Slika 71. Najznačajniji predstavnici IEEE grupe standarda

Transcript

1 4. WIFI MREŽE (IEEE STANDARD) WiFi je popularno ime kojim se označavaju bežične lokalne (LAN) mreže, koje su bazirane na nekom od standarda iz IEEE familije. Prvi standardi iz ove familije datiraju još iz godine, i rezultat su težnje da se omogući interoperabilnost uređaja različitih proizvođača. Naime, IEEE (Institute of Electrical & Electronics Engineers) svojim standardima definiše preporuke koje bi proizvođači trebalo da slede, ali ne testira kompatibilnost uređaja sa standardom. Stoga su proizvođači godine formirali WiFi alijansu, kao neprofitnu organizaciju koja sprovodi sertifikaciju uređaja. Uređaji koji prođu proces sertifikacije dobijaju dozvolu da na sebi nose WiFi logo, što je znak potrošačima da je uređaj u stanju da radi u sprezi sa uređajima ostalih proizvođača koji su isto prošli proces sertifikacije. Danas, alijansa broji nekoliko stotina kompanija. IEEE standardi familije definišu funkcionalnosti fizičkog sloja, kao i MAC podsloja veznog sloja OSI modela. Doživeli su mnogobrojne revizije, a u praksi se danas najčešće susreću uređaji kompatibilni sa b/g, kao i a standardom. Slika 71. Najznačajniji predstavnici IEEE grupe standarda 42

2 Na slici Slika 71. Najznačajniji predstavnici IEEE grupe standardaslika 71 dat je pregled nekih od najuspešnijih postojećih, kao i planiranih revizija standarda. Interesantno je primetiti da, iako su a i b izašli iste godine, pri čemu a omogućava veću brzinu prenosa, na tržištu su mnogo zastupljeniji proizvodi kompatibilni sa b standardom. Razlog za to leži u nižoj ceni uređaja koji rade na 2.4 GHz, kao i u činjenici da je a standard imao regulatornih problema na tržištu Evropske unije, na kome opseg od 5 GHz do godine nije bio dozvoljne za slobodnu ISM upotrebu. Već na snagu je stupila revizija g, koja omogućava postizanje većih brzina prenosa u opsegu od 2.4 GHz, koristeći iste metode na fizičkom sloju kao i a standard, pri čemu je, za raziku od a, ova revizija kompatibilna sa uređajima proizvedenim po b standardu. Uređaji kompatibilni sa a standardom se ipak mogu sresti u praksi, naročito u korporativnim LAN mrežama, pre svega zbog toga što rade u manje zagušenom opsegu oko 5 GHz, tako da su smetnje manje. Takođe, u korporativnim primenama sreću se i n uređaji, koji postižu velike brzine prenosa zahvaljujući višestrukim MIMO antenama. S obzirom na popularnost i zastupljenost tehnolgije, u tekstu koji sledi bavićemo se karakteristikama fizičkog i MAC sloja koje odgovaraju b/g standardima Fizički sloj Standard definiše tri osnovne funkcije fizičkog sloja: CS/CCA (Carrier Sense / Clear Channel Assessment), predaja (Tx) i prijem (Rx). Suštinske razlike između različitih revizija standarda leže upravo u načinu na koji su realizovane funkcije predaje i prijema, dok je MAC sloj zajednički za sve revizije Funkcije fizičkog sloja Slika 72. Funkcije fizičkog sloja mreže i) CS/CCA CS komponenta zadužena je za detekciju početka okvira, tj. služi kao okidač za prijem. Sa druge strane CCA komponenta zadužena je za proveru da li u telekomunikacionom kanalu ima aktivnosti, pre nego što se počne slanje podatka. ii) Predajnik Tx Kada MAC sloj želi da pošalje podatak, on prvo poziva CCA komponentu fizičkog sloja. Ukoliko od nje dobije potvrdu da je kanal slobodan, on poziva predajnik i inicira slanje podataka. 43

