Порівняння технологій dsss і FHSS.

Із двома технологіями, можливими для вибору, користувачі, очевидно, зустрічаються із складною проблемою вибору. На жаль, описи технологій, подібні до зроблених вище, не забезпечують інформацією, потрібною для прийняття рішень. Наступний огляд робиться з наміром зробити це рішення простішим через аналіз практичних атрибутів продуктів FHSS і DSSS, опрацьованих для діапазону 2.4 ГГц. Слід розглянути дві головні частини даних:

1) Рішення експертів від технології.

2) Атрибути продуктів, які включають:

· стійкість до інтерференції;

· повну ємність і закритість мережі;

· послідовність експлуатаційних характеристик;

· мобільність;

· властиву безпеку.

Експерти від технології. Вирішення технологічних експертів можуть бути корисним провідним вказівником для прийняття рішень у складних ситуаціях. Це особливо справедливе для випадків, коли експерти зацікавлені у правильних вирішеннях. Одні порівнюють FHSS і DSSS із точки зору того вибору, який зробили більшість провідних компаній при капіталовкладеннях в діапазон 2.4 ГГц. Кожна з таких компаній має кваліфікованих інженерів, які досліджують ці дві технології і на підставі цієї інформації приймають рішення щодо стратегії дій на роки вперед. Результат полягає в тому, що компанії роблять інвестиції в технології розширення спектру для мобільних застосувань, надаючи суттєву перевагу FHSS перед DSSS.

Атрибути продуктів. Перевага, яку надають експерти системі FHSS, має такі суттєві підстави:

1) Стійкість до завад від сусідніх джерел.

Мережі DSSS можуть бути виведені з ладу зовнішніми завадами (інтерференцією), тоді як мережі FHSS здійснюють перехід частоти без суттєвого погіршення властивостей. Внаслідок цієї “частотної рухливості” FHSS більш стійка до зовнішньої інтерференції від DSSS. Продукти FHSS затримуються на одній частоті протягом мілісекунд, так що шуми, властиві даній частоті, можуть бути відсутні після переходу до іншої частоти. DSSS не є частотно рухливою, її продукти стаціонарно працюють на попередньо встановлених частотах і не можуть уникнути інтерференції.

2) Стійкість до багатошляхової інтерференції.

Багатошляхова інтерференція обумовлена тим, що сигнал може досягати призначення різними шляхами із різними часами затримки. Впливу такої інтерференції автоматично можна уникнути в системі FHSS, перходячи до іншої частоти з іншими часами затримки, і не можна уникнути в DSSS. Внаслідок того, що ці багато шляхів є короткими, формат DSSS непридатний до подолання цього ефекту при типовому коефіцієнті розширення, який вживається у безпровідних мережах. DSSS можна дещо вдосконалити, застосовуючи відповідні антени, однак при цьому кінцевий продукт стає більшим, важчим і коштовнішим.

3) Повна ємність мережі.

Мережа FHSS здатна забезпечити у 3..4 рази більшу ємність, ніж мережа DSSS. У діапазоні 2.4 ГГц максимальна кількість каналів 2 Мб/с, які не перекриваються, для системи DSSS становить 3 (для повної ємності 6 Мб/с). Всі відомі впровадження DSSS мають це обмеження, бо воно є фундаментальним результатом для способу використання ширини смуги в системі DSSS. Мережі FHSS мають значно більшу ємність як теоретично, так і практично. Наприклад, сиситема фірми Proxim RANGELAN2 пропонує 15 каналів 1.6 Мб/с, які не перекриваються, із повної агрегованої ємності 24 Мб/с.

4) Масштабованість мережі.

Якщо окрема мережа FHSS має занадто багато користувачів або потребує додаткової ширини смуги, то до неї можна додати вторинну точку доступу (Access Point - AP), подвоюючи тим ширину смуги. Це неможливе для DSSS. Користувачі FHSS, які знаходяться у тому самому просторі, випадковим чином розподіляються між двома точками доступу, подвоюючи таким чином доступну ширину смуги у цьому просторі. Внаслідок особливостей процесу синхронізації в DSSS не можна здійснити випадкового переміщення між каналами, тобто всі переміщення мусять бути злокалізовані в тому самому каналі. Це створює практичне обмеження до одного каналу для більшості інсталяцій DSSS. Коли точки доступу DSSS розміщені в одному каналі, то вони можуть інтерферувати одна з одною.

5) Погодженість характеристик.

У великих безпровідних локальних мережах мікрокомірки (з точками доступу в центрі) перекриваються, викликаючи інтерференцію та зниження експлуатаційних характеристик мереж DSSS. Топології великих мереж DSSS фактично гарантують, що користувач може приймати сигнали від багатьох точок доступу. Ця інтерференція означає для користувачів відчуття нерівних експлуатаційних характеристик залежно від місця їх фізичної локалізації. Багато користувачів вважають, що нерівність характеристик - це гірше, ніж погані характеристики. Мережі FHSS, зокрема мережі RANGE LAN2, дозволяють користувачам розташовуватися по сусідству. Точки доступу на різних каналах усувають згадану проблему. Крім того, навіть наявність точок доступу в тому самому каналі не викликає інтерференції при однаковій послідовності стрибків частоти, бо синхронізація відсутня, тобто можна працювати у той сам час на тій самій частоті.

6) Перекриття особливих спільнот користувачів.

На поверхах торговельних приміщень, в аеропортах та в інших середовищах, де з безпровідними мережами можуть оперувати багато організацій, переважно повинна вибиратися система DSSS. FHSS дозволяє велику кількість каналів без перекриття, наприклад, RANGELAN2 пропонує 15. DSSS дозволяє малу кількість каналів без перекриття. Більшість продуктів DSSS пропонують один канал без перекриття, більшість складніших систем - тільки три.

7) Мобільність - потужність.

Для багатьох мобільних застосувань мале споживання потужності є критичним аспектом. Продукти DSSS споживають більше потужності від продуктів FHSS, вимагаючи важчих батерей або більш частого перезаряджання. Підсилювачі потужності для передавачів DSSS менш ефективні, ніж їх FHSS-відповідники. Це обумовлює значно вище споживання потужності для продуктів DSSS. При передаванні та прийманні продукти DSSS споживають у понад двічі більший струм (при передаванні 600..650 мА порівняно з 300..340 мА для RANGELAN2, при прийманні понад 300 мА для DSSS порівняно з понад 150 мА для RANGELAN2).

8) Мобільність - вага.

Мала вага є критичним аспектом для мобільних застосувань. Технологія FHSS дозволяє опрацьовувати значно легші продукти. Наприклад, карта PCMCIA для обладнання DSSS удвічі важча від аналогічної карти для FHSS.

9) Безпека даних.

Дані від продуктів DSSS значно простіше перехопити, ніж дані від продуктів FHSS. Системи FHSS початково були опрацьовані для військових застосувань, оскільки відомо, що їх важче перехопити та заглушити внаслідок невизначеності комбінації часу утримання і послідовності переходів. Ці переваги присутні також при комерційних застосуваннях. Захоплення сигналу FHSS вимагає значного часу та узгоджених зусиль. З іншого боку, продукти DHSS застосовують простий код розширення, який дозволяє простіше відобразити переданий сигнал на оригінальні дані. Перехоплення сигналу DSSS просто вимагає захоплення сигналу і ретрансляцію його в оригінальні дані з використанням добре визначеного алгоритму. Продукти DHSS і FHSS супроводжуються спеціалізованими пристроями для шифрування, однак це впливає на збільшення коштів, ваги та споживання потужності. Це також погіршує експлуатаційні характеристики внаслідок збільшення затримки обігу петлі.

Стандарт безпровідних локальних мереж.

Загальні відомості.

27 червня 1997 року IEEE впровадив стандарт 802.11 для безпровідних локальних мереж (WLAN). Стандарт містить спільний рівень MAC і три різні рівні PHY. Рівень MAC однаковий для всіх рівнів PHY.

Стандарт 802.11 та OSI.

	Канальний	LLC або LLC+SNAP	Управління
	рівень	Підрівень MAC	рівня MAC
	Фізичний	Підрівень PLCP	Управління
	рівень	Підрівень PMD	рівня PHY

 

802.2 LLC	Канальний
802.11 MAC	рівень
Перехід частоти (FHSS)	Пряма послідовність (DSSS)	Інфрачервоний діапазон (IR)	Фізичний рівень

 

Підрівень MAC.

Підрівень MAC забезпечує такі послуги:

1. автентифікацію (послуга станції);

2. деавтентифікацію (послуга станції);

3. секретність (послуга станції);

4. доручення MSDU (послуга станції);

5. з'єднання (послуга розподільчої системи);

6. роз'єднання (послуга розподільчої системи);

7. розподілення (послуга розподільчої системи);

8. об'єднання (послуга розподільчої системи);

9. повторне з'єднання (послуга розподільчої системи).

Крім того, підрівень MAC керує доступом до фізичного середовища. Протокол MAC вживає метод доступу CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Сусідній з ним підрівень MAC придатний до фрагментації та шифрування. Кожна система BSS має унікальні 48-бітову MAC-адресу, тоді як будь-яка система ESS має адресу змінної довжини.

 

Рамка MAC:

Октети								0..2312
	Управління рамки	ID тривалості	Адреса 1	Адреса 2	Адреса 3	Управління послідовністю	Адреса 4	Тіло рамки	CRC
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Заголовок рамки ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾®

Формати заголовка рамки відрівзняються для різних типів:

· контролем рамок (окремі поля опущені);

· адмініструванням рамок;

· даними рамок.

Рамка містить поле управління послідовністю для фільтрування повторів, викликаних механізмом підтвердження (ACK).

Управління на рівні MAC. Придатне для синхронізації, управління потужністю, блукання і підтримки MAC-MIB (Management Information Base ~ інформаційна база управління). Поле управління рамки має такий вигляд:

Біти ®
	Версія прото-колу	Тип	Підтип	До DS	Від DS	Більше фрагм.	Повтор	Управл. живленням	Більше даних	WEP	Rsvd

Опис поля адрес:

До DS	Від DS	Адреса 1	Адреса 2	Адреса 3	Адреса 4
		DA	SA	BSS ID	-
		DA	BSS ID	SA	-
		BSS ID	SA	DA	-
		RA	TA	DA	SA

Позначення: DA (Destination Address) - адреса призначення;

SA (Source Address) - адреса джерела;

BSS ID - ідентифікатор базової системи послуг (SS);

RA (Receiver Address) - адреса приймача;

TA (Transmitter Address) - адреса передавача.

Адреса 1 = всі станції фільтрують цю адресу.

Адреса 2 = адреса передавача (TA) - ідентифікує передавач для висилання рамки підтвердження (ACK);

Адреса 3 = залежить від значень бітів До DS або Від DS.

Адреса 4 = потрібна тільки для ідентифікації рамок початкового джерела WDS (Wireless Distribution System ~ безпровідної розподільчої системи).

Метод доступу. Стандарт 802.11 визначає для безпровідних мереж протокол доступу до середовища як CSMA/CA, тобто Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ~ множинний доступ з розпізнаванням носія і уникненням колізій. Зауважимо, що мережі Ethernet також використовують метод CSMA, однак не з уникненням колізій (CA - Collision Avoidance), а з виявленням колізій (CD - Collision Detection). Однак метод виявлення колізій CD) не цілком задовільняє потреби безпровідних мереж. По-перше, виявлення колізій може вимагати, щоб безпровідна мережа була здатна передавати і приймати у той сам час, що збільшує вартість і складність пристроїв. По-друге, у безпровідній мережі не завжди кожна станція здатна чути іншу станцію, як в кабельній мережі Ethernet. Тому передавальна станція може не знати, чи приймальна станція не зайнята у потрібний момент. Натомість 802.11, який підтримує CSMA/CA, отримує позитивне підтвердження, чим відрізняється від CSMA/CD. Станція, яка має інформацію для передавання, прослуховує середовище і якщо не виявляє активних станцій), то (і це є відмінність від CSMA/CD) вичікує випадковий інтервал часу перед передаванням своїх даних, продовжуючи моніторинг середовища, а потім може передавати. Станція на приймальному кінці негайно висилає підтвердження для передавальної станції, що колізія не відбулася. Якщо ж передавальна станція не отримала такого підтвердження, то вона вважає, що вислана рамка втрачена і висилає її повторно, аж доки не отримає підтвердження.

¾¾¾¾¾ Заголовок MAC¾¾¾¾¾¾®     2 октети 2 октети 6 октетів 6 октетів 4 октети   Управління рамкою Тривалість Адреса призначення Адреса джерела CRC                     а) формат рамки RTS. ¾¾¾¾¾ Заголовок MAC ¾¾¾¾¾¾® 2 октети 2 октети 6 октетів 4 октети Управління рамкою Тривалість Адреса джерела CRC б) формат рамки CTS. Рис. 4.70. Формати рамок протоколу уникнення колізій (CA).

Щоб зменшити можливість колізії внаслідок того, що станція може не чути інших, стандарт 802.11 визначає властивість віртуального розпізнавання носія. Це дозволяє станції, готовій до передавання, спочатку висилати запит на передавання (Request To Send - RTS) - коротку рамку, яка містить адреси джерела та призначення, а також тривалість передавання. Якщо середовище вільне, то приймальна станція відповідає короткою рамкою - дозволом на передавання (Clear To Send - CTS), яка може містити ту ж саму інформацію про тривалість передавання (рис. 4.).

Повна тривалість передавання - це час в мікросекундах, необхідний для висилання наступногї рамки, рамки CTS, рамки підтвердження і трьох інтервалів між рамками (Short InterFrame Space - SIFS). SIFS позділяють передавання в тому самому діалозі.

Станції, які прийняли RTS, STS або обидва пакети можуть встановити свій вектор розміщення, який є індикатором віртуального розпізнання носія, на визначену тривалість передавання, і цей вектор може бути використаний для розпізнання середовища. Через висилання коротких рамок RTS і CTS ймовірність колізії виключається, бо станції, які нормально не чують інших, можуть знати про зайнятість середовища перед закінченням передавання рамки.

Стандарт включає формальний опис протоколу MAC з використанням методу SLD, стандартизованого ITU-T.

Підрівень MAC є ключовим для надійного і успішного передавання інформації з одного місця до іншого. Протокол 802.11 визначає один підрівнь MAC, який взаємодіє з трьома різними Фізичними рівнями (PHY). В моделі OSI PHY є інтерфейсом до мережевого середовища і забезпечує функції сигналізації в мережі.

Фізичний рівень (PHY).

Фізичний рівень складається з двох підрівнів: PLCP (Physical Layer Convergence Protocol - протокол збіжності Фізичного рівня) і PMD (Physical Medium Dependent - залежний від фізичного середовища). Підрівень PLCP відповідальний за розпізнавання носія як частину CSMA/CA. Підрівень PMD відповідальний за модуляцію і кодування сигналу. Існують три види Фізичного рівня. Два з них (FHSS і DSSS) використовують радіочастоти і один (IR) призначений для інфрачервоних променів.

Управління на Фізичному рівні. Призначене для настроювання каналі та PHY-MIB.

