Электромагнитная совместимость беспроводных систем стандарту IEEE 802.11

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

цифровой телекоммуникационный беспроводной сеть

Введение

1. Анализ принципов работы беспроводных сетей абонентского радиодоступа

1.1 Анализ архитектуры беспроводных сетей абонентского радиодоступа

1.2 Архитектура систем стандарта DECT

1.3 Архитектура стандартов 802.11 и HIPERLAN/2

1.4 Использования телерадиоинформационных систем

2. Стандарт 802.11 и его разновидности

2.1 Общие сведения

2.2 Архитектура IEEE 802.11

2.3 Услуги IEEE 802.11

2.3.1 Услуги, связанные с ассоциацией

2.3.2 Услуги доступа и безопасности

2.4 Управление доступом к среде IEEE 802.11

2.5 Управление доступом

2.5.1 Распределенная координационная функция DCF

2.5.2 Централизованный алгоритм управления доступом к среде PCF

2.6 Кадр MAC

2.6.1 Информационные кадры

2.6.2 Кадры управления

2.7 Алгоритм конфиденциальности проводного эквивалента

2.8 Протокол конфиденциальности WEP

2.9 Физический уровень IEEE 802.11

2.10 Канальный уровень 802.11

3 Анализ электромагнитной совместимости группировки беспроводных локальных сетей

3.1 Постановка задачи влияния нескольких беспроводных сетей абонентского радиодоступа на одну

3.2 Методика анализа ЭМС

3.3 Оценка ЭМС при влиянии сетей распределенного типа на РЭС других радиослужб

Заключение



Введение

Современные цифровые телекоммуникационные системы - это системы, с помощью которых предоставляются инфокоммуникационные услуги юридическим и физическим лицам и которые составляют материальную основу глобальной информационной инфраструктуры (GII - Global Information Infrastructure).

За последние годы, появившиеся системы абонентского радиодоступа (САРД), обладают целым рядом положительных свойств и удобством эксплуатации, развертывания, свертывания, мобильности и др.

САРД имеют целый ряд уникальных преимуществ по сравнению с проводными системами: скорость развертывания и свертывания, удобства пользования, перемещения, возможность быстрой реконфигурации сети, большая надежность, особенно во временно создаваемых структурах.

Одной из отрицательных черт САРД является открытость эфира и возможность доступа посторонним операторам и радиоэлектронным системам непосредственно в канал связи абонентской сети. Нарушение условий выполнения электромагнитной совместимости, особенно в участках радиочастотного диапазона, которые не требуют лицензирования, является центральной проблемой при оценке качества функционирования и производительности данных систем.

Поскольку рост объема продаж САРД неуклонно возрастает (предполагается, что методы САРД составят 30% всего объема абонентских услуг), что обусловлено потребностями современного общества в оперативном получении, передачи информации, высокоскоростного доступа в Интернет, к другим локальным информационным сетям увеличивается плотность РЭС этих систем, что усложняет ЭМО и соответственно возрастает вероятность не соблюдения условий выполнения ЭМС как внутрисистемного так и межсистемного характера при взаимодействии этих РЭС.

Наряду с тем, что в протоколах работы САРД принимаются меры по обеспечению большей надежности доставки информации и предъявляемые требования по вероятности ошибки обусловили выбор особой структуры сигналов, использования процедур управления мощностью излучения передатчика абонентского оборудования, управления частотным ресурсом и др., остается актуальной проблема технически грамотного размещения РЭС САРД с целью обеспечения максимальной эффективности взаимодействия беспроводного оборудования и обеспечения высокой производительности САРД. В существующих системах для этих целей используют сложные, широкополосные структуры сигналов, разнесенные на несколько метров по пространству антенны (в системах DECT), энергетические, частотные методы адаптации (в системах IEEE 802.11) сложные методы кодирования информации и др. Однако часто эти методы оказываются не достаточными, что требует дополнительного поиска путей обеспечения надежной ЭМС.

Целью дипломного проекта является проектирование корпоративной сети с предоставлением услуг Интернет на базе сети беспроводного абонентского радиодоступа.



Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

АТ - абонентский терминал

БС - базовая станция

РЭC - радиоэлектронное средство

РРЛ - радиорелейная линия

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - метод доступа с избежанием коллизий

CSMA/CD(Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection) - метод доступа с виявлением коллзий

DBPSK (differential binary phase shift keying) - относительная фазовая манипуляция

DQPSK (differential quadrature phase shift keying) диференциальная квадратурная фазовая манипуляция

FDD (Frequency Division Duplex) - дуплекс с частотным разделением

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - технология расширения спектра скачкообразной сменой частоты

FH - frequency hopping - скачки по частоте

GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) - частотная модуляция с минимальным сдвигом.

ISM (Industrial, Science, Medicine) - нелицензированный диапазон, в котором работают промышленные, научные и медицинские устройства.MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) - многоканальные многоточечные распределенные услуги.

OFDM (Orthogonal Frequency Domain Multiplexing) - ортогональная фазовая манипуляция

WLAN (Wireless Local Area Network) - беспроводная локальная сеть

WLL (Wireless Local Loop) - беспроводная локальная линия святи



1. Анализ принципов работы беспроводных сетей абонентского радиодоступа

1.1 Анализ архитектуры беспроводных сетей абонентского радиодоступа

В настоящее время в Европе и США сложилась концепция развития систем абонентского радиодоступа. В связи с этим МСЕ были сформулированы перспективные программы развития систем и сетей радиотелефонной связи - PCN (Personal Communication Network - сети персональной связи) и FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systems - перспективные системы наземной подвижной связи) [21]. Соответственно данным программам в Европе ведутся работы относительно создания систем и сетей абонентского радиодоступа.

Беспроводные сети строятся на основе следующих европейских стандартов:

- СТ-2 I-ETS 300 131 - стандарт на радиотелефонные аппараты в диапазоне рабочих частот 864,1...868,1 МГц;

- DECT ETS 300 175 - стандарт на расширенный вариант радиотелефонных аппаратов с возможностью передачи данных и предоставления услуг ISDN (Integrated Services Digital Network) в диапазоне рабочих частот 1,88...1,90 ГГц;

- DCS-1800 - стандарт на цифровую сотовую систему в диапазоне рабочих частот 1710...1788 МГц и 1805...1880 МГц. Данный стандарт представляет собой расширенную версию стандарта на цифровые сотовые системы GSM-900 и предоставляет весь ряд услуг как подвижным, так стационарным абонентам с возможностью передачи цифровой информации.

Также получили развитие следующие стандарты:

– стандарт IEEE 802.11 на соединение локальных вычислительных сетей в диапазоне рабочих частот: 2,4...2,483 ГГц и 5,15...5,35 ГГц;

– стандарт HIPERLAN/2 на соединение локальных вычислительных сетей в диапазоне рабочих частот: 5,15...5,25 ГГц;

– стандарт 802.16 и др.

Системы абонентского радиодоступа можно рассматривать как развитие оснащения сотовых систем связи и как параллельно существующие инфраструктуры. В первом случае сети абонентского радиодоступа строятся на основе существующего плана сети сотовых систем связи в виде дополнительных отдаленных радиоконцентраторов - базовых станций систем абонентского радиодоступа [21]. Обычно радиоконцентраторы устанавливаются в районах с высокой плотностью абонентов (аэропорты, вокзалы, большие торговые центры, жилые микрорайоны и т.п.). При этом микросоты берут на себя нагрузки от стационарных абонентов. В другом случае системы абонентского радиодоступа строятся как независимые структуры радиотелефонной связи на основах новых принципов построения. При этом система имеет собственную инфраструктуру.

Для систем абонентского радиодоступа должен использоваться трехмерный принцип планирования сети. Это поясняется тем, что зоной обслуживания одного базового терминала может быть сверх дома, или его часть.

В зависимости от распределения плотности стационарных и подвижных абонентов (скорость движения которых ограниченная) по территории, зоной обслуживания системы может быть часть города (например, центральная) или вся территория города с предместьями.

Наглядным примером таких систем может служить система Telepoint, построенная с использованием стандарта СТ-2. Система Telepoint и другой расширенный ее вариант Pointer предоставляют свои услуги в восьми странах Европы, где прошла испытания и зарекомендовала себя как альтернативный вариант сотовой связи [22]. На рис. 1.1 представленная структурная схема системы абонентского радиодоступа, что использует стандарты на радиотелефонные аппараты.

Система имеет собственную центральную коммутационную систему (ЦКС), что выполняет необходимые операции соединений с телефонной сетью общего пользования (ТФОП). Базовые станции (БС), устанавливаемые на улицы или в помещениях, объединяются у группы. Группы БС формируются на основе концентраторов (К), что служат для создания направлений передачи сигналов и управления БС. При этом существует возможность подключения БС непосредственно к ЦКС. Такой вариант подключения БС используется в тех случаях, когда количество БС в этом направлении небольшая. Контроль и управления системой осуществляется центром управления (ЦК), в функции которого входит:

Рисунок 1.1 - Структурная схема системы абонентского радиодоступа

- управления ЦКС;

- обеспечения стойкой работы системы;

- решения конфликтных ситуаций многостанционного доступа;

- управления концентраторами;

- начисления платы за услуги.

Рассмотренная структурная схема есть классической для построения систем абонентского радиодоступа с независимой инфраструктурой. Такой же структуры придерживаются и другие фирмы-производители радиосистем с многостанционным доступом к ТФОП, такие как Motorola, Siemens Alcatel, BreezeNet, Ericsson и др.

1.2 Архитектура систем стандарта DECT

В состав аппаратных средств системы CT-2 Tangara (Россия, Франция) входят контроллер базовых станций, базовые станции, абонентские терминалы (AT). Контролер руководит потоками информации внутри системы, обеспечивает выход абонентов в ТФОП и прохождения вызовов к абонентам из ТФОП. Он может обрабатывать до 2500 вызовов на час, обеспечивает мониторинг сети, управления статусом абонентов, тарификацию и сохранение на жестком диске протоколов работы сети. Вызовы внутри системы (местная связь) осуществляются без использования внешних каналов связи и выхода в ТФОП. Пример построения сети на базе стандарта СТ-2 Tangara RD приведен на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - Пример построения сети на базе СТ-2 Tangara RD [22]

Контролер подключается к АТС через абонентские комплекты или по стыку G.703 и рассчитанный на емкость до 480 телефонных линий. Базовые станции подключаются к нему через несколько (от 1 до 3) U интерфейсов (2B+D) по телефонным парам с кодированием сигналов 2B1Q. К каждому контролеру может быть подключен до 70 шестиканальних БС или же до 96 двух или чотирьохканальних БС. В зависимости от числа каналов и допустимой вероятности блокирования вызова одна БС может обслуживать до 120 абонентов. Вынесения БС от контролера может осуществляться на расстояние до 11 км без дополнительного каналообразующего оснащения или до 60 км через специализированную радиорелейную линию FHA1010. Для выноса больших групп абонентов могут использоваться двухмегабитные РРЛ и мультиплексоры.

Система Tangara RD наиболее адаптирована именно для сельской и пригородной местности, где плотность абонентов обычно составляет 2...10 аб./км2. Указанные преимущества достигаются благодаря тому, что начальные неминуемые затраты на введение системы в эксплуатацию, которые распределяются между стоимостью контролера базовых станций и затратами, связанными с административными согласованиями, обучение персонала и т.п., составляют всего от 17 до 30% общей стоимости проекта.

