Бездротові мережі - як це працює

Огляд протоколів і технологій бездротової передачі даних.

Повсюдне поширення бездротових мереж, розвиток інфраструктури хот-спотів, поява мобільних технологій з вбудованим бездротовим рішенням (Intel Centrino) призвело до того, що кінцеві користувачі (не кажучи вже про корпоративних клієнтів) стали звертати все більшу увагу на бездротові рішення. Такі рішення розглядаються, перш за все, як засіб розгортання мобільних і стаціонарних бездротових локальних мереж і засіб оперативного доступу в Інтернет. Однак кінцевий користувач, який не є мережевим адміністратором, як правило, не дуже добре розбирається в мережевих технологіях, тому йому важко зробити вибір при покупці бездротового рішення, особливо з огляду на різноманіття пропонованих сьогодні продуктів. Бурхливий розвиток технології бездротового зв'язку привело до того, що користувачі, не встигнувши звикнути до одного стандарту, змушені переходити на інший, що пропонує ще більш високі швидкості передачі. Мова, звичайно ж, йде про сімейство протоколів бездротового зв'язку, відомому як IEEE 802.11, куди входять такі протоколи: 802.11, 802.11b, 802.11b +, 802.11a, 802.11g. Останнім часом стали говорити і про розширення протоколу 802.11g.

Різні типи бездротових мереж відрізняються один від одного і радіусом дії, і підтримуваними швидкостями з'єднання, і технологією кодування даних. Так, стандарт IEEE 802.11b передбачає максимальну швидкість з'єднання 11 Мбіт / с, стандарт IEEE 802.11b + - 22 Мбіт / с, стандарти IEEE 802.11g і 802.11a - 54 Мбіт / с.

Майбутнє стандарту 802.11a досить туманно. Напевно вУкаіни і в Європі цей стандарт не набуде широкого поширення, та й в США, де він зараз використовується, швидше за все, найближчим часом відбудеться перехід на альтернативні стандарти. А ось новий стандарт 802.11g має значні шанси завоювати визнання у всьому світі. Інша перевага нового стандарту 802.11g полягає в тому, що він повністю сумісний зі стандартами 802.11b і 802.11b +, тобто будь-який пристрій, що підтримує стандарт 802.11g, буде працювати (правда, на менших швидкостях з'єднання) і в мережах стандарту 802.11b / b + , а пристрій, що підтримує стандарт 802.11b / b + - в мережах стандарту 802.11g, хоча і з меншою швидкістю з'єднання.

Сумісність стандартів 802.11g і 802.11b / b + зумовлена, по-перше, тим, що вони припускають використання одного і того ж частотного діапазону, а по-друге, що всі режими, передбачені в протоколах 802.11b / b +, реалізовані і в стандарті 802.11 g. Тому стандарт 802.11b / b + можна розглядати як підмножину стандарту 802.11g.

Фізичний рівень протоколу 802.11

Огляд протоколів сімейства 802.11b / g доцільно розпочато саме з протоколу 802.11, який, хоча вже й не зустрічається в чистому вигляді, в той же час є прабатьком всіх інших протоколів. У стандарті 802.11, як і у всіх інших стандартах даного сімейства, передбачено використання частотного діапазону від 2400 до 2483,5 МГц, тобто частотний діапазон шириною 83,5 МГц, який, як буде показано далі, розбитий на кілька частотних подканалов.

Технологія розширення спектра

В основі всіх бездротових протоколів сімейства 802.11 лежить технологія розширення спектра (Spread Spectrum, SS). Дана технологія має на увазі, що спочатку вузькосмуговий (в сенсі ширини спектра) корисний інформаційний сигнал при передачі перетворюється таким чином, що його спектр виявляється значно ширше спектра початкового сигналу. Тобто спектр сигналу як би «розмазується» по частотному діапазону. Одночасно з розширенням спектра сигналу відбувається і перерозподіл спектральної енергетичної щільності сигналу - енергія сигналу також «розмазується» по спектру. В результаті максимальна потужність перетвореного сигналу виявляється значно нижча за потужність вихідного сигналу. При цьому рівень корисного інформаційного сигналу може в буквальному сенсі порівнюватися з рівнем природного шуму. В результаті сигнал стає в якомусь сенсі «невидимим» - він просто губиться на рівні природного шуму.

Власне, саме в зміні спектральної енергетичної щільності сигналу і полягає ідея розширення спектра. Справа в тому, що якщо підходити до проблеми передачі даних традиційним способом, тобто так, як це робиться в радіоефірі, де кожної радіостанції відводиться свій діапазон мовлення, то ми неминуче зіткнемося з проблемою, що в обмеженому радіодіапазоні, призначеному для спільного використання, неможливо «вмістити» всіх бажаючих. Тому необхідно знайти такий спосіб передачі інформації, при якому користувачі могли б співіснувати в одному частотному діапазоні і при цьому не заважати один одному. Саме це завдання і вирішує технологія розширення спектра.

Існує кілька різних технологій розширення спектра, проте для подальшого розуміння протоколу 802.11 нам необхідно детально познайомитися лише з технологією розширення спектра методом прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

При потенційному кодуванні інформаційні біти - логічні нулі і одиниці - передаються прямокутними імпульсами напруги. Прямокутний імпульс тривалості T має спектр, ширина якого обернено пропорційна тривалості імпульсу. Тому чим менше тривалість інформаційного біта, тим більший спектр займає такий сигнал.

Для навмисного розширення спектра спочатку вузькосмугового сигналу в технології DSSS в кожен рухаючись інформаційний біт (логічний 0 або 1) в буквальному сенсі вбудовується послідовність так званих чіпів. Якщо інформаційні біти - логічні нулі або одиниці - при потенційному кодуванні інформації можна уявити у вигляді послідовності прямокутних імпульсів, то кожен окремий чіп - це теж прямокутний імпульс, але його тривалість в кілька разів менше тривалості інформаційного біта. Послідовність чіпів є послідовність прямокутних імпульсів, тобто нулів і одиниць, однак ці нулі і одиниці не є інформаційними. Оскільки тривалість одного чіпа в n разів менше тривалості інформаційного біта, то і ширина спектра перетвореного сигналу буде в n-раз більше ширини спектра початкового сигналу. При цьому і амплітуда сигналу, що передається зменшиться в n раз.

Чіпові послідовності, що вбудовуються в інформаційні біти, називають шумоподібним кодами (PN-послідовності), що підкреслює ту обставину, що результуючий сигнал стає шумоподібним і його важко відрізнити від природного шуму.

Як розширені спектр сигналу і зробити його не відрізнятись від природного шуму, зрозуміло. Для цього, в принципі, можна скористатися довільної (випадкової) чиповой послідовністю. Однак, виникає питання: а як такий сигнал приймати? Адже якщо він стає шумоподібним, то виділити з нього корисний інформаційний сигнал не так то просто, якщо взагалі можливо. Виявляється, можливо, але для цього потрібно відповідним чином підібрати чиповую послідовність. Використовувані для розширення спектра сигналу чіпові послідовності повинні відповідати певним вимогам автокорреляции. Під терміном автокорреляции в математиці мають на увазі ступінь подібності функції самої себе в різні моменти часу. Якщо підібрати таку чиповую послідовність, для якої функція автокореляції матиме різко виражений пік лише для одного моменту часу, то такий інформаційний сигнал можливо буде виділити на рівні шуму. Для цього в приймачі отриманий сигнал множиться на ту ж чиповую послідовність, тобто обчислюється автокореляційна функція сигналу. В результаті сигнал стає знову вузькосмуговим, тому його фільтрують у вузькій смузі частот і будь-яка перешкода, яка потрапляє в смугу вихідного широкосмугового сигналу, після множення на чиповую послідовність, навпаки, стає широкосмугового і обрізається фільтрами, а в вузьку інформаційну смугу потрапляє лише частина перешкоди, по потужності значно менша, ніж перешкода, яка діє на вході приймача (рис. 1).