le novità che
via via si
aggiungono sono quelle relative allo strato fisico. Ogni nuova tecnica
di modulazione adottata, produce una nuova istanza dello strato di
convergenza e del PLCP (Pysical
Layer Convergence Procedure), mentre le modifiche
più
strettamente hardware sono localizzate nel sotto-strato PMD (Physical
Media Dependent),
che
comunica con gli stati superiori per mezzo del SAP (Service
Access Point).
Quando le
SDU (Service Data Unit)
da
trasmettere
discendono di strato in strato, a queste viene aggiunta una intestazione, ed il risultato è detto PDU (Protocol Data Unit) che, quando consegnata allo strato inferiore, torna ad essere chiamata SDU (per il nuovo strato).
Con l'evoluzione degli standard 802.11, ci si è confrontati con l'esigenza di arricchire e migliorare il formato delle trame così costruite, mantenendo allo stesso tempo l'interoperabilità con le versioni precedenti dello standard.
Sia il preambolo che l'header sono trasmessi a 1 Mbit/s, con modulazione DBPSK (realizzabile anche come BPSK di un segnale differenziale), e quindi questi 192 bit durano esattamente 192 microsecondi; la parte PDSU, può invece essere trasmessa ad una delle velocità previste dall'802.11b. Il tipo di modulazione e la velocità sono specificate nei campi Signal e Service, come riportato sotto. Nel campo Length è riportato un intero, che indica il numero di microsecondi necessari alla trasmissione della PSDU. Questo tempo è valutato in accordo alla velocità di tramissione adottata.
Per aumentare ancora l'efficienza, è stato definito un secondo formato, con il preambolo più corto, e pari a soli 72 bit anziché 144:
discendono di strato in strato, a queste viene aggiunta una intestazione, ed il risultato è detto PDU (Protocol Data Unit) che, quando consegnata allo strato inferiore, torna ad essere chiamata SDU (per il nuovo strato).
Con l'evoluzione degli standard 802.11, ci si è confrontati con l'esigenza di arricchire e migliorare il formato delle trame così costruite, mantenendo allo stesso tempo l'interoperabilità con le versioni precedenti dello standard.
Formato di PLCP PPDU
Nella trattazione seguente, abbiamo scelto di ignorare il caso di Frequency Hopping (FH), presente nello standard 802.11 del 1999. In figura è mostrato il formato della Physical Protocol Data Unit (PPDU) associata alla Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) in versione lunga, come definita in 802.11b, in modo da essere interoperabile con la specifica originaria ad 1 e 2 Mbit/s del 1999.Sia il preambolo che l'header sono trasmessi a 1 Mbit/s, con modulazione DBPSK (realizzabile anche come BPSK di un segnale differenziale), e quindi questi 192 bit durano esattamente 192 microsecondi; la parte PDSU, può invece essere trasmessa ad una delle velocità previste dall'802.11b. Il tipo di modulazione e la velocità sono specificate nei campi Signal e Service, come riportato sotto. Nel campo Length è riportato un intero, che indica il numero di microsecondi necessari alla trasmissione della PSDU. Questo tempo è valutato in accordo alla velocità di tramissione adottata.
Per aumentare ancora l'efficienza, è stato definito un secondo formato, con il preambolo più corto, e pari a soli 72 bit anziché 144:
notiamo anche che il tempo
necessario
alla trasmissione dei 48 bits dello short PLCP Header ora è
dimezzato, dato che ora viene trasmesso a 2 Mbit/s in DQPSK.
Una stazione in grado di ricevere solo il formato lungo, non è in grado di acquisire il sincronismo con una trama con preambolo corto, ma è comunque in grado di rilevare la presenza di segnale, in modo da evitare collisioni. D'altra parte, le trame di controllo inviate come risposta, usano la stessa modulazione trovata nella richiesta; così come un AP che risponde ad uno scan attivo, usa la stessa modulazione trovata nella richiesta. In tal modo, una stazione in grado di gestire solo il preambolo lungo, può astenersi dal tentare di associarsi ad un AP che annuncia l'uso di preambolo corto.
Con il rilascio del'802.11g, esiste una ulteriore possibilità di formato, quella che impiega la modulazione OFDM per la PSDU e nota come DSSS-OFDM, di cui mostriamo solo la versione corta in cui preambolo e header PLCP sono gli stessi appena visti:
in cui notiamo che, appunto, la PSDU viene trasmessa in OFDM, secondo il formato illustrato sotto.
