WLAN стандарт IEEE 802.11

IEEE 802.11 представлява първия стандарт за WLAN продукти от международно призната независима организация. IEEE управлява повечето от стандартите от жичните LAN мрежи. Това представлява важен етап от развитието на WLAN мрежите, тъй като потребителите могат да разполагат с унифицирани и стандартизирани изделия. Това позволява значително намаляване на цената на крайното изделие, а оттам и широко разпространение на WLAN продуктите. Множеството от WLAN продуктите, предлагани на пазара, използват честотния диапазон 900MHz и 2,4GHz, като съществуват и решения, работещи в диапазона 5,4GHz. Последната честота се управлява от стандарта 802.11а и HIPERLAN/2. WLAN продуктите включват безжични адаптери и свързване към стандартната LAN мрежа в т.нар. точки за достъп (access point) чрез PCMCIA, ISA, USB или друг тип PC базирани платформи. Повечето продукти обаче са създадени на основата на собствени решения, което принуждава купувачите да ползват услугите на една единствена фирма. Въвеждането на стандарта позволява ограничаване на видовете използвани структури, което създава условия за увеличаване на конкуренцията, а оттам и намаляване на цената на WLAN продуктите. Сферите на възможното разпространение на WLAN мрежите е показано на фиг.1.4.
Стандартът IEEE 802.11 дефинира протоколи за два вида мрежи: Ad/hoc и client\server мрежи. Мрежите от типа Ad/hoc са сравнително прости мрежи, където комуникациите се осъществяват между множеството станции в дадената площ на покритие без използването на точки за достъп или сървъри. Стандартът точно определя етикета, който трябва да спазва всяка станция, тъй като те притежават свободен достъп до средата на разпространение.
 
Фиг.1.4. Сфери на възможно разпространение
на WLAN мрежите

Стандартът също така осигурява методи за арбитриране при достъп до средата, така че скоростта на предаване да бъде максимална за всички потребители в дадена област. Мрежите от типа client/server (фиг.1.5) използват точки на достъп, които контролират разпределението на предаването на информацията за всички станции и позволяват мобилните станции да се движат от една клетка в друга. Точката на достъп се използва за управление на трафика от мобилната станция към жичните абонати или друг потребител на безжичните client/server мрежи. Този тип на управление на трафика позволява точно координиране на мобилната станция в дадена област на обслужване на базовата станция и правилно предаване на информацията. Точката на достъп разпределя данните между отделните станции и останалите безжични абонати или към други мрежови сървъри. Обикновено WLAN мрежите се контролират от една централна точка за достъп, което осигурява по-висока скорост на предаване на информацията.
Фиг.1.5. Мрежи от типа client/server

Физичен слой (Physical Layer - PHY), използван в WLAN мрежите
            Физичният слой във всяка мрежа дефинира модулацията и сигналните характеристики на предаваните данни.Във физичният слой на WLAN мрежите се използват два RF (радиочестотни) метода и един IR (инфрачервен). Работата на WLAN мрежите в непозволен честотен обхват изисква използването на модулация с директно разширяване на спектъра (DSSS), за да се удовлетворят изискванията на стандартите в повечето държави. Радиочестотното предаване на данни бива два типа - със скок на честотата (Frequency Hopping - FH) и с директно разширяване на спектъра (Direct Sequence spread spectrum - DSSS). Двете архитектури са определени да работят в 2,4GHz (ISM) честотен диапазон. И двата типа заемат честотна лента от 83MHz, като честотния обхват се простира в границите 2,4000 - 2,4835GHz. При метода с директно разширяване на спектъра се използва диференциалната BPSK (DBPSK) и диференциалната QPSK (DQPSK) модулация. Методът със скок на честотата използва гаусова FSK на 2-4 нива. Видовете използвана модулация и скоростта на предаване на данните е посочена в табл.1. Използваният стандарт ограничава също и усилването на антената до 6dBi максимум. Излъчената мощност също така се ограничава, като тези граници са различни за отделните страни. Максималната излъчена мощност е показана в табл. 2.

Табл.1. Видове използвани модулации в WLAN мрежите
Стандарт
Модулация
Скорост на данните
Битове на един символ
IEEE 802.11b
2,4GHz
CCK
 BPSK, QPSK
5,5 и 11Mbit/s
1 и 2Mbit/s
4 и 8 (0,72µs)
1 и 2 (1µs)
IEEE 802.11a
5GHz
OFDM или
BPSK
QPSK
16QAM
64QAM

6 и 9Mbit/s
12 и 18Mbit/s
24 и 36Mbit/s
48 и 54Mbit/s

24 и 36 (4µs)
48 и 72 (4µs)
96 и 144 (4µs)
192 и 216 (4µs)
HIPERLAN/2
5GHz
OFDM или
BPSK
QPSK
16QAM
64QAM

6 и 9Mbit/s
12 и 18Mbit/s
27 и 36Mbit/s
54Mbit/s

24 и 36 (4µs)
48 и 72 (4µs)
108 и 144 (4µs)
216 (4µs)

За инфрачервения стандарт, който работи  в обхвата 850-950nm, се използва пикова излъчваща мощност от 2W. Типа на използваната модулация е импулсно - позиционна модулация (pulse - positioning modulation - PPM) на 4 или 16 нива. От табл.2 се вижда, че в отделните страни се използват различни честотни диапазони за работата на WLAN мрежите. Това обстоятелство е наложено поради различното разпределение на честотните диапазони и различните стандарти за електромагнитна съвместимост.

Табл.2. Нива на максимално излъчената мощност за различните географски райони
Географски район
Максимално излъчена мощност
Съгласно документ
САЩ
1000mW
FCC 15.247
Европа
100mW
ETS 300-328
Япония
10mW/MHz
MPT закон 79

Физичният слой при стандарта DSSS използва 11 битова последователност на Баркер за разширяване на спектъра преди излъчването на данните в ефира. Това води до получаване на изхода на 11 символа на всеки подаден символ на входа на предавателя, което позволява да се минимизира влиянието на многолъчевото разпространение и смущенията от останалите предаватели. Употребата на код на Баркер за разширяването на спектъра осигурява коефициент на разширение 10,4dB, което се явява и минималното допустимо за стандарта. Всички продукти, базирани на стандарта 802.11, използват една и съща псевдослучайна последователност, като стандарта не поддържа верига от възможни кодове, както се изисква в CDMA стандарта. Вариантът, базиран на FH, предава данни с помощта на скок на честотата в 79 канала от 2,4GHz честотен обхват. Всеки канал осигурява честотна лента от 1MHz, като този скок трябва да се извършва определен минимален брой пъти, различни за отделните географски райони. Така например за територията на САЩ се изискват минимум 2,5 скока за секунда.
            Всеки от физичните слоеве използва свой уникален протокол за синхронизация на приемника и предавателя, за определяне на вида на модулацията и дължината на пакетите от данни. Протоколът на физичния слой се предава със скорост 1Mbit/s независимо от типа на използваната модулация или вида на стандарта. Предефинирането на полетата в протокола позволява да се увеличи скоростта на предаване на данните до 2Mbit/s за текущия пакет данни.

            МАС слой
            Спецификацията на МАС (Media access controller) в стандарта 802.11 е подобна на тази в стандарта 802.3 Ethernet. Протоколът за 802.11 използва схема, позната като CSMA/CA (carrier-sense, multiple access, collision avoidance). Този протокол избягва колизията между пакетите за разлика от детектирането на колизията, както се процедира в стандарта 802.3, тъй като е много трудно да се определи колизията при предаване на данни по безжичен път. МАС слоя работи съвместно с PHY слоя измервайки енергията в средата на разпространение. PHY слоя използва алгоритъма ССА (clear channel assessment) за определяне дали канала е чист. Това се осъществява чрез измерване на радиочестотната енергия в антената и определяне на силата на приетия сигнал. Този измерен сигнал е познат под името RSSI. Ако големината на приетия сигнал е под определена граница, канала се смята за чист и МАС слоя дава статус за чист канал за предаването на данните. В противен случай предаването на данните се отлага съгласно изискванията на протокола. Стандарта позволява и една друга възможност за ССА, която може да се използва самостоятелно или съвместно с RSSI измерването. Тази възможност се базира на измерването на нивото на носещата в съответния канал за определяне на статуса на канала. Протоколът CSMA/CA позволява минимизирането на колизията, като се използва молбата за изпращане (RTS - request to send), сигнала чисто за изпращане (CTS - clear-to-send) или ACK предаваните пакети последователно един след друг. Предаването се осъществява, когато един от безжичните потребители изпрати кратък RTS пакет. Този RTS пакет съдържа предназначението и дължината на съобщението. Това времетраене на пакета се нарича вектор за определяне на мрежата (NAV - network allocation vector). NAV информира останалите в мрежата за продължителността на предаване. Приемната страна излъчва CTS пакет, който съдържа адреса на подателя и NAV. Ако не се получи такъв пакет в предавателната страна, то се предполага, че е настъпила колизия и предаването на данните се прекратява. В противен случай се изпраща ACK пакет за потвърждаване на връзката. Това ограничение се явява общо изискване за всички WLAN мрежи и се оказва причина за прекъсване на повече от 40% от предадената информация в силно натоварените WLAN мрежи. Това явление се появява когато дадена станция в зоната на обслужване не може да приеме съобщението от друга станция, че канала за връзка е зает.  Поради тази причина в стандарта е предвидено защита на данните чрез използването на т.нар. комплексна техника за шифроване (WEP - Wired Equivalent Privacy Algorithm). WEP защитава предаваните данни на базата на 64 битов ключ и RC4 алгоритъма за шифроване. Когато WEP е активен, той защитава само предаваните данни, но не защитава PHY слоя, за да могат останалите станции в обслужваната зона за получават контролните данни и да управляват мрежата. Но в същото време те не могат да декодират съобщението, което се съдържа в пакетите с данни. Принципът на защита на данните с помощта на WEP е показан на фиг. 1.6. RC4 PRNG алгоритъма съдържа 40 битов секретен ключ и 24 битов IV, който се изпраща заедно със данните и служи за определяне на целостта на данните в приемния пункт.
МАС слоя също така поддържа и управление на излъчената мощност за тези устройства, които изискват мобилност и работа с батерийно захранване. За целта са предвидени специални пакети в протокола, които привеждат мобилната станция в режим с минимална консумация във временния интервал, определен от базовата станция. По този начин приемо-предавателя се поддържа колкото е възможно по-продължително време в това състояние.
Фиг.1.6. Принцип на защита на данните чрез WEP

Механизмът на работа на алгоритъма за управление на мощността е показан  на фиг.1.7.
Фиг.1.7. Механизъм за управление на мощността

Структура на пакета и видове пакети
Както останалата част от LAN протоколите от 802 семейство WLAN мрежата изпраща целия мрежов поток под формата на пакети. Съществуват три основни типа пакети: пакети с данни, пакети за управление на мрежата и контролни пакети. В първата част е описана основната структура на пакети те с данни в стандарта 802.11b, а втората част описва пакетите за управление на потока и контролните пакети и тяхната функция за правилното функциониране на мрежата.

Структура на пакетите
Цялата функционалност на протокола се отразява в колектора (header) на пакетите. RF технологията налага няколко комплексни изисквания към 802.11b WLAN мрежите. Тази добавена комплектност е отразена в протокола за сходство с физическия слой (PLCP - physical layer convergence protocol) аналогично на колектора на МАС. В табл.3 са показани типовете информация, която се транспортира от колектора на пакетите с данни, както и функциите на контролните пакети и пакетите за управление на потока:

Табл.3
Вид на информацията
Функция
Оторизация
Това е първата стъпка при процеса на приемо-предаване. Авторизацията се управлява чрез размяна на запитване/отговор с помощта на пакетите за управление на потока
Оторизационен ID
Това е името, под което текущата станция се оторизира при влизане в мрежата
WEP позволен
Ако това поле е истинно, то пакета ще бъде кодиран чрез използване на WEP
Членство в мрежата
Това е втората стъпка при трансфер на информация, тъй като устройството трябва да се асоциира с група или приемен пункт. Когато се извършва roaming, станцията трябва да се деасоциира и отново да се асоциира. Тези функции се извършват с помощта на пакетите за управление на потока, но текущия статус е показан в колектора на пакетите.
Асоциация
Пакетите трябва да посочват текущата асоциация на подателя на информацията. Асоциирането и реасоциирането се извършва от пакетите за управление на потока, а деасоциирането - от заявка от друг предавател.
IBSSID или ESSID
Това е ID на групата или нейната крайна точка. Устройството може единствено да бъде асоциирано с една приемна точка (ESSID) или IBSS в дадено време
Проба
Това са пакети за управление на потока, използвани от устройства в условия на roaming при търсене на текуща BSS или друг приемник.
Условия на мрежата/Предаване
802.11b WLAN протокола има силно изразена приспособяемост към промяната на условията за постигане на максимална скорост на предаване на данните
Канал
това е номера на канала, използван за предаване на информация
скорост на предаване
използвана скорост за предаване на данните
фрагментация
802.11b WLAN стандарта налага своя собствена фрагментация на пакетите, напълно независима от фрагментацията на протоколите от по-високо ниво, като например TCP/IP. Предаването на по-малки серии от данни са по-малко уязвими от интерференцията или електромагнитния шум.
синхронизация
Различни видове синхронизации са важни за WLAN мрежите. Мрежовите пакети за управление на потока, наречени “beacon” пакети поддържат синхронизацията с BSS. В същото време устройството докладва на BSS за своята собствена вътрешна синхронизация и накрая - целия процес на предаване на данни има отделна синхронизация
намаляване на консумираната мощност
При преносимите компютри това е основен момент. За улесняване на този процес в протокола се добавят отделни полета в пакетите с данни плюс контролни пакети (PS-Poll - power save-poll), които карат устройството да остане свързано към мрежата дори когато е в режим на намалена консумация
Контрол на предаването
С помощта на контролните пакети се управлява предаването на данните и се коригират допуснатите грешки
Пакети RTS, CTS, ACK
Това са контролни пакети, които по четири възможни начина възпрепятстват възникването на колизия
Версия на протокола
Това е вида на версията на протокола, използвана за предаване на пакетите
Тип и субтип на пакетите
Типа на пакетите (данни, управление или контрол) със съответния субтип, специфициращ точно тяхната функция
Времетраене
При осъществяване на синхронизацията пакетите трябва да съдържат точна информация за времето, предназначено за останалата част от протокола, от който тези пакети са част
Дължина
Дължина на пакетите
Ретрансмисия
Ретрансмисията е обща за всички потребители, като с тези пакети се посочва точно кои пакети са ретрасмисионни
Последователност
Последователността в информацията помага да се намали ретрасмисията и потенциалните грешки
Маршрутизация
Маршрутизацията е необходима за насочване на трафика към съответните приемни точки
Адреси
Съществуват 4 адресни полета в протокола на IEEE 802.11b стандарта за разлика от двете адресни полета в стандарта 802.3 Ethernet или IP адресите. Тези адреси посочват приемника, предавателя и ID на BSS.  Контролните пакети и пакетите за управление на потока съдържат само три адресни полета, тъй като не е възможно те да бъдат маршрутизирани отделно
към/от разпределителната система DS (Distribution system)
Тези полета се маршрутизират от DS и посочват на приемната страна как да интерпретира адресните полета. Те се използват когато трафика трябва да се маршрутизира от устройство, свързано към точка на достъп, до устройство, използващо друг тип точка на достъп в другите LAN системи

Следователно WLAN мрежите се отличават с ниска спектрална плътност на излъчената мощност (pW/Hz) чрез прилагане на DSSS и механизъм за управление на мощността, висока скорост на предаваната информация (десетки Mbps) с използване на няколко типа модулации и възможност за криптиране на информацията и предотвратяване на неоторизиран достъп до ресурсите на системата, което позволява WLAN мрежите да намерят широко приложение в комуникационните системи от ново поколение и позволяват изграждане на връзка с мобилни обекти. Последното обстоятелство наред с високата скорост на данните благоприятства създаването на WLAN мрежите за целите на аварийно – спасителните служби, което ще доведе до повишаване на тяхната ефективност чрез въвеждане на широколентова връзка в реално време за предаване на аудио- и видео данни от и до обслужващия център.



Коментари: