Технологии

Стандарт Wi-Fi использует технологии коллизионного доступа CSMA/CD или CSMA/CA, передавая данные по радиоканалу с использованием кодирования псевдо-шумовым сигналом (ПШС).

В настоящее время одним из самых распространенных методов управления доступом в локальную сеть является CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов). Востребованность метода CSMA/CD в значительной степени обусловлена тем, что он применяется в наиболее распространенной, в настоящее время, архитектуре Ethernet.

Механизм передачи CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

• Контроль носителя (радисреды либо кабеля). Когда компьютер собирается передавать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это же время по этому же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.
• Множественный доступ. Это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.
• Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда компьютер готов передавать данные, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, компьютер не посылает сигналы, а ожидает когда освободится носитель. Если же компьютер не слышит передаваемых данных в носителе, то он начинает передавать данные сам. Так же может случиться, что прослушивают носитель сразу два компьютера готовые к передаче. И когда носитель освобождается, оба компьютера начинают передавать данные одновременно. В этом случае в носителе происходит смешение сигналов, из-за чего теряются данные. Такая ситуация называется конфликтом или коллизией.

Во время коллизии прием данных невозможен, поэтому оба компьютера ожидают в течении случайного промежутка времени, после которого посылают сигналы заново. Случайные промежутки времени для разных компьютеров создаются автоматически, для того чтобы не повторить коллизию. Компьютер, у которого промежуток времени меньше начнет передавать данные раньше. Таким образом, происходит "захват" носителя для передачи данных.

Реализация метода CSMA/CD определяется спецификациями IEEE 802.3.

Механизм передачи CSMA/CA.
Новым методом доступа к носителю в локальных сетях является CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов). Отличительная черта этого метода от предыдущего - предотвращение конфликтов. Аналогично вышеупомян методу, компьютер прослушивает носитель и если он свободен, посылается сигнал запроса на передачу - RTS (Request to send). Таким сигналом компьютер объявляет другим компьютерам о намерении передавать данные. Если в этот момент два компьютера передают сигнал запроса, то происходит коллизия и потеря пакетов RTS, но не полезных данных. Таким образом, данные в этом методе доступа никогда не конфликтуют.
Этот метод более совершенный в обеспечении сохранности данных, но несколько медленнее из-за посылки сигнала запроса.
Существует несколько способов разделения абонентов по каналам. Это три основных принципа: временное разделение каналов TDMA, частотное разделение каналов FDMA, и кодовое разделение каналов CDMA. В каждом случае есть свои подклассы.

TDMA
(Time Division Moltiple Access)
Данный метор позволяет предоставить абоненту опредеделенный промежуток времени в течении которого он может передавать данные.

FDMA
(Frequency Division Moltiple Access)
Частотное разделение каналов основывается на предоставлении каждому пользователю одного из доступных радиоканалов. Одновременно несколько абонентов могут работать на нескольких каналах.

CDMA
(Code Division Moltiple Access)
Кодовое разделение каналов основывается на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). За счет такой избыточности достигается высокая помехозащищенность сигнала при малой его мощности.
В настоящее время существует три различных технологии расширения полосы частот: метод прямой последовательности (DSSS), метод частотных скачков (FHSS), метод ортогонального мультиплексирования (OFDM).

Метод прямой последовательности DSSS.
Технология DSSS делит весь диапазон на несколько широкополосных частотных каналов. Как правило, в выделенном частотном диапазоне число каналов составляет от трех до пяти, которые не перекрывающихся по частоте. Номинальная скорость одного такого канала DSSS от 1 до 54 Мбит/с. Каждый бит такой информации кодируется длинной кодовой последовательностью.
Эта кодовая последовательность называется кодом Баркера или кодом Уолша, в зависимости от того какая кодовая последовательность используется данным производителем.
Прием широкополосного сигнала осуществляется оптимальным приемником, который является коррелятором.
Коррелятор производит смешение входной псевдослучайной последовательности с известной приемнику, другими словами вычисляет корреляционный интеграл. Если последовательности совпадают, то на выходе имеется переданный сигнал. Если последовательности не совпадают, то на выходе коррелятора будет только шум. Не зная последовательности нельзя выделить сигнал из шума.
В кодовом разделении каналов необходимо четко знать временные рамки прихода символа сигнала. В противном случае при неправильном определении начала и конца символа амплитуда на выходе корреляционного приемника значительно уменьшается, и при ошибке равной половине длительности одного символа корреляционный интеграл равен нулю.
Прямая и инверсная (закодированные "0" и "1") обладают хорошими взаимнокорреляционными свойствами, что дает возможность четко детектировать сигнал, даже если он поврежден. Также благодаря низкому уроню мощности сигнала устройства использующие технологию DSSS, почти не создает помех обычным узкополосным радиоустройствам. И наоборот узкополосные устройства "заглушают" широкополосный сигнал только в своей полосе, не в состоянии "заглушить" весь широкополосный сигнал.

Метод частотных скачков FHSS.
В методе частотных скачков вся отведенная для связи полоса частот разделяется на подканалы (по стандарту 802.11 их 79).

Рисунок. Передатчик, построенный по методу частотных скачков. Блок сехма
В каждый момент времени каждый передатчик использует только один из подканалов, постоянно перестраиваясь с одного канала на другой. Перестройка с канала на канал происходит синхронно и на передатчике, и на приемнике в соответствии с заложенной в них кодовой псевдослучайной последовательностью. Не зная кодовой последовательности нельзя уследить за перестройкой передатчика и принять сигнал. Другие передатчик и приемник используют свою кодовую псевдослучайную последовательность.

Метод ортогонального мультиплексирования (OFDM).
Метод ортогонального частотного мультиплексирования - это новый этап развития беспроводных систем Wi-Fi. Он обеспечивает большие скорости передачи данных и более эффективно использует частотный ресурс.
Метод ортогонального частотного уплотнения каналов (OFDM) - это специальный вид многочастотной модуляции с плотным расположением несущих и перекрытием спектров сигналов. В отличие от традиционного метода разделения сигналов с помощью "гребенки" из N узкополосных фильтров с квазипрямоугольной частотной характеристикой, метод OFDM использует для обработки сигналов быстрое преобразование Фурье (FFT) в масштабе реального времени. Параллельная передача на нескольких каналах дала возможность значительно повысить скорость передаваемой информации. В настоящий момент отличие в скорости достигает 5 и более раз с системами предыдущего поколения. Современные системы используют OFDM и алгоритм модуляции QAM.

Рисунок. Сравнение технологий сетей.

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) представляет собой разновидность многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. При использовании данного алгоритма передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной (I) и квадратурной (Q) компонент несущего гармонического колебания, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на p/2 радиана. Результирующий сигнал формируется при суммировании этих колебаний. Таким образом, при использовании квадратурной модуляции передаваемая информация кодируется одновременными изменениями амплитуды и фазы несущего колебания.
С увеличением скорости уменьшается помехоустойчивость канала связи. Помехоустойчивость алгоритма QAM обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению неконтролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости расстояние между ними уменьшается и, следовательно, возрастает вероятность ошибочного распознавания искаженного принятого вектора на приемной стороне. Поэтому необходимо особое внимание уделять правильному проектированию беспроводной сети, грамотному частотному планированию.