Локальные сети под управлением IEEE 802.11

Рынок массовых устройств БСПИ очень молод. Ежемесячно в мире продается около миллиона адаптеров только стандарта IEEE 802.11b. Причем стремительно развиваются сами технологии передачи и оборудование для них - скорости выросли от 1-2 до 54 Мбит/с. С не меньшей стремительностью падает и стоимость оборудования.

В июле 1997 года был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов передачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2, 400-2, 4835 ГГц -режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2Мбит/с.

Отметим, что устройства, соответствующие исходной спецификации IEEE 802.11, не успели получить развития. Пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла, и максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, преду­смотренная в IEEE 802.11, не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g.

Первым стал утвержденный 16 сентября 1999 года стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапазоне 2, 4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS. Самое же главное - он предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально - и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5.5 и 11 Мбит/с происходит посредством модуляции комплементарных кодовых последовательностей ССК (основной вид модуляции). Кроме того, предусматривалась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного бинарного свёрточного кодирования (РВСС).

Стандарт IEEE 802.11a, описывающий работу в диапазоне 5 ГГц, был принят одновременно с IEEE 802.11b. В нём использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно частотное мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM). Данный метод, в частности, достаточно хорошо зарекомендовал себя в системах цифрового телевизионного вещания DVB.

В IEEE 802.11a каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM - 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Напомним, скорость кодирования - это отношение числа бит в пакете до и после кодера. Скажем, скорость кодирования r = 1/2 означает, что каждый входной бит после кодирования превращается в два бита.

Диапазон 5, 1-5, 9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую полосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5, 15-5, 35 и 5, 725-5, 825 ГГц - всего 300 МГц по сравнению с 43 МГц в диапазоне 2, 4 ГГц. Вместо трёх неперекрывающихся каналов в диапазоне 2, 4 ГГц для сетей IEEE 802.11b только в нижнем поддиапазоне 5, 15-5, 35 ГГц имеются восемь перекрывающихся каналов (рисунок 1.11). Аналогичная ситуация в Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензионные диапазоны) - в более высокочастотной области места больше. В частности, если в Москве диапазон 2, 4 ГГц занят операторами достаточно давно, то область 5 ГГц еще только начинают осваивать, хотя свободных поддиапазонов там уже практически нет.

Рисунок 1.11 - Спектральная маска, и распределение неперекрывающихся каналов в диапазоне 5, 15-5, 35 ГГц для стандарта IEEE 802.11a. Мощность (дВr) определяется относительно пиков функции sin(x)/x

Кроме того, диапазон 2, 4 ГГц перегружен различными системами - тут и беспроводные телефоны, и устройства Bluetooth (IEEE 802.15.1), и многочис­ленное оборудование стандарта IEEE 802.11b. Взаимных помех избежать тяже­ло. Сравнительные испытания убедительно показывают, что в одних и тех же условиях устройства IEEE 802.11a по скорости обмена превосходят оборудование IEEE 802.11b (рисунок 1.12). И до недавнего времени казалось, что будущее принадлежит сетям стандарта IEEE 802.11a. Однако возник ряд вопросов.

Прежде всего, как быть с уже существующими сетями (и оборудованием) в диапазоне 2, 4 ГГц? Как обеспечить столь необходимую всем обратную совместимость? С этой проблемой производители справились, разработав двухдиапазонные чипсеты.

Рисунок 1.12 - Соотношение скоростей передачи устройств стандартов 802.11а и 802.11b (по материалам компании Proxim)

Однако к моменту, когда данные решения стали технологически возможны и рентабельны, в Европе был разработан свой стандарт 5 ГГц — HiperLan2. Кроме того, работы по ускорению стандарта IEEE 802.11b в диапазоне 2, 4 ГГц привели к появлению новой версии - IEEE 802.11g, предусматривающей скорости до 54Мбит/с.

Работы над будущей спецификацией IEEE 802.11g начались в марте 2000 года, когда была сформирована исследовательская группа по изучению возможности увеличения скорости передачи данных свыше 20 Мбит/с в диапазоне 2, 4 ГГц. В ноябре 2000 года эта группа приобрела статус штатной группы разработчиков и получила обозначение G. Через полтора года, рассмотрев несколько альтернативных подходов, специалисты исследовательской группы G предложили использовать применяющуюся в стандарте IEEE 802.11a систему кодирования с мультиплексированием посредством ортогональных несущих OFDM. В качестве дополнительных (необязательных) возможностей новый стандарт IEEE 802.11g предусматривал использование таких схем модуляции, как CCK-OFDM и РВСС.