Локальные сети под управлением IEEE 802.11

Рынок массовых устройств БСПИ очень молод. Ежемесячно в мире продается около миллиона адаптеров только стандарта IEEE 802.11b. Причем стремительно развиваются сами технологии передачи и оборудование для них - скорости вы­росли от 1-2 до 54 Мбит/с. С не меньшей стремительностью падает и стоимость оборудования.

В июле 1997 года был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уров­ня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных се­тей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов пе­редачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастот­ных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц -режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2Мбит/с.

Отметим, что устройства, соответствующие исходной спецификации IEEE 802.11, не успели получить развития. Пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла, и максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, преду­смотренная в IEEE 802.11, не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g.

Первым стал утвержденный 16 сентября 1999 года стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапа­зоне 2,4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS. Самое же главное - он предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально - и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5.5 и 11 Мбит/с происходит посредством модуляции комплементарных кодовых последовательностей ССК (основной вид модуляции). Кроме того, предусматри­валась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного бинарного сверточного кодирования (РВСС).

Стандарт IEEE 802.11a, описывающий работу в диапазоне 5 ГГц, был при­нят одновременно с IEEE 802.11b. В нем использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно частотное мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM). Данный ме­тод, в частности, достаточно хорошо зарекомендовал себя в системах цифрового телевизионного вещания DVB.

В IEEE 802.11a каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несу­щих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одно­го канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64-аозиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM - 2/3 и 3/4) обра­зуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Напомним, скорость кодирования - это отношение числа бит в пакете до и после кодера. Скажем, скорость кодирования r = 1/2 означает, что каждый входной бит после кодирования превращается в два бита.

Диапазон 5,1-5,9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую по­лосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5,15-5,35 и 5,725-5,825 ГГц - всего 300 МГц по сравнению с 43 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. Вместо трех неперекрывающихся каналов в диапа­зоне 2,4 ГГц для сетей IEEE 802.11b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц имеются восемь перекрывающихся каналов (рисунок 1.11). Аналогичная ситуация в Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензионные диапазоны) - в более высокочастотной области места больше. В частности, если в Москве диапазон 2,4 ГГц занят операторами достаточно давно, то область 5 ГГц еще только начинают осваивать, хотя свободных поддиапазонов там уже прак­тически нет.

Рисунок 1.11 - Спектральная маска, и распределение неперекрывающихся каналов в диапазоне 5,15-5,35 ГГц для стандарта IEEE 802.11a. Мощность (дВr) определяется относительно пиков функции sin(x)/x

Кроме того, диапазон 2,4 ГГц перегружен различными системами - тут и беспроводные телефоны, и устройства Bluetooth (IEEE 802.15.1), и многочис­ленное оборудование стандарта IEEE 802.11b. Взаимных помех избежать тяже­ло. Сравнительные испытания убедительно показывают, что в одних и тех же условиях устройства IEEE 802.11a по скорости обмена превосходят оборудование IEEE 802.11b (рисунок 1.12). И до недавнего времени казалось, что будущее принад­лежит сетям стандарта IEEE 802.11a. Однако возник ряд вопросов.

Прежде всего, как быть с уже существующими сетями (и оборудованием) в диапазоне 2,4 ГГц? Как обеспечить столь необходимую всем обратную совмести­мость? С этой проблемой производители справились, разработав двухдиапазонные чипсеты.

Рисунок 1.12 - Соотношение скоростей пере­дачи устройств стандартов 802.11а и 802.11b (по материалам компании Proxim)

Однако к моменту, когда данные решения стали технологически возможны и рентабельны, в Европе был разработан свой стандарт 5 ГГц — HiperLan2. Кроме того, работы по ускорению стандарта IEEE 802.11b в диапазоне 2,4 ГГц приве­ли к появлению новой версии - IEEE 802.11g, предусматривающей скорости до 54Мбит/с.

Работы над будущей спецификацией IEEE 802.11g начались в марте 2000 года, когда была сформирована исследовательская группа по изучению возможности увеличения скорости передачи данных свыше 20 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. В ноябре 2000 года эта группа приобрела статус штатной группы разработчи­ков и получила обозначение G. Через полтора года, рассмотрев несколько аль­тернативных подходов, специалисты исследовательской группы G предложили использовать применяющуюся в стандарте IEEE 802.11a систему кодирования с мультиплексированием посредством ортогональных несущих OFDM. В качестве дополнительных (необязательных) возможностей новый стандарт IEEE 802.11g предусматривал использование таких схем модуляции, как CCK-OFDM и РВСС.

