Standard 802.11

W specyfikacji 802.11 wyróżniono:

• warstwę fizyczną - 802.11 PHY (Physical Layer);
• warstwę dostępu do łącza - 802.11 MAC (Medium Access Control).

Aby rozdzielić podstawowe funkcje realizowane w warstwie fizycznej, wyróżniono w niej dwie podwarstwy:

• PLCP (Physical Layer Convergence Protocol), zapewniającą niezależny od medium interfejs do warstwy MAC;
• PMD (Physical Medium Dependent), zależną od medium, która pod nadzorem PLCP odpowiada za transmisję i odbiór sygnału, modulację, demodulację, kodowanie itp..

Oryginalny standard 802.11 określa trzy warianty realizacji warstwy fizycznej:

• fale radiowe z modulacją DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - rozpraszanie widma z wykorzystaniem sekwencji bezpośredniej;
• fale radiowe z modulacją FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - rozpraszanie widma z przeskokiem częstotliwości;
• fale optyczne z zakresu bliskiej podczerwieni - IR.

Ważne jest to, że przy przewidzianych w specyfikacji IEEE 802.11 różnych typach medium bezprzewodowego wszystkie one są obsługiwane przez jedną, niezależną od interfejsu fizycznego warstwę dostępu do łącza (MAC), opisaną przez protokół DFWMAC (Distributed Foundation Wireless Medium Access Control). Zapewnia się w ten sposób współfunkcjonalność w sieciach bezprzewodowych.

Na najniższym poziomie DFWMAC funkcjonuje mechanizm DCF (Distributed Coordination Function), obsługujący asynchroniczną komunikację między wieloma stacjami. DCF jest podstawowym trybem dostępu do medium, w którym możliwym kolizjom zapobiega technika CSMA/CA (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Stacja gotowa do transmisji ramki nasłuchuje medium, czy nie jest zajęte. Jeśli jest wolne, stacja czeka przez czas DIFS (DCF Interframe Space), po czym losowo wyznacza czas do rozpoczęcia nadawania.

Samo unikanie kolizji nie jest jednak wystarczającą gwarancją niezawodności transmisji w środowisku bezprzewodowym. Dodatkowym zabezpieczeniem jest realizowany przez DCF mechanizm potwierdzenia. Jeśli nadająca stacja nie otrzyma od odbiorcy ramki potwierdzenia (ACK), to przystępuje do retransmisji przekazu.

Standard 802.11, wzorem przewodowych sieci 802.x, został zaprojektowany przede wszystkim do komunikacji asynchronicznej. Pomyślano jednak także o obsłudze ruchu synchronicznego i wrażliwego na opóźnienia. Przekazy np.. Głosu i obrazu mogą być realizowane przez przełączenie trybu DCF na PCF (Point Coordination Function). Jeśli w trybie DCF wszystkie stacje rywalizują ze sobą o dostęp do medium, to w PCF punkt dostępu kontroluje dostęp, przepytując kolejne stacje. Aby zapewnić czas na transmisję wolną od rywalizacji, wykorzystano mechanizm superramki (superframe), podzielonej na część kolizyjną i bezkolizyjną. Tryb PCF, zakładający procedurę przepytywania, jest dostępny tylko w sieciach typu infrastructure (z punktami dostępowymi). Stacje, które potrzebują komunikacji synchronicznej, muszą użyć trybu DCF, aby zawiadomić o tym fakcie punkt dostępu.

Warstwa fizyczna

Poszczególne pola w ramce mają następujące przeznaczenie: * SYNC (sekwencja synchronizacyjna elementów 01); * SFD (Start Frame Delimeter) 0000 11 00 10111101; * PLW (Packet Lenght Width) - długość jednostek PSDU; * PSF (Packet Signaling Field) - pole sterujące; * HEC (Header Error Check) - generowany wyłącznie dla nagłówków PLCP.

W podstawowych wersjach standardu 802.11 systemy bezprzewodowych sieci lokalnych, ze względu na charakterystykę i wymagania dotyczące transmisji danych, wykorzystywały technikę rozpraszania widma (Spread Spectrum). Nowo powstałe wersje (802.11a i g) ze względu na maksymalne wykorzystanie dedykowanego dla sieci WLAN pasma wykorzystują technikę OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Systemy Spread Spectrum charakteryzują się poszerzaniem widma sygnału transmitowanego, ale pozwala to na uzyskanie znacznie większej odporności na zakłócenia niż w systemach klasycznych. Generalnie wykorzystano dwie podstawowe techniki rozpraszania widma:

- Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) - z wykorzystaniem sekwencji bezpośredniej;

- Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - skakanie po częstotliwościach.

Poszczególne pola w ramce mają następujące przeznaczenie: * PLCP Preamble - pole zawierające 12 symboli dla sygnalizacji początku transmisji sygnału OFDM; * Rate - pole informujące o szybkości transmisji (w zależności od konfiguracji bitów wskazuje na wartości z zakresu od 6 do 54 MB/s); * Reserved - zarezerwowane dla przyszłych zastosowań; * Lenght - liczba oktetów ramki; * Parity - bit parzystości (zbudowany dla pól Rate, Reserved, oraz Legnht); * Tail - pole ustawione na logiczne "0"; * Service - pole zawierające 7 bitów logicznych "0" dla synchronizacji deskramblera w odbiorniku oraz dodatkowe 9 bitów dla przyszłych zastosowań; * PSDU (Physical Layer Service Data Unit) - reorezentuje zawartość ramki PPDu: * Tail - pole zawwierające 6 bitów dla dodatkowych funkcji odbiornika. Technika transmisji oparta na OFDM jest bardzo wrażliwa na błędy synchronizacji, stąd też konieczność stosowania długiej sekwencji PLCP Preamble.

W systemie z FHSS w przydzielonym paśmie (2,4-2,4835 GHz) określono 79 kanałów o szerokości 1 MHz (maksymalna szybkość 2,5 przeskoku/s). Przed wysłaniem komunikatu między nadajnikiem a odbiornikiem oba urządzenia wybierają jeden z dostępnych wzorców przeskoków (w 802.11 przewidziano trzy wzorce każdy po 26 przeskoków).

Przyjęto tu modulację częstotliwości z filtrem Gaussa ze stałą prędkością 1 Mbod. W wyniku tego dla prędkości 1 Mb/s jest stosowana modulacja binarna 2-GFSK, a dla 2 Mb/s - kwadraturowa 4-GFSK. Maksymalna szybkość transmisji w systemie z FH wynosi 2 Mb/s.

Poszczególne pola w ramce mają następujące przeznaczenie: * Sync (sekwencja synchronizacji elementów 01); * SFD (Start Frame Delimeter) 1111 00 111 01 00000; * Signal - szybkość strumienia danych (z rozdzielczością 100 [kHz]); * Service - Zarezerwowane dla przyszłych zastosowań; * Lenght - Wymagany czas transmisji MPDU w mikrosekundach; * HEC (Header Error Chcek);

W systemie z DSSS przyjęto różnicową modulację fazy ze stałą prędkością 1 Mbod. W tym przypadku dla prędkości transmisji 1 Mb/s jest stosowana modulacja binarna DBPSK, a dla 2 Mb/s - kwadraturowa DQPSK. Przebieg rozpraszający to 11-bitowy ciąg Barkera o prędkości 11 Mchip/s.

W przydzielonym pasmie określono 13 kanałów częstotliwościowych, przy czym szerokość jednego kanału wynosi 26 MHz. Oznacza to przy odpowiednim przydziale częstotliwości możliwość współpracy maksymalnie trzech systemów na wspólnym obszarze. Rozproszenie widma odbywa się tu przez mnożenie strumienia wejściowego przez sekwencję Barkera (11-bitową) : 1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1. Odbiór sygnału jest realizowany przez tzw. Korelację - w odbiorniku sygnał jest mnożony przez wspomniany kod, co przy odpowiedniej synchronizacji pozwala prawidłowo odebrać nadawany strumień.

Korzystnym zjawiskiem występującym w tej technice jest możliwość wykorzystania sygnałów pochodzących z wielokrotnych odbić przez zastosowanie odbiornika typu RAKE - dane pochodzące z odbić pozwalają zwiększyć dokładność odbioru i poprawić jego jakość.

Technika transmisji OFDM pozwala znacznie zwiększyć dostępną w sieciach WLAN przepływność. Polega na kodowaniu pojedynczego strumienia danych w wielu podnośnych (subcarriers). W systemie transmisji OFDM wykorzystuje się 52 podnośne, dla których stosuje się modulacje BPSK, QPSK lub QAM/64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Maksymalną szybkość transmisji (54 Mb/s) uzyskuje się dla modulacji 64-QAM (216 bitów danych na jeden symbol OFDM).