Надо отметить, что в системах с одночастотным дуплексом дальность связи ограничивается отношением величины защитного интервала (паузы между пакетами) к длине информационного пакета. В системах с меньшей длиной пакета легче обеспечить достаточный защитный интервал для достижения максимально возможной дальности. В системе Tangara RD длина пакетов составляет 2 мс на один канал, дальность связи - до 12 км.

Стандарт DЕСТ разрабатывался для использования с топологией типа «зоркая». При использовании такой топологии два портативных терминала чтобы связаться один из одним, устанавливают связь с БС, которое находится в центре звезды (рис. 1.3).



Рисунок 1.3 - Примеры односотовой системы DECT

При использовании DЕСТ системы только для передачи языка такой топологии, как правило, довольно, чтобы удовлетворить требования отдельного пользователя. В этом случае одним стационарным радиоокончанием может обслуживаться до 12 параллельных языковых соединений.

В ходе совершенствования основных DECT спецификаций были введенные дополнения, представленные в второй редакции издания DECT C1 стандарта 300 175, что допускают использования режима «свободного от базовой станции» (Base Station free) [23]. Этот режим называют режимом прямой связи (Direct Portable-to-Portable communication) или просто прямым режимом (Direct Mode). В этом режиме, реализованном при незначительном изменении используемого программного обеспечения, абоненты DECT системы получают возможность разговаривать один с одним, используя трубки как портативные радиостанции. Очевидно, этот режим реализуется только в том случае, если оба абонента находятся внутри общей зоны обслуживания, которое составляет обычно 100 м. Следует отметить, что телефоны DECT могут предупреждать пользователя о выходе из зоны обслуживания (out-of-range).

Блок межсетевого взаимодействия IWU (Interworking Unit) (рис. 1.4) нужный для обеспечения необходимых функций межсетевого взаимодействия. Передача информации конечному пользователю требует дополнительных уровней протокола, которые находятся вне области рассмотрения основных стандартов DECT. IWU превращает сигналы и сообщение, используемые в эфирном интерфейсе к формату, который поступает в конкретный тип сети (GSM, ISDN и т.д.). Например, при подключении к сети GSM, блок IWU должен вставить некоторые из идентификаторов сообщений GSM в сигнализацию безпроводного протокола и передать эту сигнализацию по эфирному интерфейсу для GSM модуля идентификации абонента в носимому устройства [23].

Рисунок 1.4 - Архитектура стандарта DECT [23]

Беспроводная система доступа может быть связана с разного типа сетями через разные IWU. Это означает, что безпроводная система в принципе может быть подключена к сетям любого типа путем замены IWU.

В табл. 1.1 приведены сравнения технологий DECT и CT-2.

Таблица 1.1 - Сравнительный анализ технологий DECT и CT-2

№	Параметр, характера-тика	DECT	СТ-2	Примечание
1	Диапазон частот, МГц	1880…1900	864…868,2	Ограниченная мощность передатчика (10мВт для СТ-2, 10 мВт (250мВт) для DECT).
2	Условия распространения радиосигнала	Прямая видимость	Прямая видимость	Для DECT железобетонные и деревянные здания, лесопарковые массивы являются препятствием. Для СТ-2 железобетонные здания являются препятствием, дерева и легкие здания - в меньшей мере, чем для DECT.
3	Число радиоканалов (способ организации многостанционного доступа)	120 (по 12 каналов TDMA на 10-ти частотах)	40 (FDMA)	DECT занимает более широкую полосу спектра, чем CT-2, что разрешает обеспечить в 3 разы больше радиоканалов в каждой точке. Однако, за пределами больших городов, где плотность населения ниже, возможностей СТ-2 более чем довольно для обеспечения радиодоступа.
4	Способ организации дуплекса	TDD	TDD	TDD накладывает некоторые ограничения на увеличение числа каналов и их пропускную способность в сравнении с FDD и техническими решениями для CDMA. Однако, из этого взгляда DECT и СТ-2 не имеют отличий.
5	Максимальная дальность связи, км	5	12	Маленький защитный интервал между пакетами TDMA DECT вызовет ограничения зоны обслуживания через отражение сигнала при сложной топологии поверхности или при наличии радиоотражающих объектов (башни, высокие дома и т.д.). В CT-2 защитный интервал временного дуплекса (TDD) намного больше, поэтому большей есть зона обслуживания.
6	Эффективность использования радиочастотного спектру	7 каналов на 1 МГц	10 каналов на 1 МГц	СТ-2 разрешает в 1,5 раза эффективнее, чем DECT, использовать радиочастотный спектр
7	Возможность передачи данных	Скорость до 9,6 кбит/с	Скорость до 9,6 кбит/с	Одной из главных преимуществ DECT считается возможность объединения таймслотов, что разрешает организовать среднескоростной доступ, например, ISDN. Однако, при использовании узкополосной системы для передачи данных (ПД) абоненты занимают радиоканалы (и не один) существенным образом большее время, чем обычно. Это создает перегрузка сети радиодоступа и может вызвать важное снижение качества обслуживания. Специалисты рекомендуют использовать для передачи данных специализированное широкополосное оснащение.



1.3 Архитектура стандартов 802.11 и HIPERLAN/2

Стандарт IEEE 802.11 определяет два типа оснащения - клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный безпроводовою інтерфейсною картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа AP, что выполняет роль моста между безпроводную и проводную сетями.

Точка доступа обычно содержит в себе передатчик, интерфейс проводной сети 802.3, а также программное обеспечение, которое занимается обработкой данных. В качестве безпроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card в стандарте 802.11, или вмонтированные решения, например, телефонная гарнитура 802.11. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети - режим "Ad-hoc" и клиент/сервер.

В режиме клиент/сервер (рис.1.5) безпроводная сеть складывается как минимум с одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора безпроводных заключительных станций.

Такая конфигурация называется базовым набором служб (Basic Service Set, BSS). Два или больше BSS, что образовывают единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Благодаря тому, что большинство безпроводных станций нужно получать доступ к файловым серверам, Интернет, доступным через проводную локальную сеть, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Рисунок 1.5 - Архитектура сети "клиент/сервер" [24]



Рисунок 1.6 - Архитектура сети Ad-hoc [24]

Режим "Ad-hoc" (точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) - это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается непосредственно, без использования специальной точки доступа (рис. 1.6). Такой режим полезный в том случае, когда инфраструктура безпроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), или по какой-то причине не может быть сформирована [24-26].

Стандарт 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне. Любое сетевое прибавление, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet 802.3.

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). Стандарт 802.11 использует одну и ту же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802. Это разрешает легко объединять безпровдные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия. MAC уровень 802.11 очень похожий на реализованный в 802.3, где он поддерживает великое множество пользователей на общем носителе.

Для сетей Ethernet 802.3 используется протокол CSMA/CD, что определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии и как они проявляют и обрабатывают коллизии, которые возникают в том случае, когда несколько станций стараются одновременно установить соединение. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна иметь способность и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использования полудуплексных приемо-передающих устройств, поэтому в безпроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи. Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как CSMA/CA.

Стандарт HIPERLAN/2 дополняет современные системы безпроводного доступа, предоставляя пользователям с ограниченной мобильностью высокую скорость передачи информации на загруженных участках [27].

1.4 Использования телерадиоинформационных систем

Для предоставления услуг телефонной связи на сравнительно больших территориях необходимо применять системы и сети абонентского радиодоступа, что используют стандарты на сотовые системы радиосвязи, а также телерадиоинформационные системы. При этом существует два варианта построения таких сетей в Украине:

а) сети абонентского радиодоступа как расширения сотовых систем подвижной связи строятся с использованием цифровых стандартов DCS-l800 и GSM-900;

б) сети абонентского радиодоступа как независимо существующие, которые необходимо развивать на основе стандартов, которые в данное время получили широкое развитие в мире. Среди них следует отметить сети стандарта CDMA-IS95, телерадиоинформационные системы.

Телерадиоинформационные системы (ТРС), прежде всего такие как MMDS, LMDS и отечественная МІТРІС (Микроволновая интегрированная телерадиоинформационная система), представляют собой альтернативу современным кабельным сетям [28-29].

В Украине инфраструктура системы связи развитая пока что недостаточно, в особенности это касается абонентского участка сети сельских районов. В таких условиях целесообразно использовать ТРС, которые разрешают объединять в одной системе цифровую телефонию и передачу данных и имеют возможность быстро разворачиваться и наращивать абонентскую емкость при сравнительно небольших капиталовложениях.

В данное время разрабатывается цифровая подсистема связи с интеграцией услуг на основе системы МІТРІС, что может использоваться как вместе с подсистемой аналогового телерадиовещания, так и в отдельности от нее. Подсистема способная обеспечить пользователям, расположенным в границах одного административного района, широкий спектр услуг:

- цифровая телефонная связь как по проводным линиям связи, так и с применением систем безпроводного радиодоступа;

- доступ к сетям передачи данных и Интернет;

- организацию локальных сетей передачи данных для выделенных рабочих групп (административные органы и органы местного самоуправления, органы МВД, учреждения образования и медицинские, промышленные предприятия);

- конференц-связь, включая видеоконференц-связь;

- охранительную сигнализацию и извещение.

Услуги могут предоставляться как комутируемые, так и по выделенными каналами связи.

Система строится по зоновому принципу с радиусом зоны до 25 км. Для исключения влияния помех от систем, которые работают в соседних зонах, применяется пространственно-частотное деление. Организация цифровых каналов связи осуществляется комбинированным методом многостанционного доступа: в направления от БС - временным, по направлению к БС - частотно-временным делением канала. Такой метод доступа разрешает мультиплексировать разноскоростные потоки в стандартах цифровой телефонии.

Структурно система состоит из базовой станции МІТРІС и расположенных в зоне ее прямой видимости абонентских станций.

Базовая станция подключается к центральному коммутационному узлу с помощью нескольких (от 4-х до 16- ты) портов, которые поддерживают стык G.703 (2048 кбит/с). К коммутационному узлу могут быть подключены также (в зависимости от полноты реализации системы) узел управления сетью, узел Интернет, центральный пульт охраны и извещения, контролер БС системы безпроводного доступа.

Центральный коммутационный узел, предназначенный для выполнения функций коммутации и маршрутизации, соединяется с существующей ТФОП включением в транзитный узел связи на правах АТС. Как такой узел может быть использованная существующая цифровая районная АТС (при наличии достаточной для работы системы свободной емкости).

Базовая и абонентская станции выполненные с применением широкопослосной сверхвысокочастотной технологии. Абонентская станция соединяется с мультиплексором/демультиплексором через порт, который поддерживает интерфейс G.703. Мультиплексор/демультиплексор обеспечивает распределение цифровых потоков и преобразование интерфейсов в зависимости от вида предоставленных услуг связи и используемого оснащения. Карта распределения потоков может быть запрограммирована при первоначальной установке мультиплексора/демультиплексора, или дистанционно из узла управления сетью в процессе инсталляции системы. Цифровые потоки с мультиплексора/демультиплексора в зависимости от необходимого трафика могут быть распределены для обеспечения:

- услуг сетевого доступа, конференц-связи и доступа в Интернет по выделенным каналам связи;

- услуг охранительной сигнализации и извещение;

- традиционных услуг телефонной связи с возможностью доступа в Интернет по комутируемым каналам связи.

