Электромагнитная совместимость в локальных беспроводных сетях

В данной статье формулируются основные проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), с которыми приходится сталкиваться в беспроводных локальных сетях, и описываются методы решения этих проблем.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, беспроводная сеть, множественный доступ, передающая станция, беспроводный доступ

In this article the main problems of electromagnetic compatibility are formulated (EMS) which it is necessary to face on the wireless local area networks, and methods of the solution of these problems are described.

Keywords: Electromagnetic compatibility, wireless network, multiple access, transmitting station, wireless access

Встроенные механизмы WLANобеспечивают эффективную одновременную работу небольшого числа компьютеров внутри одной соты. Они не позволяют выделить гарантированную полосу пропускания для каждого пользователя. С ростом плотности абонентов увеличиваются взаимные помехи, повышается число коллизий и повторно передаваемых пакетов, возрастает время доступа к сети и задержки при передаче информации. Т. е. проблема повышения эффективности доступа становится все более актуальной. В беспроводных сетях возможна следующая ситуация: две станции (А и В) находятся вне зоны видимости друг друга. Станция С может взаимодействовать с обеими станциями (А и В). Станция А передает информацию на станцию С. Станция В «не видит», что среда передачи занята, т. к. ст. А находится для нее вне зоны досягаемости, и, считая, что среда передачи свободна, начинает передавать информацию. В результате на станцию С приходят одновременно два сигнала от станции А и В, т. е. происходит коллизия. Эта ситуация известна как проблема скрытого узла. Взаимные помехи между соседними сотами (внутрисистемная ЭМС)

В сетях стандартов 802.11 bи gдоступно только три неперекрывающихся канала. Если сеть состоит из 1–3 сот, то уровень внутрисхемных помех относительно невелик. В беспроводной сети, состоящей из четырех и более сот, МС и АР соседних сот, работающих на перекрывающихся частотных каналах, создают значительные взаимные помехи. Это приводит к ухудшению качества связи, уменьшению пропускной способности и увеличению времени доступа к сети, вплоть до ее полной неработоспособности.

Необходимо учитывать взаимные помехи с различными радиоустройствами, работающими на той же территории (радиотелефоны, другие беспроводные сети, устройства Bluetooth). В зависимости от интенсивности излучения, такие помехи могут привести к значительному ухудшению связи или полно неработоспособности сети. Механизмы QoSстандарта 802.11обеспечивают защиту чувствительного к задержкам трафика (голосовой, видео), от трафика остальных приложений, использующих беспроводную среду передачи, но они не спасают от изменений в среде передачи данных. Увеличение количества пользователей сети, наличие внешних и внутрисистемных помех приводят к неконтролируемому росту числа коллизий и повторно передаваемых пакетов. Это, в свою очередь, приводит к увеличению времени доступа к сети, уменьшению доступной полосы пропускания. Как следствие, эффективность механизмов QoSснижается или их работа полностью блокируется.

Рельеф, физические препятствия на местности (трассе распространения) влияют на распространение радиоволн, а следовательно, и на качество принимаемого сигнала. Это могут быть деревья, строения, стены здания, двери, автомобили, книжные полки, предметы дизайна (особенно металлические элементы), и т. д.

Погода также влияет на распространение радиоволн. Обычно осадки сказываются на частотах выше 5 ГГц, но, могут быть ситуации, когда их влияние достаточно сильно и на частотах выше 400 МГц (например, мокрая листва деревьев в парке). Эта проблема актуально для уличных беспроводных сетей и ее необходимо учитывать еще на стадии проектирования WLAN. Проблемы ЭМС (внутрисистемной и межсистемной) решаются при проектировании оборудования беспроводной сети (например используются различные способы кодирования, повышающие помехоустойчивость) и при проектировании непосредственно самой беспроводной сети. При этом возможности, заложенные в технические средства, определяют возможности проектировщика сети.

WLANиспользуют механизм, который называется «множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий» (carriersensemultipleaccesswithcollisionvoidance, CSMA/CA). CSMA/CAпредставляет собой механизм «прослушивание перед передачей» (listenbeforetalk, LBT). Передающая станция проверяет, присутствует ли в среде сигнал несущей и, прежде чем начать передачу, ожидает ее освобождения.

PCF- необязательный механизм доступа к среде передачи, который используется дополнительно к механизму DCF. Работа PCFвозможна только в инфраструктурах BSS. Механизм PCFразрешает передачу фреймов по опросу, ограничивая свободный доступ к среде передачи. Большинство производителей не обеспечивают поддержку механизма PCFв своих устройствах, потому что он увеличивает количество передаваемых служебных сигналов в BSS.

Рис. 1. Механизмы доступа к среде передачи

За счет фрагментации фреймов можно повысить надежность передачи фреймов в беспроводных локальных сетях, т. к. вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через зашумленную беспроводную среду выше. В то же время, это приводит к увеличению передаваемой служебной информации. Фрагментация может быть полезна в загруженной беспроводной сети или при наличии помех. Остальные механизмы предназначены только для обеспечения связи внутри соты и уязвимы как для межсистемных помех, так и для помех от соседних сот.

Механизм PCFоснован на взаимодействии точки координации (pointcoordinator, PC) и станций, опрашиваемых точкой координации (станции CF-Pollable). При работе под управлением механизма PCF, станции могут передавать данные (по одному фрейму за один раз) только тогда, когда точка координации производит их опрос. Точка координации может посылать фреймы станциям, опрашивать их на предмет передачи фреймов, подтверждать прием фреймов в соответствии с требованиями МАС-уровня или закончить сеанс CFP. Спецификация 802.11е предполагает маркировку пакетов, относящихся к критичным данным, метками приоритета. Максимальный приоритет получают пакеты голосовых данных (IP-телефония), как наиболее критичные к задержке и полосе пропускания, потоки передающие видеоинформацию, которым выделяется требуемая полоса при ее наличии. В BSSи ESSпередача данных идет только от клиента к точке доступа и обратно. Спецификация 802.11е добавляет возможность обмена трафиком непосредственно между двумя клиентами, что не только позволяет более эффективно использовать полосу пропускания, но и добавляет некоторые функциональные возможности, в частности, для домашних беспроводных сетей, способных обходиться без точки доступа вообще.

Механизмы контроля несущей с помощью временного разделения обеспечивают одновременную работу только одного передатчика в одной соте. При наличии помех этот механизм неэффективен, т. к. беспроводная среда может быть занята независимым сторонним мешающим передатчиком.

Выводы

Таким образом, оборудование стандарта IEEE802.11е защищает высокоприоритетный трафик беспроводной сети от низкоприоритетного внутри одной соты. Независимые от соты мешающие передатчики отрицательно влияют на любой вид передаваемого трафика. В результате поврежденные пакеты должны передаваться повторно. Для низкоприоритетного трафика задержка в доставке пакетов не очень критична. Для высокоприоритетного трафика (например ip-телефония) это неприемлемо, т. к. механизмы 802.11е как раз и предназначены для того, что бы обеспечить быструю доставку высокоприоритетных данных.

Литература:

1. Frank Ohrtman, Konrad Roeder, «Wi-Fi Handbook: Building 802.11b Wireless Networks», McGraw-Hill/Osborne, 2003.
2. Апорович А. Ф., Березка М. В. Непреднамеренные радиопомехи и размеры ячеек сотовой связи. Электросвязь. — 2000. № 10 — М.: Радио и связь.
3. Тряпицын А. В. Помехоустойчивость технологий Wi-Fi. //ЭМС, проектирование и технология электронных средств: Сб. науч. трудов кафедры РТУиС МИЭМ под ред. Л. Н. Кечиева. -М.: МИЭМ, 2004, с. 174- 178.