Беспроводные сети семейства IEEE 802.11g

Сергей Пахомов

Введение

Канальный уровень стандарта IEEE 802.11g

   Режимы функционирования беспроводных сетей

   Технология коллективного доступа CSMA/CA

Физический уровень стандарта IEEE 802.11g

   Последовательности Баркера. Скорости передачи 1 и 2 Мбит/с

   Комплементарные CCK-последовательности. Скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с

   Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC. Скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с

   Пунктурное кодирование. Скорости передачи 22 и 33 Мбит/с

   Ортогональное частотное разделение каналов

   Технология гибридного кодирования CCK-OFDM

Заключение

Введение

чевидно, что популярность беспроводных сетей неуклонно растет. Их стремительному распространению способствует прежде всего то, что они не требуют построения специальной инфраструктуры и обеспечивают пользователю мобильность. Теперь не нужно прокладывать сетевые кабели, чтобы оснастить каждое рабочее место доступом к локальной и глобальной сети. Уже сегодня ясно, что за беспроводными сетями будущее. Но… именно будущее, а не настоящее. Сейчас беспроводные сети не могут успешно конкурировать с проводными, поскольку обладают по сравнению с ними рядом недостатков. Главный недостаток беспроводных сетей — низкая скорость передачи данных: в то время как для проводных сетей завоевывает популярность стандарт Gigabit Ethernet с максимальной скоростью передачи 1000 Мбит/с, для беспроводных максимальная скорость передачи не превышает нескольких десятков мегабит в секунду. Еще один серьезный недостаток — нестабильность соединения, чего нельзя сказать о проводных соединениях. Кроме того, беспроводные сети менее защищены при передаче конфиденциальной информации.

Конечно, все перечисленные недостатки беспроводных сетей носят временный характер, однако сегодня беспроводное решение уместнее рассматривать не как альтернативу Ethernet, а как дополнение, расширяющее возможности классических проводных сетей.

Существуют различные типы беспроводных сетей, отличающиеся друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11b (максимальная скорость соединения 11 Мбит/с), IEEE 802.11b+ (максимальная скорость соединения 22 Мбит/с) и IEEE 802.11a (максимальная скорость соединения 54 Мбит/с), а в последнее время говорят о внедрении нового протокола IEEE 802.11g.

Будущее стандарта 802.11a довольно туманно. Наверняка в России и в Европе этот стандарт не получит широкого распространения, да и в США, где он сейчас используется, скорее всего, в ближайшее время произойдет переход на альтернативные стандарты. А вот новый стандарт 802.11g имеет значительные шансы завоевать признание во всем мире, тем более что максимальная скорость передачи, предусмотренная данным протоколом, составляет 54 Мбит/с — это столько же, сколько и в стандарте 802.11a. Другое преимущество нового стандарта 802.11g заключается в том, что он полностью совместим со стандартами 802.11b и 802.11b+, то есть любое устройство, поддерживающее стандарт 802.11g, будет работать (правда, на меньших скоростях соединения) и в сетях стандарта 802.11b/b+, а устройство, поддерживающее стандарт 802.11b/b+, — в сетях стандарта 802.11g, хотя и с меньшей скоростью соединения.

Совместимость стандартов 802.11g и 802.11b/b+ обусловлена, во-первых, тем, что они предполагают использование одного и того же частотного диапазона, а во-вторых, что все режимы, предусмотренные в протоколах 802.11b/b+, реализованы и в стандарте 802.11g. Поэтому стандарт 802.11b/b+ можно рассматривать как подмножество стандарта 802.11g.

Если же говорить о перспективах внедрения этого стандарта, то, по нашим прогнозам, это произойдет в ближайшем будущем — сразу же после объявления корпорацией Intel беспроводных модулей стандарта 802.11g составной частью технологии Intel Centrino.

Итак, давайте подробнее рассмотрим столь перспективный стандарт 802.11g.

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11g работает на физическом и канальном уровнях. Любое сетевое приложение, сетевая операционная система или протокол (например, TCP/IP) будет так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Канальный уровень стандарта IEEE 802.11g

анальный уровень состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде передачи данных (Media Access Control, MAC).

