Протоколы локальных беспроводных сетей

Беспроводные ЛВС, использующие радио и ИК диапазоны, стали разрабатываться для коммерческой реализации с начала 90-х годов прошлого века. Тогда же был образован подкомитет IEEE 802.11 для их стандартизации.

Первая версия стандарта была опубликована в 1997 году и предусматривала использование радиочастот в двух диапазонах (915 МГц, и 2400 МГц) и ИК. Для кодирования данных используется расширение спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) или псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS — Frequency Hopping Spread Spectrum в настоящее время применяется в Bluetooth). Оба этих метода позволяют использовать очень широкополосный сигнал с низкой спектральной мощностью. С точки зрения обычных узкополосных радиоустройств работающих в этом же диапазоне такой сигнал представляется шумом низкой интенсивности и не мешает их работе. Скорость соединения определялась всего в 1 Мбит/сек с возможностью увеличения до 2 Мбит/сек.

Метод DSSS:

Чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает сигнал. Для повышения помехоустойчивости осуществляется переход к широкополосному сигналу путем добавления избыточности в исходный сигнал. Для этого информационный бит разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала расширяется и уменьшается спектральная плотность энергии. Энергия сигнала размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным, т.е. его теперь трудно отличить от естественного шума.

По методу DSSS каждый бит исходного сообщения представляется 11-разрядными кодовыми комбинациями (код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010). Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются прямая и инверсная последовательности Баркера. Результирующая последовательность модулирует передаваемый в эфир радиосигнал (фазовая модуляция несущей). Использование именно кода Баркета в качестве 11-чиповой последовательности а не какой либо иной последовательности нулей и единиц обусловлено оптимальными свойствами автокорреляционной функции этой последовательности. Такой выбор обеспечивает лучшие условия для восстановления переданного сигнала.

В приемнике производиться обратное преобразование. В результате в информационную полосу попадает лишь часть любой помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника.

 

 

 

Реально в выпускаемом оборудовании использовался только диапазон частот от 2400 МГц до 2483,5 МГц и уже на дату опубликования скорость в 1 Мбит/сек никого не могла устроить, производители оборудования искали (и находили) способы её увеличить и в 1999 году выходят дополнения IEEE 802.11а и IEEE 802.11b.

Первое из них для увеличения пропускной способности канала использует диапазон частот 5,5 ГГц. Для передачи используется метод ортогонального частотного разделения каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Пропускная способность достигает 54 Мбит/сек

Второе определяет расширение базовой спецификации в диапазоне 2,4 ГГц, позволяющее добиться скоростей передачи в 5,5 и 11 Мбит/сек.

Использование диапазона 5,5 ГГц более жестко регламентировано, оборудование для него более дорого и оно имеет большее энергопотребление. По этим причинам стандарт IEEE 802.11а не получил широкого распространения. А увеличить скорость работы сети хотелось. В результате в 2003 году появилась спецификация IEEE 802.11g, обьединяющая методы передачи вариантов стандарта «a» и «b», позволяющая достичь скорости 54 Мбит/сек в диапазоне 2,4 ГГц и при этом обеспечивающая возможность эксплуатации нового оборудования совместно с оборудованием предыдущего поколения и IEEE 802.11b. Отметим, что производители оборудования уже достаточно давно перешагнули этот рубеж и на рынке присутствуют устройства, обеспечивающие удвоение этой скорости до 108 Мбит/сек (например D-Link) за счет собственных решений, выходящих за рамки стандарта.

Общую ситуацию давления рынка на стандарто - устанавливающие организации на сегодня иллюстрирует ситуация с расширением IEEE 802.11n. Оно пока не имеет окончательной редакции, но активно продвигается на рынке. Хотя работа над стандартом беспроводных сетей со скоростью передачи свыше 100 Мбит/сек была начата IEEE еще в 2002, предварительная его редакция была согласована в 2006, а окончательная спецификации ожидается в конце 2009 года (утвержден 11 сентября 2009 г.). Тем не менее каждый уважающий себя производитель беспроводного сетевого оборудования имеет в линейке продуктов устройства, для которых декларируется соответствие предварительной версии спецификации IEEE 802.11n и достижимость скорости в 300 Мбит/сек. А производители готовых решений активно рекламируют компьютеры и ноутбуки (например Appl), имеющие такие устройства в штатной комплектации.

Принципиальным нововведением в этом стандарте является использование технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), предполагающей применение нескольких передающих и принимающих антенн. Т.е. реализуется пространственное мультиплицирование, при котором данные передаются между несколькими парами передатчик-приемник параллельно. При этом все пары работают в одном диапазоне.

 

На рисунке представлен адаптер PCI Express фирмы D-Link DWA-556

 

Устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

В вопросе об используемых частотных диапазонах есть еще один очень важный момент. Поскольку разработки в основном ведутся в США, разработчики в значительной степени ориентируются на правила использования радиочастотных диапазонов этой страны. Например в IEEE 802.11а для частот порядка 5 ГГц (как и в IEEE 802.11n) используется диапазоны нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII) 5,15– 5,25, 5,25– 5,35 и 5,725–5,825 ГГц работа в которых не требует получения лицензии FCC. Именно поэтому стандарт предписывает использование не непрерывного диапазона из этой области, а двух окон: 200 МГц от 5,15 до 5,35 ГГц и 100 МГц от 5,725 до 5,825 ГГц. Более того, для каждого из поддиапазонов в США прописаны ограничения на мощность нелицензируемого передатчика и тип используемой антенны:

5.15 - 5.25 ГГц 50 mW

U-NII Mid: 5.25-5.35 GHz.5.25 - 5.35 ГГц 250 mW

5,725 - 5,825 ГГц. Sometimes referred to as U-NII / ISM due to overlap with the ISM band. 1000 mW

и эти требования учитываются стандартом.

Подобные ограничения есть в любой стране мира, но они далеко не всегда совпадают с вышеприведенными. Поэтому для каждой страны производители, оставаясь в рамках стандарта, вносят те или иные ограничения для обеспечения соответствия национальным стандартам. И адаптер, изготовленный для одной страны далеко не всегда можно использовать за её пределами не нарушая местных законов.

 

3.3 Модемы

Название этого прибора происходит от имеющихся в нем модулятора и демодулятора.

Основное назначение модема оптимальное преобразование цифрового сигнала в аналоговый для передачи его по каналу связи и, соответственно, обратное преобразование на принимающей стороне. Под “оптимальным преобразованием” понимается такое, которое обеспечивает надежность связи, улучшает отношение сигнал шум и как следствие пропускную способность канала. Это преобразование необходимо для обеспечения улучшения отношения сигнал-шум. В качестве канала передачи данных может быть использована городская телефонная сеть, выделенная линия или радио-канал.

 

В качестве последовательного интерфейса может выступать RS-232, V.35, G.703 и т.д.. Все модемы содержат в себе управляющий микропроцессор, постоянную память (ROM), куда записано фирменное программное обеспечение и интерпретатор команд, энергонезависимую память (NVRAM - non-volatile RAM), которая хранит конфигурационные профайлы модема, телефонные номера и т.д., буфер ввода/вывода (128-256 байт), сигнальный процессор (DSP), включающий в себя модулятор и демодулятор, интерфейс для связи с ЭВМ (RS-232) и оперативную память.

 

Свойства различных систем (модемов) передачи информации.

 

Название	Расшифровка	Длина канала при (0,5мм)	Быстродействие	Применение
V.22 V.32 V.34	Модемы голосового диапазона	12 км	1200 бит/c 28800 бит/c	Передача данных
DSL	digital subscriber line	5,4 км	160 Кбит/с	Услуги ISDN, передача данных и голоса
HDSL	high data rate digital subscriber line	3,6 км	1,544 Мбит/с 2,048 Мбит/с	t1/e1 каналы, локальные и региональные сети.
SDSL	single line digital subscriber line	-	1,544 Мбит/с 2,048 Мбит/с	t1/e1 каналы, локальные и региональные сети
ADSL	asymmetric digital subscriber line	3,6/5,4 км	1,5-9 Мбит/с или 16-640 Кбит/c	Доступ к Интернет, видео, интерактивное мультимедиа.
VDSL	very high data rate digital subscriber line	-	13-52 Мбит/с или 1,5-2,3 Мбит/с	То же, что и ADSL плюс HDTV

ADSL

Весь диапазон передаваемых частот разделен на три части. "Голосовые" частоты (от 0 до 4 кГц) остаются незадействованными в передаче данных. Они остаются исключительно для телефонных разговоров. Следующая часть, частоты от 25 до 160 кГц, используются для передачи данных от пользователя к провайдеру. Диапазон от 240 кГц до 1,5 МГц несёт информацию в обратную сторону. Именно это и есть отличие ADSL от простой DSL. Дело в том, что от провайдера к пользователю поступает гораздо больше информации, чем в обратную сторону. Это и используется в ADSL для увеличения скорости связи

 

Система ADSL использует 256 частотных каналов для потока в одну сторону (downstream) и 32 канала для передачи в другую сторону (upstream) данных. Эти каналы в полосе частот расположены непосредственно рядом друг с другом, ширина полосы каждого составляет соответственно 4,3125 КГц. Влияние шума на линии связи зависит, как правило, от частоты, поэтому он влияет только на часть спектра. Благодаря тому, что ADSL разделяет канал на множество индивидуальных интервалов по 4 КГц и использует каждый из них в полном объеме, данная технология эффективно оперирует всем доступным диапазоном частот.