Článek je zaměřen především na fyzickou vrstvu standardu pro bezdrátové lokální sítě a osvětluje principy chování bezdrátových zařízení kompatibilních se standardem IEEE 802.11 na rádiovém rozhraní. Obecné vlastnosti bezdrátových systémů byly popsány v předchozím článku s názvem „Bezdrátové systémy v přístupové síti“.
Wi-Fi Physical Layer
Abstract
This article is focussed especially on a physical layer of the standard intented for local wireless networks and interprets principles of behaviour of the wireless devices compatible with the standard IEEE 802.11 based on the radio interface. General characteristics of the wireless systems were described in the previous article named "Wireless systems for access networks".
Úvod
V roce 1997 byl publikován mezinárodním standardizačním institutem IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standard pro bezdrátové sítě pracující v pásmu ISM (Industrial, Scientific, Medical) pod označením 802.11. Bezdrátová síť definována v tomto standardu byla navržena jako varianta lokálních sítí LAN založených na standardu Ethernet (IEEE 802.3). Maximální přenosová rychlost systémů navržených dle základního standardu 802.11 je 2 Mbit/s. Aktualizace a výrazného vylepšení se tento standard dočkal v roce 1999 a to hned ve dvou revizích označených písmeny „a“ a „b“ (resp. 802.11a[1] a 802.11b[3]). Standard 802.11a je definován pro bezlicenční pásmo 5 GHz a umožňuje přenos dat maximální rychlostí 54 Mbit/s. Pro pásmo 2,4 GHz je definován standard 802.11b[2] s maximální přenosovou rychlostí 11 Mbit/s. V roce 2003 došlo v pásmu 2,4 GHz k navýšení přenosové rychlosti na 54 Mbit/s podle standardu 802.11g. V současné době je posledním uvolněným standardem 802.11h, který doplňuje standard 802.11a o funkce umožňující provozovat bezdrátovou síť v pásmu 5 GHz na území Evropy. Zařízení kompatibilní se standardem 802.11 lze na trhu potkat pod souhrnným označením Wi-Fi (Wireless Fidelity).
Standard 802.11 byl ve své původní podobě vyvíjen jako obdoba klasických datových lokálních sítí LAN, jejichž rozloha nepřekročila hranice budovy, a už vůbec se s ním nepočítalo pro provoz ve venkovním prostředí. Požadavky uživatelů, které určily další směr vývoje, se promítly ve standardech 802.11a a 802.11g. Tyto standardy nejsou limitovány rozlohou a použitím uvnitř budov, ale lze je provozovat ve venkovním prostředí, kde rozloha sítě není v desítkách metrů, ale v jednotkách kilometrů.
Jelikož jsou standardy 802.11 definovány velmi benevolentně, vznikla krátce po vydání prvního standardu certifikační autorita WECA, která testovala interoperabilitu bezdrátových zařízení různých výrobců mezi s sebou. Certifikační autorita WECA byla roku 2003 přejmenována na „Wi-Fi alianci“ a pod tímto názvem vystupuje dodnes. Wi-Fi aliance vydává osvědčení, že dané zařízení pracuje v rámci standardů 802.11 a je schopné spolupracovat se zařízeními ostatních výrobců, která nesou toto osvědčení. Zařízení otestované v laboratořích Wi-Fi aliance jsou opatřeny značkou uvedenou na obr. 1.
Obr. 1 Certifikováno Wi-Fi aliancí
Legislativa provozu v ČR
Zařízení Wi-Fi lze provozovat, jak již bylo uvedeno výše, v tzv. ISM pásmech. ISM pásma jsou celosvětově rozšířená bezlicenční frekvenční pásma, která se nacházejí na frekvencích 900 MHz, 2,4 až 2,48 GHz a 5,1 až 5,8 GHz. V České republice vymezuje provoz generální licence ČTÚ VO-R/12/08.2005-34.
Pro českou republiku je v pásmu 2,4 GHz definováno 13 kanálů o šířce 22 MHz. Rozestup mezi středy kanálů je pouhých 5 MHz. Situaci ilustruje obrázek 2. Z obrázku je patrné, že v celém pásmu 2,4 GHz se nacházejí pouze tři nepřekrývající se kanály. Maximální povolený vyzářený výkon (EIRP) celého vysílacího řetězce (vysílač + anténní svod + anténa) je maximálně 100 mW (20 dBm).
Obr. 2 Rozprostření kanálů v ISM pásmu 2,4 GHz
Pásmo 5 GHz je rozděleno do třech účelově odlišených subpásem. Šířka kanálu pro toto pásmo byla stanovena na 20 MHz. První subpásmo je definováno mezi frekvencemi 5,125 a 5,25 GHz. Je určeno pro použití uvnitř budov a maximální dovolený vyzářený výkon je 200 mW (23 dBm). Druhé subpásmo se nachází mezi frekvencemi 5,25 a 5,35 GHz. V tomto subpásmu se nacházejí čtyři nezávislé kanály, na kterých lze vysílat ve venkovním prostředí. Maximální dovolený vyzářený výkon je stanoven taktéž na 200 mW, ale pouze tehdy, pokud je přenosový systém vybaven automatickou regulací výkonu. Pokud není v zařízení automatická regulace výkonu přítomna, je nutné výkon omezit na 100 mW. Poslední subpásmo určeno pro venkovní použití je definováno ve frekvenčním rozsahu 5,47 až 5,725 GHz. V tomto subpásmu se nachází 11 nezávislých kanálů, na kterých lze vysílat výkonem až 1 W (30 dBm). Platí zde ovšem stejné omezení jako v předchozím případě. Pokud není tato podmínka splněna, je nutné výkon o polovinu snížit, a to na hodnotu 500 mW (27 dBm).
Vrstvový model
Obdobně jako u ostatních síťových zařízení a protokolů, vycházejí bezdrátové sítě založené na standardech 802.11 z referenčního modelu ISO/OSI. Standardy 802.11 jsou definovány na prvních dvou vrstvách tohoto modelu. Situaci ilustruje obr. 3.
Obr. 3 Referenční model ISO/OSI pro Wi-Fi
Fyzická vrstva
Nejníže položená je fyzická vrstva, která realizuje samotné vysílání a příjem dat bezdrátovým prostředím. V případě standardů 802.11 je na fyzické vrstvě definováno několik přenosových mechanismů. Výčet těchto mechanismů je společně s maximálně dosažitelnými přenosovými rychlostmi uveden v tab. 1.
Tab. 1 Přehled Wi-Fi standardů
Standard 802.11 umožňuje na rozdíl od jeho nástupců přenos i pomocí infračervených vln (IR). Tento způsob přenosu se však příliš nerozšířil. Hlavní příčinou byl malý dosah, nemožnost překlenout překážky a nízká přenosová rychlost, která nepřesáhla 2 Mbit/s. Dnes používaná rádiová rozhraní využívají přenosové mechanismy FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) a OFDM (Orthogonaly Frequency pision Multiplex), o kterých bylo pojednáno v článku [5].
Systémy založené na FHSS pracují v pásmu 2,4 GHz a k přeskokům využívají 79 kanálů o šířce 1 MHz. Další systémy pracující v pásmu 2,4 GHz jsou založeny na technice rozprostření spektra DSSS, HR-DSSS (High Rate - Direct Sequence Spread Spectrum) a ERP-PBCC (Extended Rate PHY - Packet Binary Convolutional Coding). Pro tyto mechanismy je vyžadována šířka komunikačního kanálu 22 MHz. Systémy založené na mechanismu OFDM, jsou použitelné v pásmech 2,4 GHz a 5 GHz pro kanály široké 5; 10 a 20 MHz. Přenosová rychlost je u všech standardů 802.11 měněna dynamicky podle kvality a úrovně přijímaného signálu.
Ve všech standardech 802.11 je fyzická vrstva rozdělena do dvou podvrstev:
- PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) – v této podvrstvě se k datovým rámcům MAC (Medium Access Control) podvrstvy přikládají informace o použitém přenosovém mechanismu a modulaci. Díky této podvrstvě je přenášený datový rámec nezávislý na typu fyzické vrstvy. Do této podvrstvy je implementována rovněž funkce CCA (Clear Channel Assessment), která poskytuje odezvu pro MAC vrstvu o připravenosti přenosového média.
- PMD (Physical Medium Dependent) – tato podvrstva je zodpovědná za přenos dat mezi jednotlivými vysílači a přijímači. Z podvrstvy PLCP jsou data v závislosti na použitém přenosovém mechanismu ve vysílači vysílána do bezdrátového prostředí, kde jsou na straně přijímače pomocí PMD přijímána a předávána podvrstvě PLCP.
V následujícím textu bude postupně popsána struktura PLCP podvrstvy dvou dnes nejpoužívanějších standardů 802.11b, 802.11a a její návaznost na vyšší vrstvy (MAC, LLC atd.). Jelikož jsou v obou standardech použity jiné přenosové mechanismy, liší se i struktury jejich PLCP podvrstev.
Fyzická vrstva dle 802.11b
Standard 802.11b je definován v pásmu 2,4 GHz. Komunikační kanál je široký 22 MHz a jsou pro něj definovány přenosové rychlosti 1; 2; 5,5 a 11 Mbit/s. Data jsou modulována pomocí komplementárního kódového klíčování CCK (Complementary Code Keying) a přenášena systémem HR-DSSS. Ukázka frekvenčního spektra signálu upraveného pomocí HR-DSSS vystupujícího z vysílače je na obr. 4.
Obr. 4 Frekvenční spektrum HR-DSSS signálu
Pokud se použije paketové binární konvoluční kódování PBCC v kombinaci s přenosovým systémem ERP lze propustnost na fyzické vrstvě zvýšit na 22 nebo 33 Mbit/s. Systém ERP-PBCC, uvedený na trh firmou Texas Instruments, byl dlouhou dobu proprietární, a proto se s jeho implementací dnes moc nesetkáme.
U standardu 802.11b jsou definovány dvě možné struktury podvrstvy PLCP (dlouhá a krátká preambule). Všechny systémy kompatibilní se standardem 802.11b musí podporovat dlouhou preambuli. Krátká preambule byla zavedena pro zvýšení propustnosti při přenosu dat citlivých na zpoždění (hlas, video-přenosy, apod.). PLCP preambule a hlavička jsou společně s přenášenými daty spojeny do PPDU rámce, který je zobrazen na obr. 5.
Obr. 5 PPDU rámec dle IEEE 802.11b
PPDU rámec dle standardu IEEE 802.11b se skládá z následujících poli:
- PLCP preamble - je tvořena synchronizačním polem o délce 128 bitů při dlouhé preambuli a 56 bity v případě krátké preambule. 16-ti bitové pole SFD (Start Frame Delimiter) označuje informační začátek každého rámce.
- PLCP hlavička - je dlouhá 48 bitů a rozdělena do 4 bloků, které mají následující funkci: 8 bitů v poli SIGNAL je vyhrazeno pro určení přenosové rychlosti datového bloku (1; 2; 5,5; 11 Mbit/s). Pole SERVICE o délce 8 bitů informuje o použitém typu modulace (CCK, PBCC) a dalších parametrech pro úspěšné přenesení datového rámce. V tomto poli jsou rovněž některé bity vyhrazeny pro budoucí použití. Šestnácti bitové pole s názvem LENGHT informuje o délce přenášených dat v bloku PSDU. O zabezpečení PLCP hlavičky se stará 16 bitový CRC (Cyclic Redundancy Check) kód umístěný v poli s názvem CRC.
- PSDU – tento blok připojený za PLCP preambuli a hlavičku obsahuje data z vyšších vrstev (MAC. Informace může být zde přenášena vyšší rychlostí než v předcházejícím PLCP bloku. Maximální velikost bloku PSDU je 2500 bajtů.
Aby byla zaručena kompatibilita i se staršími zařízeními, je celý PLCP blok (preambule + hlavička = 24 bajtů) přenášen základní rychlostí 1 Mbit/s (modulace BPSK). Použití základní přenosové rychlosti u přenosu PLCP bloku způsobuje značnou režii, která se může dostat až na 60 % rychlosti fyzické vrstvy.
Fyzická vrstva dle 802.11a
V pásmech 2,4 a 5 GHz je pro přenos vysokorychlostního datového toku použitý systém ortogonálního frekvenčního multiplexu (OFDM). Detailnější popis přenosového systému je uveden v článku [5]. V systému OFDM bezdrátových sítí 802.11a a 802.11g je kanál o šířce 20 MHz rozdělen do 52 subkanálů, ze kterých je 48 subkanálů vyhrazeno pro přenos dat, a zbývající čtyři nesou pilotní sekvenci. Pro představu je na obr. 6 zobrazeno spektrum OFDM signálu se šířkou kanálu 20 MHz a alokovanými všemi subkanály.
Obr. 6 Frekvenční spektrum OFDM signálu
Každý ze subkanálů je modulován pomocí vícestavové kvadraturní amplitudové modulace (QAM) nebo modulací s klíčováním fázovým posuvem (PSK). Soubor 52 subkanálů představuje jeden OFDM symbol, který je vysokofrekvenční část systému schopna nejen vyslat do bezdrátového prostředí, ale také jej přijmout. Uživatelská data mohou být přenášena rychlostí 6; 9; 12; 18; 24; 36; 48 a 54 Mbit/s při šířce kanálu 20 MHz. Standard rovněž definuje poloviční a čtvrtinovou šířku kanálu. Při poloviční šířce kanálu 10 MHz jsou dostupné přenosové rychlosti 3; 4,5; 6; 9; 12; 18; 24 a 27 Mbit/s. Kanál se šířkou 5 MHz umožňuje komunikovat na rychlostech 1,5; 2,25; 3; 4,5; 6, 9; 12 a 13,5 Mbit/s.
