Obecné požadavky na budování sítě IEEE 802.11. Všechny stávající standardy Wi-Fi sítí

V současné době jsou široce používány především tři standardy skupiny IEEE 802.11 (viz tabulka 1.1)

Tabulka 1.1 - Hlavní charakteristiky standardů skupiny IEEE 802.11

1.3.1 standard IEEE 802.11g

Standard IEEE 802.11g přijatý v roce 2003 je logickým vývojem standardu 802.11b a předpokládá přenos dat ve stejném frekvenčním rozsahu, ale vyšší rychlostí. Kromě toho je 802.11g plně kompatibilní s 802.11b, což znamená, že jakékoli zařízení 802.11g musí podporovat zařízení 802.11b. Maximální datová rychlost v 802.11g je 54 Mb/s. Při vývoji standardu 802.11g byly zvažovány dvě konkurenční technologie: metoda ortogonálního frekvenčního dělení OFDM, vypůjčená ze standardu 802.11a a navržená ke zvážení společností Intersil, a konvoluční kódování binárních paketů metodou PBCC, kterou nabízí Texas Instruments. Standard 802.11g ve výsledku obsahuje kompromisní řešení: jako základní jsou použity technologie OFDM a CCK, volitelně je zajištěno použití technologie PBCC.

Myšlenka konvolučního kódování (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) je následující. Příchozí sekvence informačních bitů je v konvolučním kodéru transformována tak, že každý vstupní bit odpovídá více než jednomu výstupnímu bitu. To znamená, že konvoluční kodér přidává k původní sekvenci určité nadbytečné informace. Pokud například každý vstupní bit odpovídá dvěma výstupním bitům, pak se mluví o konvolučním kódování s rychlostí rovnou 1/2. Pokud každé dva vstupní bity odpovídají třem výstupním bitům, pak bude rychlost konvolučního kódování již 2/3.

Jakýkoli konvoluční kodér je postaven na základě několika postupně zapojených paměťových buněk a XOR hradel. Počet paměťových buněk určuje počet možných stavů kodéru. Pokud například konvoluční kodér používá šest paměťových buněk, pak kodér ukládá informace o šesti předchozích stavech signálu a vezmeme-li v úvahu hodnotu příchozího bitu, dostaneme, že v takovém kodéru je použito sedm bitů vstupní sekvence . Takovýto konvoluční kodér se nazývá sedmistavový kodér.

Výstupní bity generované v konvolučním kodéru jsou určeny operacemi XOR mezi hodnotami vstupního bitu a bity uloženými v paměťových buňkách, to znamená, že hodnota každého generovaného výstupního bitu nezávisí pouze na příchozím informačním bitu, ale také na několika předchozích bitech.

Hlavní výhodou konvolučních kodérů je odolnost vůči šumu sekvence, kterou tvoří. Faktem je, že s redundancí kódování lze i v případě chyb příjmu přesně obnovit původní bitovou sekvenci. Pro obnovení původní bitové sekvence na straně přijímače se používá dekodér Viterbi.

Debit generovaný v konvolučním kodéru je později použit jako přenášený symbol, ale nejprve je podroben fázové modulaci. Navíc je v závislosti na přenosové rychlosti možná binární, kvadraturní nebo dokonce osmipolohová fázová modulace.

Na rozdíl od technologií DSSS (Barkerovy kódy, CCK sekvence) technologie konvolučního kódování nevyužívá technologii rozšíření spektra z důvodu použití šumových sekvencí, nicméně rozšíření spektra na standardních 22 MHz je i v tomto případě zajištěno. K tomu se používají varianty možných konstelací signálů QPSK a BPSK.

Uvažovaný způsob kódování PBCC je volitelně použit v protokolu 802.11b při rychlostech 5,5 a 11 Mbps. Podobně v protokolu 802.11g pro přenosové rychlosti 5,5 a 11 Mbps je tato metoda rovněž volitelná. Obecně platí, že kvůli kompatibilitě protokolů 802.11ba 802.11g jsou technologie kódování a rychlosti poskytované protokolem 802.11b podporovány také v protokolu 802.11g. V tomto ohledu jsou až 11 Mbps, 802.11ba 802.11g stejné, až na to, že 802.11g poskytuje rychlosti, které 802.11b neposkytuje.

Volitelně lze v protokolu 802.11g použít technologii PBCC při přenosových rychlostech 22 a 33 Mbps.

Pro rychlost 22 Mbit/s, ve srovnání se schématem PBCC, o kterém jsme již uvažovali, má přenos dat dvě vlastnosti. Nejprve se používá 8-polohová fázová modulace (8-PSK), to znamená, že fáze signálu může nabývat osmi různých hodnot, což umožňuje zakódování tří bitů do jednoho symbolu. Kromě toho byl do schématu přidán kodér Puncture, s výjimkou konvolučního kodéru. Význam tohoto řešení je celkem jednoduchý: redundance konvolučního kodéru rovna 2 (pro každý vstupní bit jsou dva výstupní bity) je poměrně vysoká a za určitých podmínek šumového prostředí je zbytečná, takže můžete snížit redundanci, takže například každé dva vstupní bity odpovídají třem výstupním bitům. K tomu samozřejmě můžete vyvinout vhodný konvoluční kodér, ale je lepší přidat do obvodu speciální interpunkční kodér, který jednoduše zničí nadbytečné bity. Řekněme, že interpunkční kodér odebere jeden bit z každých čtyř vstupních bitů. Potom každé čtyři příchozí bity budou odpovídat třem odchozím. Rychlost takového kodéru je 4/3. Pokud je takový kodér použit v tandemu s konvolučním kodérem s rychlostí 1/2, pak bude celková rychlost kódování 2/3, to znamená, že každé dva vstupní bity budou odpovídat třem výstupním bitům.

PBCC je volitelný ve standardu IEEE 802.11g, zatímco OFDM je povinný. Abychom pochopili podstatu technologie OFDM, podívejme se podrobněji na vícecestné rušení, ke kterému dochází, když se signály šíří v otevřeném prostředí.

Důsledkem vícecestného rušení signálu je, že v důsledku vícenásobných odrazů od přírodních překážek může stejný signál vstupovat do přijímače různými způsoby. Ale různé cesty šíření se od sebe liší délkou, a proto se u nich bude lišit i útlum signálu. Proto je v místě příjmu výsledný signál rušením mnoha signálů, které mají různé amplitudy a jsou vzájemně posunuty v čase, což je ekvivalentní sčítání signálů s různými fázemi.

Důsledkem vícecestného rušení je zkreslení přijímaného signálu. Vícecestné rušení je vlastní každému typu signálu, ale má zvláště negativní vliv na širokopásmové signály, protože při použití širokopásmového signálu se v důsledku rušení přidávají určité frekvence ve fázi, což vede ke zvýšení signálu, a některé naopak mimo fázi, což způsobuje útlum signálu na dané frekvenci.

Když mluvíme o vícecestném rušení, ke kterému dochází během přenosu signálu, jsou zaznamenány dva extrémní případy. V prvním z nich nepřesahuje maximální zpoždění mezi signály dobu trvání jednoho symbolu a v rámci jednoho přenášeného symbolu dochází k interferenci. Ve druhém je maximální zpoždění mezi signály větší než doba trvání jednoho symbolu, proto se v důsledku interference sčítají signály představující různé symboly a dochází k tzv. inter-symbol interferenci (Inter Symbol Interference, ISI).

Nejnegativnější vliv na zkreslení signálu má mezisymbolové rušení. Protože symbol je diskrétní stav signálu, charakterizovaný hodnotami nosné frekvence, amplitudy a fáze, mění se amplituda a fáze signálu pro různé symboly, a proto je extrémně obtížné obnovit původní signál.

Z tohoto důvodu se při vysokých bitových rychlostech používá technika kódování dat nazývaná ortogonální frekvenčně dělený multiplex (OFDM). Jeho podstata spočívá ve skutečnosti, že proud přenášených dat je distribuován přes množství frekvenčních subkanálů a přenos je prováděn paralelně na všech takových subkanálech. V tomto případě je vysoké přenosové rychlosti dosaženo právě díky současnému přenosu dat přes všechny kanály, zatímco přenosová rychlost v samostatném subkanálu může být nízká.

Vzhledem k tomu, že v každém z frekvenčních subkanálů nelze nastavit příliš vysokou rychlost přenosu dat, jsou vytvořeny předpoklady pro účinné potlačení mezisymbolového rušení.

Frekvenční rozdělení vyžaduje, aby byl jednotlivý kanál dostatečně úzký, aby se minimalizovalo zkreslení signálu, a zároveň dostatečně široký, aby poskytoval požadovanou přenosovou rychlost. Kromě toho, pro ekonomické využití celé šířky pásma kanálu rozděleného na subkanály, je žádoucí uspořádat frekvenční subkanály co nejblíže k sobě, a přitom se vyhnout mezikanálovému rušení, aby bylo zajištěno jejich úplnou nezávislost. Frekvenční kanály, které splňují výše uvedené požadavky, se nazývají ortogonální. Nosné signály všech frekvenčních dílčích kanálů jsou navzájem ortogonální. Je důležité, aby ortogonalita nosných signálů zaručovala frekvenční nezávislost kanálů na sobě navzájem, a tedy absenci mezikanálového rušení.

Uvažovaný způsob dělení širokopásmového kanálu na ortogonální frekvenční subkanály se nazývá ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením (OFDM). Pro jeho implementaci ve vysílačích se používá inverzní rychlá Fourierova transformace (IFFT), která převádí pre-multiplexovaný na n -kanálový signál od času Ó zastoupení ve frekvenci.

Jednou z klíčových výhod OFDM je kombinace vysoké přenosové rychlosti s efektivním vícecestným odporem. Technologie OFDM sama o sobě samozřejmě nevylučuje vícecestné šíření, ale vytváří předpoklady pro eliminaci vlivu mezisymbolového rušení. Faktem je, že nedílnou součástí technologie OFDM je ochranný interval (Guard Interval, GI) - cyklické opakování konce symbolu, připojeného na začátek symbolu.

Ochranný interval vytváří pauzy mezi jednotlivými symboly, a pokud jeho trvání překročí maximální dobu zpoždění signálu v důsledku vícecestného šíření, nedochází k mezisymbolové interferenci.

U technologie OFDM je doba trvání ochranného intervalu jedna čtvrtina doby trvání samotného symbolu. V tomto případě má symbol trvání 3,2 μs a ochranný interval je 0,8 μs. Doba trvání symbolu spolu s ochranným intervalem je tedy 4 μs.

Protokol 802.11g využívá binární a kvadraturní fázové modulace BPSK a QPSK při nízkých přenosových rychlostech. Při použití modulace BPSK je v jednom symbolu zakódován pouze jeden informační bit a při použití modulace QPSK jsou kódovány dva informační bity. Modulace BPSK se používá pro přenos dat rychlostí 6 a 9 Mbps a modulace QPSK rychlostí 12 a 18 Mbps.

Pro přenos vyššími rychlostmi se používá kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation), při které se informace kóduje změnou fáze a amplitudy signálu. Protokol 802.11g využívá modulaci 16-QAM a 64-QAM. První modulace předpokládá 16 různých stavů signálu, což umožňuje zakódování 4 bitů do jednoho symbolu; druhý - 64 možných stavů signálu, což umožňuje kódovat sekvenci 6 bitů v jednom symbolu. Modulace 16-QAM se používá při 24 a 36 Mbps a modulace 64-QAM se používá při 48 a 54 Mbps.

1.3.2 Standard IEEE 802.11a

Standard IEEE 802.11a poskytuje přenosovou rychlost až 54 Mbps. Na rozdíl od základního standardu specifikace 802.11a zajišťují provoz v novém frekvenčním rozsahu 5 GHz. Jako způsob modulace signálu byl zvolen ortogonální frekvenční multiplex (OFDM), který zajišťuje vysokou stabilitu komunikace v podmínkách vícecestného šíření signálu.

V souladu s pravidly FCC je frekvenční rozsah UNII rozdělen do tří dílčích pásem 100 MHz, které se liší omezením maximálního vyzařovacího výkonu. Nízké pásmo (5,15 až 5,25 GHz) je pouze 50 mW, střední pásmo (5,25 až 5,35 GHz) je 250 mW a vysoké pásmo (5,725 až 5,825 GHz) je 1 watt. Použití tří frekvenčních dílčích pásem o celkové šířce 300 MHz činí standard IEEE 802.11a nejširším z rodiny standardů 802.11 a umožňuje rozdělit celý frekvenční rozsah do 12 kanálů, z nichž každý má šířku 20 MHz, přičemž osm z nich leží v pásmu 200 MHz od 5,15 do 5,35 GHz a zbývající čtyři kanály jsou v pásmu 100 MHz od 5,725 do 5,825 GHz (obrázek 1.3). Zároveň jsou čtyři horní frekvenční kanály, které poskytují nejvyšší vysílací výkon, využívány především pro přenos signálu venku.

Obrázek 1.3 - Rozdělení pásma UNII na 12 frekvenčních dílčích pásem

Standard IEEE 802.11a je založen na technice frekvenčně ortogonálního multiplexování (OFDM). Pro separaci kanálů je aplikována inverzní Fourierova transformace s oknem 64 frekvenčních subkanálů. Protože šířka každého z 12 kanálů definovaných ve standardu 802.11a je 20 MHz, ukázalo se, že každý ortogonální frekvenční subkanál (subnosná) má šířku 312,5 kHz. Z 64 ortogonálních subkanálů se však používá pouze 52 a 48 z nich se používá pro přenos dat (Data Tones) a zbytek - pro přenos servisních informací (Pilot Tones).

