Методы передачи, реализуемые на физическом уровне

Стандарт 802.11 1997 года определяет три метода передачи, реализуемые на физическом уровне. Метод инфракрасной передачи сильно напоминает метод, используемый в системах дистанционного управления бытовой техникой. В двух других методах применяется радиосвязь небольшого радиуса действия (при этом работают методы FHSS и DSSS). Они оба используют не подлежащую лицензированию часть спектра (диапазон ISM 2,4 ГГц).

Рис. 6.3. Часть стека протоколов 802.11

С целью увеличения пропускной способности в 1999 году были разработаны два дополнительных метода: OFDM и HR-DSSS. Они работают со скоростями 54 Мбит/с и 11 Мбит/с соответственно. В 2001 году была представлена новая модификация OFDM, работающая в другом частотном диапазоне.

При передаче в инфракрасном диапазоне (вне диапазона видимого света) ис пользуются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости передачи: 1 и 2 Мбит/с. При 1 Мбит/с используется схема кодирования с группировкой четырех бит в 16-битное кодовое слово, содержащее 15 нулей и 1 единицу. Это так называемый код Грея. Одно из его свойств заключается в том, что небольшая ошибка в синхронизации может привести в худшем случае к ошибке в одном бите выходной последовательности. При скорости передачи 2 Мбит/с уже 2 бита кодируются в 4-битное кодовое слово, также имеющее всего одну единицу: 0001, 0010, 0100 или 1000. Сигналы инфракрасного диапазона не проникают сквозь стены, поэтому соты, расположенные в разных комнатах, очень хорошо изолированы друг от друга. Однако из-за довольно низкой пропускной способности (а также потому, что солнечный свет может искажать инфракрасные сигналы) этот метод не слишком популярен.

В методе FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — передача широкополосных сигналов по методу частотных скачков) используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Диапазон, в котором работает этот метод, начинается с 2,4 ГГц (это нелицензируемый [ISM] диапазон). Для определения последовательностей скачков частот используется генератор псевдослучайных (псевдовипадковий) чисел. Поскольку при этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизированы во времени и одновременно осуществляют одинаковые частотные скачки. Период времени, в течение которого станция работает на определенной частоте, называется временем пребывания. Это настраиваемая величина, но она должна быть не более 400 мс. Рандомизация, осуществляемая в методе FHSS, является простым способом распределения неуправляемого ISM-диапазона. Кроме того, постоянная смена частот — это неплохой (хотя, конечно, недостаточный) способ защиты информации от несанкционированного прослушивания, поскольку незваный слушатель, не зная последовательности частотных переходов и времени пребывания, не сможет подслушать передаваемые данные. При связи на более длинных дистанциях может возникать проблема многолучевого затухания, и FHSS может оказаться хорошим подспорьем в борьбе с ней. Этот метод также относительно слабо чувствителен к интерференции с радиосигналом, что делает его популярным при связи между зданиями. Главный недостаток FHSS — это низкая пропускная способность.

Третий метод модуляции называется DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности). Скорости передачи ограничены 1 или 2 Мбит/с. DSSS немного напоминает систему CDMA, однако имеет и некоторые отличия. Каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера. Для этого используется модуляция с фазовым здвигом со скоростью 1 Мбод (1 бит на бод при работе на 1 Мбит/с и 2 бита на бод при работе на 2 Мбит/с). В течение нескольких лет комиссия FCC требовала, чтобы все беспроводное оборудование в США работало в нелицензируемых диапазонах, однако в мае 2002 года это требование было снято, поскольку появились новые технологии.

Первый очевидный результат применения этого метода — защита передаваемой информации от подслушивания («чужой» DSSS-приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Благодаря 11-кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень маленькой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии), не увеличивая при этом размеров антенн.

При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (то есть случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать.

Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. И наоборот — обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности «шумят» каждый только в своем узком канале и не могут целиком заглушить весь широкополосный сигнал.

Использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды — обычными узкополосными устройствами и «поверх них» — широкополосными.

Свойства Spread Spectrum — технологии, для метода прямой последовательности:

- Фиксированные каналы шириной по 22 MHz

- 11-кратная избыточность при посылке каждого бита

- Скорость передач 2 Mбит/с без сложного алгоритма модуляции

- 3 непересекающихся канала

- 3 точки доступа могут работать независимо на одной и той же территории

Первая высокоскоростная беспроводная ЛВС, 802.11а, использовала метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — ортогональное частотное уплотнение) для передачи сигнала со скоростью до 54 Мбит/с в расширенном нелицензируемом диапазоне 5 ГГц. Как и полагается при частотном уплотнении, здесь используются разные частоты. Всего их 52, из них 48 частот предназначены для данных, 4 — для синхронизации (почти как в ADSL). Одновременная передача сигналов на разных частотах позволяет говорить о расширенном спектре, хотя этот метод существенно отличается от CDMA и FHSS. Разделение сигнала на много узких диапазонов имеет преимущества перед передачей в одном широком диапазоне — в частности, более низкую чувствительность к узкополосной интерференции и возможность использования независимых диапазонов. Система кодирования довольно сложна. Она основана на модуляции с фазовым сдвигом для скоростей до 18 Мбит/с и на QAM при более высоких скоростях. При 54 Мбит/с 216 бит данных кодируются 288-битными кодовыми словами. Одним из преимуществ OFDM является совместимость с европейской системой HiperLAN/2 (Doufexi и др., 2002). Метод имеет хорошую спектральную эффективность в терминах соотношения бит/герц и хороший иммунитет против многолучевого затухания.

На практике сигналы OFDM получаются путем использования БПФ (Быстрое преобразование Фурье).

Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения (МСИ).

Метод HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum — высокоскоростная передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности). Это еще один широкополосный способ, который для достижения скорости 11 Мбит/с кодирует биты со скоростью 11 миллионов элементарных сигналов в секунду. Стандарт называется 802.11b, но он не является последователем 802.11а. На самом деле 802.11b был признан и попал на рынок даже раньше, чем 802.11а. Скорости передачи данных, поддерживаемые этим стандартом, равны 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с. Две низкие скорости требуют 1 Мбод при 1 и 2 битах на бод соответственно. Используется модуляция с фазовым сдвигом (для совместимости с DSSS). Две высокие скорости требуют кодирования со скоростью 1,375 Мбод при 4 и 8 битах на бод соответственно. Применяется код Уолша — Адамара. Скорость передачи может быть динамически изменена во время работы для достижения оптимальных результатов в зависимости от условий нагрузки и зашумленности линии. На практике скорость работы стандарта 802.11b почти всегда равна 11 Мбит/с. Хотя 802.11b медленнее, чем 802.11а, диапазон первого почти в 7 раз шире, что бывает очень важно во многих ситуациях.

Улучшенная версия 802.11b называется 802.llg. Этот стандарт был принят IEEE в ноябре 2001 года после долгих обсуждений того, чья же патентованная технология будет применяться. В итоге в 802.1 lg применяется метод модуляции OFDM, взятый из 802.11а, однако рабочий диапазон совпадает с 802.11b (узький нелицензированный диапазон 2,4 ГГц). Теоретически максимальная скорость 802.1 lg равна 54 Мбит/с. До сих пор не очень понятно, может ли быть достигнута такая скорость на практике. Зато, пока суть да дело, комитет 802.11 может гордо заявить, что он разработал три высокоскоростных стандарта беспроводных ЛВС: 802.11а, 802.11b и 802.11g (не говоря уж о трех низкоскоростных беспроводных ЛВС). Можно вполне обоснованно удивляться тому, что же в этом хорошего. Ну, видимо, три — это просто счастливое число для комитета 802.11.

Дата добавления: 2014-01-04