Ora che tutto è pronto per la trasmissione, la trama risultante viene fatta passare attraverso uno scrambler, in modo da evitare la presenza di lunghe sequenze di bit tutti uguali, che peggiorerebbero le prestazioni dei circuiti di recupero del sincronismo.
Quindi, la trama è inviata al modulatore (che può cambiare natura nel corso della trasmissione).
In ricezione, dopo demodulazione, un descrambler con una struttura del tutto simile effettua l'operazione inversa, con un circuito che semplicemente inverte tra loro i segnali di ingresso e di uscita. Il circuito e' autosincronizzante, ed esaurito un transitorio associato all'inizio del preambolo, dal descrambler inizia ad uscire una sequenza di uni (o di zeri, nel caso corto) che segna l'acquisizione del sincronismo.
Il ricevitore si pone pertanto in attesa dei 16 bit dell'SFD, e quindi verifica l'integrità del PLCP header. Dopodiché, con le informazioni ottenute, può procedere alla corretta demodulazione del resto della trama.
Effettuando una modulazione differenziale di fase a due livelli (DBPSK), ad ogni chip corrisponde la possibilità di assistere ad un cambio di fase della portante di 180° (se il chip è pari ad 1), oppure nessun cambio di fase (se il chip è pari a zero). Se non è applicata nessuna sagomatura all'impulso di modulazione, che quindi è rettangolare di base (1/11)·10-6, il segnale trasmesso esibirà uno spettro di densità di potenza con andamento (sinx/x)2 con lobo principale largo 22 MHz. Per evitare interferenza ai canali adiacenti, prima della trasmissione si applica un filtro che riduce la potenza nei lobi secondari come mostrato sotto.
Quindi in pratica, una trasmissione che poteva occupare 2 MHz, ora ne occupa 22. Qual'è il vantaggio? E' che la stessa potenza risulta distribuita su più banda, causando un minor livello di interferenza agli altri dispositivi; inoltre quando il ricevitore effettua l'operazione inversa (il despreading), il segnale utile torna ad occupare la sua banda di 2 MHz, e tale sarà l'ampiezza del filtro di ricezione; al contrario, eventuali segnali interferenti subiscono a loro volta (a causa del despreading) un effetto di spreading in ricezione, e quindi la potenza interferente risulta spalmata su più banda, tanto che parte di questa finisce fuori dal filtro di ricezione.
In definitiva l'operazione di spreading-despreading può portare un vantaggio di prestazioni denominato guadagno di processo, pari al rapporto tra la banda allargata e quella nominale, e con un fattore di spreading di 11 come nel nostro caso, si ottiene un guadagno di spreading superiore a 10 dB.
A(dB) = 40 + 40·log10 (d(m)) + M(dB)
ed assumendo un margine M contro il fading di 10 dB, e potenza trasmessa di 15 dBm (30 mW), si ottiene che ad 1 Mbps la portata risulta di 29 metri.
DSSS - DQPSK
In questo caso si raggiunge la velocità di trasmissione di 2
Mbit/s, pur mantenendo quella di segnalazione pari a 1 Msimboli/s,
attribuendo ad ogni simbolo 2 bit di informazione. Come prima, ad
ogni
bit da trasmettere si associano gli 11 chip della sequenza di Baker,
e
la sequenza di chip così ottenuta, viene presa 2 chip alla
volta, per produrre un segnale modulato QPSK differenziale, in
cui
ad ogni simbolo avviene un cambio di fase,
corrispondente alle seguenti coppie di chip:
I simboli utilizzati dal CCK sono quaternari, sono trasmessi con modulazione DQPSK, e realizzano una codifica di canale piuttosto robusta. Con 8 simboli quaternari (corrispondenti 4 od 8 bit della sequenza dati originaria) si rappresentano 48= 65536 diverse configurazioni, mentre con 4 (8) bit solo 24 = 16 (28 = 256). Pertanto, nel caso di trasmissione a 5.5 Mbit/s questa è tuttora protetta dalle interferenze mediante la presenza di una forte ridondanza realizzata vincolando il tipo di di codeword ammissibili, mentre ad 11 Mbit/s, per ogni 8 simboli quaternari sono trasmessi 28 = 256 bit di informazione.
Sempre 802.11b, prevede anche una codifica Packet Binary Convolutional Codig (PBCC), in cui si usa un codificatore convoluzionale che raddoppia i bit da trasmettere, ed una codifica QPSK in fase e quadratura.
