Связь и телекоммуникации беспроводные локальные сети



Дата28.08.2016
Размер274.76 Kb.




СВЯЗЬ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ


БЕСПРОВОДНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

АНАТОМИЯ СТАНДАРТОВ IEEE 802.11


БЕЗЖИЧНИ ЛОКАЛНИ МРЕЖИ

АНАТОМИЯ НА СТАНДАРТА IEEE 802.11


Автор:И.Шахнович
Безжичните мрежи за предаване на данни са атрибут и символ на новия век.Разгръщането на такива мрежи е ограничено от необходимостта да се оформят разрешителни документи (в тези страни, където това се изисква).А по пропускателна способност те не отстъпват на отделните медни линии. Устойчивостта към пречки, надеждността и защитеността на съвременните протоколи на предаването направили безжичните локални мрежи (WLAN) повсеместно явление, а оборудването за тях-масов продукт. Ежемесечно в света се продават около 1млн. адаптери за стандарта IEEE 802.11b - по експертна оценка е установено, че вече са повече от 20 млн. Наред с това, пазарът за масови устройства за безжични системи за предаване на данни е много млад. Първата версия на стандарта IEEE 802.11 се появила през 1997г. Но вече през 1999г. обема на продажбите на устройства за безжични мрежи достига 600 - 700 млн.дол., а към 2004г., според анализаторите, ще достигне 2,2-3 млрд.дол. При това стремително се развиват и самите технологии на предаване и оборудването за тях – скоростите растат от 1-2 – до 54 Mbit/s. С не по-малки темпове пада и стойността на оборудванията. Разклоненията от родителското дърво IEEE 802.11 вече са толкова много, че не е трудно да се объркат: през 1999г. се появява първият потомък IEEE 802.11 b, а днес пробват оборудването IEEE 802.11 g. Тук са още европейските стандарти – HiperLan и HiperLan2. Да се ориентираш във всичко това не е лесно, но трябва да се разбира и от потребителите, и от производителите на апаратурата – понеже родния пазар трябва на първо място, да се снабдява с руска апаратура. А опитът през последното десетилетие потвърждава, че в Русия има фирми, които могат да разработват и произвеждат качествена апаратура.
ОТ НОВАТА ИСТОРИЯ НА БЕЗЖИЧНИТЕ ЛОКАЛНИ МРЕЖИ
Преди всичко да уточним, че ще ни интересуват само локалните изчислителни мрежи.Затова извън нашето внимание ще останат такива стандарти на персонални мрежи като HomeRF и Bluetooth (IEEE 802.15) от една страна, и синхронните широкоспектърни радиомодеми – от друга. Ще коментираме Ethernet – подобни безжични мрежи, които са асинхронни.

За начало на безжичните телекомуникации трябва да се смята историческия доклад “ За отношението на металическия прах към електрическите колебания “ направен от Александър Степанович Попов на заседание на физическия отдел на Руското физико-химично общество на 7 май 1895г. След почти 80 години става друго, не по-малко значимо събитие – на 22 май 1973 г. сътрудникът на изследователския център на компанията Xerox в Поло-Алто Робърт Меткалф подал докладна записка, в която за първи път въвежда думата “Ethernet” и излага основните принципи на работа на новата локална компютърна мрежа, въплътени по-късно в стандарта IEEE 802.3, който днес масово наричаме Ethernet. Интересно, избирайки име на новата технология, авторът съзнателно се е спрял на думата “Ethernet” (ефир на мрежата), предвиждайки, като че ли, че след четвърт век Ethernet ще излезе в ефир ?

Сега устройствата за безжични локални мрежи, които са се появили в началото и средата на 90-те години, са само история. Но тогава те са означавали технологичен пробив. Но е било нужно да се създаде единен стандарт. И през юли 1997г. работна група 11 от Института за инжинери по електротехника и радиоелектроника (IEEE) направила първата равносметка на работата, започната през 1989г. публикувайки стандарта IEEE 802.11 – “Спецификация на физическото ниво и на нивото за контрол на достъпа към канала при предаването чрез безжични локални мрежи “ (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications) Той определял архитектурите на мрежите и произтичащите от това изисквания към функциите на устройствата, принципите за достъп на устройствата към канала за връзка, формата на пакетите на предаването, начините за автентичност и защита на данните. Въпреки че стандарта отначало е замислен като инвариантен по отношение на някакъв честотен диапазон, на физическо ниво той определя три начина на работа : два радиочестотни и един оптичен. В инфрачервения диапазон се предвиждала импулсно-позиционна модулация в диапазона 2,400 – 2,4835 GHz – режими на модулация с разширение на спектъра чрез метода на честотните скокове (FHSS) и на пряката последователност (DSSS). Скоростите се установяват на ниво 1 и 2 Mbit/s.

Обаче през септември 1999г. се появява допълнение към стандарта IEEE 802.11 – спецификацията IEEE 802.11b. Тя разглежда работата в диапазона 2,4 GHz само чрез метода DSSS и разширява диапазона на скоростта до 5,5 и 11 Mbit/s. На практика в същото време е публикуван и стандарта IEEE 802.11a ориентиран за работа в 5 GHz диапазона и обещаващ скорости до 54 Mbit/s. В края на 1999г. били завършени основните работи по създаването на европейския 5 GHz стандарт за безжични мрежи - HiperLan2 (HiperLan type 2). Неотдавна се появи и недообработената (на чернова) версия IEEE 802.11g – високоскоростен стандарт (до 54 Mbit/s) в диапазон 2,4 GHz. А от момента на първата публикация на IEEE 802.11 са минали малко повече от 5 години.