Стандарт забезпечує дві специфікації фізичного рівня для радіо в діапазоні 2.400..2.4835 ГГц (залежно від локальних правил), а також для інфрачервоного діапазону.

Frequency Hopping Spread Spectrum Radio PHY. Цей трансівер здійснює операції для 1 Мб/с (на замовлення для 2 Мб/с). У версії 1 Мб/c застосовується дворівнева модуляція GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), а версія для 2 Мб/с використовує чотирирівневу GFSK.

Direct Sequence Spread Spectrum Radio PHY. Цей трансівер забезпечує операції як для 1 Мб/с, так і для 2 Мб/с. Версія 1 Мб/с використовує DBPSK, а версія 2 Мб/с - DQPSK.

Infrared PHY. Цей трансівер забезпечує 1 Мб/с і на замовлення 2 Мб/с. Версія 1 Мб/с застосовує Pulse Position Modulation (PPM) із 16 позиціями (16-PPM), а версія 2 Мб/с - PPM із 4 позиціями (4-PPM).

This PHY provides 1 Mbit/s with optional 2 Mbit/s. The 1 Mbit/s version uses Pulse Position Modulation with 16 positions (16-PPM) and the 2 Mbit/s version uses 4-PPM. For more details, look at our tutorial.

Кожна специфікація трансівера (PHY) включає діаграму станів, яка формально описує протоколи.

FHSS. Система використовує 79 частотних каналів між 2.4 ГГц і 2.438 ГГц з відстанню між каналами 1 МГц. Може застосовуватися при локальному врегулюванні питання про використання радіочастот без ліцензії. Система надає можливість встановити 26 різних мереж у тому самому просторі, які можуть не бачити одна одну.

Різні швидкості використовують різні способи частотної маніпуляції (Frequency Shift Keying). Для версії 1 Мб/с вживають дворівневу гаусову частотну маніпуляцію, а для версії 2Мб/с - чотирирівневу гаусову маніпуляцію.

Формат рамки:

Преамбула 80 біт	SFD 16 бітів	Довжина 12 бітів	PSF 4 біти	CRC 16 бітів
Преамбула PLCP	Заголовок PLCP	Корисне навантаження MPDU
PPDU

80-бітова преамбула має формат 0101... для синхронізації і застосовується для виявлення сигналу.

SFD означає Start of Frame Delimiter ~ початковий обмежувач рамки.

Поле ДОВЖИНА вказує довжину корисного навантаження в байтах.

PSF означає Payload Signalling Field ~ сигнальне поле корисного навантаження і вказує застосовану швидкість, а також має декілька бітів для майбутнього використання.

Правила переходу вказують, що наявні 79 каналів для переходів і що мінімальний перехід може становити 6 каналів. Трансміттер може зайняти новий канал за 224 мкс.

DSSS. Система характеризується такими параметрами:

· діапазон 2.4 ГГц, ширина смуги 1 Мб/с або 2 Мб/с;

· види модуляції: диференціальна двійкова фазова маніпуляція (Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK), диференціальна квадратурна фазова маніпуляція (Differential Quadrant Phase Shift Keying - DQPSK);

· 11 чіпів послідовності Баркера.

Прямі послідовності використовують повний спектр за один раз.

Різні швидкості утворюються через використання різних форм фазової маніпуляції. Версія 1 Мб/с використовує DBPSK, а версія 2 Мб/с - DQPSK/

Формат рамки:

128- бітова преамбула	SFD 16 бітів	СИГНАЛ 8 бітів	ПОСЛУГИ 8 бітів	Довжина 16 бітів	CRC 16 бітів
Преамбула PLCP	Заголовок PLCP	Корисне навантаження MPDU
PPDU

80-бітова преамбула застосовується для виявлення сигналу.

SFD означає Start of Frame Delimiter ~ початковий обмежувач рамки.

Поле СИГНАЛ вказує застосовану швидкість.

Поле ПОСЛУГИ зарезервоване на майбутнє і тепер містить 00.

Поле ДОВЖИНА вказує довжину корисного навантаження в байтах (октетах).

В табл. 4.32 наведені рівні потужності для радіочастот, можливі до використання у відповідних регіонах при застосуванні систем безпровідних локальних мереж.

Таблиця 4.32. Рівні потужності передавання для різних регіонів.

Максимальна вихідна потужність	Географічне розташування	Документ погодження
1000 мВт	США	FCC 15.247
100 мВт (EIRP)	Европа	ETS 300-328
10 мВт/МГц	Японія	MPT ordinance 79

IR (Infrared). Безпровідні мережі інфрачервоного діапазону характеризуються такими особливостями:

· використовують розсіяне інфрачервоне випромінювання в діапазоні 850..950 нм;

· мають дві різні специфікації швидкостей - основну швидкість доступу (1 Мб/с, 16-PPM) і підвищену швидкість доступу (2 Мб/с, 4-PPM);

· не потребують прямої видимості і націлювання;

· відстані до 10 м;

· застосовуються тільки всередині приміщень.

· Фізичний рівень складається з двох частин - PLCP (Physical Layer Convergence Procedure Sublayer ~ підрівень процедури збіжності Фізичного рівня) і PMD. Кожна з них може бути розглянена окремо.

PLCP. Цей підрівень відображає MPDU (MAC Protocol Data Unit ~ пристрій даних протоколу MAC) на придатний PDU (Physical Data Unit ~ пристрій даних Фізичного рівня).

Формат рамки:

Преамбула PLCP
SYNC	SFD	DR	DCLA	ДОВЖИНА	CRC	PSDU (змінна кількість октетів)

Довжина поля SYNC лежить в межах від 57 слотів L-PPM до 73 слотів L-PPM і не модульоване L-PPM. Це поле забезпечує синхронізацію (відновлення тактового генератора - годинника), автоматичне регулювання підсилення (на замовлення), оцінювання відношення сигнал-шум (на замовлення) та виділення рознесення (на замовлення).

Поле SFD (Start Frame Delimiter ~ початковий обмежувач рамки) містить 4 слоти L-PPM із шістнадцятковими символами 1001. Це поле позначає початок преамбули PLCP і здійснює синхронізацію бітів та символів.

Поле DR (Data Rate ~ швидкість даних) використовує три слоти L-PPM і позначає застосовану швидкість:

· 1 Мб/с: 000

· 2 Мб/с: 001

Поле DCLA (DC Level Adjustment ~ регулювання рівня DC) використовується для стабілізації рівня DC. Поле використовує 32 слоти L-PPM і виглядає так:

· 1 Мб/с: 0000 0000 1000 0000 0000 0000 1000 0000 або в шістнадцятковому форматі 00 80 00 80

· 2 Мб/с: 0010 0010 0010 0010 0010 0010 0010 0010 або в шістнадцятковому форматі 02 02 02 02

Поле ДОВЖИНА вказує кількість октетів, які передаються в PSDU (Physical Sublayer Data Unit ~ пристрій даних Фізичного рівня); значення подане у формі 16-бітного цілого числа.

Поле PSDU містить дані, які приходять від підрівня MAC. Максимальна довжина становить 2500 октетів, а мінімальна рівна 0.

PMD. Т ут формується дійсний потік бітів для передавання. Біти закодовані L-PPM у 16-бітовій або 4-бітовій версіях. Для обидвох версій наведені відповідні таблиці:

Дані	Символ 16-PPM		Дані	Символ 4-PPM

 

Потужність передавання дуже строго регулюється вимогами безпеки. Згідно із IEEE 802.11 слід дотримуватися таких рівнів вихідної потужності:

 

Маска шаблону випромінювання емітера	Максимальна оптична потужність (усереднена по ширині імпульсу)
МАСКА 1	2 Вт ± 20%
МАСКА 2	0.5 Вт ± 20%