3 Predajnik prihvata oktete podataka od MAC sloja, i priprema ih za slanje, tako što dodaje odgovarajuću preambulu i primenjuje odgovarajuću modulaciju. Kada su svi podaci poslati, predajnik o tome obaveštava MAC sloj. iii) Prijemnik Rx Po pravilu, fizički sloj svih WiFi uređaja se nalazi u stanju prijema, osim ukoliko MAC sloj ne inicira slanje podataka. Kada CS komponenta detektuje preambulu i zaglavlje koje signalizira početak okvira, prijemnik se aktivira, vrši demodulaciju, i prosleđuje primljene podatke MAC sloju. Prijemna komponenta fizičkog sloja nekog uređaja ne proverava da li su podaci koji se primaju zaista namenjeni tom uređaju, već to čini MAC sloj. Ukoliko MAC sloj zaključi da nema potrebe primati ceo okvir fizičkog sloja, jer nije namenjen tom uređaju, on može signalizirati fizičkom sloju da prekine prijem tokom nekog perioda, kako bi se pričuvala baterija DSSS fizički sloj Ovaj tip fizičkog sloja odgovara b standardu. Naziva se i DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), zbog činjenice da se u određenim slučajevima vrši širenje spektra signala, množenjem sa pseudoslučajnom sekvencom. i) Modulacije Prema b standardu, moguće je postići jednu od četiri brzine prenosa: 1 Mb/s, 2 Mb/s, 5.5 Mb/s i 11 Mb/s. Brzina prenosa koja se može postići direktno zavisi od primenjene modulacije. Najniža brzina prenosa, 1 Mb/s, postiže se primenom DBPSK modulacije. Binarna fazna modulacija (BPSK) objašnjena je u BPSK, a DBPSK se od nje razlikuje samo po tome što, umesto apsolutne vrednosti faze nekog simbola, prenosi razliku faze između dva uzastopna simbola. Na ovaj način, postiže se bolja otpornost na promene faze koje unosi prenos kroz telekomunikacioni kanal. Brzina prenosa od 2 Mb/s postiže se primenom DQPSK modulacije D-QPSK. Za postizanje većih brzina prenosa koristi se CCK (Complementary Code Keying) modulacija, zbog koje je ovaj tip fizičkog sloja i dobio naziv DSSS sloj. Kod CCK modulacije, kompleksan simbol formiran po pravilima DQPSK dodatno se množi kodnom sekvencom, kako bi se izvršilo širenje spektra. Kodne sekvence koje se koriste su osmobitni komplementarni kodovi. Skup CCK kodova karakteriše duboko usađena simetrija, koju ovde nećemo objašnjavati. Postoje dva tipa CCK modulacije koji se koriste u b mrežama: 4CCK i 8CCK. Kod 4CCK modulacije, dva bita podatka određuju fazu simbola po DQPSK pravilima, dok preostala dva bita služe odabiranju jedne od 4 sekvence kojima se tako formiran simbol množi pre predaje - Slika 73. Slika 73. 4CCK modulacija 44

4 U slučaju 8CCK modulacije, sekvenca od dva bita podatka opet određuje fazu, po DQPSK pravilima, dok preostalih šest bita određuju jednu od 64 mogućih osmobitnih kodnih reči, kojima se taj simbol množi Slika 74. Slika 74. 8CCK modulacija CCK kodne reči imaju frekvenciju od MHz, a u jednom ciklusu se kod 4CCK modulacije prenosi 4 bita podatka i ostvaruje brzina prenosa od 5.5 Mb/s, dok se kod 8CCK modulacije prenosi 8 bita podatka i ostvaruje brzina prenosa od 11 Mb/s. ii) Format okvira Okvir fizičkog sloja sastoji se od preambule, zaglavlja i podataka - Slika 75. Preambula označava početak okvira i služi sinhronizaciji, dok zaglavlje sadrži relevantne kontrolne podatke. Polje sa podacima popunjeno je sadržajem koji dolazi sa MAC sloja, tj. sadrži odgovarajući MAC okvir. Preambula može biti duga (144 bita) ili kratka (72 bita). Sastoji se iz polja za sinhronizaciju (SYNC) i polja koje označava početak okvira (SFD Start Frame Delimiter). Kod duge preambule SYNC se sastoji od jedinica, a SFD sadrži predefinisanu vrednost 0xF3A0. Kod kratke preambule, SYNC polje čine nule, dok je vrednost SFD polja 0x0C5F. Tip preambule definiše brzinu i modulaciju kojom se prenosi zaglavlje okvira: ukoliko je preambula dugačka, brzina prenosa zaglavlja je 1 Mb/s, sa DBPSK modulacijom, dok je kod kratke preambule u pitanju DQPSK i 2 Mb/s. Slika 75. Format okvira po b standardu 45

5 Zaglavlje fizičkog okvira sadrži kontrolne informacije sadržane pre svega u SIGNAL i LENGTH poljima. SIGNAL polje sadrži kod, koji signalizira kako brzinu prenosa, tako i korišćenu modulaciju: DBPSK za brzine od 1 Mb/s, DQPSK za brzine od 2 Mb/s, 4CCK za brzine od 5.5 Mb/s i 8CCK za brzine od 11 Mb/s. LENGTH polje sadrži informaciju o dužini MAC okvira koji se prenosi u polju za podatke. Pored ova dva polja, u zaglavlju postoji još i SERVICE polje koje se ne koristi, već je rezervisano za kasniju upotrebu, kao i CRC polje, koje sadrži zaštitni CRC kod, kako bi se osigurao uspešan prenos zaglavlja. U polju za podatke enkapsuliran je sadržaj MAC okvira, o čemu će biti više reči u kasnijim poglavljima. iii) Raspoloživi frekvencijski kanali Opseg oko učestanosti 2.4 GHz podeljen je u kanale širine 22 MHz, čije su centralne učestanosti na razmaku od 5 MHz. U Evropi, na raspolaganju je 13 kanala u ovom opsegu, dok je na teritoriji SAD i Japana na raspolaganju 11 kanala. S obzirom na to da je širina kanal veća od razmaka centralnih učestanosti, to znači da u praksi imamo preklapanje kanala. U nekom trenutku, u istom prostoru možemo imati na raspolaganju maksimalno tri nepreklapajuća WiFi kanala Slika 76. Slika 76. Raspored kanala Višestruka propagacija i intersimbolska interferencija Višestruka propagacija je jedan od osnovnih problema sa kojima se susreću bežični telekomunikacioni sistemi. Za razliku od ožičenih veza, kod kojih postoji dobra izolacija i jedna jedina putanja između izvora i odredišta, kod bežične komunikacije signal se može prostirati višestrukim putanjama između izvora i odredišta Slika 77. Neke od putanja kojima se signal prostire su znatno duže od direktne putanje, pa samim tim imaju i značajno veće kašnjenje. Poslati simbol do odredišta stiže u nekoliko verzija, od kojih su neke značajno zakašnjene. Može se dogoditi da zakašnjena verzija nekog simbola do prijemnika stigne u trenutku u kome on već prima sledeći simbol koji je došao direktnom putanjom. U tom slučaju, dolazi do mešanja signala susednih simbola, tj. međusimbolske (intersimbolske) interferencije ISI. Zakašnjeni signal ometa ispravan prijem signala koji se prostire direktnom putanjom. 46

6 Slika 77. Višestruka propagacija u bežičnim mrežama Intersimbolska interferencija je osnovna prepreka za povećanje brzine prenosa u bežičnim mrežama. Što više povećavamo brzinu prenosa, to smanjujemo vreme u kome se simboli smenjuju. Sa smanjenjem trajanja simbola, kašnjenje usled višestruke propagacije prouzrokuje više problema, jer je v.eća verovatnoća preklapanja simbola. Rešenje za problem ISI i višestruke propagacije predstavlja posebna tehnika koja se primenjuje u a i g mrežama, i naziva se OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM fizički sloj Uređaji proizvedeni po a i g standardu mogu prenositi podatke brzinama i do 54 Mb/s, zahvaljujući primeni OFDM tehnike. Princip na kome se OFDM bazira predstavljen je na slici Slika 78. Umesto da se prenosi signal velike učestanosti, koji je podložniji uticaju ISI, prenosi se više signala manje učestanosti paralelno. Raspoloživi opseg jednog WiFi kanala podeli se na K podopsega (podnosilaca). Time se trajanje svakog simbola vremenski produžava K puta, čime se smanjuje uticaj ISI. Po Nikvistovom kriterijumu, potrebna širina opsega za prenos svakog simbola se smanjuje K puta. To znači da se korišćenjem istog frekvencijskog opsega istovremeno može preneti K simbola. Dakle, korišćenjem raspoloživog opsega, efektivno se za određeno vreme prenosi isti broj simbola, ali su u slučaju priemene OFDM oni manje osetljivi na ISI. 47

7 Slika 78. Princip na kom počiva OFDM Slika 79. Princip na kom počiva OFDM predajnik i prijemnik U praksi, predajnik se realizuje kao IFFT kolo, dok je prijemnik FFT kolo Slika

8 Pored OFDM, kao dodatna zaštita od ISI, uvodi se i takozvani zaštitni interval - Slika 80. Deo korisne informacije se ponavlja, što predstavlja višak na fizičkom sloju protokola, ali osigurava veću otpornost na ISI. Slika 80. Zaštitni interval Uvodi se i zaštitno konvoluciono kodovanje, pri čemu je konvolucioni koder definisan standardom i predstavljen na slici Slika 84Slika 81. Ovaj koder ima kodni količnik R=1/2. Standard definiše i kodovanje sa kodnim količnikom R = ¾ - Slika 82, kao i ono sa R = 3/4 - Slika 83. Oba kodna količnika dobijaju se izostavljanjem nekih izlaza iz kodera na predaji. Slika 81. Konvolucioni koder za OFDM fizički sloj 49

