Беспроводные локальные сети

    Лекция 7 Беспроводные локальные  сети

Физический  и канальный уровни стандарта IEEE 802.11. В начале 1980-х гг. в мире стремительно начал расти парк вычислительной техники. Появились персональные компьютеры, с помощью которых для решения  различных задач управления создавались сначала локальные, а затем городские и глобальные вычислительные сети. Потребности в передаче данных росли и к середине 1980-х гг. появилась необходимость в организации высокоскоростных соединений между компьютерами в офисах. Уже тогда задумывались над преимуществами радиосвязи (беспроводной связи), дающими свободу расположения рабочего места. Поэтому довольно быстро отдельные производители оборудования стали предлагать беспроводные решения Radio Ethernet как альтернативу проводным сетям. С целью унификации и совместимости оборудования Radio Ethernet потребовалась разработка единых (общих) спецификаций, обеспечивающих взаимодействие оборудования различных производителей. Оборудование Radio Ethernet, несмотря на ряд очевидных недостатков (относительно невысокая скорость передачи информации — до 2 Мбит/с, малая емкость частотного диапазона, решение задач локальных сетей, значительные потери пропускной способности из-за несовершенства протоколов множественного доступа), оказалось очень удачным. В настоящее время именно благодаря стандарту 802.11 про диапазон частот 2,4...2,4835 ГГц известно практически всем специалистам в области компьютерных сетей. Связано это, прежде всего, с тем, что такая технология дала дешевое и практичное решение. Поэтому она рассматривается как начало технологической цепи стандартов, объединенных общей идеей.   Для разработки стандартов беспроводных, локальных компьютерных сетей (WLAN) в 1989 г. создана рабочая группа (комитет) Института инженеров электротехники и радиоэлектроники США  IEEE 802.11. Целью группы являлась разработка архитектуры беспроводных сетей WLAN и спецификаций канального и физического уровней, обеспечивающих скорости передачи данных в канале 1 Мбит/с и выше. Структура системы предполагает наличие в своем составе точек доступа (ТД) к проводной сети общего пользования и большого количества абонентских станций, между которыми обеспечивается беспроводная связь, и которые могут связываться с абонентами проводной сети через точки доступа (рисунок. 7.1.).      Стандарт определяет спецификации двух уровней модели OSI: физический уровень (PHY) и канальный уровень в части управления средой доступа (MAC).Точки доступа обеспечивают взаимодействие по радиоканалу с абонентскими станциями через радиоинтерфейс стандарта 802.11 и взаимодействие с сетью передачи данных общего пользования по одному из протоколов. Точка доступа в общем случае может быть представлена как беспроводный мост, который подключается через коммутатор к общей сети. Каждая точка доступа обеспечивает покрытие некоторого пространства, называемого зоной обслуживания. Радиус зоны обслуживания зависит от параметров физического уровня.

 
 

Рисунок. 7.1. Структура WLAN IEEE 802.11. 

  Точка доступа в стандарте 802.11 формируется  на базе абонентской станции за счет специального программного обеспечения, реализующего взаимодействие с логикой коммутатора или моста локальной сети, организующей распределительную сеть, которая подключается к проводной, локальной сети через маршрутизатор или мост (рисунок. 7.2). 

     Рисунок. 7.2. Схема подключения распределительной сети к локальной сети 

Развитие  стандарта 802.11 в диапазоне частот 2,4...2,4835 ГГц происходит в направлении  повышения скорости передачи информации за счет применения новых, более эффективных, способов модуляции, которые описаны в стандартах 802.11 b и 802.11g.

      Методы комплиментарного кодирования  в стандарте IEEE 802.11b.  Спецификации 802.11b обеспечивают скорости передачи до 5,5 и 11 Мбит/с благодаря применению методов комплиментарного кодирования, а спецификации 802.11g реализуют скорости до 54 Мбит/с включительно за счет применения ортогональной частотной модуляции (OFDM).

Совместимость оборудования стандарта 802.11b и 802.11 обеспечивается общей структурой кадра и поддержкой в составе спецификаций 802.11b методов модуляции, определяемых стандартом 802.11. Совместимость оборудования стандартов 802.11g и 802.11b обеспечивается поддержкой в оборудовании 802.11g дуального режима, реализующего попеременное применение режимов модуляции стандарта 802.11b и 802.11g.

Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 г. В настоящее время членами WECA являются более 100 компаний, в том числе такие известные производители, как Cisco, Lucent, 3Com, IBM, Intel, Apple, Compaq, Dell, Fujitsu, Siemens, Sony, AMD и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте WECA. Структура кадров на MAC уровне для спецификаций 802.11b, 802.11g и 802.11 практически совпадает.

