Возможности моделирования беспроводных сетей передачи информации стандарта IEEE 802. 11 в программной среде OPNET it Guru Academic Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.391 С. Н. НАЗАРОВ

ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ OPNET IT GURU ACADEMIC

Рассматриваются основные положения стандарта IEEE 802.11, на основе которого осуществляется построение беспроводных локальных сетей. Проводится анализ возможности построения модели функционирования беспроводной локальной сети в программной среде OPNET IT Guru Academic.

Ключевые слова: стандарт IEEE 802.11, беспроводные локальные сети, модель.

Беспроводные сети передачи информации (БСПИ) в настоящее время динамично развиваются. Широкое распространение получили БСПИ на основе стандартов IEEE 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» («Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications»). Разработаны и реализованы спецификации данного стандарта - IEEE 802.1 la,b, g,n,e.

Стандарт IEEE 802.11 является базовым для всех спецификаций. В нём рассматриваются физический и подуровень MAC (medium access control) канального уровня взаимодействия открытых систем (OSI - open system interconnection). На физическом уровне стандарт определяет способ работы со средой передачи, скорость и методы модуляции. На МАС-уровне - принцип, по которому устройства используют общий канал, способы подключения устройств к точкам доступа и их аутентификацию, механизмы защиты данных [1, 2, 3].

Стандартом предусмотрены такие основные способы организации сети, как ad-hoc-сеть (принцип «равный с равным»); в виде структурированной сети - в составе сети используются точки доступа (АР - Access Point). АР связаны проводной сетью и позволяют мобильным абонентам привязываться к различным АР.

Стандартом предусмотрены два режима управления сетью: DC F (Distributed coordination function) - функции управления распределены между всеми устройствами сети, PCF (Point coordination function) - управление сетью осущест-

© Назаров С. Н., 2009

вляется централизованно. DCF обеспечивает конкурентный доступ станций сети к каналу. Работа в PCF осуществляется под управлением специальной АР в определённые периодически повторяющиеся интервалы. Работа в PCF обеспечивает передачу трафика, чувствительного к задержкам информации, осуществление доступа к глобальным сетям.

В отличие от кабельных сетей, в сетях стандарта IEEE 802.11 затруднён контроль несущей, т. к. мощность удалённого сигнала заведомо слабее мощности своего; возникает проблема скрытых станций. Для устранения данных проблем в сетях стандарта IEEE 802.il применяется механизм CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance) - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий [1]. Основными параметрами данного механизма являются: длительность межкадрового интервала (IFS), случайный интервал отсрочки, увеличенный межпакетный интервал (EIFS). Для устранения проблемы скрытых станций используются служебные кадры RTS (request to send - запрос на передачу) и CTS (clear to send -подтверждение готовности).

Стандарт IEEE 802.11 описывает физический и виртуальный механизмы обнаружения несущей. Физический механизм предусматривает определение значения сигнала в антенне и его сравнение с пороговой величиной; виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных и в управляющих кадрах АСК, RTS/CTS определено время получения ответа.

Кадры МАС-уровня могут быть трёх типов: кадры данных, контрольные (АСК, RTS,CTS), управляющие (Beacon). На физическом уровне к

МАС-кадру добавляется заголовок физического уровня, состоящий из преамбулы и PLCP-заголовка. PLCP включает поле SIGNAL - информация о скорости и типе модуляции, SERVICE - информация о применении высокоскоростных расширений и РВСС (Packet binary convo-Iutional coding - пакетное бинарное сверточное кодирование) - модуляции, LENGTH - время, необходимое для передачи поля данных кадра.

Стандарт 802.11b предусматривает работу в режиме DSSS (direct sequence spread spectrum -метод расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности) с использованием баркеровской последовательности длиной 11 бит: 10110111000. Каждая информационная единица заменяется прямой последовательностью Баркера, ноль - её инверсией. Затем сигнал кодируется посредством DQPSK - differential quad-rature phase shift keying, DBPSK - differential binary phase shift keying - дифференциальная 4-, 2-фазовая модуляция [1, 4]. В качестве обязательного вида модуляции используется ССК -модуляция (complementaiy code keying - кодирование комплементарным кодом). Достоинством ССК-модуляция является то, что чипы информационного символа определяются на основе последовательностей Уолша-Адамара и представляют собой вид блокового кода. Дополнительным способом моделирования является РВСС (packet binary convolutional coding - пакетное бинарное сверточное кодирование). Этот метод позволяет повысить пропускную способность в сетях IEEE 802.11 до 22 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11а ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и основан на технологии OFDM (orthogonal frequency division multiplexing - механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих). Данная технология предусматривает передачу информации одновременно по многим поднесущим, образующим канал в 20 МГц. Поднесущие представляются в

виде fk(t) = ak sin(27t(f0 + kAf)t + (pk),

k = -26...26 и моделируются способом квадратурной модуляции: 2, 4, 16, 64 - позиционной BPSK, QPSK, 16-QAM, 64 - QAM. Суммарный сигнал на всех поднесущих определяется в виде

26

s(t)=ICke*"«>+k4f\ (1) -26

где Ск - комплексная амплитуда k-й поднесу-щей, мнимая и действительная составляющие которой соответствуют квадратурному (Q) и синфазному (I) каналам квадратурной модуля-

ции. OFDM-символ - это совокупность всех поднесущих на дискретном интервале длительностью Тр = 1 / AF. Информационная ёмкость

символа определяется типом модуляции информационных поднесущих и их числом [1].

Для преодоления межсимвольной интерференции в каждый OFDM-символ добавляется защитный интервал. Он транслируется в начале OFDM-символа - в результате задержанный и отражённый символы попадают в защищенный интервал и не повреждают прямой символ.

Спецификация IEEE 802.11g использует схему модуляции OFDM для диапазона 2,4 ГГц. Ввиду того, что затухание сигнала в диапазоне 2,4 ГГц ниже, чем в диапазоне 5 ГГц, стоимость развертывания сети снижается за счёт уменьшения плотности оборудования [1]. Для обеспечения бесконфликтной работы смешанной сети 802Л1 b/g используется механизм передачи служебных кадров rts/cts. Однако это приводит к снижению скорости передачи информации в сети [1]. Для повышения производительности сети компания Atheros предложила режим Turbo Mode, позволяющий увеличить номинальную скорость до 108 Мбит/с за счёт передачи информации одновременно по двум каналам. Корпорация Intersil представила технологию PRISM Nitro, включающую два основных элемента: защитный механизм и групповую передачу OFDM-кадров. Групповая передача пакетов предусматривает в смешанных сетях предоставлять каждому устройству для передачи одинаковые интервалы времени, а в однородных сетях 802.11g внутри группы между пакетами не вставляется служебный пакет CTS, используется короткий кадр подтверждения о получении гоуппы Г51.

i * ». J

Спецификация IEEE 802.1 In предназначена для расширения диапазона скоростей передачи данных свыше 100 Мбит/с в сетях 802.11. Увеличение скорости передачи данных в сетях ЕЕЕ 802.1 In осуществляется за счёт удвоения полосы пропускания с 20 до 40 МГц, применяя MIMO (multiple input multiple output) технологии многоканальных антенных систем. IEEE 802.1 In предусматривает поддержку L (Legacy) - традиционного режима работы и HT (High Throughput) - режима с высокой пропускной способностью. В НТ-режиме используется увеличенное число поднесущих в канале, увеличена скорость кодирования до 5/6, снижена длительность защитного интервала информационного символа Gl до 0.4 мкс.

Основное отличие стандарта IEEE 802.1 In от других спецификаций 802.11 - использование

(wkstn 2) Attributes

Attribute

(J) rname © model

© (- Destination Address CD 0 Traffic Generation Parameters ф Wireless LAN MAC Address

——^M» IMilMMH IXIIIIOIUIIK

Value wkstn 2

w(.3n_station_adv Random

(...)

Auto Assigned

Wïflsié'e

ШЗЖЖШ: S (...)

Рис. 2. Модель взаимодействия беспроводных локальных сетей

нескольких антенных каналов в приёмнике и передатчике. Обязательным режимом является поддержка двух антенных каналов оборудованием точек доступа и одного канала пользовательской станцией. После скремблирования данные поступают на сверточные кодеры, в которых поддерживается скорость кодирования 5/6. Затем поток битов разбивается на пространствен-но-разделённые потоки (spatial streams). Число пространственных потоков Nss равно числу антенных каналов Ntx. Алгоритм формирования пространственных потоков заключается в том, что входная последовательность разбивается на группы длиной

N -1

S= £s(ij,

где s(iss) = max(l,NbpSC (iss)/2) - число бит, определяющих действительную или мнимую составляющую комплексного модуляционного символа на одной под несущей, NbpScOs s) - число бит на поднесущую в одном OFDM-символе [1, 5, 6, 7].

В настоящее время широко применяется моделирование функционирования сетей с использованием программных моделирующих сред. Одной из наиболее часто используемых программ моделирования локальных сетей является OPNET и её свободно распространяемая версия OPNET IT Guru Academic [8, 9]. Создание новой сетевой модели в среде OPNET IT Guru Academic заключается в разработке нового проекта, который может объединять несколько сценариев. Каждый сценарий отражает отдельный аспект сети.

Рис. 3. Модель беспроводной

Сценарий Wlan_simpie демонстрирует основные особенности модели беспроводной локальной сети, в которой используется источник нагрузки, позволяющий моделировать трафик протоколов прикладного уровня. Беспроводная станция локальной сети (ЛС) стандарта IEEE802.il в OPNET представляется моделью узла беспроводной станции, которая включает описание уровня управления доступом к среде распространения сигнала (MAC); описание беспроводного интерфейс ЛВС; описание беспроводного передатчика ЛВС; описание беспроводного приёмника ЛВС. Описание беспроводного передатчика ЛВС - это модель получения кадров от MAC уровня и передача их на физический уровень. Для узла беспроводной сети устанавливаются значения параметров, показанных на рис. 1.

Рис. 1. Параметры модели узла беспроводной локальной сети IEEE 802.11

сети на основе сценария, описывающего использование проводной

сети управления

Load {Ыи/оос} М<х1М» Асам Detoy (»oc} Jxt s/doc)

wketn 1

2

2

г

cfiKx bWg *

Я7 Sbow Preview

Network 1

Наибольший интерес вызывают такие сценарии, представленные в OPNET, как wlandeployment: в сценарии рассматривается возможность многоадресной передачи по сети, беспроводные локальные сети объединены через проводную сеть управления (рис. 2).

В сценарии wlan_routed_network представлены 4 независимые беспроводные локальные сети, взаимодействующие через проводную сеть маршрутизаторов (рис. 3).

Таким образом, современные локальные беспроводные сети представлены сложными техническими структурами, при развертывании которых требуется большое количество сложных задач. Для снижения затрат проектирования и развертывания необходимо проводить моделирование процессов функционирования беспроводных сетей с использование программных моделирующих сред. OPNET предоставляет большие возможности для проведения данных работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шахнович, И. В. Современные технологии беспроводной связи / И. В. Шахнович. - М. : Техносфера, 2006. - 288с.

2. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Ed.

3. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : учебник для ву-

зов / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. - 3-е изд. СПб. : Питер, 2008.-958 с.

4. Ратынский, М. В. Основы сотовой связи / М. В. Ратынский; под ред. Д. Б. Зимина. - М. : Радио и связь, 1998. - 248 с.

5. Warren, J., Sargologos N. PRISM NITRO Introduction. Intersil. 2003.

6. Слюсар, В. И. Системы MIMO: принципы построения и обработка сигналов / В. И. Слюсар // Электроника. НТБ. - 2005. - №8. - С.52-58.

7. Шахнович, И. В. Беспроводные локальные сети. Анатомия стандарта IEEE 802.11 / И. В. Шахнович // Электроника: НТБ. - 2001. - №2. -С. 32-38.

8.http://www.quarta.ru/Pages/article.aspx7rootlD

=222&articleID=2471. - Применение решений OPNET в области исследований и разработки.

9. http://www.opnet.com/itguru-academic/ download, html. - Сайт фирмы-разработчика OPNET.

Назаров Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УВАУ ГА (института), докторант кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ с 2008 г. Круг интересов: системы и сети беспроводной связи, математические методы моделирования.

УДК 621.317.328

С. В. ЕЛЯГИН, В. Е. ДЕМЕНТЬЕВ

АНАЛИЗ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ (ППЭ) ВБЛИЗИ АНТЕНН СТАНДАРТА GSM

Предложен и обоснован механизм определения точки максимального уровня электромагнитного поля и направления на антенну, вносящую наибольший вклад в уровень сигнала. Приведены результаты измерений ППЭ на территории действия нескольких антенн стандарта GSM.

Ключевые слова: электромагнитное поле, плотность потока энергии, измерения, антенны GSM.

Поддержано грантом РФФИ 09-07-99002-р_офи.

Введение

В последнее время значительную актуальность имеют задачи, связанные с исследованиями экологической ситуации в той или иной об-

© Елягин С. В., Дементьев В. Е., 2009

ласти. Среди таких задач можно выделить экологический мониторинг электромагнитной обстановки. Важность задачи обусловливается широким распространением радиопередающих устройств высокой мощности и необходимостью контроля влияния этих устройств на здоровье населения. В работах [1-3] предложена новая технология дистанционного автономного