Pokud jde o modulační techniku, protokol 802.11a se příliš neliší od 802.11g. Při nízkých bitových rychlostech se k modulaci dílčích nosných používají binární a kvadraturní fázové modulace BPSK a QPSK. Při použití modulace BPSK je v jednom symbolu zakódován pouze jeden informační bit. Podle toho, když se používá modulace QPSK, to znamená, když fáze signálu může nabývat čtyř různých hodnot, jsou dva informační bity zakódovány v jednom symbolu. Modulace BPSK se používá pro přenos dat rychlostí 6 a 9 Mbps a modulace QPSK rychlostí 12 a 18 Mbps.

Pro vyšší přenosové rychlosti používá standard IEEE 802.11a kvadraturní amplitudovou modulaci 16-QAM a 64-QAM. V prvním případě existuje 16 různých stavů signálu, což umožňuje zakódovat 4 bity v jednom symbolu, a ve druhém případě je již 64 možných stavů signálu, což umožňuje zakódovat sekvenci 6 bitů v jednom symbol. Modulace 16-QAM se používá při 24 a 36 Mbps a modulace 64-QAM při 48 a 54 Mbps.

Informační kapacita OFDM symbolu je určena typem modulace a počtem dílčích nosných. Protože se pro přenos dat používá 48 subnosných, je kapacita OFDM symbolu 48 x Nb, kde Nb je binární logaritmus počtu modulačních pozic, nebo jednodušeji počet bitů, které jsou zakódovány v jednom symbolu v jednom. subkanál. Podle toho je kapacita OFDM symbolu od 48 do 288 bitů.

Posloupnost zpracování vstupních dat (bitů) ve standardu IEEE 802.11a je následující. Na počátku je vstupní datový tok podroben standardní operaci skramblování. Poté datový tok vstupuje do konvolučního kodéru. Rychlost konvolučního kódování (v kombinaci s bodovým kódováním) může být 1/2, 2/3 nebo 3/4. Protože rychlost konvolučního kódování může být různá, při použití stejného typu modulace je přenosová rychlost odlišná. Uvažujme například modulaci BPSK, kde je přenosová rychlost 6 nebo 9 Mbps. Doba trvání jednoho symbolu spolu s ochranným intervalem je 4 μs, což znamená, že frekvence opakování pulzu bude 250 kHz. Uvážíme-li, že v každém subkanálu je zakódován jeden bit a takových subkanálů je celkem 48, dostaneme, že celková datová rychlost bude 250 kHz x 48 kanálů = 12 MHz. Pokud je v tomto případě rychlost konvolučního kódování 1/2 (pro každý informační bit je přidán jeden servisní bit), bude informační rychlost poloviční než plná rychlost, tj. 6 Mbps. Při rychlosti konvolučního kódování 3/4 je přidán jeden servisní bit na každé tři informační bity, proto je v tomto případě užitečná (informační) rychlost 3/4 plné rychlosti, to znamená 9 Mbps. Podobně každý typ modulace odpovídá dvěma různým bitovým rychlostem (tabulka 1.2).

Tabulka 1.2 - Vztah mezi přenosovými rychlostmi a typem modulace v 802.11a

Po konvolučním kódování je bitový tok podroben operaci prokládání nebo prokládání. Jeho podstatou je změna pořadí bitů v rámci jednoho OFDM symbolu. K tomu je sekvence vstupních bitů rozdělena do bloků, jejichž délka je rovna počtu bitů v OFDM symbolu (NCBPS). Dále se podle určitého algoritmu provádí dvoustupňová permutace bitů v každém bloku. V první fázi jsou bity permutovány tak, že sousední bity jsou přenášeny na nesouvislých dílčích nosných při vysílání OFDM symbolu. Algoritmus bitové výměny v této fázi je ekvivalentní následujícímu postupu. Zpočátku je blok bitů délky NCBPS zapsán řádek po řádku (řádek po řádku) do matice obsahující 16 řádků a NCBPS/16 řádků. Dále jsou bity čteny z této matice, ale po řádcích (nebo stejným způsobem, jakým byly zapsány, ale z transponované matice). V důsledku takové operace budou zpočátku sousední bity přenášeny na nesouvislých dílčích nosných.

Poté následuje druhý krok výměny bitů, jehož účelem je zajistit, aby se sousední bity neobjevily současně v nejméně významných bitech skupin, které definují modulační symbol v konstelaci signálu. To znamená, že po druhé fázi permutace jsou sousední bity střídavě v horní a dolní číslici skupin. To se provádí za účelem zlepšení odolnosti přenášeného signálu proti šumu.

Po proložení se bitová sekvence rozdělí do skupin podle počtu pozic zvoleného typu modulace a vytvoří se OFDM symboly.

Vygenerované OFDM symboly jsou podrobeny rychlé Fourierově transformaci, jejímž výsledkem jsou výstupní soufázové a kvadraturní signály, které jsou následně podrobeny standardnímu zpracování - modulaci.

1.3.3 standard IEEE 802.11n

Tento standard byl schválen 11. září 2009. 802.11n je přenosovou rychlostí srovnatelný s drátovými standardy. Maximální přenosová rychlost 802.11n je zhruba 5x rychlejší než klasická Wi-Fi.

Lze zaznamenat následující hlavní výhody standardu 802.11n:

– vysoká rychlost přenosu dat (asi 300 Mbit/s);

- rovnoměrné, stabilní, spolehlivé a kvalitní pokrytí oblasti pokrytí stanice, absence nepokrytých oblastí;

– Kompatibilita s předchozími verzemi standardu Wi-Fi.

nedostatky:

- vysoká spotřeba energie;

– dva provozní rozsahy (možná výměna zařízení);

- Složité a větší vybavení.

Zvýšení přenosové rychlosti ve standardu IEEE 802.11n je dosaženo jednak zdvojnásobením šířky kanálu z 20 na 40 MHz a jednak implementací MIMO technologie.

Technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) zahrnuje použití více vysílacích a přijímacích antén. Analogicky se tradiční systémy, tedy systémy s jednou vysílací a jednou přijímací anténou, nazývají SISO (Single Input Single Output).

Standard IEEE 802.11n je založen na technologii OFDM-MIMO. Mnoho technických detailů v něm implementovaných je vypůjčeno ze standardu 802.11a, nicméně standard IEEE 802.11n umožňuje použití jak frekvenčního rozsahu přijatého pro standard IEEE 802.11a, tak frekvenčního rozsahu přijatého pro IEEE 802.11b. /g standardy. To znamená, že zařízení, která podporují standard IEEE 802.11n, mohou pracovat ve frekvenčním rozsahu 5 nebo 2,4 GHz.

Obrázek 1.4 - Princip implementace technologie MIMO

Vysílaná sekvence je rozdělena do paralelních toků, ze kterých je na přijímací straně obnoven původní signál. Zde vzniká určitá složitost - každá anténa přijímá superpozici signálů, které je třeba od sebe oddělit. K tomu je na přijímací straně použit speciálně vyvinutý algoritmus pro prostorovou detekci signálu. Tento algoritmus je založen na výběru dílčích nosných a je tím obtížnější, čím větší je jejich počet. Jedinou nevýhodou použití MIMO je složitost a objemnost systému a v důsledku toho vyšší spotřeba.Pro zajištění kompatibility mezi MIMO stanicemi a tradičními stanicemi existují tři režimy provozu:

Starší režim.

Smíšený režim (smíšený režim).

Režim zeleného pole.

Každý režim provozu má svou vlastní strukturu preambule - servisní pole paketu, které označuje začátek vysílání a slouží k synchronizaci přijímače a vysílače. Preambule obsahuje informace o délce paketu a jeho typu, včetně typu modulace, zvoleného způsobu kódování a také všech parametrů kódování. Aby nedocházelo ke konfliktům v provozu MIMO stanic a konvenčních (s jednou anténou) při výměně mezi MIMO stanicemi, je paket doprovázen speciální preambulí a hlavičkou. Po přijetí takové informace stanice pracující v legacy módu zpožďují vysílání až do konce relace mezi MIMO stanicemi. Kromě toho struktura preambule definuje některé z primárních úkolů přijímače, jako je odhadování síly přijímaného signálu pro systém automatického řízení zisku, detekce začátku paketu, časový a frekvenční posun.

Provozní režimy MIMO stanic.

starší režim. Tento režim je určen pro výměnu mezi dvěma stanicemi s jednou anténou. Přenos informací se provádí podle protokolů 802.11a. Pokud je vysílačem MIMO stanice a přijímačem konvenční stanice, pak je ve vysílacím systému použita pouze jedna anténa a proces přenosu je stejný jako u předchozích verzí standardu Wi-Fi. Jde-li vysílání opačným směrem – z konvenční stanice na stanici s více anténami, pak MIMO stanice používá mnoho přijímacích antén, ale v tomto případě není přenosová rychlost maximální. Struktura preambule v tomto režimu je stejná jako ve verzi 802.11a.

Smíšený režim. V tomto režimu se výměna provádí jak mezi systémy MIMO, tak mezi konvenčními stanicemi. V tomto ohledu MIMO systémy generují dva typy paketů v závislosti na typu přijímače. Normální stanice jsou pomalé, protože nepodporují vysoké rychlosti a mezi MIMO je to mnohem rychlejší, ale přenosová rychlost je pomalejší než v zeleném režimu. Preambule v paketu z normální stanice je stejná jako ve standardu 802.11a a v paketu MIMO je mírně pozměněna. Pokud je vysílač MIMO systém, pak každá anténa vysílá ne celou preambuli, ale cyklicky posunutou. Díky tomu se snižuje spotřeba energie stanice a kanál je využíván efektivněji. Ne všechny starší stanice však mohou pracovat v tomto režimu. Faktem je, že pokud je algoritmus synchronizace zařízení založen na vzájemné korelaci, dojde ke ztrátě synchronizace.

Režim zeleného pole. Tento režim plně využívá výhod MIMO systémů. Přenos je možný pouze mezi víceanténními stanicemi se staršími přijímači. Když MIMO systém vysílá, normální stanice čekají, až se kanál uvolní, aby se zabránilo kolizím. V režimu zelené louky je možný příjem signálu ze systémů pracujících podle prvních dvou schémat, ale přenos do nich není možný. Děje se tak za účelem vyloučení jednoanténních stanic z ústředny a tím zvýšení rychlosti práce. Pakety jsou doprovázeny preambulemi, které podporují pouze MIMO stanice. Všechna tato opatření umožňují maximální využití možností systémů MIMO-OFDM. Ve všech režimech provozu musí být zajištěna ochrana před vlivem provozu sousední stanice, aby nedocházelo ke zkreslení signálu. Na fyzické vrstvě modelu OSI k tomu slouží speciální pole ve struktuře preambule, která stanici upozorňují, že probíhá přenos a je vyžadována určitá čekací doba. Některé metody zabezpečení jsou také přijaty na vrstvě datového spojení. V závislosti na použité šířce pásma jsou provozní režimy klasifikovány takto:

1. Zděděný režim. Tento režim je nutný pro sladění s předchozími verzemi Wi-Fi. Hardwarově i šířkou pásma je velmi podobný 802.11a/g, což je 20 MHz.

2. Dvojitý zděděný režim. Zařízení používají šířku pásma 40 MHz, přičemž stejná data jsou odesílána na horním a spodním kanálu (každý o šířce 20 MHz), ale s fázovým posunem 90°. Struktura paketů je orientována na skutečnost, že přijímačem je běžná stanice. Duplikace signálu snižuje zkreslení, a tím zvyšuje přenosovou rychlost.

3. Režim vysoké šířky pásma. Zařízení podporují obě frekvenční pásma – 20 a 40 MHz. V tomto režimu si stanice vyměňují pouze pakety MIMO. Rychlost sítě je maximální.

4. Režim horního kanálu. Tento režim využívá pouze horní polovinu pásma 40 MHz. Stanice si mohou vyměňovat libovolné pakety.

5. Režim nižšího kanálu. Tento režim využívá pouze spodní polovinu pásma 40 MHz. Stanice si také mohou vyměňovat libovolné pakety.

Metody pro zlepšení výkonu.

Rychlost přenosu dat závisí na mnoha faktorech (tabulka 1.3) a především na šířce pásma. Čím je širší, tím vyšší je směnný kurz. Druhým faktorem je počet paralelních vláken. Ve standardu 802.11n je maximální počet kanálů 4. Velký význam má také typ modulace a způsob kódování. Kódy pro opravu chyb, které se běžně používají v sítích, zahrnují zavedení určité redundance. Pokud je ochranných bitů příliš mnoho, přenosová rychlost užitečných informací se sníží. Ve standardu 802.11n je maximální relativní rychlost kódování až 5/6, to znamená, že na každých 5 datových bitů je jeden redundantní bit. Tabulka 3 uvádí přenosové rychlosti QAM a BPSK. Je vidět, že s jinými stejnými parametry poskytuje QAM modulace mnohem vyšší rychlost.

Tabulka 1.3 - Přenosová rychlost pro různé typy modulace

Vysílače a přijímače 802.11n

Standard IEEE 802.11n umožňuje až čtyři antény pro přístupový bod a bezdrátový adaptér. Povinný režim znamená podporu dvou antén na přístupovém bodu a jedné antény a bezdrátového adaptéru. Standard IEEE 802.11n poskytuje jak standardní 20 MHz kanály, tak kanály s dvojnásobnou šířkou. Obecné blokové schéma vysílače je znázorněno na obrázku 1.5. Přenášená data jsou předávána přes scrambler, který do kódu vkládá další nuly nebo jedničky (tzv. maskování pseudonáhodného šumu), aby se předešlo dlouhým sekvencím stejných znaků. Data jsou poté rozdělena do N toků a přiváděna do kodéru pro dopřednou korekci chyb (FEC). Pro systémy s jednou nebo dvěma anténami N = 1, a pokud jsou použity tři nebo čtyři přenosové kanály, pak N = 2.

Obrázek 1.5 - Obecná struktura MIMO-OFDM vysílače

Kódovaná sekvence je rozdělena do samostatných prostorových proudů. Bity v každém toku jsou prokládány (k eliminaci blokových chyb) a poté modulovány. Dále se tvoří časoprostorové toky, které procházejí blokem inverzní rychlé Fourierovy transformace a dostávají se k anténám. Počet časoprostorových proudů se rovná počtu antén. Struktura přijímače je podobná struktuře vysílače znázorněné na obrázku 1.6, ale všechny akce se provádějí v opačném pořadí.

