Тема 1. Локальная радиосеть. Часть 1.

Выполнил: студент группы 1110 Севостьянов М.А.

Краткое описание темы:
Система предназначается для объединения в единую радиосеть различных электронных устройств с целью оперативного обмена данными. Каждый терминал сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с любым из них.
Исходные данные:
Максимальное количество абонентов в сети: 20
Радиус зоны обслуживания: 100 м
Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях: 1Мбит/с
Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ
Тип местности: городская застройка
Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 1*10-7
Мощность излучения подвижной станции Ризл АС : < 0,3 Вт
Рекомендуемая технология передачи: OFDM
Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы.
Локальная радиосеть – это беспроводная сеть, в которой передача сигналов осуществляется на границах высоких частот.Использование в учреждениях и на предприятиях различного рода радиоканалов обеспечивает высокую гибкость оперативного взаимодействия пользователей с ресурсами сети и создает базу персональной связи. Беспроводная локальная сеть WLAN обеспечивает взаимодействие абонентских систем по радиоканалам небольшой протяженности.В качестве примера, где создаётся локальная радиосеть возьмём предприятие, в котором сотрудники нуждаются в постоянном контакте между собой и доступе в локальную сеть предприятия. Не менее важным для сотрудников является необходимость доступа в интернет, для этого обеспечивается соединение INTERNET через маршрутизатор провайдера.
   Для дальнейшего проектирования  необходимо выбрать конфигурацию  сети, так как  она определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. С этой точки зрения WLAN имеет два совершенно разных подхода к реализации:
  1. Структурированная сеть - обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами, объединяет выделенные узлы сети и соединяет WLAN с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают базовые станции или точки доступа 
  2. Сеть Ad Hoc основана на том, что терминалы ведут взаимодействие непосредственно друг с другом, то есть устанавливается соединение точка-точка.
Так как сотрудники будут перемещаться по предприятию с абонентским оборудованием  для сбора информации, локальную радиосеть реализуем на основе структурированной сети с наличием точки доступа (несмотря на то, что они не обладают полной гибкостью, в отличие от сетей Ad Hoc, которые характеризуются произвольной топологией). Также в сети типа Ad HОС не предусмотрено наличие администратора, контролирующего работу сети, и имеется только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети. Точка доступа связывается с модемами пользователей через радиоинтерфейс, с базой данных по магистральной линии связи, а также имеет канал в Интернет через Ethernet. 

Рисунок 1. Пример структурированного типа построения сети
Основная задача сети - обеспечение двухстороннего обмена данными между терминалами абонентов. Также перечислим услуги, которые должна предоставлять сеть:
  • Передача данных между абонентами этой сети
  • Передача коротких сообщений
  • Доступ к сети Internet (может выступать как дополнительная услуга)
  • Возможность отправлять данные нескольким абонентам.
Стандарт IEEE 802.11a
Стандарт IEEE 802.11a имеет большую ширину полосы из семейства стандартов 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4ГГц, спецификациями 802.11a предусмотрена работа в диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). К недостаткам 
802.11a относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5ГГц, а так же меньший радиус действия.

 
Таблица 1. Частотный диапазон стандарта IEEE 802.11a

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 диапазон (от 5,25 до 5,35 ГГц) - 250 мВт, а верхний диапазон (от 5,725 до 5,825 ГГц) - 1 Вт. Использование трёх частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт 802.11а самым, так сказать, широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, восемь из которых 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 . При этом четыре верхних частотных каналов, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений. 
Предусмотренная протоколом 802.11а ширина канала 20 МГц вполне достаточна для организации высокоскоростной передачи. Использование же частот свыше 5 ГГц и ограничение мощности передачи приводят к возникновению ряда проблем при попытке организовать высокоскоростную передачу данных, и это необходимо учитывать при выборе метода кодирования данных.
 В протоколе 802.11а используются те же методы фазовой модуляции, что и в 802.11b  (только не дифференциальные), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании 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 кодируется 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. Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation). Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. В протоколе 802.11а используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Таблица 2. Различные скорости в протоколе 802.11а

Рассмотрим теперь более тщательно поставленную перед нами задачу проектирования сети.
Источниками и получателями сообщений являются как терминалы  данной локальной радиосети, так и объекты других локальных радиосетей, в том числе и объекты глобальной сети Internet.
Точка доступа является коммутатором и позволяет объединять всех пользователей в единую сеть. Задача точки доступа - координировать обмен данными между всеми клиентами беспроводной сети и обеспечить всем клиентам равноправный доступ к среде передачи данных.
Основными требованиями к способу доставки сообщений являются надёжность доставки от отправителя к получателю и избежание коллизий во время осуществления передачи, что предусмотрено конфигурацией и используемой технологией сети.

Характер трафика: пульсирующий. Возможна передача информационных сообщений отдельными порциями (пакетами) на время предоставления канала терминалу.

Проработка обобщенной функциональной схемы сети (на примере сети WiFi): обоснование наличия выделенных узлов сети и описание функциональных модулей сетевых объектов.

Основными элементами необходимыми для ее функционирования сети являются:

  • Администратор сети
  • Сеть интернет
  • Проводная сеть Ethernet
  • Точка доступа
  • Пользовательские терминалы (ПК, КПК, Ноутбуки) 

Рисунок 2. Функциональная схема сети.

Рассмотрим сценарии функционирования сети.

Данная сеть объединяет ПК, ноутбуки в единую радиосеть через точку доступа, которая подключены к проводной сети Еthernet. АР предоставляет беспроводный доступ компьютерам и другим устройствам, оборудованным беспроводными сетевыми картами. Данная система обслуживается администратором удаленно через сеть Internet, а на его сервере может находиться различная информация - данные абонентов, статистика работы сети.

·       Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: событие - сообщения для передачи - инициатор сеанса связи – запрос/захват канального ресурса - доставка сообщения (сеть) - получатель сообщения. 

Cтек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и канального уровня с подуровнями управления доступом к среде MAC (Media Access Control) и логической передачи данных LLC (Logical Link Control). Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11n определяется двумя нижними уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции .

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


Рисунок 5. Стек протокола IEEE 802.11a

В сетях 802.11 уровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде:

  • распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function);
  • централизованный режим PCF (Point Coordination Function).
В данной сети обеспечивается распределенный режим DCF, режим PCF опциональный.

1) Распределенный режим доступа DCF

Рассмотрим сначала, как обеспечивается доступ в распределенном режиме DCF. В этом режиме реализуется метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA). 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, посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не поступает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия.

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта проблема решается достаточно элегантно - временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра ( Рисунок 6.). Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля активности в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS/CTSсодержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи сообщает всем, на какое время оно резервирует канал. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (IFS). Если после истечения IFS среда все еще свободна, начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. 


Рисунок 6. Режим доступа DCF



При работе с использованием DCF станция, намеревающаяся передать блок данных, должна выждать определенное время после того, как освободилась среда и истек вектор резервирования сети NAV. Этот интервал времени называется межкадровым интервалом DCF(DIFS). По истечении интервала времени DIFS станция-терминал может принять участие в состязании за право доступа к среде.

Предположим, что в инфраструктуре BSS имеются три мобильные станции и Терминал 1 передает данные Терминалу 3. Поскольку для всех участников сети канал связи общий (широковещательный), то Терминал 2 также принимает пакет. Передаваемый в пакете вектор продолжительности передачи NAV достаточно велик для того, чтобы осуществить передачу пакета и получить его подтверждение. Терминалы 2 и 3 обновляют свои векторы резервирования сети полученным значением и не пытаются начать передачу, пока NAV не уменьшится до нуля.

Поскольку обе станции используют одно и то же значение вектора NAV и одновременно зафиксируют отсутствие несущей в КС по окончании передачи, то существует большая вероятность того, что обе станции одновременно попытаются начать передачу сразу после истечения DIFS. Для того чтобы избежать этого, DCF использует таймер случайной задержки (random backoff timer).

По истечении интервала DIFS терминалами случайным образом выбирается значение в диапазоне от 0 до значения, соответствующего длительности окна конкурентного доступа (contention window, CW). Выбранное значение представляет собой количество канальных интервалов (slot times), в течение которых станция, уже после освобождения КС (интревал DIFS), должна воздерживаться от передачи.

Возвращаясь к примеру, Терминал 2 готов начать передачу. Значение таймера NAV терминала уменьшено до 0, а служба физического уровня PHY подтверждает незанятость широковещательного канала. Служба канального уровня выбирает случайное время задержки в диапазоне от 0 до CW (например, 3) и воздерживается от передачи в течение выбранного количества канальных интервалов, при этом постоянно опрашивая службу физического уровня PНY на предмет занятости канала .

По окончании трех канальных интервалов Терминал 2 может начать передачу. Если какая-либо станция начнет передачу раньше (например, по истечении 2 канальных интервалов), то Терминал 2 приостанавливает работу таймера задержки, извлекает из переданного сообщения значение вектора NAV. Терминал 2 должен подождать, уменьшая значение NAV до 0. После этого Терминал 2 запрашивает службу физического уровня PHY о незанятости среды и, если ответ положительный, возобновляется отсчет полученной ранее случайной задержки (оставшееся значение – 1 канальный интервал). При завершении последнего такта задержки станция немедленно начинает передачу пакета данных.

Спецификация 802.11 требует, чтобы принимающая станция передала станции-отправителю пакет подтверждения. Этот пакет позволяет станции-отправителю непосредственно определить, произошла ли в канале коллизия. Если передающая станция не получает пакет подтверждения, то делается вывод о том, что произошла коллизия, и принимаются следующие действия.

1.Передающий терминал обновляет счетчик числа попыток пере-дачи.

2.Удваивается длительность окна конкуренции CW.

3.Начинается заново процесс доступа к каналу связи.


Рисунок 7. Иллюстрация примера передачи сообщения  по схеме



Список используемой литературы:
  1. Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11".
  3. Бакке А.В. «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОСТРОЕНИИ ПРИНЦИПАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ СТАНДАРТА 802.11»
  4. http://omoled.ru/publications/view/538
  5. http://omoled.ru/publications/view/713
  6. http://ab57.ru/soft/wifidoc.pdf
  7. http://qpcs.ru/standarty-besprovodnyh-setei.html
  8. http://www.intuit.ru/studies/courses/1004/202/lecture/5238