9 Slika 82. Konvolucioni koder sa R = 2/3 Slika 83. Konvolucioni koder sa R = 3/4 50

10 Kao rezultat, imamo predajnik i prijemnik predstavljene na slici Slika 84. i) Modulacije Kao i kod DSSS fizičkog sloja, brzina prenosa zavisi od primenjene modulacije simbola. Koriste se BPSK, QPSK, 16-QAM i 64-QAM modulacija. Pored primenjene modulacije, na efektivnu brzinu prenosa utiče i primenjeno konvoluciono kodovanje. Slika 84.OFDM predajnik i prijemnik ii) Format okvira Format okvira dat je na slici Slika 85. Okvir se sastoji iz preambule, zaglavlja i podataka. Slika 85. Format okvira po g standardu 51

11 Preambula služi sinhronizaciji i kanalnoj estimaciji. Sastoji se iz dva dela jednake dužine. Prvi sadrži 10 ponavljanja kratke trening sekvence (standardom definisan obrazac, trajanja 0.8μs), koja signalizira početak okvira. Drugi deo sadrži dva ponavljanja duge trening sekvence (standardom definisan obrazac, trajanja 3.2μs), koja služi proceni prenosne karakteristike telekomunikacionog kanala. Slika 86. Preambula okvira po g standardu Zaglavlje okvira fizičkog sloja sastoji se iz SIGNAL i SERVICE polja. SERVICE polje se ni po g ne koristi. SIGNAL polje nosi kontrolne informacije vezane pre svega za brzinu prenosa. Prenosi se uvek istom brzinom od 6 Mb/s, sa BPSK modulacijom. U okviru SIGNAL polja, nalazi se podpolje RATE, koje definiše brzinu prenosa u zavisnosti od tipa modulacije i kodnog količnika konvolucionog kodera, prema tabeli Tabela 1. Pored toga, SIGNAL sadrži i informaciju o dužini MAC okvira koji se prenosi (u podpolju LENGTH), kao i kontrolni bit provere na parnost, koji osigurava ispravan prenos zaglavlja. S obzirom na primenjeno konvoluciono kodovanje, u zaglavlju se prenose i završni biti za konvolucioni koder (u okviru podpolja TAIL), koji omogućavaju ispravno dekodovanje zaglavlja. Obično je u pitanju niz od 6 nula, s obzirom na to da primenjeni konvolucioni koder (Slika 81. Konvolucioni koder za OFDM fizički sloj pamti 6 bita. Tabela 1. Brzina prenosa po g standardu RATE Modulacija R Brzina (Mb/s) 1101 BPSK 1/ BPSK 3/ QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ QAM 2/ QAM 3/4 54 iii) Organizacija podnosilaca Rekli smo već da OFDM raspoloživi kapacitet kanala deli na veći broj podopsega. U praksi, opseg od 20 MHz u WiFi kanalu deli se na 64 podopsega, sa međusobno ortogonalnim centralnim 52

12 učestanostima (podnosiocima). Svaki podopseg je širine KHz. Od toga, 12 podopsega se ne koristi (nulta snaga) oni se nalaze na krajevima opsega, kako bi se eliminisalo preklapanje susednih kanala, ko i oko centralne učestanosti opsega, kako bi se smanjio uticaj šuma koji proizvode elektronske komponente prijemnika. Zatim, 4 podopsega se koriste za prenos kontrolnih pilot signala, koji služe kanalnoj estimaciji. Preostalih 48 podopsega koristi se za prenos korisnih informacija. Slika 87.Organizacija OFDM podnosilaca Pilot simboli omogućavaju prijemniku da proceni amplitudska i fazna izobličenja koja unosi telekomunikacioni kanal. Simboli koji se šalju putem 4 podopsega namenjena za prenos pilota su definisani standardom, tako da su poznati prijemniku. Na osnovu primljenih podataka, prijemnik može odrediti promene u fazi i amplitudi - Slika 89. Pri demodulaciji, procenjene vrednosti faznog pomeraja i promene amplitude se uzimaju u obzir, kako bi se ispravno detektovao primljeni simbol. Slika 88. Pilot simboli Slika 89.Kanalna estimacija Naravno, varijacije u telekomunikacionom kanalu mogu biti česte, tako da je moguće da ih ne uhvatimo slanjem pilota sa učestanošću koju definiše standard. Slanje većeg broja pilot simbola, po većem broju raspoloživih podopsega, poboljšala bi kanalnu estimaciju, ali bi imala negativan uticaj na performanse sistema, jer bi se resursi trošili na slanje podataka koje ne generiše korisnik. Pilot simboli omogućavaju da se grubo procene prenosne karakteristike telekomunikacionog kanala, dok duga trening sekvenca omogućava da se na nivou svakog podopsega procene varijacije prenosne karakteristike. 53