Семейство стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi) образует БСПД типа WLAN, которая обеспечивает беспроводную передачу данных внутри и вне производственных помещений и зданий на расстоянии до 500 м.
На сегодня Wi-Fi – это набор (семейство) стандартов чаще всего работающих в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц.
Год выпуска |
Стандарт |
Максимальная скорость в радиоканале, Мб/с |
Частотный диапазон |
1997 |
IEEE
802.11 |
2 |
2,4 ГГц |
1999 |
IEEE
802.11a |
54 |
5 ГГц |
1999 |
IEEE
802.11b |
11 |
2,4 ГГц |
2003 |
IEEE
802.11g |
54 |
2,4 ГГц |
2008 |
IEEE
802.11y |
54 |
3,6 ГГц |
2009 |
IEEE
802.11n |
600 |
2,4 и 5 ГГц |
2014 |
IEEE
802.11ac |
1300 |
2,4 и 5 ГГц |
Архитектура протоколов IEEE 802.11 содержит три уровня: сетевой, канальный и физический.
Уровень |
Протокол |
|||||
сетевой |
TCP/IP |
|||||
канальный |
LLC |
|||||
MAC |
PSF |
|||||
DSF |
||||||
физический |
IEEE
802.11 |
IEEE
802.11a |
IEEE
802.11b |
IEEE
802.11g |
||
2,4 ГГц |
2,4 ГГц |
5 ГГц |
2,4 ГГц |
2,4 ГГц |
||
DSSS |
FHSS |
OFDM |
DSSS c CCK |
OFDM |
||
Сетевой уровень представлен семейством протоколов TCP/IP, канальный уровень в свою очередь подразделяется на два уровня:
МАС уровень в свою очередь обеспечивает два режима доступа (управления) устройствами, находящимися в сети:
Сети Wi-Fi строятся по одной из двух топологий:
В подавляющем большинстве случаев на практике используется топология сети Wi-Fi с точкой доступа, ей и уделим в дальнейшем основное внимание.
Если две и более станции в один и тот же момент времени передают на точку доступа какую-либо информацию (служебную, управляющую, пользовательскую), то это явление называется коллизией связи, в этом случае ни одна из станций не может получить соединение с точкой доступа. Предотвращение коллизий является ключевым моментом для любой беспроводной сети. Для обнаружения коллизий в стандарте IEEE 802.11 используется технология, которая называется «множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий» (carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA). Механизм CSMA/CA основан на алгоритме «прослушивание перед передачей» то есть передающая станция проверяет, присутствует ли в среде сигнал несущей и, прежде чем начать передачу, ожидает её освобождения.
Основными компонентами технологии CSMA/CA при распределенном режиме доступа DSF являются:
Опишем кратко реализацию этих компонент.
Станция, которая намеревается осуществить передачу в беспроводной среде, должна вначале проверить, используется ли несущая в настоящее время (есть ли сигнал в эфире). Наличие сигнала (несущей) означает, что среда занята и необходимо отложить передачу до момента её освобождения. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля активности в канале (контроля несущей):
Таким образом, все станции в сети получают информацию о текущей передачи кадра и могут определить сколько времени канал будет занят. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она начинает отсчет интервала времени, называемого IFS. Если после отсчета интервала IFS среда всё ещё свободна, начинается отсчетов слотов фиксированной длительности. Кадр можно передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна, см. рис.8.1.
Рисунок 8.1. Виртуальный механизм контроля несущей в стандарте IEEE 802.11
После интервала IFS и при условии, что среда свободна, станция выбирает номер слота случайным образом из интервала [1, CW], где CW – целое число. Конкретное значение CW в стандарте IEEE 802.11 определяется исходя из выбранного уровня порога на физическом уровне, чем выше порог, тем меньше значение CW. На практике CW = 2÷7. Для рассматриваемого примера на рис.8.1, возьмем CW = 5, станция из интервала [1, 5] выбрала номер слота равным 3. После этого станция начинает проверять состояние среды в начале каждого слота, и если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, в случае если результат равен 0, то начинается передача собственного кадра и запускается таймер, в течение которого на станцию должна прийти квитанция подтверждение (ACK) от станции назначения или точки доступа. Если в отведенное время квитанция ACK получена, станция продолжает передачу кадра. Это в случае успеха. Неуспех может быть двух типов:
Фрагментация фрейма – это выполняемая на уровне МАС функция, назначение которой – повысить надежность передачи фреймов через беспроводную среду. Под фрагментацией понимается дробление фрейма на меньшие фрагменты и передача каждого из них отдельно, см.рис.8.2. Предполагается, что вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через среду с помехами выше. Получение каждого фрагмента фрейма подтверждается отдельно: следовательно, если какой-то фрагмент фрейма будет передан с ошибкой или вступит в коллизию, только его придется передавать повторно, а не весь фрейм. Размер фрагмента фрейма может задавать администратор сети. Следует отметить негативный момент фрагментации – из-за необходимости передачи дополнительной служебной информации между станциями о параметрах фрагментов происходит непроизводительная загрузка беспроводной среды.
Рисунок 8.2. Фрагментация фрейма в стандарте IEEE 802.11
Кроме рассмотренных выше видов коллизий в беспроводных системах связи присутствует так называемая проблема «скрытого» устройства, когда два терминала (А и В) удалены и «не слышат» друг друга, но оба попадают в зону охвата третьего терминала (С). Если оба терминала А и В начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.
При распределенном режиме доступа DCF для борьбы с проблемой «скрытого» устройства используется следующий метод. Станция осуществляет процесс проверки доступности среды как он был описан ранее, с той разницей, что после таймера отсрочки (см.рис.8.1), станция отправляет н кадр данных, а короткий служебный кадр RTS (request to send, запрос на передачу) длиною 20 байт. На данный запрос станция назначения в отведенное время (в течении таймера прихода АСК) должна ответить коротким служебным кадром CTS (clear to send, свободна для передачи) длиною 14 байт. Данный кадр CTS является широковещательным, то есть он оповещает о захвате среды все станции, которые находятся вне зоны охвата станции отправителя, но в зоне досягаемости станции получателя, которая является «скрытой» станцией для станции отправителя.
Важно! Процедура обмена RTS и CTS кадрами увеличивает время соединения между станциями и уменьшает производительность сети. Эта процедура обмена не является в стандарте IEEE 802.11 обязательной, от неё можно отказаться при небольшой загрузке сети, так в этом случае вероятность коллизий невысока.
В том случае, когда в сети имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может также применяться централизованный режим доступа устройства к среде PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды. Режим доступа PCF в сетях стандарта IEEE 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба указанных режима координируются (см.рис.8.3) с помощью трех типов межкадровых интервалов:
Рисунок 8.3. Координация режимов доступа PSF и DSF
После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя, сравнивая его с тремя значениями: SIFS, PIFS и DIFS. Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течении времени t равного интервалу DIFS, т.е. самого длительного из трех возможных. Больший, относительно других интервал DIFS обуславливает режиму DСF самый низкий приоритет.
Межкадровый интервал SIFS имеет наименьшее значение и служит для первоочередного захвата среды ответными CTS-кадрами (квитанциями подтверждения), которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра.
Значение межкадрового интервала PIFS больше чем SIFS, но меньше чем DIFS. Промежутком времени между завершением PIFS и DIFS пользуется арбитр среды. В этом промежутке времени он передаёт специальный кадр, указывающий всем станциям в сети о начале контролируемого периода и о времени этого периода, т.е. о начале реализации централизованного метода доступа PCF. Арбитр среды приступает к процедуре опроса, по очереди предоставляя станциям право на пользование средой, направляя специальный кадр. Станция, получив такой кадр, отвечает кадром подтверждения и начинает сразу передачу данных по адресу указанному в специальном кадре от арбитра среды. Для того, чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода (в течении которого реализуется режим PCF) всегда ограничена. После его окончания арбитр среды передает соответствующий кадр и начинается неконтролируемый период, в течении которого реализуется режим DGF.
Важно! Не все станции все в сети могут работать в режиме PCF, а только те которые подписаны на данную услугу Wi-Fi при присоединении к сети.
Стандарт IEEE 802.11а использует диапазон частот в районе 5 ГГц, конкретный диапазон определяет регулятор внутри своей страны. В частности, для США – это диапазон 5,150 – 5,350 ГГц и 5,725 – 5,825 ГГц; для России – это диапазон 5,150 – 5,350 ГГц и 5,650 – 6,425 ГГц. Весь частотный диапазон делится на N каналов шириной 20 МГц каждый. На рис. 3.7, в качестве примера, приведено разделение частотного диапазона, используемое в США, видно, что для этого случая N=12. Для расширения спектра в стандарте 802.11а используется технология OFDM – мультиплексирование посредством ортогональных несущих.
