3. Беспроводные сети (IEEE 802.11)

3.1 Общие понятия

Проблемы при построении беспроводных сетей
Выбор частоты передачи
Способы увеличения скорости передачи
Организация общего доступа
Организация безопасности
Поколения беспроводной связи
1G — 1984г. Мобильные сети первого поколения (аналоговые сети)
2G — 1991г. Цифровые сети. Услуга SMS. Разработка стандарта GSM1900. Основан на стандарте CDMA/TDMA. Скорость 9,6кбит/с.
2.5G — Переходное поколение. Основывается на технологиях 2G. Введение пакетной передачи данных GPRS. Скорость 384кбит/с.
3G — Международный стандарт. Скорость до 2048кбит/с, подвижных абонентов 384кбит/с.
3.5G — HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), до 3 Мбит/с
3.75G — HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), до 5,8 Мбит/с
4G — Технологии Wi-Fi и WiMax, подразумевающие интеграцию в единую беспроводную сеть широкого спектра устройств.

3.1.1 Типы беспроводных сетей

WLAN (Wireless Local Area Network), беспроводные локальные сети
2,4 ГГц
IEEE 802.11,
IEEE 802.11b,
IEEE 802.11g,
IEEE 802.11n,
HomeRF
5 ГГц
IEEE 802.11a,
IEEE 802.11n
HiperLAN,
HiSWAN
WPAN (Wireless Personal Area Network), беспроводные персональные сети
2,4 ГГц
IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4
5 ГГц
HiperPAN
BWA (Broadband Wireless Access), широкополосный беспроводной доступ
2-10 ГГц
IEEE 802.16.3, MMDS и WDSL
10-66 ГГц
IEEE 802.16.1 и LMDS

3.1.2 Технологии физического и канального уровня

Схема технологий и типов кодирований по уровням OSI
Методы основаны на автокорреляционных функциях.
Функция автокорреляции – функция, отражающая степень подобия самой себе через определенный временной интервал.


p(f(t), f(t+τ)) = 1

3.2 Кодирование на физическом уровне

3.2.1 Метод широкополосной модуляции со скачкообразным изменением частоты FHSS

FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) – метод широкополосной модуляции со скачкообразным изменением частоты. Данные передаются последовательно по случайным каналам, выбранным по некоторому шаблону (pattern).
Всего 79 подчастот
Всего 22 шаблона
Смена 1600 раз в секунду
Визуальная схема пересковов частот в технологии уширения спектра FHSS

  • Используется в Buetooth
  • Устройства заранее выбирают шаблон при соединении

3.2.2 Технология уширения спектра DSSS

Технология уширения спектра DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — работает за счет встраивания в информационный бит последовательности чипов.

Благодаря DSSS спектр в N раз шире, а амплитуда в N раз меньше.
Чип — прямоугольный импульс, с длительностью в N раз меньше информационного бита.
Коды Баркера – чиповые псевдослучайные последовательности, отвечающие требованиям автокорреляции.
Комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK) – кроме уширения спектра позволяют кодировать в одном символе больше, чем один бит
Примеры чиповых последовательностей для кодов Баркера
Чип Коэффициент уширения спектра (дБ)
110 4,77
1110/1101 6,02
11101 6,99
1110010 8,45
11100010010 10,41
Схема внедрения чиповых последовательностей на основе логичесого сложения

3.2.3 Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC

Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) преобразовывает входной поток бит так, чтобы одному входному биту соответствовало более одного выходного.
Сущность сверточного кодера
Сверточный кодер состоит из последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR
Существуют кодеры с коэффициентом сворачивания r = 1/2 (1 бит в 2 бита), 2/3, 3/4 и т.д.
Простейший кодер на три состояния.Y0 и Y1 зависят от 3 значений: текущего и двух предыдущих

Кодер на семь состояний (K = 7) со скоростью r = 1/2

3.2.4 Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих.
Сущность OFMD
Высокая скорость передачи достигается за счет одновременной передачи данных нескольким подканалам
В передатчиках сигнал мультиплексируется, затем к N-каналам применяется обратное преобразование Фурье (IFFT)
Схема кодирования OFMD

OFDM – позволяет бороться с интерференцией волн и искажением сигнал из-за нее.

Применяется в:

  • ADSL и VDSL
  • DVB-C2
  • Wi-Fi, WiMAX

3.3 Координация на канальном уровне

Координация основана на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избежания коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)
Типы координаций на канальном уровне в беспроводных сетях
Распределенная координация (Distributed Coordination Function, DCF)
Централизованная координация (Point Coordination function, PCF)
Механизм избежания коллизий
Избежание коллизий происходит за счет использования обязательных промежутков ожидания.
DIFS (Distributed InterFrame Space) – обязательный промежуток при распределенной координацииPIFS (Point InterFrame Space) – обязательный промежуток при централизованной координации

SIFS (Simple InterFrame Space) – простейший промежуток

SIFS < PIFS < DIFS

BackoffTime – изменяемый интервал.

TimeSlot – элементарный промежуток

CW (Contention Window) – размер окна от 31 до 1023  тайм-слотов.

Backoff time = Random(CWmin, CWmax)*SlotTime

Правила изменения промежутков

Если эфир был занят

то в следующий раз уменьшить окноCWi+1 < CWi

Если кадр неудачно принят

то в следующий раз увеличить окноCWi+1 > CWi

3.3.1 Распределенная координация DCF

Используется при координации передачи данных между узлами БЕЗ точки доступа

SIFS < DIFS

Алгоритм передачи кадра с данными

3.3.2 Централизованная координация PCF

Режим PCF реализуется точкой доступа (Access Point, AP).Управляет на основе алгоритма опроса или исходя из приоритетов узлов сети.

Координатор ожидает промежуток времени PIFS.Так как SIFS < PIFS < DIFS, то координатор захватывает среду раньше, чем кто либо; но после любого, кто отправляет квитанцию.

Схема передачи данных разными узлами с управлением точкой (AP)
Для возможности совмещения координации DCF и PCF, фреймы обоих координаций занимают эфир попеременно.

3.3.3 Характеристики стандартов беспроводных сетей

Bluetooth

Wi-Fi

Wi-MAX

GSM

802.11

802.15.x

802.11b/g

802.11a/n

802.16

802.16a/b

802.16e

GPRS

Назначение

Связь с мобильными устройствами

Организация беспроводных сетей в пределах здания

Организация сетей в масштабах города

Передача данных на большие расстояния

Частоты (ГГц)

2.4-24.8

2.4 – 2.48

2,4 – 2,4835

5,15 – 5,350

10-66

2-11

2-6

1,8-1,9

Радиус действия (м)

10 (100*)

100

2-4км

4-6

(15-20) км

4-6 км

1000

Скорость передачи

(Мбит/с)

1-2

~1 (2*)

5(11)/54

>100

32-134

1-75

<15

64-128

Тип кодирования

DSSS

FHSS

Баркера, CCK / CCK (PBCC)

CCK

коды Рида-Соломона, CCK

CDMA/

TDMA

Модуляция

BPSK

GFSK

BPSK, QPSK / OFDM

OFDM, QAM

QPSK

OFDM 256, OFDMA

QAM16,  QAM64

GMSK

Количество устройств

*

7

30

*

1000

Шифрование

128 IDEA, динамические ключи

WEP 64 и 104,

TKIP, MIC

DES/3DES

A5/1

(462 views)