Методы доступа к среде в беспроводных сетях

ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ WI-FI

Учебное пособие

Алматы 2009

УДК 621.391 (075.8)

ББК 32.884. я 73

Г20 Учебное пособие/ Ю.М. Гармашова, К.С.Чежимбаева

Технология беспроводной связи WI-FI

АИЭС. Алматы, 2009. – 85 с.

ISBN 978–601–7098–61-2

В учебном пособии излагаются вопросы технологии беспроводной связи WI-FI, её основные принципы и процессы функционирования.

Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Ил. 54, табл. 9, библиогр. – 8 назв.

ББК 32.884. я 73

РЕЦЕНЗЕНТ канд.физ.-мат.наук., доц. КазНТУ Шайхин А.К.,

канд.тех.наук., проф. АИЭС Туманбаева К.Х.

Печатается по дополнительному плану издания Министерство Образования и Науки Республики Казахстан на 2009 г.

Г

ISBN 978–601–7098–61-2

ãНАО Алматинский институт энергетики и связи, 2009 г.

Содержание

1 Передающая среда
1.1 Методы доступа к среде в беспроводных сетях
1.2 Технология расширенного спектра
2 Архитектура IEEE 802.11
2.1 Стек протоколов IEEE 802.11
2.2 Уровень доступа к среде стандарта 802.11
2.3 Технологии физического уровня стандарта IEEE 802.11
3 Антенны
3.1 Диаграммы направленности и основные типы антенн
3.2 Поляризация антенн
3.3 Коэффициенты усиления различных антенн
4. Распространение сигнала
4.1 Дифракция электромагнитных волн
4.2 Распространение волн вдоль линии прямой видимости
5. Передача сигнала в пределах линии прямой видимости
5.1 Затухание
5.2 Потери в свободном пространстве
5.3 Шум
5.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи
5.5 Атмосферное поглощение
5.6 Многолучевое распространение
5.7 Преломление
6. Расчёт зоны действия сигнала
6.1 Расчёт дальности работы беспроводного канала связи
6.2 Расчёт зоны Френеля
7 Организация беспроводных сетей
7.1 Сферы применения беспроводных сетей
7.2 Основные элементы сети
7.3 Режимы и особенности их организации
7.4 Роуминг
7.5 Технология Wireless Distribution System
8 Организация и планирование беспроводных сетей
Список литературы

Введение

Под аббревиатурой WI-FI (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Разработка этих стандартов ведется в рамках рабочей группы 802.11 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). WI-FI не является единственной технологией беспроводного доступа — специалисты IEEE и других учреждений разработали и продолжают работать над другими стандартами беспроводных коммуникаций, ориентированных на персональные сети (PWAN, для организации подключения в пределах, например, рабочего места сотрудника) или сети, масштаба города и региона (WWAN).

Количество точек беспроводного доступа в мире растет с каждым днем, обещая в недалеком будущем широкополосный вход в глобальную сеть откуда угодно и без особых проблем. Был бы под рукой компьютер с Wi-Fi-адаптером. Информационное издание JiWire опубликовало данные, из которых следует, что в настоящее время насчитывается 56139 хот-спотов в 93 странах мира [1].

WI-FI предназначен для создания беспроводных локальных сетей (WLAN) и организации высокоскоростных беспроводных подключений к Интернету. В зависимости от конкретного стандарта сети WI-FI работают на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц и обеспечивают скорость передачи данных от 2 Мбит/с. Одна точка доступа может обеспечить охват в радиусе до 200 метров. Широкое распространение, помимо домашних и офисных сетей, WI-FI нашел в сфере организации публичного доступа в Интернет (хот-спотов) — с использованием этой технологии любой посетитель гостиницы, кафе, ресторана, бизнес-центра или аэровокзала (одним словом, заведения, в котором есть публичная точка доступа Wi-Fi) получает возможность мобильного подключения к Сети посредством своего ноутбука, КПК или телефона, поддерживающего стандарт беспроводного доступа.

Учебное пособие позволяет ознакомиться с методами деления спектра применяемыми в беспроводных сетях, со стандартом IEEE 802.11, с антеннами, с распространением сигналов по беспроводным сетям. Пособие позволяет изучить передачу сигнала в пределах линии прямой видимости, расчёт зоны действия сигнала и организацию беспроводных сетей и их планирование.

Передающая среда

В системе передачи данных передающая среда является физическим путем между передатчиком и приемником. Передающие среды можно разделить на направляемые и ненаправляемые. В обоих случаях связь принимает форму распространения электромагнитных волн. В направляемых средах волны направляются по твердым проводникам, например, по медным витым парам, медным коаксиальным кабелям и оптическим волокнам. Атмосфера и открытый космос представляют собой примеры уже ненаправляемых сред, предоставляющих средства передачи электромагнитных сигналов, но не направляющих их; используемая в этом случае форма передачи обычно называется беспроводной [2].

