Karakteristike i valni oblici

802.11g je novi standard za WLAN (Wireless LAN) na 2.4GHz s brzinama protoka podataka od 54Mbps, 48Mbps, 36Mbps, 24Mbps, 12Mbps, 6Mbps .

Pri definiranju standarda 802.11g bili su zadani zahtjevi koje bi novi standard trebao zadovoljavati. Glavni zahjev je bio povećanje brzine prijenosa podataka u odnosu na postojeći standard 802.11b. Standard 802.11a koji radi na pojasu 5 GHz je osigurao veću brzinu prijenosa i do 54Mbps, no glavni nedostatak mu je nekompatibilnost sa uređajima koji koriste 802.11b standard. Novi uređaji koji koriste 802.11a standard ne mogu se inkorporirati u već postojeće mreže b uređaja. Zbog toga uređaji koji koriste 802.11a standard nisu ušli u širu primjenu.

Zbog navedenih razloga novi g standard je trebao osigurati kompatibilnost sa b standardom.

Glavna prednost 802.11g standarda je to što osigurava široku primjenu uređaja sa tim standardom kako u novim, tako i u već postojećim mrežama. Novi standard je trebao osigurati i veći domet uređaja. 802.11g standard osigurava domet do 300m u idealnim uvjetima, a u normalnim uvjetima do 80m na otvorenom i 40m u zatvorenim prostorima.

Novi 802.11g standard koristi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) valni oblik, no dodatno se mogu koristiti i PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) odnosno CCK/OFDM (Complementary Code Keying).

CCK je modulacija s jednim valom nosiocem. Svi podaci se šalju modulacijom jednog vala nosioca. Uređaji po 802.11b standardu koriste CCK modulacijski format. CCK omogućuje brzine protoka podataka do 11Mbps.

OFDM je modulacija s višestrukim valovima nosiocima. Kanal je podjeljen na više nosioca bliskih frekvencija. Podaci se dijele po nosiocima, što omogućava pouzdan prijenos i uz velik stupanj distorzije signala usljed različitih puteva prijenosa signala između odašiljača i prijemnika. Ovim modulacijskim formatom postižu se brzine veće od 11Mbps sve do 54Mbps.

CCK/OFDM je dodatna mogućnost, koju podržava novi standard, korištenja i CCK i OFDM modulacijskog formata za slanje podataka. Ta opcija je vrlo korisna u slučaju kada su u mreži i stariji uređaji sa standardom 802.11b i novi sa standardom 802.11g .

PBCC je modulacijski format s jednim valom nosiocem te je kao dodatna opcija uključen u standard. Riječ je o složenijem modulacijskom formatu u odnosu na CCK koji omogućava brzine i do 33Mbps.

Struktura paketa podataka se sastoji od preambule i zaglavlja koji se nalaze na početku svakog paketa i bloka podataka koji slijede iza njih.

Preambula se sastoji od niza jedinica i nula koje se koriste kako bi se uređaji pripremili za prijem podataka. Time je osigurano da se procesiranje podataka dovoljno zakasni u odnosu na trenutak početka slanja da ne dođe do gubitka informacije.

U zaglavlju se nalaze važni podaci o paketu među kojima je i duljina bloka podataka što određuje trajanje odašiljanja, te predstavlja vrijeme tijekom kojeg je kanal zauzet. Tijekom tog vremena niti jedan drugi uređaj neće slati podatke, te se na taj način izbjegava kolizija.

Podatak o duljini bloka podataka je važan jer paketi podataka nisu konstantne duljine, nego ona varira od 64 do 1500 bajta.

Kod uređaja koji podržavaju 802.11b standard i preambula i podaci se moduliraju sa CCK. Ta opcija je uključena i u novi g standard.

Da bi b uređaji mogli primati i slati podatke oni moraju biti u ovom formatu, no pritom su brzine do 11Mbps.

Ako su u mreži spojeni samo g uređaji koristi se OFDM modulacija i za preambulu i za podatke. Takve pakete ne “vide” b uređaji, te bi u slučaju njihovog spajanja u mrežu moglo doći do kolizije.

U ovom slučaju je preambula kraća u odnosu na slučaj sa CCK i brzina protoka podataka može biti i do 54 Mbps.

U slučaju da se na istu mrežu spajaju i b i g uređaji koristi se CCK/OFDM opcija. Preambula i zaglavlje paketa su u CCK formatu a podaci u OFDM formatu.

CCK modulacijski format preambule i zaglavlja se koristi kako bi b uređaji spojeni na mrežu znali da je transmisija u tijeku i u slučaju kada se šalju OFDM paketi. Podaci se šalju u OFDM formatu što osigurava veće brzine protoka podataka. Iako b uređaji ne vide podatke, na ovaj je način riješen problem kolizije i omgućen paralelan rad i b i g uređaja u mreži. Ovaj mod rada osigurava brzine protoka podataka veće od 20Mbps.

Važno je naglasiti da je CCK/OFDM samo dodatna opcija 802.11g standarda. Korištenjem RTS/CTS mehanizma OFDM funkcionira i u slučaju kada se na mrežu spajaju i b i g uređaji.

Kao dodatna ocija predloženo je da preambula i zaglavlje budu u CCK formatu, a podaci u PBCC formatu. PBCC je složeniji modulacijski format u odnosu na CCK koji omogućuje veće brzine prijenosa i kompatibilnost sa b standardom kao i opcija CCK/OFDM. Maksimalna brzina prijenosa koju omogućuje ovaj fornat je 33Mbps. Standard 802.11g ne zahtjeva korištenje CCK/OFDM i PBCC, već je samo ostavljena mogućnost za njihovu primjenu kao dodatnih formata unutar standarda.

RTS/CTS mehanizam

Kompatibilnost sa postojećim 802.11b standardom je uz brzinu pijenosa glavni zahtjev koji se postavlja pred 802.11g standard. Problem je u tome što b uređaji ne mogu demodulirati OFDM signal.

Uređaji pristupaju zajedničkom kanalu prema principu “listen-before-talk”, koristeći CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) mehanizam.

Uređaji osluškuju kanal te ako nije u tijeku transmisija, odnosno ako je kanal slobodan, počinju sa slanjem podataka. Na taj se način izbjegavaju kolizije i osigurava veća efikasnost u prijenosu podataka.

802.11g uređaji mogu primati CCK i OFDM podatke, dok postojeći 802.11b uređaji samo CCK.

802.11b uređaji ne “čuju” OFDM signal, pa se postavlja pitanje na koji način će b uređaji izbjeći koliziju u slučaju OFDM transmisije. Problem je riješen RTS/CTS mehanizmom koji je već bio dio 802.11 standarda. Taj se mehanizam koristio u već postojećem 802.11b standardu za rješavanje problema skrivenih čvorova.

U normalnim uvjetima uređaji koji dijele isti kanal, spojeni su na isti pristupni čvor, čuju jedni druge i zbog toga ne može doći do kolizije. Ipak je moguće da svaki od uređaja bude u dometu pristupnog čvora, ali izvan dometa nekog od uređaja priključenog na taj isti pristupni čvor. U slučaju da se neki od uređaja nalazi izvan dometa drugih oni neće znati kada taj uređaj razmjenjuje podatke s pristupnim čvorom, odnosno kada on zauzima kanal. Ta pojava se naziva problem nevidljivog čvora. CSMA/CA više ne funkcionira te je potrebno koristiti neki drugi mehanizam da bi se izbjegle kolizije. Taj drugi mehanizam je RTS/CTS (Request-To-Send / Clear-To-Send) i on je ugrađen u 802.11 standard. Prema tom mehanizmu svaki uređaj mora prije početka slanja podataka poslati RTS signal pristupnom čvoru AP (Access-Point). RTS predstavlja zahtjev tog uređaja za slanje podataka koji on upućuje AP-u. Ako je AP slobodan, odnosno niti jedan drugi uređaj ne razmjenjuje podatke, AP šalje CTS signal uređaju čime signalizira da je kanal slobodan i da uređaj može početi sa slanjem podataka. Istovremeno priključivanje i rad 802.11g OFDM i 802.11b CCK uređaja vrlo je slično problemu skrivenog čvora i zbog toga se za rješavanje problema kompatibilnosti b i g uređaja u smislu sprečavanja kolizija koristi PTS/CTS mehanizam. To rješenje je jedna od glavnih prednosti koju je pružio g standard. U slučaju kada se na mrežu spajaju isključivo g urađaji ovaj mehanizam je nepotreban, ali je omogućio integraciju g uređaj u već postojeće WLAN mreže što je bio jedan od glavnih zahtjeva postavljenih na novi 802.11g standard.

Problemi transmisije signala

Domet je uz brzinu ključan parametar za vrednovanje i usporedbu 802.11g standarda sa ostalim WLAN standardima. Glavni konkurent g protokolu što se tiče dometa i brzine je 802.11a koji radi na 5GHz. Iako je glavna prednost g protokola rad na 2.4GHz i kompatibilnost sa b uređajima, po brzini i dometu također može konkurirati 802.11a. Oba standarda koriste OFDM valni oblik, koji se pokazao najboljim za WLAN. Problem kod bežičnog prijenosa signala, pogotovo u zatvorenim prostorima, su različiti putevi kojim propagiraju signali između odašiljača i prijemnika, koji se javljaju usljed refleksija signala od zidova i pokućstva. Zbog toga se mogu javiti značajna kašnjenja signala, koja mogu dovesti do toga da paketi podataka koji su poslani kasnije stignu do prijemnika prije paketa koji su odaslani ranije, ali su propagirali dužim putem.

Svaki pojedini put između prijemnika i odašiljača unosi svoje kašnjenje i njemu pripadajući fazni pomak. Zbog toga signal u prijemniku može biti jako izobličen. Određene frekvencije interferiraju konstruktivno što dovodi do jačanja frekvencijske komponente, a druge destruktivno što za posljedicu ima smanjenje amplitude. Posljedica je veliko izobličenje signala, kao na slici.

Kašnjenja signala mogu uzrokovati preslušavanje između simbola ISI (Inter-Symbol-Interference) i na taj način uzrokovati izobličenje signala, jer ta kašnjenja mogu biti i u trajanju od nekoliko vremena simbola. To izobličenje varira i unutar svakog pojedinog simbola što još više komplicira rješavanje problema.

Kod 802.11b standarda koristi se CCK valni oblik koji koristi QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulaciju i omogućava brzine prijenosa do 11Mbps trajanje simbola je otprilike 90ns, a kašnjenja zbog različitih puteva propagacije mogu iznositi i 400 do 500 ns. To znači da usljed kašnjenja zbog različitih puteva propagacije signala može doći do izobličenja unutar pet simbola.

U sklopu b standarda rješenje ovog problema je u primjeni sinkronizacije, no sama tehnička rješenja su kompleksna i sa porastom brzine prijenosa se dalje kompliciraju. Važno je naglasiti da i uz primjenu sinkronizacije nije u potpunosti riješen problem ISI-a.

802.11g standard je kao i 802.11a zbog korištenja OFDM valnog oblika u potpunosti riješio problem preslušavanja između simbola. OFDM uređaji raspodjeljuju podatke na veći broj nosioca bliskih frekvencija. 802.11g koristi OFDM signal sa 52 nosioca od kojih je 48 podatkovnih, a 4 služe za signalizaciju. Zbog toga je brzina prijenosa svakog od nosioca OFDM signala manja u odnosu na signale s jednim valom nosiocem što omogućuje znatno veće periode signala. Tako je period signala kod 802.11a odnosno 802.11g 4μs što je oko 44 puta više nego kod CCK.

OFDM puls sadrži zaštitni interval na svojem početku. Taj interval sadrži redundantne informacije koje se mogu zanemariti prilikom prijema, a da se time ne umanji mogućnost pravilne interpretacije simbola. Zaštitni interval je temeljno svojstvo OFDM sustava i njegovo trajanje je određeno maksimalnim vremenima kašnjenja za zadani sustav.

Trajanje zaštitnog intervala kod 802.11g standarda iznosi 800 ns. Kod procesiranja signala u prijemniku podaci unutar zaštitnog intervala se odbacuju, a preostali dio u trajanju od 3200 ns predstavlja simbol. Na taj je način u potpunost riješen problem preslušavanja između simbola.

Ipak postoji mogućnost izobličenja zbog različitih puteva transmisije unutar jednog simbola, no ta izobličenja se mogu uspješno ukloniti na razini nosioca amplitudnom i faznom korekcijom koje su konstantne unutar trajanja simbola.

Važno je naglasiti da su nosioci OFDM signala međusobno ortogonalni pa međusobno ne interferiraju. To je uz korištenje FFT algoritama za kompenzaciju utjecaja kanala na izobličenje još jedna od prednosti OFDM signala.

Rezulatati usporedbe 802.11g i 802.11b

RTS/CTS mehanizam je omogućio kompatibilnost g i b uređaja. Iako unosi dodatnu redundanciju u mrežu osigurao je veće brzine prijenosa u odnosu na druga rješenja.

Na slici su prikazane brzine prijenosa u ovisnosti o primjenjenom valnom obliku. Vidljivo je da OFDM sa RTS/CTS omogućava veće brzine prijenosa.

Tokom rada senzira se prisutnost b uređaja u mreži i ako su priključeni samo g uređaji isključuje se RTS/CTS što omogućuje rad sa većim brzinama prijenosa.

Na slici su prikazane brzine prijenosa u slučaju kada je isključen RTS/CTS mehanizam.

Vidljivo je da su tada brzine prijenosa znatno više.

Domet (802.11g - 802.11a)

Korištenje OFDM signala na frekvenciji 2.4 GHz (802.11g) trebalo bi u idealnom slučaju osigurati veći domet nego korištenjem istog valnog oblika na 5 GHz jer je domet proporcionalan valnoj duljini. Iako nije sve tako jednostavno kada se radi o zatvorenim prostorima, ipak treba očekivati bolje rezultate vezane uz domet. Signal na 5 GHz ima dvostruko manju valnu duljinu u odnosu na signal na 2,4 GHz te se takav signal jače prigušuje i raspršuje na objektima.

Usporedba dometa a i g uređaja donedavno nije bila moguća jer g uređaja nije bilo na tržištu.

Sa proizvodnjom prvih serija g uređaja postalo je moguće napraviti testove koji pokazuju stvarne odnose u dometu između urađaja oba standarda.

Na slici je prikazan ispitni poligon, i bojama su označena područja pokrivena signalom i pripadajuće brzine prijenosa. Slika prikazuje rezultate za 802.11a uređaj. Vidljivo je da se velike brzine prijenosa postižu na malim udaljenostima i s udaljenošću brzo padaju. Područja označena bijelom bojom nisu pokrivena signalom.

Na temelju rezultata za 802.11g vidljivo je da se velike brzine prijenosa postižu na većem području i da je ukupna pokrivenost signalom bolja. Rezultati se odnose na OFDM mod rada s isključenim RTS/CTS.

Na slici su prikazani rezultati za PBCC valni oblik standarda g. Taj valni oblik osigurava dobru pokrivenost signalom i brzine prijenosa u razini b standarada.

Zaključak

Na temelju iznesenih podataka može se zaključiti da 802.11g standard osigurava brzine prijenosa kao i standard a , ali uz bolji domet. Važna prednost je i kompatibilnost sa b uređajima, što olakšava integraciju g uređaja u već postojeće mreže. Zbog navedenih razloga 802.11g se pokazao kao dobro rješenje u WLAN tehnologiji.