Стандарты технологии 802.11

Аббревиатура Wi-Fi является сокращенным названием зарегистрированной торговой марки «Wi-Fi Alliance».

Технология Wi-Fi была разработана в 1991 году фирмой NCR Corporation/AT&T и первоначально была предназначена для использования в торговых кассовых аппаратах. В основу технологии положена методика передачи данных по радиоканалу на частоте 2.4 ГГц с использованием кодирования сигнала рабочими частотами и специальными приложениями.

Технология WiFi используется для организации высокоскоростных, беспроводных локальных сетей, работающих в международном, нелицензируемом диапазоне частот (ISM), 2.4 ГГц и 5 ГГц. Области применения этой технологии связаны с сетями для выхода в Интернет, беспроводной передачей аудио и видеоинформации, промышленной телеметрией, транспортными локальными беспроводными сетями.

В настоящее время используются следующие стандарты WiFi [2,3]:

• 802.11 - 1 Мбит/с и 2 Мбит/c, 2,4 ГГц;
• 802.11a - 54 Мбит/c, 5 ГГц;
• 802.11b - 5,5 и 11 Мбит/с, 2,4 ГГц;
• 802.11g - 54 Мбит/c, 2,4 ГГц;
• 802.11n -600 Мбит/c, 2,4 - 2,5 ГГц или 5 ГГц.

Основным преимуществом WiFi перед другими технологиями (Bluetooth, Zigbee) является высокая скорость передачи (до 600 Мбит/с). Поэтому эта технология столь бурно развивается в таких областях бытовой электроники, как беспроводной доступ в Интернет, беспроводное телевидение, беспроводные DVD - проигрыватели.

Широко применяется WiFi в различных беспроводных телеметрических системах на транспорте. Практически все беспроводные видеокамеры и регистраторы скорости, установленные на автомагистралях, используют WiFi. Также эта технология используется для организации локальных сетей между зданиями и промышленными объектами. Следует подчеркнуть, что диапазон WiFi 5 ГГц, является наиболее предпочтительным для организации промышленных локальных сетей в условиях высокого уровня помех. Благодаря жестокой привязке к конкретной области, внутри которой распространяется информация, WiFi является идеальной технологией для платного выхода в Интернет в кафе, ресторанах, гостиницах.

Впервые технология WiFi была сертифицирована двадцать лет назад, когда Международный Институт Инженеров по Электротехнике и Радиоэлектронике IEEE сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. В прошлом году (20.09.2010) рабочая группа 802.11 торжественно отпраздновала 20- летний юбилей стандарта [4].

В 1999 году была создана независимая международная организация, Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), куда вошли ведущие мировые производители оборудования для беспроводной связи. В настоящее время членами WECA являются около 100 компаний, в том числе такие, как Cisco , Lucent , 3Com , IBM , Intel, Apple, Compaq, Dell , Fujitsu , Siemens , Sony , AMD и другие. Эксперты этой организации тестируют различное FiWi оборудование и гарантируют его совместимость с оборудованием, выпускаемым другими фирмами - участниками альянса.

В 1997 года была принята первая спецификация WiFi - 802.11.

В стандарте 802.11 регламентируется работа оборудования на центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 2 Мбит/с. В базовом варианте стандарта 802.11 используется метод расширения спектра «Frequency Hopping Spread Spectrum» (FHSS). Опционно может использоваться также метод «Direct Sequence Spread Spectrum» (DSSS). Для модуляции сигнала используется технология «Gaussian Frequency Shift Keying»

Как правило, когда задействован метод FHSS, полоса делится на 79 каналов по 1 МГц. (Встречается оборудование и с другим способом разбиения частотного диапазона). Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием выбранной схемы.

Следует особо подчеркнуть, что в стандартах 802.11ххх регламентируется архитектура сети и самих устройств, описываются основные уровни семи – уровневой модели и протоколы их взаимодействия. Стандарт задает базовую частоту, а также методы модуляции и расширения спектра на физическом уровне.

Так, например, в стандарте 802.11 заданы центральная частота 2.4 ГГц и метод модуляции FHSS PHY. Кроме того, первоначальный вариант стандарта 802.11 описывал передачу данных в инфракрасном диапазоне.

Полоса частот и подчастоты для устройств стандарта 802.11 выделяется и регламентируется в каждой конкретной стране уполномоченным на то правительственным органом.

Также местным законодательством регламентируются правила эксплуатации самих устройств, их мощность, разбиение чатотного диапазона, мощности передатчика и другие характерные особенности. В Российской Федерации таким органом является «Министерство Связи и Массовых Коммуникаций РФ». В последнем нормативном документе этого министерства прописано, что в РФ разрешена эксплуатация всех вариантов стандартов 802.11 a, b, g, n на всех базовых частотах [5].

Основные параметры стандарта 802.11 в приложении к действующим нормативным документам РФ, приведены в таблице 1 [5].

Рис. 1. Структурная схема семи - уровневой модели OSI

Различные стандарты семейства IEEE 802 строго регламентируют два нижних уровня семи - уровневой модели OSI - физический и канальный, которые характеризуют особенности конкретных локальных сетей. Верхние уровни, совпадают по своей структуре, как для беспроводных, так и для проводных локальных сетей. Как и все стандарты этого семейства FiWi 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 1) [6]. Поэтому сетевые приложения и сетевые протоколы, которые работают в сети Ethernet (стандарт 802.3), такие например, как TCP/IP, могут аналогичным образом использоваться и в WiFi сетях 802.11. Иными словами, если есть некий Ethernet роутер с несколькими входами, то для сети безразлично, будет ли к нему подключено проводное устройство стандарта 802.3 или беспроводное WiFi устройство стандарта 802.11. Все периферийные устройства будут видеть друг друга и правильно взаимодействовать.

Отличительные особенности различных локальных сетей отражены в разделении канального уровня (Data Link Layer) на два подуровня: «уровень логической передачи данных Logical Link Control, LLC» и «уровень управления доступом к среде Media Access Control, MAC» [6].

Уровень MAC обеспечивает корректное совместное использование общей среды. После получения доступа к среде, ею может пользоваться более высокий уровень LLC, который реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы. Поэтому каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

В стандарте 802.11 MAC похож на уровень, реализованный в 802.3 для Ethernet сетей. Принципиальное отличие заключается в том, что в стандарте 802.11 применяется полудуплексный режим приемо - передачи, не позволяющий обнаружить коллизию во время сеанса связи. Для согласования уровней МАС в стандарте 802.11 использует специальный протокол Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). В этом случае CSMA/CA не допускает коллизий, контролируя подтверждение того, что пакет (ACK) получен неповреждённым.

Кроме того, MAC уровень 802.11 поддерживает два режима потребления энергии – «режим продолжительной работы» и «сберегающий режим». В спящем режиме оборудование периодически включается через определённые промежутки времени для приёма «маячковых» сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя также адрес станции, которая должна принять данные. Из других особенностей МАС 802.11 следует отметить функцию динамического подключения и переподключения. Клиент 802.11 в зоне действия одной или нескольких точек доступа может выбрать ту, сигнал от которой лучше. Если обнаруживается точка доступа с лучшим качеством сигнала, то станция автоматически перенастраивается на её частоту.

Для поддержки потокового видео в МАС 802.11 реализована функция Point Coordination Function (PCF). В режиме PCF только точка доступа управляет передачей данных по конкретному каналу. В этом случае, точка доступа опрашивает все станции и на каждую из них выделяется фиксированный промежуток времени. Ни одна из других станций не может передавать в этот период.

Каждая точка доступа имеет свой уникальный ESS ID (WLAN Service Area ID), который необходим для установки соединения.

На МАС уровне предусмотрен контроль доступа и его ограничение. Поэтому точка доступа может работать в следующих режимах:

• Установление соединения со всеми беспроводными устройствами, вне зависимости от их MAC-адреса;
• Установление соединения с устройствами, МАС – адреса которых занесены в «список контроля доступа (Access Control List, ACL),»;
• Отказ от соединений с устройствами, МАС – адреса которых занесены в «список запрещенных».

Помимо этого, ограничить доступ можно путем отключения широковещательной рассылки ESS ID. В этом случае точка доступа не передаёт в открытую сеть свой ESS ID. Для подключения к такой сети нужно знать её ESS ID.

Для аутентификация WiFi устройства обычно используются следующие методы:

• Открытая система (OPEN SYSTEM) - клиент отсылает запрос с идентификатором (MAC-адресом), точка доступа проверяет, соответствие клиента списку MAC-адресов;
• Открытая система с EAP (OPEN SYSTEM AUTHENTICATION WITH EAP) – дополнительная идентификация через протоколы EAP на RADIUS сервере;
• Закрытая система (SHARED SYSTEM AUTHENTICATION) - клиент отсылает запрос на соединение, а точка доступа отсылает клиенту последовательность, которую необходимо зашифровать и отослать обратно.

Для защиты WiFi устройств от несанкционированного доступа используются механизмы шифрования Wired Equivalent Privacy (WEP). Методы и алгоритмы шифрования определяются стандартом 801.11i, в котором в качестве основного шифра выбран блочный шифр AES [7].

Протокол WEP основан на потоковом шифре RC4. При этом WEP шифрование может быть статическим или динамическим. При статическом WEP-шифровании ключ не меняется. При динамическом способе шифрования периодически происходит смена ключа шифрования.

В настоящее время используются три стандартных варианта WEP:

• WEP с длиной ключа 256 бит (40 бит – ключевые, и 24 бита в инициализационном векторе IV);
• WEP с длиной ключа 128 бит (104 бита – ключевые, 24 бита - в инициализационном векторе IV);
• WEP с длиной ключа 64 бит (40 бит – ключевые, и 24 бита в инициализационном векторе IV).

Не смотря на то, что метод FHSS и позволяет применять простую схему приёмопередатчика, он ограничивает максимальную скорость до 2 Mбит/с.

Ограничение скорости в стандарте 802.11 привело к тому, что устройства и локальные сети этого типа практически перестали использоваться.

На смену 802.11 в 1999 году пришел более быстрый стандарт 802.11b (802.11 High rate), который работает на той же центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 22 Мбит/с. В спецификации 802.11b используется метод расширения спектра Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) - расширение спектра радиосигнала посредством применения прямой последовательности.

Основные параметры WiFi - 802.11b приведены в таблице 2 [5].

Основная архитектура, идеология, структура и характерные особенности уровней нового стандарта 802.11b аналогичны первоначальному варианту WiFi - 802.11. Спецификация 802.11b изменила только физический уровень, характеризующий более высокие скорости доступа и передачи данных.

