Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4……2,483 ГГц и в нескольких полосах вблизи 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможны несколько вариантов топологий:

• независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
• базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
• расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Рис. 4.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Рис. 4.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Рис. 4.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Стандарт 802.11 имеет 3 варианта: 802.11a, b и g. Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1,

-1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения сигналов (рис. 4.11).

Рис.4.11. Многолучевое распространение сигналов

Идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни, тысячи!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц и десятков миллисекунд.

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 4.12а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 4.12б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T g , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T b увеличивается по сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT b /(T b +T g) раз.

u цис (t)

n инф.символов

u 1 t

u 2 t

u k t

u n t

Рис. 4.12. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальные созвездия при различных видах модуляции представлены на рис. 4.13.

Рассмотрим пример с передачей символов при модуляции 16-КАМ (рис. 4.14).

Рис. 4.13. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi, WiMA, LTE

Рис.4.14. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S k , передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

.

В примере на рис. 4.14,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(4.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F 1 : F k = kF 1 , а частота F 1 жестко связана с длительностью символа: F 1 = 1/T b . Следовательно, на временном отрезке T b укладывается k волн поднесущей часоты F k . Каждый символ S k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F k . Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u OFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 4.15 показаны поднесущие с частотами F 1 и F 2 и нулевыми начальными фазами на временном интервале T b .

Рис.4.15. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 4.16). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.4.16. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

Рассмотрим, как работает приёмник k -ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(4.2)

На частоте F k = kF 1

На любой другой поднесущей F p = pF 1

Поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.4.17), а на интервале T b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды.

Рис.4.17. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (4.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью точка доступа (АР) в радиоканале вниз и и терминал абонента в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные сигналы , т.е. заранее известные комплексные числа С(n) , принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В защитном интервале T g между символами (рис.4.12) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T g (рис. 4.18).

Рис. 4.18. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (4.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒T b , нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (4.3), а интегралы (4.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T g , на интервале интегрирования T b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (4.4) равны нулю.

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). На 4 поднесущих передают опорные сигналы. Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

Основные характеристики стандарта 802.11а приведены в табл. 4.4.

Повсеместное 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 как средство оперативного доступа в Интернет.

днако конечный пользователь, не являющийся сетевым администратором, как правило, не слишком разбирается в сетевых технологиях, поэтому ему трудно сделать правильный выбор при покупке беспроводного решения, особенно с учетом многообразия предлагаемых сегодня продуктов. Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи, не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, с еще более высокими скоростями передачи. Речь, конечно, идет о семействе протоколов беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят протоколы 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g, 802.11g+, причем на горизонте уже замаячил новый стандарт — 802.11n. А если к этому многочисленному семейству добавить еще и такие протоколы безопасности и QoS, как 802.11e, 802.11i, 802.11h и т.д., то станет понятно, что разобраться в этом совсем непросто.

Чтобы 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 основными принципами функционирования беспроводных сетей.

Физический уровень семейства протоколов 802.11

сновная разница между стандартами семейства 802.11 заключается в способах кодирования информации и в вытекающих из этого различиях в скоростях приема/передачи. В основе всех беспроводных протоколов лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS), которая подразумевает, что первоначально узкополосный (по ширине 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 сравниваться с уровнем естественного шума, вследствие чего сигнал становится в каком-то смысле «невидимым» — он просто теряется на уровне естественного шума.

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), а также 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). Для организации совместного использования радиодиапазона в таких жестких условиях используется технология уширения спектра. В протоколах 802.11b/g применяется технология уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Стандарт IEEE 802.11

Самым первым стандартом беспроводных сетей, послужившим основой для целого семейства протоколов беспроводной связи, был IEEE 802.11. Сегодня уже не существует решений, базирующихся исключительно на этом протоколе, 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 24 835 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 11Ѕ106 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).

Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость в 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key).

При информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11Ѕ106 чип/с, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала.

Стандарт IEEE 802.11b

Протокол 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 вместо шумоподобных последовательностей Баркера для уширения спектра используются так называемые восьмичиповые CCK последовательности (Complementary Code Keying, CCK).

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 1,385Ѕ106 символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385).

Значения фаз, определяющих элементы CCK-последовательности, зависят от последовательности входных информационных битов. При скорости передачи 11 Мбит/с для однозначного определения ССК-последовательности требуется знание 8 бит (4 дибит) входных данных. Первый дибит входных данных определяет сдвиг по фазе всего символа относительно предыдущего, а остальные 6 бит используются для задания самой CCK-последовательности. 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, и это позволяет кодировать 6 бит в одном передаваемом символе. Поскольку каждый символ дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего символа в зависимости от значения первого дибита и сдвиг фазы может принимать четыре значения, получаем, что в каждом символе кодируется 8 информационных битов.

При скорости передачи 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется уже 4 бит, 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 используются 4 входных информационных бита, то есть 2 дибита. Первый дибит, как и прежде, задает значение сдвига по фазе целого символа, а второй дибит используется для выбора одной из четырех возможных CCK-последовательностей. Если учесть, что каждый символ к тому же дополнительно сдвигается по фазе относительно предыдущего на одно из четырех возможных значений, то это позволяет кодировать в одном символе 4 информационных бита.

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) станет 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, чтобы приемник и передатчик правильно анализировали помеховую обстановку и выбирали приемлемую скорость передачи.

Кроме CCК-последовательностей, в протоколе 802.11b опционально на скоростях передачи 5,5 и 11 Мбит/с предусмотрен альтернативный метод кодирования — пакетное сверточное кодирование PBCC. И 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 было в свое время 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 со скоростью сверточного кодирования 1/2, 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 битов 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 11Ѕ106 символов в секунду.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет два отличия. Во-первых, 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 бит. Во-вторых, в схему, кроме сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture) по следующей причине: избыточность сверточного кодера равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных) достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовало три выходных. С этой целью можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер со скоростью сверточного кодирования 2/3, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.

Разобравшись с принципом работы пунктурного кодера, вернемся к рассмотрению кодирования PBCC на скорости 22 Мбит/с в протоколе 802.11b+.

В сверточный кодер (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, в котором избыточность уменьшается так, чтобы на каждые четыре входных бита приходилось 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 11Ѕ106 символов в секунду, а информационная скорость — 22 Мбит/с.

Соотношение между скоростями передачи и типом кодирования в стандарте 802.11b/b+ приведено в табл. 1.

* Скорость 22 Мбит/с относится только к протоколу 802.11b+.

Стандарт IEEE 802.11g

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 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b. 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.

Единственное, о чем мы пока не упоминали, — это техника гибридного кодирования. 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, то имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично и 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. Однако технология CCK-OFDM — не единственная гибридная технология: при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передается с помощью CCK-кодов, а данные кадра кодируются посредством PBCC.

Стандарт IEEE 802.11а

Рассмотренные выше стандарты 802.11b и 802.11g относятся к частотному диапазону 2,4 ГГц (от 2,4 до 2,4835 ГГц), а 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 — 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 значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяется для передачи данных (Data Tones), а остальные — для передачи служебной информации (Pilot Тones).

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK, а на высоких — 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 разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи оказывается различной.

