54 Мбит/с в полосе частот 2,4 и 5 ГГц

Какой же стандарт на 54 Мбит/с выйдет победителем?

Беспроводные локальные сети должны стать быстрее. Стандарт 802.11g представляет собой продолжение 802.11b, а 802.11а использует якобы свободную полосу частот 5 ГГц. Требование национальных органов регулирования вряд ли можно назвать несущественными, и они будут учтены в будущем стандарте 802.11h. В статье исследуются общие технические условия и их последствия для практического применения.

Подавляющее число беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network, WLAN) работает сегодня в полосе частот 2,4 ГГц в соответствии со стандартом передачи данных IEEE 802.11b. Действующие в Германии основные положения относительно передачи информации в этом частотном диапазоне закреплены в так называемой директиве о радиосетях бывшего Федерального управления почты и телекоммуникаций (постановление 122/1997). Среди прочего там определена максимально допустимая мощность передачи EIRP в размере 100 мВт (эквивалентная изотропно-излучаемой мощность - Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP - означает эквивалентную мощность излучения по сравнению с изотропным сферическим излучателем).

Таблица 1. Скорость передачи данных в стандарте 802.11b.

Стандарт передачи	Скорость передачи данных	Вид модуляции
IEEE 802.11	IEEE 802.11	IEEE 802.11
IEEE 802.11	IEEE 802.11	IEEE 802.11
IEEE 802.11b	IEEE 802.11b	IEEE 802.11b
IEEE 802.11b	IEEE 802.11b	IEEE 802.11b

Стандарт 802.11b представляет собой первое расширение стандарта 802.11 с повышенной скоростью передачи данных см. Таблицу 1). Для него новым видом модуляции стала дополняющая манипуляция кодом (Code Complementary Keying, CCK), обратно совместимая с настоящим стандартом 802.11.

Актуальное расширение в лице 802.11g

Повышением скорости передачи данных в полосе частот 2,4 ГГц (по программе "Дальнейшее повышение скорости передачи в диапазоне 2,4 ГГц") занимается рабочая группа IEEE 802.11g. Ее целью является внедрение новых видов модуляции, например ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), и тем самым повышение скорости передачи в полосе частот 2,4 ГГц, максимальное значение которой на данный момент составляет 54 Мбит/с.Проект стандарта в качестве обязательных методов модуляции определяет CCK и OFDM. Таким образом, это расширение остается обратно совместимым с существующими приложениями стандарта 802.11b. Дополнительно, как опциональные методы передачи данных, были введены кодировка с двоичной сверткой пакетов (Paket Binary Convolution Coding, PBCC) и ССК-OFDM (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Скорость передачи данных в стандарте 802.11g.

Стандарт передачи	Скорость передачи данных	Вид модуляции
IEEE 802.11g (обязательный)	5,5/11 Мбит/с	ССK
IEEE 802.11g (обязательный)	до 54 Мбит/с	OFDM
IEEE 802.11g (опциональный)	до 33 Мбит/с	РВCC
IEEE 802.11g (опциональный)	до 54 Мбит/с	CCK-OFDM

Утверждение стандарта должно было состояться в конце мая 2003 г. Устройства, разработанные в соответствии с его требованиями, будут "подогнаны" под конечный стандарт путем обновления микропрограммного обеспечения. Эти беспроводные приложения эксплуатируются в привычной полосе 2,4 ГГц, поэтому пользователям придется столкнуться с уже известными особенностями распространения. Введенная и проверенная антенная техника может использоваться и дальше. На сегодняшний момент вполне можно утверждать, что частотный диапазон 2,4 ГГц переживает свое возрождение.

22 Мбит/с как переходное решение?