Достижение  скоростей 5,5 и 11 Мбит/с в стандарте 802.11b основано на комплиментарных кодах. Комплиментарные коды были предложены М. Голеем для инфракрасных каналов. Их можно представить как блочные коды над полем комплексных чисел.

Структура сетей стандартов IEEE 802.11a и Hiper LAN 2 

 

Рисунок. 7.3. Национальные распределения полос частот для оборудования стандарта IEEE 802.11a

Принципиальные  сложности в реализации высоких скоростей обмена в рамках стандартов 802.11 и 802.11b привели к необходимости разработки оборудования с более высокими скоростями передачи информации. С целью преодоления ограниченности полосы частот 2,4...2,483 ГГц разработка оборудования проводилась в диапазоне 5 ГГц, где оказалось возможным выделение полос частот, превышающих 100 МГц (рисунок. 7.3).

Иногда  используют оборудование стандартов 802.11а и Hiper LAN 2 в полосе частот 400 МГц. Этой полосы достаточно для построения полноценных сетей радиодоступа на всей территории страны.

      Стандарты определяют характеристики  оборудования, применяемого в офисных  или городских условиях, когда  распространение сигнала происходит  по многолучевым каналам  
из-за множества отражений. Для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением, используются сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM).

Сети 802.11а  и Hiper LAN 2 имеют типичную топологию (рисунок. 7.4). Абонентские станции и мобильные терминалы (переносные ПЭВМ: ноутбуки, карманные компьютеры и т.д.) обмениваются информацией с БС или ТД через радиоинтерфейс, параметры которого установлены стандартами 802.11а и Hiper LAN 2. Возможен также режим прямой связи между двумя АС (или МТ). АС может устанавливаться произвольно в пределах зоны обслуживания сети и связывается только с одной точкой доступа (ТД) в конкретный момент времени. Так, ТД автоматически конфигурируется в сети в соответствии с изменениями сетевой топологии, включая изменения частотных планов.

      Стандарты предполагают реализацию следующих базовых требований: высокоскоростную передачу данных, ориентированную на соединения связь, автоматическое распределение частот, поддержку: функций качества обслуживания QoS, секретности и безопасности соединений, подвижных (перемещаемых) АС, а также экономию мощности потребления, соответствие структуры сети реализуемым задачам. 

 
Рисунок. 7.4. Радиосеть 802.11а или Hiper LAN 2

 
Высокая скорость передачи данных в сети обеспечивается скоростью передачи на физическом до 54 Мбит/с и транспортном до 25 Мбит/с уровнях. Это возможно благодаря применению ортогональной частотной модуляции (OFDM), представляющейся высокоэффективной в условиях передачи по каналам с временной дисперсией, которые наблюдаются при распространении радиоволн в офисах и в каналах с отражениями (многолучевое распространение).

      Стандарты 802.11а и Hiper LAN 2 определяют требования к физическому уровню (PHY) с использованием OFDM. В стандартах обеспечивается передача данных с базовыми скоростями передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. В OFDM сигнале используется 52 поднесущие, четыре из которых применяются для передачи пилот-сигналов. Для передачи информации используется 48 поднесущих. Полоса частот на одну поднесущую составляет 0,3125 МГц:

 

где Fofdm ⁼ 20 МГц — полоса частот, занимаемая сигналом OFDM в радиоканале; N — число поднесущих (точек преобразования Фурье), равное 64.

 
 
 
 
 
 

Рисунок. 7.5. Структура протоколов 802.11а

 
 

Основная  цель стандарта 802.11 а — описание процесса передачи протокольных блоков данных уровня MAC (MPDU) через физический уровень с OFDM. Физический уровень разделяется на две составляющие: подуровень согласования с физическим уровнем (PLCP) и подуровень определения физической среды (PMD) (рисунок. 7.5).

МАС-уровень  стандарта 802.11а осуществляет обмен  с протоколом согласования PLCP посредством специальных действий через ТД услуг (служб) физического уровня. Уровень PLCP преобразует протокольные блоки данных МАС-уровня к виду, пригодному для передачи через физический уровень по команде от уровня MAC и переводит принятые на физическом уровне кадры в формат МАС-уровня. PLCP-подуровень переводит данные, определенные на МАС-уровне в формат кадра, обеспечивающий передачу через физический уровень. Физический уровень под управлением PLCP предоставляет текущие прием и передачу между двумя станциями через радиоканал. 

Основная  литература: 6[514-517],

Дополнительная  литература: 2[100-134],

      Контрольные вопросы:  

1. Охарактеризуйте стандарт 802.11а
2. Поясните стандарт IEEE 802.11.
3. Поясните принцип метода
4. Спецификации каких двух уровней модели OSI определяет стандарт IEEE 802.11.

Поясните  за счет чего происходит повышение  скорости передачи информации  в  стандарте 802.11g.