На подуровне LLC протокол 802.11g не отличается от других протоколов семейства 802 (в частности, используется такая же 48-битная адресация). Поэтому в плане операционной системы и приложений беспроводные сети ничем не отличаются от классических проводных сетей, что позволяет легко объединять их. Основное же различие различных типов сетей касается MAC-подуровня и физического уровня.

Режимы функционирования беспроводных сетей

На MAC-подуровне имеются два режима функционирования беспроводных сетей: Ad Нос и Infrastructure Mode.

В режиме Ad Hoc (рис. 1), который называется также Independent Basic Service Set (IBSS) или режим Peer-to-Peer (точка-точка), узлы сети непосредственно взаимодействуют друг с другом. Для этого режима необходим минимум оборудования: каждая станция должна быть оснащена лишь беспроводным адаптером. При такой конфигурации не требуется создания сетевой инфраструктуры. Основными недостатками режима Ad Hoc являются ограниченный диапазон действия сети и невозможность подключения к внешней сети, например к Интернету, если только одна из беспроводных карт не выступает в роли моста между беспроводной и проводной сетями.

В режиме Infrastructure Mode (рис. 2) станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point, AP), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного коммутатора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). Различают два режима взаимодействия с точками доступа — BSS (Basic Service Set) и ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все узлы связаны между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причем точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Точки доступа соединяются между собой с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Технология коллективного доступа CSMA/CA

Технология коллективного доступа к среде передачи данных, реализованная в беспроводных сетях семейства 802.11, очень напоминает аналогичную технологию в проводных сетях Ethernet. Напомним, что в классических сетях Ethernet применяется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier Sense Multiple Access With Collision Detection, CSMA/CD).

Данная технология коллективного доступа регламентирует, каким образом узлы сети получают доступ к общей среде передачи данных и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько узлов сети пытаются одновременно (или почти одновременно) передать данные по сети.

Для обнаружения коллизии сетевой адаптер должен уметь передавать и принимать данные (прослушивать «эфир») одновременно. Но в беспроводных сетях используются полудуплексные адаптеры, которые не могут вести себя подобным образом, поэтому необходимо применение технологии коллективного доступа, позволяющей избежать возникновения коллизий (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA). Предотвратить возникновение коллизий удается благодаря пакетам подтверждения безошибочного приема.

В протоколах семейства 802.11 предусмотрены два варианта реализации метода коллективного доступа.

Согласно первому из них беспроводной адаптер, желающий начать передачу данных, производит тестирование канала передачи на предмет сетевой активности, и если обнаруживает, что канал свободен, то после некоторой задержки начинает передавать данные. В случае успешного получения пакета данных принимающий адаптер отсылает подтверждение приема — пакет ACK. Если передающая станция не получила пакет ACK из-за того, что не был получен пакет данных или пришел поврежденный ACK, то делается предположение, что произошла коллизия, а пакет данных передается снова через случайный промежуток времени.

Другой вариант реализации коллективного доступа — протокол RTS/CTS, который используется в том случае, когда два узла сети не могут общаться напрямую в силу большого разделяющего их расстояния или преград. Тогда перед тем, как послать данные в «эфир», станция сначала отправляет специальное сообщение — RTS (Ready To Send), которое трактуется как готовность данного узла к отправке данных. RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи, а также об адресате и доступно всем узлам в сети. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой 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. Если АСК не получен, попытка передачи пакета данных будет повторена. Таким образом, с использованием подобного четырехэтапного протокола передачи данных (4-Way Handshake) реализуется регламентирование коллективного доступа с минимизацией вероятности возникновения коллизий (рис. 3).

Каждый пакет данных снабжается контрольной суммой CRC, что гарантирует обнаружение битых кадров при приеме. Пакетная фрагментация, определяемая в стандарте, предусматривает разбивку большого пакета данных на малые порции. Такой подход позволяет снизить вероятность повторной передачи кадра данных, поскольку с увеличением размера кадра возрастает и вероятность ошибки при его передаче. Если же переданный кадр оказался битым, то при малом размере кадра передающей станции будет нужно повторить только малый фрагмент сообщения.