Под обозначением 802.11g+ на рынок выходит ряд продуктов для беспроводных локальных сетей с максимальной скоростью передачи данных 22 Мбит/с. Базис этого "турборежима" составляет набор микросхем от компании Texas Instruments. Нередко пользователи ошибочно считают упомянутую технологию новым высокоскоростным стандартом в полосе частот 2,4 ГГц. Несмотря на то что модуляционная схема Texas Instruments на 22/33 Мбит/с была внесена в рабочую группу IEEE 802.11g в виде проекта, она рассматривается лишь как опциональная схема модуляции PBCC и, вероятно, окажется лишь переходным решением в новом стандарте 802.11g, а со временем снова исчезнет.

Радиус действия в полосе 2,4 ГГц

Таблица 3. Чувствительность приемника распространенных систем стандарта 802.11b при различных скоростях передачи данных.

Скорость передачи данных	Чувствительность приемника
11 Мбит/с	-82 дБм
5,5 Мбит/с	-87 дБм
2 Мбит/с	-91 дБм
1 Мбит/с	-94 дМб

Практическим правилом передачи данных в беспроводных локальных сетях является обратно пропорциональная зависимость между скоростью передачи данных и радиусом действия: чем больше скорость, тем меньше радиус. С точки зрения техники передачи это объясняется тем, что при повышении скорости передачи чувствительность приемника снижается соответствующим образом. В Таблице 3 приведена чувствительность приемников наиболее распространенных систем 802.11b. На каком расстоянии может находиться мобильный абонент при такой чувствительности, определено в Таблице 4.

Таблица 4. Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b

Среда	Радиус действия
Открытая местность, зона прямой видимости	около 300 м
Открытая местность с препятствиями	до 100 м
Большой офис	до 40 м
Жилой дом	до 20 м

Указанные радиусы действия представляют собой средние значения для стандартных точек доступа IEEE 802.11b. В зависимости от местных условий (много бетона или толстые стены) действительные значения радиуса действия могут оказаться существенно меньше.

Таблица 5. Чувствительность приемника радиокарты 802.11b при различных скоростях передачи данных.

Рис 1

Скорость передачи данных Чувствительность приемника 54 Мбит/с -73 дБм 48 Мбит/с -76 дБм 36 Мбит/с -77 дБм 24 Мбит/с -78 дМб 18 Мбит/с -80 дМб 12 Мбит/с -82 дМб 9 Мбит/с -85 дМб 6 Мбит/с -86 дМб

В Таблице 5 представлены данные о чувствительности приемников радиокарт стандарта IEEE 802.11g при различных скоростях передачи данных. В случае стандартов 802.11b и 802.11g при сравнимых скоростях передачи данных в 11 и 12 Мбит/с соответственно чувствительность приемников равна 82 дБм (децибел милливатт). Более высокая скорость передачи в стандарте 802.11g приводит к заметному сокращению чувствительности приемника, а вместе с ней и ожидаемого радиуса действия.

Подробный анализ указанной чувствительности для систем стандарта 802.11g позволяет сделать два вывода:

• радиус действия при максимальной скорости передачи данных (54 Мбит/с) приблизительно равен одной трети радиуса действия для стандарта 802.11b;
• системы стандарта 802.11g очень хорошо масштабируются вниз до этой границы, так что в "переходном диапазоне" от 54 до 11/12 Мбит/с скорость передачи изменяется относительно плавно.
  

Рисунок 1. Радиус действия в частотном диапазоне 2,4 ГГц (802.11g) при модуляции OFDM: скорость передачи данных 54 Мбит/с достигается лишь на расстоянии до 14 м.
На Рисунке 1 такой переход представлен схематически. Скорость передачи в 54 Мбит/с достигается в открытой офисной среде лишь на расстоянии до 14 м. При наличии какого-либо препятствия (к примеру, перегородки), которое должно быть преодолено, скорость снижается. Чувствительность при 11 Мбит/с (в случае модуляции CCK/802.11b) и чувствительность при 12 Мбит/с (в случае модуляции OFDM/802.11g), как правило, совпадают, поэтому такая скорость передачи может поддерживаться на расстоянии до 40 м от точки доступа.

5 ГГЦ предлагает выход?

Немецкое общество регулирования телекоммуникаций и почты (Reg TP) постановлением №35/2002 от 13 ноября 2002 г. определило для общего пользования два частотных диапазона в полосе 5 ГГц. Многократно говорилось о прорыве в использовании полосы 5 ГГц, поскольку она должна быть открыта для беспроводных локальных сетей, в особенности 802.11а.

Общедоступность - только на бумаге. То, что речь не может идти о свободном доступе, можно понять из отдельных пунктов и ограничений, которые введены для отдельных приложений. По словам представителей RegTP, "использование беспроводных локальных сетей не привязано к конкретному стандарту". Это и есть тот пункт, который позволяет предполагать, что приложения IEEE 802.11а теперь официально разрешены. Однако стоит вспомнить и о "технических и производственных условиях использования частот", вводящих дополнительные, достаточно значимые ограничения.

Использование в закрытых помещениях. Для закрытых помещений предусмотрены два частотных диапазона. Причем в диапазоне от 5150 до 5350 МГц величина максимальной мощности излучения EIRP не должна превышать 200 мВт, а в диапазоне от 5470 до 5725 МГц - 1 Вт. Впрочем, определенные технические документы, в соответствии с пунктом 3 постановления RegTP, ограничивают эксплуатацию перечисленных диапазонов с целью предотвращения помех другим радиоприложениям, также работающим в этих диапазонах.

Автоматическое регулирование мощности. Для того чтобы радиосигналы беспроводных локальных сетей по возможности не мешали прочим сигналам, беспроводные сетевые устройства должны быть оснащены автоматической регулировкой мощности (Transmit Power Control, TPC). Область регулирования должна охватывать как минимум 6 дБ. При номинальной мощности излучения 200 мВт на практике это означало бы снижение мощности на 50 мВт, а при номинальной мощности 1 Вт - на 250. Техническая реализация автоматической регулировки мощности с таким относительно большим диапазоном регулировки не совсем проста и оборачивается большими издержками.

Динамический выбор частоты. Технически более сложной задачей является требование RegTP относительно динамического выбора частоты (Dynamic Frequency Selection, DFS). Тем самым должно быть предотвращено использование одного канала в ущерб прочим, в особенности военным, радиоприложениям. Условия реализации осложняются тем, что выбор частоты должен производиться в соответствии с загруженностью каналов. Это означает, что точка доступа должна быть в состоянии динамически изменять частоту и постоянно поддерживать связь с прочими точками доступа для обмена данными об объеме трафика.

Использование вне закрытых помещений. Для наружного применения RegTP предоставило только второй частотный диапазон - от 5470 до 5725 МГц - с теми же самыми ограничениями, какие приняты для закрытых помещений. Но при наличии смежных приложений в диапазоне 5 ГГц возникают проблемы с корректировкой данных о загрузке канала.

Особый случай использования в помещениях. Часть нижнего частотного диапазона, а именно от 5150 до 5250 МГц, может быть использована без DFS, но при этом максимальная мощность передачи ограничивается 60 мВт. На практике эта величина снижается меньше чем на 15 мВт. Помимо DFS в указанном диапазоне можно отказаться и от применения TPC, однако тогда разрешенная мощность излучения снижается до 30 мВт.

Применяемые нормы в диапазоне 5 ГГЦ

IEEE 802.11a. В стандарте 802.11а не предусмотрен ни динамический выбор частоты, ни автоматическая регулировка мощности, поэтому соответствующие приложения могут применяться исключительно в закрытых помещениях в частотном диапазоне от 5150 до 5250 МГц с максимальной мощностью передачи до 30 мВт, что на практике означает ограничение беспроводной передачи одной-единственной комнатой.

IEEE 802.11h. Рабочая группа IEEE 802.11h занимается расширением стандарта 802.11а для других регулируемых областей, вводя в него необходимые дополнения для использования частот, в которых нуждаются отдельные страны. В этой связи стоит выделить DFS и TPC. По требованию Общества регулирования телекоммуникаций и почты в стандарте должна учитываться и загрузка каналов.

Рабочая группа IEEE 802.11h еще не закончила свою работу. 802.11h находится в стадии так называемого "проекта стандарта". Таким образом, на сегодняшний момент не существует устройств, работающих в соответствии с этим стандартом. Его утверждение в окончательной редакции ожидается в начале 2004 г., а первые устройства, функционирующие по проекту стандарта, вероятно, можно будет увидеть несколько раньше - в IV квартале 2003 г.

Особые ограничения частотных диапазогно 5 ГГЦ

Для более наглядного пояснения особой ситуации, сложившейся в частотных диапазонах 5 ГГц, имеют значение два указания RegTP (см. врезку "Специальные указания по использованию частотного диапазона 5 ГГц в Германии"). В соответствии с ними, приоритетом пользования этими частотными диапазонами в любом случае обладают военные приложения. Речь идет о так называемых первичных назначениях в плане выделения частотных диапазонов. Так, например, в диапазоне от 5150 до 5250 МГц отдельные частоты отведены под военные радиоприложения и под радиослужбу навигации полетов. В диапазоне от 5255 до 5350 МГц работают военные радары.

Частотный диапазон от 5470 до 5725 МГц частично задействуется гражданскими и военными радарами. Кроме того, эти частоты доступны радиолюбителям для спутниковой коммуникации. При подобном их использовании иногда разрешается гораздо более высокая мощность излучения, чем полагается для радиоприложений беспроводных локальных сетей. Поэтому для беспроводных сетевых приложений в диапазоне 5 ГГц нельзя гарантировать надежность функционирования и эксплуатации. В общем, следует исходить из того, что в перспективе подобные приложения будут востребованы в таких областях, где полоса 2,4 ГГц уже сильно перегружена.

Для наружных соединений "точка-точка" оборудование на 5 ГГц станет рациональным дополнением к уже имеющимся технологиям на коротких и средних дистанциях (примерно до 1,5 км). Передача на большие расстояния, однако, может быть осуществлена лишь при наличии соответствующих антенных систем по причинам сугубо физическим: при равной мощности излучения и одинаковой чувствительности приемника в диапазоне 5 ГГц передачу можно осуществить лишь на четверть того расстояния, на которое оно возможно в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому мобильные приложения в диапазоне на 5 ГГц вне помещения будут реализовываться, по всей видимости, лишь в одиночных вариантах, во всяком случае в Германии.

Специальные указания по использованию частотного диапазона 5 ГГц в Германии

Выдержки из постановления №35/2002 Общества регулирования телекоммуникаций и почты по всеобщему использованию частотного диапазона 5 ГГц (см. также http://www.regtp.de/aktuelles/02678/01/)

Указание

Общество регулирования телекоммуникаций и почты совместно с военным управлением по использованию частот (Федеральное управление вооруженных сил по информационному контролю и информационной технике) выборочно проверяет работающие беспроводные сетевые устройства на функционирование динамичного выбора частоты для защиты военных радарных систем. В случае обнаружения помех в военных радарных системах устройство, их наводящее, должно быть немедленно изъято из эксплуатации.

Прочие указания

Перечисленные выше частотные диапазоны предназначены также для прочих радиоприложений: например, для спутникового радиовещания, локационного радиовещания и радиолюбительских приложений. Общество не гарантирует необходимого качества и разгруженности каналов. Защита от помех, которые возможны со стороны других соответствующих распоряжению применений частоты, может быть гарантирована не в любом случае. В особенности нельзя исключать обоюдных помех между беспроводными локальными сетями при совместном использовании частоты. Беспроводным локальным сетям не предоставляется защита от помех со стороны работающих в том же частотном диапазоне радиослужб с первичным или вторичным приоритетом. Более того, они не имеют права мешать этим службам.

Автор: Бернд Зельграт

Статья впервые опубликована в журнале "LAN", N 07-08 (2003)