Радиочастотные методы

Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR)

Физический уровень 802.11

В базовом стандарте 802.11 на физическом уровне определены: один метод передачи в инфракрасном диапазоне и два широкополосных радиочастотных метода.

Реализация этого метода в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком (лазерным или светодиодом) ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Стандарт предусматривает три варианта распространения излучения: направленную антенну, отражения от потолка и фокусное направление излучения.

Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например, между зданиями. Основной недостаток здесь – зависимость качества передачи от погодных условий (ИК лучи сильно поглощаются туманом, снегом и дождем). Прием отраженных от потолка сигналов является удобным решением, но при этом требуется потолок, отражающий ИК - излучение в заданном диапазоне длин волн 850 – 950 нм. Так как ИК лучи не проникают через стены, область покрытия ЛВС ограничивается зоной прямой видимости (с радиусом в 10 метров).

В стандарте поддерживаются две скорости передачи данных – 1 и 2 Mbps, которые отличаются используемыми методами модуляции и кодирования данных.

Радиочастотные методы работают в микроволновом диапазоне 2,4 ГГц (в полосе 2,4-2,483 GHz), который в большинстве стран не лицензируется.

Технологии широкополосного сигнала, используемые в этих методах, увеличивают помехоустойчивость передаваемых данных, позволяют снизить мощность передатчиков, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривал два метода передачи радиосигнала с расширением спектра: метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum ─ DSSS) и метод частотного расширения спектра (Frequency Hopping Spread Spectrum ─ FHSS).

Метод FHSS

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 подканалов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения подканалов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным подканалам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же подканал одновременно.

В качестве модуляции применяется двухуровневая (2 частоты) частотная модуляция FSK, что позволяет достичь скорости передачи данных 1 Mbps, или четырехуровневая FSK ─ для скорости 2 Mbps.

Метод FHSS дешев и прост в реализации, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. Это ограничение вызвано тем, что весь диапазон 2,4 ГГц использован под 1 МГц- вые каналы, а с увеличением скорости должно происходить более частое переключение каналов, что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.

При использовании этой спецификации сеть может состоять из сот (разные радиоканалы). Для исключения взаимовлияния в соседних сотах могут применяться непересекающиеся последовательности частот. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение от точки доступа, он настраивается на ее радиоканал. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа более качественного обслуживания (вследствие перемещений пользователя, изменения радиочастотных характеристик здания, увеличения загруженности первоначальной точки доступа). Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на её радиоканал (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Подключение к соте и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа.

Метод DSSS

Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов. Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битная расширяющая последовательность Баркера ─ {10110111000}. Каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит (называются чипами) передаваемых данных, так что тактовая скорость передатчика, а следовательно, и спектр сигнала увеличивается в 11 раз. Двоичная 1 заменяется прямой последовательностью (10110111000), а 0 ─ инверсной (01001000111). Приемник, сравнивая известную последовательность с поступающими данными, легко находит в них начало последовательности. Действительно, если сравнивать последовательность Баркера с такой же последовательностью, но сдвинутой на 1бит влево или вправо, то будет получено меньше половины совпадающих значений битов. Значит, даже при искажении нескольких битов приемник с большой долей вероятности правильно определит начало последовательности, а значит правильно прочитать полученную информацию.

Высокая избыточность для каждого бита позволяет также, не снижая надёжность передачи, значительно уменьшить мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна (помеха обычно искажает только определенные частоты спектра сигнала), он в большинстве случаев всё равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Для передачи последовательности чипов используется некоторая схема модуляции. Для достижения скорости 1 Mbps применяется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK), т. е. один фазовый сдвиг на каждый чип. Для достижения скорости 2 Mbps применяется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) ─ с помощью четырех сдвигов фаз два исходных чипа передаются за один такт.

Спецификация 802.11b

Основное дополнение, внесённое спецификацией в основной стандарт – это поддержка скоростей передачи данных – 5,5 и 11 Mbps. Спецификация 802.11b определяет только один метод передачи ─ DSSS. Таким образом, сети 802.11b могут быть совместимы с системами 802.11 DSSS, но не с 802.11 FHSS. Для увеличения скорости передачи была использована более совершенная техника кодирования CCK (Complementary Code Keying). Здесь вместо кода Баркера применяется последовательность кодов, называемых дополнительными (Complementary Sequences). Она состоит из 64 8-чиповых кодирующих слов, и позволяет одним словом закодировать до 6 бит. Затем код CCK модулируется с помощью схемы QPSK, точно такой же, как и в методе 802.11 DSSS. Это добавляет к символу еще два бита. Символы посылаются с частотой 1,375 Msps, что и дает в результате пропускную способность 11 Mbps.

Стандарт 802.11b позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в диапазоне 11 Mbps – 1 Mbps в зависимости от свойств радиоканала (повышение уровня помех, или удаление пользователя на большое расстояние).

Спецификация 802.11а

Спецификация 802.11a предусматривает увеличение скорости передачи данных до 54 Mbps, но, для этого задействуется более емкий информационный канал в другом диапазоне частот (полоса 5,15─5,825 GHz). Кроме этого применяется принципиально другой метод передачи, называемый ортогональным частотам мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ─ OFDM) и прямая коррекция ошибок FEC. Схемы последующей фазовой и амплитудно- фазовой модуляции с разным количеством состояний одного (фаза) и двух (амплитуда и фаза) информационных параметров обеспечивают скорости передачи 6 Mbps (BPSK), 12Mbps (QPSK), 24Mbps (16QAM),…, 54 Mbps (64QAM).

Как легко видеть, стандарт IEEE 802.11a оказался не совместимым ни с вариантом 802.11b, ни с базовым беспроводным стандартом IEEE 802.11, кроме того, оборудование для даного диапазона частот оказалось существенно дороже и сам диапазон в ряде стран подлежит лицензированию.

Метод OFDM

При использовании этого метода битовый поток делится на подпотоки. Каждый подпоток модулирует определенную несущую частоту, которая обычно выбирается по принципу:f0, 2f0,3f0, и т.д. Модуляция выполняется с помощью обычных методов PSK или FSK. Перед передачей все несущие сворачиваются в общий сигнал путем быстрого преобразования Фурье. Спектр такого сигнала примерно соответствует спектру сигнала, получаемого на одной несущей. После передачи из общего сигнала путем обратного преобразования Фурье выделяются несущие подканалы, а из них - битовые подпотоки. Выигрыш в разделении исходного битового потока на несколько низкоскоростных подпотоков проявляется в том, что увеличивается временной интервал между отдельными символами кода. А это ведет к уменьшению эффекта межсимвольной интерференции, которая проявляется из-за многолучевого распространения электромагнитных волн (отраженная от некоторого препятствия и запоздавшая волна предыдущего сигнала может наложиться на прямую волну следующего сигнала и исказить его).

Стандарт IEEE 802.11g и IEEE 802.11n

Стандарт 802.11g использовал частотный диапазон 2,4 ГГц и схему мультиплексирования OFDM, что позволило достичь пропускной способности 54 Mbps. Для обеспечения совместимости с сетями 802.11b он предусматривал поддержку механизма кодирования CCK/Barker и сразу же был благосклонно принят рынком.

Совсем недавно появилась информация о стандарте 802.11n, основной целью которого является достижение реальной скорости передачи данных пользователя со скоростью 100 Мбит/с. Такая скорость достигается за счет использования технологии множественных антенн (MIMO), ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и использования частотного диапазона 5ГГц.

В таблице 4.8 приведены основные характеристики стандартов IEEE 802.11

Таблица 4.8. Основная характеристика стандартов IEEE 802.11

Стандарт	802.11	802.11a	802.11b	802.11g	802.11n
Максимальная скорость передачи, Мбит/с	1 и 2	1 и 2	1 и 2
Рабочая частота, ГГц	2.4	2.4	ИК волны 850 нм		2.4	2.4	2.4 и 5
Реальная пропускная способность на расстоянии 6--18 м, Mbps	Нет данных	Нет данных	Нет данных	15 - 20	4 - 6	15 - 20
Типичный радиус покрытия в помещении, м	≤ 100	≤ 100	10 (в помещении)				Около 250
Схема кодирования	Метод частотных скачков FHSS	Широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS)		Мультиплекси-рование с разделением по ортогональным частотам (OFDM)	Широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS c CCK)	Мультиплекси-рование с разделением по ортогональным частотам (OFDM)	Мультиплекси-рование с разделением по ортогональным частотам (OFDM)
Совместимость	Несовместим с другими	Совместим с продуктами 11b/g,	Несовместим с другими	Несовместим с другими	Совместим с продуктами 11g, если они работают в смешанном режиме	Обратно совместим с продуктами 11b	Обратная совместимостьс 802.11a/b/g.