Спецификация пакетирования данных, предусмотренная стандартом, предписывает разбивку данных на пакеты, снабженные контрольной и адресной информацией длиной 30 байт, блоками данных длиной до 2048 байт и 4-байтным CRC-блоками. Стандарт рекомендует применять пакеты длиной 1500 или 2048 байт.

Физический уровень стандарта IEEE 802.11g

сли на канальном уровне все беспроводные сети семейства 802.11 имеют одну и ту же архитектуру, то физический уровень для сетей разных стандартов различен. Именно на физическом уровне определяются возможные скорости соединения и методы модуляции и физического кодирования при передаче данных.

Стандарт IEEE 802.11g предусматривает различные скорости соединения: 1; 2; 5,5; 6; 9; 11; 12; 18; 22; 24; 33; 36; 48 и 54 Мбит/с. Одни из них являются обязательными для стандарта, а другие — опциональными. Кроме того, для различных скоростей соединения применяются разные методы модуляции сигнала.

Прежде чем переходить к рассмотрению методов модуляции, используемых в 802.11g, отметим, что данным стандартом, как и стандартами 802.11b/b+, предусмотрено применение частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц, который предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM). Однако, несмотря на возможность безлицензионного применения данного частотного диапазона, существует жесткое ограничение максимальной мощности передатчика. Поэтому при выборе способов кодирования и модуляции сигнала необходимо решить две основные проблемы.

С одной стороны, скорость передачи в беспроводной сети должна быть как можно более высокой, чтобы конкурировать с проводными сетями и удовлетворять современным потребностям пользователей. Рост скорости передачи приводит к увеличению ширины спектра, что крайне нежелательно, поскольку частотный диапазон передачи ограничен.

С другой стороны, уровень полезного сигнала должен быть достаточно низким, чтобы не создавать помех другим устройствам в ISM-диапазоне. Таким образом, передаваемый сигнал должен быть едва различим на уровне шума, но в этом случае необходимо разработать алгоритм безошибочного выделения сигнала на уровне шума. Уменьшение мощности передаваемого сигнала достигается за счет использования технологии уширения спектра и «размазывания» сигнала по всему спектру.

Еще одна проблема — это обеспечение должного уровня помехоустойчивости протокола.

К сожалению, одновременное выполнение всех перечисленных условий невозможно, поскольку они противоречат друг другу. Таким образом, выбор конкретного метода кодирования и модуляции сигнала — это поиск золотой середины между требованиями высокой скорости, помехоустойчивости и ограничения по мощности передачи.

Последовательности Баркера. Скорости передачи 1 и 2 Мбит/с

Скорости передачи 1 и 2 Мбит/с, предусмотренные стандартом 802.11g в качестве обязательных скоростей соединения, применяются также и в стандартах 802.11b/b+. Для реализации этих скоростей соединения используются одни и те же технологии модуляции сигнала и уширения спектра DSSS методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Основной принцип технологии уширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволит значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.

При потенциальном кодировании информационные биты передаются прямоугольными импульсами напряжений длительности T. При этом ширина спектра сигнала обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал.

Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала (то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума), можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с уширением спектра сигнала уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным, то есть его трудно отличить от естественного шума.

Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции. При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определенный временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. Таким образом, функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на самое себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных таких последовательностей — код Баркера длиной в 11 чипов. Код Баркера обладает наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило его широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются соответственно прямая и инверсная последовательности Баркера.

В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Наоборот: любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи — по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха на входе приемника. Основной смысл применения кода Баркера заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.

Технология уширения спектра кодами Баркера используется для скорости передачи как 1, так и 2 Мбит/с. Различие этих двух режимов передачи заключается в методах модуляции сигнала.

При передаче данных на скорости 1 Мбит/с применяется двоичная относительная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Keying, DBPSK).

