Безпроводові локальні мережі, що використовують широкосмугову модуляцію DSSS з розширенням спектра методом прямої послідовності

У специфікації стандарту 802.11 обмовлено використання й інший фізичний рівень - на основі технології широкосмугової модуляції з розширенням спектра методом прямої послідовності (DSSS). Як було зазначено в стандарті 802.11 розробки 1997 року, технологія DSSS підтримує швидкості передачі 1 і 2 Мбіт/с.

Аналогічно підрівню PLCP, використовуваному в технології FHSS, підуівень PLCP технології DSSS стандарту 802.11 додає два поля у фрейм MAC, щоб сформувати PPDU: преамбулу PLCP і заголовок PLCP.

Рис. 3.11. Формат фрейму DSSS підрівня PLCP

Преамбула PLCP складається із двох підполів:

· Підполе Sync шириною 128 біт, що представляє собою рядок, що складається з одиниць. Завдання цього підполя - забезпечити синхронізацію для прийомної станції.

· Підполе SFD шириною 16 біт; у ньому втримується специфічний рядок Ох3A0; його завдання - забезпечити тайминг (timing) для прийомної станції.

Заголовок PLCP складається із чотирьох підполів:

· Підполе Signal шириною 8 біт, що вказує тип модуляції й швидкість передачі для даного фрейму.

· Підполе Service шириною 8 біт зарезервований. Це означає, що під час розробки специфікації стандарту воно залишилося невизначеним; передбачається, що воно придасться в майбутніх модифікаціях стандарту.

· Підполе Length шириною 16 біт, що вказує кількість мікросекунд, необхідну для передачі частини MAC-Фрейму.

· Підполе CRC. 16-бітна контрольна сума.

Підрівень PLCP перетворить фрейм у потік біт і передає дані на підрівень PMD. Весь PPDU проходить через процес скремблування з метою рандомізації даних.

Скремблована преамбула PLCP завжди передається зі швидкістю 1 Мбіт/с, у той час як скремблований фрейм MPDU передається зі швидкістю, зазначеною в підполі Signal. Підрівень PMD модулює вибілений потік біт, використовуючи наступні методи модуляції:

· Двійкова відносна фазова модуляція (Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK) для швидкості передачі 1 Мбіт/с.

· Квадратурна відносна фазова модуляція (Differential Quadrature Phase Shift Key - DQPSK) для швидкості передачі 2 Мбіт/с.

IEEE 802.11b

На фізичному рівні до МАС-Кадрів (MPDU) додається заголовок фізичного рівня, що складає із преамбули й властиво PLCP-Заголовка (рис. 3.12).

Преамбула містить стартову синхропослідовність (SYNC) для настроювання приймача й 16-бітний код початку кадру (SFD) - число F3A016. PLCP-Заголовок включає поля SIGNAL (інформація про швидкість і тип модуляції), SERVICE (додаткова інформація, у тому числі про застосування високошвидкісних розширень і PBSS-Модуляції) і LENGTH (час у мікросекундах, необхідне для передачі наступної за заголовком частини кадру). Всі три поля заголовка захищені 16-бітною контрольною сумою CRC.

Рис. 3.12. Структура кадрів мережі IEEE 802.11b фізичного рівня

У стандарті IEEE 802.11b передбачено два типи заголовків: довгий і короткий (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Короткий заголовок кадрів мережі 802.11b

Вони відрізняються довжиною синхропослідовності (128 і 56 біт), способом її генерації, а також тим, що символ початку кадру в короткому заголовку передається у зворотному порядку. Крім того, якщо всі поля довгого заголовка передаються зі швидкістю 1 Мбіт/с, то при короткому заголовку преамбула транслюється на швидкості 1 Мбіт/с, інші поля заголовка - зі швидкістю 2 Мбіт/с. Іншу частину кадру можна передавати на кожній із припустимих стандартом швидкостей передачі, зазначених у полях SIGNAL і SERVICE. Короткі заголовки фізичного рівня передбачені специфікацією IEEE 802.11b для збільшення пропускної спроможності мережі.

