Стандарт 802.11g приоткрывает будущее беспроводных сетей

11 декабрь, 2002 - 00:00Леонід Бараш Происхождение

Нужно сказать, что новый стандарт появился не на пустом месте. Он -- прямой потомок существующих беспроводных технологий, вобравший в себя их лучшие качества. Поэтому для полноты картины очень кратко напомним его "родословную". Кратко, поскольку наш еженедельник уже публиковал обзоры по этим технологиям.

Первый беспроводной стандарт IEEE 802.11 был принят в 1997 г. Работа над ним продолжалась около семи лет, что говорит о том, что она была сопряжена со значительными трудностями. На физическом уровне стандарт предусматривал два различных метода передачи радиосигнала с расширением спектра в диапазоне 2,4 GHz: метод скачущего переключения частот (Frequency Hopping Spread Spectrum -- FHSS) и метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum -- DSSS).

При использовании FHSS передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в определенной последовательности, которая кажется случайной. Схема предусматривает разделение выделенной полосы частот на 79 поддиапазонов шириной 1 MHz каждый. В качестве модуляции используется двухуровневое гауссово переключение частот (2-level GFSK), что позволяет достичь скорости передачи данных 1 Mbps.

В методе DSSS весь диапазон 2,4 GHz делится на пять перекрывающихся 26-мегагерцевых поддиапазонов. Информация передается по каждому из каналов без переключения на другие. Значение каждого бита кодируется с помощью избыточной 11-битовой последовательности Баркера (Barker) -- 10110111000. Она имеет определенные математические свойства, делающие ее весьма эффективной для кодирования. Над исходным потоком битов выполняется операция XOR с кодовым словом Баркера, в результате чего получается последовательность данных, называемых чипами (chips). Другими словами, каждый бит данных кодируется с помощью 11-битового кода Баркера и каждая группа из 11 чипов кодирует один бит данных. Затем каждая 11-битовая последовательность чипов преобразуется в волновую форму, или символ, и модулируется. Если в качестве схемы модуляции используется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK), т. е. один фазовый сдвиг на каждый бит, то скорость передачи составит 1 Mbps. Для достижения в два раза большей скорости применяется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) -- с помощью четырех сдвигов фаз удается закодировать два бита в одном символе. Надо сказать, что в связи с высокой стоимостью первых продуктов и низкой пропускной способностью эта технология имела весьма ограниченный успех на рынке.


IEEE 802.11b -- тезис

Дальнейшее развитие беспроводных технологий пошло по двум расходящимся путям. Один из них определился стандартом IEEE 802.11b (Wi-Fi), использующим для передачи радиосигналов только метод DSSS. Таким образом, он совместим с IEEE 802.11 DSSS, но за счет более эффективного механизма кодирования -- Complementary Code Keying (CCK) -- обеспечивает пропускную способность 11 Mbps. Здесь аналогом кода Баркера служат последовательности кодов, называемые дополнительными. Не вдаваясь подробно в довольно сложную теорию CCK, приведем все же некоторые определения и особенности этого метода просто для того, чтобы наше изложение не повисло в воздухе. К тому же CCK входит как обязательный элемент и в спецификацию IEEE 802.11g, являющуюся основной темой нашего повествования.

Рис. 1

Две конечные двоичные последовательности равной длины называются дополнительными, если число пар подобных элементов с каким-либо разделителем между ними в одной равно числу пар отличных элементов с таким же разделителем в другой. Симметрия, содержащаяся в приведенном выше определении, интуитивно не очевидна, но легко усматривается из примера (рис. 1). Последовательность 1 имеет четыре пары подобных элементов, при этом первая и третья пары отличных элементов (зеленый цвет) разделены парой подобных элементов (красный цвет). Соответственно, последовательность 2 имеет четыре пары отличных элементов, и первая и третья пары подобных элементов (красный цвет) разделены парой отличных элементов (зеленый цвет). Посмотрим, чем эти свойства станут полезными в цифровых коммуникациях. Оказывается, что дополнительные коды примечательны тем, что их автокорреляционная с циклическим сдвигом векторная сумма не равна 0 только при нулевом сдвиге. Покажем это на примере наших последовательностей.

Итак, пусть пара дополнительных последовательностей заданы своими элементами a_i и b_i, где i = 1, 2, ..., n. Соответствующие автокорреляционные последовательности определяются формулами


и
.

В идеальном случае две последовательности являются дополнительными, если выполняются следующие равенства

.

В таблице приведены значения компонентов с_j и d_j для j = 0, 1, ..., 4.

Как уже упоминалось выше, в стандарте 802.11b для кодирования вместо кодов Баркера в качестве набора чипов используются 8-битовые дополнительные последовательности. А описанные свойства позволяют корректно различать символы даже в присутствии значительных шумов и эффекта многократного отражения.


IEEE 802.11a -- антитезис

Второй "боковой ветвью" стандарта IEEE 802.11 является спецификация IEEE 802.11a. Она обеспечивает максимальную пропускную способность 54 Mbps, однако для этого применяют более емкий информационный канал -- полосу частот 5,15--5,825 GHz. Кроме разных радиодиапазонов, стандарты 802.11b и 802.11a предусматривают принципиально различные методы передачи. В первом случае для передачи используется одна несущая, тогда как во втором -- множество несущих (MultiCarrier Modulation -- MCM). Схема, применяемая в 802.11a, называется мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -- OFDM). Главный принцип заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции соответствующего числа несущих. В итоге, схема BPSK дает скорость передачи 6 Mbps, QPSK удваивает это значение, последующее удвоение достигается с помощью 16QAM, ну и, наконец, схема 64QAM позволяет получить 54 Mbps.


IEEE 802.11g -- синтез

Как легко видеть, стандарт IEEE 802.11a оказался несовместимым ни с вариантом 802.11b, ни с исходным беспроводным стандартом IEEE 802.11. Поэтому в июле 2000 г. была создана группа Task Group G (TGg), которой поручили миссию разработать беспроводной стандарт, использующий полосу 2,4 GHz и обеспечивающий высокую скорость передачи. После полутора лет работы группа подготовила предварительный вариант нового стандарта.

Может возникнуть вопрос, зачем нужно было делать столь пространное вступление? Дело в том, что во вступлении не только представлено существующее положение дел, но и описаны все необходимые компоненты, на которых базируется стандарт IEEE 802.11g.

В качестве обязательных требований предварительный стандарт включает функционирование в диапазоне 2,4 GHz, применение метода мультиплексирования OFDM для достижения скорости передачи данных 54 Mbps и поддержку схемы кодирования CCK/Barker для обратной совместимости с существующим оборудованием Wi-Fi. Наряду с обязательными стандарт предусматривает также два опциональных элемента. Это гибрид CCK и OFDM, который должен способствовать использованию OFDM и в то же время обеспечит обратную совместимость с имеющимися CCK-устройствами. Вторым элементом является схема кодирования PBCC (Packet Binary Convolutional Code). Включение или невключение опциональных элементов предоставляется на усмотрение изготовителей оборудования. Здесь мы сосредоточимся лишь на обязательных элементах.

Начнем со структуры пакетов. Каждый пакет можно представить как состоящий из двух основных частей: преамбулы/заголовка и полезных данных. Преамбула/заголовок служит для объявления всем устройствам, разделяющим этот канал о том, что начинается передача информации. Сама преамбула содержит известную последовательность нулей и единиц, получая которую, устройство готовится к приему данных. Когда преамбула заканчивается, устройство должно быть готово к приему. Заголовок следует сразу за преамбулой и передает несколько важных частей информации, включая длину полезной нагрузки (в микросекундах). В этот отрезок времени никакое другое устройство не начнет передачу. Таким образом удается избежать коллизий. Данный механизм доступа к среде передачи называется множественным доступом с определением несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance -- CSMA/CA). Длина полезных данных может значительно изменяться -- от 64 до 1500 байт.

Рис. 2

В большинстве случаев преамбула/заголовок и полезные данные кодируются с использованием одной схемы, например CCK. Однако допускаются и исключения из этого правила, которые будут обсуждены ниже. Возможные структуры пакетов приведены на рис. 2.


Обратная совместимость и взаимодействие

Напомним, что DSSS (CCK/Barker) и OFDM являются совершенно разными методами передачи. Первый опирается на одну несущую, тогда как второй использует множество несущих. Каким же образом удается устройствам, применяющим эти два метода, разделять радиоканал и взаимодействовать? Посмотрим, как это делается.

В типичном случае беспроводные устройства 802.11 оперируют в окружении некоторой инфраструктуры. Мобильные клиенты связываются с точками доступа, являющимися стационарными и обеспечивающими интерфейс с проводной локальной сетью. К одной точке доступа может подключаться значительное число клиентов (скажем, 75 или более). В отношении совместимости и взаимодействия возникают три сценария.

Сценарий А. Устройства 802.11g используются в сети, где точки доступа и мобильные клиенты работают в стандарте 802.11b. Пожалуй, это наиболее общая ситуация. Здесь поведение новых устройств легко описывается. При связи с точками доступа 802.11b устройства 802.11g будут функционировать в точности так же, как и мобильные клиенты 802.11b, поскольку при обмене пакетами используется схема кодирования CCK/Barker.

Сценарий В. Он описывает ситуацию, когда все устройства работают в соответствии со стандартом 802.11g. В этом случае возможности технологии OFDM реализуются полностью. Здесь следует заметить, что одним из преимуществ при использовании этого метода является более короткая преамбула. Так, длительность CCK-преамбулы 72 мкс, тогда как OFDM-преамбулы -- только 16 мкс. Поскольку преамбулу имеют как пакеты данных, так и пакеты подтверждения (ACK), то выигрыш на каждый пакет с данными составляет 112 мкс.

Сценарий С -- самый сложный "смешанный режим". В нем точки доступа 802.11g взаимодействуют с мобильными клиентами 802.11b и 802.11g. Напомним, что метод доступа CSMA/CA основан на принципе "слушай, прежде чем говорить". Предполагается, что все устройства, разделяющие радиоканал, находятся в зоне обнаружения не только точек доступа, но и друг друга. Другими словами, когда клиент начинает передачу, все остальные устройства, разделяющие этот канал, должны приостановить попытки доступа на время передачи данных и пакета ACK.

Такая идиллия базируется на двух предположениях. О первом мы уже упоминали -- общая зона обнаружения для всех взаимодействующих устройств. Второе же заключается в том, что все устройства в состоянии демодулировать преамбулу и заголовок пакета. Второе требование не может быть выполнено для устройств 802.11b, если используется OFDM-передача. К счастью, сегодня в протоколе 802.11 присутствует механизм, решающий эту проблему. Он называется Request-To-Send/Clear-To-Send (RTS/CTS).

Рис. 3

Устройства не всегда в состоянии "слышать" друг друга, даже если они используют общий метод передачи (рис. 3). При таких условиях схема доступа CSMA/CA работать не будет. Общепринятое название этой проблемы -- невидимый, или скрытый, узел. Именно для подобных случаев механизм RTS/CTS и был включен в существующий стандарт 802.11. Он предусматривает, что, прежде чем начать передачу, каждый узел должен послать RTS-сообщение и получить в ответ CTS.

Рис. 4

Ситуация, когда CCK- и OFDM-устройства разделяют один канал, полностью аналогична описанному выше случаю "невидимого узла". При использовании механизма RTS/CTS OFDM-устройства будут способны работать совместно с устройствами Wi-Fi без коллизий (на рис. 4 представлены пакеты, соответствующие трем сценариям). Другим способом решения этой проблемы является реализация в оборудовании опциональных элементов, в частности гибридных CCK/OFDM-пакетов.

Применение OFDM в полосе частот 2,4 GHz -- значительный шаг в дальнейшем развитии сетей стандарта IEEE 802.11. Оба его варианта -- 802.11a и 802.11g -- используют общую схему модуляции, что существенно облегчает создание дуальных устройств. А в них заинтересованы и потребители, и производители.

Последовательность 1										Последовательность 2
Сдвиг	Код								cj	Код								dj	cj + dj
(j)
0	-1	-1	-1	1	1	1	-1	1	8	-1	-1	-1	1	-1	-1	1	-1	8	16
	-1	-1	-1	1	1	1	-1	1		-1	-1	-1	1	-1	-1	1	-1
1	-1	-1	-1	1	1	1	-1	1	0	-1	-1	-1	1	-1	-1	1	-1	0	0
	1	-1	-1	-1	1	1	1	-1		-1	-1	-1	-1	1	-1	-1	1
2	-1	-1	-1	1	1	1	-1	1	0	-1	-1	-1	1	-1	-1	1	-1	0	0
	-1	1	-1	-1	-1	1	1	1		1	-1	-1	-1	-1	1	-1	-1
3	-1	-1	-1	1	1	1	-1	1	-4	-1	-1	-1	1	-1	-1	1	-1	4	0
	1	-1	1	-1	-1	-1	1	1		-1	1	-1	-1	-1	-1	1	-1