ОСНОВНИ ПРИНЦИПИ НА IEEE 802.11
Ще разгледаме подробно какво представлява IEEE 802.11 като база за всички следващи спецификации. Както и всички стандарти от групата IEEE 802, IEEE 802.11 разглежда две по-ниски нива на модела на взаимодействие при отворените системи (OSI) – физически и ниво на звеното с данни (Data Link Iayer). При това, последното се подразделя на две полунива. По-горно – Logical Link Control (LLC) – описано в стандарта IEEE 802.2. Стандарта IEEE 802.11 разглежда ниското полуниво – Medium Access Control (MAC) т.е. управление на достъпа към канала (средата на предаването). С други дум, на физическо ниво стандарта определя начина на работа със средата на предаването, скоростта и методите на модулация. На MAC-ниво – принципа, по който устройствата използват общия канал, начините за включване и автентичност на устройствата към точката на достъп, механизмите за защита на данните. Тъй като стандарта IEEE 802.11 се е разработвал като “безжичен Ethernet” (така и го наричат), той предвижда пакетно предаване с 48-байтови адреси на пакетите, както и всяка мрежа Ethernet. Същественото, е че във всичко намиращо се в моделите OSI “висша” среда на предаване, е еднакво за всички спецификацииот семейството IEEE 802. В резултат – проводниковите и безжични мрежи от групата IEEE 802 лесно се свързват една с друга.

Понеже става дума за радиопространството, ключовия въпрос е – честотния диапазон. Като всеки американски продукт, IEEE 802.11 е свързан с действащите в САЩ правила. Отначало той е бил ориентиран към диапазон 2,400 – 2,4835 GHz с ширина на ивицата 83,5 MHz. Спектралната маска за един канал, определена от стандарта, е дадена на фиг.1 (мощността се отчита относително от пиковете на функцията sin(x)/x). Ширината на канала на ниво -30 dB е 22 MHz, следователно в ивицата 83,5 MHz са възможни три неприпокриващи се канала.






Фиг.1. Спектрална маска на канала на мрежата 802.11 при модулация чрез метода DSSS
Стандартът предвижда два основни начина за организация на локалната мрежа – на принципа “всеки с всеки” (ad-hoc-мрежа) и като структурирана мрежа (фиг.2). В първия случай връзката се установява непосредствено между две станции, всички устройства от ad-hoc-мрежата трябва да се намират в радиовидимата зона, никакво управлявяне не е предвидено.

При структурираните мрежи (а както показва практиката, това е основният начин за формирането на мрежите IEEE 802.11) се появява допълнително устройство – точка на достъп (AP-Access Point), по принцип стационарна и действаща на фиксирания канал. Връзката между устройствата става само чрез AP. И чрез тях вече е възможен изход във външни проводникови мрежи. В мрежата IEEE 802.11 може да има няколко AP, обединени от проводниковата мрежа Ethernet. Фактически такава мрежа представлява съвкупност от базови станции с припокриващи се зони на обхват. Стандарта IEEE 802.11 предвижда възможност за преместване на устройствата от една AP зона в друга зона (роуминг) с което се осигурява мобилност. Понеже за мобилните станции е важен въпроса за захранване на елементите, в стандарта е заложен специален протокол за управление на енергопотреблението – непосредствено при обмяната предаващото устройство може да задейства приемника в режим на очакване.

По правило, функциите за управление са разпределени между всички устройства от мрежата IEEE 802.11 – т. нар. режим DCF (Distributed coordination function). Но за структурираните мрежи е възможен режим Point coordination function (PCF), когато управлението е предадено на една определена точка за достъп. Необходимост от режима PCF възниква при предаването на чувствителна към задържане информация (например поток от видеоинформация).

Мрежите в семейство IEEE 802 работят на принципа на конкурентен достъп към канала – приоритети няма. За да се задават при необходимост е въведен режимът PCF. Обаче работа в дадения режим може да има само в определени, периодически повтарящи се интервали.



Фиг.2. Архитектура на мрежата 802.11: а- ad-hoк-мрежа, б-разпределена мрежа
Важно изискване към стандартите за безжична връзка е безопасността за предаване на данните. Знаейки това, техниците на MAC – ниво предвидили механизъм за защита на данните, включващ автентификация на станциите и собствено шифроване на предаваните данни. Този механизъм трябва да осигурява такова ниво на защита, както в обикновените Ethernet мрежи, затова го нарекли WEP (Wired Equivalent Privacy – еквивалент на проводниковата поверителност). Алгоритъмът WEP е основан на използването на четири общи за една мрежа секретни ключа с дължина 40 bitа. Самото шифроване става чрез алгоритъма RC4 на компанията RSA Security. Алгоритъмът използва умножението на блоковете с изходни данни на псевдослучайна последователност с такава дължина, каквато и блока с шифрованите данни. Генераторът на псевдослучайната последователност се инициира от 64-разрядни числа, състоящи се от 24-разрядни вектора на инициализация (IV – initialization vector) и 40-разрядния секретен ключ. Същественото е, че ако секретния ключ е известен на устройствата на мрежата и не се променя, то вектора IV може да се променя от пакет на пакет. За защита от несанкционирано изменение на предаваната информация всеки шифрован пакет се защитава от 32-разрядна контролна сума (ICV-integrity check value). Така, при шифроването към предаваните данни се добавят 8 байта – 4 за ICV, 3 за IV и още 1 байт, който съдържа информация за номера на използвания секретен ключ (един от четирите). Да отбележим, че секретният ключ може да бъде много дълъг – 64, 128 и т.н. bita. Това не противоречи на стандарта, още повече, такова оборудване се произвежда, но законодателството на САЩ възпрепятства износа на устройства, поддържащи шифровани данни с ключ по-дълъг от 40 bita. Затова производителите се ограничават до 240 варианти на ключа.

Изобщо, защитата на информацията в безжичните мрежи е отделна, сериозна тема. Специална група работи над стандарта IEEE 802.11i, който също наричат IEEE 802.X, понеже вложените в него принципи са приложими за различните мрежи.

Да отбележим, че устройствата, съответстващи на изходната спецификация IEEE 802.11, практически не получават развитие – не успяват. Пропускателната способност на проводниковите мрежи Ethernet доста остарява и максималната скорост на предаването по IEEE 802.11 е 2 Mbit/s, което не удовлетворява потребителите. Проблемът е решен от появата на стандарта IEEE 802.11b. Благодарение на разширения диапазон от скорости (1; 2; 5,5; 11 Mbit/s) той става масово популярен. В тази спецификация са описани механизмите на предаването в диапазон 2,4 GHz само чрез DSSS. Затова по-нататък, без да подценяваме групата, ще разглеждаме IEEE 802.11 отгледна точка на IEEE 802.11b.
КАК СЕ РАЗДЕЛЯ КАНАЛЪТ (MAC – НИВО)
Различията на стандарта IEEE 802.11 от другите спецификации от семейството IEEE 802 започват на МАС – ниво. Както е известно, основният принцип на Ethernet – е множествен достъп към канала за връзка с контрол на носещите и откриване на конфликти (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Acsses with Collision Detection). Станцията може да започне предаването, само ако каналът е свободен. Ако станциите открият, че на един канал се опитват да работят няколко станции, всички те прекъсват предаването и се опитват да го възобновят след случаен промеждутък от време. Така, даже при предаване, устройството трябва да контролира канала т.е да работи на приемане.

Но това, което е относително просто при проводниковата връзка, е проблемно при безжичните комуникации – затихването на сигнала в ефира е по-силно, отколкото в проводника. Затова възникват два основни проблема. Първо, по-сложния, ако въобще е разрешим е задачата за контрол на носещите на предаващото устройство – когато то предава, собствения му сигнал да е нарочно по-мощен отколкото сигнала на отдалеченото устройство. Второ, възможна е ситуация, при която двете устройства (А и В) са отдалечени и не се чуват едно – друго, но и двете попадат в зоната на обхват на трето устройство С (фиг.3) – т.нар. проблем на скритата точка. Да припомним, че в мрежите на семейството IEEE 802 с конкурентен принцип на достъп , две устройства не могат едновременно да заемат канала. Ако двете устройства А и В започнат предаването, то нито те, нито устройството С чрез метода на прослушване на ефира по принцип няма да могат да открият конфликтна ситуация и да определят защо пакетите не преминават.

За отстраняване на подобни проблеми в спецификацията IEEE 802.11 е приет механизмът CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acsses with Collision Avoidance)- множествен достъп с контрол на носещите и предотвратяване на колизията. Преди началото на предаването устройството слуша ефира и чака кога ще се освободи канала. Каналът се смята за свободен при условие, че не е открита активност в даден промеждутък от време – междукадров интервал (IFS) от определен тип. Ако в течение на този промеждутък каналът остане свободен, устройството чака още в течение на случаен промеждутък от време и, ако каналът още не е зает, предава пакета. Ако пакетът е предназначен за конкретно устройство (не за радиопредаване или за многоадресно предаване), то приемникът, успешно приел пакета, изпраща на предавателя кратък пакет за потвърждаване на полученото ACK (ACKnowledge). Ако предавателя не е приел ACK, той смята изпратения пакет за изгубен и повтаря процедурата по неговото предаване.


Фиг.3. Илюстрация на проблема “скрита точка”
Забележителното е, че ако устройството повторно предаде пакета, за да определи дали каналът не е зает, то трябва да използва увеличен междупакетен интервал (EIFS). Освен това времето на чакане се избира случайно на някакъв интервал. При първия опит на предаване този интервал е минимален. При всеки следващ той се удвоява дотогава докато не достигне възложеното преработено значение. Тези мерки водят до това, че устройството, успешно предало пакета, има преимущества в обхвата на канала (който се обърква, чака повече).

Преди първия опит да получи достъп до канала, устройсвото натоварва пълни дължината на случайния интервал на чакане в специален брояч. Неговото значение се намалява от зададената честота, докато каналът е свободен. Когато броячът се занули, устройството може да заема канала. Ако до зануляването на брояча другото устройство заема канала, броенето спира и се съхранява достигнатото значение. При следващия опит броенето започва със съхранената величина. В резултат на това неуспелият предния път получава повече шансове да заеме канала следващия път. В проводниковите мрежи Ethernet няма подобен механизъм.

Но описаните процедури на достъп не избавят от проблема “скрита точка”. За неговото преодоляване се използват два допълнителни пакета – RTS ( Request to Send – запитване за предаване) и CTS ( Clear to Send – потвърждение за готовност). Устройството, желаещо да отправи пакет от данни, предава на адресата кратък пакет RTS. Ако приемащото устройство е готово за прием, то представя на предаващото устройство пакет – отговор – CTS. По – нататък, в съответствие с описаната по – горе процедура, предаващото устройство отправя пакет с данни и се чака потвърждението ACK.

Стандартът IEEE 802.11 предвижда два механизма за контрол на активността в канала (откриване на носещата) – физически и виртуален. Първият механизъм е реализиран на физическо ниво се свежда към определяне на нивото на сигнала в антената и сравнението му с праговата величина. Виртуалният механизъм откриване на носещата е основан на това, че в предаваните пакети – данни, а също и в управляващите пакети ACK и RTS/CTS се съдържа информация за времето, необходимо за предаването на пакети ( или групата пакети) и получаването на потвърждение. Всички устройства в мрежата получават информация за текущото предаване и могат да определят колко време ще бъде зает каналът – т.е. устройството, при установяване на връзка, съобщава на всички за колко време то резервира канала.

Всички описани механизми се отнасят към мрежите с разпределено управление DCF. Но в мрежата може да има и АР, снабдени с пълномощията да узурпират управлението – тогава ги наричат точки за координация (РС). Когато мрежата премине в режим PCF, в трафика се появяват интервали, в които конкурентният достъп е отменен и целият обмен става под управлението PC (фиг.4). При завършването на такъв интервал мрежата се връща в режим DCF. Интервалите под управлението на PC следват през строго определен период, в началото на всеки интервал PC представя особен сигнален пакет (Beacon). PC не може да предаде поредния сигнален пакет дотогава, докато каналът не се освободи, т.е. поредният “свободен от конкуренция “ интервал може да започне със забавяне.

Фиг.4. Цикли на работа на мрежата в режим с концентрирано (PCF) и разпределено (DCF) управление
Фактически режимът PCF е режим на синхронното предаване, при което в асинхронната мрежа се резервират определени интервали. Този режим позволява използването на технологията IEEE 802.11 за такива приложения като предаването на аудио/видео и други синхронни по своята същност данни.
FRAME’ РИТЕ РЕШАВАТ ВСИЧКО
Както вече споменахме, целият обем в мрежите IEEE 802.11 става чрез отделни пакети (frame). По тяхната структура осбено ясно се вижда разделянето на физическо и на MAC-ниво. Фактически пакета се формира на MAC-ниво, на физическо ниво към него се добавя заглавието на физическото ниво (PLCP). На MAC-ниво пакетите се предават от прилагането на горното ниво. Ако техният размер превишава максимално допустимия в IEEE 802.11, става дефрагментация – големият пакет се разбива на няколко малки, които се предават по определена процедура.

Пакетите на MAC-ниво могат да бъдат от три типа – пакети данни, контролни (ACK, RTS, CTS и тем подобни) и пакети на управление (например, Beacon). Тяхната структура е еднаква (фиг.5). Всеки пакет включва MAC-заглавие, информационно поле (Frame Body) и контролна сума CRC. В заглавието се предава пълната информация за версията на протокола на стандарта от групата IEEE 802.11, типа на пакета, системата за защита и т.н. (полето Frame Control); продължителността на процедурата при предаването на пакета (Duration/ID), адреса на получателя /подателя (Address1-4; четири адресни полета необходими, ако пакетите се предават от подмрежа с една точка на достъп в подмрежа с друга) и информация за последователността на свързаните пакети (Sequence Control). Информационното поле може да бъде с различна дължина или съвсем да го няма (в контролните пакети).




Фиг.5. Структура на пакетите на мрежата 802.11 на MAC-ниво

На физическо ниво към MAC-пакетите (MPDU) се добавя заглавие на физическо ниво, състоящо се от преамбюл и съответно PLCP-заглавие (виж фиг.5). Преамбюлът съдържа стартова синхропоследователност (SYNC) за настройка на приемника и 16-битов код за начало на пакета (SFD)-числото F3A016 . PLCP-заглавието включва полето SIGNAL (информация за скоростта и типа модулация), SERVICE (допълнителна информация, в това число – за прилагането на високоскоростни разширения и PBSS-модулация) и LENGTH (времето в микросекунди, необходимо за предаването на следващата след заглавието, част на пакета. Всичките три полета на заглавието са защитени от 16-битова контролна сума CRC.

В стандарта IEEE 802.11b са предвидени два типа заглавия – дълго и кратко (фиг.6). Те се различават по дължината на синхропоследователността (128 и 56 бита), начините за нейната генерация, а също и по това, че символът за начало на пакета при краткото заглавие се предава в обратен ред. Освен това, ако всички полета на дългото заглавие се предават със скорост 1 Mbit/s, то при краткото преамбюлът се транслира със скорост 1 Mbit/s, другите полета на заглавието на заглавието – с 2 Mbit/s. Останалата част на пакета може да се предаде на всяка от допустимите от стандарта скорости на предаване, посочени в полетата SIGNAL и

SERVICE. Късите заглавия на физическо ниво са предвидени за увеличаване на пропускателната способност на мрежите.


НАДПРЕВАРА ЗА СКОРОСТ
От описанието на процедурите за връзки в мрежата IEEE 802.11 е ясно, че “режийните разноски” в този стандарт са повече, отколкото в проводниковата мрежа Ethernet. Затова е осбено важно да се осигури висока скорост на предаване на данни в канала. Да се повиши пропускателната способност на канала със зададена ширина на честотната ивица е възможно, ако се разработват и прилагат по-съвършени методи на модулация. По този път тръгва групата, разработила IEEE 802.11b.

Фиг.6. Кратко заглавие на пакетите на мрежата 802.11b
Да припомним, че отначало стандартът IEEE 802.11 е предвиждал работа в режим DSSS с използването на т.нар. Баркеровска последователност (Barker) с дължина 11 бита: B1 = (10110111000). Всеки информационен байт се замества от своето произведение по модул 2 (операция “изключващо ИЛИ”) с дадена последователност, т.е. всяка информационна единица се замества с B1, всяка нула - с инверсия на B1. В резултат на това байта се заменя с последователност от 11 чипа. По-нататък сигналът се кодира чрез диференциална дву- или четирипозиционна фазова модулация (DBPSK или DQPSK, един или два чипа на символ съответно). При честота на носещата модулация 11 MHz общата скорост в зависимост от типа модулация е 1 или 2 Mbit/s.

Стандарта IEEE 802.11b допълнително предвижда скорости на предаването 11 и 5,5 Mbit/s. За това се използва т.нар. CCK-модулация (Complementary Code Keying – кодиране чрез комплементарен код). В основата на дадения метод лежат работите на специалисти от компанията Intersil (по-рано - Harris Semiconductor) и отчасти Agere Systems (полупроводниково подразделение, отделено от Lucent Technologies). Методът използва DQPSK-модулация в радиопространството. CCK-модулацията се строи чрез отделяне от последователния информационен поток на групи по 8 бита (d0 – d7). Тези 8 бита определят информационния символ C от 8 комплексни чипа C = [c0,…,c7]. Чиповете са комплексни, доколкото те определят I и Q – квадратурните съставящи на сигнала за DQPSK. Осем чипа на информационния символ последователно модулират носещата с честота на модулацията 11 MHz. Фактически всеки чип е сигнал на носещата честота с фазово преместване, определено чрез формулата за целия символ


C = [c0,…,c7] = [1 + 2 + 3 + 4; 1 + 3 + 4; 1 + 2 + 4;

- (1 + 4); 1 + 2 + 3; 1 + 3; - (1 + 2 ); 1] (1)


 Елементът 1 влиза във всеки чип на символа, т.е. променя фазата на целия символ. Фазовата модулация на сигнала се нарича диференциална, тъй като значението 1 на текущия символ се определя относително от значението 1 на предния символ. Изменението на фазата 1 се задава като 1 = (d0 d1)./2 за четните символи, където (d0 d1)-двубитово двоично число (0 – 3). За нечетните символи значението 1 допълнително преместват с . Както вече отбелязахме в стандарта IEEE 802.11b чрез CCK се кодира само MAC-пакета. Затова първия CCK-символ е този, който е веднага след символите на заглавието на физическото ниво. Той е номер “0” т.е. четен. Фазата на последния QPSK-символ от заглавието на пакета е опорна за определянето на 1 на първия символ от информационното поле – към него се добавя 1. Останалите три параметъра имат абсолютни значения. За скорост 11 Mbit/s те се определят като  2 = (d2 d3)./2; 3 = (d4 d5)./2; 4 = (d6 d7)./2;  където (di di+1) - двуразрядни двоични числа.

За скорост 5,5 Mbit/s се използва DBPSK-модулацията и CCK-символа го определят не осем, а четири информационни бита (d0 - d3), затова и скоростта е двойно по ниска. Параметърът 1 се изчислява така, както и за 11 Mbit/s, останалите – по друг начин: 2 = d2. + /2; 3 = 0; 4 = d3..

В какво е достойнството на CCK-модулацията? Както се вижда от формула (1), чиповете на символа C се определят на основата на последователностите на Уолш-Адамар. За скорости 11 Mbit/s векторът на входящите данни D = [d0,…,d7] може да да се представи като последователност от четвъртични числа m1 – m4, където, m1 = (d0 d1), m2 = (d2 d3),…, m4 = (d6 d7). Нека M = [m1,…,m4]. Тогава векторът C = (M x WH + B)./2, където WH е горната половина на матрицата на Уолш-Адамар:


1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

{WH} =

Векторът B = [0,0,0,2,0,0,2,0], физически съответстващ на обръщането на фазата на чиповете c3 и c6 на 1800 (знаците “минус” във формула (1) ), е необходим за подобрение на корелационните свойства на кодовите последователности. Последователностите на Уолш-Адамар са добре изучени, имат отлични автокорелационни свойства. Важно е и, че всяка такава последователност малко корелира самата себе си при фазово преместване – много полезно свойство при борбата с преотразените сигнали. Лесно е да се забележи, че теоретичното операционно усилване на CCK-модулацията e 3dB (два пъти), тъй като без кодиране QPSK-модулирания с честота 11 Mbit/s сигнал може да транслира 22 Mbit в секунда. Както се вижда, CCK-модулацията представлява сама по себе си вид блоков код, затова е достатъчно проста при апаратна реализация. Съвкупността от тези свойства осигурява на CCK място в стандарта IEEE 802.11b като задължителен вид модулация. На практика е важно не само операционното усилване. Съществена роля играе и равномерното разпределение на символите във фазовото пространство – те трябва да са колкото се може по-далеко един от друг, за да се доведат до минимум грешките при тяхното детектиране. От тази гледна точка CCK-модулацията не изглежда оптимална, нейното реално операционно усилване не превишава 2 dB. Затова отначало се е разработвал друг начин на модулация – пакетно бинарно кодиране PBCC (Packet Binary Convolutional Coding). Този метод влиза в стандарта IEEE 802.11b като допълнителна (незадължителна) опция. Механизмът PBCC (фиг.7) бил предложен от специалистите на фирмата Alantro Communications, през 2000г. влиза в състава на компанията Texas Instruments. PBCC позволява да се достигне в мрежите 802.11b пропускателна способност от 5,5; 11 и 22 Mbit/s.

Фиг.7. Обща схема на PBCC-модулацията
Както става ясно от името, методът е основан на пакетно кодиране. За скоростите 5,5 и 11 Mbit/s потокът от информационни бита постъпва в шестразряден местещ се регистър със суматори (фиг.8а). В началния момент всички тригери на местещия се регистър се инициализират с нула. В резултат всеки изходящ бит d се заменя от два бита кодова последователност (c0,c1). При скорост 11 Mbit/s c0 и c1 задават един символ на четирипозиционната QPSK-модулирания. За скорост 5,5 Mbit/s се използва двупозиционната BPSK-модулация, при която последователно се предават кодовите битове c0 и c1. Ако е нужна скорост 22 Mbit/s, схемата на кодиране се усложнява (фиг.8б), три кодови бита (c0 – c2) определят един символ в 8-позиционната 8-PSK-модулация.

След формирането на PSK-символите става скремблиране. В зависимост от сигнала s (виж фиг.7) символът остава без изменение (s=0) или неговата фаза се увеличава на /2 (s = 1). Значението на s определя 256-битова циклично повтаряща се последователност S. Тя се формира на основата на началния вектор U = 338B16, в който има еднакво число нули и единици. S представлява 16 последователни вектора Ui (i=0,15), при това всеки вектор Ui е циклично преместен вляво на 3i разряда.

При шестразрядния местещ се регистър, приеман в PBCC за скорости 11 и 5,5 Mbit/s са възможни 64 изходни състояния. Така че при модулацията PBCC информационните битове във фазовото пространство се оказват много по – далеко един от друг, отколкото при CCK - модулацията. Затова PBCC позволява при едни и същи съотношения сигнал/шум и ниво на грешките да се предава с голяма скорост, отколкото при CCK (фиг.9). Но за сметка на по – ефективното кодиране – даденият алгоритъм има по – сложна апаратна реализация. Изглежда, че не случайно PBCC – модулацията се прокарва от компанията Texas Instruments – водещ производител на процесори за цифрова обработка на сигнала.
АПАРАТНА РЕАЛИЗАЦИЯ
Чипсетите за оборудване на мрежите IEEE 802.11b произвеждат много компании. Освен споменатата Texas Instruments, преди всичко трябва да се отбележи серията чипсети PRLSM на корпорация Intersil. Първият и чипсет за безжични ЛВС включвал осем основни микросхеми и веднага привлякал вниманието на производителите. Пуснатия преди повече от две години чипсет PR1SM2 може да се смята за базов спрямо следващите модификации.


Фиг.8. Схема на пакетното BCC-кодиране: а)-за скорости 5,5 и 11 Mbit/s; б)-за скорост 22 Mbit/s
В състава на PR1SM 2 (фиг.10) влизат четири ИС-MAC - контролер HFA3841, baseband – процесор HFA3861B, квадратурен модулатор/демодулатор на промеждутъчната честота (ПЧ) HFA3783 и ВЧ/ПЧ - конвертор HFA3683A. По принцип, за предаването трябва високочестотен антенен усилвател, например HFA3963. Отначало компанията Intersil доставяла дадения чипсет на цена от порядъка на 25 долара (в партида от 500 хил.бр.) и твърдяла, че пълната цена на всички необходими компоненти на адаптера IEEE 802.11b на основата на PR1SM2 няма да надхвърли 50 долара. Но след по-малко от година се появила модификацията PR1SM2,5, в която MAC – контролера и baseband – процесора са интегрирани в една ИС (ISL3873B), поддържаща към това също интерфейсите PCMC1A и USB.

Следващата пречка е била създаването през лятото на 2001 г. на чипсета PRISM 3 на основата на фирмена архитектура на пряко преобразуване на честотите ZIF (Zero IF, нулева ПЧ) без използване на ПЧ. В резултат на това, при цена на чипсета 22 долара, стойността на всички компоненти за адаптера на негова основа пада до 35 долара, според производителите.




Фиг.9. Далечина на връзката при различните модулационни способи и фиксирано затихване в канала (по материали на компанията Texas Instruments за приложението ИС ACX100)
Да отбележим и обявения чипсет на компанията Philips Semiconductors, първата ИС на който едокристалния трансфер SA2400 за диапазона 2,4 GHz – била анонсирана през юли 2001 г. Дадената ИС (фиг.11) също е построена на принципа на прякото преобразуване (без ПЧ) и съдържа блокове на приемника, предавателя, квадратурния модулатор/демодулатор, задаващ генератор на основа ГУН и fractional-N-синтезатора, изходния нешумящ усилвател. В състава на ИС има напълно интегрирани ивични канални филтри, устройство за автоматичен контрол на усилването, трипроводникова шина за управление на основните блокове на устройството, интерфейс за свързване с baseband-процесора и т.н. Втората микросхема на чипсета- SA2440-това са интегрирани baseband-процесор и MAC-контролер. Специалистите на компанията Philips твърдят, че устройството за IEEE 802.11 на основата на техния чипсет може да се направи, като се похарчи за всички компоненти около 8,5 дол. Какво пък, ще почакаме появата на SA2440. За аналогичен чипсет (Alchemy, който включва трансфер Am 1770 и с baseband/MAC-процесор Am 1771) обевява и компанията AMD.

Фиг.10. Структурна схема на устройство на базата на чипсет PRISM 2
През ноември 2002г. корпорацията Agere Systems анонсира свой нов чипсет, в състава на който влизат две ИС – контролер на физическото ниво и MAC-контролер. ИС WL1141 – е еднокристален контролер на физическо ниво, включваща както baseband-процесор, така и аналогова ВЧ-част (фиг.12). Заедно с MAC-контролера WL60010 той образува пълния чипсет за устройствата IEEE 802.11b. Доставките трябва да започнат през 2003г., обявената цена за чипсет е 14 долара.

Трябва да отбележим, че продуктите на компаниите Intersil, Agere Systems, Philips поддържат само CCK - модулация. PBCC реално присъства само в продуктите на компанията Texas Instruments.




Фиг.11. Структурна схема на трансфера с право преобразуване SA2400
Първата ИС, реализираща PBCC, станала ACX100-еднокристален MAC-контролер с baseband-процесор. Тази ИС, освен задължителните за стандарта IEEE 802.11b опции, поддържа PBCC – модулацията със скорости 5,5; 11 и 22 Mbit/s. Сред другите особености на микросхемата са апаратната поддръжка на 32 разрядните шини CardBus и PCI, на последователния интерфейс USB 1.1, а също на интерфейса Ethernet. Интересно е да се отбележи, че при изпробването на устройствата на основата на тази схема при едно и също ниво на пакетните грешки (PER=10-2) и скорост на предаване 11 Mbit/s работата в режим CCK била възможна при отношение сигнал/шум 8,5 dB, а употребата на PBCC позволява да се намали това съотношение до 4,5 dB.

Обаче, въпреки всички усилия на Texas Instruments, режима 22 Mbit/s така и не влиза в стандарта IEEE 802.11b-а нали даже се появило обозначението “IEEE 802.11b+”, устройства на основата на ACX100 започнали да произвеждат такива известни компании като D-Link и NDC! Не получават разпространение и 22 Mbit/s мрежи. Изглежда, тук играят роля две обстоятелства. Преди всичко, процедурата на стандартизация – това е фактически битка за огромна сума пари във вид на лицензионни удръжки за този, чиято технология стане стандартна. В дадения случай се сблъскват интересите на два гиганта в полупроводникоката индустрия – компаниите Intersil и Texas Instruments. Да се поддържат едновременно двата вида модулация, е неизгодно и на производителите по душа (по джоб) повече се харесва CCK –варианта.



Фиг.12. Чипсет на компанията Agere Systems
От друга страна, скоростите от порядъка на 22 Mbit/s станали по-малко атрактивни за потребителите, пред тях се открили нови перспективи-до 54 Mbit/s. Апаратурата на базата на PBCC в диапазона 2,4 GHz е фактически ограничена на скорост 33 Mbit/s.
ВСЕ ПО-НАГОРЕ, И ПО-НАГОРЕ, И ПО-НАГОРЕ....
Стандартът IEEE 802.11а се появил практически едновременно с IEEE 802.11b през септември 1999г. Тази спецификация била ориентирана към работа в 5 GHz диапазон. Изглежда, поради технологични проблеми – по-високочестотните ИС са по-сложни за произвеждане и по-скъпи – версията “а” задържа развитието си. Стандартът IEEE 802.11а се основава на принципно различен от описания по-горе механизъм за кодиране на данните – на честотно мултиплексирана последователност от ортогонални носещи (OFDM). Методът е достатъчно добре известен, той се използва в частност, в системите за цифрово телевизионно предаване DVB, затова ние няма подробно да описваме този механизъм.

В IEEE 802.11а всеки пакет се предава посредством 52 ортогонални носещи, всяка с ширина на ивицата 300 kHz (20 MHz/64). Ширината на единия канал е 20 MHz. Носещите модулират посредством BPSK, QPSK и 16 и 64-позиционна квадратурно амплитудна модулация (QAM). В съвкупност с различни скорости на кодиране r (1/2 и 3/4, за 64-QAM – 2/3 и 3/4) се образува набор от скорости на предаването 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Mbit/s.

От 52 носещи 48 са предназначени за предаване на информационни символи, останалите 4-са служебни. Структурата на заглавията на физическо ниво се отличава от приетото в спецификацията IEEE 802.11b, но не съществено (фиг.13). Пакетът включва преамбюл (с 12 символа на синхропоследователността), заглавие на физическото ниво (PLCP-заглавие) и собствено информационно поле, сформирано на MAC-ниво. В заглавието се предава информация за скоростта на кодирането, типа модулация и дължината на пакета. Преамбюлът и заглавието се транслират с минималната възможна скорост (BPSK, r = 1/2). Информационното поле – с посочената в заглавието, по принцип максимална скорост, в зависимост от условията на обмена. OFDM-символите се предават през всеки 4 s, при което дължината 3,2 s на всеки символ се предшества от 0,8 s защитен интервал (повтаряща се част на символа). Последният е необходим за борбата с многолъчевото разпространение на сигнала – отразения и идващ със закъснение символ, попада в защитния интервал и не поврежда следващия символ.

Фиг.13. Структура на заглавието на физическото ниво в стандарта IEEE 802.11а
Естествено, формирането/декодирането на OFDM-символите става чрез бързо преобразуване на Фурие (обратен/пряк, ОБПФ/БПФ). Функционалната схема на трактовете приемане/предаване (фиг.14) е достатъчно стандартна за дадения метод и включва пакетен кодер, механизъм за разграничение/преразпределение (защита от пакетни грешки) и процесор ОБПФ. Фурие – процесора формира сумарния сигнал, след което към символа се прибавя защитен интервал, окончателно се формира OFDM-символ и посредством квадратурен модулатор/конвертор се пренася в зададената честотна област. При приемане всичко става в обратен ред.


Фиг.14. Функционална схема на тракта приемане/предаване на стандарта IEEE 802.11а
Диапазонът 5,1-5,9 GHz е добър с това, че там е много лесно да се намери широка ивица за връзки в системата. В САЩ за нелицензирана работа в този диапазон са отделени ивици 5,15-

5,35 и 5,725-5,825 GHz – всичко 300 MHz в сравнение с 83 MHz в диапазона 2,4 GHz. Вместо три непрепокриващи се канала за мрежата IEEE 802.11b – само в долния диапазон 5,15-5,35 GHz има осем непрепокриващи се канала (фиг.15). Аналогична е ситуацията и Европа, и даже в Русия (само че у нас няма нелицензирани диапазони) – в по-високочестотните области местата са повече. В частност ако в Москва диапазонът 2,4 GHz е разгледан от операторите отдавна, то 5 GHz област едва започва да се усвоява, въпреки че там вече практически няма свободни поддиапазони.

Освен това, диапазонът 2,4 GHz е претоварен от различни системи – тук са и безжичните телефони, и устройствата Bluetooth, и многочисленото оборудване на стандарта IEEE 802.11b. Взаимните пречки е трудно да се избегнат. Сравнителните проби убедително показват, че в едни и същи условия устройствата IEEE 802.11а по скорост на обмена превъзхождат оборудването на IEEE 802.11b (фиг.16). И до неотдавна се е мислело, че бъдещето принадлежи на мрежите от стандарта IEEE 802.11а. Но възникват редица “но”.

Преди всичко, какво става с вече съществуващите мрежи (и оборудвания) в диапазона 2,4 GHz? Как да се осигури толкова необходимата за всички обратна съвместимост? С този проблем производителите се справили, разработвайки двудиапазонните чипсети. Характерен пример е компанията Atherosq която създала комплект от три ИС AR5001X Combo. В неговия състав са ИС baseband-процесор и MAC-контролер AR5211 и два аналогови ИС трансфера - на 2,4 и на 5 GHz (AR2111 и AR5111, съответно). Аналогично решение е предложено и от компанията Intersil – чипсета PRISM Duette от две ИС (фиг.17) : baseband/MAC –процесор ISL3890 и еднокристален двудиапазонен трансфер ISL3690.




Фиг.15. Спектрална маска и разпределение на непрепокриващи се канали в диапазона 5,15-5,35 GHz за стандарта IEEE 802.11а


Фиг.16. Съотношение на скоростите на предаване на устройствата от стандартите 802.11а и 802.11b (по материали на компанията Proxim)

Фиг.17. Чипсет PRISM Duette
Но когато дадените решения станали технически възможни и рентабилни, на стандарта IEEE 802.11a се появяват конкуренти. Първо, в Европа е бил разработенсвой 5,5 GHz стандарт-HyperLan2. Освен това, работата по ускоряването на стандарта IEEE 802.11b в диапазона 2,4 GHz водят до поява на нова версия - IEEE 802.11g , предвиждаща скорост до 54 Mbit/s. По – точно, стандартът официално го няма, има само вариант на чернова (draft), но произодителите не се притесняват да говорят в негова подкрепа. В частност разгледаните по-горе чипсети AR5001X Combo и PRISM Duette в диапазона 2,4 GHz поддържат не само IEEE 802.11b, но и IEEE 802.11g. Обаче за интригата при високоскоростните стандарти на безжичните мрежи, която се разгръща буквално пред очите ни (PRISM Duette е анонсиран в края на октомври 2002 г. на изложбата Comdex), ние ще поговорим другия път.

 Baseband – процесор – “ивичен” процесор, изпълняващ функциите на цифрова обработка на сигнала на физическо ниво, т.е. работещ непосредствено с трактов обмен.


 Ако трябва да бъдем точни, трябва да споменем и корпорацията Ubicom, чиито продукти на основата на Multi-Protocol – процесор IP2022 поддържат и PBCC. Но в дадения случай става дума само за програмна реализация, а не за специализирана ИС.

 Конкуриращ стандарт за цифрово телевизионно предаване – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №1, с. 18-19.

Скоростта на кодиране показва отношението на броя изходни битове към броя битове на кодирана последователност, т.е. r = 3/4 означава, че от три изходни бита се образува четирибитова кодова последователност.

ЭЛЕКТРОНИКА:Наука, Технология, Бизнес 1/2003


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница