Первоначально беспроводные устройства поддерживали скорость соединения только 1-2 Мбит/с, чего явно недостаточно. Сейчас максимальная скорость соединения составляет уже 54Мбит/с, что составляет конкуренцию традиционным кабельным сетям. Существуют различные типы беспроводных сетей, которые отличаются друг от друга радиусом действия, поддерживаемыми скоростями соединения и технологией кодирования данных. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802. II b и IEEE 802. II а, а в настоящее время говорят о внедрении нового протокола IEEE 802. II g.

Рассмотрим основные различия между стандартами IEEE 802. II а/b/g.

Стандарт IEEE 802. II b был принят в 1999 году и на сегодняшний день является самым распространенным. Этот стандарт фактически представляет собой расширение базового стандарта IEEE 802. II, который обеспечивал передачу данных по радиоканалу на скорости 1 Мбит/с. Стандартом IEEE 802. II b предусмотрено использование диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц, который предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине.

На физическом уровне стандартом IEEE 802. II предусмотрено два типа радиоканалов DSSS и FHSS, различающиеся способом модуляции, но использующие одну и ту же технологию расширения спектра. Основной принцип расширения спектра (Spread Spectrum, SS), заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру. Это позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Рассмотрим, как это происходит:

При потенциальном кодировании, как известно, информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами. Прямоугольный импульс длительности Т имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Чем меньше длительность импульса, тем более широкий спектральный диапазон занимает такой сигнал. Для повышения помехоустойчивости передаваемого сигнала пользуются методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. Одна из наиболее известных таких последовательностей (но не единственная) - код Баркера длиной в 11 чипов: 1100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символа сообщения используется соответственно прямая и инверсная последовательность Баркера (рис.5.1). В результате спектр сигнала становится значительно шире, так как ширину спектра сигнала можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с увеличением ширины спектра сигнала уменьшается спектральная плотность энергий, так как энергия сигнала распределяется по всему спектру. В результате сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальными свойствами автокорреляции.

Под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции будет иметь пик лишь для одного момента времени. Одними из таких последовательностей чипов и являются коды Баркера. В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала). В результате он становится узкополосным. Поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи.

Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, но мощность примерно в 11 раз меньше, чем помеха, действующая на входе приемника. Основной смысл использования шумоподобных кодов заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.

Рис 5.1 Шумоподобный код

Для передачи сигналов в стандарте IEEE 802.11 используют различные виды фазовой модуляции. Различают два вида фазовой модуляции: собственно фазовую и относительно фазовую модуляцию. При фазовой модуляции PSK (Phase Shift Key) для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещенные относительно друг друга по фазе. Недостатком фазовой модуляции является то, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию о так называемом эталонном синфазном сигнале передатчика. Тогда, путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным, можно определить абсолютный сдвиг фазы.

По этой причине фазовая модуляция получила название синхронной. Реализация синхронной передачи достаточно сложна. Поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK). При относительной фазовой модуляции кодирование происходит за счет сдвига фазы по отношению к предыдущему сигналу. Фактически приемник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы. Таким образом, информация кодируется изменением фазы. Естественно, что такая модуляция не является синхронной и по этой причине проще реализуется. Во всем остальном DPSK-модуляция не отличается от PSK-модуляции.

В протоколе IEEE 802.11 при передаче данных на скорости 1 Мбит/с применяется двоичная относительная фазовая модуляция (DBPSK). При этом сам единичный бит передается 11-чиповой последовательностью Баркера, а нулевой бит - инверсной последовательностью Баркера. Соответственно относительная фазовая модуляция применяется именно к отдельным чипам последовательности.

Учитывая, что ширина спектра прямоугольного импульса обратно пропорциональна его длительности (а точнее 2/Т), не трудно подсчитать, что при информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составит 11*106 чип/с. Ширина спектра такого сигнала - 22 МГц, так как длительность одного чипа составляет 1/11 мкс. Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11. Однако, возможна передача данных и на скорости 2 Мбит/с. Для передачи данных на такой скорости тоже используется относительная фазовая модуляция, но уже квадратурная (DQPS), когда 1 бод становится равным 2 бит/с. При этом ширина самого спектра остается прежней - 22 МГц.

В дополнении к стандарту IEEE 802.11 - в стандарте 802.11в, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с, обязательными являются также скорости 5.5 и 11 Мбит/с. Для работы на таких скоростях используется уже несколько иной способ расширения спектра.

В данном случае вместо шумоподобных последовательностей Баркера для расширения спектра используются комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK). Использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бит на один символ при скорости 5 Мбит/с. Соотношение между скоростями передачи, методами модуляции и способами расширения спектра в стандарте IEEE 802.11в можно представить в виде таблицы 5.1. Рассмотренный стандарт IEEE 802.11в обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 11 Мбит/с в частотном диапазоне 2.4 ГГц (от 2.4 до 2.4835 ГГц). Этот диапазон не требует лицензирования и зарезервирован для использования в промышленности, науке и медицине (ISM). Однако при использовании расширения спектра на частотах около 2.4 ГГц могут возникать проблемы из-за помех, порождаемых другими бытовыми беспроводными устройствами (например, микроволновыми печами, радиотелефонами). Выход из создавшегося положения предполагает стандарт 802.11а (табл.5.2), рекомендующий передачу данных со скоростью 54 Мбит/с в частотном диапазоне 5 ГГц (от 5.15 до 5.350 ГГц и от 5.725 до 5.825 ГГц). В США данный диапазон именуют диапазоном национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National information infrastructure, UNII).