Напомним, что при фазовой модуляции для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещенные относительно друг друга по фазе. При относительной фазовой модуляции (также именуемой относительной фазовой манипуляцией) кодирование информации происходит за счет сдвига фазы относительно предыдущего состояния сигнала. При относительной двоичной фазовой модуляции изменение фазы сигнала может принимать всего два значения: 0 и 180°. Например, при передаче логического нуля фаза может не меняться (сдвиг равный 0), а при передаче логической единицы сдвиг фазы составляет 180°.

Учитывая, что ширина спектра прямоугольного импульса обратно пропорциональна его длительности (а точнее, 2/T), нетрудно посчитать, что при информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составит 11Ѕ106 чип/с, а ширина спектра такого сигнала — 22 МГц, так как длительность одного чипа составляет 1/11 мкс.

При передаче данных на скорости 2 Мбит/с вместо двоичной относительной фазовой модуляции используется квадратурная относительная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK). Ее отличие от двоичной относительной фазовой модуляции заключается в том, что изменение фазы может принимать четыре различных значения: 0, 90, 180 и 270°.

Применение четырех возможных значений изменения фазы позволяет закодировать в одном дискретном состоянии (символе) последовательность двух информационных битов (так называемый дибит), поскольку последовательность двух битов может иметь всего четыре различные комбинации: 00, 01, 10 и 11. Но это означает, что ровно в два раза повышается и скорость передачи данных, то есть битовая скорость в два раза выше символьной. Таким образом, при информационной скорости 2 Мбит/с символьная скорость составляет 1Ѕ106 символов в секунду. Важно, что скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера будет равна, как и прежде, 11Ѕ106 чип/с, а ширина спектра сигнала — 22 МГц, то есть столько же, как и при скорости 1 Мбит/с.

Комплементарные CCK-последовательности. Скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с

В стандарте 802.11b/b+, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, обязательными являются также скорости 5,5 и 11 Мбит/с. Поэтому для обеспечения совместимости эти скорости являются обязательными и в стандарте 802.11g.

Для работы на таких скоростях используется иной способ уширения спектра. В данном случае вместо шумоподобных последовательностей Баркера применяются комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK). Однако, кроме функции уширения спектра, ССK-последовательности имеют и другое предназначение. В отличие от 11-чиповых последовательностей Баркера, которых существует всего два варианта (прямая и инверсная) для кодирования логического нуля и единицы, вариантов ССK-последовательностей значительно больше (о том, каким образом они образуются, мы расскажем далее). Использование различных CCK-последовательностей позволяет кодировать в одном символе не один бит, а больше, то есть увеличивать информационную скорость передачи.

В частности, в стандарте 802.11g применяются 64 различные комплементарные последовательности, что 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 символьная скорость составляет 1,385Ѕ106 символов в секунду при информационной скорости как 11, так и 5,5 Мбит/с.

Комплементарными принято называть такие последовательности, для которых сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю. Последнее обстоятельство позволяет легко выделять эти последовательности на уровне шума, что в значительной степени увеличивает помехоустойчивость при передаче данных.

В стандарте IEEE 802.11b речь идет о 8-чиповых комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с четырьмя различными фазами, значения которых определяются последовательностью входных битов.

Элементы 8-чиповой CCK-последовательности образуются по формулам:

Значения фазы ₁ выбирается по первому дибиту, ₂ — по второму, ₃ — по третьему и ₄ — по четвертому. Таким образом, для однозначного определения СCК-последовательности требуется 8 бит входных данных. Обратите внимание, что фаза j1 присутствует во всех членах последовательности. Практически это означает сдвиг по фазе всех членов последовательности на одно и то же значение. По этой причине первый дибит данных задает сдвиг целого символа по фазе по отношению к фазе предыдущего переданного символа.

Для скорости 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется 4 бита (два дибита): {d₀, d₁, d₂, d₃}. Для того чтобы закодировать 4 бита в одном символе, необходимо иметь 16 различных дискретных состояний сигнала, каждое из которых определяется той или иной комплементарной CCK-последовательностью. Поэтому для реализации скорости 5,5 Мбит/с требуется иметь набор из 16 различных комплементарных последовательностей. Такой набор сформировать нетрудно, поскольку сами последовательности являются 8-чиповыми и определяются на множестве комплексных элементов {+1, –1, +j, –j}, то есть всего можно сформировать 65 536 различных последовательностей.

Выбор требуемой последовательности для кодирования символа происходит следующим образом. Поступающий поток битов группируется по два дибита, то есть каждая группа формирует один символ. При этом символы делятся на четные и нечетные, а первый дибит {d₀, d₁} задает фазовый сдвиг четных и нечетных символов. Поскольку каждый дибит может принимать четыре различных значения, то и для четных и нечетных символов существуют по четыре возможных сдвига фаз (табл. 1).

Следующий дибит {d₂, d₃} определяет остальные фазы CCK-последовательности по формулам:

Таким образом, для задания CKK-последовательности при кодировании 4 бит/символ используют только 2 бита данных (второй дибит). Этот дибит, принимающий одно из четырех возможных значений, позволяет задать одну из четырех комплементарных CCK-последовательностей. Первый дибит определяет сдвиг по фазе всего символа (причем возможен сдвиг на четыре различных значения) и применяется в относительной фазовой модуляции. Следовательно, набор из четырех возможных комплементарных последовательностей с последующей относительной квадратурной фазовой модуляцией позволяет сформировать 16 дискретных состояний сигнала и закодировать 4 бита в одном символе. Как нетрудно рассчитать, при информационной скорости 5,5 Мбит/с символьная скорость составит

5,5/4 = 1,375 мегасимволов в секунду. Учитывая, что сами по себе CCK-последовательности являются 8-чиповыми, частота следования отдельных чипов составляет 11 МГц, а ширина спектра сигнала — соответственно 22 МГц.

При скорости 11 Мбит/с в одном символе кодируется одновременно 8 бит данных. При этом первый дибит последовательности данных, как и прежде, задает сдвиг фазы при относительной фазовой модуляции целого символа в зависимости от того, четный он или нечетный, а остальные три дибита 8-битовой последовательности данных определяют оставшиеся фазы, причем значение ₂ выбирается по второму дибиту,₃ — по третьему и ₄ — по четвертому. Значение сдвига фаз определяется по табл. 2.

Итак, для задания CKK-последовательности используют только 6 бит данных (второй, третий и четвертый дибиты). А поскольку 6 бит данных могут иметь 64 различные комбинации, то при кодировании каждого символа применяется одна из 64 возможных восьмиразрядных CСK-последовательностей.

Набор из 64 возможных комплементарных последовательностей с последующей относительной квадратурной фазовой модуляцией позволяет сформировать 256 дискретных состояний сигнала и закодировать 8 бит в одном символе. При информационной скорости 11 Мбит/с символьная скорость составит 11/8 = 1,375Ѕ106 символов в секунду. Учитывая, что сами по себе CCK-последовательности являются 8-чиповыми, частота следования отдельных чипов составляет 11 МГц (1,375 МГцЅ8), а ширина спектр сигнала — 22 МГц.

Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC. Скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с

Кроме комплементарных CCK-последовательностей, в стандарте IEEE 802.11g для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с опционально предусмотрено использование технологии двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC.

В основе метода PBCC лежит так называемое сверточное кодирование со скоростью 1/2. Сверточное кодирование подразумевает, что входной последовательности битов {X_i} ставится в соответствие по определенному алгоритму выходная последовательность битов {Y_i}, причем значение каждого бита выходной последовательности зависит от значения нескольких битов входной последовательности, то есть для расчета одного бита выходной последовательности учитывается некоторая предыстория входной последовательности.

Для того чтобы значение выходного бита зависело от значений нескольких битов входной последовательности, в сверточном кодере применяются запоминающие ячейки и логические элементы XOR. Кроме того, любой сверточный кодер подразумевает определенную степень избыточности, что повышает помехоустойчивость закодированной информации.

В протоколе 802.11g используются сверточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек (рис. 4). Поэтому всего существует семь различных состояний входного сигнала: текущее и шесть значений, хранящихся в запоминающих ячейках. Такие кодеры называются сверточными кодерами на семь состояний (K = 7). Кроме того, каждому входному биту X₀ ставятся в соответствие два выходных бита — Y₀ и Y₁. Если скорость входной последовательности составляет k бит/с, то скорость выходной последовательности — k дибит/с или 2k бит/с. При этом говорят, что скорость кодирования равна 1/2.

Значение каждого формируемого дибита {Y₀, Y₁} зависит не только от входящего информационного бита X0, но и от шести предыдущих битов, значения которых хранятся в двух запоминающих ячейках.

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) даже в случае возникновения ошибок приема (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Для этого на стороне приемника применяется декодер Витерби.

Дибит {Y₀, Y₁}, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно он подвергается фазовой модуляции (рис. 5). Если скорость передачи составляет 11 Мбит/с, то применяется квадратичная фазовая модуляция QPSK. В данном случае каждому из четырех возможных состояний дибита соответствует одна из четырех возможных фаз. При этом в каждом символе кодируется по одному входному биту, а скорость передачи битов соответствует скорости передачи символов. Если же скорость передачи составляет 5,5 Мбит/с, то используется двоичная фазовая модуляция BPSK. Каждый бит Y0 или Y1, формируемый сверточным кодером, последовательно подвергается фазовой модуляции. Поскольку каждому входному биту в данном случае соответствуют два выходных символа, скорость передачи битов равна половине скорости передачи символов. Поэтому для скорости и 5,5 и 11 Мбит/с символьная скорость составляет 11Ѕ106 символов в секунду.

При применении технологии двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC необходимо, чтобы ширина спектра передаваемого сигнала оставалась такой же, как и в случае CCK-последовательностей или кодов Баркера, то есть была бы равна 22 МГц. В отличие от технологии DSSS, в этом случае используется не технология уширения спектра, а шумоподобные последовательности, однако и здесь предусмотрено уширение спектра до стандартных 22 МГц. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Напомним, что сигнальные созвездия представляют собой геометрическое отображение возможных выходных состояний сигнала. Для QPSK-модуляции имеются четыре дискретных состояния сигнала: 00, 01, 10 и 11. Каждому из этих дибитов соответствует одна из четырех возможных фаз несущего сигнала. Понятно, что расположение точек на сигнальном созвездии может быть различным. Именно этот принцип реализован в методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала: используются по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK (рис. 6).

Выбор между конкретным типом применяемого 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 трех первых символов одновременно. Так получают еще пятнадцать 16-битовых последовательностей, что в сумме дает одну 256-битную.

Как уже отмечалось, рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется как в протоколе 802.11g, так и в протоколе 802.11b/b+ на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с.

Пунктурное кодирование. Скорости передачи 22 и 33 Мбит/с

Опционально в протоколе 802.11g технология двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC может применяться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с. Отметим, что скорость 22 Мбит/с при использовании технологии PBCC предусмотрена и в стандарте 802.11b+. При скорости 22 Мбит/с, по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC, имеются два отличия. Прежде всего, применяется не квадратичная, а 8-позиционная фазовая модуляция 8-PSK, то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений. Это позволяет в одном символе кодировать уже не два, а три бита и, следовательно, увеличить информационную скорость передачи.

Кроме сверточного кодера в схему добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения достаточно прост: избыточность сверточного кодера равная 2 (на каждый входной бит приходятся два выходных) достаточна 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 блок, 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 составляет уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.

Поняв принцип работы пунктурного кодера, вернемся к рассмотрению кодирования PBCC на скорости 22 Мбит/с в протоколе 802.11g. 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 скорость, 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 11Ѕ106 символов в секунду, а информационная скорость — 22 Мбит/с (рис. 7).