В качестве местной АТС могут быть использованные существующие аналоговые телефонные станции или цифровые абонентские концентраторы. Кроме того, при низкой концентрации абонентов возможная установка БС системы безпроводного доступа, который обеспечит их услугами телефонной связи.

Для предоставления соответствующих услуг органам управления и администрациям отдельные абонентские станции могут устанавливаться непосредственно на месте их расположения. Тогда карта распределения потоков программируется в зависимости от выполняемых функций, а управления оснащением, подключенным к данной абонентской станции, осуществляется локальной сетью передачи данных.

На структурному равные в состав системы связи входят (рис. 1.7):

- система передачи информации диапазона сверхвысоких частот, которая содержит в себе базовую и абонентские станции;

- система формирования цифровых потоков с иерархией 2048 кбит/с, что выполняет функции коммутации и управления потоками. Эта система состоит из узла коммутации потоков и мультиплексоров/демультиплексоров;

- система обеспечения доступа в ТФОП по проводным каналам связи, которая включает в себя местную АТС и ту часть узла коммутации потоков, который отвечает за коммутацию и управление потоками с иерархией 64 кбит/с;

- система безпроводного доступа, который включает в себя контролер базовых станций, базовые станции и абонентские терминалы;

- система охранительной сигнализации и оповещение, которое составляет из центрального и местного пультов, к которым подключенные датчики с кодовым делением адресов по проводным или безпроводным каналам;

- система обеспечения конференц-связи, услуг сетевого доступа и доступа в Интернет с необходимым аппаратно-программным обеспечением.

Организация телекоммуникационных сетей на основе МІТРІС разрешит в сжатые сроки повысить уровень информатизации страны за счет предоставления пользователям широкого спектра услуг.

Следующий шаг развития интегрированных ТРС - создания зоновой цифровой микроволновой сети (ЦММ), построенной на современных технологиях доставки информации: компьютерных сетевых транспортных протоколах, АТМ и Frame Relay.

Объединяя в себе преимущества высоких скоростей передачи радиорелейных систем и мобильность сотовой связи, ЦММ способное осуществить дуплексный высокоскоростной радиообмен информацией с Интернет и сформировать в границах прямой видимости интрасеть между пользователями.

В состав ЦММ с топологией «звезда» входят БС и ряд абонентских станций (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Построение звездной ЦММ [29]

Базовая станция расположена в центре зоны обслуживания, имеет антенну с круговой или секторной диаграммами направленности, реализует мультиплексирование и коммутацию абонентских станций (АСС), обеспечивая при этом внутреннюю интрасеть и высокоскоростной выход к Интернет или в другие глобальные сети. В зависимости от конфигурации ЦММ, обмен информацией осуществляется с скоростями от 56 кбит/с до 34 Мбит/с. Дуплексный режим работы системы базируется на частотном и временном делении каналов.

2. Стандарт 802.11 и его разновидности

2.1 Общие сведения

Технологии беспроводных сетей широко используются во всем мире. Внимание пользователей к ним привлекают относительно невысокие затраты на их организацию, простота развертывания, удобство применения и гибкость архитектуры.

Рисунок 2.1.1 - Классификация беспроводных технологий.

Бесспорным лидером на рынке продуктов для беспроводных сетей WLAN является оборудование, отвечающее стандартам IEEE 802.11. Именно о последних и пойдет речь. Один из основных сегментов рынка этого оборудования составляют решения для организации так называемых внутриофисных сетей, предназначенных для создания непрерывной зоны покрытия в пределах офисного здания.

Повсеместное распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление мобильных технологий со встроенным беспроводным решением (Intel Centrino) привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются, прежде всего, как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет.

Рисунок 2.1.2 Типы беспроводных сетей.

Различные типы беспроводных сетей отличаются друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных.

2.2 Архитектура IEEE 802.11

Элементарной структурной единицей беспроводной локальной сети является базовый набор услуг (basic service set -- BSS), который состоит из нескольких станций, реализующих одинаковый протокол MAC и состязающихся за доступ к одной совместно используемой среде. BSS может быть изолирован или соединен с магистральной распределительной системой через точку доступа. Точка доступа в этой ситуации играет роль моста. Протокол MAС может быть полностью распределенным или управляемым центральной координационной функцией, размещенной в точке доступа. Базовый набор услуг обычно соответствует тому, что в литературе называют ячейкой. Распределительная система может быть коммутатором, проводной или беспроводной сетью.

На рисунке 2.2.1 показана простейшая конфигурация, при которой каждая станция принадлежит к одному BSS; т.е. каждая станция находится в пределах досягаемости только станций того же BSS. Диапазоны охвата BSS могут перекрываться (географически), так что одна станция может входить в несколько BSS. Более того, соотнесение станции и BSS является динамическим. Станции могут отключаться, выходить из диапазона охвата и входить в этот диапазон. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на её частоту

Расширенный набор услуг (extended service set -- ESS) состоит из двух или большего числа базовых наборов услуг, соединенных распределительной системой. Обычно в качестве распределительной системы выступает проводная магистральная локальная сеть. Для уровня управления логическим каналом (logical link control -- LLC) расширенный набор услуг представлен единой логической локальной сетью. В таблице 2.2 приведено краткое описание основных терминов, которые будут использоваться ниже.

На рисунке 2.2 показано, что точка доступа (access point -- АР) реализуется как часть станции. Точка доступа -- это логика в пределах станции, обеспечивающая доступ к распределительной системе путем предоставления ей услуг; кроме того, точка действует как станция.