Una stazione in grado di ricevere solo il formato lungo, non è in grado di acquisire il sincronismo con una trama con preambolo corto, ma è comunque in grado di rilevare la presenza di segnale, in modo da evitare collisioni. D'altra parte, le trame di controllo inviate come risposta, usano la stessa modulazione trovata nella richiesta; così come un AP che risponde ad uno scan attivo, usa la stessa modulazione trovata nella richiesta. In tal modo, una stazione in grado di gestire solo il preambolo lungo, può astenersi dal tentare di associarsi ad un AP che annuncia l'uso di preambolo corto.
Con il rilascio del'802.11g, esiste una ulteriore possibilità di formato, quella che impiega la modulazione OFDM per la PSDU e nota come DSSS-OFDM, di cui mostriamo solo la versione corta in cui preambolo e header PLCP sono gli stessi appena visti:
in cui notiamo che, appunto, la PSDU viene trasmessa in OFDM, secondo il formato illustrato sotto.
Generazione del CRC e del preambolo
Quando il PLCP riceve la SDU da trasmettere, provvede a generare il preambolo (con 128 uni se lungo, o con 56 zeri se corto), a cui aggiunge i 16 bit di SFD (Start Frame Delimiter), che nel caso lungo hanno il valore 1111001110100000, e nel caso corto, sono invertiti da destra a sinistra. Quindi, si aggiunge l'header, ed infine, si calcola il CRC necessario a verificare l'integrità dell'header PLCP, mediante il circuito/algoritmo CCITT CRC-16 mostrato sotto.Ora che tutto è pronto per la trasmissione, la trama risultante viene fatta passare attraverso uno scrambler, in modo da evitare la presenza di lunghe sequenze di bit tutti uguali, che peggiorerebbero le prestazioni dei circuiti di recupero del sincronismo.
Quindi, la trama è inviata al modulatore (che può cambiare natura nel corso della trasmissione).
In ricezione, dopo demodulazione, un descrambler con una struttura del tutto simile effettua l'operazione inversa, con un circuito che semplicemente inverte tra loro i segnali di ingresso e di uscita. Il circuito e' autosincronizzante, ed esaurito un transitorio associato all'inizio del preambolo, dal descrambler inizia ad uscire una sequenza di uni (o di zeri, nel caso corto) che segna l'acquisizione del sincronismo.
Il ricevitore si pone pertanto in attesa dei 16 bit dell'SFD, e quindi verifica l'integrità del PLCP header. Dopodiché, con le informazioni ottenute, può procedere alla corretta demodulazione del resto della trama.
DSSS - DBPSK
La modulazione Direct Sequence Spread Spectrum è stata adottata fin dalla versione 1999 dello standard. Al posto di ogni bit da trasmettere, viene trasmessa una sequenza di 11 chip, sempre uguale e pari a 10110111000 (se il bit vale zero, oppure pari al suo complemento 01001000111, se il bit vale 1), detta sequenza di Baker. Anche i chip sono bit, ma vengono chiamati così per distinguere gli uni dagli altri. Di fatto quindi, la trasmissione a velocità di 1 Mbit/s, ora produce un flusso di chip a velocità di 11 Mchip/s!Effettuando una modulazione differenziale di fase a due livelli (DBPSK), ad ogni chip corrisponde la possibilità di assistere ad un cambio di fase della portante di 180° (se il chip è pari ad 1), oppure nessun cambio di fase (se il chip è pari a zero). Se non è applicata nessuna sagomatura all'impulso di modulazione, che quindi è rettangolare di base (1/11)·10-6, il segnale trasmesso esibirà uno spettro di densità di potenza con andamento (sinx/x)2 con lobo principale largo 22 MHz. Per evitare interferenza ai canali adiacenti, prima della trasmissione si applica un filtro che riduce la potenza nei lobi secondari come mostrato sotto.
Quindi in pratica, una trasmissione che poteva occupare 2 MHz, ora ne occupa 22. Qual'è il vantaggio? E' che la stessa potenza risulta distribuita su più banda, causando un minor livello di interferenza agli altri dispositivi; inoltre quando il ricevitore effettua l'operazione inversa (il despreading), il segnale utile torna ad occupare la sua banda di 2 MHz, e tale sarà l'ampiezza del filtro di ricezione; al contrario, eventuali segnali interferenti subiscono a loro volta (a causa del despreading) un effetto di spreading in ricezione, e quindi la potenza interferente risulta spalmata su più banda, tanto che parte di questa finisce fuori dal filtro di ricezione.
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In definitiva l'operazione di spreading-despreading può portare un vantaggio di prestazioni denominato guadagno di processo, pari al rapporto tra la banda allargata e quella nominale, e con un fattore di spreading di 11 come nel nostro caso, si ottiene un guadagno di spreading superiore a 10 dB.
