Мой сайт

Характеристики беспроводных локальных сетей

 

Повсеместное распространение беспроводных сетей, появление мобильных технологий со встроенным беспроводным решением привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются, прежде всего, как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет. Внимание пользователей к ним привлекают относительно невысокие затраты на их организацию, простота развертывания, удобство применения и гибкость архитектуры.

Бесспорным лидером на рынке продуктов для беспроводных локальных сетей является оборудование, соответствующее стандартам IEEE 802.11, известный под названием Wi-Fi. Один из основных направлений рынка этого оборудования является создание непрерывной зоны покрытия в пределах офисного здания. Широкое применение находят стандарты 802.11а (диапазон 5 ГГц), 802.11b и 802.11g (диапазон 2.4 ГГц).

Стандарт IEEE 802.11а использует диапазон частот 5 ГГц и ортогональное частотное уплотнение (OFDM). При OFDM именуемым модуляцией со многими несущими, используется несколько несущих сигналов на различных частотах, каждым из которых осуществляется передачи части битов. Это вид уплотнения подобен обычному частотному уплотнению (FDM). Отличие состоит в том, что все подканалы выделены одному источнику.

Диапазон 5 ГГц менее загружен, чем 2.4 ГГц. Суммарная ширина доступного спектра в нем примерно в 4 раза выше (рис.4.15), чем в диапазоне 2.4 ГГЦ (83 МГц).

Рис.4.15. Частотный план, используемый в IEEE 802.11а.

 

Стандарт IEEE 802.11а обеспечивает скорости передачи данных: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В ближайшее время скорость можно увеличить до 72 Мбит/с, а в перспективе сделать сопоставимой со значениями, характерными для технологии ATM (155 Мбит/с). Высокая скорость передачи может быть реализована лишь на небольших расстояниях от точки доступа. Поэтому для повышения дальности связи в стандарте IEEE 802.11а предусмотрена возможность работы с более низкими скоростями: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 Мбит/с., что достигается за счет применения различных методов модуляции сигналов – от простейших BPSK и QPSK до многопозиционной квадратурной амплитудной модуляции QAM (табл.4.3).

Табл. 4.3

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость кодиро-вания, R	Кодирован-ных битов на поднесущую	Кодирован-ных битов на символ OFDM	Информа-ционных битов на символ OFDM
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

 

Стандарт 802.11а использует полосу частот шириной 300 МГц, разделяя ее на три участка по 100 МГц каждый: 5.15-5.25 ГГц (нижний), 5.25-5.35 ГГц (средний) и 5.725-5.825 ГГЦ (верхний). В каждом из них могут быть организованы четыре неперекрывающихся канала, итого во всей полосе – 12 частотных каналов. В каждом из участков спектра достигается своя максимальная мощность излучения: 50 мВт (нижний), 250 мВт (средний) и

1 мВт (верхний).

Имеется до 52 поднесущих, которые модулируются с использованием схем BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM, в зависимости от требуемой скорости передачи. Расстояние между поднесущими составляет 0.3125 МГц. Для прямой коррекции ошибок используется сверточный код со степенью кодирования  или .

Энергия сигналов в диапазоне 5 ГГц более интенсивно поглощается стенами зданий и другими препятствиями, следовательно, потери при распространении сигналов в этом диапазоне выше. По этой причине радиус действия станций при прочих равных условиях вдвое меньше, чем для диапазона 2,4 ГГц. Это приведет к тому, что для организации такой же по покрытию сети потребуется большее количество точек доступа, чем для сети на базе стандарта 802.11b (рис. 4.16).

 

Рис.4.16.

 

Стандарт IEEE 802.11b относится  только к физическому уровню. Это расширение спецификации IEEE 802.11. основное отличие стандарта IEEE 802.11b – поддержка двух скоростей передачи 5.5 Мбит/с и 11 Мбит/с при неизменной полосе и скорости сигнала.

Стандарт IEEE 802.11b позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Мбит/с, но, если повыситься уровень помех, или пользователь удалиться на большое расстояние,  то мобильное устройство начнет передавать на меньшей скорости 5.5, 2 или 1 Мбит/с. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнет передавать с более высокой скоростью. Изменение скорости - механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

На физическом уровне в нем определен только один метод передачи –DSSS, поскольку метод скачкообразной перестройки частоты FHSS не может обеспечить высокие скорости передачи, а в рамках этой модели скорость должна быть 3 Мбит/С. Главным преимуществом DSSS (по сравнению с FHSS) считается устойчивая работа сети в условиях многолучевого распространения  радиоволн.

Данные передаются в диапазоне 2.4 ГГц со скоростью 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с с использованием модуляции BPSK и QPSK. В полосе частот 2.400-2.48354 ГГц можно использовать до 14 каналов. В качестве примера на рис.4.17 показан частотный план с тремя не перекрывающимися по полосе каналами: 1 (2.412 ГГц), 6 (2.437 ГГц), 11 (2.462 ГГц). При такой расстановке удается не только снизить взаимные помехи между каналами, но и упростить управление.

 

Рис.4.17. Частотный план, используемый в IEEE 802.11b.

 

Дальность действия абонентского оборудования стандарта 802.11b не превышает 100 м и зависит от скорости передачи, уровня и характера помех, а также от требований к качеству обслуживания. Чтобы обеспечить приемлемое качество соединения, в спецификациях предусмотрена возможность автоматического снижения скорости информационного обмена.

В качестве основного недостатка беспроводных технологий является меньшая, чем для сети Ethernet, пропускная способность. Даже для канала передачи с быстродействием 11 Мбит/с реально достижимая скорость не превышает 6-7 Мбит/с. Этого явно недостаточно для работы высокоскоростных приложений.

Стандарт 802.11b обеспечивает контроль доступа на  МАС уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствами безопасности проводных сетей.

Преимущество стандарта 802.11g заключается в том, что он полностью совместим со стандартами 802.11b. Совместимость 802.11g и 802.11b обусловлена, во-первых, тем, что они предполагают использование одного и того же частотного диапазона, а во-вторых, что все режимы, предусмотренные в протоколе 802.11b, реализованы и в стандарте 802.11g.

В протоколе 802.11g предусмотрена передача на скоростях: 1, 2, 5.5, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Соотношение между различными скоростями передачи и используемыми методами кодирования отображено в таблице 4.4. В протоколе 802.11b для модуляции используется либо двоичная (BDPSK), либо квадратурная относительная фазовая модуляция (QAM). В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи также используется фазовая модуляция (только не относительная), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при использовании QPSK-модуляции – два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK – на скоростях 12 и 18 Мбит/с. Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе  802.11g используется 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет передавать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM – на скоростях 48 и 54 Мбит/с (табл. 4.4).

                                                                 Табл.4.4

Скорость, Мбит/с	Тип модуляции
1	DBPSK
2	DQPSK
5,5	DQPSK
6	BPSK
9	BPSK
11	DQPSK
12	QPSK
18	QPSK
22	DQPSK
24	16-QAM
33	16-QAM
36	16-QAM
48	64-QAM
54	64-QAM

 

Реальная скорость передачи данных зависит так же и от используемого протокола (TCP или UDP) и от размера длины пакета. Естественно, что протокол UDP предусматривает более высокие скорости передачи. Теоретические максимальные скорости передачи данных для различных типов сетей и протоколов представлены в таблице 4.5.

Табл.4.5

Тип сети	Максимальная скорость,  Мбит/с	Теоретическая максимальная скорость передачи по протоколу TCP, Мбит/с	Теоретическая максимальная скорость передачи по протоколу UDP, Мбит/с
802.11b	11	5,9	7,1
802.11g (совместно с 802.11b)	54	14,4	19,5
802.11g (только)	54	24,4	30,5

 

Основные технические характеристики стандарта 802.11g представлены в таблице 4.6.

Табл.4.6

Характеристика	Значение
Совместимость	802.11b
Частотный диапазон	2.4 ГГц
Используемые частоты	2.400 – 2.4835 ГГц
Максимальная скорость	54 Мбит/с
Скорость	Обязательно 6, 12, 24 Мбит/с; 1, 2, 5.5, 11 Мбит/с при работе по 802.11b. Необязательно: 9, 18, 36, 48, 54 Мбит/с
Максимальное число каналов	3
Дальность связи	Помещение: 100 м, прямая видимость: 300 м
Только прямая видимость	да
«Точка-точка»	да
«Точка-звезда»	да

 

В таблице 4.7. приведены основные характеристики стандартов семейства 802.11.

 

Табл.4.7

	802.11	802.11b	802.11g	802.11a
Дата	Июнь 1997	Сентябрь 1999	Ноябрь 2001	Сентябрь 1999
Диапазон частот, ГГц	2.4-2.4835	2.4-2.4835	2.4-2.4835	5.15-5.25 5.25-5.35 5.725-5.825
Метод доступа	DSSS, FHSS	DSSS	PBCC, CCK/OFDM	OFDM
Доступная полоса, МГц	83	83	83	300
Скорости передачи, Мбит/с	1,2	5.5, 11	54	54
Дальность действия, м	100	100	100	50
Выходная мощность терминала, мВт	10-100	10-100	10-100	50- нижний 250–средний 1000-верхний

 

В настоящее время разрабатывается протокол 802.11n. Данный протокол обеспечит скорость передачи информации от 100 Мбит/с и более.  Перспективные стандарты канального уровня представлены на рис.4.18

Рис.4.18. Перспективные стандарты канального уровня

 

Из приведенного рисунка видно, что основные усилия при разработке протоколов канального уровня сосредоточены на разработке протоколов различных типов беспроводных сетей, а также на разработке таких протоколов канального уровня, которые бы обеспечили доставку информации с требуемым качеством обслуживания.