В методе OFDM время длительности одного символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс, а следовательно, 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 кГцЅ48 каналов = 12 МГц. Если скорость сверточного кодера составляет 1/2, то скорость передачи информационных битов окажется равной 6 Мбит/с. Если же скорость сверточного кодирования будет 3/4, то скорость передачи информационных битов составит 9 Мбит/с. Всего в протоколе 802.11a предусмотрено использование восьми различных режимов передачи, отличающихся друг от друга скоростью, типом модуляции и используемой скоростью сверточного кодирования (табл. 2). При этом подчеркнем, что в самом протоколе 802.11а обязательными являются только скорости 6, 12 и 24 Мбит/с, а все остальные — опциональными.

Механизмы коллективного доступа в сетях 802.11

о сих пор, рассматривая различные протоколы беспроводной связи семейства 802.11, мы концентрировались именно на физическом (PHY) уровне, определяющем методы кодирования/декодирования и модуляции/демодуляции сигнала при его передаче и приеме. Однако такие вопросы, как регулирование совместного использования среды передачи данных, определяются на более высоком уровне — на уровне доступа к среде передачи данных, который называют МАС-уровнем (Media Access Control). Именно на MAC-уровне устанавливаются правила совместного использования среды передачи данных одновременно несколькими узлами беспроводной сети.

Необходимость существования регламентирующих правил совершенно очевидна. Представьте себе, что было бы, если бы каждый узел беспроводной сети, не соблюдая никаких правил, стал передавать данные в эфир. В результате интерференции нескольких таких сигналов узлы, которым предназначалась отправленная информация, не смогли бы не только ее получить, но и вообще понять, что данная информация адресована им. Именно поэтому необходимо существование жестких регламентирующих правил, которые должны определять коллективный доступ к среде передачи данных. Такие правила коллективного доступа можно образно сравнить с правилами дорожного движения, которые регулируют совместное использование автодорог всеми участниками движения.

На MAC-уровне протокола 802.11 определяются два типа коллективного доступа к среде передачи данных: функция распределенной координации (Distributed Coordination Function, DCF) и функция централизованной координации (Point Coordination function, PCF).

Функция распределенной координации DCF

На первый взгляд организовать совместный доступ к среде передачи данных не составляет никакого труда: для этого лишь необходимо обеспечить, чтобы все узлы передавали данные только тогда, когда среда является свободной, то есть когда ни один из узлов не производит передачу данных. Однако такой механизм неизбежно приведет к коллизиям, поскольку велика вероятность того, что сразу два или более узлов, пытаясь получить доступ к среде передачи данных, решат, что среда свободна, и начнут одновременную передачу. Именно поэтому необходимо разработать алгоритм, способный снизить вероятность возникновения коллизий и в то же время гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к среде передачи данных.

Одним из вариантов организации такого равноправного доступа к среде передачи данных является функция распределенной координации (DCF), основанная на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избежания коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, прослушивает среду, стараясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных.

Однако, как мы уже отмечали, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий, и для того, чтобы снизить вероятность возникновения подобных ситуаций, используется механизм избежания коллизий (Collision Avoidance, CA). Суть данного механизма заключается в следующем. Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать передачу, выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот промежуток является случайным и складывается из двух составляющих: обязательного промежутка DIFS (DCF Interframe Space) и выбираемого случайным образом промежутка обратного отсчета (Backoff Time). В результате каждый узел сети перед началом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени, что, естественно, значительно снижает вероятность возникновения коллизий, поскольку вероятность того, что два узла сети будут выжидать в течение одного и того же промежутка времени, чрезвычайно мала.

Чтобы гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к среде передачи данных, необходимо соответствующим образом определить алгоритм выбора длительности промежутка обратного отсчета. Этот промежуток хотя и является случайным, но выбирается из множества некоторых дискретных промежутков времени, то есть равен целому числу элементарных временных промежутков, называемых тайм-слотами (SlotTime). Для выбора промежутка обратного отсчета каждый узел сети формирует так называемое окно конкурентного доступа (Contention Window, CW), использующееся для определения количества тайм-слотов, в течение которых станция выжидала перед передачей. Минимальной размер окна определяется в 31 тайм-слот, а максимальный — в 1023 тайм-слота.

Когда узел сети пытается получить доступ к среде передачи данных, то после обязательного промежутка ожидания DIFS запускается процедура обратного отсчета, то есть включается обратный отсчет счетчика тайм-слотов начиная от выбранного значения окна. Если в течение всего промежутка ожидания среда оставалась свободной, то узел начинает передачу.

После успешной передачи окно формируется вновь. Если же за время ожидания передачу начал другой узел сети, то значение счетчика обратного отсчета останавливается и передача данных откладывается. После того как среда станет свободной, данный узел снова начинает процедуру обратного отсчета, но уже с меньшим размером окна, определяемым предыдущим значением счетчика обратного отсчета, и соответственно с меньшим значением времени ожидания. При этом очевидно, что чем большее число раз узел откладывает передачу по причине занятости среды, тем выше вероятность того, что в следующий раз он получит доступ к среде передачи данных.

Рассмотренный алгоритм реализации коллективного доступа к среде передачи данных гарантирует равноправный доступ всех узлов сети к среде. Однако при таком подходе вероятность возникновения коллизий все-таки существует. Понятно, что снизить вероятность возникновения коллизий можно путем увеличения максимального размера формируемого окна, однако это увеличит времена задержек при передаче, уменьшив тем самым производительность сети. Поэтому в методе DCF для минимизации коллизий используется следующий алгоритм. После каждого успешного приема кадра принимающая сторона через короткий промежуток SIFS (Short Interframe Space) подтверждает успешный прием, посылая ответную квитанцию — кадр ACK (ACKnowledgement). Если в процессе передачи данных возникла коллизия, то передающая сторона не получает кадр ACK об успешном приеме и тогда размер окна для передающего узла увеличивается почти вдвое. Так, если для первой передачи размер окна равен 31 слоту, то для второй попытки передачи он уже составляет 63, для третьей — 127, для четвертой — 255, для пятой — 511, а для всех последующих — 1023 слота. Следовательно, увеличение размера окна происходит динамически, по мере роста числа коллизий, что позволяет, с одной стороны, уменьшить временные задержки, а с другой — снизить вероятность возникновения коллизий.

Рассмотренный механизм регламентирования коллективного доступа к среде передачи данных имеет одно узкое место. Это так называемая проблема скрытых узлов. Из-за наличия естественных препятствий возможна ситуация, когда два узла сети не могут слышать друг друга напрямую; такие узлы называют скрытыми. Чтобы решить проблему скрытых узлов, функция DCF опционально предусматривает возможность использования алгоритма RTS/CTS.

Алгоритм RTS/CTS

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем как послать данные, сначала отправляет специальное короткое сообщение, которое называется RTS (Ready-To-Send) и означает готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети (если, конечно, они не скрыты от отправителя). 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.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда сеть состоит из четырех узлов: A, B, C и D (рис. 1). Предположим, что узел C находится в зоне досягаемости только узла A, узел A находится в зоне досягаемости узлов C и B, узел B находится в зоне досягаемости узлов A и D, а узел D находится в зоне досягаемости только узла B, то есть в сети имеются скрытые узлы: узел C скрыт от узлов B и D, а узел A скрыт от узла D.

В подобной сети алгоритм RTS/CTS позволяет справиться с проблемой возникновения коллизий, которая не решается посредством рассмотренного базового способа организации коллективного доступа в DCF. Пусть узел A пытается передать данные узлу B; для этого он посылает сигнал RTS, который, помимо узла B, получает также узел C, но не получает узел D. Узел C, получив данный сигнал, блокируется, то есть приостанавливает попытки передавать сигнал до момента окончания передачи между узлами A и B. Узел B, в ответ на полученный сигнал RTS, посылает кадр CTS, который получают узлы A и D. Узел D, получив данный сигнал, также блокируется на время передачи между узлами A и B.

У алгоритма RTS/CTS имеются, однако, свои подводные камни, которые в определенных ситуациях ведут к снижению эффективности использования среды передачи данных. К примеру, иногда возможно такое явление, как распространение эффекта ложных блокировок узлов, что в конечном счете может привести к ступору в сети.

Рассмотрим, к примеру, сеть, показанную на рис. 2. Пусть узел B пытается передать данные узлу A, посылая ему кадр RTS. Поскольку этот кадр получает также и узел C, то последний блокируется на время передачи между узлами A и B. Узел D, пытаясь передать данные узлу C, посылает кадр RTS, но поскольку узел C заблокирован, то он не получает ответа и начинает процедуру обратного отсчета с увеличенным размером окна. В то же время кадр RTS, посланный узлом D, получает и узел E, который, неверно предполагая, что за этим последует сеанс передачи данных от узла D к узлу С, блокируется. Однако это ложная блокировка, поскольку реально между узлами D и C передачи нет, и такое явление ложной блокировки узлов может приводить к кратковременному ступору всей сети.

Функция централизованной координации PCF

Вышеописанный механизм распределенной координации DCF является базовым для протоколов 802.11 и может использоваться и в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, и в сетях, работающих в режиме Infrastructure, то есть в таких сетях, инфраструктура которых включает точку доступа (Access Point, AP).

Однако для сетей в режиме Infrastructure более естественным является несколько иной механизм регламентирования коллективного доступа, известный как функция централизованной координации (Point Coordination Function, PCF). Отметим, что механизм PCF является опциональным и применяется только в сетях с точкой доступа. В случае использования механизма PCF точка доступа является центром координации взаимодействия (Point Coordinator, PC). На центр координации возлагается управление коллективным доступом всех остальных узлов сети к среде передачи данных на основе определенного алгоритма опроса или исходя из приоритетов узлов сети. Центр координации опрашивает все узлы сети, внесенные в его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между всеми узлами сети. Следует отметить, что такой подход полностью исключает конкурирующий доступ к среде, как в случае механизма DCF, и делает невозможным возникновение коллизий.

Функция централизованной координации не отменяет функцию распределенной координации, а скорее дополняет ее, накладываясь поверх. В течение определенного промежутка времени реализуется механизм PCF, затем — DCF, а потом все повторяется заново.

Для возможности чередования режимов PCF и DCF необходимо, чтобы точка доступа, выполняющая функции центра координации и реализующая режим PCF, имела приоритетный доступ к среде передачи данных. Это можно сделать, если использовать конкурентный доступ к среде передачи данных (как и в методе DCF), но для центра координации разрешить использовать промежуток ожидания, меньший DIFS. В этом случае если центр координации пытается получить доступ к среде, то он ожидает окончания текущей передачи, а поскольку для него определяется минимальный режим ожидания после обнаружения «тишины» в эфире, то он первым получает доступ к среде.

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4……2,483 ГГц и в нескольких полосах вблизи 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможны несколько вариантов топологий:

• независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
• базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
• расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Независимая базовая зона обслуживания представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют эпизодической или неплановой (ad-hoc), сетью. На рис. 6.8 показано, как три станции, оборудованные беспроводным сетевым интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рис. 6.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Технология базовых зон обслуживания предполагает наличие особой станции: точки доступа AP (access point). Точка доступа – это центральный пункт связи для всех станций BSS. Станции клиентов не связываются непосредственно друг с другом. Вместо этого они передают сообщения точке доступа, а уже она направляет информационные пакеты станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключают к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet для доступа к Интернету). Поэтому BSS называют сетью с инфраструктурой. На рис. 6.9 представлена типичная инфраструктура BSS.

Рис. 6.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BSS с распределительной системой (distribution system, DS). Несколько BSS, соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. Спецификации стандарта 802.11 позволяют построить этот канал как беспроводный. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной сети Ethernet. На рис. 6.10 представлен пример практического воплощения ESS.

Территорию, покрытую BSS или ESS с выходом в Интернет, называют hot spot (“горячей точкой”). “Горячие точки” создают в гостиницах, аэропортах, ресторанах, студенческих общежитиях и просто на улицах. В конце 2004 г. в мире работало около 50 000 “горячих точек”, а число пользователей ими достигло
50 млн. человек. Быстрое распространение услуг WLAN и большое число производителей аппаратуры требует совместимости аппаратных и программных средств, предлагаемых различными фирмами. С этой целью в 1999 г. была создана организация WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), вскоре преобразованная в Wi-Fi Alliance. Он включает в себя разработчиков и производителей аппаратуры стандарта 802.11, операторов сетей, экспертов. Главная цель альянса – сертификация выпускаемой аппаратуры с целью обеспечения взаимодействия Wi-Fi устройств, производимых разными фирмами.

Рис. 6.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Стандарт 802.11 имеет 3 варианта: 802.11a, b и g. Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц. Как было сказано, этот диапазон нелицензируемый и в нем действует много других систем и устройств. Для снижения влияния помех в сетях 802.11b предложено 2 способа. Первый – использование, как и в стандарте Bluetooth, прыгающей частоты при передаче каждого следующего кадра. Однако на практике обычно применяют другой способ: прямое расширение спектра путем заполнения информационных символов скремблирующим кодом.

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Использование широкополосного канала позволяет при высоком отношении сигнал/помеха (15 – 17 дБ) увеличить скорость передачи данных. При этом отказываются от скремблирования, а данные передают с символьной скоростью 11 Мсимв/с с модуляцией 4-ФМ. Для повышения качества связи при передаче используют избыточное кодирование с помощью дополняющего кода ССК (Complementary Code Keying). Скорость передачи данных в кадре может составлять 11 или 5,5 Мбит/с.

Максимальная мощность передатчиков устройств стандарта 802.11b составляет в Европе 100 мВт, а в США – 1 Вт.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц –
1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию. Приведем характерный пример.

Пусть по радиоканалу идет передача с символьной скоростью В=40 Мсимв/с. При передаче на одной несущей частоте длительность символа с. Представим себе ситуацию передачи такого сигнала в большом помещении (вокзал, аэропорт, торговый центр – рис. 6.11).

Рис.6.11. Многолучевое распространение сигналов

Для того чтобы прямой и обратный лучи приходили с запаздыванием в 1 символ, разность их хода должна составлять всего м. Такое запаздывание можно наблюдать даже в достаточно большой комнате. Чтобы снять проблему межсимвольной интерференции, следует увеличить длину символа в 10, а еще лучше в 100 раз. Тогда межсимвольная интерференция будет заметна при разности трасс в 750 м. Отсюда следует идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц миллисекунд.