Таблица 5.1 Скорость и тип модуляции в стандарте IEEE 802.11в

DBPSK - двоичная относительная фазовая модуляция.

DQPSK - квадратурная относительная фазовая модуляция.

Таблица 5.2 Частотный диапазон стандарта IEEE 802.11а

Частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцовых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения (таблица 5,2). Использование трех частотных поддиапазонов делает стандарт 802.11а самым, так сказать, широкополосным в семействе стандартов 802.11. и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов шириной 20МГц, восемь из которых лежат в 200-мегагерцовом диапазоне от 5.15 до 5.35Гц, а остальные четыре в 100-мегагерцовом диапазоне от 5.725 до 5.825Гц. При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений. Предусмотренная протоколом 802.11а ширина канала 20МГц вполне достаточна для организации высокоскоростной передачи. Использование частот выше 5ГГц и ограничение мощности передачи приводит к возникновению ряда проблем. Дело в том, что распространение сигнала приводит к его затуханию, величина которого зависит как от расстояния, так и от частоты сигнала. При измерении в децибелах величины затухания сигнала пользуются формулой

где X - коэффициент затухания, равный 20 для открытого пространства,

d - расстояние от точки передачи,

f - частота сигнала,

с - скорость света.

Так в открытом пространстве с частотой 2,4ГГ сигнал ослабевает на 60 дБ при удалении от источника на 10м. Если же частота равна 5ГГц, то ослабление сигнала при удалении на 10м составит уже 66дБ. Учитывая, что правила диктуют использование существенно меньшей мощности излучения в нижних диапазонах UNII, чем в диапазонах ISM 2,4ГГц, становится понятным, что использование более высоких частот в протоколе 802.11а приводит к несколько меньшему радиусу действия, чем в протоколе 802.11в. Необходимо учитывать также, что при использовании высокочастотных сигналов с большой частотной шириной канала возникает эффект многолучевой интерференции. В результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещенных относительно друг друга по времени. Смещение по времени эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Если передатчик распространяет сигнал с частотой несущей и амплитудой А, то в приемнике будет получен сигнал Iпр:

где v - частота несущей, а ti - задержка распространения сигнала по i-му пути.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. При многолучевой интерференции различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае задержка между сигналами больше длительности одного символа. В результате интерференции в этом случае складываются сигналы, представляющие собой разные символы.

При этом возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol interference, Si). Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция, при которой меняются амплитуда и фаза сигнала. Поэтому восстановить исходный сигнал при межсимвольной интерференции крайне сложно. Чтобы частично компенсировать эффект многолучевого распространения используются частотные эквалайзеры. Но при увеличении скорости передачи данных, символьной скорости и усложнения схемы кодирования их эффективность падает.

В стандарте 802.11в с максимальной скоростью передачи 11 Мбит/с при использовании ССК-кодов и QDPSK кодирования применение схем компенсации волне оправдано. Но при более высоких скоростях, как в протоколе 802.11а, такой подход становится неприемлем. Поэтому здесь используется принципиально иной подход кодирования данных. Он состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи данных в отдельном подканале может быть невысокой. Если скорость передачи обозначить в Si-м частотном канале, то общая скорость передачи посредством N каналов будет равной:

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функции означает, что их произведение, усредненное на некотором интервале, должно быть равно нулю. В нашем случае это выражается простым соотношением:

где k<>l, Т-период сигнала, fl и fk-несущие частоты каналов k и l.

Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Учитывая, что каждый передаваемый символ длительности Т передается ограниченной во времени синусоидальной функцией, нетрудно найти и спектр этой функции (рис 5.2), который будет описываться функцией:

где f1-центральная (несущая) частота i-го канала.

Такой же функцией описывается и форма подканала. При этом важно, что хотя сами частотные подканалы могут перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции.

Рис.5.2 Символ длительностью Т и его спектр

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные подканалы называется ортогональным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное f (t) - >f (w) (рис 5.3).

Рис 5.3 Обратное преобразование Фурье (IFFT) для получения N ортогональных частотных подканалов

В протоколе 802.11а используется обратное преобразование Фурье с окном в 4 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет ширину 20 МГц: 64=312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов используются только 52, причем 48 из них используются для передачи данных (Data Tones), а остальные для передачи служебной информации (Pilot Tones).

Сам метод ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (OFDM) не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI). Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами. Если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала, то межсимвольной интерференции не возникает.

В протоколе 802.1а длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал-0,8 мкс. Таким образом, длительность импульса вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

§6.4 Методы модуляции в протоколе 802.11а