Лекция 1.3.7. Общие принципы построения беспроводных ЛВС. WiFi. WiMax

Александрович Олейников
Компьютерные и телекоммуникационные сети

между рабочими (мобильными) станциями (А, В, С) осуществляется через базовую

станцию;
без базовой станции (рис.3.42,б), когда обмен данными между станциями (А, В, С) осуществляется напрямую.

сети;
мобильность пользователей.
Недостатки беспроводных ЛВС:
низкая помехоустойчивость;
неопределенность зоны покрытия;
проблема «скрытого терминала».
Проблема «скрытого

терминала» состоит в следующем. Положим, что станция А (рис.3.42,б), передаёт данные станции В. Станция С не «слышит» станцию А (она является «скрытым терминалом» для станции С) и, полагая, что среда передачи свободна, начинает передачу данных, предназначенных для станции В. Очевидно, что возникающая при этом коллизия приведёт к искажению передаваемых данных как от станции А, так и от станции С.

коллизий (CSMA/CD) используются методы предотвращения коллизий (CSMA/CA). В сетях с

базовой станцией обычно применяются методы опроса, когда базовая станция опрашивает все станции, находящиеся в зоне её действия, и, при наличии у нескольких станций данных для передачи, предоставляет право на передачу одной из них в соответствии с принятой в этой сети стратегией.
Для повышения помехоустойчивости кода для сигналов малой мощности в беспроводных сетях разработана специальная технология расширенного спектра, ориентированная на широкую полосу пропускания, позволяющую применять модуляцию с несколькими несущими. В рамках этой технологии используются различные методы передачи данных.

на технологии расширения спектра, являются (рис.3.43):
ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM);
расширение спектра скачкообразным изменением

частоты (FHSS);
прямое последовательное расширение спектра (DSSS).

Multiplexing) используется для передачи данных со скоростью до 54 Мбит/с

в диапазоне 5 ГГц.
На рис.3.44 показана схема реализации OFDM.
Битовый поток данных делится на N подпотоков, каждый из которых модулируется с помощью методов частотной (FSK) или фазовой (PSK) манипуляции с использованием несущей, которая обычно кратна основной частоте f0 . На основе быстрого преобразования Фурье все несущие сворачиваются в общий сигнал, спектр которого примерно равен спектру сигнала, кодируемого одной несущей. После передачи такого сигнала на приёмной стороне с использованием преобразования Фурье выделяются несущие подпотоки, из которых формируется исходный битовый поток.

интерференцию передаваемых сигналов за счёт увеличения битового интервала.

(FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) основан на постоянной смене

несущей в пределах широкого диапазона частот (рис.3.45).

период времени, называемый периодом отсечки (чип), в соответствии с выбранным

алгоритмом выработки псевдослучайной последовательности. На каждой частоте применяется модуляция (FSK или PSK). Передача на одной частоте ведётся в течение фиксированного интервала времени, в течение которого передаётся некоторая порция данных (Data). В начале каждого периода передачи для синхронизации приемника с передатчиком используются синхробиты, которые снижают полезную скорость передачи.

спектра:
медленное расширение спектра (рис.3.46,а) – за один период отсечки передается

несколько бит;
быстрое расширение спектра (рис.3.46,б) – один бит передается за несколько периодов отсечки, то есть повторяется несколько раз.
В первом случае период передачи данных меньше периода передачи чипа, во втором – больше.

наличии помех за счёт многократного повторения значения одного и того

же бита на разных частотах, но более сложен в реализации, чем метод медленного расширения спектра.

Direct Sequence Spread Spectrum) состоит в следующем.
Каждый «единичный» бит в

передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью, а «нулевой» бит кодируется инверсным значением расширяющей последовательности (рис.3.47).

следовательно, спектр сигнала также расширяется в N раз.
Зная выделенный для

беспроводной передачи (линии связи) частотный диапазон, можно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Основная цель кодирования DSSS как и FHSS – повышение помехоустойчивости.
Чиповая скорость – скорость передачи результирующего кода.

N находится в интервале от 10 до 100. Чем больше

N, тем больше спектр передаваемого сигнала.
Например, последовательность Баркера (Barker) с коэффициентом расширения N=11 имеет вид: 10110111000, основное достоинство которого заключается в том, что при сдвиге на один бит влево или вправо количество совпадений битов меньше половины:
сдвиг влево (5 совпадений) 0110111000х
10110111000
сдвиг вправо (5 совпадений) х1011011100
10110111000
DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра.

сотовых сетях, в частности, при реализации метода доступа CDMA (Code

Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением. CDMA может использоваться совместно с FHSS, но в беспроводных сетях чаще с DSSS.
Каждый узел сети использует собственную расширяющую последовательность, которая выбирается так, чтобы принимающий узел мог выделить данные из суммарного сигнала.
Рассмотрим принцип реализации CDMA на примере.
Пусть в сети работают 4 узла: A, B, C, D, каждый из которых использует свою расширяющую последовательность:
A:0000 B:0101 C:0011 D:0110

на рис.3.48 и обозначенные соответственно куак (+А) и (-А).



Очевидно,

что (+А)+(-А)=0
Для упрощения выкладок обозначим: (+А)= 1 и (-А)= - 1
Тогда, расширяющие последовательности для узлов A, B, C и D примут вид:

C, D и в некоторый момент времени они передают соответственно

биты 1, 0, 1, 0 в виде соответствующих расширяющих последовательностей (РП):





Для простоты допустим, что все узлы синхронизированы.
Положим, что некоторый узел Х хочет принять данные от узла A. В рассматриваемый момент времени он принимает сигнал S в виде вектора (0 –4 0 0). Для определения значения принятого от узла A бита узел Х должен использовать демодулятор CDMA с расширяющей последовательностью узла А.

узла A:
S * A = (0 - 4 0 0)

* (-1 -1 -1 -1) = 0 + 4 + 0 + 0 = +4 ;
результат делится на количество узлов (станций) в сети; если результат положительный, то исходный бит равен 1, если результат отрицательный, то исходный бит равен 0; для узла А:
+4/4=+1, следовательно, значение бита от узла A равно 1.
Аналогично, при приеме данных от узла B:
S * B = (0 - 4 0 0) * (-1 + 1 - 1 + 1) = 0 - 4 + 0 + 0 = -4 / 4 = -1,
следовательно, значение бита от узла B равно 0. При приеме данных от узла C:
S * C = (0 - 4 0 0) * (-1 -1 + 1 + 1) = 0 + 4 + 0 + 0 = +4 / 4 = +1,

данных от узла D:
S * D = (0 - 4

0 0) * (-1 + 1+ 1 - 1) = 0 - 4 + 0 + 0 = -4 / 4 = -1,
следовательно, значение бита от станции D равно 0.
Достоинство CDMA заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная расширяющей последовательности, невозможно получить сигнал, а иногда и обнаружить его присутствие.

который описывает физический уровень и канальный уровень с двумя подуровнями:

MAC и LLC.
На физическом уровне определены несколько вариантов спецификаций, которые различаются:
используемым диапазоном частот;
методом кодирования;
скоростью передачи данных.
Варианты построения беспроводных ЛВС стандарта 802.11, получившего название WiFi, представлены в табл. 3.7. Ниже дана их краткая характеристика.

видимости;
используются 3 варианта распространения излучения:
ненаправленная антенна;
отражение от потолка;
фокусное направленное излучение

(«точка-точка»).

кодирования – FHSS: до 79 частотных диапазонов шириной 1 МГц,

длительность каждого из которых составляет 400 мс (рис.3.49);
при 2-х состояниях сигнала обеспечивается пропускная способность среды передачи в 1 Мбит/с, при 4-х – 2 Мбит/с.

кодирования – DSSS c 11-битным кодом в качестве расширяющей последовательности:

10110111000.
IEEE 802.11a:
1) диапазон частот – 5 ГГц;
2) скорости передачи: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с;
3) метод кодирования – OFDM.
Недостатки:
слишком дорогое оборудование;
в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию.

кодирования – модернизированный DSSS.
IEEE 802.11g:
диапазон частот – 2,4 ГГц;
максимальная скорости

передачи: до 54 Мбит/с;
метод кодирования – OFDM.
В сентябре 2009 года был утверждён стандарт IEEE 802.11n. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Радиус действия беспроводных сетей IEEE 802.11 – до 100 метров.

представлена группой стандартов IEEE 802.16 и первоначально была предназначена для

построения протяженных (до 50 км) беспроводных сетей, относящихся к классу региональных или городских сетей.
Стандарт IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 (декабрь 2001 года), являющийся первым стандартом «точка-многоточка», был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц и, как следствие, требовал нахождения передатчика и приёмника в области прямой видимости, что является существенным недостатком, особенно в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью канала T-1 (1,554 Мбит/с).

(мобильный WiMax), в которых было снято требование прямой видимости между

передатчиком и приёмником.
Основные параметры перечисленных стандартов технологии WiMax сведены в табл.3.8.

стационарной беспроводной связи на большие расстояния и предусматривал мобильность пользователей

в пределах здания. Лишь в 2005 году был разработан стандарт IEEE 802.16e, ориентированный на мобильных пользователей. В настоящее время ведётся разработка новых спецификаций 802.16f и 802.16h для сетей доступа с поддержкой работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч.
Использование более качественных радиоприемников и передатчиков обусловливает более высокие затраты на построение сети.
Большие расстояния для передачи данных требуют решения ряда специфических проблем: формирование сигналов разной мощности, использование нескольких схем модуляции, проблемы защиты информации.

пользователю.
Высокое качество обслуживания мультимедийного трафика.

Первоначально считалось, что IEEE 802.11 –

мобильный аналог Ethernet, 802.16 – беспроводной стационарный аналог кабельного телевидения. Однако появление и развитие технологии WiMax (IEEE 802.16e) для поддержки мобильных пользователей делает это утверждение спорным.

для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу и расположенных территориально на

небольшом расстоянии (около 10 м).
Особенности PAN:
простота, малые размеры и низкая стоимость объединяемых устройств и, как следствие этого, низкая стоимость реализации сети;
небольшой диаметр сети;
высокие требования к безопасности;
беспроводная реализация;
небольшая мощность излучаемых сигналов (не более 100 мВт).

различных устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью

передачи до 1 Мбит/с.
В основе Bluetooth лежит концепция пикосети, которая характеризуется следующими особенностями:
небольшая область покрытия от 10 м до 100 м;
количество устройств в сети – до 255;
количество активных (одновременно взаимодействующих) устройств – до 8;
одно устройство главное (Г), в качестве которого обычно используется персональный компьютер), остальные подчиненные (П) (см. рис.3.50,а);

мостом, одновременно принадлежит нескольким сетям и может быть главным устройством

одной пикосети и подчинённым устройством другой пикосети (рис.3.50,б);
метод доступа – CDMA с использованием техники FHSS;
надёжность передачи данных реализуется с помощью механизма квитирования;
кадры имеют длину до 343 байт;
для передачи голоса используются кадры длиной 30 байт.

предназначенная для построения беспроводных персональных сетей (WPAN) с использованием небольших

маломощных радиопередатчиков. Спецификация ZigBee нацелена на приложения, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при небольших скоростях передачи данных.
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с многосвязной (ячеистой) топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения технологии ZigBee – это построение беспроводных сенсорных сетей, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также применение в бытовой электронике и персональных компьютерах.

другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth.
Устройство ZigBee может активироваться

(переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, что существенно меньше по сравнению с Bluetooth, для которого задержка при переходе от спящего режима к активному достигает 3-х секунд. Так как устройства ZigBee большую часть времени находятся в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается продолжительная работа батарей.

и безопасность, датчики воды и мониторинг энергии, датчики задымления и

пожара и т.д.;
мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа в помещения, охрана здоровья, телепомощь;
промышленное и коммерческое применение — контроль производственных процессов и промышленного оборудования, управление энергией, контроль доступа.

устройство, формирующее пути дерева сети и связывающееся с другими сетями.

В каждой сети есть один координатор ZigBee, который запускает сеть и может хранить информацию о сети.
Маршрутизатор ZigBee (ZR) – может выступать в качестве промежуточного устройства, передавая данные между остальными устройствами.
Конечное устройство ZigBee (ZED) – может обмениваться информацией с материнским узлом (координатором или маршрутизатором), но не может передавать данные от других устройств. Такое поведение позволяет узлу большую часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. Конечное устройство имеет небольшую память, что делает его дешёвым в производстве.

персональных сетей, который описывает нижние слои протокола (физический слой PHY

и управление доступом MAC). Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает использование метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра и работу в трех диапазонах:
1 канал в диапазоне 868,0-868,6 МГц;
10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц);
16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц).
Соответственно скорость передачи данных составляет 20 кбит/с, 40 кбит/с и 250 кбит/с для каждого канала, расстояние передачи – от 10 до 75 метров.

– множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Однако

возможны ситуации, исключающие применение CSMA. Например, при передаче пакетов подтверждения приема данных (если потеря пакета критична)
Стандарт ZigBee призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку делает возможным построение сетей с низким потреблением энергии и гибкими функциями поддержки беспроводного взаимодействия.

представляет собой распределённую самоорганизующуюся устойчивую к отказу отдельных элементов сеть,

состоящую из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных посредством радиоканала. Область покрытия сенсорной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

на транспорте, в системах обеспечения жизнедеятельности, в охранных системах и

т.п. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров делает возможным применение сенсорных сетей для контроля:
различных параметров (температура, давление, влажность и т. п.);
доступа в режиме реального времени к удаленным объектам мониторинга;
отказов исполнительных механизмов;
экологических параметров окружающей среды.

снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и

т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств.
Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.

быть представлен тремя устройствами.
Сетевой координатор (FFD — Fully Function Device):
осуществляет

глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;
наиболее сложное устройство, требующее память большой ёмкости и источник питания.
Устройство с полным набором функций (FFD — Fully Function Device):
поддерживает стандарт 802.15.4 (ZigBee);
дополнительная память и энергопотребление позволяют выполнять роль координатора сети;
поддерживает все топологии («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);
общается с другими устройствами сети.

«точка-точка», «звезда»;
не выполняет функции координатора;
обращается к координатору сети и маршрутизатору.

термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи

(стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и могут использоваться для подключения к Интернету. Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно разных задач.
В табл. 3.9 для сравнения сведены рассмотренные выше беспроводные технологии передачи данных.