Обобщенный символ является суммой символов, передаваемых на N S поднесущих. На всех поднесущих можно использовать различные виды модуляции: 2-ФМ, 4-ФМ, 8-ФМ, 16-КАМ или 64-КАМ. Временная диаграмма OFDM сигнала приведена на рис. 6.12, где номером i помечены отдельные поднесущие.

Рис. 6.12. Структура сигнала OFDM

Символы друг от друга специально отделены паузами длительностью Т р , чтобы в случае многолучевого сигнала соседние символы не «наползали» друг на друга.

Суммарный OFDM сигнал при может быть представлен в виде:

, (6.1)

где - комплексная амплитуда одного переданного сигнала,

t s – время начала каждого отдельного символа,

T s – длительность символа.

Спектральная картина OFDM сигнала показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Спектр OFDM сигнала

Чтобы при приеме можно было различать сигналы, передаваемые на соседних поднесущих, все сигналы должны быть взаимно ортогональны. Это условие выполнимо, если расстояние между соседними поднесущими .

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

В зависимости от помеховой ситуации в стандарте 802.11а предусмотрено использование адаптивных схем модуляции и кодирования. Основные характеристики стандарта приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Стандарт 802.11g объединяет возможности стандартов 802.11а и b в диапазоне 2,4….2,483 ГГц. Основные характеристики стандарта приведены в табл. 6.5. Кроме ССК и OFDM, в стандарте на ряде скоростей использовано избыточное двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (packet binary convolutional coding).

Таблица 6.5

Доступ к сети абонентских станций и возможность передачи кадров в сетях 802.11 осуществляют с помощью координатных функций. При использовании распределенной координатной функции DCF (distributed coordination function) все станции имеют одинаковый приоритет и занимают канал на основе состязаний с таймерами отката. Принцип действия DCF поясняет рис. 6.14.

Рис. 6.14. Работа станций в режиме DCF

Работающие станции прослушивают радиоканал и ждут, пока он не станет свободным (прекратится передача несущей). На рис. 6.14 вначале передает станция 3, а к передаче готовы станции 1, 2 и 5. По завершении кадра станции 3 следует обязательный межкадровый промежуток DIFS (34….50 мкс), после чего станции, готовые передать свои пакеты, начинают состязание. Каждая из станций запускает таймер состязаний, где устанавливаются случайные числа внутри окна состязаний: 0…..7, 0… 63, и далее до 127, 255, 511, 1023. С момента начала состязания начинается считывание таймеров с тактовой скоростью 9…20 мкс. Та станция, которая первой обнулит таймер, занимает канал (на рис. 6.14 станция 2). Остальные запоминают содержимое своих таймеров (откат) до следующего состязания. В процессе передачи возможны коллизии, когда две станции одновременно обнулят свои таймеры (станции 4 и 5 на рис. 6.14). Это приводит к расширению окна состязаний с последующим повтором передачи кадров.

В реальном алгоритме доступа на основе DCF используют более надежную процедуру (рис. 6.15). Станция, выигравшая состязание, посылает короткий пакет запроса получателю RTS – Request to Send , на что получает подтверждение готовности получателя к приему CTS – Clear to Send . После этого следует передача информационного кадра. Цикл завершает пакет подтверждения (или неподтверждения) приема кадра АСК. Так реализуют обмен файлами по протоколу TCP/IP.

Рис. 6.15. Процедура доступа к сети на основе DCF

В цикле передачи кадры RTS – CTS – Данные – АСК разделяют короткими межкадровыми промежутками SIFS (10…16 мкс). Станции, не участвующие в обмене, по информации, содержащейся в кадрах RTS и CTS о длительности цикла передачи, устанавливают у себя векторы NAV (network allocation vector). NAV – это время считывания таймера, в течение которого станция находится в “спящем” режиме и не участвует в состязании, пока NAV не станет равным 0.

Рассмотренный метод доступа используют при чтении файлов из Интернета. Однако он не позволяет передавать потоковое видео и, тем более, IP-телефонию, где жестко лимитированы допустимые задержки сигналов. Новый стандарт IEEE 802.11e предусматривает поддержку в Wi-Fi сетях четырех классов трафика, расставленных в порядке приоритетов:

Voice – телефонию с качеством передачи на уровне междугородной связи,

Video – передачу телевидения,

Best Effort – чтение Интернет-файлов,

Background – передачу файлов с низким приоритетом.

Эта классификация соответствует классам услуг сетей мобильной связи 3-го поколения, что позволяет организовать взаимодействие мобильных и Wi-Fi сетей. Реализация стандарта 802.11е возможна только в сетях с точками доступа, где для занятия канала используют точечную координатную функцию PCF (point coordination function). Принцип работы сети на основе PCF поясняет рис. 6.16.

Процесс передачи определяет точка доступа AP. Время передачи поделено на суперкадры, длительность которых АР устанавливает адаптивно и в процессе передачи может менять. В начале каждого суперкадра АР передает кадр маяка. Он устанавливает длительность суперкадра, максимальный размер информационных кадров и период, свободный от состязаний. В это время обмен информацией между точкой доступа и станциями идет только по опросу АР (сама станция занять канал не может). Одновременно с посылкой кадра опроса (polling) АР может отправить на станцию и информационный кадр. Окончание периода без состязаний АР маркирует посылкой кадра CF-End. После этого станции, включая АР, занимают канал на основе состязаний. Такой метод доступа позволяет организовать передачу пакетов данных с постоянной скоростью, что необходимо при телефонном и потоковом трафике.

Рис. 6.16. Передача данных на основе PCF

Надо сказать, что точечная координатная функция PCF не в полной мере обеспечивает параметры QoS. Для поддержки требуемого качества услуг разработан специальный стандарт 802.11e. Он вводит понятие категории доступа AC, которые происходят от группы стандартов 802.1D и задают уровни приоритета. Всего существует 4 категории доступа (табл. 6.6): голос (Voice) , видео (Video), наилучшая попытка (Best Effort) и фон (Background). Каждая категория связана с соответствующим типом данных.

Таблица 6.6

Стандарт 802.11e определяет новый тип доступа к среде для обеспечения качества обслуживания – гибридную координатную функцию (hybrid coordination function, HCF ). HCF определяет два механизма доступа к среде:

· Доступ к каналу, основанный на состязании (contention-based channel l access);

· Управляемый доступ к каналу (controlled channel access).

Доступу к каналу, основанному на состязании, соответствует расширенный распределенный доступ к каналу (enhanced distributed channel access, EDCA ), а управляемому доступу к каналу соответствует доступ к каналу, управляемому HCF (HCF controlled channel access, HCCA ). В стандарте 802.11e по-прежнему существуют две фазы работы внутри суперфрейма – периоды состязания (CP) и свободные от состязания периоды (CFP). EDCA используют только в CP, а HCCA используют в обоих периодах. HCF объединяет методы PCF и DCF, поэтому ее называют гибридной. Результат преобразования архитектуры МАС показан на рис. 6.17.

