Чтение онлайн

Илл. 4.24. Часть стека протоколов стандарта 802.11

Чтобы предоставить поклонникам беспроводных сетей желанное увеличение скорости, в 1999 и 2003 годах были разработаны новые методы передачи на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), описанного в разделе 2.5.3. Первый метод, 802.11a, работает в другом диапазоне частот — 5 ГГц. Второй, 802.11g, остался в диапазоне 2,4 ГГц для обеспечения совместимости. Оба работают на скорости до 54 Мбит/с.

В октябре 2009 года окончательно сформировался стандарт 802.11n. Он содержит методы передачи данных, дающие значительный прирост скорости за счет одновременного использования нескольких антенн на приемнике и передатчике.

Дойдя до конца алфавита, в декабре 2013 года институт IEEE опубликовал стандарт под названием 802.11ac. Следует заметить, что члены комитета 802.11 используют пропущенные буквы для внесения небольших технических улучшений, часто служащих для уточнения или исправления ошибок (например, в случае стандарта 802.11r). Стандарт 802.11ac предназначен для диапазона 5 ГГц, поэтому он несовместим со старым оборудованием, работающим только в полосе 2,4 ГГц. Сегодня наиболее продвинутые мобильные устройства используют 802.11ac. Недавно принятый 802.11ax обеспечивает еще более высокую скорость.

Далее мы вкратце рассмотрим все эти методы передачи и подробно изучим самые актуальные из них, отбросив устаревшие стандарты 802.11. Формально они относятся к физическому уровню, которому была посвящена глава 2. Но из-за того, что они тесно связаны с беспроводными LAN вообще и с LAN стандарта 802.11 в частности, мы познакомимся с ними здесь.

4.4.2. Стандарт 802.11: физический уровень

Все представленные ниже методы позволяют передать фрейм подуровня MAC с одной станции на другую по радиоканалу. Отличаются они используемыми технологиями и скоростями, достижимыми на практике. Детальное рассмотрение этих методов выходит за рамки нашей книги, мы лишь дадим краткое описание, которое, возможно, заинтересует читателей и снабдит их необходимыми терминами для поиска более подробной дополнительной информации (см. также главу 2).

Все методы стандарта 802.11 используют радиосигналы ближнего радиуса действия в диапазонах 2,4 ГГц или 5 ГГц. Преимущество этих полос в том, что они не требуют лицензирования, то есть доступны для любого передатчика, отвечающего небольшому числу ограничений, например излучаемой мощности до 1 Вт (хотя для большинства передатчиков в беспроводных LAN характерна мощность 50 мВт). К сожалению, этот факт также известен производителям автоматических гаражных дверей, беспроводных телефонов, микроволновых печей и множества других устройств, конкурирующих за спектр частот с ноутбуками и смартфонами, использующими Wi-Fi. Полоса 2,4 ГГц более заполнена, поэтому в некоторых случаях 5 ГГц предпочтительнее (несмотря на меньший радиус действия из-за более высокой частоты). К сожалению, радиоволны 5 ГГц короче, чем волны 2,4 ГГц, и не так хорошо проходят сквозь стены, поэтому этот диапазон не является безоговорочным победителем.

Все методы позволяют передавать сигнал на разной скорости в зависимости от текущих условий. Если беспроводной сигнал слабый, выбирается низкая скорость, если сильный — ее можно повысить. Такая корректировка называется адаптацией скорости (rate adaptation). Скорости могут различаться в десятки раз, поэтому хорошая адаптация важнее производительности соединения. Поскольку для совместимости это значения не имеет, в стандартах не говорится, как именно корректировать скорость.

Первый метод передачи, который мы рассмотрим, — 802.11b. Это технология расширенного спектра, поддерживающая скорости 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с (на практике рабочая скорость почти всегда близка к максимальной). Данный метод похож на систему CDMA (см. раздел 2.4.4), однако в нем есть только один код расширения спектра, применяемый всеми пользователями. Расширение необходимо для выполнения требования FCC: мощность должна распределяться по диапазону ISM. Для стандарта 802.11b используется последовательность Баркера (Barker sequence). Ее отличительная особенность — в низкой автокорреляции (за исключением случаев, когда последовательности выровнены). Благодаря этому получатель может захватить начало передачи. Для достижения скорости 1 Мбит/с последовательность Баркера комбинируется с модуляцией BPSK, и с каждым набором из 11 элементарных сигналов (чипов) передается 1 бит. Сигналы пересылаются со скоростью 11 мегачипов/с. Чтобы достичь скорости 2 Мбит/с, последовательность комбинируется с модуляцией QPSK, и на каждые 11 чипов приходится 2 бита. На более высоких скоростях дело обстоит по-другому. Вместо последовательности Баркера для конструирования кодов применяется дополнительная кодовая манипуляция (Complementary Code Keying, CCK). На скорости 5,5 Мбит/с в каждом коде из 8 элементарных сигналов отправляется 4 бита, а на скорости 11 Мбит/с — 8 бит.

Перейдем к 802.11a. Он поддерживает скорости до 54 Мбит/с в 5-гигагерцевом диапазоне ISM. Можно подумать, что 802.11a появился раньше 802.11b, но это не так. Хотя группа 802.11a была основана раньше, стандарт 802.11b первым получил одобрение, а продукты на его основе вышли на рынок раньше продуктов 802.11a (в том числе из-за сложностей работы в более высоком диапазоне 5 ГГц).

Метод 802.11a основан на мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), так как оно эффективно использует спектр и устойчиво к искажению беспроводного сигнала, например, из-за многолучевого распространения. Биты параллельно отправляются по 52 поднесущим, из которых 48 содержат данные и 4 служат для синхронизации. Каждый символ передается в течение 4 мкс и состоит из 1, 2, 4 или 6 бит. Биты кодируются для исправления ошибок с применением сверточного кода. Поэтому только 1/2, 2/3 или 3/4 битов не являются избыточными. В разных комбинациях 802.11a может обеспечивать восемь разных показателей скорости, от 6 до 54 Мбит/с. Это значительно выше, чем у 802.11b, к тому же в диапазоне 5 ГГц гораздо меньше помех. Однако радиус действия 802.11b примерно в семь раз больше, чем у 802.11a, что во многих ситуациях крайне важно.

Несмотря на неплохую дальность действия, разработчики 802.11b не собирались давать этому неожиданному фавориту шанс на победу в соревновании скоростей. К счастью, в мае 2002 года FCC отменила давнее правило, требующее, чтобы все беспроводное коммуникационное оборудование, работающее в США в диапазонах ISM, применяло расширение спектра. Это позволило начать разработку стандарта 802.11g, который был одобрен комитетом IEEE в 2003 году. Он копирует методы модуляции OFDM стандарта 802.11a, но, как и 802.11b, используется в ограниченном диапазоне ISM 2,4 ГГц. 802.11g предлагает те же скорости, что и 802.11a (6–54 Мбит/с) и, разумеется, совместимость с любыми устройствами 802.11b, которые могут оказаться поблизости. Все эти различия зачастую сбивают с толку обычных пользователей, поэтому продукты обычно поддерживают 802.11a/b/g в одной сетевой карте.

Не останавливаясь на достигнутом, комитет IEEE начал работу над физическим уровнем 802.11n с очень высокой производительностью. Он был одобрен в 2009 году. Цель 802.11n — обеспечить пропускную способность не менее 100 Мбит/с, устранив все накладные расходы беспроводной связи. Для этого требуется увеличить базовую скорость как минимум в четыре раза. Комитет удвоил ширину каналов с 20 до 40 МГц и снизил накладные расходы на передачу, разрешив совместную отправку целой группы фреймов. Что еще важнее, в стандарте 802.11n предусмотрено использование до четырех антенн для пересылки до четырех потоков информации одновременно. Сигналы потоков смешиваются на стороне получателя, но их можно разделить с помощью коммуникационных методов MIMO (Multiple Input Multiple Output — «несколько входов, несколько выходов»). Наличие нескольких антенн либо повышает скорость, либо увеличивает радиус действия и надежность. MIMO, как и OFDM, — одна из тех удачных идей в сфере коммуникаций, которые в корне меняют дизайн беспроводных сетей и наверняка нередко станут применяться и в будущем. Краткое описание метода использования нескольких антенн в стандарте 802.11 вы найдете в работе Халперина и др. (Halperin et al., 2010).

В 2013 году институт IEEE опубликовал стандарт 802.11ac. Он использует более широкие каналы (80 и 160 МГц), модуляцию 256-QAM и многопользовательскую систему MIMO (Multiuser MIMO, MU-MIMO), включающую до восьми потоков, а также другие приемы в попытках обеспечить теоретически максимальный битрейт — 7 Гбит/с. Однако на практике не удается даже приблизиться к этому пределу. Стандарт 802.11ac сегодня используется большинством массово выпускаемых мобильных устройств.

Еще одной недавно появившейся версией стандарта 802.11 является 802.11ad. Этот стандарт работает в полосе 60 ГГц (57–71 ГГц), то есть использует очень короткие радиоволны, длина которых составляет лишь 5 мм. Поскольку они не могут проходить сквозь стены или другие преграды, 802.11ad может применяться только внутри одного помещения. Это одновременно и минус, и плюс. Пользователь в соседнем офисе или квартире не создаст никаких помех для вашей работы. Сочетание высокой пропускной способности с низкой проницаемостью идеально подходит для потоковой передачи несжатых фильмов в формате 4K или 8K от базовой станции к мобильным устройствам, находящимся в том же помещении. Стандарт 802.11ay пошел еще дальше, увеличив пропускную способность в четыре раза.

Наконец, мы подошли к 802.11ax, который иногда называют высокоэффективным беспроводным стандартом (high-efficiency wireless).

Данный стандарт получил понятное для потребителя название Wi-Fi 6. (Если вы думаете, что не заметили наименований от «Wi-Fi 1» до «Wi-Fi 5» по невнимательности, то это не так. Предыдущие названия давались в соответствии с нумерацией стандартов IEEE. Однако эту версию группа Wi-Fi Alliance решила назвать «Wi-Fi 6» с учетом того, что это шестая версия Wi-Fi.) 802.11ax позволяет использовать более эффективный метод QAM-модуляции в сочетании с новой схемой OFDMA. Она (теоретически) может работать в нелицензируемых частях спектра вплоть до 7 ГГц, обеспечивая скорость передачи данных до 11 Гбит/с. Вы можете попытаться достигнуть этой скорости у себя дома, однако, не располагая идеально обустроенной тестовой лабораторией, вряд ли добьетесь успеха. В то же время вы вполне можете получить скорость 1 Гбит/с.

В схеме модуляции OFDMA стандарта 802.11ax центральный планировщик выделяет каждой из передающих станций единицы ресурса фиксированной длины, тем самым снижая степень конкуренции в зашумленном эфире. Также 802.11ax позволяет повторно использовать пространственный спектр за счет метода «окрашивания» (coloring): отправитель помечает начало своей передачи так, чтобы остальные могли определить, возможно ли совместное использование спектра. В некоторых случаях отправитель может осуществлять одновременную передачу, уменьшив свою мощность соответствующим образом.