Аналогичная технология кодирования предусматривается протоколом 802.11g и на скорости 33 Мбит/с, но для повышения скорости используются увеличение входной скорости данных (до 33 Мбит/с) и еще большее уменьшение избыточности (пунктурный кодер 2:1). В результате при символьной скорости 11Ѕ106 символов в секунду информационная скорость составляет 33 Мбит/с.

Ортогональное частотное разделение каналов

При передачи радиосигналов в открытом пространстве неизбежно сталкиваешься с таким паразитным явлением, как многолучевая интерференция. Эффект многолучевой интерференции заключается в том, что в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приемник разными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому ослабление сигнала для них будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и начальными фазами, 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 одни частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а другие, 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 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, — так возникает межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее сильно на искажении сигнала сказывается 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 за счет усложнения схемы кодирования эффективность их применения падает.

При скорости передачи 11 или

22 Мбит/с в случае использования CCK-кодов или пакетного сверточного кодирования схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым. Поэтому для реализации более высоких скоростей передачи в стандарте 802.11g применяется принципиальной 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, причем 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 каждого канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в его пределах, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно плотнее 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. Ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Эта технология была заимствована из стандарта 802.11a. Для ее реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 8).

Как уже отмечалось, одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если точнее, то сама по себе технология OFDM не предотвращает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие «охранный интервал» (Guard Interval, GI) — это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. GI добавляется к отсылаемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике, но именно он защищает от возникновения межсимвольной интерференции.

Охранный интервал задает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

В стандарте IEEE 802.11g технология ортогонального частотного разделения каналов OFDM является обязательной при скоростях передачи 6, 12 и 24 Мбит/с и опциональной при скоростях передачи 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с (табл. 3).

Технология гибридного кодирования CCK-OFDM

Кроме технологии ортогонального частотного разделения каналов OFDM, для опциональных скоростей (6, 9, 12, 18, 24, 36,48 и 54 Мбит/с) может использоваться также технология гибридного кодирования CCK-OFDM.

Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок/преамбулу со служебной информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, подразумевается, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при применении технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При использовании гибридной технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с помощью многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM — не единственная гибридная технология: при применении пакетного кодирования PBCC заголовок кадра также передается посредством CCK-кодов и только данные кадра кодируются с помощью PBCC.

Заключение

ассматривая особенности стандарта 802.11g, мы до сих пор не касались такой важной характеристики, как радиус действия (зона покрытия) беспроводной сети. Кроме того, было бы логично сравнить IEEE 802.11g с другими популярными стандартами беспроводной связи — IEEE 802.11a и 802.11b/b+.

Говоря о зоне покрытия беспроводной сети, следует учитывать несколько обстоятельств. Во-первых, максимальное расстояние между двумя беспроводными адаптерами в значительной степени зависит от того, есть ли между ними преграды или эти адаптеры находятся в зоне прямой видимости. Радиус действия беспроводной сети зависит также от того, имеется ли в этой сети точка доступа (режим Infrastructure BSS) или же сеть функционирует в режиме Ad Hoc. Далеко не последнюю роль играет и мощность передатчика точки доступа. Поэтому понятие радиуса действия беспроводной сети довольно условно. К тому же, используя несколько точек доступа в режиме Infrastructure ESS, зону покрытия можно неограниченно увеличивать.

Если же говорить о зоне покрытия с одной точкой доступа в идеальных условиях (отсутствие преград и радиочастотных помех), то при сравнении возможностей различных беспроводных стандартов сети стандарта IEEE 802.11g оказываются и более скоростными, и более «дальнобойными», чем сети стандартов IEEE 802.11a и 802.11b/b+. Так, не уступая по своим скоростным характеристикам стандарту IEEE 802.11a, стандарт IEEE 802.11g обеспечивает такую же зону покрытия, как и стандарт IEEE 802.11b (рис. 9).

Если средний радиус сети стандарта IEEE 802.11a составляет 50 м, то радиус действия сетей 802.11b и 802.11g — порядка 100 м.

КомпьютерПресс 10'2003