logo
PITS-1-2010new2

2.3.6. Беспроводные локальные сети

Беспроводные ЛС сегодня рассматриваются уже не как конкурентное решение, а только как дополнение к проводным сетям. Хотя в середине 90-х годов многие мечтали о постепенном переходе на беспроводные технологии. Основаниями для этого были их явные преимущества. Беспроводные ЛС проще и дешевле разворачивать и модифицировать, поскольку вся громоздкая кабельная сеть и инфраструктура оказывается излишней. При этом обеспечивается и мобильность пользователей. Однако за все эти преимущества разработчики беспроводных ЛС расплачиваются множеством проблем неустойчивой и непредсказуемой беспроводной среды передачи (см. 2.3.1).

Помехи от разнообразных бытовых приборов и других телекоммуникационных систем, атмосферные помехи и отражения сигнала создают большие трудности для надежного приема информации. ЛС обычно создаются в зданиях, где распространение сигнала происходит еще сложнее, чем вне его. Более того, ситуация является динамической, когда при перемещении объектов в комнате распределение сигнала может существенно измениться. Поэтому пока при первой возможности предпочтение отдается проводным ЛС.

Неравномерное распределение интенсивности сигнала приводит не только к бинарным ошибкам передачи, но и к неопределенности зоны покрытия беспроводной ЛС, причем еще и изменяемой во времени. Кроме того, при использовании традиционного метода доступа CSMA/CD в радиосети коллизии будут возникать намного чаще из-за трудности определения занятости беспроводной среды. Распознавание коллизий здесь затруднено еще и потому, что сигнал собственного передатчика существенно подавляет сигнал от удаленного передатчика и распознать искажение сигнала чаще всего невозможно.

Поэтому в методах доступа в беспроводных сетях отказываются не только от прослушивания несущей частоты, но и от распознавания коллизий. Вместо этого в них используются методы предотвращения коллизий на основе опроса.

Применение базовой станции может улучшить связность сети. Базовая станция обычно обладает большей мощностью, а ее антенна устанавливается так, чтобы более равномерно и беспрепятственно покрывать нужную территорию. В результате все узлы беспроводной ЛС могут обмениваться данными с базовой станцией, которая транзитом передает данные между узлами.

Беспроводные ЛС считаются перспективными для таких применений, где сложно или невозможно использовать проводные ЛС:

Пока мобильные ЛС не претендуют на полное покрытие крупных территорий, как это сделали мобильные сотовые телефонные сети, но перспективы такого развития имеются. В области построения территориальных мобильных сетей передачи данных технологиям беспроводных ЛС предстоит выдержать конкуренцию с мобильными сотовыми сетями третьего поколения. Второе поколение мобильных сотовых сетей было ориентировано в основном на передачу голоса (скорости передачи данных ограничиваются несколькими Кбит/с) и беспроводным ЛС (со скоростями в несколько десятков Мбит/с) конкурентом не является. Однако в системах мобильных сотовых сетей третьего поколения скорость передачи данных будет от 144 Кбит/с до 2 Мбит/с (2 Мбит/с обеспечивается на небольших расстояниях от базовой станции), что может усилить конкуренцию [6].

Стек протоколов IEEE 802.11. Он соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть определяет два нижних уровня, (физический и канальный), канальный включает подуровень MAC, над которым работает подуровень LLC, выполняющий общие для всех технологий ЛС функции. Поскольку искажения кадров в беспроводной среде более вероятны, LLC должен работать в специальном режиме LLC2 с установлением логического соединения перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуру восстановления после ошибок и упорядочение потока блоков в рамках установленного соединения на основе алгоритма скользящего окна. В конечном счете, режим работы LLC выбирается протоколами верхних уровней. Структура стека протоколов IEEE 802.11 представлена на рис. 1.11 [6].

Рис.1.11. Стек протоколов IEEE 802.11

На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, различающихся используемым частотным диапазоном, методом кодирования и, как следствие, скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним алгоритмом подуровня MAC, но некоторые их временные параметры зависят от используемого варианта.

В 1997 году был принят стандарт, определяющий 3 варианта физического уровня со скоростями передачи данных 1 Мбит/с и 2 Мбит/с.

В первом варианте средой являются инфракрасные волны длиной 850 нм, которые генерируются полупроводниковым лазерным диодом или светодиодом. Поскольку они не проникают через стены, область покрытия ЛС ограничивается зоной прямой видимости. Предусмотрены 3 варианта распространения излучения (ненаправленная антенна; отражение от потолка; фокусное направленное излучение). В первом случае узкий луч рассеивается системой линз. Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например, между двумя зданиями.

Второй вариант использует микроволновый диапазон 2,4 ГГц, метод передачи – FHSS, где каждый канал имеет ширину 1 МГц. Частотная манипуляция (FSK) с двумя состояниями сигнала (частотами) дает скорость 1 Мбит/с, а с четырьмя состояниями – 2 Мбит/с. При использовании FHSS сеть может состоять из сот, а для исключения взаимного влияния в соседних сотах могут применяться ортогональные последовательности частот. Число каналов и частота переключения между каналами настраиваются так, что при развертывании беспроводной ЛС можно учитывать особенности регулирования спектра частот конкретной страны. Например, в США может быть до 79 каналов, время нахождения в каждом канале – до 400 мс.

Третий вариант использует тот же микроволновый диапазон 2,4 ГГц, метод передачи – DSSS, каждый бит кодируется путем двоичной фазовой (1 Мбит/с) или квадратурной фазовой (2 Мбит/с) манипуляции (PSK).

В 1999 году были приняты еще два варианта физического уровня.

Спецификация 802.11a обеспечивает повышение скорости за счет более высокого диапазона частот 5 ГГц. Для этого задействуются 300 МГц из этого диапазона, ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) и прямая коррекция ошибок. Скорости передачи данных составляют 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Оборудование для этих частот пока слишком дорогое.

Спецификация 802.11b использует диапазон 2,4 ГГц, что позволяет задействовать более дешевое оборудование. Для повышения скорости до 11 Мбит/с здесь применяется эффективный метод DSSS, использующий специальную технику кодирования с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, CCK).

В 2003 году разработана спецификация 802.11g, которая использует диапазон 2,4 ГГц., но со скоростью до 54 Мбит/с, а также OFDM. До недавнего времени в США в диапазоне 2,4 ГГц разрешалось работать только за счет расширения спектра. Снятие этого ограничения дало импульс новым разработкам, в результате чего и появилась эта новая высокоскоростная беспроводная технология. Для обратной совместимости с 802.11b поддерживается также техника CCK.

Диаметр беспроводной ЛС стандарта 802.11 зависит от многих параметров, в том числе и от диапазона частот, обычно составляя 100-300 м.

MAC-подуровень в беспроводных ЛС выполняет больше функций, чем в проводных. Его функции в стандарте 802.11 включают:

Топологии ЛС стандарта 802.11. Данный стандарт поддерживает два типа топологий ЛС: с базовым набором услуг (Basic Service Set, BSS) и с расширенным набором услуг (Extended Service Set, ESS).

Станции (компьютеры) могут использовать разделяемую среду, чтобы передавать данные:

BSS-сеть образуется отдельными станциями, базовая станция отсутствует, узлы взаимодействуют друг с другом непосредственно (рис.1.12) [6].

Рис.1.12. Две BSS-сети

Чтобы войти в BSS-сеть, каждая станция должна выполнить процедуру присоединения. BSS-сети не являются традиционными сотами в отношении зон покрытия, они могут находиться друг от друга на значительном расстоянии, а могут частично или полностью перекрываться.

В сетях, обладающих инфраструктурой, некоторые станции сети являются базовыми (или точками доступа). Каждая такая станция входит в состав своей BSS-сети (рис. 1.13). Все базовые станции сети связаны между собой с помощью распределенной системы (Distributed System, DS) [6].

В качестве DS может использоваться та же среда (радио- или инфракрасные волны), что и для взаимодействия станций, или иная (например, проводная). Точки доступа вместе с DS поддерживают службу распределенной системы (Distributed System Service, DSS). Задачей DSS является передача пакетов между станциями, которые по каким-то причинам не могут или не хотят взаимодействовать между собой непосредственно. Наиболее явной причиной использовать DSS является принадлежность станций к разным BSS-сетям. В этом случае они передают кадр своей точке доступа, которая через DS передает его другой точке доступа, обслуживающей BSS-сеть станции назначения.

Таким образом, ESS-сеть состоит из нескольких BSS-сетей, объединенных распределенной средой (DS) (рис.1.13). ESS-сеть обеспечивает станциям мобильность, они могут переходить из одной BSS-сети в другую. Эти перемещения обеспечиваются функциями подуровня MAC рабочих и базовых станций. Поэтому они совершенно прозрачны для подуровня LLC. ESS-сеть может также взаимодействовать с проводной ЛС. Для этого в распределенной системе (DS) должен присутствовать портал [6].

В сетях 802.11 подуровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим (Disributed Coordination Function, DCF) и централизованный режим (Point Coordination Function, PCF) (рис.1.11). Рассмотрим эти режимы подробнее.

Рис.1.13. ESS-сеть

Распределенный режим доступа (DCF). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распознавания коллизий по методу CSMA/CD, здесь используется их косвенное выявление. Для этого каждый переданный кадр должен подтверждаться кадром положительной квитанции от станции назначения. И если по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не получена, станция-отправитель считает, что произошла коллизия. Режим DCF требует синхронизации станций. Для этого в спецификации 802.11 ключевые временные интервалы начинают отсчитываться с момента окончания передачи очередного кадра. Это не требует передачи специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер кадра размером слота, поскольку слоты начинают рассматриваться только с момента принятия решения о начале передачи кадра (рис.1.14), где состояние 1 – среда занята.

Станция, которая хочет передать кадр, должна предварительно прослушивать среду. Как только она фиксирует окончание передачи кадра (состояние 2), она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу IFS.

Рис.1.14. Режим доступа DCF

Если после истечения IFS среда все еще свободна (состояние 3), то начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Передачу кадра можно начать только в начале какого-либо слота при свободной среде. Станция выбирает слот для передачи на основе экспоненциального алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. Номер слота определяется как случайное число из интервала [0, CW], где CW – конкурентное окно (Contention Window, CW). Так, если выбран слот 3, таймеру отсрочки присваивается значение tо=3. Далее работает цикл проверки состояния среды и в случае ее незанятости – уменьшение значения таймера отсрочки на 1 (состояния 4-6). Когда результат становится равным 0 (состояние 6), начинается передача кадра.

Если в начале слота среда оказывается занятой, вычитания 1 не происходит, таймер отсрочки временно останавливается. А станция начинает новый цикл доступа к среде, но с одним отличием – в качестве номера слота используется значение приостановленного таймера отсрочки.

Длительность (размер) слота зависит от способа кодирования сигнала: для метода FHSS – 28 мкс, DSSS – 1 мкс. Размер слота выбирается так, чтобы он превосходил время распространения сигнала между любыми двумя станциями сети, плюс время распознавания занятости среды станцией. В этом случае каждая станция сети сумеет правильно распознать начало передачи кадра при прослушивании слотов, предшествующих выбранному ею слоту передачи. Таким образом, коллизия может случиться только в том случае, когда несколько станций случайно выберут для передачи одинаковый номер слота. При каждой новой попытке передачи с коллизией интервал [0, CW] удваивается, например, при начальном размере окна, равном 8 (CW=7), – до 16 (CW=15), далее – до 32 и т.д. Когда выбранный предел в N неудачных попыток достигнут (точного значения стандарт не дает), кадр отбрасывается, а счетчик коллизий устанавливается в 0.

В режиме доступа DCF применяются меры для устранения эффекта скрытого терминала. Для этого станция, начинающая передачу кадра в определенном слоте, вместо кадра данных (до 2346 байтов) сначала посылает станции назначения короткий служебный кадр запроса на передачу (Request To Send, RTS) (20 байтов). На него станция назначения должна ответить служебным кадром «свободна для передачи» (Clear To Send, CTS) (14 байтов), после чего станция-отправитель уже посылает кадр данных. Кадр CTS должен оповестить о захвате среды те станции, которые находятся вне зоны сигнала станции-отправителя, но в зоне досягаемости станции-получателя. Они являются скрытыми терминалами для станции-отправителя. Потери данных в результате коллизии кадров RTS или CTS гораздо меньше, чем при коллизии кадров данных. Но процедура обмена кадрами RTS-CTS необязательна, и от нее можно отказаться при небольшой нагрузке сети, когда коллизии редки [6].

Централизованный режим доступа (PCF). Когда в BSS-сети имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может применяться также режим PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае точка доступа играет роль арбитра среды.

Режим доступа PCF в сетях 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов (IFS). После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:

Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течение DIFS и более. То есть в качестве IFS в режиме DCF нужно использовать самый длительный интервал DIFS, что дает этому режиму самый низкий приоритет.

Интервал SIFS имеет наименьшее значение и служит для первоочередного захвата среды ответными CTS-кадрами или квитанциями, продолжающими или завершающими уже начавшуюся передачу кадра.

Значение интервала PIFS больше, чем SIFS, но меньше, чем DIFS. Промежуток времени между завершением PIFS и DIFS как раз и использует арбитр среды, когда он может передать специальный кадр, извещающий все станции о начале контролируемого периода и его длительности. Получив этот специальный кадр, станции уже не могут захватить среду в режиме DCF до окончания контролируемого периода. Но контролируемый период может закончиться и раньше, чем объявлено, если у станций нет чувствительного к задержкам трафика. В этом случае арбитр передает служебный кадр, после которого по истечении интервала DIFS начинает работать режим DCF.

В контролируемый период реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить станциям, имеющим для передачи чувствительные к задержкам данные, право на использование среды, посылая каждой из них специальный кадр. Получив такой кадр, станция может ответить своим кадром, подтверждающим прием специального кадра арбитра и одновременно передающим свои данные арбитру (для транзитной передачи) или непосредственно станции назначения.

А чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничивается. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр, и начинается неконтролируемый период (DCF).

Любая станция может работать в режиме PCF, подписавшись на эту услугу при присоединении к сети [6].