Таблица 2.2 - Терминология 802.11 IEEE

Термин	Описание
Базовый набор услуг (basic service set -- BSS)	Набор станций, которыми управляет одна координационная функция
Координационная функция	Логическая функция, определяющая, когда станция может передавать и получать PDU
Модуль данных протокола MAC (MPDU)	Модуль данных, которым обмениваются два одноранговых объекта MAC, используя услуги физического уровня
Модуль данных службы МАС (MSDU)	Информация, передаваемая единим блоком между пользователями MAC
Распределительная система (distribution system -- DS)	Система, которая используется для соединения нескольких базовых наборов услуг и интеграции локальной сети в расширенный набор услуг
Расширенный набор услуг (extended service set -- ESS)	Две или большее число базовых наборов услуг, соединенных распределительной системой. Для уровня управления логическим каналом (logical link control -- LLC) расширенный набор услуг представляется единой логической локальной сетью
Станция	Любое устройство, физический уровень и МАС - уровень которого соответствуют стандарту IEEE 802.11
Точка доступа (access point -- АР)	Любой объект, обладающий функциональными возможностями станции и обеспечивающий доступ соотнесенных с ним станций к распределительной системе посредством беспроводной среды

Рисунок 2.2 - Архитектура IEEE 802.11

Для интеграции архитектуры IEEE 802.11 с традиционной проводной локальной сетью используется портал. Логика портала реализуется в устройстве, таком, как мост или маршрутизатор, являющемся частью проводной локальной сети и присоединенном к распределительной системе.

В распределении сообщений в пределах DS задействованы две услуги: распределение и интеграция. Распределение -- это основная услуга, используемая станциями для обмена МАС-кадрами, когда кадр должен пройти через распределительную систему, чтобы проследовать от станции из одного BSS к станции, находящейся в другом BSS. Предположим, например, что требуется доставить кадр от станции 2 (STA2) к станции 7 (STA7) (рис. 2.3). Кадр передается от STA2 к SТА1, которая для данного BSS является точкой доступа. Точка доступа передает кадр распределительной системе, которая должна направить кадр к точке доступа (STA5) целевого BSS. STA5 получает кадр и передает его STA7.

Если две станции сообщаются в пределах одного BSS, услуга распределения предоставляется точкой доступа этого BSS.

Услуга интеграции позволяет передавать данные между станцией локальной сети IEEE 802.11 и станцией интегральной локальной сети IEEE 802.x. Интегральной, называется проводная локальная сеть, физически соединенная с распределительной системой, причем станции этой сети могут логически соединяться с локальной сетью IEEE 802.11 посредством услуги интеграции. Услуга интеграции разрешает все вопросы, связанные с логикой трансляции адресов и преобразований среды, требуемых для обмена данными.

Одна точка доступа обеспечивает обслуживание от 15 до 250 абонентов в зависимости от конфигурации сети и технологии доступа. Увеличить емкость сети можно, просто добавив новые точки доступа, при этом не только расширяется зона обслуживания, но и снижается вероятность перегрузки. Для непрерывной связи при передвижении абонента (хэндовера) точки доступа должны образовывать перекрывающиеся смежные соты. Расстояние между станциями и точками доступа обычно не превышает 100 м (оно зависит от скорости передачи), а полная протяженность WLAN ограничена длиной магистральной линии проводной распределенной сети. Дальность действия обычно составляет от 20 до 500 м.

Требования к точкам доступа определены в документе ESSID (Extended Service Set Identification), который является частью стандарта 802.11. Клиентам необходимо задавать конфигурацию сети в соответствии с правилами ESSID, определяющими процедуру установления соединения. Точки многостанционного доступа одной подсети должны иметь одинаковый идентификатор ESSID (это нужно для хэндовера).

В корпоративных сетях со множеством офисов возможна схема организации связи посредством карты свободного доступа (wild card), с помощью которой устанавливается соединение с любой точкой доступа вне зависимости от используемой в ней схемы идентификации (обычно выбирается такая точка доступа, от которой принимается максимальный сигнал). Отметим, что использование карт свободного доступа снижает уровень безопасности сети. Поэтому в таком режиме работы желательно предусмотреть дополнительные методы защиты.

2.3 Услуги IEEE 802.11

Группа IEEE 802.11 определила девять услуг, которые должна предлагать беспроводная локальная сеть для обеспечения функциональных возможностей проводной сети. Данные услуги перечислены в таблице 2.3, там также представлены два способа группировки этих услуг.

Таблица 2.3Услуги IEEE 802.11

Услуга	Поставщик	Объект поддержки
Ассоциация	Распределительная система	Доставка MSDU
Аутентификация	Станция	Доступ к ЛВС и безопасность
Доставка MSDU	Станция	Доставка MSDU
Интеграция	Распределительная система	Доставка MSDU
Конфиденциальность	Станция	Доступ к ЛВС и безопасность
Отмена аутентификации	Станция	Доступ к ЛВС и безопасность
Повторная ассоциация	Распределительная система	Доставка MSDU
Разрыв ассоциации	Распределительная система	Доставка MSDU
Распределение	Распределительная система	Доставка MSDU

1. Поставщиком услуги может быть либо станция, либо распределительная система (DS). Услуги станций реализуются на каждой станции 802.11, в том числе на станциях, являющихся точками доступа (АР). Услуги распределительных систем предлагаются между базовыми наборами услуг (BSS); эти услуги могут реализовываться на точках доступа или на других специализированных устройствах, присоединенных к распределительной системе.

2. Для управления доступом к ЛВС и безопасностью используются три услуги. Еще шесть услуг используются для поддержки доставки модулей данных службы MAC (MSDU) от станции к станции. MSDU -- это блок данных, передаваемых пользователем MAC на уровень MAC; обычно это PDU уровня LLC. Если модуль MSDU слишком большой для передачи одним кадром MAC, его можно фрагментировать и передать в последовательности кадров MAC.

2.3.1 Услуги, связанные с ассоциацией

Основной задачей уровня MAC является передача модулей MSDU между объектами MAC; выполняет эту задачу распределительная система, для функционирования которой требуется информация о станциях в пределах ESS. Эта информация поставляется услугами, связанными с ассоциацией. Перед тем как распределительная система сможет передавать или принимать информацию станции, требуется установить ассоциацию. На основе мобильности станций в стандарте определены три типа переходов.

* Без перехода. Станция либо стационарна, либо перемещается в пределах досягаемости станций, принадлежащих к тому же BSS.

* Переход BSS. Переход станции из одного BSS в другой в пределах одного ESS. В этом случае для доставки данных требуется найти новое местоположение станции.

* Переход ESS. Перемещение стации из BSS одного ESS в BSS другого ESS. Переход этого типа поддерживается только в том смысле, что станция может двигаться. Сохранность соединений высшего уровня, поддерживаемых сетью 802.11, гарантировать нельзя. Фактически наиболее вероятным следствием подобного перехода является разрыв услуги.

Для доставки сообщений в пределах распределительной системы услуге распределения должно быть известно, где расположена станция-адресат. В частности, распределительная система должна знать, какая станция выступает в роли точки доступа, т.е. кому передавать сообщения, предназначенные станции-адресату. Для удовлетворения этого требования станция должна поддерживать ассоциацию с точкой доступа в пределах текущего BSS. С этим требованием связаны три услуги.

* Ассоциация. Установление первоначальной ассоциации между станцией и точкой доступа. Перед тем как станция начнет передавать или получать кадры в беспроводной локальной сети, ее нужно идентифицировать. Для этого станция должна установить ассоциацию с точкой доступа в пределах конкретного BSS. Затем эта точка доступа может передать необходимую информацию о станции остальным точкам доступа данного ESS, что облегчит будущую маршрутизацию и адресную доставку.

* Повторная ассоциация. Разрешает передавать установленную ассоциацию между точками доступа, позволяя мобильной станции перемещаться между наборами BSS.

* Разрыв ассоциации. Уведомление от станции или точки доступа об аннуляции существующей ассоциации. Станция должна получить это уведомление до выхода из ESS или отключения. В то же время средство управления MAC защищено от станций, которые исчезают без уведомления.

2.3.2 Услуги доступа и безопасности

Существуют две характеристики проводной локальной сети, отличающие ее от беспроводной.

1. Для передачи по проводной ЛВС станция должна быть физически соединена с этой сетью. С другой стороны, в беспроводной сети передавать может любая станция, находящаяся в пределах радиосвязи других устройств. В определенном смысле в проводной сети имеется некоторая разновидность аутентификации -- для соединения с сетью станция должна выполнить кое-какие предопределенные действия.

2. Подобным образом, для приема передачи от станции, принадлежащей проводной локальной сети, принимающая станция должна также быть присоединена к проводной сети. С другой стороны, в беспроводной сети принимать может любая станция, находящаяся в пределах радиосвязи других устройств. Таким образом, проводная ЛВС обеспечивает некоторую конфиденциальность, ограничивая число возможных получателей сообщения станциями, соединенными с сетью.

Поскольку беспроводная локальная сеть не имеет данных характеристик, в стандарте IEEE 802.11 определены следующие услуги.

* Аутентификация. Используется для идентификации станций. В проводной ЛВС обычно предполагается, что доступ к физическому соединению дает право на связь с ЛВС. Это предположение не является верным для беспроводных сетей, где связность устройств обуславливается простым наличием антенны, настроенной соответствующим образом. Услуга аутентификации используется станциями для идентификации себя в среде уже сообщающихся станций. В IEEE 802.11 определены несколько схем аутентификации, имеется также возможность расширения этих схем. Стандарт не навязывает никакой обязательной схемы, поэтому может использоваться как относительно небезопасная схема квитирования, так и весьма надежная схема шифрования с открытым ключом. При этом, требуется взаимно приемлемая, успешная аутентификация, только после которой станция может устанавливать ассоциацию с точкой доступа.

* Отмена аутентификации. Эта услуга используется при аннуляции существующей аутентификации.

* Конфиденциальность. Предотвращает чтение сообщения теми, кому оно не предназначено. Для обеспечения конфиденциальности стандарт предлагает (но не навязывает) использовать шифрование, согласно алгоритму WEP.

2.4 Управление доступом к среде IEEE 802.1l

Уровень MAC стандарта IEEE 802.11 охватывает три функциональные области: надежную доставку данных, управление доступом и безопасность. Все они подробно рассмотрены ниже

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети - режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры - infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2.4) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных

а)б)

Рисунок 2.4 - а)Архитектура сети "клиент/сервер".

б). Архитектура сети "Ad-hoc".

оконечных станций.

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) - это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 2.4). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Основной проблемой радиосетей стандарта 802.11 является проблема "скрытого узла". Её суть заключается в том, что две станции могут "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград. В режиме "Ad-hoc" проблема "скрытого узла" выражается в следующем: если станция А посылает сигнал в направлении станции В, появление несущей в радиоэфире могут зафиксировать лишь те станции, которые расположены в зоне станции В. Для других станций уровень принимаемого сигнала будет находится ниже порогового, поэтому эти станции фиксируют факт отсутствия радиопередачи в эфире. Иначе говоря, станция С может также начать передачу и поскольку приемник станции В находится одновременно и в зоне станции С, такая передача вызовет коллизию сигналов на входе приемника станции В. Эта коллизия не может быть успешно обнаружена станцией В во время передачи, поскольку все передатчики сети работают, как известно, в полудуплексном режиме. Наличие коллизии может быть зафиксировано лишь спустя определенное время тайм-аута по отсутствию сигнала подтверждения ACK.

Рисунок 2.5 - Иллюстрация проблемы "скрытого узла"

Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне был добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт кадр RTS и ждёт ответа точки доступа с кадром CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, кадр CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить подтверждение ACK без возможности коллизий. Обмен кадрами RTS и CTS в режиме "Ad-hoc" показан на рисунке 2.6.

Введение механизма RTS/CTS позволяет увеличить эффективность использования выделенной системе полосы частот за счет уменьшения вероятности коллизии. Уменьшение вероятности коллизии происходит так же и за счет сокращения числа станций, способных вызвать коллизию, на число станций, расположенных в пределах «очищенных» зон, так и за счет исключения возможности коллизии кадров данных, длина которых, как правило, значительно превышает длину управляющих кадров. Вероятность коллизии за время передачи кадров RTS и CTS является низкой, поскольку их длина составляет 20 и 14 байт соответственно.

Рисунок 2.6 - Решение проблемы "скрытого узла" с помощью механизма RTS/CTS: слева показана зона, «очищенная» после передачи кадра RTS, справа - зона, «очищенная» после передачи кадра CTS

В то же время введение управляющих кадров в основной режим радиообмена требует выделения части пропускной способности канала под передачу кадров RTS и CTS, что вызывает снижение эффективности использования выделенной полосы частот.

Резервирование географической зоны, представляющей собой объединение зон подвижной станции и точки доступа, на период CTS+DATA+ACK+3SIFS+DIFS (см.рис. 2.8) также приводит к снижению эффективности использования выделенной полосы частот.

Положительный эффект от применения механизма RTS/CTS в случае пакетов со средней длиной большей 600 байт заключается в повышении полезной пропускной способности сети, имеющей скрытые узлы, а также в уменьшении времени доступа к среде передачи для подвижных станций.

Так как механизм RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя несущую, его использование оправдано только для пакетов очень большой длины, для которых повторная передача вызывает недопустимые задержки.

NAV - network allocation vector; SIFS - short interframe space; DIFS - distributed (coordination function) interframe space; MPDU - MAC protocol data unit; , где - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2, …; Slot_time - интервал отсрочки, бит

Рисунок 2.7 - Механизм RTS/CTS

К числу недостатков механизма RTS/CTS следует отнести неполное устранение возможности возникновения коллизий. Как показано на рисунке 2.8, работа узлов А и F может вызвать коллизию кадров на входе приемника D.

Рисунок 2.8 - Возможность возникновения коллизии при использовании механизма RTS/CTS



Избежать коллизию в этом случае можно за счет выбора специального режима управления мощностью передатчиков узлов. Как влияет различие в мощности передатчиков узлов на возможность коллизии кадров показано на рисунок 2.9. Здесь узлы А и В используют более низкие уровни передачи, нежели узлы С и D, тем самым полностью исключая возможность создания помех узлам С и D. Однако узел С является в этом случае источником помех для узла В.

Рисунок 2.9 - Управление мощностью в стандарте IEEE 802.11.

Простое решение проблемы коллизий может заключаться в увеличении мощности передатчика только на время передачи кадров RTS и CTS: в момент передачи кадров RTS или CTS уровень передачи должен быть максимальным и понижаться до минимально необходимого во время передачи кадров данных и подтверждения АСК. Минимально необходимый уровень передачи может вычисляться узлами А и В во время приема кадров CTS и RTS с учетом тепловых шумов приемников.

Как показано на рисунок 2.4.1.6, узлы А и В передают кадры RTS и CTS соответственно при высоком уровне передачи, что позволяет успешно принять кадр CTS узлу С и отложить передачу на определенное время. Диаграмма обмена сообщениями для этого случая представлена на рисунке 2.10. Уменьшение мощности передатчиков на время обмена кадрами данных и подтверждения АСК позволяет экономно использовать энергию аккумуляторов на узлах А и В.



EIFS - extended interframe space (364 мкс для скорости передачи данных 1 Мбит/с и 212 мкс для скорости передачи данных 2 Мбит/с)

Рисунок 2.10 - Диаграмма обмена сообщениями между узлами сети

Для устранения нежелательного эффекта искажения кадров данных и подтверждения, которые передаются при пониженном уровне передачи, в стандарте IEEE 802.11 используется протокол PCM (Proposed Power Control MAC), идея которого заключается в принудительном периодическом увеличении мощности передатчика до максимального уровня во время передачи кадров данных. Менее «энергосберегающая» версия протокола PCM 40 определяет увеличение мощности передатчика до на протяжении 40 мкс с периодом 210 мкс.

Рисунок 2.11 - Управление мощностью по протоколу PCM

2.5 Управление доступом

Рабочая группа 802.11 рассмотрела два типа предложенных алгоритмов MAC: протоколы распределенного доступа, которые, подобно Ethernet, распределяют решение относительно передачи по всем узлам, используя для этого механизм детектирования несущей; протоколы централизованного доступа, которые включают регулирование передачи централизованным средством принятия решений. Протокол распределенного доступа имеет смысл использовать в эпизодических сетях равноправных рабочих станций, его также целесообразно применять в других беспроводных конфигурациях, трафик в которых носит преимущественно пульсирующий характер. Централизованный протокол доступа естественным образом подходит для конфигураций, в которых несколько беспроводных станций связаны между собой и имеется также определенная базовая станция, подключенная к магистральной проводной локальной сети; особенно полезны такие протоколы, если некоторые данные требуют немедленного реагирования или имеют высокий приоритет.