802.11-сети образуются ноутбуками, мобильными телефонами и AP-инфраструктурами (AP, access point — точка доступа), которые располагаются в зданиях. Точки доступа иногда называют базовыми станциями. Точки доступа соединяются с проводной сетью, и вся связь между клиентами сети проходит через точку доступа. Кроме того, клиенты сети могут общаться друг с другом напрямую, например пара офисных компьютеров может обмениваться информацией без точки доступа в здании. Такая конфигурация называется беспроводной локальной сетью (ad hoc network). Она используется намного менее часто, чем режим с точкой доступа. Оба режима показаны на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Беспроводная сеть с точкой доступа (а); специальная сеть (б)
Передача сигналов в 802.11 осуществляется через воздушное пространство, а условия сильно зависят от окружающей среды. На частотах, используемых 802.11, радиосигналы отражаются от твердых объектов, таким образом, получатель может регистрировать не только основной сигнал, но и многократное эхо с нескольких направлений одновременно. Переотраженные сигналы могут заглушать или усиливать друг друга, приводя к колебанию уровня полученного сигнала. Это так называемые замирания вследствие многолучевого распространения. Данный эффект продемонстрирован на рис. 1.31.
Основной способ, позволяющий преодолеть меняющиеся условия беспроводной передачи, — передача информации несколькими независимыми путями. Таким образом, данные, вероятно, будут получены, даже если один из путей окажется заглушен из-за эффекта замирания. Эти независимые пути, как правило, встраиваются в цифровую схему модуляции на физическом уровне. Вариантов много — использование нескольких частот в пределах разрешенной полосы, варьирование путей передачи между разными парами антенн или повторение битов через некоторые промежутки времени.
Различные версии 802.11 использовали все перечисленные методы. Согласно начальному (1997) стандарту беспроводная ЛВС работала на скорости 1 или 2 Мбит/с, скачкообразно переключая частоты или размазывая сигнал по разрешенному частотному диапазону. Почти сразу люди стали жаловаться, что это слишком медленно, и началась разработка более быстрого стандарта. Вариант с широкополосными сигналами стал стандартом в 1999 году, 802.11b работал со скоростью до 11 Мбит/с. Стандарты 802.11a (1999) и 802.11g (2003) стали использовать другую схему модуляции — OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов). Данная схема делит широкую полосу спектра на множество узких фрагментов, по которым параллельно передаются различные биты. Улучшенная схема, которую мы изучим в главе 2, повысила скорость передачи 802.11a/g до 54 Мбит/с. Это — существенное увеличение, но люди все еще хотели, чтобы поддерживалась большая пропускная способность. Последняя версия — 802.11n (2009) — использует более широкие частотные диапазоны и до четырех антенн на компьютер, что позволяет достигнуть скоростей около 450 Мбит/с.
Рис. 1.31. Замирания вследствие многолучевого распространения
Так как беспроводная передача принципиально является широковещательной, 802.11-передатчики сталкиваются с проблемой одновременной передачи множества сигналов, которые интерферируют друг с другом, что может оказывать влияние на прием. Чтобы решить эту проблему, в 802.11 задействована схема CSMA (Carrier Sense Multiple Access), использующая идеи классического проводного Ethernet, которые были взяты из еще более ранней беспроводной сети — ALOHA, созданной на Гавайях. Компьютеры находятся в режиме ожидания передачи в течение короткого случайного интервала времени и задерживают сигнал, если какое-либо устройство передает информацию. Эта схема снижает вероятность ситуации, когда два компьютера отправят сигналы в одно и то же время. Но сама схема работы не такая, как в проводных сетях. Чтобы увидеть различия, изучите рис. 1.32. Предположим, что компьютер A передает сигнал компьютеру B, но уровня передатчика А недостаточно, чтобы сигнал достиг компьютера C. Допустим С собирается передать информацию компьютеру B, и тот факт, что он не «слышит» информации, передаваемой А, не означает, что его сигнал будет принят. Такая «глухота» C становится причиной некоторых проблем. После любого конфликта отправитель делает паузу на более длительный случайный интервал времени и повторно передает пакет. Несмотря на такие трудности и некоторые другие проблемы, на практике схема работает достаточно хорошо.