1.3. Некоторые сведения о работе адаптеров wlan на физическом уровне

Устройство и работа беспроводных адаптеров на физическом (пер-вом) уровне значительно сложнее, чем известных адаптеров Ethernet. Прежде всего, на этом уровне адаптеры WLAN работают по радиока-налу, поэтому оснащаются встроенными радиостанциями с антенной. Далее, радиоканал представляет собой открытую, сильно зашумленную среду. Для быстрой и надежной передачи данных по такой среде необ-ходимо на физическом уровне использовать высокоэффективные мето-ды кодирования, модуляции и декодирования сигналов. Чем больше требуемая скорость передачи бит/с, тем более сложные методы коди-рования и модуляции сигналов приходится применять. Эти методы весьма чувствительны к качеству принимаемого сигнала и хорошо ра-ботают только при сравнительно большом уровне сигнала ( -70 dBm и выше) и низком уровне шумов (ниже -90 dBm). Если отношение сигнал /шум становится меньше 15 dB, то следует переходить на более медлен-ные скорости и использовать, соответственно, более простые ошибко-устойчивые методы преобразования и передачи сигналов.

Адаптеры WLAN - устройства адаптивные. Они постоянно приспо-сабливаются к данной сигнально-шумовой обстановке и, на основе ана-лиза текущего числа сбойных кадров, автоматически выбирают такой метод преобразования сигналов, который бы обеспечил наиболее высо-кую скорость передачи.

В табл. 2 приведены реализуемые физическим уровнем стандартные скорости передачи, методы кодирования и модуляции сигналов на каж-дой скорости для протоколов IEEE 802.11b/g (определение терминов таблицы и далее других по тексту смотри в Словаре терминов, прил. 1).

Таблица 2

Скорость пере-дачи Мбит/с	IEEE 802.11b/b+		IEEE 802.11g
	Кодирование	Модуляция	Кодирование	Модуляция
1	Код Баркера	DBPSK	Код Баркера	DBPSK
2	Код Баркера	DQPSK	Код Баркера	DQPSK
5,5	CCK	DQPSK	CCK	DQPSK
5,5	PBCC	DBPSK	PBCC	DBPSK
6	–	–	OFDM	BPSK
6	–	–	CCK-OFDM	BPSK
9	–	–	OFDM, CCK-OFDM	BPSK
11	CCK	DQPSK	CCK	DQPSK
11	PBCC	DQPSK	PBCC	DQPSK
12	–	–	OFDM	QPSK
12	–	–	CCK-OFDM	QPSK
18	–	–	OFDM, CCK-OFDM	QPSK
22	PBCC	DQPSK	PBCC	DQPSK
24	–	–	OFDM	16-QAM
24	–	–	CCK-OFDM	16-QAM
33	–	–	PBCC	DQPSK
36	–	–	OFDM, CCK-OFDM	16-QAM
48	–	–	OFDM, CCK-OFDM	64-QAM
54	–	–	OFDM, CCK-OFDM	64-QAM

Как известно, необходимые для передачи по физической среде дан-ные, физический уровень получает от находящегося выше канального (второго) уровня в виде протокольного элемента данных (MPDU) – кадра. Здесь, как и для протокола Ethernet, передаче кадра предшеству-ет передача преамбулы. Она необходима для синхронизации тактовой частоты удаленного приемника с тактовой частотой передатчика при синхронной передаче. Вследствие сложности задач, решаемых прото-колом 802.11 на физическом уровне, между преамбулой и MPDU встро-ен заголовок физического уровня, в который помещается важная ин-формация об условиях передачи MPDU.

Заголовок, преамбула и MPDU образуют протокольный элемент данных физического уровня (PPDU), показанный на рис. 1.

╔═════════╤══════════════════════╤═════════════════════════╗

◄═ ║Преамбула│Заголовок физич.уровня│ Кадр МАС-уровня (MPDU) ║

╚═════════╧══════════════════════╧═════════════════════════╝

│<─────────────────────── PPDU ───────────────────────>│

Рис. 1. Структура кадра физического уровня

Преамбула состоит из последовательности 111…111 (16 байт) или 00…00 (7 байт) и заканчивается двумя особыми синхробайтами. Пере-дается всегда со скоростью 1 Мбит/с с тем, чтобы ее могли правильно интерпретировать все станции WLAN независимо от варианта установ-ленного у них протокола 802.11.

Заголовок PPDU содержит указания о типе модуляции блока MPDU, скорости его передачи (см. табл.2), необходимом времени (в микросе-кундах) передачи блока и др. Для протокола 802.11b длина заголовка – 6 байт, заголовок протокола 802.11g несколько длиннее, т.к. его струк-тура более сложная. Заголовок передается на фиксированной скорости 1 Мбит/с или 2 Мбит/с.

На средних и высоких скоростях протокол 802.11g может использо-вать альтернативное гибридное кодирование CCK-OFDM (табл. 2), при котором заголовок PPDU кодируется по CCK, а кадр МPDU –по OFDM.

Вся структура PPDU в виде последовательности битов поступает на кодер, после кодирования подвергается модуляции и, далее, сигналь-ный поток подается на передатчик радиоканала.

При передаче данных с любой из определенных в табл. 2 скоростей и соответствующим методом модуляции, спектр рабочих частот сигна-лов занимает полосу шириной не более 22 МГц. Эта полоса образует один стандартный радиоканал. Для исключения взаимных помех, по каналу передавать данные одновременно может только один радио-передатчик, т.е. одна станция WLAN. После завершения передачи од-ной станцией, канал использует другая станция. В области частоты 2,4 ГГц выделено 13 нелицензируемых ISM-каналов шириной по 22 МГц, которые применяются для организации WLAN (табл. 3).

Таблица 3

───────┬────────────────────────────────────────────────────────────────

│ Номера и частоты(МГц) ISM-каналов IEEE 802.11b/g

Частота├────────────────────────────────────────────────────────────────

│ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ───────┼────────────────────────────────────────────────────────────────

Нижняя │2401 2406 2411 2416 2421 2426 2431 2436 2441 2446 2451 2456 2461

Центр. │2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472

Верхняя│2423 2428 2433 2438 2443 2448 2453 2458 2463 2468 2473 2478 2483

───────┴────────────────────────────────────────────────────────────────

Как видно из таблицы, канал от канала отстоит всего лишь на 5 МГц, поэтому одновременная передача двух станций по соседним каналам при неблагоприятных условиях может привести к нарушению связи. Только три канала , например 1, 6 и 11, абсолютно не пересекаются. Подобные каналы целесообразно использовать для компактного развер-тывания в некотором районе трех независимых WLAN. Администратор сети WLAN, при конфигурировании драйвера адаптера WLAN, может выбрать и устанавить любой номер (1-13) рабочего канала своей сети.

Высокую скорость передачи по протоколу 802.11n (300 Мбит/c и более) на физическом уровне обеспечивают следующие решения [7]:

● Прежде всего – это использование техники MIMO (Multiple Input Multiple Output – множество входов и выходов). Под выходами понима-ется здесь число передающих (Т) антенн, под входами – число прини-мающих (R) антенн. Передача данных при этом происходит так: всё со-общение делится на части, одни части передаются через одну антенну, одновременно другие части сообщения – через другую. В результате в радиоканале на одной частоте будет одновременная передача двух (в общем случае n) независимых потоков данных (пространственное мультиплексирование) и время передачи всего сообщения сократится в n раз. Приемники из принятых частей соберут все сообщение. Система MIMO TxR:n=3x3:2 или 3х2:2 (как в данной лабораторной работе) уве-личивает эффективную скорость передачи в два раза, система 4х4:4 – в четыре.

● Применение радиоканала с удвоенной полосой, т.е. 20 х 2 = 40 МГц, позволяет увеличить физическую скорость передачи в 2 раза.

● Применение улучшенных методов модуляции, сокращение меж-символьных интервалов и др.