Стандарты беспроводных сетей

Современное состояние беспроводной связи определяется ситуацией со стандартом IEEE 802.11. Разработкой и совершенствованием стандарта занимается рабочая группа по беспроводным локальным сетям (Working Group for Wireless Local Area Networks) комитета по стандартизации Института Инженеров Электротехники и Электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) под председательством Вика Хэйса (Vic Hayes) из компании Lucent Technologies. В группе около ста членов с решающим и около пятидесяти с совещательным голосом; они представляют практически всех изготовителей оборудования, а также исследовательские центры и университеты. Четыре раза в год группа собирается на пленарные заседания и принимает решения по совершенствованию стандарта.

Стандарт определяет один тип протокола доступа к среде MAC-уровня и три различных протокола для физических (PHY) каналов.

На MAC-уровне определяются базовые составляющие архитектуры сети и перечень услуг, предоставляемых этим уровнем. Предусмотрено два типовых варианта архитектуры беспроводных сетей:

• Независимая конфигурация “ad-hoc”, когда станции могут связываться непосредственно друг с другом. Площадь такой сети и функциональные возможности ограничены.
• Инфраструктурная конфигурация, при которой станции связываются через точку доступа, либо работающую автономно, либо подключенную к кабельной сети. Стандарт определяет интерфейс радиоканала между станциями и точкой доступа. Точки доступа могут соединяться между собой с помощью радиомостов или сегментов кабельной сети.

В стандарте зафиксирован протокол использования единой среды передачи, получивший название Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Вероятность конфликтов для беспроводных узлов минимизируется путем предварительной отправки всем узлам короткого сообщения (ready to send, RTS) об адресате и продолжительности предстоящей передачи. Узлы задерживают передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция отвечает на RTS посылкой (CTS), по которой передающий узел узнает, свободна ли среда и готов ли узел к приему. После приема пакета данных узел передает подтверждение (ACK) безошибочного приема. Если ACK не получено, пакет данных будет передан повторно.

Предусмотренная стандартом спецификация предписывает разбиение данных на пакеты, снабженные контрольной и адресной информацией. После этой информации, занимающей около 30 байт, следует информационный блок длиной до 2048 байт. Затем следует 4-байт CRC-код информационного блока. Стандарт рекомендует использовать пакеты длиной 400 байт для физического канала типа FHSS и 1500 или 2048 для канала DSSS.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, включающее аутентификацию (для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней) и шифрование данных по алгоритму RC4 с 40-разрядным ключом. Для портативных компьютеров стандарт предусматривает режим энергосбережения: перевод устройства в “дремлющий” режим и вывод его из этого состояния на непродолжительное время, необходимое для приема служебного сигнала от узлов сети, начинающих передачу. Предусмотрен также режим роуминга, позволяющий мобильному абоненту передвигаться между точками доступа без потери связи.

Первый тип радиоканала — Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY. Предусмотрена скорость передачи 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с). Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссову частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK). При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссову закону от номинального значения до значения +170 кГц и возвращается к номинальному значению. Для передачи нуля частота сигнала изменяется на величину –170 кГц. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты (+225, +75, –75, –225 кГц), поэтому каждая элементарная посылка (символ) переносит два бита сообщения. Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц, независимо от скорости передачи. Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне от 2402 до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для расширения спектра частота сигнала изменяется по псевдослучайному закону не реже одного раза в 400 мс.

Второй тип радиоканала — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Radio PHY. В этом варианте предусматривается передача со скоростями 1 и 2 Мбит/с. При скорости передачи 1 Мбит/с используется двоичная фазовая манипуляция — Binary Phase Shift Keying (BPSK). Единичный бит представляется 11-элементным кодом Баркера вида 11100010010, а нулевой бит — инверсным кодом Баркера. Элементарные символы кода Баркера не переносят информации, биты передаются сразу всем кодом Баркера — прямым или инверсным. Это позволяет придать сигналу свойства шума, обеспечивающие помехоустойчивость. Ширина спектра такого сигнала составляет 22 МГц. Для скорости 2 Мбит/с стандарт предусматривает квадратурную фазовую манипуляцию — QPSK. На длительности символа сообщения в этом случае передаются два бита. Для этого необходимо уже не два, а четыре различных сигнала. Поэтому вместе с основным несущим колебанием используется дополнительное, сдвинутое относительно него по фазе на 90°. Фаза каждого из этих колебаний управляется прямой или инверсной последовательностью Баркера, и оба колебания складываются. Таким образом, на длительности символа сигнал имеет четыре степени свободы, позволяющие передавать два бита. При этом скорость передачи увеличивается вдвое при сохранении той же полосы частот, что и при двоичной передаче. Для передачи сигнала DSSS используется одна из 14 перекрывающихся частотных полос, определенных стандартом в общей полосе частот 83,5 МГц.

Для инфракрасного канала (Infrared PHY) стандарт предусматривает скорость 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с) с импульсно-позиционной модуляцией. Большого интереса этот тип канала не представляет, поскольку дальность передачи, предусмотренная стандартом, не превышает 20 м.

Метод частотных скачков, так же как и описанный выше метод прямой последовательности, обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом, и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов.

С другой стороны, поскольку при использовании метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, на каждом подканале передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных узкополосных передатчиков), про этот метод нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач.

Преодоление звукового барьера

Стандарт 802.11 определяет скорость 1 Мбит/с для метода скачущей частоты и 2 Мбит/с в качестве опции. Некоторые компании заявляют, что они имеют продукты со скоростью передачи данных 3 Мбит/с и более в диапазоне 2,4 ГГц. Однако для того, чтобы эти высокоскоростные продукты соответствовали спецификации и работали с продуктами других производителей, они должны передавать данные со стандартными скоростями.

Поддерживаемые в настоящее время скорости просто черепашьи по сравнению с 10 Мбит/с для стандартного Ethernet и не идут ни в какое сравнение с высокоскоростными технологиями типа Fast Ethernet. Однако с появлением базового стандарта для беспроводных сетей производители могут принять его как исходную точку для разработки продуктов с поддержкой более высоких скоростей передачи данных, и определенные усилия в этом направлении уже предпринимаются.

По данным компании WLAN, два таких проекта уже запущены в рамках 802.11, но в обоих случаях стандартизации в ближайшее время ждать не приходится. Тем не менее отрасль уже предпринимает усилия по подготовке пути перехода к более скоростным системам для тех заказчиков, кто в них нуждается.

Как надеются многие, высокие скорости мало что изменят в уровне MAC. А это значительно облегчает разработку и миграцию. Вообще говоря, усилия комитета 802.11 и производителей в области высокоскоростных беспроводных технологий не должны слишком уклоняться от стандарта 802.11. В противном случае высокоскоростные продукты не будут взаимодействовать с другими.

Что касается метода скачущей частоты, то несколько компаний заявили о своих намерениях обеспечить более быструю передачу данных в диапазоне 2,4 ГГц (хотя, каким образом это будет делаться, пока никто не сообщал).

В отношении метода прямой последовательности Bell Labs объявила в апреле этого года, что она запатентовала технологию, с помощью которой беспроводные локальные сети могут передавать информацию со скоростью 10 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. Метод прямой последовательности с модуляцией положения импульсов (Direct Sequence/Pulse Position Modulation, DS/PPM) опирается на DSSS, и, по утверждению Bell Labs, данная технология хорошо устойчива к шумам и помехам; при этом она надежна и эффективна.

"Проблема с увеличением скорости в диапазоне 2,4 ГГц состоит в сокращении радиуса действия - критический вопрос, когда пользователи могут находиться в любом месте здания. Наша позиция заключается в том, что переход к более высоким скоростям в диапазоне 2,4 ГГц не имеет смысла, - говорит Баттон из Proxim. - Если увеличить мощность крошечного карманного устройства, то радиус действия можно получить тот же самый, что и в случае меньших скоростей передачи, но эта возросшая мощность потребует значительных затрат энергии". Ввиду того, что многие беспроводные клиенты работают от батарей, более высокий уровень потребления энергии приведет к сокращению срока работы устройства без подзарядки. Несмотря на эти трудности, другие компании, например Symbol, не собираются отказываться от разработки высокоскоростных продуктов в диапазоне 2,4 ГГц.

В январе этого года FCC предоставила полосу шириной в 300 МГц для беслицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlincensed National Information Infrastructure, U-NII) в диапазоне 5 ГГц. Порции диапазона включают интервалы от 5,15 до 5,25 ГГц, от 5,25 до 5,35 ГГц и от 5,75 до 5,85 ГГц. Доступные в этом диапазоне интервалы частот делают высокоскоростную беспроводную связь гораздо более реалистичной затеей.

Единственной пока компанией, выпускающей продукты, работающие в этом диапазоне частот, является RadioLAN. Продукты RadioLAN/10 работают со стандартной скоростью Ethernet в 10 Мбит/с. Они передают во всех трех новых диапазонах и сертифицированы на соответствие U-NII при 5,8 ГГц.

Марк Босс, вице-президент по маркетингу RadioLAN, полагает, что скорости 10 Мбит/с можно добиться и при сигнале с частотой 2,4 ГГц, но он сомневается, что такое решение надежно. "Настоящая проблема [повышения скоростей продуктов в диапазоне 2,4 ГГц] - это цена, - говорит он. - Беспроводное решение не может стоить в два раза дороже проводного и оставаться в то же время привлекательным для заказчика. Но для достижения более высокой пропускной способности данных в диапазоне 2,4 ГГц производителям придется использовать более дорогие комплектующие. По этой же причине Gigabit Ethernet дороже 10BaseT". С другой стороны, в силу своей природы диапазон 5 ГГц позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с, так как его частота выше.

Общее мнение производителей беспроводного оборудования сводится к тому, что стандарт 802.11 - хотя и хорошее начало, но только начало. Теперь, при наличии базовой спецификации, высокоскоростные расширения должны появиться гораздо быстрее, а это даст заказчикам дополнительные варианты выбора при оценке беспроводных продуктов.