Стандарт IEEE 802.11 и его расширение

Первый международный стандарт на беспроводные сети Wireless LAN в диапазоне 2,4 ГГц, а также в инфракрасном диапазоне получил название IEEE 802.11. Он разрабатывался очень долго, с 1990 по 1997 г. Это привело к тому, что к моменту принятия он уже устарел. Изначально в нем были заложены скорости передачи информации 1 и 2 Мбит/с, что по меркам 1990 г. было очень много. Однако в 1997 г. 2 Мбит/с уже не соответствовали ожиданиям пользователей. Поэтому в 1999 г. было принято расширение стандарта IEEE 802.11, получившее название IEEE 802.11b (иногда оно также называется IEEE 802.11 High rate). В данном расширении описываются сети, работающие на скоростях 5,5 и 11 Mбит/с. В том же году была создана независимая организация WECA - Wireless Ethernet Compatibility Alliance (www.wirelessethernet.org), которая стала выступать в качестве гаранта совместимости оборудования для беспроводных компьютерных сетей от разных производителей. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе Cisco, Lucent, 3Com, IBM, Intel и ряд других известных производителей сетевого оборудования. В терминологии WECA соответствие оборудования требованиям IEEE 802.11b обозначается как Wi-Fi (Wireless Fidelity - дословно переводится на русский язык как "беспроводная точность").

Стандарт IEEE 802.11 "работает" на двух нижних уровнях модели ISO/OSI: физическом и канальном. Другими словами, использовать оборудование Wi-Fi так же просто, как и Ethernet: протокол TCP/IP накладывается поверх протокола, описывающего передачу информации по каналу связи. Расширение IEEE 802.11b не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне.

В беспроводной локальной сети есть два типа оборудования: клиент (обычно это компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой картой, но может быть и иное устройство) и точка доступа, которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа содержит приемопередатчик, интерфейс проводной сети, а также встроенный микрокомпьютер и программное обеспечение для обработки данных.

Физический уровень IEEE 802.11b

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает передачу сигнала одним из двух методов - прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS).

Метод FHSS предусматривает изменение несущей частоты сигнала при передаче информации. Для повышения помехоустойчивости нужно увеличить спектр передаваемого сигнала, для чего несущая частота меняется по псевдослучайному закону, и каждый пакет данных передается на своей несущей. При использовании FHSS конструкция приемопередатчика получается очень простой, но этот метод применим, только если пропускная способность не превышает 2 Мбит/с, так что в дополнении IEEE 802.11b остался один DSSS. Из этого следует, что совместно с устройствами IEEE 802.11b может применяться только то оборудование стандарта IEEE 802.11, которое поддерживает DSSS, при этом скорость передачи не превысит максимальной скорости в "узком месте" (2 Мбит/с), коим является оборудование, использующее старый стандарт без расширения.

В основе метода DSSS лежит принцип фазовой манипуляции (т.е. передачи информации скачкообразным изменением начальной фазы сигнала). Для расширения спектра передаваемого сигнала применяется преобразование передаваемой информации в так называемый код Баркера, являющийся псевдослучайной последовательностью. На каждый передаваемый бит приходится 11 бит в последовательности Баркера. Различают прямую и инверсную последовательности Баркера. Из-за большой избыточности при кодировании вероятность того, что действие помехи превратит прямую последовательность Баркера в инверсную, близка к нулю. Единичные биты передаются прямым кодом Баркера, а нулевые - инверсным.

Под беспроводные компьютерные сети в диапазоне 2,4 ГГц отведен довольно узкий "коридор" шириной 83 МГц, разделенный на 14 каналов (в США разрешено использование только 11 из них). Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Несложный подсчет показывает, что в одной зоне одновременно могут использоваться только три канала. В таких условиях невозможно решить проблему отстройки от помех автоматическим изменением частоты, вот почему в беспроводных локальных сетях используется кодирование с высокой избыточностью. В ситуации, когда и эта мера не позволяет обеспечить заданную достоверность передачи, скорость с максимального значения 11 Мбит/с последовательно снижается до одного из следующих фиксированных значений: 5,5; 2; 1 Мбит/с. Снижение скорости происходит не только при высоком уровне помех, но и если расстояние между элементами беспроводной сети достаточно велико.

 

Канальный уровень IEEE 802.11

 

Подобно проводной сети Ethernet, в беспроводных компьютерных сетях Wi-Fi канальный уровень включает в себя подуровни управления логическим соединением (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC). У Ethernet и IEEE 802.11 один и тот же LLC, что значительно упрощает объединение проводных и беспроводных сетей. MAC у обоих стандартов имеет много общего, однако есть некоторые тонкие различия, принципиальные для сравнения проводных и беспроводных сетей.

В Ethernet для обеспечения возможности множественного доступа к общей среде передачи (в данном случае кабелю) используется протокол CSMA/CD, обеспечивающий выявление и обработку коллизий (в терминологии компьютерных сетей так называются ситуации, когда несколько устройств пытаются начать передачу одновременно).

В сетях IEEE 802.11 используется полудуплексный режим передачи, т.е. в каждый момент времени станция может либо принимать, либо передавать информацию, поэтому обнаружить коллизию в процессе передачи невозможно. Для IEEE 802.11 был разработан модифицированный вариант протокола CSMA/CD, получивший название CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Работает он следующим образом. Станция, которая собирается передавать информацию, сначала "слушает эфир". Если не обнаружено активности на рабочей частоте, станция сначала ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, потом снова "слушает эфир" и, если среда передачи данных все еще свободна, осуществляет передачу. Наличие случайной задержки необходимо для того, чтобы сеть не зависла, если несколько станций одновременно захотят получить доступ к частоте. Если информационный пакет приходит без искажений, принимающая станция посылает обратно подтверждение. Целостность пакета проверяется методом контрольной суммы. Получив подтверждение, передающая станция считает процесс передачи данного информационного пакета завершенным. Если подтверждение не получено, станция считает, что произошла коллизия, и пакет передается снова через случайный промежуток времени.

Еще одна специфичная для беспроводных сетей проблема - две клиентские станции имеют плохую связь друг с другом, но при этом качество связи каждой из них с точкой доступа хорошее. В таком случае передающая клиентская станция может послать на точку доступа запрос на очистку эфира. Тогда по команде с точки доступа другие клиентские станции прекращают передачу на время "общения" двух точек с плохой связью. Режим принудительной очистки эфира (протокол Request to Send/Clear to Send - RTS/CTS) реализован далеко не во всех моделях оборудования IEEE 802.11 и, если он есть, то включается лишь в крайних случаях.

В Ethernet при передаче потоковых данных используется управление доступом к каналу связи, распределенное между всеми станциями. Напротив, в IEEE 802.11 в таких случаях применяется централизованное управление с точки доступа. Клиентские станции последовательно опрашиваются на предмет передачи потоковых данных. Если какая-нибудь из станций сообщает, что она будет передавать потоковые данные, точка доступа выделяет ей промежуток времени, в который из всех станций сети будет передавать только она.

Следует отметить, что принудительная очистка эфира снижает эффективность работы беспроводной сети, поскольку связана с передачей дополнительной служебной информации и кратковременными перерывами связи. Кроме этого, в проводных сетях Ethernet при необходимости можно реализовать не только полудуплексный, но и дуплексный вариант передачи, когда коллизия обнаруживается в процессе передачи (это повышает реальную пропускную способность сети). Поэтому, увы, при прочих равных условиях реальная пропускная способность беспроводной сети IEEE 802.11b будет ниже, чем у проводного Ethernet. Таким образом, если сетям Ethernet 10 Мбит/с и IEEE 802.11b (максимальная скорость передачи информации 11 Мбит/с) с одинаковым числом пользователей давать одинаковую нагрузку, постепенно увеличивая ее, то, начиная с некоторого порога, сеть IEEE 802.11b начнет "тормозить", а Ethernet все еще будет функционировать нормально.

Поскольку клиентские станции могут быть мобильными устройствами с автономным питанием, в стандарте IEEE 802.11 большое внимание уделено вопросам управления питанием. В частности, предусмотрен режим, когда клиентская станция через определенные промежутки времени "просыпается", чтобы принять сигнал включения, который, возможно, передает точка доступа. Если этот сигнал принят, клиентское устройство включается, в противном случае оно снова "засыпает" до следующего цикла приема информации.

 

Организация микросотовых сетей

 

Стандарт IEEE 802.11 (в том числе с расширением IEEE 802.11b) позволяет организовать беспроводные сети с несколькими точками доступа, аналогичные по принципу работы сетям сотовой связи. Вот как это происходит.

Если клиентская станция попадает в зону действия нескольких точек доступа, она выбирает из них ту, с которой качество связи выше (в качестве критериев качества связи используются мощность сигнала и коэффициент ошибок), и настраивается на ее частоту. Однако периодически клиентская станция тестирует качество связи с другими точками доступа, и, если отыскивается точка доступа с качеством выше, чем имеется на данный момент, происходит перенастройка на ее частоту. Подуровень MAC канального уровня управляет процессом передачи клиента от одной точки доступа к другой. Вопрос подключения точек доступа к маршрутизаторам для реализации микросотовой связи довольно сложен и выходит за рамки данной статьи.

Как уже отмечалось, в нашем распоряжении имеется три частотных канала, которые можно одновременно использовать в одном и том же месте. Соответственно точки доступа, каждая из которых настроена на один из этих трех каналов, можно разместить таким образом, что соседние точки доступа будут работать на разных частотах. Однако при этом иногда возникает паразитное взаимное влияние между точками доступа, расположенными не в соседних сотах, а через соту. Эта проблема может быть решена, если использовать то обстоятельство, что на самом деле выделено 14 каналов и размещение в частотном спектре трех каналов, а также защитных интервалов между ними можно варьировать. Каналы, на которых работают точки доступа в сотах, не являющихся соседними, могут быть близки по частоте, но точно не совпадать. Если для точек доступа, расположенных в соседних сотах, такая ситуация приведет к взаимным помехам, то в точках доступа, расположенных через соту, каналы, полосы которых соседствуют друг с другом или даже частично пересекаются, но полностью не совпадают, не будут оказывать практически никакого взаимного влияния.

 

 

Распределение частот между точками доступа при организации микросотовой сети

 

А вот как это будет выглядеть на практике. Вы идете по территории предприятия с ноутбуком или карманным компьютером, в который установлена специальная карточка, поддерживающая IEEE 802.11. Вам не нужно заботиться о подключении к локальной сети предприятия, поскольку повсюду расставлены точки доступа. Ваш компьютер автоматически передается от одной точки доступа к другой так же легко, как ваш мобильный телефон передается от одной базовой станции к другой, а вы даже и не задумываетесь, где эти базовые станции расположены.

 

 

бесплатный php хостингAkavitaКаталог TUT.BYРейтинг@Mail.ruRating All.BY