Рис. 6.17 Архитектура МАС

Станцию, которая работает как центральный координатор для всех станций внутри базового набора услуг, поддерживающего QoS (QoS supporting BSS, QBSS ), называют гибридным координатором (hybrid coordinator ). Он, также как и точечный координатор, располагается внутри точки доступа. Клиентские станции, поддерживающие QoS, называют QSTA.

Станция 802.11e, которой предоставлен доступ к среде, не должна использовать радиоресурсы большей длительности, чем та, что определена в стандарте. Это новое введение называют возможностью передачи (transmission opportunity, TXOP ). TXOP – это интервал, в течении которого станция имеет право передавать пакеты. Он определяется своим временем начала и длительностью. TXOP, существующий в доступе к среде, основанному на состязании, называют EDCA-TXOP. Аналогично TXOP, существующий в управляемом доступе к среде, называют HCCA-TXOP. Длительность EDCA-TXOP ограничена параметром TXOPlimit, значение которого постоянно передают через определенный информационный элемент поля фрейма маяка.

Другое улучшение стандарта заключается в том, что ни одна станция не может передавать в момент, когда наступает время передавать фрейм маяка. Это уменьшает ожидаемую задержку маяка, что дает гибридному координатору лучший контроль над средой, особенно тогда, когда после фрейма маяка используется опциональный CFP.

В новом стандарте станция может передавать пакеты непосредственно другой станции в QBSS, не связываясь с точкой доступа. В старом стандарте внутри сети с инфраструктурой все пакеты обмена данных между станциями шли только через точку доступа.

Поддержка качества обслуживания в EDCA обеспечивает использование таких понятий, как категории доступа и множество независимых объектов отката (backoff entities ). В каждой станции 802.11е могут существовать несколько параллельных объектов отката, причем этим объектам назначены различные приоритеты согласно набору особых параметров категорий доступа (EDCA parameter set ). Как было указано выше, существуют четыре категории доступа, соответственно в каждой станции есть четыре объекта отката (рис. 6.18). Набор параметров EDCA устанавливает приоритеты в доступе к среде, определяя индивидуальные межфреймовые промежутки, окна состязаний и другие параметры.

Рис. 6.18. Четыре категории доступа в одной станции

Для каждой категории доступа определены свои межкадровые промежутки (arbitration interframe space, AIFS ), аналогичные DIFS, но разной длительности. Кроме того, меняется и размер окна состязаний в зависимости от приоритета трафика.

6. 5. Стандарт IEEE 802.16 - WiMAX

WiMAX -Worldwide Interoperability for Microwave Access

Таблица 6.7

Основные характеристики стандарта WiMAX

Таблица 6.8

Некоммерческая организация WiMAX (World Interoperability for Microwave Access – взаимодействие оборудования сетевого доступа на сверхвысоких частотах во всем мире) образована с целью содействия разработке беспроводного оборудования доступа к широкополосным сетям на основе спецификации IEEE 802.16 для беспроводных зональных сетей, сертификации такого оборудования на совместимость и взаимодействие, а также ускорению его выхода на рынок.

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах 2…11 ГГц и 10-66 ГГц (рис.6.1). В диапазоне 10-66 ГГц радиосвязь возможна лишь в случае прямой видимости между точками. В этом диапазоне используют прямую модуляцию несущей (режим с одной несущей).

В диапазоне 2…11 ГГц спецификации радиоинтерфейса, допускают возможность решения задачи радиосвязи в условиях многолучевого распространения и при отсутствии прямой видимости (NLOS - Non-Line-Of-Sight). Радиоинтерфейс WMAN-SC2 использует модуляцию одной несущей, радиоинтерфейс WMAN – OFDM – ортогональную частотную модуляцию (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) с быстрым преобразованием Фурье на 256 точек и до 2048 точек. Сертифицированные диапазоны частот для фиксированного и мобильного WiMAX профилей приведены на рис.1.

Фиксированные WiMAX профили – 3,5 ГГц (FDD): 3,5; 7; (256)

3,5 ГГц (TDD): 3,5; 7; (256)

5,8 ГГц (TDD): 10 (256)

Мобильные WiMAX профили - 2,3 – 2,4 ГГц: 5 (512); 10 (1024); 8.75 (1024);

все TDD 2,305 – 2,320 ГГц: 3,5 (512); 5 (512)

2,345 – 2,360 ГГц: 10 (1024)

2,496 – 2,69 ГГц: 5 (512); 10 (1024)

3,3 – 3,4 ГГц: 5 (512); 7 (1024); 10 (1024)

3,4 – 3,8 ГГц: 5 (512)

3,4 – 3,6 ГГц: 7 (1024)

3,6 – 3,8 ГГц: 10 (1024)

Кроме указанных, возможно выделение каналов в диапазонах 5,7 ГГц,
1,710 – 1,755: 2,110 – 2,155 ГГц.

В стандарте 802.16 используют следующие интерфейсы:

1. WirelessMAN-SC (10 – 66 ГГц)

2. WirelessMAN-SCa (2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

3. WirelessMAN-OFDM (2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

6. WirelessMAN-OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access

(2 – 11 ГГц; лицензионные диапазоны)

5. WirelessHUMAN (2 – 11 ГГц; нелицензионные диапазоны)

Интерфейсы 3 и 5 предусматривают возможности Mesh – организацию сетей с полновесной топологией для ускорения передачи трафика.

Обратное преобразование Фурье определяет форму сигнала OFDМ. Полезной длительностью символа считается величина Tb. Последнюю часть Tg периода символа, названную защитным интервалом, используют, чтобы устранить влияние многолучевого распространения ортогональных составляющих сигнала (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Формат символа на одной частоте

В частотной области сигнал характеризуют спектральные характеристики (рис. 6.20). В нем присутствуют поднесущие для передачи данных, пилотных сигналов, а по краям полосы расположены защитные интервалы.

Рис. 6.20. Описание сигнала в частотной области

Символ OFDM характеризуют следующие параметры:

BW – номинальная ширина полосы канала.

Nused - число используемых поднесущих.

N - коэффициент выборки. Этот параметр, в соединении с BW и Nused определяет разнесение поднесущей и длительность символа. Требуемые значения этого параметра определены в табл.6.6.

G - отношение длительности защитного интервала (префикса) к полезному времени. Эта величина может составлять 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Tb.

NFFT: число точек преобразования Фурье,

Частота следования посылок: Fs=floor (n*BW/0.008)*0.008 (BW- ширина полосы в МГц),

-∆f: разнесение поднесущей, определенное как: Fs/NFFT,

Tb= 1/∆f – длительность преобразования символа,

Tg=G*Tb – длительность защитного интервала (CP),

Ts=Tb+Tg – длительность символа OFDM,

Ts/ NFFT - интервал дискретизации.

Основные параметры OFDM каналов стандарта 802.16а приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9.

Длительность символов в зависимости от ширины полосы канала приведена в табл. 6.10.

Таблица 6.10

Схемы модуляции и кодирования lдля стандарта 802.16-2004 сведены в табл. 6.11.

Таблица 6.11

Величины скоростей передачи в зависимости от вида модуляции и кодовой скорости приведены в табл. 6.12, а требования к отношению сигнал/шум на входе приемника для различных схем модуляции и кодирования в табл. 6.13.