Obr. 7 PPDU rámec dle IEEE 802.11a/g
Obdobně jako u předchozího standardu jsou přenášena data organizována do PPDU rámců. Struktura rámce je zobrazena na obr. 7. PPDU rámec uvozuje preambule, za ní následuje řídící blok, který je vždy tvořen jedním OFDM symbolem a jeho subkanály jsou modulovány BPSK modulací a doplněny ochranným konvolučním kódem s poměrem počtu bitů užitečné informace k celkovému počtu bitů (včetně redundance) 1/2 (tzv. kódový poměr – coding rate). V následujícím datovém bloku již není použita fixní modulace, ale lze ji dynamicky měnit podle kvality přijímaného signálu. Informace o používaných modulacích, a jejich vlastnostech jsou uvedeny v tab. 2.
Tab. 2 Přehled používaných modulací v 802.11
PPDU rámec dle standardu IEEE 802.11a/g se skládá z následujících polí:
- PLCP preambule – tvoří dvanáct OFDM symbolů, kdy je prvních 10 krátkých (0,8 us) a další dva jsou dlouhé (4 us). Oba uvedené časy odpovídají přenosu OFDM symbolu v kanálu širokém 20 MHz.
- PLCP hlavička - je rozdělena na dvě části. První část, která má 24 bitů, je umístěna v bloku SIGNAL. Druhá je umístěna v datové části bloku SERVICE a její délka je 16 bitů. Údaje, důležité pro správné přečtení datové části, jsou uloženy v blocích RATE a LENGHT. Blok RATE specifikuje přenosovou rychlost datového bloku (DATA) a LENGHT jeho délku. Zbylé bloky jsou určeny k řízení a synchronizaci komunikujících zařízení.
- DATA – v tomto bloku jsou přenášena nejen uživatelská data z vyšších vrstev (PSDU), ale i servisní informace. Celá datová část může být přenášena na rozdíl od předchozích částí (PLCP preambule a hlavička) vyššími rychlostmi.
Nově vznikající standardy 802.11 počítají se zvětšením šířky přenosových kanálů, sdružováním několika datových rámců do jednoho (tzv. JUMBO rámce) a snížením redundantních informací v hlavičkách datových rámců. Těmito úkony lze výrazně navýšit reálné přenosové rychlosti. U dnešních zařízení lze díky kanálu o šířce 40 MHz docílit přenosové rychlosti 108 Mbit/s. Použitím JUMBO rámců lze tuto rychlost navýšit o dalších několik desítek Mbit/s.
Závěr
Výše uvedené techniky zvýšení efektivity přenosu nejsou v současné době zakotveny v žádném ze standardů 802.11, a proto nelze zaručit jejich interoperabilitu mezi výrobci. Nově vznikající standard 802.11n bude díky zmíněným úpravám vykazovat přenosovou rychlost na fyzické vrstvě až 250 Mbit/s.
V navazujícím článku bude dále popsána funkce vyšších síťových vrstev referenčního modelu ISO/OSI ve vztahu k zařízením dle standardu 802.11 viz obr. 1. Budou rovněž popsány kroky nutné pro začlenění Wi-Fi do běžné LAN sítě založené na standardu Ethernet a rodině protokolů TCP/IP.
Tento článek vznikl v rámci projektu MPO FI-IM3/180.
Literatura
[1] IEEE: 802.11a - Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: High Speed Physical Layer in the 5 GHz Band [online]. c1999 (R2003), [cit. 2008-04-19]. Dostupné z: http://standards.ieee.org/getieee802/802.11.html.
[2] IEEE: 802.11b - Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: High Speed Physical Layer Extension in the 2,4 GHz Band [online]. c1999 (R2003), [cit. 2008-04-19]. Dostupné z: http://standards.ieee.org/getieee802/802.11.html.
[3] IEEE: 802.11g - Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: Further Higher Data Rate Extension in the 2, 4 GHz Band [online]. c2003, [cit. 2008-04-19]. Dostupné z: http://standards.ieee.org/getieee802/802.11.html.
[4] ŽALUD, V.; DOBEŠ, J. - Moderní RADIOTECHNIKA. 1. vyd. BEN - technická literatura, 2006. 768 s. ISBN 80-7300-132-2.
[5] KOCUR, Zbyněk, ŠAFRÁNEK, Miroslav. Bezdrátové systémy v přístupové síti. Access server [online]. 2008, roč. 6 [cit. 2008-04-19]. Dostupné z: . ISSN 1214-9675.
Fyzická vrstva Wi-Fi
