Физический уровень стандартов сетей Wi-Fi

Рассмотрим физические уровни стандартов группы 802.11, которые различаются технологиями и достижимыми скоростями:

1. базовый 802.11;

2. 802.11b;

3. 802.11a;

4. 802.11g;

5. 802.11n.

Важной проблемой в развитии сетей Wi-Fi является выделение соответствующей полосы рабочих частот. Быстрое развитие сетей обеспечивается при выделении диапазона частот, не требующего лицензирования. В России разрешено нелицензионное использование диапазона частот 2,4 ГГц и 5,5 Ггц. Диапазон 2,4 ГГц предусмотрен всеми стандартами рассматриваемой группы, кроме 802.11а, который допускает работу только в нелицензионном диапазоне 5 ГГц. Нелицензионный диапазон частот используется для промышленных, медицинских и научных нужд ISM (Industrial, Scientific, Medical), включая домашние радиотелефоны, СВЧ - печи и др. Поэтому высокий уровень помех потребовал отмеченную в разделе 2 фрагментацию кадров на подуровне MAC.

Базовый стандарт 802.11

В базовом (изначальном) стандарте 802.11 регламентируется работа оборудования на центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 2 Мбит/с. На физическом уровне базового протокола 802.11 реализовано 2 метода передачи данных, позволяющие передать кадр подуровня МАС с одной станции на другую [10]:

· метод перескока частоты FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum);

· опционно метод расширение спектра методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

Метод FHSS аналогичен ранее рассматриваемому перескоку частоты в сети GSM и EDGE, а метод DSSS во многом напоминает ранее рассматриваемый метод в системе кодового разделения CDMA. Устройства FHSS делят предназнченную для их работы полосу частот от 2,402 до 2,480 ГГц на 79 неперекрывающихся каналов. Ширина каждого из 79 каналов составляет 1МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные пересылаются последовательно по различным каналам с использованием выбранной схемы. Частота перескока должна быть не менее 2,5 раза в секунду между шестью каналами. Технология FHSS и DSSS обеспечивает максимальную скорость передачи данных лишь 2Мбит/с, в то время как сейчас имеются более быстродействующие сети на основе стандартов 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n.

Стандарт 802.11b

На физическом уровне 802.11b реализован метод высокоскоростной передачи широкополосного канала по методу прямой последовательности HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum). Каждый информационный бит замещается чиповой последовательностью 11 бит, равной скалярному произведению информационного бита на поледовательность Баркера длиной 11 бит B1=(10110111000). Далее сигнал кодируется посредством дифференциальной двух- или четырехпозиционной фазовой модуляции (DBPSK или DQPSK, один или два чипа на символ). При частоте модуляции несущей 11МГц общая скорость составляет в зависимости от типа модуляции 1 или 2 Мбит/с. Стандарт 802.11b предусматривает скорости передачи 11 и 5,5 Мбит/с. Для этого используется кодирование комплементарным кодом (ССК-модуляция, Complementary Code Keying), которое позволяет кодировать 8 бит на один символ, что соответствует скорости передачи 11 Мбит/с. При скорости передачи 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется 4 бита. В протоколе также предусмотрена коррекция ошибок FEC. В расширенном варианте стандарта 802.11b+ скорость передачи данных может достигать 22 Мбит/с. В стандарте 802.11b используется мониторинг качества канала, позволяющий автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от уровня сигнал/помеха. Поэтому теоретическая скорость не однозначно соответствует реальной скорости передачи данных. За последние годы во всем мире резко возросло количество беспроводных устройств, использование которых иногда создавало проблему помех и перегруженности диапазона 2,4 ГГц. Сети стандарта 802.11b работают в этом нелицензионном диапазоне. Чтобы разгрузить диапазон 2,4 ГГц был разработан стандарт 802.11a для частот 5 ГГц. В этом диапазоне уровень совокупности шумов меньше. В стандарте 802.11b принят в качестве дополнительного еще один способ модуляции — пакетное бинарное сверточное кодирование РВССС. Этот механизм позволяет добиваться в сетях пропускную способность 5,5; 11 и 22 Мбит/с.

Стандарт 802.11a

В стандарте 802.11а используются две центральные частоты в районе 5 ГГц и максимальная скорость передачи составляет до 54 Мбит/с. Эта спецификация основана на принципиально ином механизме множественного доступа, чем в рассмотренных ранее в настоящих материалах стандартов беспроводных систем сотовой связи и Wi-Fi. В 802.11а в качестве основного метода расширения спектра принято мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Технология OFDM более эффективно использует спектр и устойчива к искажениям беспроводного сигнала из-за многолучевого распространения. Данная схема делит широкую полосу спектра на множество узких, по которым передаются параллельно различные биты. В соответствии с приказом Министерства связи и массовых коммуникаций РФ №124 (2010 год) на территории РФ для стандарта 802.11a выделены две частотные полосы: 5,150-5,350 и 5,650-6,425 ГГц. В стандарте 802.11a диапазон разбивается с частотным разносом каналов 20 МГц. При этом в каждом канале имеется 52 поднесущие частоты. Из них 48 используются для передачи данных, а остальные четыре - для синхронизации. Биты кодируются для исправления ошибок. Для этого применяется сверточный код. Скорости кодирования: 1/2, 2/3, 3/4. Максимальная скорость кодирования 3/4, когда к каждым трем входным битам добавляется еще один. При использовании бинарной фазовой модуляции BPSK пропускная способность подканала 125 кбит/с. Пропускная способность всего канала с 48 информационными подканалами составляет 6 Мбит/с (48*125 кбит/с.). Квадратурная фазовая модуляция QPSK позволяет удвоить пропускную способность до 12 Мбит/с. 16-уровневая квадратурная амплитудная модуляция QAM-16, кодирующая 4 бит на один Герц несущей частоты, обеспечивает 24 Мбит/с. При использовании 64-уровневой квадратурной амплитудной модуляции QAM-64 обеспечивается максимальная для этого стандарта скорость - 54 Мбит/с. В таблице 24.1 приведены скорости передачи для разных комбинаций скоростей кодирования и видов модуляции сети 802.11а.

Таблица 24.1. Скорости передачи для разных комбинаций скоростей кодирования и видов модуляции сети 802.11а

Модуляция	Скорость кодирования	Скорость передачи Мбит/с
BPSK	1/2
BPSK	3/4
QPSK	1/2
QPSK	3/4
QAM-16	1/2
QAM-16	3/4
QAM-64	2/3
QAM-64	3/4

К недостаткам технологии 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 метров, а для 5 ГГц - около 100 м).

Стандарт 802.11g

Стандарт 802.11g является улучшенной версией 802.11b. Он предназначен для работы на частотах 2,4 ГГц с максимальной скоростью 54 Мбит/с. Он аналогичен стандарту 802.11a по частоте и стандарту 802.11a по максимальной скорости. В нем допускается расширение спектра DSSS и OFDM. Выделенная для 802.11g полоса частот в РФ составляет 2400-2483,5 МГц.

Стандарт 802.11n

Стандарт 802.11n предназначен для повышения скорости передачи данных и увеличения дальности передачи информации. Он основывается, как и стандарт 802.11a на технологии OFDM и предусматривает использование в России обоих центральных частот (2,4 и 5 ГГц). При этом в РФ выделены следующие полосы частот:

· 2400-2483,5 МГц;

· 5150-5350 МГц;

· 5650-6425 МГц.

Повышение скорости передачи информации в этом стандарте достигается за счет следующих мер.

· Удвоение полосы пропускания канала с 20 до 40 МГц, при этом режим 20 МГц — обязательный и для него установлен базовый режим скоростей передачи. В таблице 24.2 приведены скорости передачи для разных комбинаций скоростей кодирования и видов модуляции сети 802.11n при полосе 20 МГц [90,91]. При полосе канала 40 МГц пропускная способность канала почти удваивается, поскольку при прочих равных условиях почти удваивается и число поднесущих (вместо 52 их становится 108). Уменьшение защитного интервала с 800 нс до 400 нс также увеличивает скорость передачи информации.

· Применение технологии многоканальных антенных систем MIMO (Multiple Input Multiple Output), т.е. множественные входы и множественные выходы. В основу положено применение нескольких передающих и приемных антенн. Передаваемый поток данных разбивается на независимые последовательности битов, которые пересылаются одновременно с использованием разных антенн. С помощью нескольких антенн система MIMO позволяет осуществлять пространственное мультиплексирование потоков, что обеспечивает повышение скорости передачи данных. Система МIМО позволяет также по нескольким антеннам (до четырех) передавать одновременно один и тот же поток данных. По причине многолучевого распространения приёмник получает несколько сигналов. С помощью технологии MIMO эти сигналы обрабатываются и из них восстанавливается исходный сигнал, что способствует улучшению соотношения сигнал/помеха. Так оборудование стандарта 802.11n с несколькими передающими и принимающими антеннами позволяет повысить скорость передачи данных, улучшая при этом соотношение сигнал/помеха.

Таблица 24.2. Скорости передачи для разных комбинаций скоростей кодирования и видов модуляции сети 802.11n при полосе 20 МГц