Obrázek 1.6 - Obecná struktura přijímače MIMO-OFD

IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Bezdrátové sítě standardu IEEE 802.11 pracují ve dvou pásmech: 2,4……2,483 GHz a v několika pásmech blízkých 5 GHz, která jsou bez licence. Existuje několik možných topologií:

• samostatné základní oblasti služeb (nezávislé základní sady, IBSS),
• základní oblasti služeb (základní sady služeb, BSS),
• rozšířené servisní oblasti (extended service set, EZS).

Nezávislá oblast základní služby je skupina stanic pracujících v souladu se standardem 802.11, které spolu přímo komunikují. IBSS se také označuje jako síť ad-hoc nebo ad-hoc. Na Obr. Obrázek 6.8 ukazuje, jak mohou tři stanice vybavené kartou bezdrátového síťového rozhraní (NIC) 802.11 vytvořit IBSS a přímo spolu komunikovat.

Rýže. 6.8. Epizodická (ad-hoc) síť

Technologie základních servisních oblastí předpokládá přítomnost speciální stanice: přístupový bod AP (přístupový bod). Přístupový bod je centrálním komunikačním bodem pro všechny BSS. Klientské stanice spolu přímo nekomunikují. Místo toho posílají zprávy do přístupového bodu a ten již odesílá informační pakety do cílové stanice. Přístupový bod může mít uplink port, přes který je BSS připojeno ke kabelové síti (například ethernetový uplink pro přístup k internetu). Proto se BSS nazývá síť s infrastrukturou. Na Obr. 6.9 ukazuje typickou infrastrukturu BSS.

Rýže. 6.9. Bezdrátová LAN s infrastrukturou

Prostřednictvím jejich uplinkových rozhraní lze propojit více infrastruktur BSS. Kde je v platnosti 802.11, uplinkové rozhraní spojuje BSS s distribučním systémem (DS). Několik BSS propojených prostřednictvím distribuční soustavy tvoří rozšířenou obslužnou oblast (ESS). Uplink do distribuční soustavy nemusí využívat kabelové připojení. Specifikace standardu 802.11 umožňují vytvořit tento kanál jako bezdrátový. Ale častěji jsou uplinky do distribučního systému drátové ethernetové linky. Na Obr. 6.10 je příkladem praktické implementace ESS.

Oblast pokrytá BSS nebo ESS s přístupem k internetu se nazývá hot spot. „Hot spots“ vznikají v hotelech, na letištích, v restauracích, studentských ubytovnách i jen tak na ulicích. Na konci roku 2004 fungovalo na světě asi 50 000 „horkých míst“ a počet jejich uživatelů dosáhl
50 milionů lidí. Rychlé rozšíření služeb WLAN a velký počet výrobců hardwaru vyžadují kompatibilitu hardwaru a softwaru nabízeného různými společnostmi. Za tímto účelem byla v roce 1999 vytvořena organizace WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), která se záhy transformovala na Wi-Fi Alliance. Zahrnuje vývojáře a výrobce zařízení 802.11, síťové operátory a odborníky. Hlavním cílem aliance je certifikace vyráběných zařízení s cílem zajistit interakci Wi-Fi zařízení vyrobených různými společnostmi.

Rýže. 6.10. Rozšířená servisní oblast ESS Wireless LAN

Standard 802.11 má 3 varianty: 802.11a, b a g. Ve všech variantách jsou informace přenášeny v dávkovém režimu, v samostatných rámcích (paketech).

Standardní zařízení 802.11b pracuje v pásmu 2,4 ... 0,2,483 GHz. Jak již bylo zmíněno, tento sortiment je nelicencovaný a funguje v něm mnoho dalších systémů a zařízení. Pro snížení vlivu rušení v sítích 802.11b byly navrženy 2 metody. Prvním je použití, stejně jako u standardu Bluetooth, přeskakování frekvencí při přenosu každého dalšího snímku. V praxi se však obvykle používá jiný způsob: přímé šíření spektra vyplněním informačních symbolů šifrovacím kódem.

V klasické verzi 802.11b jsou informace přenášeny jako symboly rychlostí 1 MSym/s. Při modulaci 2-PSK je rychlost přenosu dat v rámci 1 Mbps a při 4-PSK 2 Mbps. Při použití přímého rozložení spektra je každý symbol vyplněn m-čipovou sekvencí 11 čipů (Barkerův kód): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 . Čipová rychlost v rádiovém kanálu je 11 Mchip/s a šířka rádiového kanálu je 22 MHz. V pásmu 2,4 GHz jsou pevné střední frekvence 13 rádiových kanálů: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 24727 a 24727 MHz. Při příjmu je signál podroben korelačnímu zpracování, které významně snižuje vliv rušení, jako je tomu u standardů celulární komunikace s kódovým dělením kanálů.

Použití širokopásmového kanálu umožňuje s vysokým odstupem signálu od šumu (15 - 17 dB) zvýšit rychlost přenosu dat. V tomto případě je kódování opuštěno a data jsou přenášena symbolovou rychlostí 11 MSym/s s modulací 4-PSK. Pro zlepšení kvality komunikace při přenosu se používá redundantní kódování s doplňkovým kódem CCK (Complementary Code Keying). Přenosová rychlost na snímek může být 11 nebo 5,5 Mbps.

Maximální výkon vysílače zařízení 802.11b je 100 mW v Evropě a 1 W v USA.

Zařízení 802.11a pracují ve třech dílčích pásmech na 5 GHz. V úseku 5,15 .... 5,25 GHz je vysílací výkon omezen na 50 mW, v úseku 5,25 .... 5,35 GHz - 250 mW a v dílčím pásmu 5,725 .... 5,825 GHz -
1 W V těchto rozsazích je přiděleno 12 kanálů o šířce 20 MHz.

Výhodou standardu 802.11a oproti 802.11b je zvýšený datový tok na snímek: z 6 na 54 Mbps. Standard 802.11a k tomu využívá modulaci OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením. Tato metoda se používá k eliminaci inter-symbolové interference při vysokých přenosových rychlostech. Vezměme si typický příklad.

Nechť existuje přenos přes rádiový kanál se symbolovou rychlostí B=40 Msymv/s. Při vysílání na jedné nosné frekvenci je doba trvání symbolu s. Představte si situaci vysílání takového signálu ve velké místnosti (nádraží, letiště, obchodní centrum - obr. 6.11).

Obr.6.11. Vícecestné šíření signálu

Aby paprsky vpřed a vzad dorazily se zpožděním 1 symbolu, musí být rozdíl mezi jejich dráhami pouze m. Takové zpoždění lze pozorovat i v dosti velké místnosti. Chcete-li odstranit problém interferencí mezi symboly, měli byste délku symbolu prodloužit 10krát a ještě lépe 100krát. Potom bude mezisymbolové rušení patrné při rozdílu tras 750 m. Odtud plyne základní myšlenka OFDM: rozdělit vysokorychlostní datový tok do mnoha samostatných toků (desítky!), vysílat každý z dílčích toků na vlastní frekvenci ( subnosná), zvýšení délky symbolu na jednotky milisekund.

Zobecněný symbol je součtem symbolů přenášených dál N S subnosné. Všechny dílčí nosné mohou používat různé typy modulace: 2-PSK, 4-PSK, 8-PSK, 16-QAM nebo 64-QAM. Časový diagram signálu OFDM je znázorněn na Obr. 6.12, kde číslo i jednotlivé subnosné jsou označeny.

Rýže. 6.12. Struktura signálu OFDM

Symboly jsou od sebe speciálně odděleny pauzami trvání T p, takže v případě vícecestného signálu se sousední symboly "nelezou" po sobě.

Celkový signál OFDM při může být reprezentován jako:

, (6.1)

kde je komplexní amplituda jednoho přenášeného signálu,

t s- čas začátku každé jednotlivé postavy,

Ts– trvání symbolu.

Spektrální obrazec OFDM signálu je znázorněn na Obr. 6.13.

Rýže. 6.13. Spektrum OFDM signálu

Aby bylo možné při příjmu rozlišit signály vysílané na sousedních dílčích nosných, musí být všechny signály vzájemně ortogonální. Tato podmínka je proveditelná, pokud vzdálenost mezi sousedními pomocnými nosnými je .

Při vysílání (formování) signálu OFDM se používá inverzní diskrétní Fourierova transformace (inverzní FFT); při příjmu - přímá diskrétní Fourierova transformace (FFT). Signál OFDM je generován na snížené frekvenci s následným přenosem spektra na frekvenci rádiového kanálu.

Ve standardu 802.11a se k přenosu informací používá 48 subnosných (celkem 52). Doba trvání symbolu Ts=3,2 µs, trvání pauzy Tp= 0,8 us. Vzdálenost mezi sousedními frekvencemi MHz. S modulací 2PM na dílčí nosnou, rychlost přenosu dat (bez ochranného kódování)

Při přechodu na vícepolohové modulační metody

Mbps,

Mb/s

V závislosti na situaci rušení poskytuje standard 802.11a použití adaptivní modulace a kódovacích schémat. Hlavní charakteristiky normy jsou uvedeny v tabulce. 6.4.

Tabulka 6.4

Standard 802.11g kombinuje schopnosti standardů 802.11a a b v pásmu 2,4….2,483 GHz. Hlavní charakteristiky normy jsou uvedeny v tabulce. 6.5. Kromě CCK a OFDM standard používá redundantní binární paketové konvoluční kódování PBCC (packet binary convolutional coding) při různých rychlostech.

Tabulka 6.5

Přístup do sítě účastnických stanic a možnost přenosu rámců v sítích 802.11 se provádí pomocí souřadnicových funkcí. Použitím distribuovaná souřadnicová funkce DCF (funkce distribuované koordinace) všechny stanice mají stejnou prioritu a obsazují kanál na základě závodů s časovači návratu. Princip činnosti DCF je znázorněn na Obr. 6.14.

Rýže. 6.14. Provoz stanic v režimu DCF

Pracovní stanice poslouchají rádiový kanál a čekají, až se uvolní (přenos nosné se zastaví). Na Obr. 6.14 nejprve vysílá stanice 3 a k vysílání jsou připraveny stanice 1, 2 a 5. Po dokončení rámce stanice 3 následuje povinná mezirámcová mezera DIFS (34 ... .50 μs), po které jsou stanice připraveny vysílat jejich pakety zahájit spor. Každá ze stanic spouští časomíru soutěže, kde se v soutěžním okně nastavují náhodná čísla: 0 ... .. 7, 0 ... 63 a poté až 127, 255, 511, 1023. spustí, čtení časovačů začíná s rychlostí hodin 9 ... 20 μs . První stanice, která resetuje časovač, zabírá kanál (stanice 2 na obrázku 6.14). Zbytek si pamatuje obsah svých časovačů (rollback) až do příštího zápasu. Během přenosu může dojít ke kolizi, kdy dvě stanice současně vynulují své časovače (stanice 4 a 5 na obr. 6.14). To má za následek rozšíření okna soupeření s následným opakovaným přenosem rámců.

Skutečný přístupový algoritmus založený na DCF používá bezpečnější postup (obrázek 6.15). Stanice, která vyhraje spor, odešle krátký paket požadavku do přijímače RTS − Žádost o odeslání, na kterou obdrží potvrzení o připravenosti příjemce přijímat CTS - Vymazat k odeslání. Poté následuje přenos informačního rámce. Smyčka ukončí potvrzovací (nebo nepotvrzení) paket ACK rámce. Takto dochází k výměně souborů pomocí protokolu TCP / IP.

Rýže. 6.15. Postup přístupu k síti založený na DCF

V přenosovém cyklu jsou rámce RTS - CTS - Data - ACK odděleny krátkými mezirámcovými intervaly SIFS (10 ... 16 μs). Stanice nezúčastněné výměny si podle informací obsažených v rámcích RTS a CTS o délce přenosového cyklu nastavují své NAV vektory (vektor síťové alokace). NAV je čas čtení časovače, během kterého je stanice v režimu „spánku“ a neúčastní se sporu, dokud NAV nedosáhne 0.

Uvažovaná metoda přístupu se používá při čtení souborů z internetu. Neumožňuje však streamování videa a navíc IP telefonii, kde jsou přípustná zpoždění signálu přísně omezena. Nový standard IEEE 802.11e poskytuje podporu pro čtyři třídy provozu v sítích Wi-Fi, uspořádané podle priority:

Hlasová telefonie s kvalitou přenosu na dlouhé vzdálenosti,

Video - televizní přenos,

Nejlepší úsilí - čtení internetových souborů,

Pozadí – přenos souborů s nízkou prioritou.

Tato klasifikace odpovídá třídám služeb mobilních komunikačních sítí 3. generace, což umožňuje organizovat interakci mobilních a Wi-Fi sítí. Implementace standardu 802.11e je možná pouze v sítích s přístupovými body, kde funkce souřadnic bodu PCF (funkce koordinace bodů). Obrázek 1 znázorňuje princip fungování sítě založené na PCF. 6.16.

Proces přenosu určuje AP. Doba přenosu je rozdělena na superrámce, jejichž trvání je adaptivně nastaveno AP a lze ji během přenosu měnit. Na začátku každého superrámce AP vysílá signálový rámec. Nastavuje dobu trvání superrámce, maximální velikost informačních rámců a období bez konfliktů. V tuto chvíli probíhá výměna informací mezi přístupovým bodem a stanicemi pouze dotazováním AP (stanice sama nemůže obsadit kanál). Současně s odesláním dotazovacího rámce může AP vyslat do stanice také informační rámec. Konec období bez sporů označí AP odesláním rámce CF-End. Poté stanice, včetně AP, obsadí kanál na základě sporu. Tato metoda přístupu vám umožňuje organizovat přenos datových paketů konstantní rychlostí, což je nezbytné pro telefonní a streamingový provoz.

Rýže. 6.16. Přenos dat na bázi PCF

Je třeba říci, že funkce souřadnic bodu PCF plně neposkytuje parametry QoS. Pro podporu požadované kvality služeb byl vyvinut speciální standard 802.11e. Zavádí koncept kategorií přístupu AC, které jsou odvozeny od skupiny standardů 802.1D a definují úrovně priority. Celkem existují 4 kategorie přístupu (Tabulka 6.6): hlas (Hlas), video (Video), nejlepší pokus (Best Effort) a pozadí (Pozadí). Každá kategorie je spojena s odpovídajícím datovým typem.

Tabulka 6.6

Standard 802.11e definuje nový typ přístupu k médiím pro kvalitu služeb − hybridní souřadnicová funkce (hybridní koordinační funkce, HCF). HCF definuje dva mechanismy přístupu k médiím:

· Přístup ke kanálu l podle obsahu;

· Řízený přístup ke kanálu.

Přístup ke kanálu založený na soupeření odpovídá rozšířenému přístupu ke kanálu ( rozšířený distribuovaný přístup ke kanálu, EDCA) a řízený přístup ke kanálu odpovídá přístupu ke kanálu řízenému HCF ( HCF kontrolovaný přístup ke kanálu, HCCA). V 802.11e stále existují dvě fáze provozu v rámci superrámce, období soupeření (CP) a období bez soupeření (CFP). EDCA se používá pouze v CP a HCCA se používá v obou obdobích. HCF kombinuje metody PCF a DCF, proto se nazývá hybrid. Výsledek transformace architektury MAC je uveden na Obr. 6.17.

Rýže. 6.17 Architektura MAC

Stanice, která funguje jako centrální koordinátor pro všechny stanice v rámci základní sady služeb podporujících QoS ( QoS podporující BSS, QBSS), se nazývá hybridní koordinátor ( hybridní koordinátor). Stejně jako koordinátor bodu je umístěn uvnitř přístupového bodu. Klientské stanice, které podporují QoS, se nazývají QSTA.

Stanice 802.11e s povoleným přístupem k médiu nesmí využívat rádiové zdroje déle, než je uvedeno ve standardu. Toto nové zavedení se nazývá převoditelnost ( přenosová příležitost, TXOP). TXOP je interval, během kterého může stanice vysílat pakety. Je definována časem začátku a trváním. TXOP, který existuje v přístupu k médiím založeným na soupeření, se nazývá EDCA-TXOP. Podobně TXOP, který existuje v řízeném přístupu k médiím, se nazývá HCCA-TXOP. Doba trvání EDCA-TXOP je omezena parametrem TXOPlimit, jehož hodnota je nepřetržitě přenášena přes určitý informační prvek pole rámce majáku.

Dalším vylepšením standardu je, že žádná stanice nemůže vysílat, když je čas vysílat rámec majáku. To snižuje očekávané zpoždění majáku, což dává hybridnímu koordinátorovi lepší kontrolu nad prostředím, zvláště když je za rámem majáku použit volitelný CFP.

V novém standardu může stanice posílat pakety přímo jiné stanici v QBSS bez komunikace s přístupovým bodem. Ve starém standardu procházely v rámci sítě s infrastrukturou všechny pakety výměny dat mezi stanicemi pouze přes přístupový bod.

Podpora QoS v EDCA umožňuje použití pojmů, jako jsou kategorie přístupu a sada nezávislých objektů vrácení zpět ( backoff entity). Každá stanice 802.11e může mít několik souběžných záložních objektů, přičemž těmto objektům jsou přiřazeny různé priority podle sady specifických parametrů kategorie přístupu ( Sada parametrů EDCA). Jak již bylo zmíněno výše, existují čtyři kategorie přístupu, respektive v každé stanici jsou čtyři rollback objekty (obr. 6.18). Sada parametrů EDCA upřednostňuje přístup k médiím tím, že definuje jednotlivé mezery mezi snímky, okna sporů a další parametry.

Rýže. 6.18. Čtyři kategorie přístupu v jedné stanici

Každá kategorie přístupu má své vlastní intervaly mezi snímky ( arbitrážní mezirámcový prostor, AIFS), podobný DIFS, ale s jinou dobou trvání. Kromě toho se velikost okna sporu mění v závislosti na prioritě provozu.

6. 5. IEEE 802.16 - WiMAX

WiMAX-Celosvětová interoperabilita pro mikrovlnný přístup

Tabulka 6.7

Hlavní charakteristiky standardu WiMAX

Tabulka 6.8

Nezisková organizace WiMAX (World Interoperability for Microwave Access - interakce zařízení pro přístup k síti na mikrovlnných frekvencích po celém světě) byla založena s cílem podporovat vývoj bezdrátového zařízení pro přístup k širokopásmovým sítím založeným na specifikaci IEEE 802.16 pro bezdrátové oblastní sítě, certifikaci takového zařízení z hlediska kompatibility a interoperability a urychlit jeho uvedení na trh.

Standard 802.16 zajišťuje provoz v rozsazích 2 ... 11 GHz a 10-66 GHz (obr. 6.1). V rozsahu 10-66 GHz je radiová komunikace možná pouze v případě přímé viditelnosti mezi body. V tomto rozsahu se používá přímá modulace nosné (režim jedné nosné).

V rozsahu 2…11 GHz specifikace rádiového rozhraní umožňují řešit problém rádiové komunikace v podmínkách více cest a při absenci přímé viditelnosti (NLOS - Non-Line-Of-Sight). Vzduchové rozhraní WMAN-SC2 využívá modulaci s jednou nosnou, vzduchové rozhraní WMAN - OFDM - ortogonální frekvenční modulaci (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) s rychlou Fourierovou transformací 256 bodů a až 2048 bodů. Certifikované frekvenční rozsahy pro pevné a mobilní WiMAX profily jsou uvedeny na obr.1.

Pevné profily WiMAX– 3,5 GHz (FDD): 3,5; 7; (256)

3,5 GHz (TDD): 3,5; 7; (256)

5,8 GHz (TDD): 10 (256)

Mobilní profily WiMAX- 2,3 - 2,4 GHz: 5 (512); 10 (1024); 8,75(1024);

všechny TDD 2,305 - 2,320 GHz: 3,5 (512); 5 (512)

2,345–2,360 GHz: 10 (1024)

2,496 - 2,69 GHz: 5 (512); 10 (1024)

3,3 - 3,4 GHz: 5 (512); 7 (1024); 10 (1024)

3,4–3,8 GHz: 5 (512)

3,4–3,6 GHz: 7 (1024)

3,6–3,8 GHz: 10 (1024)

Kromě uvedených je možné přidělit kanály v pásmech 5,7 GHz,
1,710 - 1,755: 2,110 - 2,155 GHz.

Standard 802.16 používá následující rozhraní:

1. WirelessMAN-SC (10–66 GHz)

2. WirelessMAN-SCa (2 - 11 GHz; licencovaná pásma)

3. WirelessMAN-OFDM (2 - 11 GHz; licencovaná pásma)

6. WirelessMAN-OFDMA - Ortogonal Frequency Division Multiple Access

(2–11 GHz; licencovaná pásma)

5. WirelessHUMAN (2 - 11 GHz; nelicencovaná pásma)

Rozhraní 3 a 5 poskytují funkce Mesh – síť s plnou topologií pro urychlení přenosu provozu.

Inverzní Fourierova transformace určuje tvar vlny OFDM. Užitečná doba trvání symbolu je Tb. Poslední část Tg periody symbolu, nazývaná ochranný interval, slouží k eliminaci vlivu vícecestného šíření ortogonálních složek signálu (obr. 6.19).

Rýže. 6.19. Formát symbolu na jedné frekvenci

Ve frekvenční oblasti je signál charakterizován spektrálními charakteristikami (obr. 6.20). Obsahuje dílčí nosné pro přenos dat, pilotní signály a na okrajích pásma jsou umístěny ochranné intervaly.

Rýže. 6.20. Popis signálu ve frekvenční oblasti

Symbol OFDM je charakterizován následujícími parametry:

BW je jmenovitá šířka pásma kanálu.

Nused - počet použitých pomocných nosných.

N je vzorkovací frekvence. Tento parametr ve spojení s BW a Nused určuje rozteč subnosných a trvání symbolu. Požadované hodnoty tohoto parametru jsou definovány v tabulce 6.6.

G je poměr doby trvání ochranného intervalu (předpony) k užitečné době. Tato hodnota může být 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Tb.

NFFT: počet bodů Fourierovy transformace,

Sériová frekvence: Fs=minimální (n*BW/0,008)*0,008 (BW-šířka pásma v MHz),

-∆f: vzdálenost dílčích nosných, definovaná jako: Fs/NFFT,

Tb= 1/∆f – doba konverze symbolu,

Tg=G*Tb – trvání ochranného intervalu (CP),

Ts=Tb+Tg – trvání symbolu OFDM,

Ts/ NFFT - interval vzorkování.

Hlavní parametry OFDM kanálů standardu 802.16a jsou uvedeny v tabulce. 6.9.

Tabulka 6.9.

Doba trvání symbolů v závislosti na šířce pásma kanálu je uvedena v tabulce. 6.10.

Tabulka 6.10

Schémata modulace a kódování pro standard 802.16-2004 jsou shrnuta v tabulce. 6.11.

Tabulka 6.11

Hodnoty přenosových rychlostí v závislosti na typu modulace a kódové rychlosti jsou uvedeny v tabulce. 6.12 a požadavky na odstup signálu od šumu na vstupu přijímače pro různá schémata modulace a kódování v tabulce. 6.13.

Tabulka 6.12

Tabulka 6.13

Data fyzické vrstvy jsou přenášena jako souvislá sekvence rámců. Každý rámec má pevnou dobu trvání (2 (2,5) ... 20 ms), takže jeho informační kapacita závisí na symbolové rychlosti a metodě modulace. Rámec se skládá z preambule, řídicí sekce a sekvence datových paketů. Sítě IEEE 802.16 jsou duplexní. Je možné jak frekvenční FDD, tak časové TDD oddělení uplinku a downlinku.

Při časovém duplexování kanálů je rámec rozdělen na downstream a upstream subrámce (jejich poměr lze za provozu flexibilně měnit v závislosti na potřebě šířky pásma pro upstream a downstream kanály), oddělené speciálním ochranným intervalem. Při frekvenčním duplexu se uplink a downlink přenášejí na dvou nosných (obr. 6.21)

Rýže. 6.21. Rámová struktura pro TDD a FDD

V sestupné lince jsou informace ze základnové stanice přenášeny jako sekvence paketů. Pro každý paket můžete specifikovat způsob modulace a schéma kódování dat - tzn. zvolit mezi přenosovou rychlostí a spolehlivostí. TDM - pakety jsou vysílány současně pro všechny účastnické stanice, každá z nich přijímá celý informační tok a vybírá si "své" pakety. Aby byly účastnické stanice schopny rozlišit jeden paket od druhého, jsou v řídicí části přenášeny mapy kanálů pro stahování (DL-MAP) a pro stahování (UL-MAP) (obr. 6.22).

Obr.6.22. downlink strukturu.

Sestupná mapa specifikuje trvání rámce, číslo rámce, počet paketů v sestupném dílčím rámci a počáteční bod a typ profilu každého paketu. Počáteční bod se počítá v tzv. fyzických slotech, každý fyzický slot se rovná čtyřem modulačním symbolům.

Paketový profil je seznam jeho parametrů, včetně způsobu modulace, typu kódování FEC (s parametry kódovacích schémat), jakož i rozsahu hodnot odstupu signálu od šumu v přijímacím kanálu konkrétní stanice, ve kterém lze tento profil použít. Základnová stanice periodicky vysílá seznam profilů ve formě speciálních řídících zpráv (downlink a uplink DCD/UCD deskriptory), přičemž každému profilu je přiřazeno číslo, které je použito v downlink mapě.

Účastnické stanice získávají přístup k přenosovému médiu prostřednictvím mechanismu kanálů s časovým dělením TDMA (Time Division Multiple Access). K tomu si ve vzestupném podrámci pro AU základní stanice vyhrazuje speciální časové intervaly - sloty (obr. 6.23). Informace o přidělení slotů mezi reproduktory jsou zaznamenány v uplinkové mapě UL-MAP, vysílané v každém snímku. UL-MAP - funkčně podobný DL-MAP - říká, kolik slotů je v dílčím rámci, počáteční bod a ID připojení pro každý z nich a také typy profilů všech paketů. Zpráva UL-MAP aktuálního rámce se může odkazovat buď na tento rámec, nebo na následující. Modulační rychlost (symbol rate) na vzestupné lince musí být stejná jako na sestupné lince. Všimněte si, že na rozdíl od downstreamových TDM paketů začíná každý paket v uplinku preambulí - synchronizační sekvencí o délce 16 nebo 32 QPSK znaků.

Rýže. 6.23. Struktura uplinku

Příklady rámové struktury s TDD jsou znázorněny na Obr. 6.24.

Rýže. 6.24. Příklad struktury rámce OFDM s TDD

V uplinku jsou kromě slotů přidělených BS pro určité SS intervaly, během kterých může SS poslat zprávu pro počáteční registraci v síti nebo požádat o změnu šířky pásma kanálu (poskytnutí kanálů na vyžádání DAMA - Vícenásobný přístup přidělený na vyžádání).

Fyzická vrstva standardu IEEE 802.16 zajišťuje přímé doručování datových toků mezi BS a SS. Veškeré úkoly související s tvorbou těchto datových struktur, stejně jako řízením provozu systému, jsou řešeny na úrovni MAC (Medium Access Control). Standardní vybavení IEEE 802.16 tvoří transportní prostředí pro různé aplikace (služby).

Sítě WiMAX podporují 4 typy provozu s různými požadavky na spolehlivost a zpoždění:

UGS - Unsolicited Grant Service - přenos signálů a toků telefonie (E1) a VoIP v reálném čase. Přípustné zpoždění je menší než 5 - 10 ms v jednom směru při BER = 10 -6 ... 10 -6 .

rtPS - Real Time Polling Service - streamy v reálném čase s pakety s proměnnou délkou (MPEG video).

nrtPS - Non-Real-Time Polling Service - podpora pro různé délky streamů při přenosu souborů v širokopásmovém režimu.

BE - Best Effort - zbytek provozu.

IEEE 802.11 - sada komunikačních standardů pro komunikaci v oblasti bezdrátové lokální sítě s frekvenčními pásmy 0,9; 2,4; 3,6 a 5 GHz.

Uživatelé jsou známější pod názvem Wi-Fi, což je ve skutečnosti značka navrhovaná a propagovaná Wi-Fi Alliance. Rozšířil se díky vývoji mobilních elektronických výpočetních zařízení: PDA a notebooků.

Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E - “Ai Triple and”) je mezinárodní neziskové sdružení specialistů v oblasti technologií, světový lídr ve vývoji normy pro radioelektroniku a elektrotechniku.

Zpočátku standard IEEE 802.11 předpokládal možnost přenosu dat rádiovým kanálem rychlostí ne vyšší než 1 Mbps a volitelně rychlostí 2 Mbps. Jeden z prvních standardů pro vysokorychlostní bezdrátové sítě – IEEE 802.11a – již definuje přenosovou rychlost až 54 Mb/s. Pracovní rozsah standardu je 5 GHz.

Na rozdíl od svého názvu není standard IEEE 802.11b přijatý v roce 1999 pokračováním standardu 802.11a, protože používají různé technologie: DSSS (přesněji jeho vylepšená verze HR-DSSS), technologii DSSS (přímá sekvence rozprostřeného spektra ), v 802.11b proti OFDM, OFDM (angl. Orthogonal frequency-division multiplexing - multiplexování s ortogonálním frekvenčním dělením kanálů), v 802.11a. Norma počítá s používáním nelicencovaného frekvenčního pásma 2,4 GHz. Přenosová rychlost až 11 Mbps.

Produkty IEEE 802.11b od různých výrobců jsou testovány na interoperabilitu a certifikovány organizací Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), nyní známější jako Wi-Fi Alliance. Kompatibilní bezdrátové produkty, které byly testovány programem Wi-Fi Alliance, mohou být označeny značkou Wi-Fi.

Po dlouhou dobu byl IEEE 802.11b běžným standardem, na kterém byla postavena většina bezdrátových sítí LAN. Nyní jeho místo zaujal standard IEEE 802.11g, který je postupně nahrazován vysokorychlostním IEEE 802.11n.

Návrh IEEE 802.11g byl schválen v říjnu 2002. Tento standard využívá frekvenční pásmo 2,4 GHz a poskytuje rychlost připojení až 54 Mbps (hrubá), čímž překonává standard IEEE 802.11b, který poskytuje rychlosti připojení až 11 Mbps. Navíc zaručuje zpětnou kompatibilitu se standardem 802.11b. Zpětnou kompatibilitu IEEE 802.11g lze implementovat v režimu modulace DSSS, v tomto případě bude rychlost připojení omezena na jedenáct megabitů za sekundu, nebo v režimu modulace OFDM, ve kterém může rychlost dosáhnout 54 Mbps. Tento standard je tedy nejpřijatelnější při budování bezdrátových sítí.

Masová povaha bezdrátových komunikačních technologií v naší době je prostě úžasná. Samostatné téma si zaslouží technologie IEEE 802.11. Najít místo ve městě, kde by notebook nebo tablet „nenašel“ alespoň jednu Wi-Fi síť, je téměř nemožné. V každé kavárně, výškové budově nebo kanceláři najdete několik vysílání. Je velmi těžké podcenit poznámku o pohodlí, kterou nám tato technologie poskytuje.

Wi-Fi, kterou dnes používáme, má za sebou dlouhou a trnitou cestu k uživatelskému pohodlí, na které jsme všichni zvyklí. Mnoho standardů s vlastními přenosovými vlastnostmi a frekvenčními rozsahy vytvořilo něco, bez čeho si život IT specialisty nebo jen moderního člověka lze jen těžko představit. Nebudeme se vrhat do historie, pouze podotýkáme, že v současné době se aktivně používají standardy 802.11g a 802.11n, které pracují v pásmu 2,4 GHz. V každodenním životě existuje mnoho zdrojů rušení bezdrátových sítí, ale nejsou hlavním problémem. Na vině většiny nepříjemností je samotný Wi-Fi bod, přesněji řečeno velké množství z nich blízko sebe. Vzhledem k popularitě této technologie a vysoké saturaci vysílacích míst mohou uživatelé narazit na určité potíže při provozu. Velký shluk bezdrátových sítí může způsobit efekt překrývání frekvencí nad sebou, což způsobuje snížení přenosové rychlosti nebo úplnou ztrátu spojení. Tento významný nedostatek, způsobený popularizací bezdrátové technologie, byl jedním z hlasitých volání WECA po implementaci standardu IEEE 802.11ac.

O novém bezdrátovém standardu IEEE 802.11n se mluví roky. Je to pochopitelné, protože jednou z hlavních nevýhod stávajících standardů bezdrátové komunikace IEEE 802.11a/b/g je příliš nízká rychlost přenosu dat. Teoretická propustnost protokolů IEEE 802.11a/g je skutečně pouze 54 Mbps, zatímco skutečná rychlost přenosu dat nepřesahuje 25 Mbps. Nový standard bezdrátové komunikace IEEE 802.11n by měl poskytovat přenosové rychlosti až 300 Mbps, což na pozadí 54 Mbps vypadá velmi lákavě. Reálný datový tok ve standardu IEEE 802.11n samozřejmě, jak ukazují výsledky testů, nepřesahuje 100 Mbps, ale i v tomto případě je reálný datový tok čtyřikrát vyšší než u standardu IEEE 802.11g. Standard IEEE 802.11n ještě nebyl definitivně přijat (mělo by se tak stát do konce roku 2007), ale nyní téměř všichni výrobci bezdrátových zařízení začali uvolňovat zařízení kompatibilní s předběžnou (Draft) verzí standardu IEEE 802.11n.
V tomto článku se podíváme na základní ustanovení nového standardu IEEE 802.11n a jeho hlavní odlišnosti od standardů 802.11a/b/g.

O standardech bezdrátové komunikace 802.11a/b/g jsme již na stránkách našeho magazínu dostatečně podrobně hovořili. V tomto článku je proto nebudeme podrobně popisovat, nicméně aby byly zřejmé hlavní rozdíly mezi novým standardem a jeho předchůdci, budeme muset strávit dříve publikované články na toto téma.

Vzhledem k historii standardů bezdrátové komunikace používaných k vytváření bezdrátových lokálních sítí (Wireless Local Area Network, WLAN) je pravděpodobně vhodné připomenout standard IEEE 802.11, který, i když se již nenachází ve své čisté podobě, je předchůdcem všech ostatních standardy bezdrátové komunikace pro sítě WLAN.

standard IEEE 802.11

Standard 802.11 umožňuje použití frekvenčního rozsahu od 2400 do 2483,5 MHz, tj. rozsahu šíře 83,5 MHz, rozděleného do několika frekvenčních subkanálů.

Standard 802.11 je založen na technologii Spread Spectrum (SS), což znamená, že původně úzkopásmový (z hlediska šířky spektra) užitečný informační signál je během přenosu přeměněn tak, že jeho spektrum je mnohem širší než spektrum původní signál. Současně s rozšiřováním spektra signálu dochází k redistribuci spektrální energetické hustoty signálu – energie signálu se také „rozmazává“ po spektru.

Protokol 802.11 využívá technologii DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Jeho podstata spočívá v tom, že pro rozšíření spektra původně úzkopásmového signálu je do každého přenášeného informačního bitu zabudována sekvence čipu, což je sekvence obdélníkových impulsů. Pokud doba trvání jednoho pulsu čipu v n krát kratší než doba trvání informačního bitu, pak bude šířka spektra převáděného signálu n krát šířka spektra původního signálu. V tomto případě se amplituda přenášeného signálu sníží n jednou.

Čipové sekvence vložené do informačních bitů se nazývají šumové kódy (PN-sekvence), což zdůrazňuje skutečnost, že výsledný signál se stává šumovým a je obtížné jej odlišit od přirozeného šumu.

Jak rozšířit spektrum signálu a učinit jej k nerozeznání od přirozeného šumu, je pochopitelné. K tomu v zásadě můžete použít libovolnou (náhodnou) sekvenci čipů. Nabízí se však otázka, jak takový signál přijmout. Pokud se totiž stane šumovým, pak není tak snadné, pokud je to vůbec možné, z něj vydolovat užitečný informační signál. Nicméně to lze provést, ale k tomu je nutné odpovídajícím způsobem zvolit pořadí čipů. Sekvence čipů používané k rozšíření spektra signálu musí splňovat určité požadavky na autokorelaci. Autokorelace v matematice znamená míru podobnosti funkce sama se sebou v různých časových okamžicích. Pokud vybereme takovou sekvenci čipu, pro kterou bude mít autokorelační funkce výrazný vrchol pouze v jednom časovém okamžiku, pak lze takový informační signál rozlišit na úrovni šumu. K tomu je v přijímači přijatý signál vynásoben sekvencí čipu, to znamená, že je vypočítána autokorelační funkce signálu. V důsledku toho se signál opět stává úzkopásmovým, takže je filtrován v úzkém frekvenčním pásmu rovném dvojnásobku přenosové rychlosti. Jakékoli rušení, které spadá do pásma původního širokopásmového signálu, se po vynásobení sekvencí čipů naopak stává širokopásmovým a je odříznuto filtry a jen část rušení spadá do úzkého informačního pásma, což je hodně menší výkon než rušení působící na vstupu přijímače.

Existuje poměrně dost sekvencí čipů, které splňují zadané požadavky na autokorelaci, ale nás zajímají zejména tzv. Barkerovy kódy, protože se používají v protokolu 802.11. Barkerovy kódy mají mezi známými pseudonáhodnými sekvencemi nejlepší vlastnosti podobné šumu, což vedlo k jejich širokému uplatnění. Rodina protokolů 802.11 používá Barkerův kód, který je dlouhý 11 čipů.

Za účelem přenosu signálu je informační bitová sekvence v přijímači přidána modulo 2 (mod 2) k 11čipovému Barkerovu kódu pomocí brány XOR (exclusive OR). Logická jednička je tedy přenášena přímou Barkerovou sekvencí a logická nula inverzní sekvencí.

Standard 802.11 poskytuje dva rychlostní režimy – 1 a 2 Mbps.

Při informační rychlosti 1 Mbps je rychlost opakování jednotlivých čipů Barkerovy sekvence 11x106 čipů za sekundu a šířka pásma takového signálu je 22 MHz.

Vzhledem k tomu, že šířka frekvenčního rozsahu je 83,5 MHz, zjistíme, že celkem se do tohoto frekvenčního rozsahu vejdou tři nepřekrývající se frekvenční kanály. Celý frekvenční rozsah je však obvykle rozdělen do 11 překrývajících se frekvenčních kanálů po 22 MHz, vzdálených od sebe 5 MHz. Například první kanál zaujímá frekvenční rozsah od 2400 do 2423 MHz a je soustředěn kolem frekvence 2412 MHz. Druhý kanál je vycentrován kolem 2417 MHz a poslední, 11. kanál, je vycentrován kolem 2462 MHz. S tímto uvážením se 1., 6. a 11. kanál navzájem nepřekrývají a mají vůči sobě mezeru 3 MHz. Právě tyto tři kanály lze používat nezávisle na sobě.

Pro modulaci sinusového nosného signálu při informační rychlosti 1 Mbps se používá relativní binární fázová modulace (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK).

V tomto případě dochází ke kódování informace v důsledku fázového posunu sinusového signálu vzhledem k předchozímu stavu signálu. Binární fázová modulace poskytuje dvě možné hodnoty fázového posunu - 0 a p. Pak může být logická nula přenášena souběžným signálem (fázový posun je 0) a jednotka signálem, který je fázově posunut o p.

Informační rychlost 1 Mbps je povinná podle standardu IEEE 802.11 (Basic Access Rate), ale 2 Mbps (Enhanced Access Rate) je volitelná. Pro přenos dat touto rychlostí se používá stejná technologie DSSS s 11čipovými Barkerovými kódy, ale k modulaci nosné vlny se používá relativní kvadraturní fázová modulace (Differential Quadrature Phase Shift Key).

Na závěr s ohledem na fyzickou vrstvu protokolu 802.11 poznamenáváme, že při informační rychlosti 2 Mbit/s zůstává rychlost opakování jednotlivých čipů Barkerovy sekvence stejná, tedy 11x106 čipů za sekundu, a proto šířka pásma přenášeného signálu se nemění.

standard IEEE 802.11b

Standard IEEE 802.11 byl nahrazen standardem IEEE 802.11b, který byl přijat v červenci 1999. Tento standard je jakýmsi rozšířením základního protokolu 802.11 a kromě rychlostí 1 a 2 Mbps poskytuje rychlosti 5,5 a 11 Mbps, pro které se používají tzv. doplňkové kódy (Complementary Code Keying, CCK). .

Doplňkové kódy neboli CCK sekvence mají tu vlastnost, že součet jejich autokorelačních funkcí pro jakýkoli nenulový cyklický posun je vždy nulový, takže je lze stejně jako Barkerovy kódy použít k rozpoznání signálu na pozadí šumu.

Hlavní rozdíl mezi CCK sekvencemi a dříve zvažovanými Barkerovými kódy je v tom, že neexistuje přesně definovaná sekvence, pomocí které lze zakódovat buď logickou nulu nebo jedničku, ale celá sada sekvencí. Tato okolnost umožňuje zakódovat několik informačních bitů do jednoho přenášeného symbolu a tím zvýšit rychlost přenosu informace.

Ve standardu IEEE 802.11b mluvíme o komplexních komplementárních 8čipových sekvencích definovaných na množině komplexních prvků, které nabývají hodnot (1, –1, +j, –j}.

Komplexní reprezentace signálu je pohodlný matematický nástroj pro reprezentaci fázově modulovaného signálu. Sekvenční hodnota rovna 1 tedy odpovídá signálu, který je ve fázi se signálem generátoru, a sekvenční hodnota rovna –1 odpovídá protifázovému signálu; sekvenční hodnota rovna j- signál posunutý ve fázi o p/2 a hodnota je rovna - j, - signál fázově posunutý o –p/2.

Každý prvek sekvence CCK je komplexní číslo, jehož hodnota je určena poměrně složitým algoritmem. Existuje celkem 64 sad možných CCK sekvencí a výběr každé z nich je určen sekvencí vstupních bitů. Chcete-li jednoznačně vybrat jednu sekvenci CCK, musíte znát šest vstupních bitů. V protokolu IEEE 802.11b je tedy každý znak zakódován pomocí jedné z 64 možných osmibitových sekvencí CKK.

Při rychlosti 5,5 Mbps jsou v jednom symbolu zakódovány 4 datové bity a při rychlosti 11 Mbps je zakódováno 8 datových bitů. Zároveň je v obou případech přenosová rychlost symbolů 1,385 x 106 symbolů za sekundu (11/8 = 5,5/4 = 1,385) a vzhledem k tomu, že každý symbol je specifikován 8čipovou sekvencí, získáme, že v obou případech V těchto případech je rychlost opakování jednotlivých žetonů 11x106 žetonů za sekundu. V souladu s tím je šířka spektra signálu při 11 i 5,5 Mbps 22 MHz.

standard IEEE 802.11g

Standard IEEE 802.11g přijatý v roce 2003 je logickým vývojem standardu 802.11b a předpokládá přenos dat ve stejném frekvenčním rozsahu, ale vyšší rychlostí. Kromě toho je 802.11g plně kompatibilní s 802.11b, což znamená, že jakékoli zařízení 802.11g musí podporovat zařízení 802.11b. Maximální datová rychlost v 802.11g je 54 Mbps.

Při vývoji 802.11g byly uvažovány dvě konkurenční technologie: metoda ortogonálního frekvenčního dělení OFDM, vypůjčená ze standardu 802.11a a navržená k posouzení společností Intersil, a metoda konvolučního kódování binárních paketů PBCC, navržená společností Texas Instruments. Standard 802.11g ve výsledku obsahuje kompromisní řešení: jako základní jsou použity technologie OFDM a CCK, volitelně je zajištěno použití technologie PBCC.

Myšlenka konvolučního kódování (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) je následující. Příchozí sekvence informačních bitů je v konvolučním kodéru transformována tak, že každý vstupní bit odpovídá více než jednomu výstupnímu bitu. To znamená, že konvoluční kodér přidává k původní sekvenci určité nadbytečné informace. Pokud například každý vstupní bit odpovídá dvěma výstupním bitům, pak se mluví o konvolučním kódování rychlostí r= 1/2. Pokud každé dva vstupní bity odpovídají třem výstupním bitům, pak to budou 2/3.

Jakýkoli konvoluční kodér je postaven na základě několika postupně zapojených paměťových buněk a XOR hradel. Počet paměťových buněk určuje počet možných stavů kodéru. Pokud například konvoluční kodér používá šest paměťových buněk, pak kodér ukládá informace o šesti předchozích stavech signálu a vezmeme-li v úvahu hodnotu příchozího bitu, dostaneme, že v takovém kodéru je použito sedm bitů vstupní sekvence . Takový konvoluční kodér se nazývá sedmistavový kodér ( K = 7).

Výstupní bity generované v konvolučním kodéru jsou určeny operacemi XOR mezi hodnotami vstupního bitu a bity uloženými v paměťových buňkách, to znamená, že hodnota každého generovaného výstupního bitu nezávisí pouze na příchozím informačním bitu, ale také na několika předchozích bitech.

Technologie PBCC využívá sedmistavové konvoluční kodéry ( K= 7) s rychlostí r = 1/2.

Hlavní výhodou konvolučních kodérů je odolnost vůči šumu sekvence, kterou tvoří. Faktem je, že s redundancí kódování lze i v případě chyb příjmu přesně obnovit původní bitovou sekvenci. Pro obnovení původní bitové sekvence na straně přijímače se používá dekodér Viterbi.

Debit generovaný v konvolučním kodéru je později použit jako přenášený symbol, ale nejprve je podroben fázové modulaci. Navíc je v závislosti na přenosové rychlosti možná binární, kvadraturní nebo dokonce osmipolohová fázová modulace.

Na rozdíl od technologií DSSS (Barkerovy kódy, CCK sekvence) technologie konvolučního kódování nevyužívá technologii rozšíření spektra z důvodu použití šumových sekvencí, nicméně rozšíření spektra na standardních 22 MHz je i v tomto případě zajištěno. K tomu se používají varianty možných konstelací signálů QPSK a BPSK.

Uvažovaný způsob kódování PBCC je volitelně použit v protokolu 802.11b při rychlostech 5,5 a 11 Mbps. Podobně v protokolu 802.11g pro přenosové rychlosti 5,5 a 11 Mbps je tato metoda rovněž volitelná. Obecně platí, že kvůli kompatibilitě protokolů 802.11ba 802.11g jsou technologie kódování a rychlosti poskytované protokolem 802.11b podporovány také v protokolu 802.11g. V tomto ohledu jsou až 11 Mbps, 802.11ba 802.11g stejné, až na to, že 802.11g poskytuje rychlosti, které 802.11b neposkytuje.

Volitelně lze v protokolu 802.11g použít technologii PBCC při přenosových rychlostech 22 a 33 Mbps.

Pro rychlost 22 Mbit/s, ve srovnání se schématem PBCC, o kterém jsme již uvažovali, má přenos dat dvě vlastnosti. Nejprve se používá 8-polohová fázová modulace (8-PSK), to znamená, že fáze signálu může nabývat osmi různých hodnot, což umožňuje zakódování tří bitů do jednoho symbolu. Kromě toho byl do schématu přidán kodér Puncture, s výjimkou konvolučního kodéru. Význam tohoto řešení je celkem jednoduchý: redundance konvolučního kodéru rovna 2 (pro každý vstupní bit jsou dva výstupní bity) je poměrně vysoká a za určitých podmínek šumového prostředí je zbytečná, takže můžete snížit redundanci, takže například každé dva vstupní bity odpovídají třem výstupním bitům. K tomu samozřejmě můžete vyvinout vhodný konvoluční kodér, ale je lepší přidat do obvodu speciální interpunkční kodér, který jednoduše zničí nadbytečné bity.

Řekněme, že interpunkční kodér odebere jeden bit z každých čtyř vstupních bitů. Potom každé čtyři příchozí bity budou odpovídat třem odchozím. Rychlost takového kodéru je 4/3. Pokud je takový kodér použit v tandemu s konvolučním kodérem s rychlostí 1/2, pak bude celková rychlost kódování 2/3, to znamená, že každé dva vstupní bity budou odpovídat třem výstupním bitům.

Jak již bylo uvedeno, technologie PBCC je ve standardu IEEE 802.11g volitelná, zatímco technologie OFDM je povinná. Abychom pochopili podstatu technologie OFDM, podívejme se podrobněji na vícecestné rušení, ke kterému dochází, když se signály šíří v otevřeném prostředí.

Důsledkem vícecestného rušení signálu je, že v důsledku vícenásobných odrazů od přírodních překážek může stejný signál vstupovat do přijímače různými způsoby. Ale různé cesty šíření se od sebe liší délkou, a proto se u nich bude lišit i útlum signálu. Proto je v místě příjmu výsledný signál rušením mnoha signálů, které mají různé amplitudy a jsou vzájemně posunuty v čase, což je ekvivalentní sčítání signálů s různými fázemi.

Důsledkem vícecestného rušení je zkreslení přijímaného signálu. Vícecestné rušení je vlastní každému typu signálu, ale má zvláště negativní vliv na širokopásmové signály, protože při použití širokopásmového signálu se v důsledku rušení přidávají určité frekvence ve fázi, což vede ke zvýšení signálu, a některé naopak mimo fázi, což způsobuje útlum signálu na dané frekvenci.

Když mluvíme o vícecestném rušení, ke kterému dochází během přenosu signálu, jsou zaznamenány dva extrémní případy. V prvním z nich nepřesahuje maximální zpoždění mezi signály dobu trvání jednoho symbolu a v rámci jednoho přenášeného symbolu dochází k interferenci. Ve druhém je maximální zpoždění mezi signály větší než doba trvání jednoho symbolu, proto se v důsledku interference sčítají signály představující různé symboly a dochází k tzv. inter-symbol interferenci (Inter Symbol Interference, ISI).

Nejnegativnější vliv na zkreslení signálu má mezisymbolové rušení. Protože symbol je diskrétní stav signálu, charakterizovaný hodnotami nosné frekvence, amplitudy a fáze, mění se amplituda a fáze signálu pro různé symboly, a proto je extrémně obtížné obnovit původní signál.

Z tohoto důvodu se při vysokých bitových rychlostech používá technika kódování dat nazývaná ortogonální frekvenčně dělený multiplex (OFDM). Jeho podstata spočívá ve skutečnosti, že proud přenášených dat je distribuován přes množství frekvenčních subkanálů a přenos je prováděn paralelně na všech takových subkanálech. V tomto případě je vysoké přenosové rychlosti dosaženo právě díky současnému přenosu dat přes všechny kanály, zatímco přenosová rychlost v samostatném subkanálu může být nízká.

Vzhledem k tomu, že v každém z frekvenčních subkanálů nelze nastavit příliš vysokou rychlost přenosu dat, jsou vytvořeny předpoklady pro účinné potlačení mezisymbolového rušení.

Frekvenční rozdělení vyžaduje, aby byl jednotlivý kanál dostatečně úzký, aby se minimalizovalo zkreslení signálu, a zároveň dostatečně široký, aby poskytoval požadovanou přenosovou rychlost. Kromě toho, pro ekonomické využití celé šířky pásma kanálu rozděleného na subkanály, je žádoucí uspořádat frekvenční subkanály co nejblíže k sobě, a přitom se vyhnout mezikanálovému rušení, aby bylo zajištěno jejich úplnou nezávislost. Frekvenční kanály, které splňují výše uvedené požadavky, se nazývají ortogonální. Nosné signály všech frekvenčních dílčích kanálů jsou navzájem ortogonální. Je důležité, aby ortogonalita nosných signálů zaručovala frekvenční nezávislost kanálů na sobě navzájem, a tedy absenci mezikanálového rušení.

Uvažovaný způsob dělení širokopásmového kanálu na ortogonální frekvenční subkanály se nazývá ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením (OFDM). Pro jeho implementaci ve vysílačích se používá inverzní rychlá Fourierova transformace (IFFT), která převádí pre-multiplexovaný na n-kanálový signál od času Ó zastoupení ve frekvenci.

Jednou z klíčových výhod OFDM je kombinace vysoké přenosové rychlosti s efektivním vícecestným odporem. Technologie OFDM sama o sobě samozřejmě nevylučuje vícecestné šíření, ale vytváří předpoklady pro eliminaci vlivu mezisymbolového rušení. Faktem je, že nedílnou součástí technologie OFDM je ochranný interval (Guard Interval, GI) - cyklické opakování konce symbolu, připojeného na začátek symbolu.

Ochranný interval vytváří pauzy mezi jednotlivými symboly, a pokud jeho trvání překročí maximální dobu zpoždění signálu v důsledku vícecestného šíření, nedochází k mezisymbolové interferenci.

U technologie OFDM je doba trvání ochranného intervalu jedna čtvrtina doby trvání samotného symbolu. V tomto případě má symbol trvání 3,2 μs a ochranný interval je 0,8 μs. Doba trvání symbolu spolu s ochranným intervalem je tedy 4 μs.

Když mluvíme o technologii frekvenčního ortogonálního dělení kanálů OFDM používané při různých rychlostech v protokolu 802.11g, ještě jsme se nedotkli otázky metody modulace nosného signálu.

Protokol 802.11g využívá binární a kvadraturní fázové modulace BPSK a QPSK při nízkých přenosových rychlostech. Při použití modulace BPSK je v jednom symbolu zakódován pouze jeden informační bit a při použití modulace QPSK jsou kódovány dva informační bity. Modulace BPSK se používá pro přenos dat rychlostí 6 a 9 Mbps a modulace QPSK rychlostí 12 a 18 Mbps.

Pro přenos vyššími rychlostmi se používá kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation), při které se informace kóduje změnou fáze a amplitudy signálu. Protokol 802.11g využívá modulaci 16-QAM a 64-QAM. První modulace předpokládá 16 různých stavů signálu, což umožňuje zakódování 4 bitů do jednoho symbolu; druhý - 64 možných stavů signálu, což umožňuje kódovat sekvenci 6 bitů v jednom symbolu. Modulace 16-QAM se používá při 24 a 36 Mbps a modulace 64-QAM se používá při 48 a 54 Mbps.

Kromě použití kódování CCK, OFDM a PBCC poskytuje standard IEEE 802.11g také volitelné možnosti hybridního kódování.

Abyste pochopili podstatu tohoto termínu, nezapomeňte, že každý přenášený datový paket obsahuje hlavičku (preambuli) s informacemi o službě a datovým polem. Když mluvíme o paketu ve formátu CCK, znamená to, že data záhlaví a rámce jsou přenášena ve formátu CCK. Podobně při použití technologie OFDM jsou záhlaví rámce a data přenášena pomocí kódování OFDM. Hybridní kódování znamená, že pro záhlaví rámce a datová pole lze použít různé technologie kódování. Například při použití technologie CCK-OFDM je záhlaví rámce kódováno pomocí kódů CCK, ale samotná data rámce jsou přenášena pomocí vícefrekvenčního kódování OFDM. Technologie CCK-OFDM je tedy jakýmsi hybridem CCK a OFDM. Nejedná se však o jedinou hybridní technologii – při použití kódování paketů PBCC je záhlaví rámce přenášeno pomocí kódů CCK a data rámce jsou kódována pomocí PBCC.

standard IEEE 802.11a

Výše diskutované standardy IEEE 802.11b a IEEE 802.11g se týkají frekvenčního rozsahu 2,4 GHz (od 2,4 do 2,4835 GHz), zatímco standard IEEE 802.11a, přijatý v roce 1999, předpokládá použití vyššího frekvenčního rozsahu (od 5,15 na 5,350 GHz a 5,725 až 5,825 GHz). V USA se tento rozsah nazývá rozsah Unlicensed National Information Infrastructure (UNII).

V souladu s pravidly FCC je frekvenční rozsah UNII rozdělen do tří dílčích pásem 100 MHz, které se liší omezením maximálního vyzařovacího výkonu. Nízké pásmo (5,15 až 5,25 GHz) je pouze 50 mW, střední pásmo (5,25 až 5,35 GHz) je 250 mW a vysoké pásmo (5,725 až 5,825 GHz) je 1 watt. Použití tří frekvenčních dílčích pásem o celkové šířce 300 MHz činí standard IEEE 802.11a nejširším z rodiny standardů 802.11 a umožňuje rozdělit celý frekvenční rozsah do 12 kanálů, z nichž každý má šířku 20 MHz, přičemž osm z nich leží v pásmu 200 MHz od 5,15 do 5,35 GHz a zbývající čtyři kanály jsou v pásmu 100 MHz od 5,725 do 5,825 GHz (obr. 1). Zároveň jsou čtyři horní frekvenční kanály, které poskytují nejvyšší vysílací výkon, využívány především pro přenos signálu venku.

Rýže. 1. Rozdělení pásma UNII na 12 frekvenčních dílčích pásem

Standard IEEE 802.11a je založen na technice frekvenčně ortogonálního multiplexování (OFDM). Pro separaci kanálů je aplikována inverzní Fourierova transformace s oknem 64 frekvenčních subkanálů. Protože šířka každého z 12 kanálů definovaných ve standardu 802.11a je 20 MHz, ukázalo se, že každý ortogonální frekvenční subkanál (subnosná) má šířku 312,5 kHz. Z 64 ortogonálních subkanálů se však používá pouze 52 a 48 z nich se používá pro přenos dat (Data Tones) a zbytek - pro přenos servisních informací (Pilot Tones).

Pokud jde o modulační techniku, protokol 802.11a se příliš neliší od 802.11g. Při nízkých bitových rychlostech se k modulaci dílčích nosných používají binární a kvadraturní fázové modulace BPSK a QPSK. Při použití modulace BPSK je v jednom symbolu zakódován pouze jeden informační bit. Podle toho, když se používá modulace QPSK, to znamená, když fáze signálu může nabývat čtyř různých hodnot, jsou dva informační bity zakódovány v jednom symbolu. Modulace BPSK se používá pro přenos dat rychlostí 6 a 9 Mbps a modulace QPSK rychlostí 12 a 18 Mbps.

Pro vyšší přenosové rychlosti používá standard IEEE 802.11a kvadraturní amplitudovou modulaci 16-QAM a 64-QAM. V prvním případě existuje 16 různých stavů signálu, což umožňuje zakódovat 4 bity v jednom symbolu, a ve druhém případě je již 64 možných stavů signálu, což umožňuje zakódovat sekvenci 6 bitů v jednom symbol. Modulace 16-QAM se používá při 24 a 36 Mbps a modulace 64-QAM při 48 a 54 Mbps.

Informační kapacita OFDM symbolu je určena typem modulace a počtem dílčích nosných. Protože se pro přenos dat používá 48 subnosných, je kapacita OFDM symbolu 48 x Nb, kde Nb je binární logaritmus počtu modulačních pozic, nebo jednodušeji počet bitů, které jsou zakódovány v jednom symbolu v jednom. subkanál. Podle toho je kapacita OFDM symbolu od 48 do 288 bitů.

Posloupnost zpracování vstupních dat (bitů) ve standardu IEEE 802.11a je následující. Na počátku je vstupní datový tok podroben standardní operaci skramblování. Poté datový tok vstupuje do konvolučního kodéru. Rychlost konvolučního kódování (v kombinaci s bodovým kódováním) může být 1/2, 2/3 nebo 3/4.

Protože rychlost konvolučního kódování může být různá, při použití stejného typu modulace je přenosová rychlost odlišná.

Uvažujme například modulaci BPSK, kde je přenosová rychlost 6 nebo 9 Mbps. Doba trvání jednoho symbolu spolu s ochranným intervalem je 4 μs, což znamená, že frekvence opakování pulzu bude 250 kHz. Uvážíme-li, že v každém subkanálu je zakódován jeden bit a takových subkanálů je celkem 48, dostaneme, že celková datová rychlost bude 250 kHz x 48 kanálů = 12 MHz. Pokud je v tomto případě rychlost konvolučního kódování 1/2 (pro každý informační bit je přidán jeden servisní bit), bude informační rychlost poloviční než plná rychlost, tj. 6 Mbps. Při rychlosti konvolučního kódování 3/4 je přidán jeden servisní bit na každé tři informační bity, proto je v tomto případě užitečná (informační) rychlost 3/4 plné rychlosti, to znamená 9 Mbps.

Podobně každý typ modulace odpovídá dvěma různým bitovým rychlostem (tabulka 1).

Tabulka 1 Vztah mezi přenosovými rychlostmi
a typ modulace ve standardu 802.11a

Po konvolučním kódování je bitový tok podroben operaci prokládání nebo prokládání. Jeho podstatou je změna pořadí bitů v rámci jednoho OFDM symbolu. K tomu je sekvence vstupních bitů rozdělena do bloků, jejichž délka je rovna počtu bitů v OFDM symbolu (NCBPS). Dále se podle určitého algoritmu provádí dvoustupňová permutace bitů v každém bloku. V první fázi jsou bity permutovány tak, že sousední bity jsou přenášeny na nesouvislých dílčích nosných při vysílání OFDM symbolu. Algoritmus bitové výměny v této fázi je ekvivalentní následujícímu postupu. Zpočátku je blok bitů délky NCBPS zapsán řádek po řádku (řádek po řádku) do matice obsahující 16 řádků a NCBPS/16 řádků. Dále jsou bity čteny z této matice, ale po řádcích (nebo stejným způsobem, jakým byly zapsány, ale z transponované matice). V důsledku takové operace budou zpočátku sousední bity přenášeny na nesouvislých dílčích nosných.

Poté následuje druhý krok výměny bitů, jehož účelem je zajistit, aby se sousední bity neobjevily současně v nejméně významných bitech skupin, které definují modulační symbol v konstelaci signálu. To znamená, že po druhé fázi permutace jsou sousední bity střídavě v horní a dolní číslici skupin. To se provádí za účelem zlepšení odolnosti přenášeného signálu proti šumu.

Po proložení se bitová sekvence rozdělí do skupin podle počtu pozic zvoleného typu modulace a vytvoří se OFDM symboly.

Vygenerované OFDM symboly jsou podrobeny rychlé Fourierově transformaci, jejímž výsledkem jsou výstupní soufázové a kvadraturní signály, které jsou následně podrobeny standardnímu zpracování - modulaci.

standard IEEE 802.11n

Vývoj standardu IEEE 802.11n oficiálně začal 11. září 2002, rok před konečným přijetím standardu IEEE 802.11g. Ve druhé polovině roku 2003 byla vytvořena IEEE 802.11n Task Group (802.11 TGn) s cílem vyvinout nový standard pro bezdrátovou komunikaci při rychlostech nad 100 Mbps. Na stejném úkolu pracovala také další pracovní skupina, 802.15.3a. V roce 2005 se procesy vývoje jediného řešení v každé ze skupin dostaly do slepé uličky. Ve skupině 802.15.3a došlo ke konfrontaci mezi Motorolou a všemi ostatními členy skupiny a členové skupiny IEEE 802.11n se rozpadli na dva přibližně identické tábory: WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency) a TGn Sync. Skupinu WWiSE vedl Aigro Networks a skupinu TGn Sync vedl Intel. V žádné ze skupin dlouho žádná z alternativních variant nemohla získat 75 % hlasů nutných pro její schválení.

Po téměř třech letech neúspěšné konfrontace a pokusů o kompromisní řešení, které by vyhovovalo všem, odhlasovali členové skupiny 802.15.3a téměř jednomyslně odstranění projektu 802.15.3a. Členové projektu IEEE 802.11n byli flexibilnější – dokázali se dohodnout a vytvořit společný návrh, který by vyhovoval všem. V důsledku toho byla 19. ledna 2006 na pravidelné konferenci konané v Kona na Havaji schválena předběžná (návrh) specifikace standardu IEEE 802.11n. Ze 188 členů pracovní skupiny bylo 184 pro přijetí normy, čtyři se zdrželi hlasování. Hlavní ustanovení schváleného dokumentu budou tvořit základ konečné specifikace nové normy.

Standard IEEE 802.11n je založen na technologii OFDM-MIMO. Mnoho technických detailů v něm implementovaných je vypůjčeno ze standardu 802.11a, nicméně standard IEEE 802.11n umožňuje použití jak frekvenčního rozsahu přijatého pro standard IEEE 802.11a, tak frekvenčního rozsahu přijatého pro IEEE 802.11b. /g standardy. To znamená, že zařízení, která podporují standard IEEE 802.11n, mohou pracovat ve frekvenčním rozsahu 5 nebo 2,4 GHz, přičemž konkrétní implementace závisí na zemi. Pro Rusko budou zařízení IEEE 802.11n podporovat frekvenční pásmo 2,4 GHz.

Zvýšení přenosové rychlosti ve standardu IEEE 802.11n je dosaženo jednak zdvojnásobením šířky kanálu z 20 na 40 MHz a jednak implementací MIMO technologie.

Technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) zahrnuje použití více vysílacích a přijímacích antén. Analogicky se tradiční systémy, tedy systémy s jednou vysílací a jednou přijímací anténou, nazývají SISO (Single Input Single Output).

Teoreticky, MIMO systém s n vysílající a n přijímací antény jsou schopny poskytovat špičkovou propustnost n krát větší než u systémů SISO. Toho je dosaženo tím, že vysílač rozděluje datový tok do nezávislých bitových sekvencí a vysílá je současně pomocí pole antén. Tato přenosová technika se nazývá prostorový multiplex. Všimněte si, že všechny antény přenášejí data nezávisle na sobě ve stejném frekvenčním rozsahu.

Vezměme si například systém MIMO sestávající z n vysílající a m přijímací antény (obr. 2).

Rýže. 2. Princip implementace technologie MIMO

Vysílač v takovém systému vysílá n nezávislé signály, aplik n antény. Na přijímací straně každý m anténa přijímá signály, které jsou superpozicí n signály ze všech vysílacích antén. Takže signál R1, přijímaný první anténou, může být reprezentován jako:

Napsáním podobných rovnic pro každou přijímací anténu dostaneme následující systém:

Nebo přepsáním tohoto výrazu ve formě matice:

kde [ H] je přenosová matice popisující MIMO komunikační kanál.

Aby dekodér správně rekonstruoval všechny signály na přijímací straně, musí nejprve určit koeficienty hij charakterizující každého z m X n přenosové kanály. K určení koeficientů hij MIMO používá preambuli paketu.

Po určení koeficientů přenosové matice lze snadno obnovit přenášený signál:

kde [ H]–1 - matice inverzní k přenosové matici [ H].

Je důležité poznamenat, že v technologii MIMO použití více vysílacích a přijímacích antén umožňuje zvýšit propustnost komunikačního kanálu díky implementaci několika prostorově oddělených subkanálů, přičemž data jsou přenášena ve stejném frekvenčním rozsahu.

Technologie MIMO nijak neovlivňuje způsob kódování dat a v zásadě je použitelná v kombinaci s libovolnými metodami fyzického a logického kódování dat.

Technologie MIMO byla poprvé popsána ve standardu IEEE 802.16. Tento standard umožňuje použití technologie MISO, tedy několika vysílacích antén a jedné přijímací antény. Standard IEEE 802.11n umožňuje až čtyři antény pro přístupový bod a bezdrátový adaptér. Povinný režim znamená podporu dvou antén na přístupovém bodu a jedné antény a bezdrátového adaptéru.

Standard IEEE 802.11n poskytuje jak standardní 20 MHz kanály, tak kanály s dvojnásobnou šířkou. Použití 40 MHz kanálů je však volitelnou funkcí standardu, protože použití takových kanálů může být v rozporu se zákony některých zemí.

802.11n má dva režimy přenosu: standardní režim přenosu (L) a režim vysoké propustnosti (HT). V tradičních přenosových režimech se používá 52 frekvenčních OFDM subkanálů (subnosných), z nichž 48 se používá pro přenos dat a zbytek pro přenos informací o službě.

V režimech se zvýšenou kapacitou s šířkou kanálu 20 MHz se používá 56 frekvenčních subkanálů, z nichž 52 se používá pro přenos dat a čtyři kanály jsou pilotní. I při použití kanálu 20 MHz tedy zvýšení frekvenčních dílčích kanálů ze 48 na 52 může zvýšit přenosovou rychlost o 8 %.

U kanálu s dvojnásobnou šířkou, tj. kanálu 40 MHz, je standardní režim vysílání ve skutečnosti vysílání na dvou kanálech. V souladu s tím se počet dílčích nosných zdvojnásobí (104 dílčích kanálů, z nichž 96 je informačních). Díky tomu je přenosová rychlost zvýšena o 100 %.

Při použití kanálu 40 MHz a režimu s velkou šířkou pásma se používá 114 frekvenčních dílčích kanálů, z nichž 108 dílčích kanálů je informačních a šest je pilotních. To vám umožní zvýšit přenosovou rychlost o 125 %.

Tabulka 2 Vztah mezi přenosovými rychlostmi, typem modulace
a rychlost konvolučního kódování 802.11n
(šířka kanálu 20 MHz, režim HT (52 frekvenčních dílčích kanálů))

Další dva faktory, které zvyšují přenosovou rychlost ve standardu IEEE 802.11n, jsou snížení ochranného intervalu GI v OGDM symbolech z 0,8 na 0,4 µs a zvýšení rychlosti konvolučního kódování. Připomeňme, že v protokolu IEEE 802.11a je maximální rychlost konvolučního kódování 3/4, to znamená, že ke každému třem vstupním bitům je přidán jeden další. V protokolu IEEE 802.11n je maximální rychlost konvolučního kódování 5/6, to znamená, že každých pět vstupních bitů v konvolučním kodéru je převedeno na šest výstupních bitů. Vztah mezi přenosovými rychlostmi, typem modulace a rychlostí konvolučního kódování pro standardní 20 MHz kanál je uveden v tabulce. 2.

Organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) vyvíjí standardy WiFi 802.11.

IEEE 802.11 je základní standard pro Wi-Fi sítě, který definuje sadu protokolů pro nejnižší rychlosti přenosu dat (přenosu).

IEEE 802.11b- popisuje b Ó vyšší přenosové rychlosti a přináší více technologických omezení. Tento standard byl široce propagován organizací WECA ( Wireless Ethernet Compatibility Alliance ) a původně se jmenoval WiFi .
Používají se frekvenční kanály ve spektru 2,4 GHz ().
Ratifikováno v roce 1999.
Použitá RF technologie: DSSS.
Kódování: Barker 11 a CCK.
Modulace: DBPSK a DQPSK,
Maximální rychlosti přenosu dat (přenos) v kanálu: 1, 2, 5,5, 11 Mbps,

IEEE 802.11a- popisuje výrazně vyšší přenosové rychlosti než 802.11b.
Používají se frekvenční kanály ve frekvenčním spektru 5 GHz. ProtokolNení kompatibilní s 802.11 b.
Ratifikováno v roce 1999.
Použitá RF technologie: OFDM.
Kódování: Convoltion Coding.
Modulace: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
Maximální datové rychlosti na kanál: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps.

IEEE 802.11g - popisuje datové rychlosti ekvivalentní 802.11a.
Používají se frekvenční kanály ve spektru 2,4 GHz. Protokol je kompatibilní s 802.11b.
Ratifikováno v roce 2003.
Použité RF technologie: DSSS a OFDM.
Kódování: Barker 11 a CCK.
Modulace: DBPSK a DQPSK,
Maximální rychlosti přenosu dat (přenosu) v kanálu:
- 1, 2, 5,5, 11 Mbps na DSSS a
- 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps na OFDM.

IEEE 802.11n- v současnosti nejpokročilejší komerční WiFi standard, oficiálně povolený pro dovoz a použití na území Ruské federace (802.11ac je stále ve vývoji regulátora). 802.11n používá frekvenční kanály ve frekvenčním spektru WiFi 2,4 GHz a 5 GHz. Kompatibilní s 11b/11 a /11g . I když se doporučuje budovat sítě se zaměřením pouze na 802.11n, protože Pokud je požadována zpětná kompatibilita se staršími standardy, musí být nakonfigurovány speciální režimy ochrany. To vede k velkému nárůstu signálových informací avýrazné snížení dostupného užitečného výkonu rádiového rozhraní. Ve skutečnosti i jeden klient WiFi 802.11g nebo 802.11b bude vyžadovat speciální konfiguraci celé sítě a její okamžitou významnou degradaci z hlediska agregovaného výkonu.
Samotný standard WiFi 802.11n byl vydán 11. září 2009.
Frekvenční kanály WiFi jsou podporovány o šířce 20 MHz a 40 MHz (2x20 MHz).
Použitá RF technologie: OFDM.
Technologie OFDM MIMO (Multiple Input Multiple Output) je použita až do úrovně 4x4 (4x vysílač a 4x přijímač). Zároveň minimálně 2x Vysílač na přístupový bod a 1x Vysílač na uživatelské zařízení.
Příklady možných MCS (Modulation & Coding Scheme) pro 802.11n, stejně jako maximální teoretické rychlosti přenosu dat (přenos) v rádiovém kanálu jsou uvedeny v následující tabulce:

Zde jsou SGI ochranné intervaly mezi snímky.
Prostorové proudy je počet prostorových proudů.
Typ je typ modulace.
Data Rate je maximální teoretická rychlost přenosu dat v rádiovém kanálu v Mbps.

Je důležité zdůraznitže uvedené rychlosti odpovídají konceptu channel rate a jsou limitní hodnotou při použití této sady technologií v rámci popsaného standardu (ve skutečnosti tyto hodnoty, jak jste si jistě všimli, píší i výrobci na krabicích domácích WiFi zařízení v obchody). Ale v reálném životě tyto hodnoty nejsou dosažitelné kvůli specifikům samotné standardní technologie WiFi 802.11. Například „politická korektnost“ ve smyslu poskytování CSMA/CA (WiFi zařízení neustále poslouchají vzduch a nemohou vysílat, pokud je přenosové médium zaneprázdněné), nutnost potvrzovat každý unicast rámec, poloduplexní charakter všech WiFi standardů a pouze 802.11ac / Wave-2 se může začít obejít atd. Praktická účinnost zastaralých norem 802.11 b/g/a proto v ideálních podmínkách nikdy nepřekročí 50 % (např. pro 802.11g maximální rychlost za účastník obvykle není vyšší než 22 Mb/s), ale u 802.11n může být účinnost až 60 %. Pokud síť funguje v chráněném režimu, což se často stává kvůli smíšené přítomnosti různých WiFi čipů na různých zařízeních v síti, pak může i indikovaná relativní účinnost klesnout 2-3krát. To platí například pro mix zařízení Wi-Fi s čipy 802.11b, 802.11g v síti s přístupovými body WiFi 802.11g nebo zařízení WiFi 802.11g/802.11b v síti s přístupovými body WiFi 802.11n atd. .. Přečtěte si více o .

Kromě hlavních standardů WiFi 802.11a, b, g, n existují další standardy, které se používají k implementaci různých servisních funkcí:

. 802.11d. Pro přizpůsobení různých WiFi zařízení podmínkám specifickým pro danou zemi. V rámci regulační oblasti každého státu se rozsahy často liší a mohou se lišit i v závislosti na geografické poloze. WiFi standard IEEE 802.11d umožňuje regulaci šířky pásma v zařízeních různých výrobců pomocí speciálních možností zavedených v protokolech řízení přístupu k médiím.

. 802.11e. Popisuje třídy kvality QoS pro přenos různých mediálních souborů a obecně různého mediálního obsahu. Přizpůsobení vrstvy MAC pro 802.11e určuje kvalitu například současného přenosu zvuku a videa.

. 802.11f. Je zaměřen na sjednocení parametrů Wi-Fi Access Pointů od různých výrobců. Standard umožňuje uživateli pracovat s různými sítěmi při pohybu mezi oblastmi pokrytí jednotlivých sítí.

. 802,11h. Používá se k předcházení problémům s meteorologickými a vojenskými radary dynamickým snižováním vyzařovaného výkonu Wi-Fi zařízení nebo dynamickým přepínáním na jiný frekvenční kanál při detekci spouštěcího signálu (ve většině evropských zemí pozemní stanice pro sledování meteorologických satelitů a komunikačních satelitů, např. stejně jako vojenské radary, pracují v pásmech blízkých 5 MHz). Tato norma je nezbytným požadavkem ETSI pro zařízení schválená pro použití v Evropské unii.

. 802.11i. Dřívější verze standardů WiFi 802.11 používaly k zabezpečení WiFi sítí algoritmus WEP. Předpokládalo se, že tato metoda může zajistit důvěrnost a ochranu přenášených dat oprávněných uživatelů bezdrátové sítě před odposlechem.Nyní lze tuto ochranu prolomit během několika minut. Proto byly ve standardu 802.11i vyvinuty nové metody ochrany Wi-Fi sítí, implementované jak na fyzické, tak na softwarové úrovni. V současné době se pro organizaci bezpečnostního systému v sítích Wi-Fi 802.11 doporučuje používat algoritmy Wi-Fi Protected Access (WPA). Poskytují také kompatibilitu mezi bezdrátovými zařízeními různých standardů a různých modifikací. Protokoly WPA používají pokročilé schéma šifrování RC4 a povinnou metodu ověřování pomocí EAP. Odolnost a bezpečnost moderních Wi-Fi sítí je určována protokoly ochrany soukromí a šifrování dat (RSNA, TKIP, CCMP, AES). Nejvíce doporučovaným přístupem je použití WPA2 se šifrováním AES (a nezapomeňte na 802.1x pomocí mechanismů tunelování jako EAP-TLS, TTLS atd., což je velmi žádoucí). .

. 802,11 k. Tento standard je ve skutečnosti zaměřen na implementaci vyvažování zátěže v rádiovém subsystému sítě Wi-Fi. V bezdrátové síti LAN se předplatitelská jednotka obvykle připojuje k přístupovému bodu, který poskytuje nejsilnější signál. Často to vede k zahlcení sítě v jednom bodě, když se k jednomu přístupovému bodu připojí mnoho uživatelů najednou. Pro kontrolu takových situací standard 802.11k navrhuje mechanismus, který omezuje počet účastníků připojených k jednomu Access Pointu a umožňuje vytvořit podmínky, za kterých se noví uživatelé připojí k jinému AP i přes slabší signál z něj. V tomto případě je agregovaná šířka pásma sítě zvýšena díky efektivnějšímu využití zdrojů.

. 802,11 m. Změny a opravy pro celou skupinu norem 802.11 jsou sloučeny a shrnuty v samostatném dokumentu s obecným názvem 802.11m. První vydání 802.11m bylo v roce 2007, pak v roce 2011 a tak dále.

. 802.11p. Určuje interakci zařízení Wi-Fi pohybujícího se rychlostí až 200 km/h kolem pevných přístupových bodů WiFi, vzdálených na vzdálenost až 1 km. Součást standardu WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment). Standardy WAVE definují architekturu a další sadu servisních funkcí a rozhraní, které poskytují bezpečný mechanismus pro rádiovou komunikaci mezi pohybujícími se vozidly. Tyto standardy byly vyvinuty pro aplikace, jako je řízení dopravy, kontrola bezpečnosti provozu, automatizovaný výběr mýtného, ​​navigace a směrování vozidel atd.

. 802,11s. Standard pro implementaci mesh sítí (), kde jakékoli zařízení může sloužit jako router i jako přístupový bod. Pokud je nejbližší přístupový bod přetížen, data jsou přesměrována na nejbližšího nezatíženého hostitele. V tomto případě je datový paket přenášen (přenos paketů) z jednoho uzlu do druhého, dokud nedosáhne svého konečného cíle. Tento standard zavádí nové protokoly na úrovních MAC a PHY, které podporují vysílání a multicast přenos (přenos), stejně jako doručování unicast přes samokonfigurující systém přístupových bodů Wi-Fi. Pro tento účel standard zavádí formát rámce se čtyřmi adresami. Příklady implementace WiFi Mesh sítí:,.

. 802,11t. Standard byl vytvořen za účelem institucionalizace procesu testování řešení standardu IEEE 802.11. Popisuje zkušební metody, způsoby měření a zpracování výsledků (léčba), požadavky na zkušební zařízení.

. 802.11u. Definuje postupy pro interakci Wi-Fi sítí s externími sítěmi. Standard by měl definovat přístupové protokoly, prioritní protokoly a zákazové protokoly pro práci s externími sítěmi. V současné době se kolem tohoto standardu vytvořilo velké hnutí jak z hlediska vývoje řešení - Hotspot 2.0, tak z hlediska organizace mezisíťového roamingu - vznikla a roste skupina zainteresovaných operátorů, kteří společně řeší roamingové problémy jejich sítě Wi-Fi v dialogu (Alliance WBA). Přečtěte si více o Hotspotu 2.0 v našich článcích: , .

. 802.11v. Norma by měla být změněna, aby se zlepšily systémy správy sítě IEEE 802.11. Modernizace na úrovni MAC a PHY by měla umožnit centralizaci a zefektivnění konfigurace klientských zařízení připojených k síti.

. 802,11y. Doplňkový komunikační standard pro frekvenční rozsah 3,65-3,70 GHz. Navrženo pro zařízení nejnovější generace pracující s externími anténami rychlostí až 54 Mbps na vzdálenost až 5 km v otevřeném prostoru. Norma není zcela dokončena.

802,11w. Definuje metody a postupy pro zlepšení zabezpečení a zabezpečení vrstvy řízení přístupu k médiím (MAC). Protokoly standardu strukturují systém sledování integrity dat, pravosti jejich zdroje, zákazu neoprávněného rozmnožování a kopírování, důvěrnosti dat a dalších prostředků ochrany. Standard zavádí ochranu řídícího rámce (MFP: Management Frame Protection) a další bezpečnostní opatření umožňují neutralizovat externí útoky, jako je například DoS. Trochu více o MFP zde:,. Tato opatření navíc zajistí zabezpečení nejzranitelnějších síťových informací, které budou přenášeny po sítích podporujících IEEE 802.11r, k, y.

802.11ac. Nový standard WiFi, který funguje pouze ve frekvenčním pásmu 5 GHz a poskytuje výrazně lepší Ó Vyšší rychlosti pro jednotlivého klienta WiFi i přístupový bod WiFi. Další podrobnosti najdete v našem článku.

Zdroj je neustále aktualizován! Chcete-li dostávat oznámení o vydání nových tematických článků nebo o nových materiálech na webu, doporučujeme přihlásit se k odběru.

Přidejte se k naší skupině