Распределение частот линейного тракта системы передачи (Frequency assignment plan) реализуется в соответствии с формулой, приведенной в таблице 2.

Для модуляции и поддержки различных режимов скорости передачи данных используются различные способы. Скорость 1 Мбит /с поддерживается за счет метода DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying). Для обеспечения скорости 2 Мбит/с используется метод DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Схема модуляции ССК (Complementary Code Keying) допускает скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. Использование CCK - кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ. Символьная скорость 1,385 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,385) соответствует скорости 11 Мбит/с. При этом кодируется 8 бит на символ. При скорости передачи 5,5 бит/с в одном символе кодируется только 4 бита.

В протоколе также предусмотрена коррекция ошибок методом FEC.

В расширенном варианте стандарта 802.11b+ скорость передачи данных может достигать 22 Мбит/с.

Поскольку метод частотных скачков FHSS, используемый в 802.11 не может поддерживать высокие скорости, он исключен из 802.11b. Поэтому оборудование 802.11b совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

В стандарте 802.11b предусмотрен режим работы в условиях сильных помех и слабого сигнала. С этой целью используется динамический сдвиг скорости, позволяющий автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от уровня сигнала и помех. Так, например, в том случае, когда повышается уровень помех, автоматически снижается скорость передачи данных до 5,5, 2 или 1 Мбит/с. При уменьшении помех устройство возвращается к нормальному режиму работы на больших скоростях.

В стандарте 802.11b контроль доступа реализован, как на МАС уровне, так и с помощью шифрования данных через WEP.

Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью.

Необходимо подчеркнуть, что за последние годы в шифре RC4 были найдены многочисленные изъяны. Поэтому все чаще стали использоваться модернизированные протоколы шифрования. Например, стандарт TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), использует тот же шифр RC4 что и WEP, но с инициализационным вектором длиной 48 бит. Для проверки целостности сообщений добавлен протокол MIC (Message Integrity Check). При использовании этого протокола станция блокируется, если в течение минуты будет послано более двух не прошедших проверку запросов.

В протоколе AES-CCMP распределение ключей и проверка целостности выполнена в одном компоненте CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Для шифрования используется шифр AES.

С развитием технологий LAN во всем мире резко возросло количество различных беспроводных устройств, и возникла проблема помех и перегруженности диапазона 2,4 ГГц. Это связано с тем, что такие устройства, как микроволновые печи, беспроводные телефоны, рации, Bluetooth оборудование и другие аналогичные приборы заметно влияют друг на друга. В частности это сказывается и качестве работы оборудования WiFi.

Как было отмечено выше, в стандарте 802.11 максимальная скорость передачи определяется, как сумма по каналам. Поэтому теоретическая скорость не однозначно соответствует реальной скорости передачи данных. В случаях, когда различные устройства 802.11 используют одни и те же каналы или работают в зоне мощных радиопомех, могут возникать существенные снижения скорости. Например, беспроводная станция, установившая соединение на скорости 11 Мбит/с, реально будет работать со скоростью не больше 1 Мбит/с, если она находится в зоне действия мощной микроволновой печи.

Чтобы как- то разгрузить диапазон 2,4 ГГц был разработан стандарт 802.1a для частот 5 ГГц. В этом диапазоне не так много источников помех, как в диапазоне 2,4 ГГц, и средний уровень совокупных шумов значительно ниже .

В стандарте 802.11a используются две базовые центральные частоты в районе 5 ГГц и максимальная скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В этом стандарте в качестве метода доступа к среде применен множественный метод доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий. В качестве основного метода расширения спектра принят Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) – мультиплексирование c ортогональным частотным разделением сигналов [8].

Основные параметры WiFi - 802.11a приведены в таблице 3.

Для стандарта 802.11а в России выделены две частотные полосы (табл.3).

В соответствии с документом [5] на территории РФ для стандарта 802.11a частотные полосы подразделяются на пять рабочих поддиапазонов, которые используются для работы оборудования с различной мощностью.

Диапазоны 5,150 – 5,250 ГГц, и 5,250 -5, 350 ГГц предназначены для работы оборудования с мощностью передатчика до 100 мВт (20дБм).

Диапазоны 5,650 – 5,725 ГГц; 5,725 -5, 825 ГГц и 5,825 – 6,425 ГГц отведены для оборудования с мощностью передатчика до 1000 мВт (30дБм).

В стандарте 802.11а в качестве основного используется метод, разработанный фирмой Intersil, получивший название Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) – мультиплексирование c ортогональным частотным разделением сигналов.

Принцип модуляции сигнала OFDM показан на рисунках 2 - 4 [8].

Рис. 2. Ортогональность несущих в методе OFDM

Весь диапазон частот разбивается на поднесущие частоты, которые хотя и частично перекрываются, но находятся в ортогональном положении относительно друг друга. Ортогональность несущих сигналов обеспечивается в том случае, когда за время длительности одного символа, несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Для реализации метода в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), который переводит предварительно мультиплексированный на одном из каналов сигнал из временного представления в частотное. Таким образом, там, где одна поднесущая имеет максим амплитуды, соседняя поднесущая имеет нулевое значение. Информация в данном методе передается в виде так называемых OFDM – символов (рис 3.).