Sensibilità e portata
Imponendo un BER = 10–5, la sensibilità del ricevitore 802.11b è- –84 dBm @ 11 Mbps
- –87 dBm @ 5.5 Mbps
- –90 dBm @ 2 Mbps
- –93 dBm @ 1 Mbps
A(dB) = 40 + 40·log10 (d(m)) + M(dB)
ed assumendo un margine M contro il fading di 10 dB, e potenza trasmessa di 15 dBm (30 mW), si ottiene che ad 1 Mbps la portata risulta di 29 metri.
DSSS - DQPSK
In questo caso si raggiunge la velocità di trasmissione di 2
Mbit/s, pur mantenendo quella di segnalazione pari a 1 Msimboli/s,
attribuendo ad ogni simbolo 2 bit di informazione. Come prima, ad
ogni
bit da trasmettere si associano gli 11 chip della sequenza di Baker,
e
la sequenza di chip così ottenuta, viene presa 2 chip alla
volta, per produrre un segnale modulato QPSK differenziale, in
cui
ad ogni simbolo avviene un cambio di fase,
corrispondente alle seguenti coppie di chip:| didi+1 | delta fi |
| 00 | 0 |
| 01 | 90° |
| 11 | 180° |
| 10 | 270° |
HR/DSSS
Con lo standard 802.11b si raggiungono velocità di 5.5 ed 11 Mbit/s, grazie ad un diverso modo di assegnare i bit ai simboli trasmessi. Il Complementary Code Keying (CCK) mantiene una velocità di segnalazione fs di 11 Mbaud come nel caso DSSS, ma anzichè usare una sequenza PN di Baker lunga 11 chip per ogni bit da trasmettere, associa ad ogni sequenza di 4 o 8 bit una CodeWord di 8 simboli a quattro livelli, ottenendo così nei due casi una velocità velocità di trasmissione pari a 5.5 ed 11 Mbit/sec rispettivamente.I simboli utilizzati dal CCK sono quaternari, sono trasmessi con modulazione DQPSK, e realizzano una codifica di canale piuttosto robusta. Con 8 simboli quaternari (corrispondenti 4 od 8 bit della sequenza dati originaria) si rappresentano 48= 65536 diverse configurazioni, mentre con 4 (8) bit solo 24 = 16 (28 = 256). Pertanto, nel caso di trasmissione a 5.5 Mbit/s questa è tuttora protetta dalle interferenze mediante la presenza di una forte ridondanza realizzata vincolando il tipo di di codeword ammissibili, mentre ad 11 Mbit/s, per ogni 8 simboli quaternari sono trasmessi 28 = 256 bit di informazione.
Sempre 802.11b, prevede anche una codifica Packet Binary Convolutional Codig (PBCC), in cui si usa un codificatore convoluzionale che raddoppia i bit da trasmettere, ed una codifica QPSK in fase e quadratura.
Rampe di potenza
Dato che la coretta detezione della accensione del trasmettitore può essere cruciale ai fini del corretto funzionamento del meccanismo di Collison Avoidance, la specifica pone vincoli piuttosto severi a riguardo dei tempi di Power-Up e Power-Down del trasmettitore, riportati di seguito:Velocità di trasmissione
Come preannuciato sopra, nel campo Signal della PLCP PPDU si può trovare il codice che esprime la velocità di trasmissione e la tecnica di modulazione usata:| 802.11b | 802.11g | |||||
| Signal | Mbit/s | Modulazione | Signal | Mbit/s | Modulazione | |
| 0x0A | 1 | DBPSK | 0xDC | 22 | PBCC | |
| 0x14 | 2 | DQPSK | 0x21 | 33 | PBCC | |
| 0x37 | 5.5 | CCK | 0x1E | 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 | DSSS-OFDM | |
| 0x63 | 11 | CCK | ||||
Anche l'802.11g
prevede la possibilità di utilizzare la PBCC, permettendo di
ottenere due velocità particolari. D'altra parte, un intero
intervallo molto
vario di velocità diverse, può essere ottenuto
adottando
la stessa tecnica di modulazione OFDM. La modulazione OFDM si
presta
particolamente bene al caso di trasmissioni per le quali è
prevista l'insorgenza di fading selettivo, in quanto permette di
evitare il ricorso a complesse operazioni di equalizzazione.
Preambolo ed header in questo caso possono assumere una delle forme già previste, oppure assumere un nuovo formato particolare, come illustrato sotto, e che prende il nome di ERP-OFDM PPDU (in cui ERP = Extended Rate PHY), e che ha il vantaggio di non mescolare un preambolo DBPSK con un payload OFDM.
Le diverse velocità di 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s sono ottenute con simboli OFDM costituiti da 48 portanti (più 4 portanti pilota), ognuna delle quali modulata con 2, 4, 16 o 64 punti (ovvero BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM) e con codici convoluzionali con rate da 1/2, 2/3, 3/4. Ad esempio, trasmettendo 1 bit/portante con segnalazione BPSK, si hanno 1*48 = 48 bit/simbolo, che si riducono a 24 dopo decodifica di canale a rate 1/2; dato che un simbolo OFDM ha durata di 4 microsecondi, la velocità risulta pari a 24/(4*10-6) = 6*106.
La componente di sincronizzazione ha una durata di 16usec, ed il suo formato è riportato sotto.
Per i simboli OFDM, è specificato il rispetto di una maschera di emissione il cui andamento è il seguente:
802.11g e ERP-OFDM
Questo standard utilizza la stessa tecnica di modulazione (OFDM) precedentemente proposta per l'802.11a, che però opera a frequenze centrate attorno ai 5 GHz. Un pò perché in Europa quella banda non è libera, un pò perché la minor portata delle apparecchiature a quella frequenza, riduceva i vantaggi di una soluzione wireless, fatto sta che la 802.11a, pur se emessa nel 1999, non sembra aver mai preso veramente piede. Tutto il contrario della 802.11g, la cui offerta di mercato attuale sembra pilotare il rapido rimpiazzo dell'11b.Preambolo ed header in questo caso possono assumere una delle forme già previste, oppure assumere un nuovo formato particolare, come illustrato sotto, e che prende il nome di ERP-OFDM PPDU (in cui ERP = Extended Rate PHY), e che ha il vantaggio di non mescolare un preambolo DBPSK con un payload OFDM.
Le diverse velocità di 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s sono ottenute con simboli OFDM costituiti da 48 portanti (più 4 portanti pilota), ognuna delle quali modulata con 2, 4, 16 o 64 punti (ovvero BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM) e con codici convoluzionali con rate da 1/2, 2/3, 3/4. Ad esempio, trasmettendo 1 bit/portante con segnalazione BPSK, si hanno 1*48 = 48 bit/simbolo, che si riducono a 24 dopo decodifica di canale a rate 1/2; dato che un simbolo OFDM ha durata di 4 microsecondi, la velocità risulta pari a 24/(4*10-6) = 6*106.
La componente di sincronizzazione ha una durata di 16usec, ed il suo formato è riportato sotto.
Per i simboli OFDM, è specificato il rispetto di una maschera di emissione il cui andamento è il seguente:
Quando preambolo ed header
PLCP sono a
portante singola come per il DSSS-OFDM, lo
standard sfrutta le informazioni di
sincronizzazione acquisite in tale fase, per procedere alla
demodulazione della parte multiportante. In particolare, al
momento
della transizione tra i due i due tipi di modulazione,
dovrebbe
mantenersi la stessa
potenza, spettro, frequenza, fase e temporizzazione.
In particolare, si desidera
che
l'andamento spettrale sia lo stesso nei
due segmenti, in modo che l'equalizzatore stimato nel primo,
possa
essere direttamente utilizzato nel secondo. Per realizzare
questo
scopo, si lavora sia sulla parte OFDM, che su quella DBPSK.
Per quanto riguarda il
segmento OFDM,
questo viene finestrato
temporalmente, smussando la fase di attacco e di rilascio
con
un semiperiodo di coseno, di durata 0.1 microsec:
in questo modo, l'effetto
calcolato su
di una singola sottoportante, è quello di ridurre
notevolmente le code
della densità di
potenza:
Viceversa, l'impulso
elementare usato
per trasmettere preambolo ed header, è ottenuto a
partire dallo
spettro OFDM ideale rettangolare tra -9 e 9 MHz attorno
alla portante,
che antitrasformato fornisce un sinx/x.
Per ridurne l'estensione temporale, questo inpulso viene finestrato con un coseno rialzato, ottenendo un nuovo impulso dalle code che si azzerano molto più rapidamente, ed il cui andamento spettrale è già più somigliante a quello che dovrebbe avere un simbolo OFDM
Per ridurne l'estensione temporale, questo inpulso viene finestrato con un coseno rialzato, ottenendo un nuovo impulso dalle code che si azzerano molto più rapidamente, ed il cui andamento spettrale è già più somigliante a quello che dovrebbe avere un simbolo OFDM