность, то получится следующее сложное выражение:
.
Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера
заключается в том, что существует не строго заданная последовательность, посредством
которой можно кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей.
Учитывая, что каждый элемент последовательности может принимать одно из восьми
значений в зависимости от значения фаз ,
ясно, что можно скомбинировать достаточно большое количество разных CCK-последовательностей.
Это обстоятельство позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько
информационных бит и тем самым повышать информационную скорость передачи.
|
|
Протокол IEEE 802.11b
ротокол
IEEE 802.11b, принятый в июле 1999 года, является своего рода расширением базового
протокола 802.11 и, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, предусматривает скорости 5,5
и 11 Мбит/с. Для работы на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с используются CCK-последовательности.
Вообще говоря, использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бит на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом в обоих случаях символьная скорость передачи составляет 1,385x106 символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385).
Значения фаз ,
определяющих элементы CCK-последовательности, зависят от последовательности
входных информационных бит. Значение 
выбирается
по первому дибиту, 
— по
второму, 
— по третьему
и 
— по четвертому. Таким
образом, для однозначного определения ССК-последовательности требуется знание
8 бит (четырех дибит) входных данных. Соотношение между входными дибитами и
фазами представлено в табл.
3.
Таблица 3. Соотношение между входными дибитами и фазами
Если посмотреть на структуру CCK-последовательности, то можно заметить, что
множитель 
, значение
которого определяется значением первого дибита, присутствует во всех членах
последовательности. Фактически это означает, что все элементы CCK-последовательности
испытывают один и тот же сдвиг фазы на ,
что можно интерпретировать как сдвиг фазы всего символа (вся последовательность
задает один символ) по отношению к фазе предыдущего переданного символа. Поэтому
для задания самой CCK-последовательности используются 6 бит данных (второй,
третий и четвертый дибиты). Поскольку 6 бит данных могут иметь 64 различные
комбинации, то в протоколе IEEE 802.11b при кодировании каждого символа используется
одна из 64 возможных восьмиразрядных CKK-последовательностей. Это позволяет
кодировать 6 бит в одном передаваемом символе, а учитывая, что каждый символ
дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего символа в зависимости
от значения первого дибита и значение сдвига фазы может принимать четыре значения,
получаем, что в каждом символе кодируется 8 информационных битов. Для сдвига
символов по фазе относительно друг друга используется уже рассмотренный QPSK-модулятор.
Схема работы CCK-модулятора представлена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема CCK-модулятора при скорости передачи 11 Мбит/с
При скорости передачи 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется уже 4 бита, что и определяет в два раза меньшую информационную скорость. При такой скорости передачи используются уже рассмотренные CCK-последовательности, образуемые по тем же самым правилам. Единственное различие заключается в количестве используемых CCK-последовательностей и правиле их выбора.
Для задания всех членов CCK-последовательности, то есть задания фаз используются
четыре входных информационных бита, то есть два дибита. Первый дибит, как и
прежде, задает значение сдвига по фазе целого символа, причем для четного и
нечетного символа используются различные значения сдвигов фаз (табл. 4).
Таблица 4. Соотношение между входными дибитами и сдвигами фаз четных и нечетных символов
Второй дибит, то есть биты d2 и d3, определяют значения
фаз и :
Значение фазы принимается равным 0.
Поскольку для задания CCK-последовательности используется только один дибит или два информационных бита, то всего можно задать совокупность четырех различных последовательностей, что позволит кодировать два информационных бита в одном символе. Если учесть, что каждый символ, кроме того, дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего на одно из четырех возможных значений, то это позволяет кодировать еще два бита в одном символе. В итоге получаем, что в одном символе кодируется 4 информационных бита. Схема CCK-модулятора при скорости передачи 5,5 Мбит/с показана на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема CCK-модулятора при скорости передачи 5,5 Мбит/с
Рассматривая возможные скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с в протоколе 802.11b, мы до сих пор оставляли без внимания вопрос, зачем нужна скорость 5,5 Мбит/с, если использование CCK-последовательностей позволяет передавать данные на скорости 11 Мбит/с. Теоретически это действительно так, но только если не учитывать при этом помеховой обстановки. В реальных условиях зашумленность каналов передачи и соответственно соотношение уровней шума и сигнала могут оказаться такими, что передача на высокой информационной скорости, то есть когда в одном символе кодируется множество информационных битов, будет невозможной по причине их ошибочного распознавания. Не вдаваясь в математические детали, отметим лишь, что чем выше зашумленность каналов связи, тем меньше информационная скорость передачи. При этом важно, что приемник и передатчик правильно анализировали помеховую обстановку и выбирали приемлемую скорость передачи.
|
|
Двоичное пакетное сверточное кодирование
ля
дальнейшего рассмотрения протоколов беспроводной связи семейства 802.11 нам
предстоит ознакомиться с еще одним типом кодирования — так называемым двоичным
пакетным сверточным кодированием (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC).
Идея сверточного кодирования заключается в следующем. Входящая последовательность информационных битов преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.
Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере используется семь битов входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний (K = 7).
Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.
В технологии PBCC используются сверточные кодеры на семь состояний (K = 7) со скоростью r = 1/2. Схема такого кодера показана на рис. 6.
Рис. 6. Схема сверточного кодера, используемого в кодировании PBCC (K = 7, r = 1/2)
Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования (вспомним, что каждому информационному биту ставится в соответствие дибит, то есть избыточность кода равна 2) даже в случае возникновения ошибок приема (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приемника применяется декодер Витерби.
Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции. Причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная фазовая модуляция.
Как видите, технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), здесь не используется технология уширения спектра за счет применения шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.
В методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала используются по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK (рис. 7).
Рис. 7. Возможные типы сигнальных созвездий при QPSK- и BPSK-модуляциях
Выбор между конкретным типом используемого созвездия задается управляющим сигналом S, принимающим значение 0 или 1. Этот сигнал задается псевдослучайной последовательностью с периодом повторения 256 бит, которая формируется из 16-битной базовой последовательности 0011001110001011. Для того чтобы из данной базовой 16-битной последовательности получить 256-битную, используют циклический сдвиг одновременно трех первых символов. Так получают еще пятнадцать 16-битных последовательностей, что в сумме дает одну 256-битную.
|
|
Использование метода PBCC в протоколе IEEE 02.11b
етод
пакетного сверточного кодирования опционально предусмотрен как альтернативный
метод кодирования в протоколе 802.11b на скоростях передачи 5,5 и 11 Мбит/с.
Кроме того, именно данный режим кодирования лег в основу протокола 802.11b+
— расширения протокола 802.11b. Собственно, протокола 802.11b+ как такового
официально не существует, однако данное расширение поддержано многими производителями
беспроводных устройств. В протоколе 802.11b+ предусматривается еще одна скорость
передачи данных — 22 Мбит/с с использованием технологии PBCC.
При скорости передачи 5,5 Мбит/с для модуляции дибита, формируемого сверточным кодером, используется двоичная фазовая модуляция BPSK, а при скорости 11 Мбит/с — квадратурная фазовая модуляция QPSK. При этом для скорости 11 Мбит/с в каждом символе кодируется по одному входному биту и скорость передачи бит соответствует скорости передачи символов, а при скорости 5,5 Мбит/с скорость передачи битов равна половине скорости передачи символов (поскольку каждому входному биту в данном случае соответствуют два выходных символа). Поэтому и для скорости 5,5 Мбит/с, и для скорости 11 Мбит/с символьная скорость составляет 11x106 символов в секунду.
Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, используется фазовая 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже 3 бита. Кроме того, в схему помимо сверточного кодера добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходятся два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных.
Для этого можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.
Допустим, что пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных битов. Тогда каждым четырем входящим битам будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3.
Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.
Разобравшись с принципом работы пунктурного кодера, вернемся к рассмотрению кодирования PBCC на скорости 22 Мбит/с в протоколе 802.11b+.
В сверточный кодер (K = 7, R = 1/2) данные поступают со скоростью 22 Мбит/с. После добавления избыточности в сверточном кодере биты со скоростью потока 44 Мбит/с поступают в пунктурный кодер 4:3, в котором избыточность уменьшается так, чтобы на каждые четыре входных бита приходились три выходных. Следовательно, после пунктурного кодера скорость потока составит уже 33 Мбит/с (не информационная, а общая скорость с учетом добавленных избыточных битов). Полученная в результате последовательность направляется в фазовый модулятор 8-PSK, где каждые три бита упаковываются в один символ. При этом скорость передачи составит 11x106 символов в секунду, а информационная скорость — 22 Мбит/с.
В заключение обсуждения протокола 802.11b/b+ приведем таблицы соответствия между скоростями передачи и типом кодирования (табл. 5 и 6).
Таблица 5. Соотношение между скоростями передачи и типом кодирования в стандарте 802.11b/b+
* Скорость 22 Мбит/с относится только к протоколу 802.11b+.
|
|
Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием
ще
один интересный способ кодирования сигнала, используемый в протоколах беспроводной
связи 802.11g и 802.11а, — это так называемое ортогональное частотное разделение
каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,
OFDM), которое применяется при высоких скоростях передачи.
Прежде чем переходить к детальному описанию данной технологии, попробуем разобраться, что мешает увеличивать информационную скорость уже рассмотренными способами, такими как пакетное сверточное кодирование.
Прежде всего отметим, что распространение сигналов в открытой среде, коей является радиоэфир, сопровождается возникновением разного рода помех, источником которых служат сами распространяемые сигналы. Классический пример таких помех — эффект многолучевой интерференции сигналов, заключающийся в том, что в результате многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.
Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, — противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.
Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превышает времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).
Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ — это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.
Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования эффективность использования эквалайзеров падает.
В стандарте 802.11b с максимальной скоростью передачи 11 Мбит/с при использовании CCK-кодов и QDPSK-модуляции схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым.
Поэтому при более высоких скоростях передачи применяется принципиально иной метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.
Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.
При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.
Важно, что, хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 8).
Рис. 8. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими
Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 9).
Рис. 9. Реализация метода OFDM
Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, присоединяемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.
Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис. 10).
Рис. 10. Избежание межсимвольной интерференции за счет использования охранных интервалов
При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал — 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.
|
|
Стандарт IEEE 802.11g
тандарт
IEEE 802.11g достаточно молод — спецификация была принята в июне 2003 года.
Однако, несмотря на свою «молодость», этот протокол уже успел получить широкое
распространение. По своей идеологии стандарт 802.11g является логическим развитием
стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне,
но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим
с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами
802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.
При разработке стандарта 802.11g рассматривалось несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения OFDM, предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g основан на компромиссном решении: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.
В протоколе 802.11g технология кодирования PBCC опционально (но не обязательно) может использоваться на скоростях 5,5; 11; 22 и 33 Мбит/с. Вообще же, в самом стандарте обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) — опциональными. Кроме того, одна и та же скорость передачи может реализовываться при различной технике модуляции. Например, скорость передачи 24 Мбит/с может быть достигнута как при многочастотном кодировании OFDM, так и при гибридной технике кодирования CCK-OFDM.
Отметим, что для обязательных скоростей в стандарте 802.11g используется только кодирование CCK и OFDM, а гибридное кодирование и кодирование PBCC является опциональным. Соотношение между различными скоростями передачи и используемыми методами кодирования отображено в табл. 6.
Таблица 6. Соотношение между скоростями передачи и типом кодирования в стандарте 802.11
Говоря о технологии частотного ортогонального разделения каналов OFDM, применяемой на различных скоростях в протоколе 802.11g, мы до сих пор не касались вопроса о методе модуляции несущего сигнала.
Напомним, что в протоколе 802.11b для модуляции использовалась либо двоичная (BDPSK), либо квадратурная (QDPSK) относительная фазовая модуляция. В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи также используется фазовая модуляция (только не относительная), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при использовании QPSK-модуляции — два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK — на скоростях 12 и 18 Мбит/с.
Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM — на скоростях 48 и 54 Мбит/с.
Естественно, возникает вопрос: почему при одном и том же типе модуляции возможны различные скорости передачи? Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Дело в том, что при использовании технологии OFDM применяется сверточное кодирование с различными пунктурными кодерами, что приводит к различной скорости сверточного кодирования. В результате при использовании одного и того же типа модуляции могут получаться разные значения информационной скорости — все зависит от скорости сверточного кодирования. Так, при применении BPSK-модуляции со скоростью сверточного кодирования 1/2 получаем информационную скорость 6 Мбит/с, а при использовании сверточного кодирования со скоростью 3/4 — 9 Мбит/с.
Единственное, о чем мы пока не упоминали, — это техника гибридного кодирования. Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок/преамбулу со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются посредством многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM — не единственная гибридная технология: при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передается с помощью CCK-кодов, только данные кадра кодируются посредством PBCC.
|
|
Стандарт IEEE 802.11а
ассмотренные
выше стандарты 802.11b и 802.11g относились к частотному диапазону 2,4 ГГц (от
2,4 до 2,4835 ГГц). Стандарт 802.11a предполагает использование уже более высокочастотного
диапазона (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). В США данный диапазон
именуют диапазоном нелицензионной национальной информационной инфраструктуры
(Unlicensed National Information Infrastructure, UNII).
В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний диапазон (от 5,25 до 5,35 ГГц) — 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) — до 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт 802.11а самым широкополосным в семействе стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов шириной 20 МГц, восемь из которых лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала — в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц. При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.
Протокол 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов используется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет ширину 20 МГц, получаем, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуются только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные — для передачи служебной информации (Pilot Тones).
По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от протокола 802.11a. На низких скоростях передачи используются двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK, а на высоких скоростях — квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. Кроме того, в протоколе 802.11а для повышения помехоустойчивости предусмотрено применение сверточного кодирования. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть различной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи также оказывается различной.
Рассмотрим, к примеру, скорости передачи 6 и 9 Мбит/с, реализуемые при использовании двоичной фазовой модуляции BPSK.
В методе OFDM время длительности одного символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс, а значит, частота следования импульсов будет 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получим, что общая скорость передачи составит 250 кГц Ѕ 48 каналов = 12 МГц. Если скорость сверточного кодера составляет 1/2, то скорость передачи информационных бит окажется равной 6 Мбит/с. Если же скорость сверточного кодирования будет 3/4, то скорость передачи информационных бит окажется равной 9 Мбит/с. Всего в поротоколе 802.11a предусмотрено использование восьми различных режимов передачи, отличающихся друг от друга скоростью, типом модуляции и используемой скоростью сверточного кодирования (табл. 7). При этом подчеркнем, что в самом протоколе 802.11а обязательными являются только скорости 6, 12 и 24 Мбит/с, а все остальные — опциональными.
Таблица 7. Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a
|
|
Мифы о беспроводных сетях
о
сих пор мы рассматривали протоколы беспроводной связи семейства 802.11 только
на физическом уровне, то есть детально рассмотрели вопросы, связанные с методами
кодирования и модулирования сигналов. При этом, как было показано, максимальная
скорость, определяемая протоколом 802.11b, составляет 11 Мбит/с, а для протоколов
802.11a и 802.11g — 54 Мбит/с.
Однако следует четко различать полную скорость передачи и полезную скорость передачи. Дело в том, что технология доступа к среде передачи данных, структура передаваемых кадров, заголовки, прибавляемые к передаваемым кадрам на различных уровнях модели OSI, — все это предполагает наличие достаточно большого объема служебной информации. Вспомним хотя бы наличие охранных интервалов при использовании OFDM-технологии. В результате полезная, или реальная, скорость передачи, то есть скорость передачи пользовательских данных, всегда оказывается ниже полной скорости передачи.
Поэтому реальная скорость передачи по протоколу TCP, соответствующая скорости 11 Мбит/с в протоколе 802.11b, составляет всего 5,8 Мбит/с, то есть почти в два раза ниже. Аналогично, реальная скорость передачи по протоколу TCP, соответствующая скорости 54 Мбит/с в протоколах 802.11a и 802.11g, составляет всего 24,7 Мбит/с.
Более того, реальная скорость передачи зависит и от структуры беспроводной сети. Так, если все клиенты сети используют один и тот же протокол, например 802.11g, то сеть является гомогенной и скорость передачи данных в такой сети выше, чем в смешанной сети, где имеются клиенты как 802.11g, так и 802.11b. Дело в том, что клиенты 802.11b «не слышат» клиентов 802.11g, которые используют OFDM-кодирование. Поэтому с целью обеспечения совместного доступа к среде передачи данных клиентов, использующих различные типы модуляции, в подобных смешанных сетях точки доступа должны отрабатывать определенный механизм защиты. Таких механизмов существует два: RTS/CTS и CTS-to-self. Не вдаваясь в подробности реализации данных механизмов, отметим лишь, что в результате использования механизмов защиты в смешанных сетях реальная скорость передачи становится еще меньше. Так, при использовании механизма защиты RTS/CTS максимальная реальная скорость в смешанной сети составляет 11,8 Мбит/с, а при использовании механизма CTS-to-self — 14,7 Мбит/с.
График зависимости максимальной полезной скорости передачи от расстояния до точки доступа для различных типов беспроводных сетей показан на рис. 11.
Рис. 11. График зависимости максимальной полезной скорости передачи от расстояния до точки доступа для различных типов сетей
Приведенный график весьма наглядно демонстрирует реальную ситуацию с беспроводными сетями. Несмотря на рекламные заявления о высоких скоростях передачи и о радиусе действия вплоть до 300 м (в открытом пространстве), реальная ситуация не так хороша, как хотелось бы и как это утверждается в рекламных проспектах.
Другой рекламный миф, связанный с беспроводными сетями, — это уже упоминавшийся протокол 802.11g+. Некоторые производители (например, D-Link) на коробках своих изделий (точках доступа и беспроводных адаптерах), кроме надписи «802.11g+», указывают еще и скорость 108 Мбит/с. Любой здравомыслящий пользователь из приведенных данных делает логическое заключение, что протокол 802,11g+ обеспечивает вдвое большую, по сравнению с протоколом 802.11g, скорость передачи.
Производители поскромнее (например, U.S.Robotics) указывают несколько меньшую скорость — 100 Мбит/с, что, впрочем, является таким же блефом, как и скорость 108 Мбит/с.
Казалось бы, что, собственно, в этом странного? Добавили еще один тип кодирования и модуляции сигнала и получили в два раза большую скорость. Но в том-то и заключается миф, что никакого протокола 802.11g+ в природе не существует. В решениях под маркой 802.11g+ на физическом уровне используются те же самые режимы передачи, что и в протоколе 802.11g. Поэтому максимальная полная скорость передачи остается прежней, то есть 54 Мбит/с. Собственно, речь идет не об изменении физического уровня, а о некоторых изменениях MAC-уровня, то есть уровня доступа к среде передачи данных.
То, что принято называть протоколом 802.11g+, представляет собой не что иное, как изменение MAC-уровня и введение режима блочной передачи (packet bursting), позаимствованного из протокола 802.11e. В режиме блочной передачи все пакеты, передаваемые в одном блоке, используют сокращенные заголовки, что позволяет уменьшить объем передаваемой служебной информации и тем самым увеличить полезный трафик.
Фактически, все производители чипсетов для беспроводных решений (Intersil, Texas Instruments, Atheros, Broadcom и Agere) в том или ином виде реализовали режим 802.11e/packet bursting. Однако проблема заключается в том, что все производители по-разному реализуют данный режим и нет никакой гарантии, что решения различных производителей смогут взаимодействовать друг с другом в режиме блочной передачи.