Таблица 6.12

Таблица 6.13

Данные на физическом уровне передают в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длительность (2 (2,5) … 20 мс), поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16 дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение восходящего и нисходящего каналов.

При временном дуплексировании каналов кадр делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко менять в процессе работы в зависимости от потребностей полосы пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные специальным защитным интервалом . При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы передают на двух несущих (рис. 6.21)

Рис. 6.21. Структура кадров для TDD и FDD

В нисходящем канале информацию от базовой станции передают в виде последовательности пакетов. Для каждого пакета можно задавать метод модуляции и схему кодирования данных – т.е. выбирать между скоростью и надежностью передачи. TDM – пакеты передают одновременно для всех абонентских станций, каждая из них принимает весь информационный поток и выбирает «свои» пакеты. Чтобы абонентские станции могли отличить один пакет от другого, в управляющей секции передают карты нисходящего (DL-MAP), и восходящего (UL-MAP) каналов (рис. 6.22).

Рис.6.22. Структура нисходящего канала.

В карте нисходящего канала указана длительность кадра, номер кадра, число пакетов в нисходящем субкадре, а также точка начала и тип профиля каждого пакета. Точку начала отсчитывают в так называемых физических слотах, каждый физический слот равен четырем модуляционным символам.

Профиль пакета – это список его параметров, включая метод модуляции, тип FEC – кодирования (с параметрами схем кодирования), а также диапазон значений отношения сигнал/шум в приемном канале конкретной станции, при котором данный профиль можно применять. Базовая станция периодически транслирует список профилей в виде специальных управляющих сообщений (дескрипторов нисходящего и восходящего каналов DCD/UCD), причем каждому профилю присваивают номер, который и используют в карте нисходящего канала.

Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством механизма временного разделения каналов TDMA (Time Division Multiple Access). Для этого в восходящем субкадре для АС базовая станция резервирует специальные временные интервалы – слоты (рис. 6.23). Информация о распределении слотов между АС записана в карте восходящего канала UL-MAP, транслируемой в каждом кадре. UL-MAP – функционально аналогична DL-MAP – в ней сообщают, сколько слотов в субкадре, точку начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов. Сообщение UL-MAP текущего кадра может относиться как к данному кадру, так и к последующему. Скорость модуляции (частота символов) в восходящем канале должна быть такой же, как и в нисходящем. Отметим, что, в отличие от нисходящих TDM – пакетов, каждый пакет в восходящем канале начинается с преамбулы – синхропоследовательности длиной 16 или 32 QPSK - символа.

Рис. 6.23. Структура восходящего канала

Примеры структуры кадра с TDD приведен на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Пример структуры кадра OFDM с TDD

В восходящем канале, кроме назначенных БС слотов для определенных АС, предусмотрены интервалы, в течение которых АС может передать сообщение для первичной регистрации в сети или для запроса изменения полосы пропускания канала (предоставление каналов по требованию DAMA - Demand Assigned Multiple Access).

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы решаются на MAC (Medium Access Control) - уровне. Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для различных приложений (сервисов).

Сети WiMAX поддерживают 4 типа трафика, отличающиеся требованиями к надежности и задержкам:

UGS – Unsolicited Grant Service – передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP. Допустимая задержка менее 5 – 10 мс в одном направлении при BER = 10 -6 … 10 -6 .

rtPS – Real Time Polling Service – потоки реального времени с пакетами переменной длины (MPEG видео).

nrtPS – Non-Real-Time Polling Service – поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме.

BE – Best Effort – остальной трафик.

Группа стандартов Wi-Fi IEEE 802.11 эволюционировала довольно динамично, от IEEE 802.11a, который обеспечивал скорости до 2 Мбит/с , через 802.11b и 802.11g, которые давали скорости до 11 Мбит/с и 54 Мбит/с соответственно. Затем появился стандарт 802.11n или просто n-стандарт. N-стандарт был настоящим прорывом, так как теперь через одну антенну можно было передавать трафик на немыслимой по тем временам скорости 150Мбит . Это достигалось за счёт использования передовых технологий кодирования (MIMO), более тщательного учёта особенностей распространения ВЧ волн, технологии удвоенной ширины канала, не статичный защитный интервал определяемый таким понятием как индекс модуляции и схемы кодирования.

Принципы функционирования 802.11n

Многоканальный вход/выход (MIMO)

С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема и передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, а не одну.

Стандарт 802.11n определяет различные конфигурации антенн от "1х1" до "4х4". Также возможны несиметричные конфигурации, например, "2х3", где первое значение означает количество передающих, а второе количество принимающих антенн.

Очевидно, максимальную скорость приёма передачи возможно достичь только при использовании схемы "4х4". На самом деле количество антенн не увеличивает скорость само по себе, однако это позволяет применять различные усовершенствованные методы обработки сигналов, которые автоматически выбираются и применяются устройством, в том числе и исходя из конфигурации антенн. Например, схема "4х4" с модуляцией 64-QAM обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, схема "3х3" и 64-QAM обеспечивает скорость до 450 Мбит/с, а схемы "1х2" и "2х3" до 300 Мбит/с.

Ширина полосы пропускания канала 40 МГц

Режимы работы 802.11n

High Throughput(НТ) - режим с высокой пропускной способностью.

Точки доступа 802.11n используют режим High Throughput. Данный режим абсолютно исключает совместимость с предыдущими стандартами. Т.е. усройства не поддерживающие n-стандарт подключиться не смогут. Non-High Throughput(Non-HT) - режим с невысокой пропускной способностью Чтобы устаревшие устройства могли подключиться, все кадры отправляются в формате 802.11b/g. В этом режиме используется ширина канала 20 МГц для обеспечения обратной совместимости. При использовании этого режима данные передаются со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством, подключённым к данной точке доступа (или Wi-Fi роутеру).

High Throughput Mixed - смешанный режим с высокой пропускной способностью. Смешанный режим позволяет устройству работаь одновременно по стандарту 802.11n и 802.11b/g. Обеспечит обратную совместимость устаревших устройств, и устройств использующих стандарт 802.11n. Однако, пока старое устройство осуществляет прием-передачу данных, устаройство поддерживающее 802.11n ждёт своей очереди, и это сказывается на скорости. Также очевидно, что, чем больше трафика будет идти по стандарту 802.11b/g, тем меньшую производительность сможет показать 802.11n устройство в режиме High Throughput Mixed.

Индекс модуляции и схемы кодирования (MCS)

Некоторые значения индекса MCS определенны и показаны в следующей таблице:

Короткий защитный интервал SGI (Short Guard Interval) определяет интервал времени между передаваемыми символами. В устройствах стандарта 802.11b/g используется защитный интервал 800 нс, а в устройствах 802.11n есть возможность использования паузы всего в 400 нс. Короткий защитный интервал (SGI) повышает скорость передачи данных на 11 процентов. Чем короче этот интервал тем большее количество информации можно передать в единицу времени, однако, при этом точность определения символов падает, поэтому разработчиками стандарта подобрано оптимальное значение этого интервала.