Рис.3. Структура символа в методе OFDM

Перед символом постоянно заносится префикс. Для защиты от возникновения межсимвольных коллизий в технологии OFDM вводится понятие охранного интервала (Guard Interval, GI), которое определяется, как длительность циклического повторения окончания символа OFDM, пристраиваемое вначале каждого символа (префикс). Префикс добавляется к передаваемому символу в передатчике и удаляется при приёме символа в приёмнике. Охранный интервал снижает скорость передачи данных.

В стандарте 802.11а диапазон разбивается с частотным разносом каналов 20 МГц (рис. 4). При этом в каждом из канале имеется 52 поднесущих частоты. Из них 48 используются для передачи данных, а остальных четыре - для кодов коррекции ошибок. Разнос поднесущих частот составляет 312,5 кГц. Ширина сигнальной полосы - 16,66 МГц. Скорости сверточного кодирования: 1/2, 9/16, 2/3, 3/4. В протоколе IEEE 802.11a максимальная скорость сверточного кодирования составляет 3/4, когда к каждым трем входным битам добавляется еще один.

Рис. 4 Структура спектрального разбиения по каналам в методе OFDM

На разных уровнях используются различные схемы модуляции. На самом нижнем уровне применяется бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying - BPSK). Она обеспечивает пропускную способность подканала 125 кбит/с. Поэтому для основного канала пропускная способность составляет 6 Мбит/с (48 умножить на 125). На следующем уровне используется квадратурная фазовая модуляция (QPSK), позволяющая удвоить пропускную способность до 12 Мбит/с.

В случае, когда на физическом уровне задействована 16-уровневая квадратурная амплитудная модуляция (16QAM), кодирующая 4 бит на один герц несущей частоты, пропускная способность канала составит 24 Мбит/с. При использовании 64 -уровневой квадратурной амплитудной модуляции (64QAM), кодирующей 8 или 10 бит на один герц несущей частоты, обеспечивается максимальная скорость для этого стандарта - 54 Мбит/с.

Таким образом в стандарте 802.11а поддерживаются скорости передачи данных: 6, 12, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Однако сам стандарт допускает также реализацию и более высоких скоростей передачи данных. Так, например, фирма Atheros выпускает оборудование 802.11а, с одновременным использованием двух несущих частот, за счет чего максимальная пропускная способность может достигать значения 108 Мбит/с.

Необходимо обратить внимание, что диапазон 5 ГГц примыкает к частотам, которые частично используются наземными станциями слежения за спутниками связи. Для того, чтобы нелицензируемое WiFi оборудование не мешало работе других ведомственных систем, Международным институтом ETSI были разработаны два дополнительных протокола. С помощью этих дополнительных протоколов DFS (Dynamic Frequency Selection) и TPC (Transmit Power Control) беспроводные устройства WiFi могут автоматически менять частотные каналы или снижать излучаемую мощность в случаях возникновения коллизий на несущих частотах.

Следующим шагом на пути развития устройств WiFi был стандарт 802.11g, который был принят в 2003 году.

Практически, 802.11g - это усовершенствованный вариант 802.11b.

Стандарт 802.11g предназначен для устройств, работающих на частотах 2,4 ГГц с максимальной скоростью 54 Мбит/с. Этот стандарт задумывался, как универсальный. Поэтому в нем допускаются методы расширения спектра, использующиеся в предыдущих версиях, а именно DSSS, OFDM, PBCC [9].
Основные параметры WiFi - 802.11g приведены в таблице 4 [5].

Выделенная для 802.11g полоса частот в РФ составляет 2400 – 2483,5 МГц.

Стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b. Основное отличие от стандарта 802.11b заключается в допустимых методах доступа к среде и способах модуляции. В стандарте 802.11g используются рассмотренные выше технологии DSSS, PBCC, которые взяты из 802.11b. Метод OFDM принят из стандарта 802.11a. Методы модуляции DBPSK, DBPSK, CCK, CCK, PBCC. Также взяты из 802.11a, b.

Не вдаваясь особенно в подробности, можно сказать, что стандарт 802.11g аналогичен стандарту 802.11b по частоте – 2,4 ГГц, и похож на стандарт 802.11a по максимальной скорости передачи - 5 4 Мбит/с [10].

Следующим шагом в совершенствовании технологии WiFi стал стандарт 802.11n, в котором разработчики предприняли попытку объединить все лучшее, что было реализовано в предыдущих версиях.

Стандарт 802.11n разработан для оборудования, функционирующего на центральных частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц с максимально возможной скоростью вплоть до 600 Мбит/с [11]. Этот стандарт был утверждён IEEE в сентябре 2009, а в России одобрен и разрешен к использованию во всех диапазонах только в конце 2010 года [5].

Стандарт основан на технологии OFDM-MIMO. В стандарте IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных в несколько раз больше, по сравнению с предыдущими стандартами. Это достигается благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а также за счет реализации технологии MIMO с множеством антенн.

В идеальном случае, удвоение ширины полосы означает прямо пропорциональное увеличение скорости передачи данных на физическом уровне (PHY). На практике все оказывается намного сложнее.

В основу технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) положена идея применения раздельно нескольких передающих и приемных антенн [12].

В данном случае передаваемый поток данных разбивается на независимые последовательности битов, которые пересылается одновременно, с использованием разных антенн. При этом антенны передают данные независимо друг от друга и в одном и том же частотном диапазоне. Иными словами, в технологии MIMO реализовано нескольких пространственно разнесенных подканалов, по которым данные передаются одновременно в одном и том же частотном диапазоне. В простейшем примере это выглядит, как передатчик с двумя антеннами и приемник с двумя антеннами, в которых, по каждому каналу одновременно и независимо передаются и принимаются потоки данных.

Технология MIMO не влияет на метод кодирования данных и может использоваться с разными способами модуляции. В стандарте 802.11n в качестве метода расширения спектра используется Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), который хорошо зарекомендовал себя в стандарте 802.11a.

Технологии MIMO включают в себя сложные векторные и матричные алгоритмы обработки в системах с множеством антенн (multi-antenna).

Метод кодирования OFDMA по своей структуре в настоящее время является оптимальным для поддержания технологии MIMO.

В методе MIMO используется методика предварительного кодирования и последующего декодирования (Precoding) с формированием пространственной диаграммы направленности (beamforming). Пространственная диаграмма направленности представляет собой некое векторное расширение стандартной, плоской диаграммы направленности.

При формировании пространственной диаграммы направленности используется множество антенн для передачи сигналов. Такой подход позволяет значительно улучшить охват и емкость системы, а также уменьшить вероятность нарушения связи.

Для того, чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас времени на замирание в методе MIMO используются коды «пространство – время» (STC — Space-Time Code).

Методика MIMO включает в себя, так называемое «пространственное мультиплексирование», (SM — Spatial Multiplexing), которое повышает скорости передачи и увеличивает пропускную способность по сравнению с отдельной одиночной антенной. При пространственном мультиплексировании множество потоков передаются по множеству антенн. Например, если приемник и передатчик имеют две антенны и есть возможность выделить из всего многообразия электромагнитного излучения необходимые волны, то можно увеличить пиковую скорость данных вдвое.

Процесс передачи данных идет независимо. Это значит, что в направлении «верх» (UL) каждый пользователь имеет только одну передающую антенну. Два независимых пользователя могут одновременно передавать в том же самом слоте, аналогично тому случаю, когда два потока пространственно мультиплексированы от двух антенн одного пользователя. Такой процесс называется «совместное пространственное мультиплексирование вверх». Когда сообщение отправляется от базовой станции к мобильной, то говорят о направлении «вниз».

В процессе передачи последовательность символов, поступающая на кодер, преобразуется символьным преобразователем в пространственную форму. В соответствии с программой, заложенной в адаптивном преобразователе (например, отражение информации подканалов в пространственный код в соответствии с заданной матрицей),

В методе MIMO необходимо постоянно запрашивать информацию по идентификации канала, его состоянию и конкретным параметрам. В зависимости от текущего состояния канала сигналы передаются по разным подканалам. Специальные сигналы используются для преобразования параметров самих подканалов, таких например, как диаграмма направленности элементов адаптивной антенны, коррекция ошибок, скорость, передачи и других. Для коррекции ошибок используется коэффициент ошибок пакетов (PER — Packet Error Rate). Когда канал находится в плохом состоянии, увеличивается значение этого коэффициента, и как следствии автоматически зона покрытия ограничивается до величины, где может быть выдержано расчетное значение PER. Следует иметь ввиду, что пространственная модуляция (SM) и коды «пространство-время» (STC) обеспечивают большой охват независимо от состояния канала, но не повышают пиковую скорость данных.

При декодировании в приемном устройстве полученные сигналы обрабатываются по определенному закону в соответствии с заданной матрицей, например с помощью алгоритма обратного преобразования Фурье. Таким образом, в приемнике пространственно распределенные сигналы объединяются, и происходит восстановление переданных данных.

Основные параметры 802.11n, разрешенные для использования в России, приведены в таблице 5 [5].

Для стандарта 802.11 n в РФ выделены одна полоса с центральной частотой 2,4 ГГц и две полосы в районе 5 ГГц:

• 2 400 - 2 483,5 МГц;
• 5 150 - 5 350 МГц;
• 5 650 - 6 425 МГц.

Количество поднесущих в канале определено равным 56, при ширине канала 20 МГц, и равным 114, при ширине канала 40 МГц).

Частотный разнос каналов разрешен, как для 20 МГц, так и для 40 МГц.

В стандарте 802.11n, в приложении к нормативам РФ, допускается использование до четырех каналов передачи данных. Подразумевается, что не мене двух каналов могут быть у WiFi точки доступа и не мене одного канала должно быть у беспроводной абонентской станции.

Оборудование WiFi в стандарте 802.11n может работать в трёх режимах:

• Режим предыдущих версий (Legacy), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11a, b, g (нет поддержки 802.11n);
• Смешанный режим (Mixed), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11a, b, g и частичная поддержка 802.11n;
• Высокоскоростной режим (High Throughput, HT), в котором обеспечивается только полная поддержка 802.11n и не поддерживаются полностью все предыдущие версии.

Следует подчеркнуть, что только в режиме High Throughput можно в полной мере пользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, достигнутыми в стандарте 802.11n.

В режиме с высокой пропускной способностью (High Throughput) при ширине канала в 20 МГц применяются 56 частотных подканалов, из которых 52 задействуются для передачи данных, а четыре канала являются служебными.

При использовании 40 - мегагерцевого канала и режима с высокой пропускной способностью применяются 114 частотных подканалов, из которых 108 подканалов — информационные, а шесть управляющие.

Еще один параметр, влияющий на скорость передачи - это длительность охранного интервала GI, введенный в стандарте 802.11a. В стандарте 802.11 длительность охранного интервала может принимать два значения 800 нс и 400 нс.

Скорости передачи данных определяются комбинацией рассмотренных выше параметров. Всего таких комбинаций в стандарте 802.11n может быть 76.

В таблице 6 приведены значения скоростей передачи в стандарте 802.11n, рассчитанные для четырех пространственных потоков, при использовании в каждом потоке одинаковой схемы мультиплексирования (EQM) и при частотном разносе каналов 40 МГц [5].

Максимальная теоретическая скорость 600 Мбит/с может быть достигнута для четырех потоков, модуляции 64-QAM, скорости кодирования 5/6, длительности защитного интервала 400 нс. При других комбинациях параметров будут другие скорости передачи.

6. Дополнительные стандарты IEEE 802.11

Кроме рассмотренных выше основных стандартов 802.11a, b, g, n, существует ряд вспомогательных стандартов, описывающих сервисные функции различных WiFi изделий

802.11d
Этот стандарт предназначен для адаптации различных WiFi - устройств к специфическим условиям страны. Как уже упоминалось выше, конкретные диапазоны частот для каждой отдельно взятой страны определяются внутри самой страны и могут различаться, в зависимости от географического положения. Стандарт IEEE 802.11d позволяет регулировать полосы частот в устройствах разных производителей помощью специальных опций, введенных в протоколы управления доступом к среде передачи.

802.11e
Этот стандарт описывает классы качества QoS для приложений, обеспечивающих передачу файлов аудио и видео форматов. Изменения, введенные на уровне МАС протоколов 802.11e, регламентируют качество одновременной передачи звука и изображения для беспроводных аудио и видео систем.

802.11f
Данный стандарт унифицирует параметры WiFi точек доступа различных производителей. Целью стандарта 802.11f является обеспечение совместимости работы точек доступа, изготовленных различными производителями. Стандарт позволяет пользователю работать с разными сетями при его перемещении между зонами действия отдельных сетей.

802.11h
Как отмечалось выше, в большинстве европейских стран наземные станции слежения за метеорологическими спутниками и спутниками связи, а также радары военного назначения работают в диапазонах близких к 5 МГц. Для предотвращения конфликтных ситуаций стандарт 802.11h вводит обязательный для использования в Европе механизм автоматического сброса мощности на частотах 5ГГц для бытовых устройств WiFi при их попадании в зону действия изделий 802.11 специального и военного назначения. Этот стандарт является необходимым требованием ETSI, предъявляемым к оборудованию, допущенному для эксплуатации на тероитории стран Европейского Союза. Так, например, все WiFi – оборудование, выпускаемое французской фирмой Acksys, проходит обязательную европейскую сертификацию на соответствие стандарту 802.11h.

802.11i
В первых вариантах стандартов 802.11 для обеспечения безопасности сетей Wi-Fi использовался алгоритм Wired Equivalent Privacy (WEP). Предполагалось, что этот метод может обеспечить конфиденциальность и защиту передаваемых данных авторизированных пользователей беспроводной сети от прослушивания. Однако, как выяснилось, эту защиту можно взломать всего за несколько минут. Поэтому в стандарте 802.11i были разработаны новые методы защиты сетей Wi-Fi, реализованные, как на физическом, так и на программном уровнях. В настоящее время для организации системы безопасности в сетях 802.11 рекомендуется использовать алгоритмы Wi-Fi Protected Access (WPA). Эти алгоритмы также обеспечивают совместимость между беспроводными устройствами различных стандартов и различных модификаций.
Протоколы WPA используют усовершенствованную схему шифрования RC4 и метод обязательной аутентификация с использованием EAP.
Устойчивость и безопасность современных сетей Wi-Fi, определяется протоколами проверки конфиденциальности и шифрования данных (RSNA, TKIP, CCMP, AES)

802.11k
Этот стандарт был разработан для того, чтобы улучшить распределение трафика между абонентами внутри сети. В беспроводной локальной сети абонентское устройство обычно соединяется с той точкой доступа, которая обеспечивает наиболее сильный сигнал. Это может привести к перегрузке сети из-за того, что к одной точке доступа будут стремиться подключиться сразу много абонентов. Для контроля подобных ситуаций в стандарте 802.11k предложен механизм, который ограничивает количество абонентов, подключаемых к одной точке доступа, и подсоединяет новых абонентов к другой точке доступа, не смотря на более слабый от нее сигнал. В этом случае, полная пропускная способность сети увеличивается благодаря более эффективному использованию ресурсов.

802.11m
В рамках IEEE 802.11 существует рабочая группа TASK GROUP, которая занимается исправлением ошибок и ответами на запросы и замечания, которые любой человек может отправить в IEEE. Эти поправки и исправления суммируется в отдельном документе с общим названием 802.11m. Первый выпуск 802.11ma был в 2007 году. Следующий выпуск исправлений, дополнений и поправок к о всем редакциям 802.11 планируется на 2011 год.

802.11p
Стандарт 802.11p регулирует взаимодействие WiFi, оборудования, движущегося со скоростью до 200 км/с мимо неподвижных точек доступа, удаленных на расстояние до 1 км. В этом стандарте добавлены изменения, как на физическом уровне, так и на уровне управления доступом к среде передачи данных. Данный стандарт является одной из составных частей стандарта Wireless Access in Vehicular Environ (WAVE). Стандарт 802.11p является в своем роде интерфейсом для связи со тандартами IEEE 1609.
Стандарты WAVE определяют архитектуру и дополнительный набор служебных функций и интерфейсов, которые обеспечивают безопасный механизм радиосвязи между движущимися транспортными средствами. Эти стандарты разработаны для таких приложений, как например, организация дорожного движения, контроль безопасности движения, автоматизированный сбор платежей, навигация и маршрутизация транспортных средств и другие.

802.11r
Стандартом 802.11r регламентируется быстрый автоматический роуминг WiFi устройств при переходе из зоны действия одно точки доступа к зоне хвата другой.
Этот стандарт ориентирован, в основном, на интернет - телефонию и на мобильные телефоны с поддержкой WiFi. До появления этого стандарта, при движении абонент часто терял связь с одной точкой доступа, был вынужден искать новую и выполнять процедуру подключения. Устройства с поддержкой 802.11r, могут зарегистрироваться заранее с соседними точками доступа и выполнять процесс переподключения в автоматическом режиме. Таким образом значительно уменьшается мертвое время, когда абонент не доступен в сетях WiFi.

802.11s
Этот стандарт разработан для топологии многоузловых или ячеистых сетей (Wireless Mesh Network).
В многоузловой сети любое устройство может использоваться, как в роли маршрутизатора, так и точки доступа.
Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному узлу. При этом пакет данных передается от одного узла к другому, пока не достигнет конечного места назначения.
В данном стандарте введены новые протоколы на уровнях MAC и PHY, которые поддерживают и широковещательную передачу, и многоадресную передачу и одноадресную поставку по самоконфигурирующейся системе точек доступа WiFi. C этой целью в стандарте введен четырехадресный формат кадра.
Проект получил внутреннее название SEE-MESH и в настоящее время находится в стадии разработки. Основные разработки по этому проекту ведутся в Riedel Communications, Wuppertal, Germany.

802.11t
Этот документ представляет собой набор методик, рекомендованных IEEE для тестирования сетей 802.11. Сюда входят методики измерений, методики обработки результатов, требования, предъявляемые к испытательному оборудованию.

802.11u
Данный стандарт предназначен для регулирования взаимодействия сетей WiFi с внешними сетями. Стандарт должен определять протоколы доступа, протоколы приоритета и запрета для работы с внешними сетями
В настоящее время стандарт находится на этапах оценки и утвержения проекта.

802.11v
В стандарте должны быть разработаны поправки, направленные на совершенствование систем управления сетями IEEE 802.11. Модернизация на МАС и PHY уровнях должна позволить централизовать и упорядочить конфигурацию клиентских устройств, соединенных с сетью. Стандарт находится в стадии разработки.

802.11y
Дополнительный стандарт связи, работающий на частотах 3,65-3,70 ГГц. Предназначен для устройств последнего поколения, работающих с внешними антеннами на скоростях до 54 Мбит/с, на расстоянии до 5 км на открытом пространстве. Стандарт полностью не закончен.

802.11w
Этот стандарт разработан с целью улучшения защиты и безопасности уровня управления доступом к среде передачи данных (МАС). Протоколы стандарта структурируют систему контроля целостности данных, подлинности источника данных, запрет несанкционированного воспроизведения и копирования, конфиденциальность данных и другие средства защиты.
В стандарте введена защита фрейма управления. Виеденные в этом стандарте дополнительные меры безопасности позволяют нейтрализовать внешние атаки, такие как например DoS. Кроме того, эти меры обеспечат безопасность для наиболее уязвимой сетевой информации, которая будет передаваться по сетям с поддержкой IEEE 802.11r, k, y. В настоящее время стандарт полностью не завершен.

7. Заключение

В заключение этого раздела следует отметить, что технология WiFi является одним из наиболее бурно развивающихся направлений беспроводной связи. В настоящее время обрудование WiFi выпускает достаточно большое количество фирм. Только в составе Wi-Fi Alliance [14] насчитывается около 320 фирм, среди которых такие известные фирмы, как Intersil, Texas Instruments, Samsung, Broadcom, 3Com, Atheros, Cisco, Lucent, Nokia. Intel, Samsung, Microsoft, SONY, Apple, MSI, Motorola, The Boing, electorbit, Huawei, Hitachi, Ford Motors, ST Ericsson, Murata, NXP, HP,OKI, Garmin, LG, Epson, Sharp, Sierra Wireless, Philips, Canon, Ricon, Microchip, Panasonic, Toshiba, Netgear, NEC, Logitech, Mitsumi, Lexmark, Alcatel, ROHM, Trimble, Kodak, Symbol Technologies, Airgo Networks, и другие.
Эти фирмы ведут между собой очень жесткую конкурентную борьбу и стараются убедить покупателей, что именно их продукт является наилучшим. При этом, зачастую ведущие фирмы- производители WiFi чип – сетов выходят за рамки принятых стандартов IEEE и выпускают на рынок собственные разработки, не одобренные альянсом WiFi. В качестве примера можно привести технологию «Super G», разработанную фирмой Atheros для увеличения эффективной пропускной способности. В основу технологии положен, так называемый, метод «связывания каналов». В этом методе используются два радиоканала, которые связываются таким образом, чтобы они казались одним каналом как для передатчика, так и для приёмника. Теоретически это позволяет увеличить скорость передачи данных в стандарте 802.11g в два раза и довести ее до 108 Мбит/с. Кроме того, теоретически должен увеличиваться радиус действия сети. Однако, по другим данным эффект связывания каналов сильно зависит от расстояния и уменьшается с его увеличением [15]. В настоящее время, несмотря на то, что технология Super G не стандартизована IEEE, она используется такими фирмами, как Airlink 101, Clipsal, D-Link, Intelbras, Netgear, Nortel Networks, Planex, SMC, Sony, TRENDnet, SparkLAN, Toshiba and ZyXEL. На мировом рынке также можно встретить оборудование, поддерживающее технологию Super G под иными торговыми марками, например 108G Technology, 108Mbit/s 802.11g, Xtreme G.
В качестве других примеров, «несанкционированного» выхода за рамки стандартов IEEE можно привести технологии «25 High Speed Mode» от Broadcom, «MIMO – расширение», разработанное Airgo Networks, «Nitro», предлагаемое Conexant. Даже такая солидная фирма, как Texas Instruments, и та вышла за рамки стандартов IEEE, предложив технологию «802.11b+».
Многие участники WiFi альянса утверждают, что оборудование с поддержкой Super G и других несогласованных технологий, мешает нормальной работе в частотном диапазоне 2,4 ГГц.
Однако, как справедливо отмечается в [15], существует множество изделий, например усилителей мощности и активных антенн, которые могут мешать соседним беспроводным сетям и не имеют никаких механизмов регламентации в зоне действия другого WiFi оборудования.
С появлением в 2009 году стандарта 802.11n, вобравшим в себя все самое лучшее из предыдущих версий 802.11, накал спора о том, какой стандарт лучше, должен был бы ослабнуть. Поскольку в мире производится, и еще некоторое время будет производиться оборудование, поддерживающее стандарты 802.11a, b, g и «Super G», то вопрос, «что выбрать из 802.11» остается открытым. Для того, чтобы правильно ответить на этот вопрос, нужно четко понимать, для каких целей нужна конкретная WiFi сеть.
Безусловно, стандарт 802.11.сейчас самый быстрый в мире. На рисунке 5 показаны сравнительные данные по скорости передачи для трех стандартов 802.11 b, g, n [16].

Рис. 5. сравнительные данные по скорости передачи для трех стандартов 802.11 b, g, n [16].

Например, для передачи больших объемов информации на небольшие расстояния, скорость является определяющим фактором. На рисунке 5 приведено время, которое потребуется оборудованию WiFi 802.11 b, g, n для того чтобы перекачать 30 - минутный видеофайл с компьютера на переносной проигрыватель.
Однако, борьба за скорость передачи не всегда оправдана. Например, для телевидения стандартного разрешения вполне хватает 5 Мбит/с, а разрешению HDTV требуются в среднем около 20 Мбит/с. Для передачи голоса не нужны скорости больше 1 Мбит/с.
На самом деле задача должна ставиться, как поддержание оптимальной скорости на необходимом расстоянии. Нельзя забывать и о перегруженности конкретного объема беспроводным оборудованием. Известно, что WiFi устройства начинают конфликтовать, когда работают в непосредственной близости друг к другу. В закрытых помещениях также существует проблема отражения от стен и массивного оборудования.
Стоит также подумать и о выборе частоты. В частотном диапазоне 2,4 ГГц дальность действия больше. Однако перегруженность этого диапазона и наличие помех намного больше, чем в диапазоне 5 МГц.
Наилучшим вариантом может быть выбор двух частных диапазонов, и попеременная работа в одном из них в зависимости от состояния среды передачи.

Литература

1. http://www.acksys.fr/us/index.htm
2. http://standards.ieee.org/getieee802/download
3. IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information
exchange between systems. Local and metropolitan area networks.Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer (PHY) Specifications
4. http://grouper.ieee.org/groups/802/11/Photographs/2010/201009/20th%20cel...
5. МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ, Приказ от 14 Сентября 2010 г. N 124, "Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц" (Зарегистрировано в Минюсте РФ 12.10.2010 N 18695)
6. 802.11® Wireless Networks: The Definitive Guide, By Matthew Gast. http://book.dlf.ge/Desktop_books/books
7.http://www.iec.org/online/tutorials/ofdm/topic04.html?Next.x=40&Next.y=18
8. OFDM Wireless LANs: A Theorethical and Practical Guide, Juha Heiskala, John Terry, Sams Publishing 2002.
9. http://www.54g.org/docs/802.11g-WP104-RDS1.pdf
10. http://www.sss-mag.com/pdf/802_11g_whitepaper.pdf
11. IEEE Std 802.11n-2009, IEEE Standard for Information technology—
Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan networks—Specific. requirements—Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput.
12 .MIMO http://en.wikipedia.org/wiki/Multiple-input_multiple-output
13. www.electronics-tech.com
14. http://www.wi-fi.org/our_members.php
15. http://www.thg.ru/network/20040127/11g_enhanced-01.html
16. 802.11n: Next-Generation Wireless LAN, Technology. Broadcom, 2006