Характеристики и качество передачи данных определяются как харак-теристиками среды, так и характеристиками сигнала. В направляемой среде более важным фактором, накладывающим ограничения на передачу, является сама cреда. При определении характеристик передачи в ненаправляемой среде более важным фактором является не сама среда, а ширина полосы сигнала, генерируемого передающей антенной. Одной из ключевых характеристик сиг-налов, передаваемых антенной, является их направленность. В общем случае сигналы низких частот являются ненаправленными, т.е. сигнал распространя-ется во всех направлениях от антенны. Сигналы высоких частот, наоборот, можно сфокусировать в направленный луч.

В ненаправляемых средах передача и прием производятся с помощью антенны. При передаче антенна излучает электромагнитную энергию в среду (обычно воздух), а при приеме антенна улавливает электромагнитные волны из окружающей среды. Существуют, по сути, две формы беспроводной передачи: направленная и ненаправленная. При направленной передаче передающая антенна излучает сфокусированный электромагнитный луч; следовательно, передающая и приемная антенны должны быть тщательно нацелены. При ненаправленной передаче передаваемый сигнал распространяется во всех направлениях и может быть принят множеством антенн. Вообще чем выше частота сигнала, тем легче его сфокусировать в направленный луч.

Методы доступа к среде в беспроводных сетях

Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения — выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.

Уплотнение с пространственным разделением основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с, время t и частоту в области s_i. To есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга.

Еще недавно данный метод считался малоэффективным — до тех пор, пока не получили промышленное развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон действия отдельных передатчиков. С появлением аппаратуры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на основе секторных антенн (или антенн с перестраиваемой диаграммой направленности) данный метод получил широкое распространение. Характерный пример — системы сотовой телефонной связи.

В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории (рисунок 1.1). Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

Рисунок 1.1 - Принцип частотного разделения каналов

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения — функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Более гибкой схемой является уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing, TDM). В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте в области s, но в различные промежутки времени t_i (как правило, циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Принцип временного разделения каналов

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто аналоговых сетях — даже если исходные данные аналоговые (например, речь), он требует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельного пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплотнения (в проводных сетях) — это метод магистральной передачи телефонного трафика посредством каналов Е1. На узловой АТС каждый аналоговый телефонный канал преобразуется в поток данных со скоростью 64 кбит/с (8 разрядов оцифровки х8кГц частоты выборок). Фрагменты по 8 бит из 32 каналов (30 телефонных и 2 служебных) образуют цикл. Длительность каждого цикла — 125 мкс, соответственно, скорость передачи данных — (32 х 8бит)/125мкс = 2048кбит/с (т.е. 2 048 000бит/с). Данный поток транслируется по магистральным каналам и восстанавливается (демультиплексируется) на приемном конце.

Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Последний тип мультиплексирования — это уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM). Первоначально, из-за сложности реализации, данная схема использовалась в военных целях, но со временем прочно заняла свое место в гражданских системах. Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA — CDM Access) даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000, WCDMA и др.). В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте в области s во время t, но с разными кодами c_i .

Принцип кодового уплотнения иллюстрирует ситуация, когда много людей в одной комнате разговаривают на разных языках. При этом каждый человек понимает только один определенный язык. Для каждого речь на непонятном языке будет восприниматься как ничего не значащий шум, лишенный полезной информации. А на фоне этого шума он будет воспринимать поток информации на понятном ему языке.

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ — кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы корреляция двух любых CDM-кодов была минимальна (а в ряде случаев — чтобы автокорреляция CDM-кода при фазовом сдвиге была максимально возможной). Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом. Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов) мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Такие кодовые последовательности называют шумоподобными, соответственно, модулированные ими сигналы — шумоподобными сигналами сигналов (ШПС). Очевидно, что при передаче посредством ШПС спектр исходного сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum), о расширении спектра будет рассказано позже.

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев — и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код. Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Еще одна важная производная методов кодового и частотного уплотнения — механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих(OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Его суть: весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N — число поднесущих, назначенных данному передатчику. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

До недавнего времени распространение технологии OFDM сдерживала сложность его аппаратной реализации. Однако сегодня, с развитием полупроводниковой технологии, это уже не является преградой. В результате сегодня метод OFDM приобретает все большее распространение, в частности, используется в системах связи таких популярных стандартов, как IEEE 802.11a/g.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Но что более важно, OFDM позволяет подавить межсимвольную интерференцию во многолучевой среде. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) является малым. В схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи символа в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет T_s, то период сигнала OFDM будет равен NT_s. Это позволяет существенно снизить влияние межсимвольных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NT_s значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала.