Дистрибутор сетевого
и телекоммуникационного оборудования
Наш телефон:
+7 495 789-65-65

Стандарт 802.11а: ускорение передачи данных.

1 марта 2001 г.wireless

Когда в 1999 г. Институт IEEE принимал стандарты на беспроводные сети 802.11a и 802.11b, его целью являлось создание основанной на стандартах технологии с разными методами кодирования сигнала, рабочими частотами и приложениями, т. е. технологии, подобной Ethernet 802.3, успешно работающей с оптоволоконными и медными кабелями разных типов и поддерживающей скорости передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит/с. Год спустя мы имеем широкий выбор 11-Мбит/с средств стандарта 802.11b, выпускаемых многочисленными производителями. А что же происходит с технологией 802.11а?

Ведущую роль в группе разработчиков стандарта 802.11b сыграли компании Lucent Technologies и Intersil (бывшее подразделение Harris Semiconductor, отделившееся от корпорации Harris в июле 1999 г). Стандартом 802.11b предусмотрена работа беспроводных устройств в предназначенном для промышленного, медицинского и научного оборудования диапазоне 2,4 ГГц с использованием технологии расширения спектра радиосигнала посредством применения прямой последовательности (DSSS). Стандарт же 802.11a ориентирован на недавно выделенный Федеральной комиссией по связи (ФКС) США 5-ГГц диапазон UNII (Unlicensed National Information Infrastructure). В отличие от стандарта 802.11b в стандарте 802.11a предусмотрено использование не традиционной технологии DSSS, а частотного уплотнения, более подходящего для организации радиосвязи в условиях офиса. Стандарт 802.11а ориентирован на скорости передачи данных до 54 Мбит/с и является своего рода аналогом технологии Fast Ethernet для 11-Мбит/с стандарта 802.11b. Подобно технологиям Ethernet и Fast Ethernet, стандарты 802.11a и 802.11b основаны на одних и тех же протоколах MAC-уровня, но если в вышеназванных Ethernet-технологиях используется одна и та же схема кодирования сигнала (только скорости передачи данных разные), то в стандарте 802.11a определен другой метод кодирования — ортогональное частотное уплотнение (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — OFDM).

Новые частоты

Выделенный для нелицензируемой работы радиотехнических средств (в том числе стандарта 802.11а) диапазон UNII состоит из двух частотных полос общей шириной 300 МГц в частотном диапазоне 5 ГГц. Это полосы 5,15—5,35 ГГц и 5,725—5,825 ГГц шириной 200 и 100 МГц соответственно. Они условно разделены на три 100-МГц рабочих поддиапазона. Первый (самый низкочастотный) предназначен для оборудования с выходной мощностью не более 50 мВт, второй — для 250-мВт устройств, а третий — для систем, работающих вне помещений, с выходной мощностью до одного ватта. Для сравнения скажем, что в США выходная мощность плат 802.11b тоже не должна превышать одного ватта, но в большинстве случаев в целях экономии энергии батареи компьютера и снижения количества рассеиваемого тепла эти платы излучают значительно меньшую мощность (30 мВт).

Несмотря на указанное деление, общая ширина доступных оборудованию стандарта 802.11a частотных полос (300 МГц) почти в четыре раза больше ширины 2,4-ГГц диапазона, составляющей 83 МГц. Кроме того, этот диапазон перегружен, ведь в нем, кроме сетевых средств стандарта 802.11b, работают беспроводные телефоны, СВЧ-печи и новые системы, основанные на технологии Bluetooth. Напротив, в диапазоне частот стандарта 802.11a пока еще функционирует мало оборудования и он относительно свободен от помех, что является его важным преимуществом. Время покажет, будет ли данный диапазон использоваться так же интенсивно, как диапазон 2,4 ГГц.


Рис. 1. Высокоскоростной 20-МГц канал разделен на 52 подканала, каждый шириной около 300 кГц

Характеристики технологии 802.11а во многом определяются выбранной рабочей частотой. По законам радиотехники частота, излучаемая мощность и дальность действия связаны между собой обратной зависимостью. Поэтому при переходе от диапазона 2,4 ГГц к диапазону 5 ГГц с сохранением уровня излучаемой мощности и способа кодирования сигнала дальность действия системы уменьшается. Используемые для преобразования потока цифровых данных в аналоговые радиоволны механизмы кодирования могут закодировать один или несколько битов в одном периоде несущей. Манипулируя радиосигналом и сдвигая его по фазе, производители кодируют все больше информации за один и тот же временной интервал. Чтобы удаленное радиоустройство могло успешно декодировать эти более сложные сигналы, приходится повышать выходную мощность передатчика, таким образом компенсируя искажение и замирание сигналов на радиолинии. Именно по этой причине (для компенсации уменьшения дальности) в технологии 802.11a предусмотрен повышенный уровень эффективной изотропно-излучаемой мощности — 50 мВт.

Однако одного увеличения мощности недостаточно для обеспечения такой же дальности действия устройств стандарта 802.11а, какой обладают устройства стандарта 802.11b. С этой целью производители разработали новую технологию кодирования физического уровня, отличающуюся от широко используемой сегодня технологии DSSS. Она называется COFDM (Coded OFDM — кодированное ортогональное частотное уплотнение). Специально разработанная для применения во внутренних радиосетях зданий, она обеспечивает гораздо более высокие характеристики этих сетей по сравнению с сетями на основе технологии DSSS. Принцип работы технологии COFDM заключается в делении одного высокоскоростного канала на некое число более медленных подканалов, которые затем передаются одновременно (рис. 1). Каждый высокоскоростной канал (рис. 2) имеет ширину 20 МГц и состоит из 52 300-кГц подканалов (см. рис. 1). Из них 48 подканалов используются для передачи данных, а оставшиеся четыре — для коррекции ошибок. Благодаря выбранному способу кодирования и коррекции ошибок технология COFDM обеспечивает более высокую скорость передачи данных и хорошую помехоустойчивость в условиях многолучевого распространения радиосигналов.

Как уже отмечалось, каждый подканал занимает полосу частот шириной 300 кГц. Минимальную пропускную способность канал имеет при использовании двоичной фазовой манипуляции (BPSK), которая обеспечивает скорость передачи данных по каждому подканалу, равную 125 Кбит/с, что в общей сложности составляет 6 Мбит/с. В случае применения квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) скорость передачи данных в каждом подканале увеличивается вдвое — до 250 Кбит/с, а пропускная способность всего канала соответственно становится равной 12 Мбит/с. Если же задействовать 16-уровневую квадратурную амплитудную модуляцию (16QAM), кодирующую 4 бит на один герц несущей, пропускная способность канала составит 24 Мбит/с. Стандарт 802.11а требует, чтобы все соответствующие ему устройства поддерживали эти основные скорости, но также разрешает производителям реализовывать и более высокие скорости передачи данных. Однако следует иметь в виду, что, чем больше закодированных битов приходится на один герц, тем сильнее этот сигнал подвержен влиянию помех и затуханию и тем меньше становится дальность связи (если не повышать мощность передатчика).


Рис. 2. В нижней 200-МГц части диапазона 5 ГГц определено восемь независимых каналов

Фирма Atheros Communications — один из двух лидеров в области разработки наборов микросхем для оборудования стандарта 802.11а — планирует поддерживать как определенные стандартом скорости передачи данных — 6, 12 и 24 Мбит/с, так и другие скорости — 36, 48 и 54 Мбит/с. Основной конкурент этой фирмы (второй лидер) — компания Radiata Communications (в составе Cisco Systems) собирается поддерживать в своих продуктах все те же самые скорости. Таким образом, стандарт 802.11a де-факто предусматривает максимальную скорость передачи данных, равную 54 Мбит/с. Она достигается использованием 64-уровневой квадратурной амплитудной модуляции (64QAM), кодирующей 8 или даже 10 бит на один герц, что обеспечивает скорость передачи 1,125 Мбит/с в каждом 300-кГц подканале. Кроме того, фирма Atheros реализует дополнительный режим работы оборудования с использованием сразу двух несущих, имеющих теоретически максимальную пропускную способность 108 Мбит/с. Реальную производительность такого комбинированного канала специалисты фирмы оценивают равной 72 Мбит/с.

Международный кризис?

Устройства стандарта 802.11b широко применяются благодаря тому, что частотный диапазон 2,4 ГГц доступен для создания сетей почти во всех странах мира. Если же где-либо некоторые частоты этого диапазона окажутся закрытыми, производитель всегда может реализовать ПО выбора частот, предотвращающее занятие соответствующих каналов. Совсем другая ситуация с диапазоном 5 ГГц. В США он полностью доступен, но в Европе и Азии — только частично. В Японии можно задействовать только нижнюю 100-МГц полосу этого диапазона, а значит, в этой стране может возникнуть дефицит частот для развертывания систем стандарта 802.11а. В Европе свободными являются нижние 200 МГц (диапазона UNII), а верхняя 100-МГц полоса, предназначенная для работы внешних устройств (связь между зданиями), занята системами другого типа. Таким образом, пользователи в США и Европе (для организации внутренних сетей) могут задействовать в два раза больше каналов, чем японские пользователи.

В Европе ситуация с применением средств стандарта 802.11a усложняется еще и тем, что многие специалисты считают более предпочтительной 5-ГГц технологию HiperLAN/2, которая разрабатывается проблемной группой BRAN (Broadband Radio Access Networks) в составе Европейского института телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute — ETSI). Спецификации физического уровня стандартов 802.11a и HiperLAN/2 похожи. Так, в той и другой для достижения высоких скоростей передачи данных предусмотрено использование технологии OFDM. Однако в целом технология HiperLAN/2 все-таки имеет больше общего с технологией ATM, чем с технологией Ethernet. Фактически стандарт HiperLAN/2 был создан в результате попытки разработать беспроводную сеть ATM. Согласно этому стандарту, для обеспечения необходимого уровня качества обслуживания трафика (с помощью ATM-подобных механизмов) 20-МГц каналы в диапазоне частот 5 ГГц используются узлами сети в режиме разделения времени (TDMA).

Напротив, стандартом 802.11а для доступа к 20-МГц каналам предусмотрен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — множественный доступ с контролем несущей и избежанием конфликтов). Естественно, что при таких разных технологиях доступа стандарты HiperLAN/2 и 802.11a имеют существенно различающиеся спецификации MAC-уровня. Протоколы MAC-уровня в составе технологии HiperLAN/2 сложны, а эффективность их работы вызывает сомнения. Данный стандарт еще далек от завершения. Что же касается стандарта 802.11а, то в нем предусмотрены те же самые механизмы MAC-уровня, что и в стандарте 802.11b, а значит, разработчикам оборудования для беспроводных сетей останется решить только одну задачу — создать соответствующий стандарту 802.11a 5-ГГц радиоинтерфейс. Сделать это непросто, но все же значительно легче, чем заново проектировать и радиоинтерфейс, и MAC-контроллер.

Еще одним препятствием на пути повсеместного применения технологии 802.11а является тот факт, что в европейских странах некоторые части 5-ГГц диапазона используются правительственными и военными наземными станциями слежения за целями и средствами спутниковой связи. Чтобы нелицензируемые приложения не мешали работе существующих 5-ГГц систем, Институт ETSI определил два дополнительных протокола, которые обязательно должны быть реализованы в оборудовании перед его поставкой в Европу. Речь идет о протоколах DFS (Dynamic Frequency Selection) и TPC (Transmit Power Control), с их помощью беспроводные устройства смогут динамически реагировать на помехи сменой частотных каналов, понижением излучаемой мощности или и тем и другим одновременно. В случае появления новой беспроводной сети в зоне действия существующей системы сигнал последней будет иметь наивысший приоритет. В настоящее время специалисты обсуждают конкретные реализации протоколов DFS и TPC для стандарта 802.11а и мы ожидаем выпуска приложения к данному стандарту, предусматривающего факультативное применение этих протоколов.

Объединяя стандарты

Производители имеют все основания для проявления озабоченности по поводу различий между стандартами 802.11а и HiperLAN/2, ведь разрабатывать, производить, поддерживать и продвигать на рынок два различных типа продуктов значительно сложнее и дороже, чем один. При этом увеличение расходов производителей скажется на цене готовой продукции. Фирма Atheros предложила стандарт под названием 5-UP (Unified Protocol), в котором предусмотрено расширение технологий 802.11a и HiperLAN/2 с целью обеспечения их взаимодействия на низких, средних и высоких скоростях. Стандарт 5-UP также определяет метод выбора подканалов для передачи данных в полосе высокоскоростного канала. Если эта часть стандарта 5-UP будет принята, появится возможность использовать беспроводные телефоны, Bluetooth-устройства и другие узкополосные радиосредства в части диапазона 5 ГГц, не создавая при этом сильных помех работе сетей. Это помогло бы избежать проблем с перегруженностью диапазона 5 ГГц, подобных тем, что возникают при работе в диапазоне 2,4 ГГц. Фирма Atheros представила стандарт 5-UP на рассмотрение в Институт IEEE, но пока еще не ясно, поддержат ли его другие производители.

Идентичность протоколов MAC-уровня в стандартах 802.11а и 802.11b упрощает разработку новых, высокоскоростных продуктов и их внедрение: замена средств стандарта 802.11b на оборудование стандарта 802.11а существенно не повлияет на работу сети (на MAC-уровне). Протоколы MAC-уровня в стандарте 802.11b реализуют технологию CSMA/CA и ряд дополнительных функций, повышающих производительность сети при ее сильной загрузке.

Единственный недостаток использования протоколов MAC-уровня стандарта 802.11b в стандарте 802.11а заключается в том, что сети стандарта 802.11а будут функционировать столь же неэффективно, как и беспроводные решения стандарта 802.11b. Эффективность работы протоколов MAC-уровня стандарта 802.11b составляет около 70%, а значит, вместо максимальной скорости 54 Мбит/с пользователи будут иметь только 38 Мбит/с. Если же учесть еще дополнительные накладные расходы на физическом уровне и некоторое снижение эффективности работы оборудования, связанное с работой драйверов, то реальная скорость передачи данных снизится примерно до 30 Мбит/с. Мы определили это значение, исходя из информации о средней производительности сетей 802.11b, которая при оптимальной реализации составляет 6 Мбит/с, тогда как максимальная скорость равна 11 Мбит/с. В отличие от оборудования стандарта 802.11b устройства стандарта 802.11а не станут передавать заголовки низкого уровня на скорости 1 Мбит/с, поэтому должны будут работать эффективнее, но при этом вряд ли реальная скорость превысит 35 Мбит/с.

Вопросы внедрения

Поскольку стандарты 802.11а и 802.11b ориентированы на разные рабочие частоты, соответствующие им устройства не будут интероперабельными между собой. Поэтому, если вы недавно потратили значительные средства на создание сети стандарта 802.11b, разумнее всего продолжать пользоваться ею в течение некоторого времени. Когда же потребуется увеличить скорость передачи данных, вы сможете перейти на технологию 802.11а, но это будет связано с широкомасштабным переоснащением сети. В то же время устройства стандартов 802.11а и 8


Другие новости Wireless: