Беспроводные сети: современное состояние и перспективы.

Беспроводные Сети: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Оборудование беспроводных сетей RadioEthernet получает все более широкое распространение в России и странах СНГ для организации локальных сетей, подключения к Internet и связи удаленных на большие расстояния сетей и отдельных компьютеров.

В настоящее время основная масса радиооборудования выпускается в соответствии с принятым в 1997 г. стандартом IEEE 802.11 «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications».

Наиболее крупные производители оборудования RadioEthemet объединены в ассоциацию беспроводных сетей WLANA Wireless LAN Alliance.

Ее цель — обучение потребителей, испытания оборудования и распространение опыта его использования.

В состав WLANA входят компании AMD и Harris Semiconductor, разработчики и поставщики компонентов оборудования и ряд компаний-производителей.

К их числу относятся Aironet Wireless Communications, BreezeCOM, Cabletron Systems, Intermec Technologies, Lucent Technologies, Bay Networks Wireless LAN Group, Proxim, Symbol Technologies, Raytheon Corporation и компания 3Com, заявившая о начале работ по созданию аппаратуры RadioEthemet.

Радиооборудование, производимое компаниями — членами WLANA, соответствует требованиям стандарта IEEE 802.11,

Оборудование стандарта RadioEthcrnct IEEE 802.11

Стандарт RadioEthemet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (МАС-уровне) и физическом (PHY) уровне.

В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

На МАС-уровне определяются базовые структуры архитектуры сети и перечень услуг, предоставляемых этим уровнем. Предусмотрено два типовых варианта архитектуры сетей:

При независимой конфигурации (adhoc) станции могут связываться непосредственно друг с другом, создания какой-либо инфраструктуры не требуется. Конфигурация отличается простотой, но площадь зоны обслуживания и возможности такой сети ограниченны.

При расширенной конфигурации станции связываются через точку доступа. Точка доступа обслуживает станции базовой зоны, совокупность которых образует расширенную зону обслуживания. Точки доступа соединяются между собой либо с помощью сегментов кабельной сети, либо с помощью радиомостов,

Стандарт определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA).

Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS).

RTS информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения.

Приемная станция должна ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему, После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (АСК) факта безошибочного приема. Если АСК не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

Спецификация пакетирования данных, предусмотренная стандартом, предписывает разбивку данных на пакеты, снабженные контрольной и адресной информацией, она занимает около 30 байт, после этого следует блок длиной до 2048 байт, затем — 4-байтный CRC-код информационного блока.

Стандарт рекомендует использовать пакеты в 400 байт для физического канала типа FHSS и 1500 или 2048 — для физического канала DSSS.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию узла, входящего в сеть, а также шифрование данных.

Для портативных компьютеров стандарт предусматривает режим энергосбережения.

Характерной особенностью RadioEthernet является режим роуминга, позволяющий клиентам сети передвигаться мевду точками доступа без потери соединения с сетью.

На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.

Оба типа радиоканалов используют технологию расширения спектра, позволяющую уменьшить среднее значение спектральной плотности мощности сигнала за счет распределения энергии в полосе частот, более широкой, чем необходимо для обеспечения заданной скорости передачи.

Это позволяет уменьшить уровень помех, создаваемых другим пользователем, работающим в этом диапазоне, и обеспечивает повышенную помехоустойчивость.

Обе радиотехнологии используют ISM-диапазон частот 2,4-2,4835 ГГц, предназначенный в большинстве государств для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине. В России использование этого диапазона требует получения разрешения Госсвязьнадзора.

Первый тип радиоканала — Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY — предусматривает скорость передачи 1 Мбит/с (опционально 2 Мбит/с), Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссовскую частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK).

При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссовскому закону от номинального значения до значения +ДГ, и возвращается к номинальному значению.

Для передачи нуля частота сигнала изменяется аналогично, но на величину -М. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты, поэтому каждый символ переносит 2 бита сообщения.

Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц независимо от скорости передачи.

Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне 2402-2480 МГц с шагом 1 МГц.

Для повышения помехоустойчивости предусмотрена псевдослучайная смена частотных позиций (freguency hopping) не реже одного раза за 400 мс, при этом стандарт определяет, что пакет данных должен полностью передаваться на одной частоте.

Второй тип радиоканала — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Radio PHY.

В этом варианте предусматривается передача со скоростями 1 и 2 Мбит/с с расширением спектра сигнала по закону II-элементной последовательности Баркера.

При скорости передачи 1 Мбит/с используется двоичная фазовая манипуляция — Binary Phase Shift Keying (BPSK) в сочетании с DSSS (рис. 1).

Единичный бит представляется II-элементным кодом Баркера, а нулевой — инверсным.

Код Баркера манипулирует по фазе колебание несущей частоты. Важно понимать, что элементарные символы кода Баркера не переносят информации, биты передаются сразу всем кодом — прямым или инверсным. Это позволяет придать сигналу свойства шума, что необходимо для обеспечения помехоустойчивости в сложной помеховой обстановке ISMдиапазона. Ширина спектра такого сигнала равна 2/Те, где Те — длительность элементарного символа, и при скорости передачи 1 Мбит/с составляет 22 МГц.

Для увеличения скорости передачи до 2 Мбит/с стандарт предусматривает использование квадратурной фазовой манипуляции — QPSK в сочетании с DSSS. На временном интервале, используемом для передачи 1 бита, в этом случае передается дибит — т.е. 2 бита сообщения. Для этого необходимо уже не 2, а 4 различных сигнала. Порядок формирования сигналов следующий.

Совместно с основным несущим колебанием (синфазным) используется второе, сдвинутое относительно него на 90 (квадратурное). Каждое из этих колебаний манипулируется по фазе прямой или инверсной последовательностью Баркера, а затем синфазное и квадратурное колебания складываются. Таким образом, сигнал получает четыре степени свободы, позволяющие передавать дибит. При этом скорость передачи увеличивается вдвое при сохранении той же ширины спектра, что при двоичной передаче. На рис. 2 — процедура формирования двух символов сообщения QPSK-DSSS.

Для передачи сигнала DSSS используется одна из 13 перекрывающихся частотных полос, определенных стандартом в общей полосе частот 83,5 МГц.

Для инфракрасного канала (Infrared PHY) стандарт предусматривает скорость 1 Мбит/с (опционально 2 Мбит/с). В версии 1 Мбит/с используется импульсно-позиционная модуляция с 4 позициями (4-РРМ), в версии 2 Мбит/с — 16-РРМ.

Радиооборудование стандарта IEEE 802.11

В состав серий радиооборудования, выпускаемого членами WLANA в соответствии со стандартом IEEE 802.11, входят точка доступа и сетевая PC-карта, а часто и другие устройства.

Как показывает анализ, выполненный в компании Diamond Communications, оборудование различных производителей имеет примерно одинаковые характеристики. Это объясняется необходимостью соблюдения требований стандарта и приблизительно одинаковым уровнем развития технологии. Главное отличие — в доступности и функциональной полноте серий.

Состав серий оборудования основных производителей, выполненных по технологии DSSS и FHSS, представлен в табл. 1.

Наиболее полные серии оборудования RadioEthernet IEEE 802.11 производят компании Aironet, BreezeCom, Lucent Technologies и Symbol Technologies, из них первые три широко представлены на российском рынке. Подавляющее большинство беспроводных сетей в России и странах СНГ реализовано на оборудовании именно этих производителей.

Новые скорости и диапазоны

Не успел появиться стандарт IEEE 802.11, как стали приходить сообщения о создании нового высокоскоростного радиооборудования с пропускной способностью 10 или II Мбит/с, о создании персональных радиосетей сверхближнего радиуса действия и использовании новых диапазонов частот.

Высокоскоростное оборудование RadioEthernet начал производить целый ряд компаний. Наибольший интерес представляет оборудование компаний — членов WLANA: Aironet Wireless Communications и Lucent Technologies. Это обусловлено сравнительно невысокой ценой и совместимостью с оборудованием, выполненным по стандарту IEEE 802,11, при скоростях передачи 1 и 2 Мбит/с.

Разработка способа модуляции, обеспечивающего повышение скорости до 10/11 Мбит/с, производилась при соблюдении частотных ограничений стандарта IEEE 802.11, в этих условиях не существует другого пути повышения скорости передачи, кроме увеличения объема алфавита сигналов. Поэтому разработчики были вынуждены добавлять сигналу новые степени свободы.

При этом компании Aironet и Lucent Technologies пошли разными путями.

Компания Lucent Technologies предложила метод модуляции, названный DS/PPM (Direct Sequence with Pulse Position Modulation). Для достижения скорости 10 Мбит/с используются синфазный и квадратурный сигналы.

В каждом сигнале используется 8 временных позиций 11-разрядного кода Баркера, получаемых в результате циклического сдвига исходного кода, 2 степени свободы — за счет прямого или инверсного кода Баркера и 2 уровня амплитуды сигнала.

В результате каждый из сигналов имеет 8х2х2==2^5 степеней свободы, а суммарный сигнал, получаемый в результате сложения синфазной и квадратурной составляющих, — 2^10 степеней, что позволяет передавать данные в той же полосе частот, что и при скоростях 1 и 2 Мбит/с, со скоростью 10 Мбит/с. При использовании одного сигнала обеспечивается скорость 5 Мбит/с.

Компания Aironet применила в своей аппаратуре элементную базу производства компании Harris Semiconductor, которая отказалась от использования кода Баркера и заменила его на ортогональные модифицированные коды Уолша. Используемый ансамбль из восьми 8-элементных последовательностей Уолша представлен в табл. 2.

На каждой из квадратурных составляющих возможно использование любой прямой или инверсной последовательности Уолша, что дает по 8х2=2″ степеней свободы.

Такой метод модуляции позволяет передавать в суммарном канале 8 бит одним символом.

При тактовой частоте, определенной стандартом (II МГц), символ сообщения имеет в 11/8=1,375 раз меньшую длительность, поэтому скорость передачи символов, по сравнению со стандартным вариантом 1 Мбит/с, увеличивается в 8х1,375 =11 раз. При использовании одной квадратурной составляющей скорость передачи составляет 5,5 Мбит/с.

Усилия разработчиков высокоскоростного оборудования нашли отражение в работе комитета IEEE 802.11 в форме проектов дополнения стандарта.

Проект 802. На посвящен высокоскоростной передаче в диапазоне 5 ГГц. Возможность появилась благодаря наличию в США и Канаде в этом диапазоне трех частотных полос шириной по 100 МГц, выделенных для безлицензионного использования. В Европе для этой цели доступен диапазон 5,15—5,25 ГГц.

Проект базируется на новом типе физического канала с ортогональным частотным разделением сигналов и мультиплексированием — Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

Спецификация физического уровня предусматривает скорость передачи 6—54 Мбит/с с частотным разносом между соседними каналами 20 МГц. Обязательной является поддержка скоростей 6, 12 и 24 Мбит/с. Опционально — 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с. Предлагаемый в проекте многоскоростной механизм МАС-протокола обеспечит связь на оптимальной для каждого радиоустройства сети скорости.

Проект 802.11Ь призван узаконить высокоскоростное радиооборудование диапазона 2,4 ГГц. В качестве вариантов рассматриваются технологии передачи, используемые компаниями Lucent Technologies и Aironet.

Проект предусматривает возможность автоматического снижения скорости до 2 и 1 Мбит/с при увеличении расстояния или ухудшении качества связи.

Для облегчения перехода к высокоскоростному стандарту производителей оборудования с FHSS введена дополнительная опция Frequency Agility, позволяющая DSSS-сигналу изменять частоту по предопределенным правилам. Предусмотрена возможность передачи заголовка пакета со стандартной скоростью и тела пакета с повышенной скоростью.

В рамках проекта 802. lie разрабатываются дополнения к стандарту 802. Id для поддержки радиосетей, использующих высокоскоростные технологии.

Персональные радиосети

Объединение различных устройств в единую беспроводную сеть предполагает проект Bluetooth, названный в честь Гарольда Блютуса, датского короля, правившего в Х в. и объединившего под властью датской короны Данию, Южную Швецию и Южную Норвегию.

Такими устройствами могут быть: точка доступа к кабельной сети, компьютер, ноутбук, мобильный телефон, мышь, наушники, принтер и т.п. Расстояние между устройствами -от 10 см до 10м.

Для осуществления проекта в мае 1998 г. компании Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba основали консорциум Bluetooth Special Interest Group (SIG). Интерес к разработке проявили более 200 крупных компаний. Результатом совместной деятельности должно стать появление к середине 1999 г. встраиваемого малогабаритного дешевого радиомодуля.

На сетевом уровне Bluetooth предполагает микросотовую структуру. В составе микросоты должна быть ведущая и не более семи ведомых станций. Возможен обмен информацией между станциями разных микросот.

Предполагается использовать сигналы FHSS при скорости передачи 1 Мбит/с. Вместо Radio Ethernet предлагается использовать протокол Frequency-hop/time-division-duplex (FH/TDD), при котором временной ресурс системы делится на интервалы продолжительностью 625 мкс, называемые слотами.

На длительности каждого слота для передачи используется своя частота, что обеспечивает 1600 скачков в секунду, для передачи и приема — различные неперекрывающиеся последовательности скачков частоты. Синхронизация передачи в пределах микросоты обеспечивается ведущей станцией.

Пакеты имеют фиксированный формат и содержат 72-битный код доступа, 54-битный заголовок и от 0 до 2745 бит в информационной части.

Пакет может занимать 1, 3 или 5 слотов и всегда передается на одной частоте, соответствующей частоте первого слота. После окончания пакета происходит переход к частоте, определяемой ведущей станцией.

Предусмотрены синхронный и асинхронный (симметричный и несимметричный) режимы передачи. Синхронный режим используется для передачи голоса со скоростью 64 Кбит/с.

В асинхронном режиме каждый абонент может передавать данные со скоростью 108,8—432,6 Кбит/с при симметричном дуплексе и 108,8—721 Кбит/с при асимметричной дуплексной передаче.

Для работы в этой области в рамках комитета IEEE 802.11 создана исследовательская группа по персональным радиосетям — Wireless Personal Area Network (WPAN).

Ее задача — подготовка предложений по стандартизации оборудования для беспроводного подключения к компьютеру периферийных устройств, в том числе разрабатываемых в рамках программы Bluetooth.

Таким образом, оборудование RadioEthernet получило на пороге третьего тысячелетия новые перспективы развития.

Подробную информацию по новым образцам оборудования можно найти на сайте компании Diamond Communications по адресу diamond.ru.