Стандарт DECT

DECT - стандарт уникальный. Задуманный для телефонии, он практически сразу стал использоваться в системах передачи данных. Изначально предна­значенный для Европы, распространился по всему миру. DECT конкурирует со стандартами сотовой связи, радиорелейными технологиями, проникает в домаш­ние мультимедийные системы, становится средством первичного доступа в обще­ственные телефонные сети, входит в пул стандартов сотовой телефонии третьего поколения IMT-2000. Рынок систем DECT до сих пор остается одним из наиболее динамичных в мире.

Исторически DECT был призван избавить пользователей телефонных аппа­ратов от соединительных шнуров. С развитием интегральных полупроводнико­вых технологий телефоны стали оснащать приемопередающими блоками: по­явились первые радиоудлинители - обычные аналоговые телефоны, в которых шнур заменен радиотрактом. Это поколение телефонов называют СТ-0 (Cordless Telephone). Такие устройства существуют и поныне. Их основное назначение - позволить владельцу свободно перемещаться в радиусе десятков- сотен метров от точки подключения к телефонной сети. Главные недостатки данных устройств - относительно высокая мощность излучения (до 1 Вт), взаимные помехи, абсо­лютная открытость для подслушивания и несанкционированного подключения к радиотракту. В 80-х годах в Европе появились системы стандарта СТ-1 - те же аналоговые радиоудлинители, но с зачатками функций современных беспро­водных средств связи, такими как роуминг и перемещение между сотами без разрыва соединения.

Однако подлинным прорывом стало появление цифровой спецификации СТ-2 табл. 1.5). Разработана эта спецификация в Великобритании в 1989 году (общий беспроводной стык Commmon Air Interface, CAI/CT-2, стандарт MPT 1375). В 1992 году ETSI принял CAI/CT-2 в качестве европейского стандарта. На основе СТ-2 была создана система Telepoint, получившая достаточно широкое распространение во всем мире. В ней фактически впервые была реализована микро сотовая архитектура.

Таблица 1.5.

Основные характеристики систем связи стандартов СТ-2 (Tangara RD), СТЗ и DECT

Системам СТ-2 предрекали большое будущее, однако после резкого снижения цен на услуги сотовой связи во второй половине 90-х. годов прошлого века интерес к ним упал. В начале 90-х появились системы на основе стандарта СТ-3 фирмы Ericsson. Они были установлены в ряде стран, однако вскоре внимание европейского телекоммуникационного сообщества переключилось на новую спецификацию, названную Digital European Cordless Telecommunications - DECT.

В 1988 году новый стандарт был одобрен Конференцией европейских администраций почты и электросвязи (СЕРТ). Под него был выделен диапазон 1880-1900 МГц. В 1992 году ETSI публикует первые спецификации DECT - ETS 300 175 и 176 (DECT Common Interface (CI) и DECT Approval Test Specification со­ответственно). В этих документах были заложены базовые основы DECT.

Фактически DECT - это набор спецификаций, определяющих радиоинтер­фейсы для различных видов сетей связи и оборудования. DECT CI содержит требования, протоколы и сообщения, обеспечивающие взаимодействие сетей свя­зи и оконечного оборудования. Организация самих сетей и устройство оборудо­вания в стандарт не входят.

Важнейшая задача DECT - обеспечить совместимость оборудования различ­ных изготовителей. Для этого был разработан ряд профилей взаимодействия различных систем. В 1994 году появился первый из них, унифицированный профиль доступа GAP (Generic Access Profile) - ETS 300 444. Он определяет работу оконечных устройств DECT (телефоны, базовые станции, беспроводные офисные АТС) для всех приложений голосовой связи с полосой пропускания речевого тракта 3,1 кГц. Позднее появились профили взаимодействия DECT и GSM, DECT и ISDN, взаимодействия абонентов с ограниченной мобильностью с сетями общего пользования (Cordless Terminal Mobility, CTM), со средствами абонентского радиодоступа (Radio Local Loop, RLL) и т. д.

Изначально DECT был ориентирован на телефонию - радиоудлинители, беспроводные учрежденческие АТС, предоставление радиодоступа к телефонным сетям общего пользования. Но стандарт оказался столь удачным, что его стали использовать в системах передачи данных, беспроводного абонентского доступа к сетям связи общего пользования. DECT нашел применение в приложениях мультимедиа и домашних радиосетях, для доступа в Интернет и к факсимильной связи.

Системы и устройства DECT распространены во всех странах мира. На мировом рынке представлены более 200 различных продуктов DECT. Не случайно сейчас аббревиатура DECT расшифровывается как Digital Enhanced (вместо European) Cordless Telecommunication.

В диапазоне шириной 20 МГц (1880-1900 МГц) выделено 10 несущих частот с интервалом 1,728 МГц. В DECT применяется технология доступа с временным разделением каналов - TDMA (Time Division Multiple Access). Временной спектр разделен на отдельные кадры по 10 мс (рис. 1.14). Каждый кадр разбит на 24 временных слота: 12 слотов Для приема (с точки зрения носимого терминала) и 12 - для передачи. Таким образом, на каждой из 10 несущих частот формируется 12 дуплексных каналов - всего 120. Дуплекс обеспечивается временным разделением (с интервалом 5 мс) приема/передачи (TDD, Time Division Duplex). Для синхронизации применяется 32-битная последовательность «101010...». В DECT предусмотрено сжатие речи в соответствии с технологией адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции АДИКМ (ADPCM) со скоростью 32 кбит/с (рекомендация ITU-T G.726). Поэтому информационная часть каждого слота 320 бит. При передаче данных возможно объединение временных слотов. В радиотракте использована частотная модуляция с фильтром Гаусса (GFSK).

Рисунок 1.14 - Передача информации в системе DECT

Базовые станции (БС) и абонентские терминалы (AT) DECT постоянно ска­нируют все доcтупные каналы (до 120). При этом измеряется мощность сигнала на каждом из каналов, которая заносится в список RSSI (Recieved Signal Strength Indication). Если канал занят или сильно зашумлен (например, помехами от дру­гого DECT-устройства), показатель RSSI для него высокий. БС выбирает канал с самым низким значением RSSI для постоянной передачи служебной информа­ции о вызовах абонентов, идентификаторе станции, возможностях системы и т. д. Эта информация играет роль опорных сигналов для AT - по ним абонентское устройство определяет, есть ли у него право доступа к той или иной БС, предо­ставляет ли она требуемые абоненту услуги, есть ли в системе свободная емкость, и выбирает базовую станцию с наиболее качественным сигналом.

В DECT канал связи всегда выбирает AT. При запросе соединения от базовой станции (входящее соединение) AT получает уведомление и выбирает радиока­нал. Служебная информация передается БС и анализируется AT постоянно, сле­довательно AT всегда синхронизируется с самой близкой из доступных БС. При установлении нового соединения AT выбирает канал с самым низким значением RSSI - это гарантирует, что новое соединение происходит на самом «чистом» канале из доступных. Данная процедура динамического распределения каналов DCS (Dinamic Channel Selection) позволяет избавиться от частотного планирования - важнейшее свойство DECT.

Поскольку AT постоянно (даже при установленном соединении) анализирует доступные каналы, может происходить их динамическое переключение во время сеанса связи. Такое переключение возможно как на другой канал той же БС, так и на другую БС. Эта процедура называется «хэндовер» (handover). При хэндовере AT устанавливает новое соединение, и какое-то время связь поддерживается по обоим каналам. Затем выбирается лучший. Автоматическое переключение между каналами разных Б С происходит практически незаметно для пользователя и полностью инициируется AT. Это особенно важно для построения микросотовых систем, позволяющих абоненту переходить из соты в соту без прерывания соединения. Отметим, что, хотя выбор каналов всегда за AT, в DECT предусмотрена возможность оповещения абонентского терминала со стороны БС о низком качестве связи, что может инициировать хэндовер.

Существенно, что в радиотракте аппаратуры DECT мощность сигнала весьма мала - от 10 до 250 мВт. Причем 10 мВт - практически номинальная мощность для микросотовых систем с радиусом соты 30-50 м внутри здания и до 300-400 м на открытом пространстве. Передатчики мощностью до 250 мВт используют для радиопокрытия больших территорий (до 5 км при направленной антенне). Столь низкая мощность делает устройства DECT наиболее безопасными для здоровья. Недаром в европейских медицинских учреждениях разрешено применение систем радиотелефонии только этого стандарта.

Кроме того, при мощности 10 мВт возможно располагать базовые станции на расстоянии 25 м. В результате достигается рекордная плотность одновременных соединений - до 10000 Эрл./км² (около 100 тыс. абонентов) при условии расположения БС по схеме шестиугольника в одной плоскости (на одном этаже). Это лучший показатель и с точки зрения эффективности использования радиоспектра (в пересчете на 1 МГц полосы). Сравните - 500 Эрл./МГц/км² для DECT против 100 Эрл./МГц/км² в наиболее емких сотовых сетях GSM-1800 (DCS 1800).