MCS значения от 0 до 31 определяют тип модуляции и схемы кодирования, которые будут использоваться для всех потоков. MCS значения с 32 по 77 описывают смешанные комбинации, которые могут быть использованы для модуляций от двух до четырех потоков.

Точки доступа 802.11n должны поддерживать MCS значения от 0 до 15, в то время как 802.11n станции должны поддерживать MCS значения от 0 до 7. Все другие значения MCS, в том числе связанные с каналами шириной 40 МГц, коротким защитным интервалом (SGI), являются опциональными, и могут не поддерживаться.

Особенности AC стандарта

Принципиальных отличий от N в новом стандарте не слишком много, но все они направлены на увеличение пропускной способности беспроводного протокола. В основном разработчики пошли путём улучшения преимуществ стандарта N. Самое заметное — расширение каналов MIMO с максимальных трех до восьми. Это значит, что вскоре мы сможем увидеть в магазинах беспроводные маршрутизаторы с восемью антеннами. А восемь антенн — это теоретическое удвоение пропускной способности канала до 800 Мбит/с, это не говоря о возможных шестнадцатиантенных устройствах.

Устройства стандартов 802.11abg работали на каналах шириной пропускания 20 МГц, а чистый N предполагает каналы шириной 40 МГц. В новом стандарте предусмотренно, что AC роутеры имеют каналы на 80 и 160 МГц, а это означает удвоение и учетверение канала удвоенной ширины.

Стоит отметить предусмотренную в стандарте улучшенную реализацию технологии MIMO — технологию MU-MIMO. Старые версии протоколов, совместимые со стандартом N, поддерживали полудуплексную передачу пакетов от устройства к устройству. То есть в момент, передачи пакета одним устройством, другие устройства могут работать только на прием. Соответственно, если одно из устройств подключается к роутеру, используя старый стандарт, тогда и другие будут работать медленнее из-за увеличившегося времени передачи пакетов устройству использующему старый стандарт. Это может быть причиной понижения качества характеристик беспроводной сети в случае, если к ней подключено много таких устройств. Технология MU-MIMO решает эту проблему, создавая многопоточный канал передачи, при использовании которого остальные устройства не ждут своей очереди. В то же время AC роутер должен быть обратносовместим с предыдущими стандартами.

Однако, конечно же есть и ложка дёгтя. В настоящее время по прежнему абсолютное большинство ноутбуков, планшетов, смартфонов не поддерживают не только AC стандарт Wi-Fi, а даже не умеют работать на несущей 5ГГц. Т.е. и 802.11n на 5ГГц им недоступна. Также сами AC роутеры и точки доступа могут в несколько раз превышать по стоимости роутеры ориентированные на использование стандарта 802.11n.

Разработкой стандартов WiFi 802.11 занимается организация IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers)

IEEE 802.11 - базовый стандарт для сетей Wi-Fi, который определяет набор протоколов для самых низких скоростей передачи данных (transfer).

IEEE 802.11 b - описывает бо льшие скорости передачи и вводит больше технологических ограничений. Этот стандарт широко продвигался со стороны WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) и изначально назывался Wi- Fi.
Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz () .
Ратифицирован в 1999 году.
Используемая радиочастотная технология: DSSS.
Кодирование: Barker 11 и CCK.
Модуляции: DBPSK и DQPSK,
Максимальные скорости передачи данных (transfer) в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps,

IEEE 802.11 a - описывает значительно более высокие скорости передачи (transfer) чем 802.11b.
Используются частотные каналы в частотном спектре 5GHz. Протокол Не совместим с 802.11 b .
Ратифицирован в 1999 году.
Используемая радиочастотная технология: OFDM.
Кодирование: Convoltion Coding.
Модуляции: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
Максимальные скорости передачи данных в канале: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps.

IEEE 802.11 g - описывает скорости передачи данных эквивалентные 802.11а.
Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 802.11b.
Ратифицирован в 2003 году.
Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM.
Кодирование: Barker 11 и CCK.
Модуляции: DBPSK и DQPSK,
Максимальные скорости передачи данных (transfer) в канале:
- 1, 2, 5.5, 11 Mbps на DSSS и
- 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

IEEE 802.11n - самый передовой коммерческий WiFi-стандарт, на данный момент, официально разрешенный к ввозу и применению на территории РФ (802.11ac пока в процессе проработки регулятором). В 802.11n используются частотные каналы в частотных спектрах WiFi 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11 a /11 g . Хотя рекомендуется строить сети с ориентацией только на 802.11n, т.к. требуется конфигурирование специальных защитных режимов при необходимости обратной совместимости с устаревшими стандартами. Это ведет к большому приросту сигнальной информации и существенному снижению доступной полезной производительности радиоинтерфейса. Собственно даже один клиент WiFi 802.11g или 802.11b потребует специальной настройки всей сети и мгновенной ее существенной деградации в части агрегированной производительности.
Сам стандарт WiFi 802.11n вышел 11 сентября 2009 года.
Поддерживаются частотные каналы WiFi шириной 20MHz и 40MHz (2x20MHz).
Используемая радиочастотная технология: OFDM.
Используется технология OFDM MIMO (Multiple Input Multiple Output) вплоть до уровня 4х4 (4хПередатчика и 4хПриемника). При этом минимум 2хПередатчика на Точку Доступа и 1хПередатчик на пользовательское устройство.
Примеры возможных MCS (Modulation & Coding Scheme) для 802.11n, а также максимальные теоретические скорости передачи данных (transfer) в радиоканале представлены в следующей таблице:

Здесь SGI это защитные интервалы между фреймами.
Spatial Streams это количество пространственных потоков.
Type это тип модуляции.
Data Rate это максимальная теоретическая скорость передачи данных в радиоканале в Mбит/сек.

Важно подчеркнуть , что указанные скорости соответствуют понятию channel rate и являются предельным значением с использованием данного набора технологий в рамках описываемого стандарта(собственно эти значения, как Вы вероятно заметили, производители пишут и на коробках домашних WiFi-устройств в магазинах). Но в реальной жизни эти значения не достижимы в силу специфики самой технологии стандарта WiFi 802.11. Например здесь сильно влияет "политкорректность" в части обеспечения CSMA/CA (устройства WiFi постонно слушают эфир и не могут передавать, если среда передачи занята), необходимость подтверждения каждого юникастового фрейма, полудуплексная природа всех стандартов WiFi и только 802.11ac/Wave-2 сможет это начать обходить с и т.д.. Поэтому практическая эффективность устаревших стандартов 802.11 b/g/a никогда не превышает 50% в идеальных условиях(например для 802.11g максимальная скорость на абонента обычно не выше 22Мб/с), а для 802.11n эффективность может быть до 60%. Если же сеть работает в защищенном режиме, что часто и просходит из-за смешанного присутствия различных WiFi-чипов на различных устройствах в сети, то даже указанная относительная эффективность может упасть в 2-3 раза. Это касается, например, микса из Wi-Fi устройств с чипами 802.11b, 802.11g в сети с точками доступа WiFi 802.11g или устройства WiFi 802.11g/802.11b в сети с точками доступа WiFi 802.11n и т.п.. Подробнее о .

