Локальные беспроводные сети. Стандарт IEEE 802.11. Технологии расширения спектра, используемые в стандарте (методы FHSS и DSSS)

Локальные сети (WLAN – Wireless Local Area Network) – взаимная удаленность устройств до сотен метров и мощность передатчиков до 100 мВт. Используются для построения сетей в пределах локальной зоны (здания, предприятия).

В 1997 г. комитетом 802.11 был принят стандарт, который определял функции уровня (подуровня) МАС и 3 варианта физического уровня, которые обеспечивали передачу данных со скоростями 1 и 2 Мбит/с. IEEE 802.11 — набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9, 2,4, 3,6 и 5 ГГц. Пользователям более известен по названию Wi-Fi. EEE 802.11 — базовый стандарт на беспроводные радиолинии и вычислительные сети WLAN. Одним из базовых элементов содержания стандарта является набор основных служб — BSS (Basic Service Set). Стандарт обеспечивает возможность создавать как отдельные беспроводные сети (среды) — WM (Wireless Medium), так и разветвленные соединения сетей — DSM (Distribution System Medium). Подключение беспроводных ЛВС к проводным сетям производится при помощи беспроводных мостов (в терминологии стандарта — порталов).

Передача данных осуществляется либо методом прямой последовательности — DSSS, либо методом изменения спектра скачкообразной перестройки частоты — FHSS.

1. Средой является ИК волны диапазона 850 нм (1 нм – это 1 миллиардная часть метра, 1нм = 0,000 000 001м = 1∙10-9 м), которые генерируются либо полупроводниковым лазерным диодом, либо светодиодом (LED). Для передачи сигнала может использоваться: ненаправленная антенна; отражение от потолка; фокусное направленное излучение. Область покрытия ограничивается прямой видимостью, поскольку ИК волны не проникают через стены.

2. Передающая среда – микроволновый диапазон ISM (2,4…2,4835 ГГц).

Этот вариант основывается на методе FHSS (метод частотных скачков). Каждый узкий канал имеет ширину 1 МГц. Частотная манипуляция (FCK) с двумя состояниями (частотами) обеспечивает скорость 1 Мбит/с, а c четырьмя состояниями – 2 Мбит/с. Количество каналов и частота скачков настраиваются.

Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) (англ. FHSS — Frequency Hopping Spread Spectrum). Суть метода заключается в периодическом скачкообразном изменении несущей частоты по некоторому алгоритму, известному приёмнику и передатчику. Преимущество метода — простота реализации.

3. Тот же диапазон ISM. Используются метод DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – расширение спектра методом прямой последовательности), где в качестве последовательности чипов применяется 11-битный код Баркера (11100010010). Каждый бит последовательности (чип) кодируется путем двоичной фазовой манипуляции (BPSK), что обеспечивает скорость 1 Мбит/с, или квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) – скорость 2 Мбит/с.

Метод расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) — широкополосная модуляция с прямым расширением спектра, это метод формирования широкополосного радиосигнала, при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность.

В методе DSSS каждый информационный бит заменяется N битами, поэтому тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это означает, что в N раз расширяется и спектр сигналов.

Цель кодирования методом DSSS та же, что и FHSS – повышение помехоустойчивости. Результат применения этого метода — защита передаваемой информации от подслушивания.

19. Особенности спецификаций IEEE 802.11g/n. Сущность метода OFDM. Основные технические характеристики стандартов.

Стандарт IEEE 802.11g. Окончательно утвержден в июне 2003 г. Используемый диапазон – ISM. Максимальная скорость передачи данных – 54 Мбит/с. Стандарт является логическим развитием стандарта 802.11b и обратно с ним совместим (т.е. любое оборудование 802.11g должно взаимодействовать с устройствами 802.11b). То есть, IEEE 802.11g — стандарт, который был задуман с целью развития стандартов 802.11a и 802.11b и заимствования из них лучших решений.

Стандарт 802.11g работает на физическом и канальном уровнях. Последний состоит из двух подуровней: управления логической связью — LLC (Logical Link Control) и управления доступом к сети передачи данных — MAC (Media Access Control). На подуровне LCC протокол 802.11g не отличается от других протоколов семейства 802, поэтому в плане поддерживаемых операционных систем и приложений беспроводные сети не отличаются от проводных сетей и могут объединяться с ними. На MAC подуровне используются два режима: AdHoc (другие названия — IBSS, Independent Basic Service Set, Peer-to-Peer) и Infrastructure Mode. Спецификация 802.11g использует схему модуляции OFDM.

Стандарт IEEE 802.11n. Официально принят 11 сентября 2009 г.

Стандарт предполагает использование двух частотных диапазонов: ISM (2,4 – 2,4835 ГГц, ширина диапазона 83,5 МГц); UNII (5,150 – 5,350 ГГц, 5,725 – 5,825 ГГц, ширина диапазона 300 МГц).

Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с (применяя передачу данных сразу по четырем антеннам).

Устройства 802.11n могут работать в трех режимах: наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a; смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n; «чистом» режиме – 802.11n (именно в этом режиме обеспечивается повы-шенная скорость и увеличенная дальность передачи данных).

802.11n основывается на стандарте IEEE 802.11а, поскольку именно в нем описана технология OFDM. Увеличение скорости передачи данных основано на двух физических принципах: удвоение полосы пропускания канала (с 20 до 40 МГц); введение дополнительных антенных каналов приема-передачи (технология многоканальных антенных систем MIMO – Multiple Input, Multiple Output).

OFDM. Поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов, и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. Высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем подканалам, тогда как в отдельном подканале данные передаются с невысокой скоростью.

При частотном разделении каналов необходимо, что бы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажений сигнала в пределах отдельного канала, а с другой – достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономичного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, надо как можно более плотно расположить подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга.

Частотные каналы (подканалы), удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными (т.е. несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональных друг другу).

С точки зрения математики ортогональность функции означает, что их произведение, усредненное на некотором интервале, должно быть равно нулю:

где tи – время передачи одного символа,

fl и fk – несущие частоты подканалов l и k.

Ортогональность несущих можно обеспечить в том случае, если за время передачи одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний.

Особенности подуровня MAC локальных беспроводных сетей семейства IEEE 802.11. Основные типы архитектуры (Ad Hoc и Infrastructure Mode). Способы взаимодействия узлов в сетях 802.11.

Стандартом 802.11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня для разных технологий передачи сигналов: по радиоканалам (в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра DSSS или скачкообразной перестройкой частоты FHSS) и по каналам ИК-излучения. Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных — 1 и 2 Мбит/с.

На MAC-уровне (или подуровне MAC канального уровня модели OSI) устанавливаются правила совместного использования разделяемой среды передачи данных несколькими узлами беспроводной сети. На MAC-уровне протокола 802.11определяются две модели коллективного доступа к среде: функция распределенной координации (Distributed Coordination Function, DCF); функция централизованной координации (Point Coordination Func-tion, PCF). Передача данных с использованием функции распределенной координации (DCF) основана на методе CSMA/CA. При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, должен прослушать среду, пытаясь обнаружить несущий сигнал. Механизм PCF является опциональным и применяется только в сетях с точкой доступа.

Возможности подуровня MAC расширены благодаря функциям, обычно выполняемым на более высоком уровне, в частности процедурам фрагментации и ретрансляции пакетов. Это вызвано необходимостью повысить эффективную пропускную способность системы, снизив накладные расходы на повторную передачу пакетов. Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи, удешевляет сеть, но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.

В режиме Ad Hoc, который называют также IBSS (Independ-ent Basic Service Set) или Peer to Peer (точка-точка), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Для этого режима требуется минимум оборудования – каждая станция должна быть оснащена беспроводным адаптером. При такой конфигурации не требуется создания какой-либо сетевой инфраструктуры.

Основными недостатками режима Ad Hoc являются: ограниченный радиус действия; невозможность использования WPA/WPA2 шифрования (только WEP); невозможность подключения к внешней сети, например, к Интернету (без дополнительных аппаратных и/или программных средств); ограничение допустимого количества узлов сети – не более 256. Ad Hoc обычно используется для создания временных сетей.

В режиме Infrastructure Mode станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point, AP), которая выполняет в беспроводной сети роль концентратора. Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа: BSS (Basic Service Set); ESS (Extended Service Set).

В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также функцию моста с внешней сетью. В расширенном режиме (ESS) существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причем сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Точки доступа могут соединяться между собой с помощью: сегментов кабельной сети; радиомостов.