Кратко опишем её применительно к стандарту 802.11а. В каждом из N каналов шириной в 20 МГц организуется 64 ортогональных подканала (или несущих), разнос между которыми составляет: f = 20 МГц/64 = 312,5 кГц, см. рис.8.4. Из этих 64 ортогональных несущих используются только 52 несущие, причем только 48 из них применяются для передачи данных (информационных символов), а остальные 4 – для передачи служебной информации (пилот сигналы). Каждая несущая в свою очередь модулируется посредством BPSK, QPSK, а также 16-ти и 64-х позиционной квадратурной модуляцией (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования R (1/2, 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи данных возможных в стандарте 802.11.
Рисунок 8.4. Структура кадра в радиоинтерфейсе стандарта 802.11а
Формирование кадра в радиоинтерфейсе стандарта 802.11а происходит следующим образом: к сформированному МАС фрейму добавляется PLSP пакет (physical layer convergence procedure – процедура преобразования в физический уровень). PLSP пакет, в свою очередь состоит из преамбулы, заголовка и service поля, см.рис.8.4.
Преамбула – содержит 12-ти битовую синхровоследовательность для настройки приемника.
Заголовок состоит из семи полей, назначение которых следующее:
Service – 16-ти битовое поле, первые 9 битов незадействованные, последующие 7 битов определяют первоначальные значения в регистрах хранения и сдвига ПСП-генератора в приемнике.
Преамбула и заголовок PLSP пакета всегда передаются с минимально возможной скоростью, т.е с модуляцией BPSK, скоростью сверточного кодирования R = 1/2 и скоростью передачи 1 Мбит/с. В то же время передача service поля и МАС фрейма происходит со скоростью и модуляцией, задаваемой в поле Rate в заголовке PLSP пакета.
Функциональная схема формирования сигнала в стандарте IEEE 802.11а может быть представлена в следующем виде, см.рис.8.5. Рассмотрим назначение функциональных блоков данной схемы.
Рисунок 8.5. Функциональная схема формирования сигнала в стандарте 802.11а.
Рисунок 8.6. Применение ОБПФ для получения N ортогональных подканалов.
В стандарте 802.11а 48-мь ортогональных подканалов разделены с частотным интервалом f = 312,5 кГц. Следовательно, время передачи одного символа в подканале: tн = 1/312,5 кГц = 3,2 мкс. За это время, передавая информацию по 48 подканалам одновременно, можно передать 48 символов.
Рисунок 8.7. Формирование защитного интервала.
Эта избыточная информация добавляется к передаваемому информационному пакету и отбрасывается при приёме пакета в приемнике. Защитный интервал, очевидно, является избыточной информацией и это приводит к снижению скорости передачи в канале, но именно GI служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Действительно, если длительность интервала GI больше чем максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает, см.рис.8.8. Таким образом, с учетом интервала GI, частота следования OFDM символов в стандарте 802.11а составляет: fн = 1/tн = 1/4 мкс = 250 кГц и, учитывая, что используется 48 подканалов, то общая скорость передачи данных (т.е скорость без учета сверточного кодирования и модуляции) составит: Vобщ = N fн = 48*250*103 = 12 Мб/с.
Рисунок 8.8. Возникновение межсимвольной интерференции.
Начало разработки стандарта – 2000г. и в июле 2003г. спецификация называют IEEE 802.11g была утверждена. По своей сути, стандарт 802.11g является гибридным: из IEEE 802.11а взята технология кодирования OFDM, а из IEEE 802.11b использование методов CCK и PBCC (опционально). Стандартом 802.11g предусматриваются различные скорости соединения: от 1 до 54 Мб/с, одни из них являются обязательными, другие – опциональными.
Стандарт 802.11g спроектирован для работы в открытом ISM диапазоне 2,4:2,4835 ГГц и одним из основных требований к 802.11g является обратная совместимость со стандартом 802.11b. Это означает, что любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Данное требование автоматически приводят к коллизиям следующего рода. Поскольку сети стандарта 802.11 при работе используют принцип CSMA/CA, то ни одно устройство Wi-Fi не должно начинать передачу, пока не убедится, что эфир в его диапазоне частот свободен от других устройств Wi-Fi. Но если в единой зоне обслуживания точек доступа 802.11b и 802.11g, устройства 802.11g будут вести обмен данными посредством OFDM, то устройства 802.11b не смогут отследить занятость эфира и будут пытаться начать свою трансляцию – возникает коллизия.
Система GSM хорошо подходит для организации мобильной телефонной связи и передачи коротких сообщений (SMS). Передача данных в GSM осуществляется методом коммутации каналов с очень невысокой скоростью – максимум до 14,4 кБ/с. Система HSCSD является простейшей модернизацией системы GSM предназначенной для повышения скорости передачи данных. Как и GSM эта система базируется на соединениях с коммутацией каналов, однако лучшее использование доступной полосы передачи и назначение более одного временного интервала на соединение, позволяет повысить скорость передачи данных теоретически до 57,6 кБ/с. Следует отметить, что использование метода коммутации каналов является неэффективным при передачи данных, т.к. трафик данных ориентирован на пакетную передачу.
Дальнейшая модернизация GSM – система GPRS разработана уже как система с пакетной передачей данной (потому и называется 2,5 G) с теоретически максимальной скоростью передачи данных 171,2 кБ/с. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. GPRS сосуществует с сетью GSM повторно используя базовую структуру сети доступа GERAN.
Система EDGE является модернизацией системы GSM/GPRS, в ней задействован новый метод модуляции для радиоинтерфейса: вместо GMSK используется 8 PSK, что позволяет увеличить скорость передачи данных теоретически до 473,6 кБ/с. Наличие обслуживающего (SGSN) и шлюзового (GGSN) узлов позволяет АС иметь возможность устанавливать в сети соединения с коммутацией пакетов и внешними сетями передачи данных.
Следующий этап по увеличению скорости передачи данных – это переход на новый способ множественного доступа CDMA и использование широкополосных сигналов (ширина полосы 3,84 МГц и более). Все это потребовало необходимость реализации нового оборудования сети радиодоступа, несовместимого с оборудованием GSM, основанного на методе множественного доступа FDMA/TDMA. С этого момента сеть GSM переходит в сеть UMTS. Система HSPA (High Speed Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных) является модернизацией UMTS, в ней потребовалось реорганизовать структуру каналов, использовать как кодовое, так и временное разделение каналов, применить модуляцию 16QAM, а также использовать более быстрые алгоритмы пересылки пакетов и повторной трансляции в случае ошибок. Дальнейшей эволюцией HSPA является технология HSPA+, которая из используемых стандартов сетей 3G является самой быстрой. Это достигнуто за счет расширения ширины канала до 10 МГц, использования модуляций 64QAM (downlink)/ 16QAM (uplink), применения технологии MIMO, что в итоге позволяет достигать скорости скачивания до 42,2 Мбит/с и отдачи до 5,76 Мбит/с. Сети HSPA+ часто называют сетями 3.75G.
Семейство стандартов IEEE 802.15 образует БСПД типа WPAN, которая обеспечивает беспроводную связь между ОУ на небольших (до 100 м.) расстояниях. К стандартам, которые входят в данное семейство, относят:
Среди основных областей применения IEEE 802.15.1 следует отметить:
Рассмотрим далее ключевые параметры физического уровня стандарта IEEE 802.15.1. Bluetooth устройства работают в так называемой нелицензионной, некоммерческой полосе частот 2,4 ... 2,4835 ГГц, часто называемой полосой ISM (Industrial Scientific Medicine band). Данная полоса частот шириной в 83,5 МГц делится на 79 радиоканалов с шириной в 1МГц каждый.
В стандарте IEEE 802.15.1 в качестве метода множественного доступа используется CDMA, способ расширения спектра – скачкообразная перестройка частоты (FHSS). Перестройка частоты с радиоканала на радиоканал (всего радиоканалов, как упоминалось ранее, 79) происходит в полосе 83,5 МГц и в соответствии с задаваемой псевдослучайной кодовой последовательностью. Каждая кодовая последовательность задает свой физический канал для нескольких ОУ, образующих сеть. Скорость перестройки (изменения) частоты – 1600 скачков/сек в режиме передачи и 3200 скачков/сек в режиме опроса и запроса. Длительность сигнала на одной частоте кратна 625 mс.
Две и более ОУ, использующие один и тот же физический канал, образуют сеть, называемой пикосетью (piconet). Все устройства в пикосети делятся на:
В одной пикосети:
Кроме пикосети, также ещё различают распределенную сеть (scatternet), которая образуется путем перекрытия отдельных пикосетей. В распределенной сети каждое ОУ одной пикосети может входить в другую пикосеть как в качестве slave устройства, так и в качестве master устройства см. рис.8.9.
Рисунок 8.9. Типы сетей в стандарте IEEE 802.15.1
Каждая пикосеть в распределенной сети использует свою, не совпадающую с другими пикосетями кодовую последовательность по перестройке частоты и, следовательно, в каждый момент времени в каждой пикосети передача ведется на своей частоте, которая практически никогда не совпадает с текущими частотами в других пикосетях.
Каждое устройство Bluetooth имеет свой уникальный 48-битный адрес, который выдается регистрирующим органом IEEE и имеет структуру как показано на рис.8.10.
Рисунок 8.10. Структура адреса Bluetooth устройства
LAP (lower address part) носит название нижняя часть адреса, UAP (upper address part) – верхняя часть адреса, NAP (non-significant address part) – незначащая часть адреса. Значения в полях LAP и UAP участвуют в выборе кодовой последовательности для перестройки частоты, но кроме того:
В стандарте IEEE 802.15.1 прием и передача ведется в разных временных интервалах на одной из 79-ти доступных частот в виде пакетов. Пакет может содержать только один, три или пять слотов. Длительность одного слота составляет 625 mс. Ведущее ОУ (master) передает пакеты только на четных частотах, ведомые ОУ (slave) – только на нечетных, см.рис.8.11
Рисунок 8.11. Характер пакетной передачи в стандарте IEEE 802.15.1.
Следует обратить внимание, что при передаче многослотового пакета частота не меняется, а конкретные номиналы частот при перестройке от пакета к пакету определяются в соответствии с кодовым сигналом.
В системах Bluetooth временные пакеты, используемые для связи между master и slave устройствами, имеют следующий трехэлементный формат:
Рисунок 8.12. Формат стандартного пакета в стандарте IEEE 802.15.1.
Все находящиеся в пикосети устройства Bluetooth могут находится в одном из 10-ти состояний, три из которых называются основными и семь – промежуточными, см. рис. 8.13.
Рисунок 8.13. Состояния соединений в стандарте IEEE 802.15.1.
К основным состояниям относятся:
Промежуточные состояния используются для подключения к пикосети новых slave устройств и могут быть:
На рис.8.14 показаны типичные прохождения по промежуточным состояниям для master и slave устройства к режиму соединения.
Рисунок 8.14. Этапы прохождения к режиму соединения для master и slave устройств.
Начиная с 2002 года, когда официально появился первый стандарт Bluetooth – стандарт IEEE 802.15.1 и до сегодняшних дней Bluetooth претерпел существенные изменения, получив новые возможности с точки зрения скорости передачи и области применения. Эти изменения официально закреплялись институтом по электротехнике и радиоэлектроники (IEEE), США в соответствующем релизе Bluetooth и в этом отношении можно говорить о семействе стандартов IEEE 802.15.
Вслед за IEEE 802.15.1 в 2003 году появляется стандарт IEEE 802.15.1.2 в который была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты, что улучшило помехоустойчивость, добавилась технология eSCO, которая улучшила качество передачи голоса, путем повторения поврежденных пакетов, были исправлены ошибки предыдущей версии, что позволило осуществить более быстрое подключение и обнаружение.
Далее в 2004 году был выпущен стандарт IEEE 802.15.2, где основным нововведением стала возможность использования помимо модуляции GFSK (которая является основной), также модуляции Pi/4 DQPSK и 8 DPSK, что позволило увеличить скорость передачи данных до 2 и 3 Мб/с, соответственно.
В 2009 году появляется стандарт IEEE 802.15.3, также работающий в полосе частот 2,4 ... 2,4835 ГГц.
Модуляция DQPSK и соответственно скорость 22 Мб/с является базовой, ее обязаны поддерживать все устройства IEEE 802.15.3. При работе на этой скорости данные не кодируются, в остальных случаях данные кодируются посредством сверточного кодера.
Вслед за стандартом IEEE 802.15.3 выпускается стандарт IEEE 802.15.3а или UWB (от ultra-wideband). UWB работает в диапазоне 3100 – 10600 МГц, который делится на рабочие полосы шириной в 528 МГЦ каждая. Для передачи данных в каждой из рабочих полос используется OFDM технология. В зависимости от скорости сверточного кодирования и вида модуляция поднесущих OFDM сигнала можно достичь скоростей передачи данных от 55 до 960 Мб/с.
Для решения задач по объединению в единую сеть большого количества устройств, не требующих высокой скорости передачи данных (в частности, сети М2М) был разработан в 2003г (с последующей модернизацией в 2006, 2007 и 2009 гг) стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee). Типовая структура сети ZigBee имеет вид, представленный на рис.8.15 и содержит два типа устройств: полнофункциональные (роутер и координатор) и с уменьшенной функциональностью (конечное устройство)
Рисунок 8.15. Типовая структура сети ZigBee.
Составные элементы сети ZigBee имеют следующее назначение:
В радиоканале сети ZigBee используется метод широкополосной передачи с прямым расширением кодовой последовательностью. Радиоканалы могут быть организованы в трех допустимых частотных диапазонах.
В заключении отметим что сеть ZigBee обладает очень высокой надежностью за счет наличия избыточных связей между устройствами. Именно это обстоятельство обеспечивает бесперебойное функционирование сети при выходе из строя какого-либо из роутеров или координатора.