Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Московский технический университет связи и информатики

_____________________________________________________________________________

Кафедра АИТСС

В.Б. Крейнделин, В.М. Малафеев, С.И. Мамзелев

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Учебное пособие

_____________________________________________________________________________

Москва 2002

2

УДК:

Крейнделин В.Б., Мамзелев С.И. Технологии беспроводных локальных сетей: Учебное

пособие / МТУСИ.-М.,2002.-56с.

В учебном пособии рассматриваются существующие архитектуры построения

беспроводных локальных сетей и организации абонентского радиодоступа к сетям

передачи данных, описываются наиболее перспективные стандарты и технологии

беспроводных сетей связи.

Ил.ХХ, список лит. ХХ назв.

Рецензент: Мамзелев И.А.(?), доктор технических наук, профессор

Издание утверждено на заседании факультета АИПС ХХ месяца 2002 г.

Протокол №Х

© Московский технический университет

связи и информатики

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................5

ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ LAN........................................................................................................................5

ПРЕИМУЩЕСТВА WLAN .....................................................................................................................................6

МОБИЛЬНОСТЬ..........................................................................................................................................................6 УСТАНОВКА В МЕСТАХ, СЛОЖНЫХ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ ПРОВОДНЫХ ЛИНИЙ .............................................................6 ПОВЫШЕННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ...................................................................................................................................7 УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕМЕНИ УСТАНОВКИ ......................................................................................................................7

ПРОБЛЕМЫ WLAN.................................................................................................................................................8

МНОГОЛУЧЕВОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ.......................................................................................................................8 ПОТЕРИ НА ТРАССЕ...................................................................................................................................................9 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ РАДИОСИГНАЛА ...........................................................................................................................9 Внутренняя интерференция ...........................................................................................................................10 Внешние помехи ...............................................................................................................................................10 Методы уменьшения интерференции ...........................................................................................................10

ОГРАНИЧЕННОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ БАТАРЕЙ .............................................................................................................11 СИСТЕМНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.............................................................................................................................11 СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ .......................................................................................................................................11 Угрозы сетевой безопасности .......................................................................................................................12 Гарантии защиты (Security Safeguards)........................................................................................................13

ПРОБЛЕМЫ ИНСТАЛЛЯЦИИ.....................................................................................................................................13 РИСК ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ...............................................................................................................................................14

КОМПОНЕНТЫ И СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНЫХ LAN .............................................................................15

УСТРОЙСТВА КОНЕЧНОГО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ (ОКОНЕЧНЫЕ УСТРОЙСТВА) ...............................................................15 СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ................................................................................................................16 БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЕВАЯ ИНТЕРФЕЙСНАЯ КАРТА .................................................................................................17 БЕСПРОВОДНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ МОСТЫ ....................................................................................................................18 АНТЕННА ................................................................................................................................................................19 КАНАЛ СВЯЗИ .........................................................................................................................................................20 ОДНОРАНГОВЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ LAN..................................................................................................................21 МУЛЬТИСОТОВЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ LAN...............................................................................................................22 БЕСПРОВОДНЫЕ ОБЩЕГОРОДСКИЕ СЕТИ................................................................................................................22 БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ ТИПА ТОЧКА-ТОЧКА ............................................................................................................23 БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ТИПА ТОЧКА-ТОЧКА НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА ...........................................................................24 БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ТИПА ТОЧКА-МУЛЬТИТОЧКА ..............................................................................................25

АРХИТЕКТУРА БЕСПРОВОДНЫХ LAN .........................................................................................................26

ПОДУРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К СРЕДЕ MEDIUM ACCESS CONTROL (MAC) ..........................................28 ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ (PHYSICAL LAYER) ...........................................................................................................29 Узкополосные радиосистемы .........................................................................................................................29 Инфракрасные беспроводные LAN.................................................................................................................30 Широкополосные радиосистемы ...................................................................................................................30 Радиосеть с шумоподобными сигналами на основе скачков по частоте (FHSS) .....................................31 Радиосеть с шумоподобными сигналами, использующая прямое расширение спектра (DSSS) ..............32 Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM)........................................................................33 Диапазоны радиочастот ISM.........................................................................................................................37

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ.........................................................................38

HOMERF SWAP .....................................................................................................................................................39 BLUETOOTH ............................................................................................................................................................40 HIPERLAN ..............................................................................................................................................................40 IEEE 802.11............................................................................................................................................................40

BLUETOOTH ...........................................................................................................................................................42

HIPERLAN/2.............................................................................................................................................................51

4

IEEE 802.11 ...............................................................................................................................................................55

СЕМЕЙСТВО СТАНДАРТОВ IEEE 802......................................................................................................................55 IEEE 802.2 LLC .....................................................................................................................................................55 Услуги IEEE 802.2 LLC ....................................................................................................................................56

СТАНДАРТ IEEE 802.11..........................................................................................................................................57 Топология IEEE 802.11 ....................................................................................................................................58 Логическая архитектура IEEE 802.11...........................................................................................................60

MAC –УРОВЕНЬ СТАНДАРТА IEEE 802.11.............................................................................................................60 ФИЗИЧЕСКИЕ УРОВНИ IEEE 802.11 .......................................................................................................................61 УСЛУГИ IEEE 802.11 .............................................................................................................................................62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................................................................67

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................................................................68

КОМПЛЕМЕНТРАНЫЕ КОДЫ (CCK) ........................................................................................................................68

ГЛОССАРИЙ ...........................................................................................................................................................69

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .....................................................................................................................................71

5

Введение

Беспроводные технологии LAN быстро становится ключевыми компонентами сетей ЭВМ

и продолжают стремительно развиваться. Благодаря принятию стандарта IEEE 802.11 на WLAN,

беспроводная технология вышла из области частных решений, становясь общим практичным

решением для создания подвижных локальных сетей там, где установка проводных линий связи

представляется непрактичной. Включение более новых версий стандарта IEEE 802.11а и 802.11b

представляет основу для высококачественных беспроводных LAN. Сейчас компании и

организации вкладывают средства в беспроводные сети с более высокими скоростями, получая

преимущество мобильного доступа к информации в реальном масштабе времени.

Реализация беспроводных сетей серьезно отличается от традиционных проводных ЛВС. В

отличие от локальной сети на основе протокола CSMA-CD, беспроводные LAN имеют большое

количество параметров установки, которые влияют на производительность сети и ее способности

к взаимодействию. И инженеру, разрабатывающему сеть, и установщику сети необходимо

понимать значения этих параметров и влияние их на сеть. Эта книга является детальным

руководством по установке и настройке таких систем, в частности, совместимых со стандартом

802.11.

Большинство общедоступных систем, использующих эфир, работают в пределах

гражданских диапазонов без лицензии. Эта продукция не требует от пользователя получения

лицензии у FCC, что означает - FCC не управляет использованием таких систем. Если Вас

воздействуют помехи (интерференция) от другой системы, работающей в пределах общественного

(гражданского) диапазона, Вам не к кому обратиться за помощью. FCC не вступает в рассуждение этих конфликтов и не выносит свои решения по данным вопросам, оставляя за Вами выбор иметь

дело с задержками из-за интерференции или искать для своих нужд другие технологии и системы.

Однако, такого вида интерференции, тем не менее, встречаются редко.

Из-за падающих цен и увеличения объема выполняемых задач, беспроводные LAN сегодня играют

намного большую роль в горизонтальных приложениях предприятия. Стоимость и

производительность беспроводных LAN становятся сопоставимы с традиционными проводными

линиями и сетями Ethernet. Цены на радио платы для WLAN, как ожидается, уменьшатся на по

крайней мере на 50% в течение 2001 г. Вероятно, что средняя цена за беспроводные платы радио

LAN будет соответствовать цене эквивалентной по производительности платы локальной сети на основе протокола Ethernet уже в начале 2002 г. В результате, системный программист теперь

имеет возможность обеспечить поддержку быстродействующих сетевых подключений

пользователям ПК и ноутбуков на основе стандарта IEEE 802.11 для беспроводных LAN.

Применение беспроводных LAN

Беспроводные LAN могут найти применение в тех отраслях промышленности, где есть

потребность в использовании компьютера при перемещениях, или когда прокладка кабеля

невозможна. Беспроводные LAN особенно эффективны, когда служащие должны обрабатывать

информацию на месте, непосредственно перед клиентами или сотрудниками, через электронные

формы и интерактивные меню. Беспроводное сетеобразование делает возможным дать переносные

6

компьютеры в руки тем, кто в них больше всего нуждается: докторам, медсестрам, складским

клеркам, инспекторам, страховым и торговым агентам.

Связь переносных устройств через беспроводные соединения с общей базой данных и

специфическими приложениями, как показано на рисунке 1.1, удовлетворяет потребность в

мобильности, устраняет «бумажную» работу, сокращает количество ошибок, снижает производственные издержки, и повышает эффективность деятельности. Альтернативой этому

является то, что многие компании все еще применяют сегодня бумажные документы для

обновления отчетов, описей и требуемых файлов. Этим методом информация обрабатывается

медленно, создаются ненужные избыточные данные и возникают ошибки, вызванные неразборчивым почерком. Подход с беспроводными компьютерами, использующими

централизованную базу данных, конечно, эффективнее.

Преимущества WLan

Появление и непрерывный рост беспроводных локальных сетей (WLAN) диктуются

потребностью понизить затраты, связанные с инфраструктурой сетей и поддержкой мобильных

сетевых приложений, которые приносят доход от увеличения эффективности, точности и

снижения общих деловых затрат. Следующие разделы объясняют выгоды от применения

беспроводных LAN.

Мобильность

Мобильность дает возможность пользователям передвигаться при использовании

устройств типа карманного компьютера. Часто род занятий требует, чтобы работники имели

возможность передвигаться. Это, например, завхозы, медики, полицейские или специалисты

службы спасения. Конечно, проводные линии связи требуют физической привязки между рабочей

станцией пользователя и сетью, которая делает доступ сетевым ресурсам невозможным при

передвижениях работника внутри здания или в других местах. Свобода передвижений приводит к

существенному возврату средств из-за прибыли от повышения эффективности работы.

Автогонки являются другим примером использования беспроводных сетей. В гонках

Formula 1 и Indy Car применяют сложные системы сбора данных, которые контролируют

различные системы, встроенные в гоночном автомобиле. Когда автомобили проходят очередной

круг, они передают данные своим командам, эта информация загружается в центральный

компьютер, таким образом, допускается анализ характеристик болида и скорости прохождения

трассы в реальном масштабе времени.

Не все мобильные приложения, тем не менее, требуют применения беспроводных сетей. Иногда

очередной деловой вопрос не требует мобильного доступа к информации в реальном времени.

Если данные приложения могут быть сохранены на устройстве пользователя и изменение данных

не существенно, то дополнительная стоимость беспроводных аппаратных сетевых средств не

может обеспечивать достаточно плюсов, чтобы выровнять дополнительный расход. Имейте в

виду, тем не менее, что какие-то другие потребности в беспроводных сетях все еще могут

существовать.

Установка в местах, сложных для прокладки проводных линий

Аппаратная реализация беспроводных сетей может серьезно сэкономить средства при

прокладке сети в местах, где установка кабеля затруднена. Если реки, автострады, или другие

7

препятствия разделяют Вашу сеть (см. рисунок 1.2), беспроводная технология может быть более

экономически выгодна, чем установка физического кабеля или аренды (цепей связи?), типа T1 или

56Kбит/с линий. Некоторые организации тратят тысячи или даже миллионы долларов, чтобы

проложить физическую линию между близлежащими объектами.

Беспроводные сети снижают затраты на высокоскоростную сеть в местах, где прокладка кабеля

затруднена.

Рис. 1.2

Повышенная надежность

Проблема, свойственная проводным сетям – простой в случае проблем с кабелем. Фактически,

проблемы с кабелем - часто первичная причина простоя системы. Влажность разрушает

металлические проводники при попадании воды во время дождей, случайные разрывы или утечки

жидкостей. Пользователь может также случайно сломать свою сетевую вилку при попытке

отключить ПК от сети, чтобы переместить его в другое место. Некачественная пайка кабеля может вызывать отражение сигнала, которое приводит к необъяснимым ошибкам. Случайная вырезка

кабелей может разорвать сеть немедленно. Провода и соединители могут легко ломаться при

неправильном и даже при нормальном использовании. Эти проблемы встают на пути у

пользователей сети и требуют вмешательства сетевых администраторов. Преимущество

беспроводного сетеобразования, в данном случае, следует из использования меньшего количества

кабеля. Это снижает время простоя сети и затраты, связанные с заменой испорченного кабеля.

Уменьшение времени установки

Установка кабельной сети - часто отнимающая много времени работа. Часто установщикам

LAN требуется прокладывать медный кабель или оптоволокно выше уровня потолка, обеспечить

проходы через стены к сетевым узлам, требуется прокладка кабеля вдоль стен. Эти задачи

отнимают дни или недели, в зависимости от размеров сети. Оптоволокно, соединяющее соседние

здания требует рытья траншей или использование существующих канализаций для телефонных

проводов. Можно потратить недели, даже, возможно, месяцы, чтобы получить соответствующие

разрешения и копать землю или асфальт.

Развертывание беспроводных локальных сетей не требует установки кабеля, создавая доступную

для использования сеть намного скорее. Таким образом, много стран, испытывающих недостаток

8

сетевой инфраструктуры обратили внимание на технологию WLAN, как метод обеспечения связи

между компьютерами без существенных расходов и временных затрат, связанных с установкой

среды передачи сигнала.

Проблемы WLAN

Применение WLAN сулит серьезные преимущества, как описано в более раннем разделе

этой главы. Однако, организаторы проектов и разработчики должны знать о следующих

потенциальных проблемах при внедрении и использовании беспроводного сетеобразования:

· Многолучевое распространение

· Потери на трассе

· Интерференция радиосигнала

· Ограниченный срок службы батарей

· Способность к межсистемному взаимодействию

· Сетевая безопасность

· Проблемы подключения

· Проблемы при установке

· Риск для здоровья

Многолучевое распространение Как показано на рисунке 1.3, передаваемые сигналы могут объединяться с отраженными, внося

помехи в сигнал, принимаемый получателем. Это явление известно как Многолучевое

распространение. Величина задержки между основным и отраженным сигналом называется

задержкой при распространении. При больших значениях этой задержки сигнал в приемнике

становится более искаженным может стать не детектируемым, даже в случае, когда передатчик и

приемник находятся в пределах близкого расстояния.

РИСУНОК 1.3

Многолучевое распространение снижает качество сигнала в приемнике.

9

Многолучевое распространение может стать существенной проблемой, особенно при

использовании сети внутри помещений. Офисная мебель, стены и оборудование - препятствия,

которые могут переотражать часть переданного сигнала. Производители WLAN стремятся снизить

эффекты многолучевого распространение, используя специальные методы обработки. Например,

уравнивание и разнообразие антенны - методы уменьшения количества проблем, являющихся

результатами многолучевого распространения.

Потери на трассе Потери на трассе между передатчиком и приемником ключевым параметром при анализе

проектирования беспроводной LAN. Ожидаемые уровни потерь на трассе, основанные на

известном расстоянии между передатчиком и приемником, дают нам ценную информацию при

определении требований к уровню мощности передатчика, чувствительности приемника и

отношения сигнал-шум (SNR). Фактические потери на трассе зависят от частоты передачи и

растут экспоненциально при увеличения расстояния между передатчиком и приемником. При

использовании сети внутри зданий, потери на трассе обычно составляют приблизительно на 20 дБ

каждые 30 метров.

Интерференция радиосигнала

Процесс передачи и приема радиосигналов и лазерных лучей через воздух делает

беспроводные системы уязвимыми к атмосферным помехам и помехам от работы других систем.

Так же, беспроводные сети могут сталкиваться с другими близлежащими беспроводными сетями,

радиооборудованием. Как показано на рисунке 1.4, интерференция может быть внутренняя или

направлена наружу.

РИСУНОК 1.4

10

Проблемы беспроводных сетей: внутренняя и интерференция, направленная наружу.

Внутренняя интерференция

LAN на основе радио может испытывать внутреннюю интерференцию от гармоник передающих

систем или других систем, использующих подобные радиочастоты в данной локальной области.

Микроволновые печи работают в S диапазоне (2.4 ГГц), который часто используется WLAN для

приема и передачи. Эти сигналы приводят к задержкам вплоть до блокировки передачи между

рабочими станциями локальной сети.

Интерференция с радиосетями не столь плоха, как это могло бы показаться. Системы,

использующие общедоступные радиочастоты включают широкополосную модуляцию, которая

снижает вред, нанесенный мешающим сигналом. Широкополосный сигнал работает с широкой

полосой пропускания, и типичная интерференция узкой полосой затрагивает только небольшую

часть информационного сигнала, приводя к нечастым ошибкам или вообще не создавая ошибок.

Таким образом, широкополосные системы являются высоко устойчивыми к интерференции.

Узкополосная интерференция с отношением "сигнал-интерференция" меньше, чем 10 дБ обычно

не вызывает проблем при широкополосной передаче. Однако, интерференция с широкой полосой

может нарушить любую передачу информации с использованием радиосигнала. Например,

сильный источник широкополосных помех - бытовая микроволновая печь, большинство, из

которых работают в диапазоне 2.4 ГГц. Такая печь может нарушать беспроводную передачу

данных в радиусе 15 метров. Другими источниками подобных помех могут являться:

электродвигатели (лифт и т.п.) подъемника, домашние охранные системы и беспроводные телефоны.

Внешние помехи

Помехи от внешних источников возникают, когда сигнал беспроводной сети перекрывают другие

системы типа смежных WLAN и навигационного оборудования на самолетах. Эти сбои приводят к

потере некоторых функциональных возможностей или остановке всей системы. Интерференция

между беспроводными сетями, работающими в нелицензируемых широкополосных диапазонах

встречается нечасто, так как эти системы работают на небольшой мощности (меньше чем 1 Ватт). Чтобы испытывать «межсетевую» интерференцию элементы сети должны располагаются очень

близко и использовать одни и те же диапазоны частот.

Методы уменьшения интерференции

При возникновении взаимных помех вам необходимо координировать работу своих

беспроводных сетей с отделом управления радиочастотами в вашей организации. Как правило,

правительственные организации и большинство больниц имеют персонал, занимающийся

вопросами использования радиопередающих устройств. Эта координация позволяет избегать

потенциальных проблем, связанных с интерференцией.

Фактически, координация работы с данными должностными лицами является принудительным

требованием для создания беспроводных радиосетей любого вида на территориях, близких к

военным базам. Военные не следуют распределениям частот, выпущенным FCC. FCC имеет дело с

коммерческими организациями США, у военных же собственный процесс управления

11

радиочастотами. Для установки сетей WLAN близи военных баз или некоторых

правительственных объектов, необходимо получить специальное разрешение правительства, так

как они могут создавать помехи некоторым военным система. Процесс получения такого

разрешения может потребовать нескольких месяцев.

Ограниченное время работы батарей

Если Вы используете переносной компьютер в автомобиле, выполняете опись на складе или обходите пациентов в больнице, то будет, вероятно, довольно громоздко или невозможно

включить ваш компьютер в электрическую розетку. Вы, таким образом, зависите от емкости

батареи компьютера. Использование дополнительной беспроводной NIC в этой ситуации может

резко уменьшить время работы до следующей перезарядки батареи. Средний срок службы батареи

может снизиться до одного часа при частом обращении к сети или печати.

Чтобы противостоять этой проблеме большинство производителей разрабатывают методы

динамического управления питанием в радио платах и точках доступа. В то время, когда

управление питанием не производится, радио компоненты обычно остаются в режиме ожидания

информации. Например, некоторые разработчики применяют режима энергосбережения: Режим

DOZE и Режим SLEEP. Режим DOZE, который является заданным по умолчанию состоянием

устройства, сохраняет радио выключенным большую часть времени и периодически включает его

для определения, ждут ли получения любые сообщения в специальном почтовом ящике. Один

только этот режим способен увеличить срок жизни батареи на 50%. Режим SLEEP заставляет

радио оставаться только в дежурном режиме. Другими словами, радио включается и посылает

информацию при необходимости, но не способно к приему никакой информации. Другие

беспроводные устройства имеют похожие схемы управления питанием.

Системное взаимодействие

При осуществлении сети локальной сети на основе протокола Ethernet, администраторы сети

и инженеры могут использовать NIC от разных производителей на одной и той же сети. Принятый

стандарт на стек протоколов Ethernet для локальных сетей, который определяет протоколы и

электрические характеристики, которым производители таких сетей должны следовать, позволяет

всем таким системам общаться на одном языке. Это условие позволяет вам выбрать продукт,

отвечающий всем вашим требованиям, при низкой стоимости и от различных производителей.

В беспроводных LAN вы не можете пока воспользоваться всеми преимуществами

межсистемного взаимодействия в любых ситуациях. Все еще встречаются сети предыдущего

перед 802.11 поколения (обычно частные). Сейчас гарантировать способность к взаимодействию

беспроводных LAN может только применение радио платы и точки доступа от одного

производителя. Возможно использовать устройства разных производителей, однако функции сети

в этом случае будут сводиться к минимальному набору решаемых задач, а дополнительные

функции могут отсутствовать.

Сетевая безопасность

Вопросы сетевой безопасности включают в себя защиту информации и информационных

ресурсов от потерь, искажений и санкционированного использования. Безопасны ли с этой точки

зрения беспроводные сети? Среди предпринимателей, рассматривающих внедрение беспроводных

систем это обычный и очень важный вопрос. Для ответа на него необходимо рассмотреть

функциональные особенности беспроводных сетей.

12

Беспроводная сеть создает последовательность бит, состоящую из бит информации,

синхронизации и защиты от ошибок, необходимых для передачи данных из одной точки в другую.

Функциональные возможности беспроводной сети соответствуют самым нижним уровням сетевой

архитектуры и не включают другие функции, типа непрерывного установления соединения или

услуг входа в систему, требуемые более высокими уровнями. Поэтому, единственными методами

защиты беспроводных сетей становятся те, которые предназначены для нижних уровней сетевой

архитектуры, например, кодирование данных.

Угрозы сетевой безопасности

Основной проблемой беспроводных, и в частности радиосетей, является то, что они

преднамеренно распространяют данные в окрестностях, которые могут превышать пределы

области, физически занимаемые организацией. Например, радиоволны легко проникают через

стены зданий и могут спокойно приниматься на автостоянке, расположенной неподалеку. Кто-то

может пассивно отыскивать конфиденциальную информацию вашей компании, используя ту же

самую беспроводную NIC, действуя на расстоянии, чтобы не быть замеченным службой

безопасности (см. рисунок 1.5). Это требует, тем не менее, чтобы вторгшийся получил сетевой

пароль, необходимый для подключения к сети.

Эта проблема также существует и у локальных сетей на основе Ethernet, но в меньшей

степени. Сигнал в проводах излучает электромагнитные волны, которые кто-либо может

принимать, используя чувствительную аппаратуру подслушивания. Тем не менее, этот человек

должен быть намного ближе к кабелю, чтобы принять такой сигнал.

РИСУНОК 1.5

Пассивный прием данных беспроводной сети намного проще, чем кабельной.

Другая потенциальная проблема - возможность электронного саботажа. Кто-то

злонамеренно может создавать помехи и препятствовать работе сети. Помните, большинство

беспроводных сетей использует протокол с опросом несущей, чтобы совместно использовать

общую среду передачи. Если одна станция передает, то все другие должны ждать. Кто-нибудь

может легко заблокировать вашу сеть, используя беспроводную систему того же изготовителя, что

и у Вас, непрерывно посылая пакеты. Эти передачи блокируют все станции вокруг небольшой

области, препятствуя, таким образом, функционированию сети. В этих случаях компания

простаивает, терпя убытки.

13

Гарантии защиты (Security Safeguards)

Разработчики беспроводных сетей решают большинство проблем безопасности путем

ограничения доступа к данным. Большинство систем требует установки кода доступа к сети и

кодов на каждой рабочей станции. Беспроводная станция не будет обрабатывать данные, если ее

код не установлен в сети. Некоторые разработчики также предлагают опцию кодирования данных

(см. рисунок 1.6).

РИСУНОК 1.6

Кодирование данных улучшает защиту беспроводных сетей.

Прикладные проблемы обеспечения связи

Применение традиционных протоколов проводных сетей для работы с

беспроводными представляет проблемы с поддержанием подключений между терминалом

пользователя и приложением, постоянно находящимся на сервере. TCP/IP, например,

обеспечивает очень надежные подключения по локальным сетям типа Ethernet и Token

Ring. В беспроводных сетях, однако, TCP/IP подвержен потерям связи, особенно когда

терминал работает в областях, близких к краям зоны покрытия сети. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы использовать связующее ПО, которое

обеспечивает промежуточную связь между конечными устройствами пользователя и прикладным

программным обеспечением, расположенным на хосте или сервере. Такое ПО обеспечивает

высокоэффективную и надежную связь по беспроводной сети, при поддержании соответствующих

подключений к прикладному программному обеспечению и базам данных на сервере/хосте через

более надежную проводную LAN.

Подвижная по своей природе беспроводная сеть может создавать проблемы адресации.

Большинство сетей требует IP адреса в пределах определенного диапазона значений,

загруженного в терминале пользователя, для обслуживания соответствующих подключений к

приложениям. При передвижении пользователя с мобильным устройством от одной IP подсети к

другой, терминал и приложение могут терять возможность соединения друг с другом. В

результате, конструктор должен рассмотреть использование мобильного IP адреса как средства

поддержания связи при пересечении различных доменов IP.

Проблемы инсталляции

Планирование установки кабельной системы является простым процессом. Вы можете

рассматривать сайт и искать места, где установщики будут прокладывать кабель. Вы можете

измерять расстояния и быстро определять, является ли прокладка кабеля возможной. Если

некоторые пользователи расположены слишком далеко от сети, Вы можете спроектировать схему

удаленного доступа или увеличить длину кабеля, используя повторители. Как только дизайн

14

закончен, установщики проложат кабель, и проводная сеть, скорее всего, будет передавать данные,

как запланировано.

Установка беспроводной локальной сети на основе радио не так предсказуема. Трудно,

если вообще возможно, спроектировать такую систему, просто осматривая будущее сетевое

пространство. Сложно предсказать, как контур здания будет затрагивать распространение

радиоволн. Всенаправленные антенны излучают радиоволны во всех направлениях, если ничто не находится на их пути. Потолки, стены и другие препятствия ослабляют сигналы в одном

направлении сильнее, чем в другом, и даже заставляют некоторые волны изменять свое

направление. Даже открытие двери ванной комнаты может изменить направление

распространения. Эти события искажают диаграмму направленности антенны, создавая неровные

края, как показано в рисунке 1.7.

Беспроводные общегородские сети (MAN) также сложны в планировании. Что напоминает

ясный путь между двумя строениями, отстоящими на 1,500 футов, передача может быть прервана

другими радиопередающими устройствами.

Чтобы избежать трудностей при установке, организация должна провести испытания

распространения радиоволн для оценки сетевой области. Пренебрежение этими проверками может

оставить некоторых пользователей вне области обслуживания беспроводных серверов и точек

доступа. Подобные испытания дают Вам информацию, необходимую проводных подключений

между точками доступа, позволяя покрывать пригодные области.

РИСУНОК 1.7

Образец излучения всенаправленной антенны в пределах здания офиса нерегулярен и

непредсказуем.

Риск для здоровья

Другой обычно возникающий вопрос - представляют ли беспроводные сети любую форму

риска здоровья? Пока не принято никакого окончательного заключения. Кажется, однако, что сети

на основе радио, также безопасны или более безопасны, чем сотовые телефоны. Считается, что

есть небольшой риск или вообще нет никакого риска при использовании сотовых телефонов,

которые работают в диапазонах частот значительно ниже беспроводных сетей. Беспроводные сетевые компоненты должны быть даже более безопасны, чем сотовые телефоны, так как они

15

работают на более низких уровнях мощности, обычно между 50 и 100 милливаттами, по

сравнению с диапазоном от 600 милливатт до 3 ватт у сотовых телефонов. Кроме того,

беспроводные сетевые компоненты обычно передают в течение более коротких периодов времени.

Современные устройства, использующие лазер применяются и в беспроводных LAN, и в

городских сетях (MAN). Такое излучение практически не представляет риска для здоровья. В

США, в исследовательском Center for Devices and Radiological Health (CDRH), американский

департамент Food and Drug Administration, оценивают и сертифицируют системы с лазерным

излучением для общего использования. CDRH разделяет такие лазеры на четыре класса, в

зависимости от того количества вреда, который они могут нанести человеку.

Сканеры в супермаркете и большинство беспроводных LAN на инфракрасном излучении

удовлетворяют первому классу требований и не представляют какой-либо опасности при любых

обстоятельствах. Класс IV определяет устройства типа лазерных скальпелей, которые могут

представлять серьезную опасность, если оператор не соблюдает правила техники безопасности.

Большинство беспроводных сетей на основе лазеров дальнего действия объединены в третий

класс устройств, так как любой может повредить свои глаза, смотря непосредственно на лазерный

луч. Это должно учитываться при установке и ориентации лазеров между зданиями.

Компоненты и системы беспроводных LAN

Основными компонентами беспроводных LAN являются: беспроводная NIC и беспроводной

локальный мост (local bridge), который часто называют точкой доступа. С помощью своего

интерфейса NIC связывает устройство с беспроводной сетью, а точка доступа соответственно

связывает беспроводную сеть с обычной проводной LAN. Большинство беспроводных NIC

связывают устройства с беспроводной сетью по протоколу доступа с опросом несущей и

модулируя сигнал данных с распространяющейся последовательностью.

Устройства конечного пользователя (оконечные устройства)

Как и в любой системе, пользователю должен быть предоставлен способ связи с

приложениями и услугами. Неважно, проводная сеть или беспроводная, в любом случае,

оконечное устройство - это интерфейс между пользователем и сетью. Для использования в

беспроводных сетях наиболее эффективны следующие группы пользовательских устройств:

· Настольные рабочие станции

· Портативные ЭВМ

· Palmtop компьютеры

· Карманные персональные компьютеры

· компьютеры с рукописным вводом

· Мини-компьютеры для беспроводной связи (персональные мини-компьютеры) (PDAs)

При оценке устройств для использования с мобильными приложениями необходимо

рассматривать их эргономику. Вы не сможете реализовать ни одно из преимуществ беспроводной

сети, если пользователи не будут использовать систему из-за оборудования, которое весит

слишком много или будет трудно используемо.

16

Сетевое программное обеспечение Программное обеспечение беспроводных сетей состоит из частей, которые постоянно

находятся в различных частях сети. Сетевая операционная система (NOS) типа Microsoft NT

Server, устанавливается на высокопроизводительном персональном компьютере, обеспечивая

доступ к файлам, печать и выполнение прикладных задач. Многие сетевые операционные системы

ориентированы на использование сервера, на котором содержится основное прикладное

программное обеспечение и базы данных (рисунок 2.10). В большинстве случаев, оконечные устройства связываются по интерфейсу через TCP/IP с прикладным программным обеспечением

или базами данных, выполняемыми на NOS.

2.10 РИСУНОК

Серверная сетевая операционная система обеспечивает централизованную платформу для

хранения данных и приложений для мобильных пользователей.

Клиентское программное обеспечение, установленное оконечном пользовательском

терминале, направляет команды пользователя программному обеспечению ПК в локальной сети

(LAN) или регулирует их выполнение через беспроводную сеть. Программное обеспечение,

постоянно находящееся на беспроводном устройстве очень сходно с ПО компьютера,

подключенного к стандартной проводной сети. Главное отличие состоит в том, что необходимо

разрабатывать такое программное обеспечение, которое было бы оптимизировано для

использования узкой полосы пропускания беспроводной сети.

Программное обеспечение, выполняющее прикладные задачи, может выполняться на

сервере/хосте, на терминале пользователя или совместно на обоих устройствах. В некоторых

случаях при работе с приложениями, выполняющимися на мэйнфрейме типа IBM, IBM AS/400,

или хосте на основе UNIX, беспроводным устройствам потребуется включить режим эмуляции

терминала. Это действие превращает устройство пользователя в терминал ввода-вывода, просто

связывая с помощью интерфейса клавиатуру, экран, принтер, и так далее с приложением,

выполняющимся на хосте. С клиент-серверными системами, программное обеспечение на

пользовательском устройстве может выполнять часть или все функциональные возможности

приложения, связываясь с базой данных, расположенной на сервере, типа Microsoft NT Server.

17

Беспроводная сеть прозрачна к прикладному программному обеспечению и операционным

системам в сети. В результате, приложения, написанные для проводных сетей, как правило, могут

выполняться без изменений и в беспроводных сетях.

В некоторых случаях, шлюзу со связующим ПО необходимо обеспечить интерфейс между

оконечным устройством и прикладным программным обеспечением, выполняющимся на сервере.

Оконечные устройства связываются с хостом/сервером через шлюз. Шлюз действует как proxy для

различных устройств. Преимущества использования шлюза следующие:

· Лучшая пропускная способность RF. При применении транспортного и шлюза для

приложений, приборы связываются со шлюзом, используя упрощенный протокол, более

эффективный для беспроводных соединений, в отличие от TCP/IP.

· Надежность. Since the gateway proxies all the appliances, хост/сервер получает

информацию о любых обрывах связи из-за выхода мобильных устройств из зоны обслуживания.

· Увеличенный срок службы батарей. Когда пользовательское устройство не активно в

текущий момент времени, программному обеспечению не требуется периодически посылать в сеть

пакеты о поддержании сеанса связи с хостом/сервером. Это будет сделано шлюзом.

Беспроводная сетевая интерфейсная карта

Компьютеры обрабатывают информацию в цифровой форме, с низким постоянным током

напряжения (DC), представляющей поток единиц и нулей. Такие сигналы оптимальны для

использования внутри компьютера, но не для передачи данных по проводам или в беспроводной

системе. Беспроводной сетевой интерфейс связует цифровой сигнал оконечного устройства

пользователя и среду передачи – воздух, делая возможной эффективную передачу данных между

отправителем и получателем. Этот процесс включает модуляцию и усиление цифрового сигнала для получения формы, приемлемой для распространения до месторасположения приемника.

Сетевой интерфейс WLAN обычно имеет вид беспроводной NIC или внешнего модема,

который обеспечивает протоколы связи и модуляцию. Эти компоненты подключаются к

пользовательскому устройству через компьютерную шину типа ISA (Industry Standard Architecture)

или PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Шина ISA является

стандартной для большинства настольных персональных компьютеров. Многие переносные

компьютеры оснащены PCMCIA слотами, в которые устанавливаются NIC размера кредитной

карты. Для PCMCIA карт определено три типа разъемов: Тип 1 (3.3 миллиметра), Тип II (5.0

миллиметров), и Тип III (10.5 миллиметров). Некоторые компании также производят

беспроводные компоненты, которые подсоединяются к компьютеру через RS-232

последовательный порт или параллельный порт.

Интерфейс между устройством пользователя и NIC также включает в себя драйвер этого

устройства, который программно связывает сетевую плату и приложения клиента или

программное обеспечение сетевой операционной системы. Обычно применяют следующие

стандартные драйверы:

· NDIS (Network Driver Interface Specification) Драйвер, используемый с сетевыми операционными

системами Microsoft.

· ODI (Open Datalink Interface) Драйвер, используемый с сетевыми операционными системами

Novell.

· PDS (Packet Driver Specification) Универсальный драйвер для DOS, разработанный FTP Software

Inc. для использования с TCP/IP-BASED выполнением.

Большинство из существующих беспроводных сетевых карт для WLAN сегодня

используют радиоволны как средство связи между компьютерами и внешними устройствами.

18

Преимущество радиоволн по сравнению с другими видами беспроводных соединений состоит в

том, что они могут связывать пользователей в случае отсутствия между ними прямой видимости и

распространяться между стен или других препятствий с довольно небольшим ослаблением, в

зависимости от типа стенной конструкции. Даже в случае, когда несколько стен могут разделять

оконечное оборудование и сервер или беспроводной мост, пользователи смогут поддерживать

сетевые подключения. Это дает клиентам настоящую мобильность. В локальной сети на основе радиосистемы пользователь с переносным компьютером может свободно передвигаться внутри

здания, получая в то же время доступ к данным сервера или выполнению приложений.

Неудобством при применении радиоволн является то, что организация должна управлять

их использованием наряду с другими электромагнитными излучениями. Медицинское

оборудование и индустриальные системы могут использовать те же радиочастоты, что и

беспроводные LAN и могут вызывать интерференцию. Перед установкой локальной радиосети

организация должна определить, существует ли потенциальная возможность интерференции с

другими системами. Поскольку радиоволны проникают через стены, обеспечение безопасности

такой сети также может вызывать трудности. Кто-либо, находящийся вне области

контролируемой службой безопасности, может принимать конфиденциальную информацию;

однако, разработчики часто используют алгоритм скремблирования сигнала данных для защиты

информации, делая ее непонятной при несанкционированном прослушивании. Необходимо

обратиться к разделу "Беспроводные Значения LAN," в Главе 1, "Введение в беспроводные сети",

для подробного ознакомления с вопросами, связанными с беспроводными LAN.

Беспроводные локальные мосты

Сетевые мосты - важная часть любой сети. Они соединяют несколько LAN на подуровне MAC для

создания единой логической сети. Уровень MAC обеспечивает средние функции доступа и

является частью архитектуры IEEE, описывающей LAN. Функциональные возможности уровня

MAC, наряду с управлением логическим звеном (Logical Link Control) (LLC), соответствуют в

пределах уровня передачи данных (Data Link layer) Модели OSI (Взаимосвязи Открытых Систем),

разработанной ISO. Глава 3, "Краткого обзора Стандарта IEEE 802.11"("Overview of the IEEE

802.11 Standard"), описывает работу LLC. Сетевые мосты позволяют связывать отдельные LAN

вместе: например, две подсети Ethernet, или сеть Ethernet и Token Ring, также мосты обеспечивают

фильтрацию пакетов, основанную на использовании их MAC адресов. Это дает возможность

организации создавать сегменты в пределах корпоративной сети.

Если рабочая станция посылает пакет другой станции, расположенной в том же сегменте

сети, мост не будет отправлять пакет в другие сегменты или опорную сеть предприятия. Если

адресат пакета находится в другом сегменте, мост пропустит пакет в необходимый сегмент. Таким

образом, использование мостов гарантирует, что пакеты не будут блуждать в тех частях сети, где

они не требуются. Этот процесс, называемый сегментацией, рациональнее использует пропускную

способность сети и улучшает производительность.

Существует два типа мостов:

· Локальные мосты. Соединяют близко расположенные локальные сети.

· Удаленные мосты. Соединяют сети, разделенные большими расстояниями, чем способны

поддерживать протоколы LAN.

Рисунок 2.11 иллюстрирует различия между локальными и отдаленными сетевыми

мостами. Традиционно организации используют аренду цифровых каналов, типа E1(T1) и 56

Кбит/с для подключения пары отдаленных мостов.

19

РИСУНОК 2.11

Локальные мосты соединяют LAN в пределах соседних областей, в то время как отдаленные

мосты подключают LAN в более обширных областях.

Большинство компаний, которые разрабатывают сетевые карты для беспроводных LAN

также производят и беспроводные локальный мосты, так называемые точки доступа. Они делают

возможными соединения с серверами, подключенными к проводным сетям, и позволяют создавать

различные конфигурации беспроводной ячейки. Процесс фильтрации пакетов локальным мостом

(не важно, беспроводным или для проводных сетей) является важным моментом в поддержании

сетевой конфигурации, сокращении ненужного трафика данных. Когда мост принимает пакет, он

создает запись в динамической таблице, состоящую из MAC адреса (по которому мост можно

отличить от других сетевых устройств) и физического порта, принимающего кадр. Беспроводные

мосты переправляют все широковещательные кадры.

Антенна

Антенна излучает модулированный сигнал в эфир так, чтобы адресат мог принимать его.

Существуют антенны различных форм и размеров. Все они имеют следующие определенные электрические характеристики:

· Диаграмма направленности

· Коэффициент усиления

· Мощность передачи

· Полоса пропускания

Диаграмма направленности антенны определяет зону покрытия. Всенаправленная антенна

излучает мощность во всех направлениях, тогда как, направленная антенна концентрирует

большую часть излучаемой мощности в одном направлении. Рисунок 2.12 иллюстрирует эти

различия.

Направленная антенна имеет больший коэффициент усиления, чем всенаправленный тип и

способна передать модулированный сигнал дальше, так как сосредотачивает энергию в

определенном направлении. Коэффициент усиления зависит от направленности антенны.

Всенаправленная антенна имеет коэффициент усиления, равный единице, то есть это не

фокусирует излучаемую мощность в каком-либо направлении. Всенаправленные антенны лучше

всего использовать для беспроводных сетей внутри зданий из-за необходимости ограничения

дальности связи и из-за меньшей подверженности интерференции извне.

20

Направленные антенны лучше всего удовлетворяют потребность в соединении зданий в

пределах городских застроек из-за большей дальности и желания минимизировать интерференцию

с другими системами.

2.12 РИСУНОК

Всенаправленная антенна излучает радио радиоволны во всех направлениях, в то же время,

направленная антенна фокусирует излучаемую мощность в одном направлении.

Сочетание мощности передачи и коэффициента усиления антенны определяет дальность

распространения сигнала. Передача данных на большие расстояния требует увеличения мощности

и более узконаправленных антенн, на короткие расстояния сигнал может передаваться с меньшей

мощностью и коэффициентом усиления. В беспроводных сетях мощность передачи относительно

низка и обычно составляет один Ватт или меньше.

Полоса пропускания - эффективная часть частотного спектра передаваемого сигнала. Для

примера, телефонная система работает с полосой пропускания, грубо говоря, от 0КГц до 4КГц.

Этого достаточно для передачи большинства частотных компонент нашего голоса. Радиосистемы

имеют полосы пропускания гораздо шире и расположенные на более высоких частотах.

Зависимость скорости передачи данных в системе от ширины полосы пропускания строго

пропорциональна: чем выше скорость передачи данных, тем более широкая полоса Вам

потребуется.

Некоторые компании производители в рамках беспроводных LAN разрабатывают

технологию так называемой «умной (smart) антенны». «Умная» антенна делает возможным с

помощью электроники автоматически концентрировать передаваемую мощность в тех

направлениях, где конечные пользователи будут использовать беспроводную LAN (not in

directions that end up bouncing off walls and other obstacles). Эта технология расширяет границы

беспроводной LAN и снижает необходимое число точек доступа.

Канал связи

Все информационные системы, так или иначе, используют канал связи, по которому

информационный поток течет от источника до адресата. Сети типа Ethernet могут использовать

21

витую пару или коаксиальный кабель. Беспроводные сети используют в качестве передающей

среды воздух. Около поверхности земли, где работает большинство беспроводных сетей, чистый

воздух содержит газы типа азота и кислорода. Эта атмосфера обеспечивает эффективную среду

для распространения радиоволн и инфракрасного света.

Дождь, туман и снег увеличивают количество воды в воздухе и могут вызывать

существенные ослабления при распространении модулированных радиосигналов. Смог, присутствующий в воздухе, также создает помехи, усиливая ослабление в канале связи. Кроме

того, обильная листва на деревьях блокирует передачи весной и летом. Ослабление – уменьшение

исходной амплитуды сигнала, ограничивает дальность связи системы. Способами борьбы с

ослаблением являются или увеличение мощности передачи беспроводных устройств, которая в

большинстве случаев ограничена FCC, или включение в систему специальных усилителей,

называемых повторителями. Повторители принимают ослабленные сигналы, усиливают их и

передают далее к оконечной станции или следующему повторителю.

Одноранговые беспроводные LAN

Потребности маленьких одноэтажных офисов или складов в беспроводных сетях могут

удовлетворять одноранговые беспроводные локальные сети. Одноранговые беспроводные LAN

требуют подключения беспроводных NIC только в устройства, объединяемые в сеть, как показано

на рисунке 2.13. Точки доступа в этом случае не требуются, если пользователи не будут нуждаться

в подключениях ресурсам проводных сетей, например, серверам.

2.13 РИСУНОК

Единственная ячейка беспроводной LAN обеспечивает подключение клиентов в пределах

дальности радиосвязи, не применяя точек доступа, в случае, если нет необходимости связываться

с проводной сетью.

Область, покрываемая станциями в пределах одноранговой сети, называется Basic Service

Area (BSA), которая обычно составляет приблизительно от 75 до 300 футов между всеми

терминалами (модулями) в типичной офисной среде, в зависимости от скоростей передачи

данных. Один сегмент локальной радиосети, типа BSA, может обслуживать 6-25 пользователей, и

при этом задержки для выхода в сеть будут на приемлемом уровне. Такие сети не требуют администрирования или предварительного конфигурирования.

22

Мультисотовые беспроводные LAN

Если организации требуется большая дальность связи, не ограниченная размерами

одноранговой системы, то, используя набор точек доступа и проводной опорной сети, можно

создать конфигурацию множественной ячейки (см. рисунок 2.14). Такая конфигурация сети

может охватывать большие многоэтажные здания, склады и больницы. В этой среде пользователь

с карманным ПК или data collector с беспроводной NIC может передвигаться в пределах зоны

обслуживания при поддержании постоянного подключения к корпоративной сети.

РИСУНОК 2.14

Радио множественной ячейки LAN обеспечивает непрерывное обеспечение связи с сетью,

когда область покрытия превышает размеры одной радио ячейки LAN.

Проектировщики могут конфигурировать множественные LAN радио ячейки,

удовлетворяя различные требования обеспечения связью. Например, Вы могли сконфигурировать

ячейки A, B, и C (см. рисунок 2.14) идентичными, и дать возможность пользователям свободно

передвигаться в пределах зоны обслуживания любой из точек доступа, чтобы поддерживать

бесшовное подключение (без разрывов) по всему зданию. Если Вас существуют различные

функциональные группы, которые Вы бы хотели сохранить разделенными, то в ячейке A можно

установить особый собственный набор параметров, ячейки B и C оставить с обычными

параметрами. Это имело бы смысл, например, если ячейка A покрывала бы производственное

помещение, а B и C - складские.

Идеальная конфигурация беспроводной LAN для любой организации зависит, прежде всего, от требований пользователей и их расположения. При наличии относительно маленькой

группы, которой требуется обеспечение беспроводной связью в пределах ближайшего

пространства, единственная ячейка может эффективно справляться с задачами. Если же

пользователи распространены повсюду целого здания, скорее всего, Вам потребуется

мультисотовая конфигурация. В любом случае, сетевые мосты могут быть необходимы для

обращения пользователя к ресурсам, расположенным в проводной инфраструктуре.

Беспроводные общегородские сети

Организациям требуется связываться между зданиями в полу-локальной области, типа

городского квартала или столичной зоны. Больница, например, может состоять из многих

корпусов, объединенных какой-то общей площадью, разделенной улицами или даже рекой.

Крупная сервисная компания также имеет множество сервис центров и офисных зданий в

пределах города.

23

Традиционно компании используют вещественную среду передачи сигнала - типа

заглубленного металлического кабеля, оптического волокна или арендованные каналы 56Кбит/с

или E1(T1) - чтобы обеспечить необходимые подключения. Эти виды носителей, однако, не

удовлетворяют потребности в использовании мобильных компьютеров. Кроме того, физический

подход может потребовать большого количества времени на установку системы и последующих

высоких ежемесячных сервисных расходов. Прокладка кабеля между сайтами, отстоящими друг от друга на несколько тысяч футов будет стоить тысячи долларов или больше, а арендная плата за

канал составлять сотни долларов в месяц. В некоторых случаях, аренда линий связи вообще не

является доступной.

Беспроводная сеть типа точка-точка

Беспроводные сети типа точка-точка (часто называемые беспроводными общегородскими

сетями) используют технологии, очень похожие на беспроводные LAN. Поэтому, этот раздел

сосредотачивается на технологических аспектах, отличающих их от беспроводных локальных

сетей.

Беспроводная радиосеть тип точка-точка (см. рисунок 2.15) - в настоящее время наиболее

используемый метод для обеспечения связи в пределах городской застройки. Эти системы имеют

направленные антенны для сосредоточения всей мощности сигнала в узком луче, увеличивая

дальность передачи. Такие устройства, использующие широкополосный спектр, при излучаемой

мощности в один ватт, одним скачком обеспечивают дальность передачи в 30 миль. Фактическая

дальность связи у каждой системы, тем не менее, зависит от условий окружающей среды и

ландшафта. Дождь, например, вызывает сопротивление распространению радиосигналов,

уменьшая эффективную дальность пролета. Гористая местность будет также препятствовать

передаче сигналов.

РИСУНОК 2.15

Беспроводная радиосеть типа точка-точка - гибкий метод соединения зданий, расположенных по

всему городу.

Скорости передачи данных у радиосетей точка-точка 1 Мбит/с для систем небольшой

дальности, работающих с двух- трехмильными линиями. Устройства, поддерживающие связь до

30 миль, передают информацию на скоростях намного меньших, увеличивая, таким образом,

дальность связи. Кроме того, эти системы используют или более широкополосную или

узкополосную модуляцию.

24

Беспроводные сети типа точка-точка на основе лазера

Другой класс беспроводных сетей типа точка-точка использует лазерное излучение в

качестве несущей для передачи данных. Лазер испускает когерентный свет точной длины волны в

виде узкого луча. Большинство таких лазерных сетей используют лазеры, производящие

инфракрасный свет.

Как и в других беспроводных методах связи, лазерный модем в этом типе системы

модулирует данные со световым сигналом, чтобы произвести световой луч, способный к передаче

данных. Скорость передачи данных в световых системах может быть довольно высока.

Большинство лазерных каналов связи может легко поддерживать работу локальных сетей типа

Ethernet (10 Мбит/с), Token Ring (4-16Мбит/с) и даже более высокие скорости передачи данных.

На рисунке 2.16 показана лазерная сеть типа точка-точка.

РИСУНОК 2.16

Беспроводная сеть типа точка-точка на основе лазера обеспечивает безопасные подключения

между сетями Ethernet или TokenRing на расстоянии до двух миль.

Для обеспечения надежной работы, протяженность лазерной линии связи обычно

составляет меньше мили. Эти устройства соответствуют стандартам Center for Devices and

Radiological Health и, чаще всего, работают в Классе III. Излучаемая мощность такого уровня

может вызывать повреждение глаза при некоторых обстоятельствах. Более протяженные линии в

принципе возможны, но потребуют увеличения мощности до уровня, который повредит строения

и поранит живые объекты.

Погода также оказывает влияние на дальность передачи лазерных систем. В хороший

ясный день, с очень небольшим туманом система будет поддерживать рабочую дальность связи в

одну милю. Снег, дождь, туман, смог, и пыль вызывают ослабление, которое может ограничивать

протяженность линии половиной мили или меньше. Довольно сильный ливневый дождь (3-4

дюйма в час), например, создаст ослабление приблизительно 6 дБ на километр. В результате Вам

придется планировать линию с учетом потенциальных изменений погоды

Почему использование двухточечная сетевая технология на основе лазера по типам радио?

Причина в одном - потребность в высокоскоростной передаче данных. Лазерная система точка-

точка поддерживает скорость 20Мбит/с и может обеспечить более высокие скорости передачи

данных, которые необходимы для передачи файлов типа CAD (Computer Assisted Drawing) или

рентгеновских снимков. Кроме того, не требуется получать лицензию FCC. FCC не управляет

частотами выше 300ГГц; поэтому, лазерная система устанавливается так же быстро, как и

радиосистема с шумоподобными сигналами, не требующая лицензии.

25

При использовании лазера вероятность возникновения интерференции с другими

системами очень мала. Даже на высоких микроволновых частотах радиосигналы далеки от

спектрального расположения излучения лазера, что исключает возможность интерференции от

этих систем. Какой-либо внешний мешающий лазерный луч тоже маловероятен, так как он должен

быть направлен непосредственно в вашу точку приема. Возможно, что кто-то мог бы делать это

преднамеренно для нарушения работы вашей системы, в любом другом случае такие трудности не возникают.

Чтобы разместить трассу в пределах прямой видимости между передающим и приемным

концами, лучшее место для установки лазерной линии - крыша здания или верхняя часть антенной

мачты. Такая установка позволяет избежать объектов, блокирующих луч и вызывающих сбои в

работе. Птицы могут видеть инфракрасное излучение, поэтому не являются серьезной проблемой,

обычно они избегают луча. Однако, перелетев через луч, птица мгновенно вызовет сбой в связи. В

случае, если это происходит, протоколы более высокого уровня, типа Ethernet или TokenRing,

запросят ретрансляцию данных. Инфракрасный луч не навредит птице.

Системы на основе лазера обеспечивают большую секретность, чем радиолинии. Если кто-

то захотел бы получить данные, передаваемые с помощью лазера, то он должен был бы занять

место непосредственно на пути луча (см. рисунок 2.17). Для прослушивания требуется

перехватить инфракрасный свет, чтобы получить данные, таким образом значительно уменьшая

или полностью прерывая получение сигнала в настоящей точке приема. Это означает, что он был

бы должен расположиться рядом с лазерным модемом с обоих концов линии, стоя на крыше

здания или взобравшись на вершину антенной мачты.

РИСУНОК 2.17

Очень трудно перехватить данные беспроводной лазерной сети типа точка-точка.

Беспроводные сети типа точка-мультиточка

Многие компании, оказывающие услуги связи, находятся в процессе ввода в эксплуатацию

беспроводных сетей радиально-узловой многоточечной связи (типа точка-мультиточка),

осуществляющих доступ в Internet для мобильных и стационарных пользователей. Рисунок 2.18

иллюстрирует эту конфигурацию. В некоторых случаях компании используют IEEE 802.11 или

собственные технологии в качестве основы для таких сетей.

26

РИСУНОК 2.18

Радиосети Радиально-узловой многоточечной связи (типа точка-мультиточка) обеспечивают более

широкую зону покрытия из единственной точки.

Складываются две радио технологии для городских сетей (MAN) - MMDS (Multichannel

Multipoint Distribution Service) и LMDS (Local Multipoint Distribution Service). MMDS и LMDS,

прежде всего, поддерживают постоянный широкополосный доступ в Internet посредством

радиосвязи. Технология MMDS, если передающая вышка расположена на возвышении, может

обслуживать клиентов с параболическими антеннами на крышах их домов в пределах 35-мильного

радиуса. В некоторых случаях, повторители позволяют увеличить дальность и достичь более

отдаленные области. MMDS предназначена для работы в диапазоне радиочастот от 2.1 до 2.7ГГц,

при мощности передачи от 1 до 100 Вт, и поддерживает скорость передачи данных до 10Мбит/с на

расстоянии до 35 миль. Технологии MMDS не требуется прямой видимости.

MMDS, вероятно, будет преобладать в качестве предпочтительного решения для

фиксированной беспроводной широкополосной связи в Северной Америке. Организации,

предоставляющие сетевые услуги, активно развертывают технологию MMDS повсюду в США,

обеспечивая связью отдельных пользователей без того, чтобы заключить соглашения доступа с

региональным Бэллом операционные компании. Преимущество для клиента в использовании

услуг MMDS состоит в том, что организация – провайдер сама обслуживает и оборудование и

подключения. Начальные издержки минимальны, и пользователь платит только ежемесячную

абонентскую плату.

Система LMDS состоит из группы ячеек, определяемых индивидуальными базовыми

станциями, связанными с центральным пунктом управления. LMDS использует для работы

частоты 24, 28, 31, 38, и 40 ГГц, при мощности передачи от 1 до 100 Вт. Скорость передачи

данных составляет до 155Мбит/с, дальность связи 2 мили. LMDS поддерживает связь только при

прямой видимости. По этой причине, несущие способны к целевым деловым районам, где

возможна установка на крыше офиса антенны абонента. Как правило, компании используют

услуги LMDS для создания виртуальных частных сетей, многоканальной цифровой телефонной

связи, ATM, и потокового видео (включая видео трансляции).

Архитектура беспроводных LAN

Большинство беспроводных LAN работает на нелицензируемых частотах на скоростях,

близких к Ethernet, использующих протоколы с опросом несущей, для того чтобы радиоволны или

инфракрасный свет совместно использовали общую среду распространения. Большая часть этих

27

устройств способны к передаче информации на расстояния до 1,000 футов между компьютерами в

пределах открытого пространства. Кроме того, большинство беспроводных систем LAN

используют Simple Network Management Protocol (SNMP) для поддержки управления сетью с

помощью управляющих платформ и приложений на основе SNMP. Рисунок 2.1 иллюстрирует

концепцию интерфейсного соединения беспроводной локальной сети и проводной сети.

РИСУНОК 2.1

Беспроводная локальная сеть обеспечивает связь с помощью радиоволн в пределах ограниченной

области, например офисного здания.

Беспроводные сети выполняют приблизительно те же функции, что и подобные им

проводные локальной сети типа Ethernet и TokenRing. В общем случае сети производят

следующие действия для передачи информации от источника до адресата:

1. Среда обеспечивает канал (путь для потока данных) для передачи данных.

2. Устройства доступа обеспечивают совместное использование общей передающей среды.

3. Механизмы синхронизации и защиты от ошибок гарантируют передачу неповрежденные

данных по каждой линии.

4. С помощью маршрутизации данные перемещаются от места возникновения происходящего

источника до предназначенного адресата.

5. Программное обеспечение связывает с помощью интерфейса устройство, например, компьютер

с перьевым вводом данных или сканер штрихового кода, и прикладное ПО, содержащееся на

сервере.

На рисунке 2.2 показана логическая архитектура беспроводной LAN.

28

РИСУНОК 2.2

Беспроводная локальная сеть обеспечивает функции, относящиеся к уровням Управления доступа

к среде (Medium Access Control (MAC)) и Физическими уровнями (Physical layers) сетевой

архитектуры.

Подуровень управления доступом к среде Medium Access Control (MAC)

Подуровень MAC, который выполняет функции Data Link layer в беспроводной

локальной радиосети, дает возможность многим устройствам совместно использовать

общую среду передачи через протокол с опросом несущей, подобный использующемуся в

Ethernet. Этот протокол позволяет группе беспроводных компьютеров совместно

использовать одну и ту же частоту и пространство. MAC беспроводной LAN обеспечивает надежную доставку данных по беспроводной передающей среде, в какой-то степени

подверженной ошибкам. В качестве аналогии рассматривается комната, в которой люди заняты общим разговором,

и каждый слышит то, что говорит другой. Это представляет собой полностью связанную

топологию шины, где каждый соединяется, использую одну частоту и пространство. Чтобы

избежать появления двух одновременно говорящих человек, вам необходимо ждать, пока другой

человек не закончит говорить. Также, никто не должен говорить, пока в комнате не установится

тишина. Этот простой протокол гарантирует, что одновременно будет говорить только один

человек, обеспечивая использование общедоступной среды для связи. Беспроводные системы

работают подобным же образом, кроме связи посредством радиосигналов. Рисунок 2.3

иллюстрирует универсальный протокол с опросом несущей, также известный как Множественный

доступ с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access (CSMA)).

29

РИСУНОК 2.3

Работа протокола с опросом несущей очень похожа на деловую встречу; Вы берете слово, когда

комната стихает.

Защита от ошибок в беспроводных сетях обеспечивается проверкой каждой станцией

входящих данных на наличие измененных битов. Если станция адресата не обнаруживает ошибок,

то она посылает об этом подтверждение назад исходной станции. При обнаружении ошибок

станцией, протокол передачи данных гарантирует, что исходная станция снова пошлет пакет. Для

продолжения аналогии, рассмотрим двух человек, говорящих друг с другом на улице. Если один

человек говорит, и его вдруг становится неслышно, например, из-за пролетающего над головой

самолета, диалог может стать искаженным. В результате, слушатель попросит, чтобы говорящий

повторил одну или две фразы.

Из-за задержек при распространении случается, что две станции беспроводной сети

одновременно начинают передавать, считая среду незанятой, подобно тому, как два человека

могут начать говорить в одно и то же время. В этом случае, каждый из собеседников обычно

вообще прекращает говорить и ждет, а затем начинает говорить снова, в надежде все-таки сказать

фразу. Беспроводные сети следуют этим же правилам для уменьшения коллизий при передаче.

Физический уровень (Physical Layer)

Физический уровень обеспечивает передачу битов через канал связи, в соответствии с

определенными электрическими, механическими, и оперативными техническими требованиями.

Модуляция - одна из функций физического уровня, является процессом, при котором

приемопередатчик внутри сетевой интерфейсной карты (NIC) подготавливает цифровой сигнал

для передачи с помощью радиоволн.

Узкополосные радиосистемы

Обычные системы радиосвязи, например, телевидение и радио AM/FM, используют узкополосную

модуляцию. Эти системы концентрируют всю передаваемую мощность в пределах узкого

диапазона частот, обеспечивая эффективное использование диапазона радиочастот. Другие системы, использующие те же частоты передачи, вызовут большое количество

интерференции, поскольку для исходного сигнала они будут являться помехой. Чтобы избежать

интерференции, пользователь узкополосной системы должен получить лицензию (ГКРЧ), что

призвано координировать использование радиочастот должным образом. Узкополосные продукты

могут иметь значительное преимущество, потому что пользователь может быть практически

уверен в отсутствии интерференции на своих рабочих частотах. Недостаток - то, что процесс лицензирования очень трудоемок. Необходимо подать заявку, приложить технические данные в

ГКРЧ для одобрения. Рассмотрение заявки производится в срок до 4х месяцев. Таким образом,

быстрое развертывание сети невозможно.

30

Инфракрасные беспроводные LAN

Инфракрасный свет - альтернатива к использованию радиоволн для обеспечения беспроводной

связи LAN. Длина волны инфракрасного света больше (частота ниже) чем видимый свет, но

намного короче (выше по частоте) чем радиоволны. При большинстве условий освещения,

инфракрасный свет невидим для глаза. Инфракрасные продукты LAN используют длину волны

около 820 нанометров, потому что на этой длине волны обеспечивается наименьшее ослабление

сигнала.

По сравнению с радиоволнами, инфракрасный свет обеспечивает более высокую степень защиты и

работы. Эти LAN более безопасны, потому что инфракрасный свет не проходит через

непрозрачные объекты, типа стен, т.е. вся передача данных осуществляется в пределах

помещения, не выходя за его пределы. Также, обычные источники помех типа микроволновых

печей и радиопередатчиков не будут интерферировать со световым сигналом. В терминах работы,

инфракрасный свет имеет большую пропускную способность, что позволяет работу на очень

высоких скоростях передачи данных. Однако, в отличие от радиоволн, инфракрасный свет не

подходит для подвижных приложений из-за его ограниченной зоны покрытия.

Примером устройства для инфракрасной связи является телевизионный пульт дистанционного

управления. При нажатии на кнопку пульта, соответствующий код модулирует инфракрасный

световой сигнал, который посылается на телевизор. Телевизор принимает код и выполняет соответствующую функцию. Подобный принцип используется и в инфракрасных LAN. Главное

различие - то, что LAN используют инфракрасный свет на более высоких уровнях мощности и

используют транспортные протоколы связи для передачи данных.

Широкополосные радиосистемы

Широкополосный спектр "распределяет" энергию сигнала по более широкому диапазону частот

(см. рисунок 2.4), жертвуя шириной полосы для получения выгодного отношения сигнал-шум

(упомянутый как выгода(увеличение) процесса). Это противоречит желанию сохранить узкую

полосу частот сигнала, но процесс расширения спектра делает сигнал данных менее

восприимчивым к электрическим помехам, чем обычное радио.

Другие передачи и электрические помехи, обычно, уже по полосе и будут сталкиваться только с

маленькой частью спектра широкополосного сигнала, приводя к снижению интерференции и

меньшему количеству ошибок при демодуляции сигнала получателем.

Поскольку широкополосный спектр распределяет сигнал по более широкому частотному

диапазону, обычная узкополосная интерференция меньше вредит широкополосному сигналу, чем

узкополосному.

Широкополосные модуляторы обычно используют один из двух методов расширения

спектра сигнала: скачки по частоте или прямое расширение спектра.

31

Рисунок 2.4

Радиосеть с шумоподобными сигналами на основе скачков по частоте (FHSS)

(Frequency Hopping Spread Spectrum Radio)

Метод скачков по частоте работает так же, как подразумевает его название. В нем сигнал

данных модулируется с сигналом несущей, «перескакивающим» с частоты на частоту по

широкому диапазону, как функция времени (см. рисунок 2.5). В радиосистемах IEEE 802.11 со

скачкообразной перестройкой частоты, например, несущая частота будет «прыгать» в диапазоне

2.4ГГц, между 2.4ГГц и 2.483ГГц.

Прыгающий код определяет частоты, по которым будут происходить скачки и в какой

последовательности. Чтобы принимать сигнал должным образом, приемник должен быть настроен

в соответствии с тем же кодом и принимать поступающий сигнал в точное время и на конкретной

частоте. Инструкции FCC требуют от изготовителей использования 75 или более частот на канал

передачи, с максимальным временем перерыва в работе (время, потраченное на определенной

частоте в течение любого отдельного прыжка) 400 мс. Если система сталкивается с

интерференцией на одной частоте, сигнал будет ретранслирован при последующем прыжке на

другой частоте.

32

РИСУНОК 2.5

При использовании программной перестройки частоты, несущая частота изменяется

периодически.

Технология скачков по частоте снижает интерференцию, так как мешающий сигнал

узкополосной системы затронет широкополосный сигнал только, если оба сигнала передаются по

одной частоте, в одно время. Таким образом, совокупная интерференция будет мала, в результате

сводя битовые ошибки к минимуму.

В принципе, возможно использовать радиосистемы с широким спектром в одном и том же диапазоне частот и интерференция не будет возникать, с учетом того, что каждая система

использует различные перестроечные коды. В то время как одна система передает информацию на

определенной частоте, другая в это же время использует другую частоту. Набор прыгающих

кодов, в котором никогда не используются одинаковые частоты в одно время, считается

ортогональным. Требование FCC применять большое число различных частот передачи позволяет

радиостанциям со скачкообразной перестройкой частоты иметь много не интерферирующих

каналов.

Радиосеть с шумоподобными сигналами, использующая прямое расширение спектра (DSSS)

(Direct Sequence Spread Spectrum Radio)

Радиосистема, использующая для расширения спектра последовательность

псевдослучайных символов, комбинирует сигнал данных на передающей станции с

высокоскоростной битовой последовательностью, которую многие называют расщепляющий

код(chipping code (also known as a processing gain)). (Выигрыш при обработке?) Высокая

выгода(увеличение) обработки увеличивает сопротивление сигнала интерференции. Минимальная

линейная выгода(увеличение) обработки, которую FCCпозволяет - 10, и большинство

коммерческих продуктов работает под 20. IEEE 802.11 Рабочих группы установил его минимум,

обрабатывающий требование выгоды(увеличения) в 11 кристаллах.

На рисунке 2.6 показан пример операции прямого расширения спектра. Расщепляющий

код предназначен представить информационные биты, 1 и 0, в виде псевдослучайной

последовательности. Как только поток данных передан, соответствующий код фактически уже

33

был послан. Например, передача информационного передача информационного бита 1, привела

бы к посылаемой последовательности 00010011100.

РИСУНОК 2.6

В методе прямого расширения спектра система посылает определенную битовую

последовательность для каждого посланного информационного бита.

В большинстве случаев, расширение спектра путем перестройки частоты является

наиболее рентабельным типом для построения беспроводных LAN, если потребность в

пропускной способности сети составляет 2Мбит/с или меньше. Прямое расширение спектра имеет

потенциально более высокие скорости передачи данных и используется для высокоскоростных

приложений.

Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM)

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Основной принцип OFDM заключается в разбиении высокоскоростного потока данных на

множество низкоскоростных потоков, которые передаются одновременно на нескольких

поднесущих. Учитывая, что длительность символа для параллельных поднесущих с более низкой

скоростью передачи увеличивается, относительная величина дисперсии по времени, вызванной

задержкой распространения при многолучевости, уменьшается. Межсимвольные искажения (ISI)

устраняются практически полностью при введении защитного временного периода в каждом

OFDM символе. В защитном периоде OFDM-символ циклически продляется, чтобы избежать

интерференции между несущими. На Рис. 4 показан пример четырех поднесущих одного OFDM

символа. Практически, наиболее эффективный способ генерировать сумму большого числа

поднесущих - использовать обратное быстрое преобразование Фурье (БПФ). На приемной стороне

БПФ может использоваться, чтобы демодулировать все поднесущие. Как показано на Рис. 4, все

поднесущие отличаются на целое число циклов в пределах времени интегрирования БПФ, что

гарантирует ортогональность между различными поднесущими. Эта ортогональность

поддерживается в присутствии распространения задержки при многолучевости, как показано на

Рис. 4. Из-за многолучевости, приемник видит суммирование точных копий каждого OFDM

символа, сдвинутых по времени. Пока распространение задержки меньше защитного периода,

межсимвольная интерференция и интерференция между несущими отсутствуют в пределах

34

интервала БПФ OFDM-символа. Единственный остаточный эффект многолучевости - случайные

фаза и амплитуда каждой поднесущей, которые должны быть оценены, чтобы произвести

когерентное детектирование. Чтобы работать со слабыми поднесущими при глубоких замираниях,

к поднесущим применяется прямое исправление ошибок (forward error correction).

Рис 4. OFDM-символ с циклическим расширением

Параметры OFDM

Таблица 2. Основные параметры OFDM-стандарта

Скорость передачи данных 6, 9, 12, 18, 24,36,48, 54 МБ/с Модуляция BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Коэффициент кодирования 1/2, 2/3, 3/4

Число поднесущих 52

Число пилотных каналов 4 Длительность символа OFDM 4мкс

Защитный период 800 нс

Разнос поднесущих 312.5 кГц

Полоса по уровню -3 дБ 16.56 МГц

Разнос каналов

20 МГц

В Таблице 2 перечислены основные параметры нового OFDM стандарта. Ключевой параметр,

который в значительной степени определил выбор остальных параметров – защитный интервал

800 нс. Этот защитный интервал обеспечивает устойчивость к среднеквадратическим (RMS)

распространениям задержки до нескольких сотен наносекунд, в зависимости от скорости

кодирования и используемой модуляции. Практически, это означает, что модуляция достаточно

устойчива, чтобы использоваться в любой внутренней среде, включая большие фабричные

построения. Она также может использоваться в наружных средах, хотя в этом случае могут

потребоваться направленные антенны, чтобы уменьшить распространение задержки до

приемлемого уровня и увеличить дальность работы.

Чтобы ограничить относительное количество мощности и времени, потраченного на защитный

период, до 1 дБ, была выбрана продолжительность символа 4 мкс. Это также определило разнос

поднесущих 312.5 кГц, определяемый как инверсия длительности символа минус защитный

период. При использовании 48 поднесущих данных может быть достигнута скорость передачи

некодированных данных 12-72 Мб/сек при использовании различных типов модуляциии от BPSK

35

до 64QAM. В дополнение к 4м поднесущим данных, каждый OFDM символ содержат

дополнительные четыре пилотных поднесущих, которые могут использоваться для определения

остаточного смещения частоты несущей, остающегося после начальной частотной коррекции в

течение обучающей фазы пакета.

Для коррекции ошибок при глубоких замираниях, к поднесущим применяется прямое исправление

ошибок (forward error correction) с переменным коэффициентом кодирования, давая поток

кодированных данных 6-54 Мб/сек. Применяется сверточное кодирование с использованием

стандартного кода с коэффициентом 1/2, длиной кодового ограничения 7, с образующими

многочленами (generator polynomials) (133,171). Более высокие коэффициенты кодирования 2/3 и

3/4 образуются пунктированием кода с коэффициентом 1/2.

Частотные каналы

Для спектра шириной 200 МГц в нижнем и среднем диапазонах UNII доступны восемь OFDM-

каналов с разносом 20 МГц. Крайние (боковые) каналы располагаются на расстоянии 30 МГц от краев полосы, для выполнения обязательных требований FCC по ограничению спектральной

плотности диапазона. FCC также определил верхний UNII диапазон 5.725 - 5.825 ГГц, который

содержит четыре других OFDM-канала. Для этого верхнего диапазона, защитное расстояние от

краев полосы - только 20 МГц, так как внеполосные спектральные требования для верхнего

диапазона менее строгие, чем для нижнего и среднего UNII диапазонов. В Европе доступен

спектр, соответствующий нижнему и среднему диапазонам UNII, плюс дополнительная полоса

5.470-5.725 ГГц. В Японии ожидается, что полоса шириной 100 МГц в диапазоне 5.15-5.25 ГГц

станет доступна в середине 2000х г.г. Этот диапазон будет содержать четыре OFDM-канала с защитным расстоянием 20 МГц от обоих краев полосы.

Обработка сигнала OFDM

Общая блок-схема обработки основной полосы частот OFDM-приемопередатчика показана на

Рис. 5. В тракте передатчика поток двоичных входных данных кодируется стандартным

сверточным кодером с коэффициентом 1/2. Коэффициент кодирования может быть увеличен до

2/3 или 3/4, пунктируя закодированные выходные биты. После перемежения двоичные значения

преобразуются в значения QAM. Чтобы облегчить когерентный прием, 4 пилотных значения

добавляются к каждым 48 значениям данных, образуя 52 значения QAM / символа OFDM,

которые модулируются на 52 поднесущих применяя IFFT (обратное быстрое преобразование Фурье). Чтобы сделать систему устойчивой к многолучевому распространению, добавляется

циклический префикс. Кроме того, применяется кадрирование (организация окон, обработка

методом окна), чтобы получить более узкий выходной спектр. После этого цифровые выходные

сигналы могут быть преобразованы в аналоговые, частота которых затем повышается в диапазон 5

ГГц, усиливаются и передаются через антенну.

Приемник OFDM, в целом, выполняет действия, обратные действиям передатчика, вместе с

дополнительными задачами обучения. Сначала приемник должен оценить смещение частоты и

синхронизацию символов, используя специальные символы обучения в преамбуле. Затем

приемник может выполнять БПФ для каждого символа, чтобы возвратить 52 QAM -значения всех

поднесущих. Обучающие символы и пилотные поднесущие используются для коррекции реакции

канала и остаточного фазового дрейфа. Затем QAM-значения обратно преобразовываются в

бинарные значения, после чего декодер Витерби может декодировать информационные биты.

На Рис. 6 показана время-частотная структура OFDM - пакета, где все известные обучающие

36

значения отмечены серым. Это показывает, что пакет начинается с 10 коротких обучающих

символов, используя только 12 поднесущих, за которыми следует длинный обучающий символ и

символы данных, каждый символ данных содержит четыре известных пилотных поднесущих,

используемых для определения соответствующей фазы. Преамбула, которая содержится в первых

16 мкс каждого пакета, необходима для обнаружения начала пакета, автоматической регулировки

усиления, синхронизации символов, частотной оценки и оценки канала. Все эти задачи обучения

должны быть выполнены предварительно, для успешного последующего декодирования

информационных битов. Более детальная информация относительно обработки сигнала OFDM

приведена в [10].

Рис 5. Блок-схема OFDM-приемопередатчика

Рис 6. Время-частотная структура пакета OFDM.

Новый стандарт IEEE 802.11 CCK позволяет увеличить скорости передачи данных

беспроводных локальных сетей в диапазоне 2.4 ГГц от 2 до 11 Мб/сек. CCK-модуляция была

специально выбрана из-за ее устойчивости к распространению задержки при многолучевости, так

что высокие скорости передачи данных могут использоваться в неблагоприятных условиях с

большими распространениями задержки, например, в фабричных залах. Кроме того, учитывая что

скорость кристалла и следовательно ширина полосы радиочастот остается той же самой, что и

скорости передачи данных прямой последовательности 1 и 2 Мб/сек, относительно просто делать

изделия, поддерживающие все скорости передачи - от 1 до 11 Мб/сек. Продукты, основанные на

37

CCK, уже выпускаются несколькими производителями, которые вместе образовали Wireless

Ethernet Compatibility Alliance, чтобы гарантировать способность к взаимодействию между

продуктами различных продавцов.

Новый OFDM стандарт для диапазона 5 ГГц обеспечивает большее количество каналов и более

высокие скорости передачи данных, чем для диапазона 2.4 ГГц. Заявлены скорости передачи

данных 1 до 54 Мб/сек с устойчивостью к распространению задержки, достаточной для

большинства внутренних (indoor) беспроводных приложений. Этот новый стандарт первый,

использующий OFDM в пакетно-основанной радиосвязи, после того, как проекты подобно Magic

WAND продемонстрировали жизнеспособность OFDM. С одновременными усилиями

стандартизации, продолжающими в Соединенных Штатах, Европе и Японии, конечный

всемирный OFDM стандарт физического уровня для диапазона 5 ГГц ожидается в начале 2000 г.г.

Диапазоны радиочастот ISM

В 1985, в попытке стимулировать производство и использование беспроводных сетей, FCC

изменила Часть 15 положения о регулировании радиочастотных диапазонов, которое управляет

нелицензируемыми устройствами. Это обновление уполномочила использование беспроводных

сетевых устройств в индустриальных, научных, и медицинских диапазонах Industrial, Scientific,

and Medical (ISM) радиочастот. ISM частоты показаны на рисунке 2.7.

РИСУНОК 2.7

Индустриальные, научные, и медицинские (ISM) диапазоны частот обеспечивают большую

пропускную способность на высоких частотах.

FCC позволяет пользователю использовать беспроводное устройство без, получения на него лицензии у FCC, если оно удовлетворяет соответствующим требования, например, выходная

мощность передатчика не более 1 Вт. Отмена госконтроля за этим участком частотного спектра устраняет необходимость в дорогостоящем и отнимающим много времени частотном

планировании, координации установки радиосистемы, с целью избежать интерференции с

существующими системами радиосвязи. Это тем более выгодно, если Вы планируете часто

перемещать ваше оборудование, потому что Вам не требуется подготовка документов для

лицензирования устройства заново в новом местоположении. Как видим, на более высоких

частотах доступная полоса частот шире, это позволяет поддерживать более высокие скорости

передачи данных.

Многие беспроводные LAN, первоначально развернутые в Соединенных Штатах, работали

на 902 мегагерцах, но эта частота доступна для использования не во всем мире. Диапазон 2.4ГГц -

единственный нелицензируемый диапазон, доступный везде. Этот диапазон был одобрен в

Северной и Южной Америке в середине 1980-ых и был принят в Европе и Азии в 1995.

Изначально, производители разрабатывали системы в диапазоне 902МГц, так как

38

производственные затраты в этом диапазоне частот были меньше. Однако, недоступность этого

диапазона в некоторых областях и потребность в большей пропускной способности, привели к

тому, что эти компании, переместили многие из своих систем в диапазон 2.4ГГц. Кроме того, все

большее число производителей беспроводных LAN теперь разрабатывают системы для диапазона

5ГГц, обеспечивая преимущество в большей пропускной способности и снижении вероятности

возникновения потенциальной интерференции с обширным количеством устройств, работающих

на частотах 2.4ГГц.

Технологии беспроводных локальных сетей

В начале 90-х годов появились беспроводные локальные сети, работающие в

общедоступных (ISM - индустриальных, научных, медицинских) диапазонах 900 МГц, 2, 4 и 5

ГГц. В июне 1997 Институт Инженеров по Электротехнике и Радиоэлектронике (IEEE) одобрил

международный стандарт IEEE 802.11 [1]. Стандарт определяет процедуры уровня доступа к среде

(MAC-уровня) и три различных физических уровня (PHY). Два из них являются

радиотехнологией, работающей в диапазоне 2.4 ГГц. Третий PHY использует инфракрасный свет.

Все PHY поддерживают скорость передачи данных 1 Мб/сек и опционально 2 Мб/сек. Диапазон

частот 2.4 ГГц является нелицензируемым в Европе, США и Японии. В Таблице 1 перечислены

доступные диапазоны частот и ограничения на устройства связи, которые используют эти

диапазоны.

Потребность в большей пропускной способности и международная доступность диапазона

2.4 ГГц стимулировали развитие высокоскоростного дополнения к стандарту 802.11. В июле 1998

было выбрано предложение на стандартизацию, которое описывает физический уровень (PHY),

обеспечивающий базовую скорость передачи 11 Мб/сек и минимальную скорость 5.5 Мб/сек. Этот

PHY может рассматриваться как четвертый режим, призванный дополнить уже

стандартизованный MAC-уровень. Ожидается, что практические изделия будут поддерживать как

быстродействующие режимы работы 11 и 5.5 Мб/сек, так и режимы передачи 1 и 2 МБ/с.

Вторая рабочая группа IEEE 802.11 предложила для стандартизации еще один вариант PHY,

который предполагает более высокие скорости передачи данных в диапазоне 5.2 ГГц. Это

предложение было стимулировано принятием в январе 1997 Американской Федеральной

Комиссией по Связи поправки к Части 15 ее правил. Поправка сделала доступной полосу в 300

МГц в диапазоне 5.2 ГГц для использования новой категорией нелицензируемого оборудования,

называемого устройствами нелицензируемой национальной информационной инфраструктуры

(unlicensed national information infrastructure - UNII). В Таблице 1 приведены диапазоны частот и

соответствующие ограничения на излучаемую мощность.

В июле 1998, группа стандартизации IEEE 802.11 приняла решение выбрать ортогональное

мультиплексирование с частотным уплотнением (OFDM) [2] как основу для нового стандарта в

диапазоне 5 ГГц, со скоростью передачи данных от 6 до 54 Мб/сек. Этот новый стандарт является

первым, использующим OFDM в пакетной цифровой связи, раньше OFDM использовался только в

системах непрерывной передачи, например цифрового радиовещания (DAB – digital audio

broadcasting) и цифрового потокового видео (DVB – digital video broadcasting). Вслед за решением

IEEE 802.11 организации «Высокопроизводительных локальных сетей (High-Performance LAN –

HIPERLAN) тип 2» и «Подвижной мультимедиа-связи доступа Multimedia Mobile Access

39

Communication (MMAC)» также приняли OFDM за основу для своих PHY стандартов. Эти три

организации с тех пор работают в тесном взаимодействии, чтобы свести к минимуму различия в

стандартах, таким образом обеспечивая производство оборудования, которое может

использоваться во всем мире.

Подобно стандарту IEEE 802.11, стандарт Европейского Института Стандартизации в

области связи (ETSI) HIPERLAN type 1 [3] определяет MAC и PHY - уровни. Однако, в отличие от IEEE 802.11, на сегодняшний день на рынок не было выпущено устройств, работающих по

стандарту HiperLan type 1. Недавно сформированная рабочая группа ETSI BRAN (Broadband

Access Networks – сети широкополосного доступа) теперь работает над следующими

расширениями стандарта Hiperlan: HIPERLAN type 2 (HiperLAN/2) - беспроводной локальной сети

для работы внутри помещений с интегрированным качеством обслуживания (QoS); HiperLink -

беспроводной магистралью для работы внутри помещений; и HiperAccess - наружной,

фиксированной беспроводной сетью, обеспечивающей доступ к кабельной инфраструктуре.

Между HIPERLAN 1 и 2 существует два основных различия. Во-первых, HIPERLAN type 1 имеет распределенный MAC-уровень без предоставления качества обслуживания (QoS), в то время как

HIPERLAN type 2 предоставляет QoS используя централизованный структурированный MAC. Во

вторых, физический уровень HIPERLAN type 1 основан на Гауссовской манипуляции с

минимальным фазовым сдвигом (GMSK), в то время как HIPERLAN type 2 использует OFDM.

В Японии, Министерство Почты и Передачи данных инициировало деятельность по

стандартизации систем MMAC, которые включают ультра-высокоскоростные WLAN для работы

внутри помещений, поддерживающие передачу данных большого объема на скорости до 156

Мб/сек, использующие частоты диапазона 30-300 ГГц; и быстродействующий беспроводный

доступ 25-30 Мб/сек в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ) (3-60 ГГц).

Эта статья может быть разделена на три части. Первая часть описывает дополнение к

существующему стандарту IEEE 802.11 для более высоких скоростей передачи данных в

диапазоне 2.4 ГГц. Вторая часть описывает новый стандарт, основанный на OFDM,

предназначенный для диапазона 5 ГГц, обеспечивающий скорости передачи данных до 54 Мб/сек.

Третья часть описывает PHY и MAC-уровни радио-прототипа, разработанного в рамках проекта

Magic Wireless Access Network Demonstrator (WAND), который может рассматриваться как

предшественник HIPERLAN type 2.

В статье сделан упор на PHY. В стандарте IEEE 802.11 MAC-уровень для более высоких

скоростей передачи данных останется тем же самым, что и существующий в настоящее время

MAC, поддерживающий скорости 1 и 2 Мб/сек. Описание этого MAC может быть найдено в [1].

На сегодняшний день существуют несколько спецификаций и стандартов беспроводных LAN, из которых Вы можете выбирать при разработке беспроводных продуктов LAN или интегрирования

беспроводных решений LAN в информационные системы. В последующих разделах приведен

краткий обзор этих спецификаций и стандартов.

HomeRF SWAP

В марте 1998, Рабочая группа HomeRF (HRFWG) объявила о своем существовании и намерении

обеспечить открытую промышленную спецификацию, Протокол Разделяемого Радио-Доступа

Shared Wireless Access Protocol (SWAP), для беспроводной цифровой связи между персональными

компьютерами и потребительскими домашними электронными устройствами. Спецификация

SWAP определяет общий радиоинтерфейс, поддерживающий передачу голоса и данных со

40

скоростью 1Мбит/с и 2Мбит/с, использующий широкополосную модуляцию методом скачков по

частоте в диапазоне частот 2.4GHz. HRFWG в настоящее время разрабатывает 10Мбит/с - версию

SWAP, основанную на недавнем решении Федеральной Комиссии Связи по выделению более

широкой пропускной способности для систем с перескакивающей частотой. В связи с малой

распространенностью этого стандарта и ххххх подробное описание этого стандарта здесь не

приводится.

Bluetooth

Bluetooth – это открытая спецификация, опубликованная организацией Bluetooth Special Interest

Group (SIG), включающей в себя таких гигантов, как 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft,

Motorola, Nokia, и Toshiba. Bluetooth не является беспроводной LAN, он определяет беспроводные

персональные сети (PAN - personal area network), которые являются подмножеством беспроводных

LAN. Bluetooth обеспечивает пропускную способность в 1 Мбит/с с относительно малой

мощностью с небольшим радиусом действия, с использованием расширения спектра посредством

метода скачков по частоте диапазоне частот 2.4 ГГц.

Более подробная информация об этом стандарте приведена в следующей главе.

HiperLAN

HiperLAN появился в Европе в виде спецификации (технических требований) № 300652

ратифицированной в 1996 г. Организацией Широкополосных сетей радиодоступа (BRAN -

Broadband Radio Access Network) Европейского Института Стандартизации в области связи (ETSI).

HiperLAN/1, текущая версия, обеспечивает пропускную способность до 24Мбит/с в диапазоне

частот 5 ГГц. Подобно Ethernet, HiperLAN/1 разделяет доступ к беспроводной LAN между

устройствами конечного пользователя посредством протокола без установления соединения

(connectionless protocol). HiperLAN/1 также обеспечивает поддержку качества обслуживания (QoS)

при передачи данных, видео, голоса и изображений.

ETSI в настоящее время разрабатывает HiperLAN/2 под организацией называемой Глобальным

Форумом HiperLAN/2 (H2GF). HiperLAN/2 будет работать в диапазоне 5ГГц со скоростью до

54Мбит/с с использованием ориентированного на соединение протокола для совместного доступа

абонентских устройств. HiperLAN/2 будет включать поддержку качества обслуживания, и будет

способен к переносу кадров Ethernet, ячеек ATM и пакетов IP.

IEEE 802.11

В июне 1997 IEEE завершил начальный стандарт беспроводных LAN: IEEE 802.11. Этот стандарт

определяет рабочую частоту 2.4ГГц со скоростями передачи данных 1Мбит/с и 2Мбит/с.

Начальный стандарт 802.11 определяет две формы широкополосной модуляции: методом скачков

по частоте и расширение спектра прямой последовательностью (802.11 DSSS).

В конце 1999, IEEE издал два дополнения к стандарту 802.11: 802.11а и 802.11b. IEEE 802.11b

определяет увеличение скорости передачи данных изначального стандарта 802.11 DSSS,

работающего в диапазоне 2.4ГГц, до 11Мбит/с. Большинство беспроводных LAN, существующих

сегодня, основаны на стандарте 802.11b.

Стандарт 802.11а определяет скорости передачи до 54Мбит/с с использованием модуляции

ортогонального частотного уплотнения (OFDM) в диапазоне частот 5 ГГц, который на сегодняшний день практически свободен. Стандарт 802.11а имеет широкое разнообразие

41

доступных скоростей передачи данных: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, и 54Мбит/с; все выпускаемые

продукты, основанные на этом стандарте, обязаны обеспечивать минимальный набор скоростей 6,

12 и 24Мбит/с.

Этот стандарт представляется авторам наиболее перспективным из существующих на

сегодняшний день.

Более подробная информация об этом стандарте приведена в главе№Х.

42

Bluetooth

Основные параметры спецификации Bluetooth 1.0

Радиус действия 10м (100м с усилителем)

Брутто-скорость передачи данных 1 Мбит/с

Максимальная передача данных в синхронном

режиме 432.6 Кбит/с

Максимальная скорость передачи данных

в асимметричном режиме 723.3 Kбит/с / 57.6K

Речевой кодек CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation)

Максимальное число речевых каналов на соединение 3

Протокол Комбинация коммутируемого /

пакетного режимов

Максимальная популяция пикосети 8

Диапазон частот 2.4 ГГц (нелицензируемый диапазон)

Суб-частоты 79

Число скачков по частоте (FHSS) 1600 раз в секунду

Режим ожидания вновь входящих

(Standby Mode Listen Rate) Каждые 1.28 секунды

Мощность передатчика, мВт 100

Способ модуляции двухуровневая частотная

Количество устройств в сети не ограничено

Защита информации 40- и 64-битное шифрование

Bluetooth – это технология радиосоединения с малым радиусом действия, предназначенная

для замены кабельных соединений между портативными мобильными устройствами и/или

неподвижными стационарными электронными устройствами даже в тех случаях, когда

нарушается требование Line of Sight - прямой видимости.. Ключевыми особенностями Bluetooth –

устройств являются: высокая надежность, простота, низкое энергопотребление и невысокая

стоимость.

Компания Ericsson выступила с инициативой формирования специальной группы с

компаниями Nokia, IBM, Intel и Toshiba в 98 году, когда новая технология и получила свое имя в

честь датского предводителя викингов - Harald Blutand (по-английски Bluetooth), который

объединил под своей властью Данию и Норвегию. Технологию, получившую свое название в

честь короля викингов, в настоящее время предусматривается использовать для широкого спектра

портативных устройств, таких, как беспроводные телефоны, персональные компьютеры, PDA.

Отчет экспертов Merril Lynch "The Bluetooth Handbook 1.0" прогнозирует, что до 2005 года модули

Bluetooth будут установлены более, чем в 1.7 миллиардов электронных устройств.

При разработке спецификации во главу угла ставились экономичность (как в плане стоимости, так и в плане энергосбережения), сохранение малого форм-фактора и предельная

простота эксплуатации. Для конечного пользователя это означает быстрое и легкое подключение периферии или соединение компьютеров без каких бы то ни было кабелей. К тому же технология

дает возможность связать больше двух устройств, используя единое радиосоединение.

43

Технология Bluetooth призвана обеспечить универсальную сетевую взаимосоединяемость

для:

1) организации каналов передачи данных и речи;

2) замещения кабельных соединений;

3) повсеместного применения встроенных во всевозможные средства связи, компьютеры и

бытовые приборы компактных и дешевых сетевых адаптеров.

Технология Bluetooth определяется следующими ключевыми параметрами:

� нелицензируемый частотный диапазон -- 2,44 ГГц. Это полоса ПНМ -- промышленные,

научные и медицинские применения (ISM -- industry, science, medicine);

� FHSS -- скачкообразная перестройка частоты с расширением спектра. Радиопередатчик

осуществляет передачу сигнала, перескакивая с одной рабочей частоты на другую по

псевдослучайному алгоритму. Дуплексный режим с временным разделением (TDD)

используется для полнодуплексной передачи;

� поддерживаются изохронные и асинхронные услуги передачи информации и обеспечивается

простая интеграция с TCP/IP;

� топология локальной радиосети организована по принципу множественных пикосетей,

взаимодействующих между собой по стандартному радиоканалу. Пикосеть всегда включает

одну мастер-станцию, которая синхронизирует внутренний трафик в пикосети;

� коммуникационный канал Bluetooth имеет пиковую пропускную способность 721кбит/с.

Bluetooth обеспечивает связь на частоте 2.4 ГГц. Используется модуляция GFSK (Gaussian

Frequency Shift Keying) с индексом BT = 0.5.

Индекс модуляции может принимать значения от 0.28 до 0.35. Логической единице соответствует

полоительная девиация частоты, а двоичному нулю – отрицательная. Точность символьной

синхронизации должна быть не хуже ±20 ppm (Part Per Million).

Каждый радиопередатчик Bluetooth имеет свой уникальный сетевой 48-битовый адрес, совместимый с адресным форматом стандарта локальных сетей IEEE 802. Голосовая связь - 3

канала при скорости 721 кбит/с. Общая операционная среда - в соответствии с IEEE 802.11.

Bluetooth обеспечивает радиосвязь в пределах 10 м и не требует прямой видимости

источника сигнала и абонента (в ближайшей перспективе будет реализована связь до 100 м). и

может связать до 8 других устройств, чтобы сформировать пикосеть или PAN (Personal Access

Network - Сеть Персонального Доступа).

Одно из устройств становится ведущим "master", остальные действуют под его управлением

"slaves". Ведущим обычно является наиболее мощное устройство, такое, как персональный

компьютер или плата мини-ЭВМ. Ведущее устройство координирует посылку и прием данных в

рамках образованной пикосети. Если в сети окажется более 8 устройств, будет сформирована вторая пикосеть. Предусматривается, что будет координироваться трафик и между сетями.

Множество пикосетей, способных взаимодействовать друг с другом, сформируют распределенную

сеть (Scatternet).

Bluetooth - устройство в терминологии спецификации называется Bluetooth -системой.

Система состоит из модуля, обеспечивающего радиосвязь, и присоединенного к нему хоста, в

качестве которого может выступать компьютер или периферийное устройство. Bluetooth -модули

обычно встраиваются в устройство или подключаются через доступный порт либо PC-карту.

Рис. 1. Функциональная схема Bluetooth -системы

2.4 GHz Bluetooth

radio

Bluetooth link

controller

Bluetooth link

manager host

44

Поскольку все модули физически и функционально равноценны, от природы хоста можно

абстрагироваться. Модуль состоит из менеджера соединений (link manager), контроллера соединений и приемопередатчика с антенной. Модули могут соединяться как по схеме точка-

точка, так и обеспечивать многоточечные соединения.

Связанные по радиоканалу модули образуют пикосеть (piconet). Эта сеть возникает при

соединении двух модулей, а затем уже могут подключиться и другие. С самого начала соединения

один из модулей играет роль ведущего (master), второй - ведомого (slave). Это распределение ролей не может быть изменено в ходе соединения (во время существования пикосети), поскольку

если в пикосеть входит больше двух устройств, они не соединяются между собой, а поддерживают связь только с ведущим.

В пикосети не может быть больше восьми активных модулей: адрес активного участника

пикосети (в спецификации он фигурирует под названием AM_ADDR), используемый для

идентификации, является трехбитным, то есть уникальный адрес могут иметь семь ведомых

модулей (ведущий не имеет адреса), а нулевой адрес зарезервирован для широковещательных

(broadcast) сообщений. Кроме этого, в пиконете множество ведомых могут быть закреплены

(locked) за ведущим, находясь в «припаркованном» режиме (Park Mode). Эти устройства не могут быть активными в радиоканале, но сохраняют синхронизацию с ведущим. Доступом к каналу

активных и припаркованных устройств управляет ведущий. Чтобы с помощью Bluetooth

объединить больше восьми устройств в спецификацию вводится понятие скэттернет (scatternet,

рассеянная сеть). Скэттернет формируется из нескольких независимых пиконетов. Установить

связь с модулем, подключенным к другому пиконету, может любой модуль сети, в том числе и

ведущий. Т.е. ведомые устройства могут одновременно находиться в нескольких пиконетах благодаря временному разделению (Time Division Multiplex), а ведущий в одной пикосети может быть ведомым в других.

Рис. 2. Пикосеть с одним ведомым (а), несколькими ведомыми (б), и скэттернет (с).

Оптимальный радиус действия модуля - от 10 см до 10 м, но при увеличении излучаемой

мощности он может превысить 100 м. Диапазон рабочих частот Bluetooth -модулей (2,402-2,483,5

ГГц) почти во всем мире (за исключением России, ряда развивающихся стран и Израиля) является

не лицензируемым, это полоса ISM (Industry-Science-Medicine), предназначенная для нужд

промышленности, науки и медицины. Работа в нелицензируемом диапазоне - одновременно и

главное преимущество, и главный недостаток Bluetooth.

С одной стороны, для технологии, претендующей на мировой стандарт, предпочтительно

использование общепринятых свободных диапазонов. С другой стороны, в этом диапазоне работает много устройств, с которыми теперь предстоит делить спектр устройствам Bluetooth,

начиная с беспроводных сетей IEEE 802.11b и HomeRF, и заканчивая беспроводными телефонами,

микроволновыми печами и автоматическими гаражными дверями. Для уменьшения потерь от интерференции и обеспечения сосуществования нескольких

пикосетей частота в Bluetooth перестраивается скачкообразно (1600 скачков/с). Используются

45

псевдослучайные последовательности скачков по семидесяти девяти (для большинства стран) или

двадцати трем (для Японии, Франции и Испании) радиочастотным каналам, разделенным полосой

в один мегагерц. Каждый пиконет имеет собственную последовательность скачков, зависящую от адреса ведущего модуля (у каждого модуля есть уникальный 48-битный сетевой адрес в

соответствии со стандартом IEEE 802) и позиции его таймера.

Канал разделен на тайм-слоты длительностью 625 мс (время между скачками), в каждый из них устройство может передавать информационный пакет. Для полнодуплексной передачи

используется дуплексный режим с разделением времени TDD (Time-Division Duplex). По четным

значениям таймера начинает передавать ведущее устройство, по нечетным - ведомое.

Обмен информацией по радиоканалу производится в форме пакетов. Каждый пакет передается на разной частоте благодаря использованию скачков по частоте. По умолчанию один

пакет занимает один тайм-слот, но может быть увеличен и занимать до пяти тайм-слотов.

Протокол передачи Bluetooth использует комбинацию коммутации пакетов и коммутации

каналов. Тайм-слоты могут быть зарезервированы для синхронных пакетов. Bluetooth

поддерживает асинхронный канал передачи данных, до 3х одновременных синхронных голосовых

каналов, или одновременный канал асинхронных данных и синхронного голоса. Каждый речевой

канал поддерживает синхронный дуплексный канал (64 кБит/с в обоих направлениях).

Асинхронный канал поддерживает до 723.2 кБит/с в асимметричном режиме (и до 57.6 кБит/с в

обратном направлении) или 433.9 кБит/с в симметричном режиме.

Канал в терминологии спецификации Bluetooth представляет псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным каналам. Эта последовательность

уникальна для каждой пикосети и определяется уникальным адресом (Bluetooth device address)

ведущего, фаза последовательности скачков определяется тактовым генератором ведущего. Канал

разделен на тайм-слоты, каждый тайм-слот соответствует новой частоте за счет скачков по

частоте. Номинальная частота скачков - 1600 скачков/с. Все Bluetooth-устройства, участвующие в

пиконете, поддерживают синхронизацию с каналом по врмени и по частоте скачков. Длительность тайм-слота составляет 625 мкс. Тайм-слоты нумеруются в соответствии с

тактовым генератором ведущего. Диапазон номеров слотов составляет от 0 до 227-1, и имеет длительность цикла 227. В течение тайм-слота ведущий и ведомый могут передавать пакеты.

В стандарте применена схема TDD (разделения по времени), в соответствии с которой

ведущий и ведомый передают по очереди. Ведущий должен начинать передачу только в четных

тайм-слотах, а ведомый – в нечетных. Начало пакета должно совпадать с началом слота.

Передаваемые пакеты могут продлеваться до 5ти тайм-слотов максимум.

Рис. 3. Разделение по времени (TDD) и синхронизация

Частота перескока должна оставаться неизменной в течение всей длительности пакета. Ее

значение берется равным значению частоты во время первого тайм-слота передачи пакета.

46

Рис. 4. Пакет, занимающий более одного тайм-слота

Помимо полезных данных пакет содержит код доступа и заголовок. Один временной слот предназначен для одного пакета, но пакет может быть расширен и на большее количество слотов

(до пяти). Имеется три вида пакетов: предназначенные только для голоса, только для данных и

комбинированные.

Между ведущим и ведомым может быть установлено одно из двух типов соединений:

• Synchronous Connection-Oriented (SCO) link

• Asynchronous Connection-Less (ACL) link

(синхронное неперывное и асинхронное).

Разные пары ведущий-ведомый в пределах пикосети могут использовать различные типы

связи. Более того, тип связи может безо всяких ограничений меняться в течение сеанса связи.

Синхронный тип соединений обычно используется для передачи речи. Это соединения типа

точка-точка между ведущим и одним из ведомых модулей. Синхронность сохраняется путем

резервирования слотов через равные интервалы времени. Ведущий может устанавливать до 3х синхронных соединений с одним ведомым. SCO-соединение резервирует слоты и поэтому может считаться соединением с коммутацией каналов. Для данных в пакете при этом типе связи не вычисляется контрольная сумма, они никогда не передаются дважды. Исключение - специальный

синхронно-асинхронный тип пакетов: в этом случае передаются данные и голос, для данных

присутствует контрольная сумма, и возможна повторная передача.

Асинхронная связь - многоточечная между ведущим и всеми ведомыми модулями пиконета.

Между ведущим и ведомым возможно установление только одного асинхронного соединения. ACL-связь гарантирует точную передачу пакетов, а если пакет не принят или принят неправильно,

он передается снова. Модули обмениваются пакетами в течение временных прмежутков (слотов),

не зарезервированных для синхронных связей. Ведущий модуль может посылать

широковещательные пакеты, предназначенные для всех ведомых модулей.

Данные в пикосети передаются в формате пакетов. Пакет состоит из 3х элементов: код

доступа (access code), заголовок, и полезная нагрузка (payload).

Поля кода доступа и заголовка имеют фиксированные значения 72 и 54 бита соответственно.

Поле нагрузки может занимать от 0 до 2745 бит. Предусмотрены различные типы пакетов: пакет может содержать только поле кода доступа, поля кода доступа и заголовка или все три поля.

47

Рис.5. Формат пакета Bluetooth

Если за полем кода доступа следует поле заголовка, то оно имеет длину 72 бита, в

противном случае – 68 бит. Код доступа используется для синхронизации и идентификации. Код доступа

идентифицирует пакеты в канале одной пикосети: все пакеты, передаваемые в одной пикосети,

имеют одинаковый код доступа. На приемной стороне скользящий коррелятор обрабатывает код доступа и вызывает срабатывание триггера при превышении порога. Сигнал триггера используется для синхронизации приемного устройства. Код доступа также применяется для

процедур опроса и посыла сигналов вызова. В этом случае код доступа сам является сигнальным

сообщением, и поля заголовка и нагрузки отстутствуют.

Заголовок пакета содержит информацию управления соединением и состоит из 6 полей:

• AM_ADDR: (active member address) – 3х-битный адрес активного участника пикосети; • TYPE: (type code) – 4 бита

• FLOW: (flow control) – 1 бит

• ARQN: (acknowledge indication) - 1 бит

• SEQN: (sequence number) - 1 бит

• HEC: (header error check) - 8 бит

В поле нагрузки определены два поля: voice field – поле речевой информации – для синхронного режима работы и data field – поле данных – для асинхронного режима работы.

Поле речевой информации имеет фиксированную длину 80 или 240 бит и не содержит дополнительных элементов.

Поле данных состоит из трех элементов: заголовок поля данных, поле нагрузки, и

опционального поля CRC (циклического контроля ошибок):

В Bluetooth предусмотрены три метода коррекции ошибок.

• 1/3 rate FEC

• 2/3 rate FEC

• ARQ scheme for the data

Цель использования метода FEC (Forward Error Correction) – уменьшение числа повторных

передач пакетов. Однако, в относительно благоприятных условиях работы, когда число ошибок невелико, этот метод дает большую избыточность, неоправданно уменьшая пропускную

способность канала. В связи с этим, использование этого метода коррекции ошибок в поле данных

необязательно. Заголовок пакета всегда защищается по схеме 1/3 rate FEC.

Рис.10. Схема коррекции ошибок с повтором битов

Метод ARQ (automatic repeat request) пакеты повторно передаются до получения подтверждения успешного приема или до превышения временного интервала (timeout).

Подтверждение приема включается в заголовок ответного пакета (т.н. piggy-backing).

Метод ARQ работает только с полем нагрузки (единственным полем, имеющим CRC).

Заголовок пакета и поле речевых данных не защищаются по методу ARQ.

48

В системе Bluetooth определены 5 типов логических каналов:

• LC control channel (Link Control)

• LM control channel (Link Manager)

• UA user channel (User Asynchronous/Isochronous Data)

• UI user channel

• US user channel (User Synchronous Data)

Служебные каналы LC и LM используются на уровне контроля и управления

радиосоединением соответственно.

Пользовательские каналы UA, UI, and US предназначены для переноса пользовательской

информации, асинхронной, изохронной и синхронной, (asynchronous, isochronous, and

synchronous), соответственно. Информация канала LC переносится в заголовке пакета; остальные каналы передаются в поле нагрузки.

Канал пикосети полностью характеризуется ведущим данной пикосети. Адрес Bluetooth

device address (BD_ADDR) ведущего определяет последовательность скачков по частоте и код

доступа канала. Тактовый генератор ведущего задает синхронизацию пикосети и фазу скачков по

частоте. Ведущий управляет доступом к радиоканалу, т.е. трафиком в пикосети. По определению,

ведущим (master) считается инициатор соединения (по отношению к ведомому (slave). Следует помнить, что термины «ведущий» и «ведомый» относятся только к протокольному уровню, сами

устройства абсолютно идентичны, и каждое из них в любой момент может стать ведущим пикосети.

Bluetooth-устройство может находиться в одном из двух основных состояний: STANDBY и

CONNECTION. В дополнение к ним существует семь промежуточных состояний: page, page

scan, inquiry, inquiry scan, master response, slave response, и inquiry response. Промежуточные состояния используются при добавлении новых ведомых в пикосеть. Для перехода из одного состояния в другое необходимы либо внешние команды, от ведущего пикосети, либо внутренние

команды, такие, как например, сигнал срабатывания триггера от коррелятора или сигнал

истечения времени ожидания от внутреннего таймера устройства (timeout).

49

Рис. 11. Диаграмма состояний Bluetooth-устройства

Спящее состояние STANDBY является основным состоянием Bluetooth-устройства. В этом

состоянии устройство находится в режиме низкого энергопотребления. Работают только внутренние часы устройства.

Устройство может выйти из состояния STANDBY чтобы просканировать в поисках

сообщений опроса (inquiry) или запроса на соединение (page), или чтобы послать эти сообщения

самому. После ответа на запрос устройство не переходит в состояние STANDBY, а войдет в

состояние соединения (CONNECTION) в качестве ведомого. В случае получения ответа на запрос page, устройство перейдет в состояние CONNECTION в роли ведущего.

Устройства Bluetooth могут находитья в различных режимах во время состояния

CONNECTION: active mode, sniff mode, hold mode, и park mode.

В режиме active mode Bluetooth-устройство активно использует радиоканал. Ведущий

организует доступ к радиоканалу в зависимости от потребностей каждого устройства пикосети.

Кроме этого, он обеспечивает регулярность передачи чтобы сохранить синхронизацию ведомых.

Периодические передачи ведущий-ведомый необходимы для поддержания синхронизации

ведомых в канале. Т.к. ведомым требуется только код доступа, для синхронизации подходит любой тип пакета.

В режиме sniff mode, необходимость ведомого в постоянном прослушивании радиоканала уменьшается. В режиме sniff mode число тайм-слотов, в которые ведущий может начать передачу

определенному ведомому, уменьшается, т.е. ведущий может начать передачу только в

определенных тайм-слотах (т.н. sniff slots).

50

Ведомый также может перейти в режим низкого энергопотребления hold mode, в котором

ведомый может передавать только служебную информацию, но сохраняет свой active member

address (AM_ADDR).

В случае, если ведомый не участвует в радиообмене в пикосети, но хочет сохранить

синхронизацию с каналом, он переходит в режим park mode и теряет свой active member address

AM_ADDR. Вместо него он получает адрес PM_ADDR.

Большой набор режимов работы Bluetooth-устройств преследует одну главную цель –

снижение энергопотребления.

Энергопотребление устройства Bluetooth должно находиться в пределах 0,1 Вт (8-30 мА). В

режиме ожидания - 0,3 мА. Размер кристалла невелик Размер является критичным для целого ряда приложений, таких, например, как сотовые телефоны, поэтому устройства Bluetooth занимают менее квадратного сантиметра. Тем не менее, устройства обеспечивают связь на расстоянии до 10

метров, а в дальнейшем, возможно, смогут появятся и более "дальнобойные" Bluetooth-

устройства.

Устройства Bluetooth подразделяются на три класса мощности:

Таблица 1. Классы мощности

Класс Мощности

Макс. Вых.

мощность

(Pmax)

Номинальная

вых. Мощность

Минимальная

вых. Мощность

Управление мощностью

1 100 мВт (20 дБм) - 1 мВт (0 дБм)

От Pmin<+4 dBm

до Pmax

Опционально:

Pmin … Pmax

2 2.5 мВт (4 дБм) 1 мВт (0 дБм) 0.25 мВт (-6 дБм) Опционально:

Pmin … Pmax

3 1 мВт (0 дБм) - - Опционально:

Pmin … Pmax

Для устройств 1го класса мощности управление мощностью является обязательным.

Регулирование мощности необходимо для оптимизации энергопотребления и улучшения

помехоустойчивости. Шаг изменения мощности может принимать значения от 2 дБ (минимум) до

8 дБ (максимум).

Скачки по частоте имеют и еще одно назначение, они служат частью предусматриваемых в

Bluetooth мер защиты. Трафик данных между устройствами Bluetooth кодируется, что в сочетании

с FH, заметно повышает уровень защищенности связи. Чтобы быть уверенными в том, что

устройства смогут "вступать в связь" только с авторизованными на то устройствами,

предусматривается также встроенная процедура аутентификация. Этим будет пресекаться

несанкционированный доступ к данным.

Процедура аутентификации обеспечивает уверенность в подлинности сообщения, а также в

том, что транзакция осуществляемая с Bluetooth-устройства, не получит отказа (т.е. транзакция

будет подтверждена и авторизована другой стороной). Защищенность Bluetooth масштабируется до трех уровней в зависимости от конкретного приложения, которое используется: незащищенное,

защита на уровне служебного устройства (когда запрет доступа осуществляется в соответствии с уровнем "доверия", прописанным в микросхеме, к которой идет попытка доступа), а также уровнем защиты на уровне линка (где применяются 128-битные случайные номера, хранящиеся

индивидуально в каждой паре устройств, осуществляющих Bluetooth сеанс связи).

51

HiperLan/2

HiperLAN/2 подобна IEEE 802.11 (см.ниже) …

Основные различия между IEEE 802.11 и HiperLAN/2, стандартизованного ETSI BRAN,

находятся в MAC. IEEE 802.11 использует распределенный MAC, основанный на

многостанционном доступе с обнаружением несущей с избежанием конфликтов (CSMA/CA), в то

время как HIPERLAN/2 использует централизованный структурированный (scheduled) MAC,

основанный на беспроводной ATM. MMAC поддерживает оба из этих MAC. Что касается

физического уровня (PHY), там есть несколько незначительных отличий:

• HIPERLAN использует дополнительное пунктирование, чтобы разместить хвостовые биты,

чтобы сохранить целое число OFDM символов в 54-байтных пакетах;

• в случае 16-QAM, HIPERLAN использует коэффициент 9/16 вместо 1/2 - давая в результате

скорость 27 вместо 24 Мб/сек - чтобы получить целое число OFDM символов для пакетов

размером 54 байта. Поток с коэффициентом 9/16 образуется пунктированием 2 из каждых 18

кодированных битов;

• HIPERLAN использует различные обучающие последовательности. Длинный символ

обучения – такой же, как в IEEE 802.11, но предшествующая последовательность коротких

обучающих символов иная. Передача на линии «вниз» начинается с 10 коротких символов как в

IEEE 802.11, но первые пять символов различны, чтобы обнаружить начало кадра. При передаче

на линии «вверх» пакеты могут использовать пять или десять идентичных коротких символов,

последний из которых инвертирован.

Magic WAND

Проект Magic WAND был образован как часть программы Европейских Перспективных

Технологий и Услуг Связи (ACTS). Члены консорциума Magic WAND разработали прототип

радио сети ATM, основанной на OFDM. Этот прототип оказал большое влияние на текущие

действия по стандартизации в диапазоне 5 ГГц. Во-первых, используя OFDM-модемы, Magic

WAND помогла утвердить OFDM как жизнеспособный тип модуляции для радиосвязи высокой

скорости. Во вторых, беспроводный ATM-основанный подход Magic WAND готовит базу для

текущей стандартизации уровня передачи данных HIPERLAN/2.

Физический уровень MagicWAND

Схема модуляции Magic WAND основана на 16 поднесущих, модулированных 8-PSK.

Используется специальная схема кодирования, обеспечивающая защиту от ошибок и контроль

пиковой мощности. Эти коды, известные как комплементарные коды (complementary codes),

уменьшают пиковую мощность передаваемого сигнала до четырехкратной средней мощности.

Интересно, что комплементарные коды длиной 8, используемые в 2.4 ГГц CCK стандарте

являются подмножеством 8-PSK кодов, используемых в Magic WAND. Кодовый набор имеет

минимальное расстояние в четыре символа, что означает, что три из восьми значений могут быть

стерты без появления ошибки. Каждый OFDM-символ содержит 2 кодовых слова длиной 8, так

что приемник может стереть до шести из 16 поднесущих в случае появления затуханий. Число

поднесущих 16 было выбрано чтобы упростить реализацию, обеспечивая допустимое распространение задержки приблизительно 50 нс. Пока этого достаточно для большинства

52

офисных зданий и опытной зоны Magic WAND, но реальное изделие потребует большей

устойчивости к распространению задержки, чтобы также охватить большие офисные и заводские

строения.

Период OFDM-символов равен 1.2 мкс, включая защитный период 400 нс. Имеются 16

поднесущих, модулируемых 8-PSK. При символьной скорости 13.3 МСимвола/с, это дает

первичную скорость передачи данных 40 Мб/сек. Комплементарное кодирование с коэффициентом 1/2 уменьшает скорость передачи данных до 20 Мб/сек. Разнос поднесущих - 1.25

МГц дает общую ширину полосы 20 МГц (по уровню 3 дБ). Полезная нагрузка PHY занимает

нечетное число полуслотов. Каждый полуслот состоит из 27 байт. Это число было выбран так,

чтобы полный 54-байтный слот мог переносить ячейку ATM (длиной 52 байта), и был кратен 3

байтам, что обусловлено схемой модуляции PHY.

Чтобы эффективно поддерживать пакетно-основанную связь, каждый элемент данных должен

передаваться независимо от других. Упор делается на самодостаточность каждого элемента

данных (transmission burst) физического уровня PHY. Вся дополнительная информация,

необходимая для оценки канала, автоматической регулировки усиления, выделения тактовой

частоты и так далее должна быть включена в каждый burst. Преамбула пакета длительностью 8.4

мкс, состоит из одного OFDM-символа, повторяемого семь раз. Эта преамбула используется для

обнаружения кадра, автоматической регулировки усиления, частотной оценки, синхронизации, и

оценки канала.

На Рис. 7 показан прототип модема Magic WAND 5 ГГц, демонстрирующий беспроводную

видеотрансляцию и приложения для работы с Web на выставке Demo’98 в Берлине в октябре 1998.

Рис 8. Структура MAC-кадра Magic WAND.

Уровень управления доступом к среде Magic WAND

MAC-уровень и уровень управления передачей данных (DLC) системы WAND были

объединены в одном уровне, названным Mobile Access Scheme Based on Contention and Reservation

for ATM (MASCARA) – «схема мобильного доступа, основанная на конкуренции и

резервировании для ATM». Основная концепция основана на следующем наборе требований:

• Протокол, обеспечивающий QoS (качество обслуживания), с резервированием и выделением

пропускной способности по запросу

• Несколько виртуальных соединений с одного терминала

• Производительность

• Услуга переноса ячеек для оптимального взаимодействия с ATM

• Распределение накладных расходов PHY по нескольким ячейкам ATM

• Канал запроса и управления в конкурентном режиме

• Восстановление потерянных ячеек по схеме автоматического запроса на повторную передачу

(ARQ)

ATM создан для обслуживания пользователей проводных линий связи с гарантируемым

качеством обслуживания (QoS). Чтобы подвижные терминалы могли работать с ATM, сеть

53

радиодоступа должна также поддерживать QoS. Централизованный алгоритм выделения времени

передачи пользователям на основе их явных требований представляется очевидным способом

обеспечить QoS и изоляцию трафика отдельных пользователей. Недостатком конкуретно-

основанных алгоритмов, используемых в беспроводных локальных сетях и беспроводных УАТС,

является то, что они в своей основе не поддерживают работу с несколькими сотами. Для

корректной работы им необходима сотовая топология с повторным использованием частот и

идеальным разделением между ячейками с одинаковыми частотами. Как обычно для

беспроводных локальных сетей, выбрано временное дуплексное разделение направлений передачи

«вверх» и «вниз» (uplink и downlink), прежде всего, чтобы поддерживать асимметричный трафик.

Подвижные терминалы потребляют энергию от батарей, и для продления жизни батареи,

протоколы должны быть ориентированы на минимальное энергопотребление. Кадро-основанный

MAC, в котором точка доступа уведомляет все соединенные терминалы относительно их

ожидаемых позиций передачи и приема в полном кадре, помогает сохранять энергию: терминалы

включают приемопередатчики только когда необходимо. С позиции энергопотребления

продолжительность кадра должна быть сделана максимально долгой. Соображения QoS, с другой

стороны, накладывают ограничения на максимальную длину кадра. Для работоспособности этой

схемы, структура кадра сама по себе недостаточна. Также необходима общая синхронизация

между терминалами и точкой доступа. По практическим причинам детализация (дробление)

времени должна быть ограничена. Единица времени в MASCARA – тайм-слот, и все передачи

пакетов начинаются на границе временного интервала.

Чтобы обеспечить бесшовное взаимодействие с магистралью ATM и прозрачность для

пользователя, пакеты должны нести ячейки ATM. Соответственно, длительность тайм-слота должна равняться времени передачи ячейки. Тот же самый отрезок времени налагается на

заголовок пакета (радио-преамбула и MAC-заголовок). В системе Wand, первая половина слота,

переносящего служебную информацию, используется для преамбулы, вторая - для MAC

заголовка.

Если бы каждый пакет содержал только одну ячейку, КПД протокола был бы максимум 50

процентов. Чтобы увеличить КПД, необходим более длинный размер пакета. С другой стороны,

ограничения на задержке на обработку ячеек, налагаемые QoS, определяют верхнюю границу

длительности пакета. Например, в случае телефонного речевого трафика 64 Кб/с, задержка на обработку ячеек составляет 6 мс/ячейку, что ограничивает длину пакета одной или двумя

ячейками. Логическое решение состоит в том, чтобы позволить пакеты переменной длины, в

зависимости от требований задержки соединения, с полезной нагрузкой кратной целому числу

ячеек.

Алгоритмы назначения по требованию выделяют терминалам тайм-слоты, основываясь на их

требованиях. Пакеты на линии «вверх» содержат поля, в которые терминал может поместить свой

запрос. Если терминал не может передать свой запрос, потому что ему не были выделены тайм-

слоты (тупиковая ситуация), или потому что он не может позволить себе ждать следующий пакет, терминал может передать запрос в незарезервированном временном интервале. Конкурентный

период находится в конце каждого кадра. Состязательные слоты также могут использоваться

случайными управляющими пакетами.

Неблагоприятные условия распространения радиоволн влияют на коэффициент потерь ячеек

(CLR) QoS. По своей природе радиосеть не может постоянно обеспечивать одинаковый QoS.

Чтобы поддерживать договоренный CLR QoS максимально долго, уровень DLC добавляет системе

способность ARQ. ARQ может помогать сохранять установленный CLR ценой увеличения

задержки и накладных расходов.

На Рис. 8 в качестве примера изображен пакет. Два подвижных терминала (MT) и одна точка

доступа (AP) участвуют в обмене пакетами. В иллюстративных целях, продолжительность кадра

54

установлена короче чем обычно встречающаяся на практике. AP инициализирует каждый кадр,

передавая заголовок кадра (FH) содержащий карту слотов для всех связанных MT. FH имеет

длинную преамбулу, позволяя MT синхронизироваться с AP. Затем, AP посылает данные по

каналу «вниз», в данном примере один пакет. Канал остается незанятым в течение одного тайм-

слота, чтобы позволить AP переключиться с передачи на прием. Затем MT могут передавать свои

пакеты. За uplink периодом следует период состязания, который в этом примере используется

обоими терминалами. Терминал 1 передает два пакета запроса, и терминал 2 передает пакет

контроля с двумя слотами. В примере два пакета сталкиваются, приводя к потере управляющего

пакета и одного из пакетов запроса. Второй пакет запроса успешно передан в третьем слоте. После

состязательного периода перед следующим кадром вставлен незанятый слот, чтобы позволить MT

переключиться с передачи на прием.

Второй важной характеристикой QoS, помимо задержки и джиттера задержки, является

количество ошибок при беспроводном ATM-соединении. В WAND радио-PHY обеспечивает

постоянное обслуживание с заданным качеством обслуживания в реальном масштабе времени

(например, для радиовещания). При соединениях, предназначенных для передачи TCP/IP–данных,

большой коэффициент потери ячеек (> 10-2

) недопустим, поэтому используется защита ARQ.

Кроме того, услуги передачи видео тем более требуют обслуживания в реальном масштабе

времени с низким коэффициентом ошибок. Решение, примененное в WAND, состоит в том, чтобы

использовать ARQ с ограниченным числом ретрансляций.

55

IEEE 802.11

Семейство стандартов IEEE 802

Комитет стандартов локальных и городских сетей IEEE 802 (Local and Metropolitan Area Network

Standards Committee) является основной рабочей группой, учрежденной IEEE для создания,

поддержки и внедрения стандартов IEEE и эквивалентных стандартов IEC/ISO.

Этот комитет был сформирован в 1980 г. и с тех пор проводит заседания как минимум три раза в

год. Комитет IEEE 802 разрабатывает ряд стандартов, известных как IEEE 802.x, и ряд

эквивалентных стандартов JTC 1, известных как ISO 8802-nnn.

Семейство стандартов IEEE 802 изображено на Рис.3. Стандарты физического и MAC-уровней

были отделены от стандартов LLC из-за взаимозависимости между управлением доступом к среде

передачи, средой, и топологией.

Рисунок 3.3

Семейство стандартов IEEE 802 и их соответствие уровням 1 и 2 модели OSI.

Поскольку стандарт 802.11 представляется авторам наиболее перспективным стандартом

беспроводных LAN, ниже приведено его подробное описание.

IEEE 802.2 LLC

LLC - самый высокий уровень стека протоколов IEEE 802 - и обеспечивает функции подобные

традиционному протоколу управления передачей данных: HDLC (Контроль канала передачи

данных высокого уровня). Назначение LLC - обмен информацией между конечными

пользователями по сети, используя 802-основанное MAC соединение. LLC обеспечивает

адресацию и управление передачей данных, он независим от топологии, среды передачи и

выбранного MAC.

Более высокие уровни, например TCP/IP, передают пользовательские данные вниз по стеку

протоколов до LLC, ожидающего свободную от ошибок передачу по сети. LLC в свою очередь

добавляет заголовок управления, создавая протокольный блок данных LLC(PDU – protocol data

unit). LLC использует управляющую информацию в процессе работы протокола LLC (см. рисунок

3.4). Перед передачей, PDU LLC передается через точку доступа к службам MAC (SAP – service

access point) к уровню MAC, который добавляет управляющую информацию в начало и конец

пакета, формируя кадр MAC. Информация управления в кадре необходима для работы протокола

MAC.

56

Рисунок 3.4

LLC обеспечивает контроль соединения точка-точка (end-to-end) беспроводной LAN 802.11.

Услуги IEEE 802.2 LLC

LLC обеспечивает следующим три услуги для протокола Сетевого уровня:

· обслуживание без установления соединения без подтверждения

· обслуживание, ориентированное на соединение

· обслуживание без установления соединения с подтверждением

Все три протокола LLC используют одинаковый формат PDU, который состоит из четырех полей

(см. рисунок 3.5). Поля точки доступа для обслуживания получателя (Destination Service Access

Point (DSAP)) и точки доступа к обслуживанию отправителя (Source Service Access Point (SSAP)),

каждое содержат 7-битные адреса, которые определяют адресата и исходные станции равных

(peer) LLC. Один бит DSAP указывает, предназначен ли PDU для одной станции или группы

станций. Один бит SSAP указывает, является ли это командой или ответом PDU. Формат

управляющего поля (Control) LLC идентичен таковому HDLC, используя расширенные (7-битные)

порядковые номера. Поле данных (Data) содержит информацию от протоколов более высокого

уровня, которые LLC транспортирует адресату.

Рисунок 3.5

Структура LLC PDU

57

Поле Control имеет биты, которые указывают, принадлежит ли кадр к одному из следующих

типов:

· Information (Информационный) – используется для переноса пользовательских данных.

· Supervisory (Контролирующий) - используется для управления потоком данных и защиты от

ошибок.

· Unnumbered (Ненумерованный) – различные управляющие PDU

Стандарт IEEE 802.11

В начальном техническом задании 802.11 определено, что "... цель предлагаемого стандарта

беспроводных LAN состоит в разработке спецификаций беспроводного обеспечения связи для

стационарных, переносных, и подвижных станций в пределах локальной области." Также

определено, что "...цель стандарта - обеспечить беспроводную связи с автоматическими машинами

и оборудованием, которые требуют быстрого развертывания, которое может быть переносное,

карманное, или которое может быть установлено на перемещающихся транспортных средствах в

пределах локальной области."

Итоговый стандарт, который официально называется IEEE Standard for Wireless LAN Medium

Access (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications" определяет беспроводные протоколы,

необходимые для сетеобразования в локальной области. Подобно другим стандартам IEEE

семейства 802 (типа 802.3 и 802.5), основная функция стандарта 802.11 состоит в доставке MSDU

(Сервисные блоки данных MAC) между равными по положению LLC. Как правило, функции

стандартов 802.11 реализованы в плате радио и точке доступа.

Особенности стандарта 802.11 состоят в следующем:

· Поддержка асинхронного и ограниченного по времени обслуживания доставки (asynchronous and

time-bounded delivery service).

· Непрерывность обслуживания в пределах расширенных областей через распределительную

систему, такую как Ethernet.

· Скорости передачи 1Мбит/с и 2Мбит/с (802.11а и 802.11b расширения предлагают более высокие скорости передачи данных чем основной стандарт).

· Поддержка большинства рыночных приложений.

· Услуги групповое вещание (включая радиопередачу) (multicast и broadcast).

· Услуги управления сетью связи.

· Услуги регистрации и аутентификации.

Целевые среды для использования стандарта включают следующее:

· Внутри помещения строений, типа офисов, банков, вычислительных центров, аллей, больниц,

производственных предприятий и жилых помещений

· Наружные области, типа мест для стоянки автомобилей, университетские городки, строительные

комплексы

В стандарте 802.11 приняты во внимание следующие существенные различия между радио- и

проводными LAN:

· Управление питанием (энергопотреблением). Поскольку большинство беспроводных NIC LAN

доступно в формате PCMCIA II, очевидно подобная карта будет применяться в переносных и

58

карманных компьютерах. Проблема состоит в том, что эти устройства питаются от батарей.

Подключение беспроводного NIC LAN к переносному компьютеру может быстро разряжать

батареи.

Рабочая группа 802.11 нашла решение в принудительном переводе устройства в режим низкого

энергопотребления (standby) при отсутствии передачи. Уровень MAC осуществляет функции

управления питанием, помещая радиопередатчик в режим standby при отсутствии передачи в

течение определенного или определяемого пользователем периода времени. Проблема, тем не

менее, состоит в том, что в режиме standby станция может пропустить передачу данных. Эта

проблема решена использованием буфера, сохраняющего сообщения в очереди. Станции

периодически выходят из режима standby, чтобы проверить буфер на наличие сообщений.

· Пропускная способность. Широкополосные диапазоны ISM не предусматривают большой

пропускной способности. Рабочей группой 802.11 были предусмотрены методы сжатия данных

для более рационального использования доступной пропускной способности.

· Защита от несанкционированного доступа. Беспроводные LAN передают сигналы в намного

больших областях чем, кабельные системы, типа витой пары, коаксиального кабеля и

оптоволокна. Для обеспечения защиты радиосетей в проект был вовлечен комитет 802.10,

ответственный за механизмы защиты всех LAN серии 802.х.

· Адресация. Топология беспроводной сети динамически изменяема, поэтому адрес получателя не

всегда соответствует местоположению адресата. Это поднимает проблему маршрутизации пакетов

через сеть назначенному адресату. Таким образом, для работы с подвижными станциями должен

использоваться протокол, основанный на TCP/IP, типа MobileIP.

Топология IEEE 802.11

Топология IEEE 802.11 состоит из компонентов, взаимодействующих с целью обеспечения

беспроводной LAN, которая допускает мобильность станций, прозрачную для более высоких

протокольных уровней, таких как LLC. Станцией является любое устройство, которое содержит

функциональные возможности протоколов 802.11 (другими словами, уровня MAC, уровня PHY, и

интерфейса к беспроводной среде). Функции стандартов 802.11 физически постоянно находятся в

радио-NIC, программном интерфейсе (драйвере) NIC, и точке доступа. Стандарт 802.11

поддерживает следующий две топологии:

· Независимые Сети с Основным набором услуг (IBSS - Independent Basic Service Set)

· Сети с Расширенным Набором услуг (ESS - Extended Service Set)

Эти сети используют основной компоновочный блок, в терминологии стандарта 802.11

именуемый как BSS, обеспечивая зону покрытия в пределах которой станции BSS полностью

соединены. Станция свободна передвигаться в пределах BSS, но она больше не может связываться

непосредственно с другими станциями при покидании BSS.

Независимые сети с основным набором услуг (IBSS- Independent BSS) IBSS - автономная BSS, которая не имеет базовой инфраструктуры (опорной сети - backbone) и

состоит по крайней мере из двух беспроводных станций (см. рисунок 3.6). Этот тип сети часто

называют «временной» сетью, потому что она может быть быстро развернута без особого

предварительного планирования. Временная беспроводная сеть удовлетворяет большинство

потребностей пользователей, занимающих небольшую область, типа одноместного номера,

коммерческого этажа, или крыла больницы.

59

Сети с расширенным набором услуг (ESS-Extended Service Set) Для случая, когда ограниченный радиус действия независимой BSS оказывается недостаточным,

стандарт 802.11 определяет Сеть с расширенным набором услуг (ESS), как показано на рисунке 3.7. Этот тип конфигурации удовлетворяет потребности больших сетей с широкой зоной покрытия

произвольного размера и сложности.

РИСУНОК 3.6

Независимая сеть с основным набором услуг (IBSS) - основной тип беспроводных LAN стандарта

802.11.

РИСУНОК 3.7

Беспроводная LAN стандарта 802.11 с расширенным набором услуг состоит из множества ячеек

(сот), связанных точками доступа и распределительной системой типа Ethernet.

Стандарт 802.11 признает следующие типы мобильности:

· Без перехода (No-transition). Этот тип подвижности относится к станциям, которые не двигаются

и те, которые перемещаются в пределах локальной BSS.

· BSS-переход (BSS-transition) Этот тип подвижности относится к станциям, которые двигаются от

одной BSS к другой в пределах одной ESS.

· ESS – переход (ESS-transition) Этот тип подвижности относится к станциям, которые двигаются

от BSS в одной ESS к BSS в другой ESS.

60

Стандарт 802.11 явно поддерживает типы мобильности «без перехода» и «BSS-переход».

Стандарт, тем не менее, не гарантирует, что соединение сохранится при ESS-переходе.

Стандарт 802.11 определяет распределительную систему как элемент, который связывает BSS в

пределах ESS посредством точек доступа. Распределительная система поддерживает типы

мобильности стандарта 802.11 предоставляя услуги, необходимые для обработки логической

привязки адреса пункту назначения и бесшовную интеграцию нескольких BSS. Точка доступа -

адресуемая станция, обеспечивающая интерфейс к распределительной системе для станций,

расположенных в пределах различных BSS. IBSS и ESS сети прозрачны для уровня LLC.

В пределах ESS стандарт 802.11 предполагает следующие физические конфигурации BSS:

· BSS частично накладываются друг на друга. Этот тип конфигурации обеспечивает непрерывную

зону покрытия в пределах определенной области, эта конфигурация является лучшей, если

приложение не допускает сбой сетевой службы.

· BSS физически разделены. В этом случае конфигурация не обеспечивает непрерывную зону

обслуживания. Стандарт 802.11 не определяет предел расстояния между BSS.

· BSS физически совмещены. Этот вариант конфигурации может использоваться для обеспечения

отказоустойчивой или более-высоко-производительной сети.

Стандарт 802.11 не устанавливает ограничений на тип распределительной системы, это может

быть 802-совместимая или какая-либо нестандартная сеть. В случае передачи кадров от и к IEEE

802.11-несовместимой LAN эти кадры, в соответствии со стандартом 802.11 входят и выходят

через логическую точку, называемую порталом (portal). Портал обеспечивает логическую

интеграцию между существующими проводными LAN и 802.11 LAN. Когда распределительная

система создана с применением 802-совместимых компонент, например 802.3 (Ethernet) или 802.5

(Token Ring), тогда портал и точка доступа становятся одним и тем же.

Логическая архитектура IEEE 802.11

Топология обеспечивает средства объяснения необходимых физических компонентов сети, но

логическая архитектура определяет работу сети. Как показано на Рис. 3.8, логическая архитектура

стандарта 802.11, которая относится к каждой станции, состоит из одного MAC-уровня и одного

из нескольких PHY-уровней.

LLC

MAC

PHY PHY PHY

РИСУНОК 3.8

Один 802.11 MAC-уровень поддерживает три различных PHY: FHSS (frequency hopping spread

spectrum – расширение спектра методом скачков по частоте), DSSS (direct sequence spread spectrum

- прямое расширение спектра), и IR (Infra-Red) - инфракрасный свет.

MAC –уровень стандарта IEEE 802.11

61

Задача уровня MAC состоит в обеспечении функций управления доступом (адресации,

координации доступа, генерация и проверка последовательности проверки кадров, и

разграничение (delimiting) протокольного блока данных (PDU) LLC) для PHY с разделяемой

средой передачи с целью поддержки уровня LLC. Уровень MAC исполняет адресацию и

распознавание кадров в поддержку LLC. Стандарт 802.11 использует CSMA/CA (множественный

доступ с контролем несущей с избежанием коллизий), и стандартный Ethernet, использующий

CSMA/CD (множественный доступ с опознаванием несущей и определением коллизий).

Одновременный прием и передача на одном радиоканале с использованием одного

приемопередатчика невозможен, поэтому, беспроводная LAN 802.11 принимает меры только по

избежанию коллизий, но не обнаружению их.

Физические уровни IEEE 802.11

Стандарт 802.11 определяет несколько физических уровней. Начальный стандарт, одобренный в

1997 включал скачки по частоте и прямое расширение спектра, обеспечивая скорости передачи

данных 1 и 2 Мбит/с в диапазоне 2.4 ГГц. Эта начальная редакция также определяла

инфракрасный Физический уровень, работающий в 1 и 2 Мбит/с через пассивное отражение от

потолка помещения. Текущая версия стандарта 802.11, выпущенная в декабре 1999, добавила

высокоскоростной стандарт DSSS, обычно называемый IEEE 802.11b. Кроме того, текущий

стандарт определяет физический уровень, использующий OFDM (ортогональное частотное

уплотнение), для обеспечения скоростей передачи данных до 54Мбит/с в диапазоне частот 5ГГц.

Подобно стандарту IEEE 802.3, рабочая группа 802.11 постоянно работает над дополнительными

PHY, рассматривая новые появляющиеся технологии.

ДОПОЛНЕНИЕ К СТАНДАРТУ IEEE 802.11 ДЛЯ ДИАПАЗОНА 2.4 ГГЦ

В июле 1998 рабочая группа ETSI 802.11b утвердила манипуляцию комплементарным

(дополнительным) кодом (Complementary Code Keying - CCK) как основу для высокоскоростного

дополнения PHY для обеспечения скоростей передачи данных до 11 Мб/сек [4]. Это дополнение

было одобрено, поскольку оно обеспечивает простой путь к взаимодействию с существующими

сетями 1 и 2 Мб/сек, поддерживая ту же ширину полосы и используя те же преамбулу и

заголовок. Новое дополнение обеспечивает работу на скоростях 1, 2, 5.5 и 11 Мб/сек.

802.11 DSSS 1-и-2 Мб/сек

Ниже приводится краткий обзор структуры сигнала 1 и 2 Мб/сек прямой широкополосной

последовательности (direct sequence spread-spectrum - DSSS). Необходимо отметить, что схема

сигнализации CCK 5.5 и 11 Мб/сек является естественным продолжением DSSS - систем. Это

обеспечивает простой переход от более низких скоростей передачи данных к более высоким.

Также естественно обеспечивается способность к взаимодействию.

Структура пакета показана на рис. 1. Полный пакет (PPDU) включает три сегмента. Первый

сегмент - преамбула, которая используется для обнаружения сигнала и синхронизации. Второй

сегмент - заголовок, который содержит информацию о скорости передачи данных и длине пакета.

Третий сегмент (MPDU) содержит информационные биты. Преамбула и заголовок передаются со

скоростью 1 Мб/сек, а сегмент данных передается на одной из четырех возможных скоростей.

Преамбула формируется из поля SYNC и синхронизирующего ограничителя поля (sync field

62

delimiter - SFD). Поле SYNC генерируется с использованием 128 скремблированных единиц. Поле

SYNC используется для оценки свободности канала, обнаружения сигнала, выделения

синхронизации по времени, выделения синхронизации по частоте, оценки многолучевости и

синхронизации дешифратора случайных последовательностей (дескремблера).

DSSS-сигнал 1 и 2 Мб/сек создается с использованием фиксированной последовательности

распространения (fixed spreading sequence), сформированной из 11 элементов (чипов) кода Баркера. Это контрастирует с военными системами, которые обычно используют длинные

псевдослучайные последовательности распространения. Для 1 Мб/сек, фиксированная

последовательность распространения используется для расширения BPSK-модулированного

сигнала 1 Мб/сек, в то время как для 2 Мб/сек та же самая последовательность распространения -

четверичная ФМ модулируемая (PSK) - QPSK. Для всех скоростей передачи данных от 1 до 11

Мб/сек скорость кристалла составляет 11 МЧип/с.

Рис 1. Структура пакета 802.11 DSSS 1 / 2 / 5.5 и 11 МБ/с

Услуги IEEE 802.11

Стандарт 802.11 определяет услуги, которые обеспечивают функции, необходимые уровню LLC

для посылки Сервисных блоков данных MAC (MSDU) между двумя объектами по сети. Эти

услуги, предоставляемые уровнем MAC, относятся к двум категориям:

· Услуги Станции. Они включают Аутентификацию, Деаутентификацию, Секретность

(Authentication, Deauthentication, Privacy), и доставку блоков MSDU.

· Услуги Распределительной системы. Они включают Подключение, Отключение, Распределение,

Интеграцию и Переподключение (Association, Disassociation, Distribution, Integration, and

Reassociation).

Станционные услуги (Station Services)

Стандарт 802.11 определяет услуги для обеспечения функций среди станций. Станция может быть

модуль, включенный в состав любого беспроводного элемента на сети, типа карманного

персонального компьютера или карманного сканера. Кроме того, все точки доступа осуществляют

услуги станции. Чтобы обеспечивать необходимые функциональные возможности, эти станции

63

должны посылать и принимать блоки данных MSDU и обеспечивать определенные уровни

защиты.

Аутентификация

Поскольку беспроводные LAN имеют ограниченную физическую защищенность, для

предотвращения несанкционированного доступа, стандарт 802.11 определяет услуги

аутентификации, для управления доступом к LAN на уровне, эквивалентном проводному

соединению. Каждая станция должна использовать службу аутентификации для установления

соединения с другой станцией. Станция, выполняющая процедуру аутентификации, посылает кадр

идентификации управления передачи (unicast management authentication frame) в адрес

соответствующей станции.

Стандарт IEEE 802.11 определяет следующие две услуги аутентификации:

· Аутентификация Открытой системы. Это метод аутентификации стандарта 802.11 по умолчанию.

Это - очень простой процесс, выполняемый в два этапа. Сначала станция, желающая провести

аутентификацию с другой станцией посылает кадр управления аутентификацией, содержащий

идентификатор станции-отправителя. Станция-получатель посылает назад кадр, указывающий,

признает ли она подлинность станции-корреспондента.

· Аутентификация с использованием общего ключа (Shared key authentication). Этот тип

аутентификации предполагает, что каждая станция получила секретный общий ключ через

безопасный канал, независимый от сети 802.11. Станции подтверждают подлинность через общее

знание секретного ключа. Использование аутентификации по общему секретному ключу требует

выполнения алгоритма эквивалента секретности проводной связи (WEP - Wired Equivalent Privacy

algorithm).

Деаутентификация

Когда станция хочет отключиться от другой станции, она вызывает службу деаутентификации.

Деаутентификации является уведомлением, от которого другая станция не может оказаться.

Станция выполняет деаутентификацию, посылая опознавательный кадр управления (или группу

кадров множеству станций) чтобы уведомить относительно завершения аутентификации.

Секретность (Privacy)

В случае беспроводной сети все станции и другие устройства могут прослушивать трафик данных

в пределах диапазона сети, что серьезно снижает защищенность радиолинии. IEEE 802.11 борется

с этой проблемой, предлагая опциональную службу секретности, которая повышает защиту сети

802.11 до уровня проводной сети.

Служба секретности, применяемая ко всем кадрам данных и отдельным кадрам управления

аутентификацией, основана на алгоритме WEP, который значительно снижет риск подслушивания

сети. Этот алгоритм использует кодирование сообщений, как показано на рисунке 3.9. С WEP все станции первоначально начинают работу без шифрации.

64

Услуги распределительной системы

Услуги Распределительной системы, как определено 802.11, обеспечивают функциональные возможности поверх распределительной системы. Точки доступа обеспечивают услуги

распределительной системы. Следующие разделы обеспечивают краткий обзор услуг, которые необходимы распределительной системе для обеспечения надлежащей передачи MSDU.

Ассоциация (Association)(соединение)

Каждая станция должна первоначально вызвать службу ассоциации с точкой доступа прежде, чем

она может посылать информацию через распределительную систему. Служба ассоциации

привязывает станцию к распределительной системе через точку доступа. Каждая станция может

связываться только с одной точкой доступа, но каждая точка доступа может связываться с несколькими станциями. Ассоциация также является первым шагом в обеспечении мобильности

станции между BSS.

Деассоциация (Disassociation)(разъединение)

Станция или точка доступа могут вызывать службу разъединения, чтобы завершить

существующую ассоциацию (соединение). Деассоциация является уведомлением, поэтому ни одна

из сторон не может отказаться от разъединения. Станции должны вызвать службу деассоциации

при отключении от сети.

Распределение (Distribution)

Станция использует службу распределения, каждый раз когда посылает MAC-кадры по

распределительной системе. Стандарт 802.11 не определяет, как распределительная система

поставляет данные. Служба распределения обеспечивает распределительной системе

необходимый минимум информации, чтобы определить BSS с соответствующим адресом

Интеграция (Integration)

Служба интеграции делает возможной передачу MAC-кадров через портал между

распределительной системой и сетью, отличной от 802.11. Особенности функционирования

службы интеграции зависят от распределительной системы и находятся вне контекста стандарта 802.11.

Ре-ассоциация (Reassociation) - переподключение

Служба реассоциации дает возможность станции изменить ее текущее состояние ассоциации.

Реассоциация обеспечивает дополнительные функциональные возможности для поддержки

мобильности типа BSS-переход ассоциированных станций. Служба реассоциации дает

возможность станции изменить ее ассоциацию с одной точкой доступа на другую. Реассоциация

также допускает изменение атрибутов установленной ассоциации, в то время как станция остается

ассоциированной с одной и той же точкой доступа. Инициатором службы реассоциации всегда

выступает подвижная станция.

65

Состояния станции и соответствующие типы кадров (Station States and Corresponding Frame Types)

Состояние, существующее между станциями источника и адресата (см. рисунок 3.10) определяет,

какими типами кадров IEEE 802.11 эти две станции могут обмениваться.

РИСУНОК 3.10

Работа станции зависит от ее состояния.

В пределах каждого класса кадров могут происходить следующие типы функций:

Кадры класса 1

· Кадры контроля (Control frames)

Запрос на передачу (RTS - Request to send), Разрешение на передачу (CTS - Clear to send),

Подтверждение (ACK - Acknowledgment), Без конкуренции (без подтверждения?) (CF - Contention-

free)

· Кадры управления (Management frames)

Probe request/response Beacon Authentication Deauthentication Announcement traffic indication

message (ATIM)

· Кадры данных (Data frames)

Кадры класса 2

· Кадры управления

Запрос/ответ ассоциации Association request/response Реассоциации запрос/ответReassociation

request/response Разъединение Disassociation

Кадры класса 3

· Кадры данных (Data frames)

· Кадры управления (Management frames)

deauthentication

· Кадры контроля (Control frames)

Энергосбережения (Power Save), Опроса (Poll)

Чтобы следить за состоянием станции, каждая станция хранит две переменных состояния:

66

· Состояния аутентификации (Authentication state). Имеет значения: аутентифицирован и

неаутентифицирован.

· Состояния ассоциации (Association state). Имеет значения: ассоциирован и неассоциирован.

Рабочая группа IEEE 802.11e находится в процессе работы над улучшением MAC стандарта 802.11, чтобы обеспечить качество обслуживания (QoS). Это также должно обеспечить повышение

эффективности и защищенности стандарта 802.11.

Можно сделать вывод, что стандарт беспроводных LAN IEEE 802.11 безусловно предоставляет

выгоды, которые должны быть приняты во внимание при выборе компонентов, обеспечивающих

мобильность LAN. IEEE 802 - солидное семейство стандартов, которые обеспечивают намного

большую способность к межуровневому взаимодействию чем частные системы. Стандарт 802.11

разрабатывается IEEE, в активе которого опыт разработки превосходных долговечных стандартов,

таких как IEEE 802.3 (ethernet) and IEEE 802.5 (token ring).

67

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая перспективы широкополосных технологий, многие аналитики склонны верить в

полную и окончательную победу стандарта 802.11a (речь, конечно, идет о линейке 802.11).

Думается, что в условиях ограниченного частотного спектра, когда повсеместно разрабатываются

и применяются на практике технологии пространственного, временного и спектрального

уплотнения, когда уже сделаны значительные инвестиции - например, в тот же Bluetooth, такие

заявления просто безответственны. Тем более что каждый частотный диапазон имеет свои,

уникальные особенности распространения и регулирования.

В этих условиях ко двору, скорее всего, придутся любые технологии беспроводной передачи

данных, способные обеспечить необходимые качество, скорость и доступность: и HiperLAN, и все семейство стандартов 802.11, и навязший уже в зубах Bluetooth, и broadband DECT и все-все-все. А

ведь здесь еще ни слова не сказано о 802.16 и 802.15, соответственно, стандартах на городские

беспроводные сети (fixed wireless) и персональные сети - PAN, Personal Area Networks,

призванных обеспечить высокоскоростную вещательную передачу данных (по схеме «точка -

многоточка») в городских сетях и надежное бесшовное взаимодействие великого множества

гаджетов, сенсоров, датчиков освещения, напора и расхода воды и газа и т. д., управление

исполнительными механизмов бытовых устройств и прочей хозяйственной утварью. И причем,

делать это наиболее простым и понятным для их владельца способом.

Еще лучше - вовсе без его участия, на основе простого свода правил и предустановок. Как

например, это пытается делать чипсет, разработанный корпорацией Embedded Wireless Devices:

устройства на его основе сразу после включения будут прослушивать весь диапазон частот, пытаясь определить доступные сети и протоколы, а затем - подключиться к обнаруженным сетям.

А выбирать есть из чего: на одном кристалле содержатся два полосовых радиочастотных

процессора. Один обеспечивает работу в стандартах IEEE 802.11b, Bluetooth, HomeRF и WDCT

(американская разновидность стандарта DECT, работающая в диапазоне 2,4 ГГц), а другой -

HiperLAN 2 и 802.11а (соответственно, 5,7 ГГц) - в любой из комбинаций. Каналы работают

одновременно, так что на одной микросхеме можно реализовать шлюз - конвертор 2,4/5,7 ГГц или,

в зависимости от шумовой обстановки и необходимой скорости передачи данных, оперативно

переключаться между каналами и задачами, реализуя необходимое качество связи.

После заявленных характеристик реализация на той же микросхеме интерфейсов USB 1.1, IrDA,

PCMCIA, ISA, кодека G726 (и, соответственно, портов для подключения телефонных микрофона и

динамика) и двух Ethernet-портов, на 10 и 10/100 Мбит/с - при токе потребления около 0,2 А,

напряжении питания 1,8 В и цене меньше 30 долларов (в начале следующего года, когда должны

появиться коммерческие образцы) - кажется суровой необходимостью.

Все это - не что иное, как одна из первых реализаций идей программно определяемого радио

(SDR, Software Defined Radio). После довольно долгого периода предпродажная подготовка этой

технологии закончена и, наконец, начинают появляться первые коммерческие образцы.

Изменения, которые произойдут с их массовым распространением в индустрии беспроводного

доступа, будут скорее всего оглушительны: многие аналитики сравнивают возможный эффект их

появления с тем, что в свое время, в начале 1980-х, произвели первые персональные компьютеры.

68

Приложение 1

Комплементраные коды (CCK)

Комплементарные (дополняющие) коды первоначально были введены M.J.L. Golay для

инфракрасной спектрометрии [5]. Однако их свойства нашли им применение также в радарных

приложениях, мультитоновой дискретной связи и OFDM [6]. Первоисточник определяет

дополняющий ряд как пару последовательностей одинаковой длины, состоящих из двух типов

элементов, в которых число пар подобных элементов с любым данным разделением в одном ряде

равен числу пар различных элементов с тем же самым разделением в другом ряде. Другим

определением пары дополняющих кодов является следующее: сумма их апериодических

автокорреляционных функций равна нулю для всех задержек, кроме нулевой задержки.

Коды CCK, утвержденные в июле 1998 на конференции ETSI 802.11 приведены в [6].

Дополнительная информации об этих кодах может быть найдена в [7]. Следующее уравнение представляет восемь комплексных чиповых значений кодового набора CCK, с фазовыми

переменными, являющимися фазами QPSK.

c = {ej(φ1+ φ2+ φ3+ φ4)

, ej(φ1+ φ3+ φ4)

, ej(φ1+ φ2 φ4)

, -ej(φ1+ φ4)

, ej(φ1+ φ2+ φ3)

, e(φ1+ φ3)

, -ej(φ1+ φ2)

, ej(φ1)

}

Три фазы φ2, φ3 и φ4 определяют 64 различных 8-чиповых кода, а φ1 дает дополнительное

фазовое вращение (циклический сдвиг) полной кодовой комбинации. Фактически, последняя фаза

дифференциально закодирована в последовательных ключевых словах, эквивалентно 1 и 2 Мб/сек

DSSS дифференциальному фазовому кодированию. Эта особенность позволяет на приеме

использовать дифференциальное декодирование фазы, при необходимости устраняя следящую за

несущей фазовую автоподстройку (carrier-tracking phase-locked loop (PLL)). Каждая из этих

четырех фаз φ1 - φ4 представляет 2 бита информации, так что в 8-чиповое кодовое слово CCK

закодировано в общей сложности 8 битов.

Обработка на скорости 5.5 Мб/сек осуществляется идентичным образом: 4 информационных

бита используются при передаче 8-чипового CCK кодового слова. Скорость передачи кодовых

слов остается равной 1.375 МГЦ, так как скорость кристалла - 11 МЧип/с. Два бита выбирают

один из четырех CCK подкодов. Другие 2 информационных бита квадрифазово-модулируют

(вращают) целое кодовое слово. Четыре подкода CCK содержатся в большом наборе из 64-х

подкодов, использующемся при работе на скорости 11 Мб/сек. На приеме коды CCK могут быть

декодированы, используя измененное быстрое преобразование Уолша, как описано в [8].

69

ГЛОССАРИЙ

OFDM - Ортогональное частотное мультиплексирование (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) ACH - access feedback control ( управлениt с обратной связью доступа)

ACK - аcknowledgement ( уведомление )

ADC - Analog-digital converter - Аналогово-цифровой преобразователь

AGC - automatic gain control ( автоматическая регулировка усиления )

AP - access point ( место доступа )

ARQ - automatic repeat reguest ( автоматическое повторение запроса )

ASIC - технологии специализированной интегральной схемы (applications specific integrated circuit) ASK (amplitude-shift keying) - амплитудная модуляция, АМн

ATM - asynchronous transfer mode ( асинхронный режим передачи )

BCH - broad-cast control ( радиовещательное управление )

BER (Bit Error Rate) - Частота ошибок по битам

BPSK - binary phase shift keying ( двоичная фазовая манипуляция )

CCA - clear channel assessment ( оценка свободного канала )

cdf - cumulative distribution functions (совокупность функций распределения) CPM (Continuous Phase Modulation) - Непрерывная фазовая модуляция

CP - cyclic prefix ( циклический префикс )

CSI - channel state information ( скрытый информационный канал )

CSMA/CA - carrier sense multiple access with collision avoidance ( множественный доступ с

контролем несущей и предотвращением конфликтов )

DAC - Digital to Analog Convertor - цифрово-аналоговый преобразователь.

DAPSK (Differential Amplitude Phase Modulation) - Дифференциальная амплитудная фазовая

модуляция

DFS - Dinamic Frequence Select - динамический выбор частоты.

DFT - discrete Fourier transform ( дискретное преобразование Фурье )

DL - downlink ( пересылка данных с искусственного спутника на наземную станцию)

DLC - Data Link Control - управление обработкой данных.

DPSK (Differential Phase Shift Keying) - Дифференциальная фазовая модуляция DSP-Digital Signal Processor -цифровой сигнальный процессор

DTFT - дискретно-временное преобразования Фурье (discrete-time Fourier transforms)

EM - Expectation Maximization (Максимизация ожидания)

FCC - federal communication commission ( федеральная комиссия связи (США)

FCH - frame control ( управления структуры )

FEC (forward error correction) - прямое исправление ошибок

FIR - конечная импульсная характеристика (finite impulse response) FPGA - технология программируемой пользователем вентильной матрицы (Field Programmable

Gate Array)

FSK - frequency-shift keying ( частотная манипуляция )

HDL - High-level Data Link - высокоуровневая обработка данных.

HF - высокочастотное (high frequency)

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров по электротехнике и

электронике

IEEE 802.11а (Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.11а) - Стандарт 802.11а

ICI - межканальные помехи (interchannel interference)

IDFT - инверсивное DFT (inverse DFT)

i.i.d. - independent identical distributed (независимая равномерно распределеная )

ISI - межсимвольные помехи (intersymbol interference)

IDFT - обратное дискретный преобразование Фурье (inverse discrete Fourier Transform )

IF - Intermediate Frequency (Промежуточная частота)

IFFT - Inverse Fast Fourier Transform (Быстрое обратное преобразование Фурье)

IQ - Разбалансировка синфазных и квадратурных составляющих

70

FFT - быстрое преобразование Фурье (fast Fourier transform)

FSK - frequency-shift keying ( частотная манипуляция )

LMS - Least Mean Squared algorithm (Минимальный среднеквадратичный алгоритм)

MAC - доступ к среде передачи (Media Access Control)

MCMC - Monte Carlo Markov Chain (Цепь Маркова - Монте Карло)

MIB - Management Information Base (Информационная база управления)

MIMO - multiple-input, multiple-output system (система со многими входами и многими выходами)

MMAC - mobile multimedia access communications ( мобильная связь доступа мультимедиа )

MSE - Mean Squared Error (Среднеквадратичная погрешность)

MT - mobile terminal ( подвижный терминал )

PAPR - Peak-To-Average Power Ratio (Отношение мощности как максимум к среднему)

PDF (probability distribution function) - функция распределения вероятностей;

PDU - protocol data unit ( протокольная единица обмена, модуль данных протокола )

PER (Packet Error Rate) - Частота ошибок по пакетам

PF - Peak Factor (Пиковый фактор)

PHY - Physical Layer (Физический уровень)

PLL - Phase Lock Loop techniques (Фазовая автоподстройка частоты)

PSDU - physical layer service data unit ( сервисный блок данных физического уровня )

PSK (phase-shift keying) - фазовая манипуляция, ФМн

PSDU - physical layer service data unit ( сервисный блок данных физического уровня )

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - Квадратурная Амплитудная Модуляция

QPSK - quaternary phase-shift keying ( фазовая манипуляция с четвертичными (фазовыми) RAM - Random Access Memory - память с произвольны

RСH - random access channel ( канал произвольного доступа )

RCHS - Random Channels Select - произвольный выбор каналов.

RF - Raio-friquency – Радиочастота

RFCH - Random access Feedback Channels - каналы обратной связи с произвольным доступом.

ROM - Read-Only Memory - память только для чтения. RS – сodes Reed-Solomon (коды Рида-Соломона )

RSC – Recursive systematic convolutional (рекурсивного систематического сверточного кода)

SCH - короткий канал переноса ( shorttransport channel )

SER - Symbol Error Rate (Величина символической ошибки)

SISO - single-input, single-output system (система с одним входом и одним выходом)

SN - sequence number ( порядковый номер )

SNR - signal-to-noise ratio ( отношение сигнал/помеха )

SSTC - Spherical Space-Time Codes(сферические пространственно-временные коды)

TCM – Trellis Coded Modulation (Решетчатая модуляция)

TDM - Time Division Multiplexing - временное мультиплексирование.

TD - Total Degradation (Полное исчезновение) TDMA - Time Division Multiplexing Access - множественный доступ с временным разделением.

UDCH - User Data Channels - каналы данных пользователя.

UBCH - User Broadcast Channels - радиоканалы пользователя

UMCH - User Multicast Channels - каналы пользователя со многими путями передачи.

UL - uplink ( спутниковый канал связи )

VHDL - Very High-level Data Link -высший уровень обработки данных.

м доступом.

WLAN (Wireless Local Area Network) - беспроводная локальная сеть

XOR (Exclusive OR) - Операция исключающего ИЛИ

71

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. IEEE 802.11. "Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)

specifications," Nov. 1 997.

2. IEEE 802.11, "Draft Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange

Between Systems - LAN/MAN Specific Requirements — Part 11: Wireless MAC and PHY

Specifications: High Speed Physical Layer in the 5 GHz Band," P802.11a/D6.0, May 1999.

3. ETSI, "Radio Equipment and Systems, High PErformanco Radio Local Area Network

(HIPERLAN) Typo 1," ETS 300-652, Oct. 1396.

4. M. Webster of a/., "Harris/Lucent TGb Compromise CCK (11 Mb/s) Proposal," doc.:IEEE

PS02.11-98/246, July 1998.

5. M. J. E. Golay, "Complementary Series," IRE Trans. Info. Theory, Apr. 1961, pp. 82-87.

6. R. van Nee, "OFDM Codes for Poak-to-Average Power Reduction and Error Correction," IEEE

Global Telecommun, Co/if., Nov. 18-22, 1996, pp. 740-44.

7. K. Halford et a/., "Complementary Code Keying for Rake-Based Indoor Wireless

Communication," to be published at IEEE ISCAS '99, Orlando, FL.

8. A. Grant and R. van Nee, "Efficient Maximum Likelihood Decoding of Q-ary Modulated Reed-

Muller Codes," /EEE Commun. Lett., vol. 2, no. 5, May 1998, pp. 134-36.

9. H. Hashemi, "The Indoor Propagation Channel," Proc, IEEE, vol. 81, no. 7, July 1993, pp. 943-

68.

10. R. van Nee and R. Prasad, OFDM for Mobile Multimedia Communications, Boston: Artech

House, Dec. 1999.

11. ETSI BRAN, "HIPERLAN Type 2 Functional Specification Part 1 – Physical Layer."

DTS/BRAN030003-1, June 1999. [121 J. Mikkoncn et at., "The Magic WAND — Functional

Overview," IEEEJSAC, vol. 16. no. 6, Aug. 1998, pp. 953-72.

72

Крейнделин Виталий Борисович

Малафеев Владимир Михайлович

Мамзелев Сергей Игоревич

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Учебное пособие

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________