Помимо основных стандартов WiFi 802.11a, b, g, n, существуют и используются дополнительные стандарты для реализации различных сервисных функций:

. 802.11d . Для адаптации различных устройств стандарта WiFi к специфическим условиям страны. Внутри регуляторного поля каждого государства диапазоны часто различаются и могут быть отличны даже в в зависимости от географического положения. Стандарт WiFi IEEE 802.11d позволяет регулировать полосы частот в устройствах разных производителей с помощью специальных опций, введенных в протоколы управления доступом к среде передачи.

. 802.11e . Описывает классы качества QoS для передачи различных медиафайлов и, в целом различного медиаконтента. Адаптация МАС-уровня для 802.11e, определяет качество, например, одновременной передачи звука и изображения.

. 802.11f . Направлен на унификацию параметров Точек Доступа стандарта Wi-Fi различных производителей. Стандарт позволяет пользователю работать с разными сетями при перемещении между зонами действия отдельных сетей.

. 802.11h . Используется для предотвращения создания проблем метеорологическим и военным радарам путем динамического снижения излучаемой мощности Wi-Fi оборудованием или динамический переход на другой частотный канал при обнаружении триггерного сигнала (в большинстве европейских стран наземные станции слежения за метеорологическими спутниками и спутниками связи, а также радары военного назначения работают в диапазонах, близких к 5 МГц). Этот стандарт является необходимым требованием ETSI, предъявляемым к оборудованию, допущенному для эксплуатации на территории стран Европейского Союза.

. 802.11i . В первых вариантах стандартов WiFi 802.11 для обеспечения безопасности сетей Wi-Fi использовался алгоритм WEP. Предполагалось, что этот метод может обеспечить конфиденциальность и защиту передаваемых данных авторизированных пользователей беспроводной сети от прослушивания.Теперь эту защиту можно взломать всего за несколько минут. Поэтому в стандарте 802.11i были разработаны новые методы защиты сетей Wi-Fi, реализованные как на физическом, так и программном уровнях. В настоящее время для организации системы безопасности в сетях Wi-Fi 802.11 рекомендуется использовать алгоритмы Wi-Fi Protected Access (WPA). Они также обеспечивают совместимость между беспроводными устройствами различных стандартов и различных модификаций. Протоколы WPA используют усовершенствованную схему шифрования RC4 и метод обязательной аутентификации с использованием EAP. Устойчивость и безопасность современных сетей Wi-Fi определяется протоколами проверки конфиденциальности и шифрования данных (RSNA, TKIP, CCMP, AES). Наиболее рекомендованным подходом является использование WPA2 с шифрованием AES (и не забывайте о 802.1х с применением, очень желательно, механизмов туннелирования, например EAP-TLS, TTLS и т.п.). .

. 802.11k . Этот стандарт фактически направлен на реализацию балансировки нагрузки в радиоподсистеме сети Wi-Fi. Обычно в беспроводной локальной сети абонентское устройство обычно соединяется с той точкой доступа, которая обеспечивает наиболее сильный сигнал. Нередко это приводит к перегрузке сети в одной точке, когда к одной Точке Доступа подключется сразу много пользователей. Для контроля подобных ситуаций в стандарте 802.11k предложен механизм, ограничивающий количество абонентов, подключаемых к одной Точке Доступа, и дающий возможность создания условий, при которых новые пользователи будут присоединяться к другой ТД даже не смотря на более слабый сигнал от нее. В этом случае аггрегированная пропускная способность сети увеличивается благодаря более эффективному использованию ресурсов.

. 802.11m . Поправки и исправления для всей группы стандартов 802.11 объединяются суммируются в отдельном документе с общим названием 802.11m. Первый выпуск 802.11m был в 2007 г, далее в 2011 г и т.д..

. 802.11p . Определяет взаимодействие Wi-Fi-оборудования, движущегося со скоростью до 200 км/ч мимо неподвижных Точек Доступа WiFi, удаленных на расстояние до 1 км. Часть стандарта Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE). Стандарты WAVE определяют архитектуру и дополнительный набор служебных функций и интерфейсов, которые обеспечивают безопасный механизм радиосвязи между движущимися транспортными средствами. Эти стандарты разработаны для таких приложений, как, например, организация дорожного движения, контроль безопасности движения, автоматизированный сбор платежей, навигация и маршрутизация транспортных средств и др.

. 802.11s . Стандарт для реализации полносвязных сетей (), где любое устройство может служить как маршрутизатором, так и точкой доступа. Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. При этом пакет данных передается (packet transfer) от одного узла к другому, пока не достигнет конечного места назначения. В данном стандарте введены новые протоколы на уровнях MAC и PHY, которые поддерживают широковещательную и многоадресную передачу (transfer), а также одноадресную поставку по самоконфигурирующейся системе точек доступа Wi-Fi. C этой целью в стандарте введен четырехадресный формат кадра. Примеры реализации сетей WiFi Mesh: , .

. 802.11t . Стандарт создан для институализации процесса тестирования решений стандарта IEEE 802.11. Описываются методики тестирования, способы измерений и обработки результатов (treatment), требования к испытательному оборудованию.

. 802.11u . Определяет процедуры взаимодействия сетей стандарта Wi-Fi с внешними сетями. Стандарт должен определять протоколы доступа, протоколы приоритета и запрета на работу с внешними сетями. На данный момент вокруг данного стандарта образовалось большое движение как в части разработки решений - Hotspot 2.0, так и в части организации межсетевого роуминга - создана и растет группа заинтересованных операторов, которые совместно решают вопросы роуминга для своих Wi-Fi-сетей в диалоге (Альянс WBA). Подробнее о Hotspot 2.0 в наших статьях: , .

. 802.11v . В стандарте должны быть разработаны поправки, направленные на совершенствование систем управления сетями стандарта IEEE 802.11. Модернизация на МАС- и PHY-уровнях должна позволить централизовать и упорядочить конфигурацию клиентских устройств, соединенных с сетью.

. 802.11y . Дополнительный стандарт связи для диапазона частот 3,65-3,70 ГГц. Предназначен для устройств последнего поколения, работающих с внешними антеннами на скоростях до 54 Мбит/с на расстоянии до 5 км на открытом пространстве. Стандарт полностью не завершен.

802.11w . Определяет методы и процедуры улучшения защиты и безопасности уровня управления доступом к среде передачи данных (МАС). Протоколы стандарта структурируют систему контроля целостности данных, подлинности их источника, запрета несанкционированного воспроизведения и копирования, конфиденциальности данных и других средств защиты. В стандарте введена защита фрейма управления (MFP: Management Frame Protection), а дополнительные меры безопасности позволяют нейтрализовать внешние атаки, такие, как, например, DoS. Немного больше по MFP здесь: , . Кроме того, эти меры обеспечат безопасность для наиболее уязвимой сетевой информации, которая будет передаваться по сетям с поддержкой IEEE 802.11r, k, y.

802.11ас. Новый стандарт WiFi, который работает только в частотной полосе 5ГГц и обеспечивает значительно бо льшие скорости как на индивидуального клиента WiFi, так и на Точку Доступа WiFi. Подробнее смотрите в нашей статье .

Ресурс постоянно пополняется! Для получения анонсов при выходе новых тематических статей или появлении новых материалов на сайте предлагаем подписаться .

Присоединяйтесь к нашей группе на