Проектирование беспроводной сети Wi-Fi на основе стандарта 802.11n в общежитии № 2 Алматинского Института Энергетики и Связи

Стандарт IEEE 802.11 стал первым стандартом для продуктов WLAN от независимой  международной организации. Однако к моменту выхода стандарта в  свет первоначально заложенная в  нем скорость передачи данных оказалась  недостаточной. Это послужило причиной последующих доработок, поэтому  сегодня можно говорить о группе стандартов.

1.3 Основные стандарты

В настоящее время широко используется преимущественно три  стандарта группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 1.1)

Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

1.3.1 Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается  в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется  в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало  более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании  со скоростью равной 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют  три выходных, то скорость сверточного  кодирования будет составлять уже 2/3.

Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно  связанных запоминающих ячеек и  логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных  состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть  запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего  бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной  последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний.

Выходные биты, формируемые  в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения  ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется  декодер Витерби.

Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно он подвергается фазовой  модуляции. Причем в зависимости  от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная  фазовая модуляция.

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования  не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Рассмотренный метод PBCC-кодирования  опционально используется в протоколе 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе 802.11g для скоростей  передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов 802.11b и 802.11g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом 802.11b, поддерживаются и в протоколе 802.11g. В этом плане до скорости 11 Мбит/с протоколы 802.11b и 802.11g совпадают друг с другом, за исключением того, что в протоколе 802.11g предусмотрены такие скорости, которых нет в протоколе 802.11b.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной  нами схемой PBCC передача данных имеет  две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может  принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе  кодировать уже три бита. Кроме  того, в схему, за исключением сверточного  кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и  при определенных условиях помеховой  обстановки является излишней, поэтому  можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам  соответствовали три выходных. Для  этого можно, конечно, разработать  соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный  пунктурный кодер, который будет  просто уничтожать лишние биты. Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит  из каждых четырех входных бит. Тогда  каждым четырем входящим бит будут  соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования  составит уже 2/3, то есть каждым двум входным  битам будут соответствовать  три выходных.

Технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM — обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде.

Эффект многолучевой интерференции  сигналов заключается в том, что  в результате многократных отражений  от естественных преград один и тот  же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но разные пути распространения  отличаются друг от друга по длине, а потому ослабление сигнала будет  для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию  многих сигналов, имеющих различные  амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение  принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция  присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку  при использовании широкополосного  сигнала в результате интерференции  определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при  передаче сигналов, отмечают два крайних  случая. В первом из них максимальная задержка между сигналами не превышает  длительности одного символа и интерференция  возникает в пределах одного передаваемого  символа. Во втором — максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку  символ — это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

По этой причине при  высоких скоростях передачи применяется  метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением  каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть его  заключается в том, что поток  передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно  на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается  именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как  скорость передачи в отдельном подканале  может быть и невысокой.

Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком  высокой, создаются предпосылки  для эффективного подавления межсимвольной  интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный  канал был достаточно узким для  минимизации искажения сигнала, но в то же время — достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления  широкополосного канала на ортогональные  частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением  с мультиплексированием (OFDM). Для  его реализации в передающих устройствах  используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов  сигнал из временного представления  в частотное.

Одним из ключевых преимуществ  метода OFDM является сочетание высокой  скорости передачи с эффективным  противостоянием многолучевому  распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого  распространения, но создает предпосылки  для устранения эффекта межсимвольной  интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа.

Охранный интервал создает  паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает  максимальное время задержки сигнала  в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции  не возникает.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала  составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет  длительность 3,2 мкс, а охранный интервал — 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

В протоколе 802.11g на низких скоростях  передачи применяется двоичная и  квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции  в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции — два информационных бита. Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK — на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких  скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды  сигнала. В протоколе 802.11g применяется  модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция  предполагает 16 различных состояний  сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая — 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM — на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

1.3.2 Стандарт IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а предусматривает  скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта  спецификациями 802.11а предусмотрена  работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции  сигнала выбрано ортогонально частотное  мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в  условиях многолучевого распространения  сигнала.

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся  ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) — 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) — 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала — в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рисунок 1.3). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 1.3 - Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Стандарт IEEE 802.11a основан  на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется  обратное преобразование Фурье с  окном в 64 частотных подканала. Поскольку  ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный  частотный подканал (поднесущая) имеет  ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных  подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для  передачи данных (Data Tones), а остальные — для передачи служебной информации (Pilot Тones).

По технике модуляции  протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе  кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала  может принимать четыре различных  значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK — на скоростях 12 и 18 Мбит/с.