Уровни модели OSI для Wi-Fi/IEEE 802.11

Таблица 2.

Уровнь	OSI модель	Сеть	Функции
	Прикладной	-	-
	Уровень представления	-	-
	Сеансовый	-	-
	Транспортный	-	-
	Сетевой	-	-
	Канальный (передачи данных)	Подуровень LLC
Подуровень MAC
	Физический	Подуровень PLCP	Беспроводная передача, оценка состояния эфира
Подуровень PMD

 

Физический уровень состоит из 2-х подуровней:

1) PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) выполняет процедуру отображения PDU уровня MAC во фрейм формата FHSS или DSSS. Эта процедура выполняет передачу, обнаружение несущей и прием сигнала;

2) PMD (Physical Medium Dependent) - подуровень, зависящей от среды передачи. Этот уровень будет различным для разных скоростей передачи и разных стандартов из серии 802.11. Подуровень PMD обеспечивает данные и сервис для подуровня PLCP и функции радиопередачи и приема, результатом которых является поток данных, информация о времени, параметры приема.

Основным рабочим состоянием уровней PLCP является обнаружение несущей и оценка незанятости канала. Для выполнения передачи PLCP переключает PMD из режима «прием» в режим «передача» и посылает элемент данных PPDU (PLCP Data Unit).

Физический уровень выполняет скремблирование, кодирование и чередование.

Передача сигналов по радиоканалу выполняется двумя методами: FHSS и DSSS При этом используется дифференциальная фазовая модуляция DBPSK и DQPSK с применением кодов Баркера, комплементарных кодов (ССК - Complementary Code Keying) и технологии двойного сверточного кодирования (РВСС).

Wi-Fi 802. llg на скорости 1 и 2 Мбит/с использует модуляцию DBPSK. При скорости передачи 2 Мбит/с используются те же методы, что и при скорости 1 Мбит/с, однако для увеличения пропускной способности канала используется четыре разных значения фазы (0, π/2, 3π/4, π для фазовой модуляции несущей.

Протокол 802.11b использует дополнительно скорости передачи 5,5 и 11Мбит/с. На этих скоростях передачи вместо кодов Баркера используются комплементарные коды (ССК).

Wi-Fi использует метод доступа к сети CSMA/CA, в котором для снижения вероятности коллизий использованы следующие принципы:

1) прежде чем станция начнет передачу, она сообщает, как долго она будет занимать канал связи;

2) следующая станция не может начать передачу, пока не истечет зарезервированное ранее время;

3) участники сети не знают, принят ли их сигнал, пока не получат подтверждение об этом;

4) если 2 станции начали работать одновременно, они смогут узнать об этом только по тому факту, что не получат подтверждение о приеме;

5) если подтверждение не получено, участники сети выжидают случайный промежуток времени, чтобы начать повторную передачу.

Предотвращение, а не обнаружение коллизий, является основным в беспроводных сетях, поскольку в них, в отличие от проводных сетей, передатчик трансивера заглушает принимаемый сигнал.

Рис.12.10. Формат фрейма PLCP для режима FHSS

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI в режиме FHSS показан на рис. 12.10. Он состоит из следующих полей:

1) «Синхронизация» - содержит чередующиеся нули и единицы и служит для подстройки частоты на принимающей станции, синхронизирует распределение пакетов и позволяет выбрать антенну (при наличии нескольких антенн);

2) «Старт» - флаг начала фрейма. Состоит из строки 0000 1100 1011 1101, которая служит для синхронизации фреймов на принимающей станции;

3) PLW (PSDU Length Word - слово длины служебного элемента данных подуровня PLCP (PSDU)) указывает размер фрейма, поступившего с уровня MAC, в октетах;

4) «Скорость» - указывает скорость передачи данных фрейма;

5) «КС» - контрольная сумма;

6) «МАС-фрейм» - фрейм, поступивший с МАС-уровня модели OSI и содержащий PSDU;

7) «Заголовок PLCP» - поля, добавленные на подуровне PLCP.

 

Рис.12.11. Формат фрейма PLCP для режима DSSS

 

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI в режиме DSSS показан на Рис.12.11. В нем поля имеют следующий смысл:

1) «Синхронизация» содержит только единицы и обеспечивает синхронизацию в приемной станции;

2) «Старт» - флаг начала фрейма. Содержит строку 0xF3A0, которая указывает начало передачи параметров, зависящих от физического уровня;

3) «Сигнал» - указывает тип модуляции и скорость передачи данного фрейма;

4) поле «Сервис» - зарезервировано для будущих модификаций стандарта;

5) «Длина» указывает время в микросекундах, необходимое для передачи МАС-фрейма;

6) «КС» - контрольная сумма;

7) «МАС-фрейм» - фрейм, поступивший с МАС-уровня модели OSI и содержащий PSDU;

8) «Заголовок PLCP» - поля, добавленные на подуровне PLCP.

Дальность связи средствами Wi-Fi сильно зависит от условий распространения электромагнитных волн, типа антенны и мощности передатчика. Типовые значения, указываемые изготовителями Wi-Fi-оборудования, составляют 100...200 м в помещении и до нескольких километров на открытой местности с применением внешней антенны и при мощности передатчика 50... 100 мВт. Вместе с тем, по сообщению германского еженедельника Computerwoche (www.computerwoche.de) во время соревнований по дальности связи была зафиксирована связь на расстоянии 89 км с применением стандартного оборудования Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b (2,4 ГГц) и спутниковых антенн («тарелок»). В книге рекордов Гиннеса зафиксирована также Wi-Fi-связь на расстоянии 310 км с применением антенн, поднятых на большую высоту с помощью воздушных шаров.

Архитектура сети Wi-Fi. Стандарт IEEE 802.11 устанавливает 3 варианта топологии сетей:

1) независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSS);

2) базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSS);

3) расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESS).

Под зоной обслуживания здесь понимается набор логически сгруппированных устройств. Каждая зона обслуживания имеет свой идентификатор (Service Set Identifier, SSID). Станция-приемник использует SSID для определения того, из какой зоны обслуживания приходит сигнал.

В архитектуре IBSS станции связываются непосредственно одна с другой без использования точки доступа и без возможности подсоединения к проводной локальной сети. Зона обслуживания SSID используется обычно для объединения в сеть малого количества станций, поскольку в ней не предусмотрена возможность ретрансляции сигнала для увеличения дальности связи и механизмы для решения проблемы скрытого узла.

При использовании BSS станции общаются другом с другом через общий центральный узел связи, называемый точкой доступа. Точка доступа обычно подключается к проводной локальной сети Ethernet.

Расширенная зона обслуживания получается при объединении нескольких BSS в единую систему посредством распределительной системы, в качестве которой может выступать проводная сеть Ethernet.

12.6. Сравнение беспроводных сетей

В Табл.12.4 сведены основные параметры 3-х рассмотренных беспроводных технологий. В таблице отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих других, которые не нашли широкого применения в промышленной автоматизации.