Физический уровень стандарта IEEE 802.11 состоит из двух подуровней. PLCP — этот уровень управляет обменом кадров между MAC-подуровнем и физическим уровнем. PMD — подуровень зависимости от физической среды. Этот подуровень обеспечивает интерфейс со средой передачи данных. Он определяет характеристики беспроводной среды и метод передачи данных беспроводными станциями через нее.
Спецификации семейства 802.11 имеют различные характеристики: скорость передачи, диапазон частот, ширину канала и т.д. Ниже приведены технические характеристики спецификаций физического уровня:
| Характеристики | Спецификации | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 802.11a | 802.11b | 802.11g | 802.11n | 802.11ag | |
| Стандарт принят | Сентябрь 1999 | Сентябрь 1999 | Июль 2003 | Сентябрь 2009 | Январь 2014 |
| Скорость передачи, Мбит/с | До 54 | До 11 | До 54 | До 600 | До 6939 |
| Диапазон частот, ГГц | 5 | 2,4 | 2,4 | 2,4 или 5 | 5 |
| Ширина канала, МГц | 20 | 22 | 20 или 22 | 20 или 40 | 20, 40, 80, 160 или 80+80 |
| Тип модуляции | OFDM | DSSS, CCK | DSSS, CCK, OFDM | DSSS, CCK, OFDM | OFDM |
| Антенная технология | SISO | SISO | SISO | MIMO | MIMO/MU-MIMO |
| Количество пространственных потоков | 1 | 1 | 1 | От 1 до 4 | От 1 до 8 |
Порядок и правила использования радиочастотного спектра определяется государством. В России роль регулятора выполняет Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). В США за регулирование отвечает FCC, в Европе — ERO и ETSI. Правила использования радиочастотного спектра необходимы для того, чтобы множество беспроводных устройств могло одновременно использовать одну полосу частот, не создавая помех друг другу.
В России для беспроводных сетей стандарта 802.11 выделены одна полоса в диапазоне 2,4 ГГц (2400-2483,5 МГц) и две полосы в диапазоне 5 ГГц (5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц). Частотные диапазоны 2,4 и 5 ГГц, в свою очередь, разбиваются на каналы, ширина и количество которых зависит от спецификации 802.11 и особенностей радиочастотного регулирования в конкретном государстве.
Технологии модуляции определяют, каким образом и на какой скорости данные передаются через беспроводную среду. Рассмотрим две основных приема — расширение спектра и мультиплексирование.
Технологии расширения спектра являются базовыми при организации передачи данных в беспроводных сетях стандарта 802.11. Изначально их использовали для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. При этом преобразовании мощность исходного сигнала не изменяется, а распределяется по более широкой полосе пропускания и становится сопоставима с мощностью шумов. Это позволяет сделать сигнал невосприимчивым к различным типам шумов и искажениям, дает возможность скрывать и шифровать сигналы и одновременно использовать одну полосу частот несколькими пользователями.
Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частот (FHSS). Её суть заключается в постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределяется по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты дает только небольшой шум. Последовательность несущих выбирается псевдослучайно. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции (например, частотная или фазовая).
Физический уровень FHSS стандарта 802.11 позволяет выполнять передачу данных на скоростях 1 и 2 Мбит/с. В более новых спецификациях (802.11b и 802.11g) используется более совершенный метод прямой последовательности (DSSS), более приспособленный для передачи данных на высоких скоростях. В DSSS также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от FSSS весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон. Как и в случае FHSS, для кодирования результирующего кода может использоваться любой вид модуляции.
Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметром, как пространство, время, частота и код. Задача мультиплексирования — выделить каждому каналу пространства, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальных использованием характеристик передающей среды.
В новых стандартах 802.11 используется механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (OFDM). Его суть заключается в том, что весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N – число поднесущих, назначенных данному передатчику. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться. Схема OFDM имеет несколько преимуществ: она помогает подавлять межсимвольную интерференцию и бороться с селективным замиранием.
Пусть антенна — это проводник, который может излучать и улавливать в/из окружающей среды электромагнитные волны. В 2008 году в новый стандарт Wi-Fi 802.11n вошла новая технология MIMO — multiple-in multiple out. Суть MIMO заключается в использовании нескольких антенн на передатчике и приемнике, передающих сигнал в отдельных пространственных потоках (например с использованием поляризации). При этом передающие и принимающие антенны разносятся таким образом, чтобы их сигналы слабо воздействовали друг на друга. MIMO помогает увеличить пропускную способность канала, либо улучшить качество передачи за счет избыточных антенн.