З опису процедур зв'язку мережі IEEE 802.11 видно, що "накладні витрати" у цьому стандарті вище, ніж у проводовій мережі Ethernet. Тому надто важливо забезпечити високу швидкість передачі даних у каналі. Підвищити пропускну спроможність каналу із заданою шириною смуги частот можна, розробляючи й застосовуючи нові методи модуляції.

Спочатку стандарт IEEE 802.11 передбачав роботу в режимі DSSS з використанням так званої Баркеровской послідовності (Barker) довжиною 11 біт: В1 = (10110111000). Кожний інформаційний біт заміщається своїм добутком за модулем 2 (операція "що виключає АБО") з даною послідовністю, тобто кожна інформаційна одиниця заміняється на B1, кожний нуль - на інверсію B1. У результаті біт заміняється послідовністю 11 чипів. Далі сигнал кодується за допомогою диференціальної двох- або чотирьохпозиційної фазової модуляції (DBPSK або DQPSK, один або два чипи на символ відповідно). При частоті модуляції несучої 11 МГц загальна швидкість становить залежно від типу модуляції 1 і 2 Мбіт/с.

Стандарт IEEE 802.11b додатково передбачає швидкості передачі 11 і 5,5 Мбіт/с. Для цього використовується так звана ССК-Модуляція (Complementary Code Keying - кодування комплементарним кодом). Хоча механізм розширення спектра, використовуваний для одержання швидкостей 5,5 і 11 Мбіт/с із застосуванням ССК, належить до методів, які застосовуються для швидкостей 1 і 2 Мбіт/с, він по-своєму унікальний. В обох випадках застосовується метод розширення, але при використанні модуляції ССК розширювальний код являє собою код з 8 комплексних чипів, у той час як при роботі зі швидкостями 1 і 2 Мбіт/с застосовується 11-розрядний код. 8-чиповый код визначається або 4, або 8 бітами - залежно від швидкості передачі даних. Швидкість передачі чипів становить 11 Мчип/с, тобто при 8 комплексних чипах на символ і 4 або 8 біт на символ можна отримати швидкість передачі даних 5,5 і 11 Мбіт/с.

Для того, щоб передавати дані зі швидкістю 5,5 Мбіт/с, потрібно згрупувати скремблований потік біт у символи по 4 біти (b0, b1, b2 і b3). Останні два біти (b2 і b3) використовуються для визначення 8 послідовностей комплексних чипів, як показано в таблиці 3.3, де {cl, с2, с3, с4, с5, с6, с7, с8} представляють чипи послідовності. У таблиці 3.3 j представляє уявне число, корінь квадратний з -1, і відкладається на мнимій, або квадратурній, осі комплексної площини.

Таблиця 3.3.

Послідовність чипів ССК

Тепер, маючи послідовність чипів, певну бітами (b2, b3), можна використовувати перші два біти (b0, b1) для визначення повороту фази, здійснюваного при модуляції за методом DQPSK, що буде застосований до послідовності (таблиця 3.4). Ми повинні також пронумерувати кожний 4-бітовий символ PSDU, починаючи з 0, щоб можна було визначити, перетворимо ми парний або непарний символ відповідно до цієї таблиці. Варто пам'ятати, що мова йде про використання DQPSK, а не QPSK, і тому представлені в таблиці зміни фази відлічуються стосовно попереднього символу або, у випадку першого символу PSDU, стосовно останнього символу попереднього DQPSK-символу, переданого зі швидкістю 2 Мбіт/с.

Таблиця 3.4.

Поворот фази при модуляції ССК

Це обертання фази застосовується стосовно 8 комплексних чипів символу, потім здійснюється модуляція на підходящій несучій частоті.

Щоб передавати дані зі швидкістю 11 Мбіт/с, скремблована послідовність біт PSDU розбивається на групи по 8 символів. Останні 6 біт вибирають одну послідовність, що складається з 8 комплексних чипів, із числа 64 можливих послідовностей, майже так само, як використовувалися біти (b2, b3) для вибору однієї із чотирьох можливих послідовностей. Біти (b0,b1) використовуються в такий же спосіб, як при модуляції ССК на швидкості 5,5 Мбіт/с для обертання фази послідовності й подальшої модуляції на підходящій несучій частоті.

У чому достоїнство ССК-Модуляції? Справа в тому, що чипи символу визначаються на основі послідовностей Уолша-Адамара. Послідовності Уолша-Адамара добре вивчені, мають відмінні автокореляційні властивості. Що немаловажно, кожна така послідовність мало корелює сама із собою при фазовому зрушенні - дуже корисна властивість при боротьбі з перевідбитими сигналами. Неважко помітити, що теоретичне операційне посилення ССК-Модуляції - 3 дБ (у два рази), оскільки без кодування QPSK-модульований із частотою 11 Мбіт/с сигнал може транслювати 22 Мбіт/с. Як видно, ССК-Модуляція являє собою вид блокового коду, а тому досить проста при апаратній реалізації. Сукупність цих властивостей і забезпечила ССК місце в стандарті IEEE 802.11b як обов'язковий вид модуляції.

На практиці важливо не тільки операційне посилення. Істотну роль грає й рівномірність розподілу символів у фазовому просторі - вони повинні якнайдалі відстояти друг від друга, щоб мінімізувати помилки їх детектування. З цього погляду ССК-Модуляція не виглядає оптимальної, її реальне операційне посилення не перевищує 2 дБ. Тому спочатку пророблявся інший спосіб модуляції - пакетне бінарне згорточное кодування РВСС (Packet Binary Convolutional Coding). Цей метод увійшов у стандарт IEEE 802.11b як додаткова (необов'язкова) опція. Механізм РВСС (рис. 3.14) дозволяє отримати в мережах IEEE 802.11b пропускну спроможність 5,5, 11 і 22 Мбіт/с.

Рис. 3.14. Загальна схема РВСС –модуляції

Як видно з назви, метод заснований на згорточному кодуванні. Для швидкостей 5,5 і 11 Мбіт/с потік інформаційних біт надходить у шестирозрядний зруховий регістр із суматорами (рис. 3.15). У початковий момент часу всі тригери зрухового регістра ініціалізуют нулем. У результаті кожний вихідний біт d заміняється двома бітами кодової послідовності (c0, c1). При швидкості 11 Мбіт/с с0 і c1 задають один символ чотирьохпозиційної QPSK-Модуляції. Для швидкості 5,5 Мбіт/с використовують двопозиційну BPSK-Модуляцію, послідовно передаючи кодові біти c0 і с1. Якщо ж потрібна швидкість 22 Мбіт/с, схема кодування ускладнюється (рис. 3.16): три кодових біти (c0-c2) визначають один символ в 8-позиційної PSK-модуляції.

Після формування PSK-Символів відбувається скремблування. Залежно від сигналу s (рис. 3.10) символ залишається без змін (s = 0), або його фаза збільшується на π/2 (s = 1). Значення s визначає 256-бітова циклічно повторювана послідовність S. Вона формується на основі початкового вектора U = 338Bh, у якому рівне число нулів і одиниць.

Рис. 3.15. Згорточне кодування із двома бітами кодової послідовності

Рис. 3.16. Згорточне кодування із трьома бітами кодової послідовності

У шестирозрядного зрухового регістра, застосовуваного у РВСС для швидкостей 11 і 5,5 Мбіт/с, 64 можливі вихідні стани. Так що при модуляції РВСС інформаційні біти у фазовому просторі виявляються набагато далі друг від друга, чим при ССК-Модуляції. Тому РВСС і дозволяє при тому самому співвідношенні "сигнал-шум" і рівні помилок вести передачу з більшою швидкістю, ніж у випадку СКК. Однак плата за більш ефективне кодування - складність апаратної реалізації даного алгоритму.

IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а з'явився практично одночасно з IEEE 802.11b, у вересні 1999 року. Ця специфікація була орієнтована на роботу в діапазоні 5 ГГц і заснована на принципово іншому, ніж описаний вище, механізмі кодування даних - на частотному мультиплексуванні за допомогою ортогональних несучих (OFDM).

Стандарт 802.11a визначає характеристики обладнання, застосовуваного в офісних або міських умовах, коли поширення сигналу відбувається по багатопроменевих каналах через безліч відбиттів.

В IEEE 802.11а кожний кадр передається за допомогою 52 ортогональних несучих, кожна із шириною смуги порядку 300 КГц (20 МГц/64). Ширина одного каналу - 20 МГц. Несучі модулюють за допомогою BPSK, QPSK, а також 16- і 64-позиційної квадратурної амплітудної модуляції (QAM). У сукупності з різними швидкостями кодування r (1/2 і 3/4, для 64-QAM - 2/3 і 3/4) утвориться набір швидкостей передачі 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 і 54 Мбіт/с. У таблиці 3.4 показано, як необхідна швидкість передачі даних перетвориться у відповідні параметри вузлів передавача OFDM.

Таблиця 3.4.

Параметри передавача стандарту 802.11а

З 52 несучих 48 призначені для передачі інформаційних символів, інші 4 - службові. Структура заголовків фізичного рівня відрізняється від прийнятого в специфікації IEEE 802.11b, але незначно (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Структура заголовка фізичного рівня стандарту IEEE 802.11а

Кадр включає преамбулу (12 символів синхропослідовності), заголовок фізичного рівня (PLCP-Заголовок) і інформаційне поле, сформоване на МАС-рівні. У заголовку передається інформація про швидкість кодування, тип модуляції й довжину кадру. Преамбула й заголовок транслюються з мінімально можливою швидкістю (BPSK, швидкість кодування r = 1/2), а інформаційне поле - із зазначеної в заголовку, як правило, максимальної, швидкістю, залежно від умов обміну. OFDM-символи передаються через кожні 4 мкс, причому кожному символу тривалістю 3,2 мкс передує захисний інтервал 0,8 мкс (повторювана частина символу). Останній необхідний для боротьби з багатопроменевим поширенням сигналу - відбитий і символ, що прийшов із затримкою, потрапить у захисний інтервал і не ушкодить наступний символ.

Природно, формування/декодування OFDM-Символів відбувається за допомогою швидкого перетворення Фур'є (зворотного/прямого, ОБПФ/БПФ). Функціональна схема трактів прийому/передачі (рис. 3.18) досить стандартна для даного методу й включає згорточный кодер, механізм перемеження/перерозподілу (захист від пакетних помилок) і процесор ОБПФ. Фур'є-процесор формує сумарний сигнал, після чого до символу додається захисний інтервал, остаточно формується OFDM-Символ і за допомогою квадратурного модулятора/конвертера переноситься в задану частотну область. При прийманні все відбувається у зворотному порядку.

Рис. 3.18. Функціональна схема трактів прийому/передачі стандарту IEEE 802.11а

IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g по суті являє собою перенесення схеми модуляції OFDM, що прекрасно зарекомендувала себе в 802.11а, з діапазону 5 ГГц в область 2,4 ГГц при збереженні функціональності пристроїв стандарту 802.11b. Це можливо, оскільки в стандартах 802.11 ширина одного каналу в діапазонах 2,4 і 5 ГГц схожа - 22 МГц.

Одним з основних вимог до специфікації 802.11g була зворотна сумісність із пристроями 802.11b. Дійсно, у стандарті 802.11b як основний спосіб модуляції прийнята схема ССК (Complementary Code Keying), а як додаткова можливість допускається модуляція PBSS.

Розроблювачі 802.11g передбачили ССК-Модуляцію для швидкостей до 11 Мбіт/с і OFDM для більш високих швидкостей. Але мережі стандарту 802.11 при роботі використовують принцип CSMA/CA - множинний доступ до каналу зв'язку з контролем несучої й запобіганням колізій. Жоден пристрій 802.11 не повинен починати передачу, поки не переконається, що ефір у його діапазоні вільний від інших пристроїв. Якщо в зоні чутності виявляться пристрої 802.11b і 802.11g, причому обмін буде відбуватися між пристроями 802.11g за допомогою OFDM, то обладнання 802.11b просто не зрозуміє, що інші пристрої мережі ведуть передачу, і спробує почати трансляцію. Наслідки очевидні.

Щоб не допустити подібної ситуації, передбачена можливість роботи в змішаному режимі - CCK-OFDM. Інформація в мережах 802.11 передається кадрами. Кожний інформаційний кадр включає два основні поля: преамбулу із заголовком і інформаційне поле (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Кадри IEEE 802.11g у різних режимах модуляції

Преамбула містить синхропослідовність і код початку кадру, заголовок - службову інформацію, у тому числі про тип модуляції, швидкості й тривалості передачі кадру. У режимі CCK-OFDM преамбула й заголовок модулюються методом ССК (реально - шляхом прямого розширення спектра DSSS за допомогою послідовності Баркера, тому в стандарті 802.11g цей режим іменується DSSS-OFDM), а інформаційне поле - методом OFDM. Таким чином, всі пристрої 802.11b, що постійно "слухають" ефір, приймають заголовки кадрів і довідаються, скільки часу буде транслюватися кадр 802.11g. У цей період вони "мовчать". Природно, пропускна спроможність мережі падає, оскільки швидкість передачі преамбули й заголовка - 1 Мбіт/с.

Даний підхід не влаштовував табір прихильників технології PBSS, і для досягнення компромісу в стандарт 802.11g як додаткова можливість увели, так само як і в 802.11b, необов'язковий режим - PBSS, у якому заголовок і преамбула передаються так само, як і при ССК, а інформаційне поле модулюється за схемою PBSS і передається на швидкості 22 або 33 Мбіт/с. У результаті пристрої стандарту 802.11g повинні виявитися сумісними з усіма модифікаціями обладнання 802.11b і не створювати взаємних перешкод. Діапазон підтримуваних їм швидкостей відбитий у таблиці 3.5, залежність швидкості від типу модуляції - на рис. 3.20.

Таблиця 3.5.

Можливі швидкості й тип модуляції в специфікації IEEE 802.11g

Рис. 3.20. Залежність швидкості передачі від відстані для різних технологій передачі. Відстань наведена у відсотках, 100% - дальність передачі з модуляцією ССК на швидкості 11 Мбіт/с

Очевидно, що пристроям стандарту IEEE 802.11g досить довго треба буде працювати в одних мережах з обладнанннням 802.11b. Також очевидно, що виробники в масі своєї не будуть підтримувати режими CCK-OFDM і PBSS у силу їхньої необов'язковості, адже майже все вирішує ціна пристрою. Тому одна з основних проблем даного стандарту - як забезпечити безконфліктну роботу змішаних мереж 802.11b/g.

Основний принцип роботи в мережах 802.11 - "слухати, перш ніж віщати". Але пристрої 802.11b не здатні почути пристроїв 802.11g в OFDM-Режимі. Ситуація аналогічна проблемі схованих станцій: два пристрої вилучені настільки, що не чують один одного й намагаються звернутися до третього, котре перебуває в зоні чутності обох. Для запобігання конфліктів у подібній ситуації в 802.11 уведений захисний механізм, що передбачає перед початком інформаційного обміну передачу короткого кадру "запит на передачу" (RTS) і одержання кадру підтвердження "можна передавати" (CTS). Механізм RTS/CTS можна застосовувати й до змішаних мереж 802.11b/g. Природно, ці кадри повинні транслюватися в режимі ССК, що зобов'язані розуміти всі пристрої. Однак захисний механізм істотно знижує пропускну спроможність мережі.

У таблиці 3.6 представлена зведена інформація з параметрів фізичних рівнів.

Таблиця 3.6.

Стандарти фізичного рівня

Опис технології 108 Мбіт/с (802.11а+, 802.11g+)

Функція "Super G with Turbo mode"

Швидкості з'єднання:

· Super G without Turbo (Super G безTurbo–режима) – 54 Мбіт/с

· Super G with Dynamic Turbo (Super G з режимом Dynamic Turbo) – 54Мбіт/с або 108Мбіт/с, залежно від умов навколишнього середовища

· Super G with Static Turbo (Super G з режимом Static Turbo): 108Мбіт/с.

· Режим Turbo mode може бути використаний в двох підрежимах – Dynamic Turbo і Static Turbo.

При роботі в режимі Dynamic Turbo пристрої відстежують ефір і аналізують можливі режими роботи клієнтів, що взаємодіють один з одним. У випадку якщо умови навколишнього середовища дозволяють, радіолінія переводиться в режим розширеної смуги частот і пристрою періодично відстежують, чи не з'явився клієнт 802.11g, що не підтримує турбо–режими. Якщо та, то система повертається в звичайний режим роботи із швидкістю з'єднання до 54 Мбіт/с.

При роботі в Static Turbo режим розширеного використання радіочастотного діапазону включений постійно, при цьому устаткування без підтримки турбо–режимів таку мережу виявити не зможе. Швидкість з'єднання в такій безпроводовій мережі буде максимально можливою, оскільки пристроям не доводиться постійно перемикатися в звичайний режим функціонування.

Функція Super G without Turbo mode включає наступні механізми підвищення продуктивності (максимальна швидкість з'єднання залишається рівною 54 Мбіт/с):

Packet Bursting (Пакетна передача даних): техніка пакетної передачі дозволяє збільшити пропускну спроможність завдяки відправці більшої кількості кадрів за той же часовий інтервал і зменшенню стандартних накладних витрат за рахунок відмови від проміжних періодів очікування DIFS (Distributed Interframe Space).

Fast Frames (Швидкі кадри): технологія пакетної агрегації підвищує пропускну спроможність шляхом збільшення розміру передаваних кадрів і зменшення міжкадрових інтервалів.

Hardware Compression and Encryption (Апаратне стискування і шифрування): застосування апаратного стискування за алгоритмом Lempel–ziv і шифрування даних. Збільшення пропускної спроможності здійснюється за рахунок попереднього стискування інформації.

Функція Super G with Turbo mode включає наступні механізми підвищення продуктивності Packet Bursting, Fast Frames, Hardware Compression and Encryption і Multi–channel Bonding.

Multi–channel Bonding (Об'єднання каналів): максимальне збільшення пропускної спроможності здійснюється за рахунок використання декількох (два) каналів передачі одночасно. Ця функція дозволяє досягти швидкості з'єднання 108 Мбіт/с.

Деякі виробники пропонують устаткування стандарту 802.11g+ (SUPERG), а на коробках своїх виробів (точках доступу і безпроводових адаптерах) окрім напису «802.11g+» указують ще і швидкість в 100, 108 або навіть 125 Мбіт/с.

Фактично ніякого протоколу 802.11g+ не існує, і все, що ховається за цим загадковим протоколом – це розширення базового стандарту 802.11g. Насправді, всі виробники чіпсетів для безпроводових рішень (Intersil, Texas Instruments, Atheros, Broadcom і Agere) в тому або іншому вигляді реалізували розширений режим 802.11g+. Проте проблема полягає в тому, що всі виробники по-різному реалізують даний режим, і немає ніякої гарантії, що вирішення різних виробників зможуть взаємодіяти один з одним. Тому при покупці точки доступу стандарту 802.11g+ слід переконатися, що безпроводові адаптери також підтримують даний стандарт.

Поиск по сайту: