Стандарты беспроводной связи 802.11. Wi-Fi, Стандарты. Безопасность для здоровья

30.10.2019

Аудио

Существует несколько разновидностей WLAN-сетей, которые различаются схемой организации сигнала, скоростями передачи данных, радиусом охвата сети, а также характеристиками радиопередатчиков и приемных устройств. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac и другие.

Первыми в 1999 г. были утверждены спецификации 802.11a и 802.11b, тем не менее наибольшее распространение получили устройства, выполненные по стандарту 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11b

Стандарт 802.11b основан на методе широкополосной модуляции с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Весь рабочий диапазон делится на 14 каналов, разнесенных на 25 МГц для исключения взаимных помех. Данные передаются по одному из этих каналов без переключения на другие. Возможно одновременное использование всего 3 каналов. Скорость передачи данных может автоматически меняться в зависимости от уровня помех и расстояния между передатчиком и приемником.

Стандарт IEEE 802.11b реализует максимальную теоретическую скорость передачи 11 Мбит/с, что сравнимо с кабельной сетью 10 BaseT Ethernet. Следует учитывать, что такая скорость возможна при передаче данных одним WLAN-устройством. Если в среде одновременно функционирует большее число абонентских станций, то полоса пропускания распределяется между всеми и скорость передачи данных на одного пользователя падает.

Стандарт Wi-Fi 802.11a

Стандарт 802.11a был принят в 1999 году, тем не менее нашел свое применение только с 2001 года. Данный стандарт используется, в основном, в США и Японии. В России и в Европе он не получил широкого распространения.

В стандарте 802.11a применяется схема модуляции сигнала - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Основной поток данных разделяется на несколько параллельных субпотоков с относительно низкой скоростью передачи, и затем для их модуляции применяется соответствующее число несущих. Стандартом определены три обязательные скорости передачи данных (6, 12 и 24 Мбит/с) и пять дополнительных (9, 18, 24, 48 и 54 Мбит/с). Также имеется возможность одновременного использования двух каналов, что повышает скорость передачи данных в 2 раза.

Стандарт Wi-Fi 802.11g

Стандарт 802.11g окончательно был утверждён в июне 2003г. Он является дальнейшим усовершенствованием спецификации IEEE 802.11b и реализует передачу данных в том же частотном диапазоне. Главным преимуществом этого стандарта является повышенная пропускная способность - скорость передачи данных в радиоканале достигает 54 Мбит/с по сравнению с 11 Мбит/с у 802.11b. Как и IEEE 802.11b, новая спецификация функционирует в диапазоне 2,4 ГГц, однако для повышения скорости используется та же схема модуляции сигнала, что и в 802.11a - ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

Стандарт 802.11g совместим с 802.11b. Так адаптеры 802.11b могут работать в сетях 802.11g (но при этом не быстрее 11 Мбит/с), а адаптеры 802.11g могут снижать скорость передачи данных до 11 Мбит/с для работы в старых сетях 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11n

Стандарт 802.11 n был ратифицирован 11 сентября 2009. Он увеличивает скорость передачи данных практически в 4 раза по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Максимальная теоретическая скорость передачи данных составляет 600 Мбит/с, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне – до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n функционируют в частотных диапазонах 2,4 – 2,5 или 5,0 ГГц.

В основе стандарта IEEE 802.11n лежит технология OFDM-MIMO. Большинство функционала позаимствовано из стандарта 802.11a, тем не менее в стандарте IEEE 802.11n имеется возможность применения как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. Таким образом, устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут функционировать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается за счет: удвоения ширины канала с 20 до 40 МГц, а также вследствие реализации технологии MIMO.

Стандарт Wi-Fi 802.11ac

Стандарт 802.11ас представляет собой дальнейшее развитие технологий, введенных в стандарт 802.11n. В спецификациях устройства стандарта 802.11ас отнесены к классу VHT (Very High Throughput) – с очень высокой пропускной способностью. Сети стандарта 802.11ас работают исключительно в диапазоне 5 ГГц. Полоса радиоканала может составлять 20, 40, 80 и 160 МГц. Возможно также объединение двух радиоканалов 80 + 80 МГц.

Сравнение 802.11n и 802.11ac

802.11 n	802.11ас
Полоса пропускания 20 и 40 МГц	Добавлена ширина канала 80 и 160 МГц
Диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц	Только 5 ГГц
Поддерживает модуляции 2-ФМ, 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ	К модуляциям 2-ФМ, 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ добавлена 256-КАМ
Однопользовательская передача MIMO	Многопользовательская передача MIMO
Агрегация МАС-фреймов: A-MSDU, A-MPDU	Расширенные возможности агрегации МАС-фреймов

Источники:

1. А.Н. Степутин, А.Д. Николаев. Мобильная связь на пути к 6G . В 2 Т. – 2-е изд. - Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. – 804с. : ил.

2. А.Е. Рыжков, В. А. Лаврухин Гетерогенные сети радиодоступа: учебное пособие. - СПб. : СПбГУТ, 2017. – 92 с.

Тема работы:

"Планирование беспроводной сети Wi - Fi стандарта 802.11 n "

Выполнила:

студентка группы 218

Асеева Елена

1 часть: введение.

2 часть: анализ функциональных возможностей и систематизация пакетов ПО для планирования радиосетей стандартов IEEE 802.11.

3 часть: демонстрация приёма планирования радиосети IEEE 802.11 n для произвольного помещения с помощью любого из рассмотренных пакетов ПО.

Введение

У каждой эпохи есть своё лицо с присущими ей технологическими чертами. К ак известно, Wi-Fi (сокращённо от англ. Wireless Fidelity - беспроводная точность) представляет собой популярную технологию передачи данных между электронными устройствами посредством их беспроводного соединения в сеть или подключения к Интернету . Фундаментальной основой такой передачи служат высокочастотные радиоволны.

Wi-Fi технология возникла благодаря принятию решения федеральной комиссии по связи Соединенных Штатов Америки (FCC, 1985 год) об открытии нескольких полос беспроводного спектра для использования без государственной лицензии. Эти полосы уже использовались для всякого рода оборудования, такого как, например, микроволновые печи. Для работы в этих частотах, устройства должны использовать технологию «распространения спектра». Благодаря этой технологии, радио сигнал распространяется в более широком диапазоне частот, делая сигнал менее чувствительным к помехам и трудно перехватываемым. Изначально устройства Wi-Fi были предназначены для корпоративных пользователей, чтобы заменить традиционные кабельные сети. Для проводной сети требуется тщательная разработка топологии сети и прокладка вручную многих сотен метров кабеля.

Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в офисном здании с целью повышения уровня информатизации, предоставления современных услуг связи : высокоскоростного доступа в Интернет, компьютерной сети на базе технологии Wi - Fi (стандарт IEEE 802.11n ) .

Актуальность данной работы подтверждается тем, что в настоящее время в области телекоммуникаций наблюдается стремительный рост интереса к использованию техники широкополосного доступа. Использование технологий Wi-Fi в России позволит ускорить процесс внедрения современных инфокоммуникаций и, что особенно важно, обеспечить в короткие сроки возможность подключения к сети Интернет сельских школ и жителей отдаленных районов нашей страны.

1 Теоретические основы беспроводных сетей Wi - Fi

1.1 Обзор сетей беспроводного доступа

Существует принятая классификация основных видов сетей радиодоступа (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Классификация сетей беспроводного доступа

1.1.1 Персональные беспроводные сети доступа WPAN

Сети WPAN предназначены для беспроводного соединения в пределах рабочего места. Примером такой технологии является Bluetooth, разработанный в 1998 г. группой компаний Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. В 2003 г. ГКРЧ (Государственная комиссия по радиочастотам) России приняла решение о свободном использовании Bluetooth в полосе частот 2400-2483,5 МГц, что способствовало широкому распространению устройств с модулями Bluetooth.

1.1.2 Беспроводные локальные сети WLAN

Основное назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) - организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения - это организация общественных коммерческих точек доступа в людных местах - гостиницах, аэропортах, кафе. Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11.

1.1.3 Распределенные беспроводные сети WirelessAccess

и городские сети WMAN

В отличие от сетей Wi - Fi , изначально предназначавшихся для внутри-офисного использования. Это сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Access Network ) или региона, сети операторского класса. Технология распределенных сетей, в отличие от WLAN и Wi-Fi, изначально использует неколлизионный метод доступа, позволяющий предоставлять клиенту фиксированный канал передачи данных с фиксированной задержкой, что является необходимым условием для построения сетей операторского класса.

1.2 Основные классы сетей Wi-Fi

Существуют три основных класса сетей Wi-Fi:

● беспроводные сети организаций в пределах одного здания;

● хоспоты (публичные беспроводные сети);

● домашние беспроводные сети (например, сеть внутри квартиры или в небольшом магазине).

Публичные беспроводные сети Wi-Fi развертываются в местах большого скопления людей. Для этого в соответствующих местах устанавливаются базовые станции. Клиент, располагающий ноутбуком или КПК с адаптером Wi-Fi и находящийся в зоне обслуживания базовой станции, может подключиться к беспроводной сети и получить необходимый ему сервис. При этом оператор связи сам решает, когда следует ограничить скорость доступа, чтобы подключить большее число клиентов и обеспечить устойчивость связи. За рубежом хоспоты предоставляют своим клиентам интернет-доступ со скоростями от 64 кбит/с до 5 Мбит/с.

1.3 Группа стандартов Wi-Fi IEEE 802.11

Разработкой стандартов Wi-Fi 802.11 занимается организация IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers).

IEEE 802.11 – базовый стандарт для сетей Wi-Fi, который определяет набор протоколов для самых низких скоростей передачи данных.

IEEE 802.11b – описывает бо льшие скорости передачи и вводит больше технологических ограничений.Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Утверждён в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: DSSS. Модуляции: DBPSK и DQPSK. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps.

IEEE 802.11a – описывает значительно более высокие скорости передачи чем 802.11b.Используются частотные каналы в частотном спектре 5GHz. Протоколне совместим с 802.11b. Утверждён в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: OFDM. Модуляции:BPSK,QPSK,16-QAM,

64-QAM. Максимальные скорости передачи данных в канале: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54Mbps.

IEEE 802.11g – описывает скорости передачи данных эквивалентные 802.11а.Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 802.11b. Утверждён в 2003 году. Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM. Модуляции: DBPSK и DQPSK. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11Mbps на DSSS и
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

IEEE 802.11n – самый передовой коммерческий Wi-Fi-стандарт, на данный момент, официально разрешенный к ввозу и применению на территории РФ. В 802.11n используются частотные каналы в частотных спектрах Wi-Fi 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11a/11g. Сам стандарт Wi-Fi 802.11n вышел 11 сентября 2009 года.
Поддерживаются частотные каналы Wi-Fi шириной 20MHz и 40MHz (2x20MHz). Используемая радиочастотная технология: OFDM.

В Таблице 1 указаны основные характеристики стандартов.

Таблица 1 - Сводная таблица Wi-Fi стандартов

Стандарт	802.11b	802.11a	802.11g	802.11n
Рабочая частота	2.4 GHz	5 GHz	2.4GHz	2.4 GHz и 5 GHz
Скорость беспроводного соединения	1, 2, 5.5, 11Mbps	6, 9, 18, 24, 36, 48, 54Mbps	1, 2, 5.5, 11Mbps - DSS 6, 9, 18, 24, 36, 48, 54Mbps - OFDM	600Mbps
Реальная скорость передачи данных	4~6 Mbps	15~22Mbps	15~22Mbps	480Mbps
Дальность действия внутри помещения	30~50 м	30~50 м	30~50 м	Более 150 м
Совместимые стандарты	802.11g	Нет	802.11b	802.11 n, 802.11b/g
Преимущества	Совместимость с 802.11g, дешевый	Снижены взаимные помехи, больше не перекрываемых каналов	C овместимость с 802.11b, высокая скорость передачи данных	Совместимость с 802.11b/g, значительное увеличение скорости и дальности по сравнению с 802.11g
Возможность организации hot spot ("горячая точка")	Да	Нет	Да	Да

1.3.1 Технические особенности сетей 802.11n

Для того чтобы добиться пропускной способности в несколько сотен Мбит/с в стандарт 802.11n включены такие технологии как MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), сдвоенные 40-МГц частотные каналы, объединение пакетов данных для сокращения накладных расходов.

Технология MIMO. Системы 802.11n оснащают несколькими антеннами и приемо-передатчиками. Общий поток информации разбивается на несколько потоков, каждый из которых передается через определенную антенну. Чем больше антенн и чем дальше они разнесены, тем выше потенциальная скорость передачи данных.

Сдвоенные частотные каналы. Современные беспроводные сети 802.11a/b/g используют частотные каналы шириной 20 МГц. В то время как оборудование сетей 802.11n позволяет объединять два 20 МГц канала в один 40 МГц. Делая спектр сигнала более широкополосным, но при сохранении ограничений на излучаемую мощность. Это позволяет повысить пропускную способность частотного канала в два раза. Наиболее эффективно такое объединение в диапазоне 5 ГГц, где может быть организовано до 19 частотных каналов, в то время как в диапазоне 2,4 ГГц только три.

Объединение пакетов данных. Технология 802.11n увеличивает эффективность использования частотных каналов, помещая несколько пакетов с данными приложений в один кадр, передаваемый радиопередатчиком. Данная технология позволяет существенно сократить накладные расходы при передаче большого числа пакетов малого размера.

Преимущества решений 802.11n:

Повышение пропускной способности беспроводных сетей Wi-Fi до десяти раз, особенно в диапазоне 5 ГГц.
Повышение нагрузочной способности - большее число беспроводных пользователей может одновременно работать с одной точкой доступа 802.11n.
Расширение зоны уверенного приемы за счет более эффективной антенной системы.

Недостатки решений 802.11n:

Исключительно широкополосный сигнал потенциально может создать помехи работе других беспроводных устройств - особенно в перегруженном диапазоне 2,4 ГГц.
Усложнение антенных систем приводит к увеличению габаритов устройств.
Увеличение числа передатчиков приведет к уменьшению времени работы от батарей портативных устройств.

Список используемой литературы :

1. «Беспроводные сети. Первый шаг» / Джим Гейер. – М.: Издательство: Вильямс, 2005

2. Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Чирков Д. Н. Беспроводные сети Wi-Fi -М : БИНОМ.:Лаборатория знаний, 2007.

3. Интернет-ресурсы: http:// www .wi-life.ru/

4. «WLAN: практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» / Томас Мауфер. – М.: КУДИЦ-Образ, 2005

IEEE 802.11 -- набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9; 2,4; 3,6 и 5 ГГц.

Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию в мобильных электронно-вычислительных устройствах: КПК и ноутбуках.

Институт инженеров по электротехнике и электронике -- IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E -- «Ай трипл и») -- международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

Стандарт	Частотный диапазон	Пропускная способность	Типичная скорость	Технологии



		300/600 Мбит/с	150/300 Мбит/с
		6,93 Гбит/с		OFDM, MIMO, Beamforming

Стандарт	Частотная полоса	Скорость передачи потока, Мбит/с	Число потоков
		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54

		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
		7,2; 14,4; 21,7; 28,9; 43,3; 57,8; 65; 72,2
	15; 30; 45; 60; 90; 120; 135; 150
	20/40/80/160 МГц	65; 130; 195; 260; 390; 520; 585; 650; 780; 866.7

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и, опционально, на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей -- IEEE 802.11a -- определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с брутто. Рабочий диапазон стандарта -- 5 ГГц.

Вопреки своему названию, принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b не является продолжением стандарта 802.11a, поскольку в них используются различные технологии: DSSS (точнее, его улучшенная версия HR-DSSS) ,технология DSSS (расширение спектра радиосигнала по принципу прямой последовательности), в 802.11b против OFDM, OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing -- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), в 802.11a. Стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

Долгое время IEEE 802.11b был распространённым стандартом, на базе которого было построено большинство беспроводных локальных сетей. Сейчас его место занял стандарт IEEE 802.11g, постепенно вытесняемый высокоскоростным IEEE 802.11n.

Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость соединения до 54 Мбит/с (брутто) и превосходя, таким образом, стандарт IEEE 802.11b, который обеспечивает скорость соединения до 11 Мбит/с. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость соединения будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость может достигать 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

Массовость беспроводных технологий связи в наше время просто поражает. Отдельной темы заслуживает технология IEEE 802.11. В городе практически невозможно найти место, где ноутбук или планшет «не нашел» хотя бы одну Wi-Fi сеть. В любом кафе, многоэтажном доме или офисе можно обнаружить несколько вещаний. Очень трудно недооценить ту нотку удобства, которую нам предоставляет эта технология.

Тот Wi-Fi, который мы используем сегодня, проделал большой и тернистый путь для удобства пользователя, к которому мы все с вами привыкли. Множество стандартов со своими особенностями передачи и частотными диапазонами сформировали то, без чего жизнь IT-шника или просто современного человека трудно представить. Не будем окунаться в историю, а только отметим, что на данный момент активно эксплуатируются стандарты 802.11g и 802.11n, которые работают в диапазоне 2,4 ГГц. В быту существует множество источников помех для беспроводных сетей, однако не они являются основной проблемой. Виновником большинства неудобств является сама точка Wi-Fi, а если быть точнее, то их большое количество вблизи друг друга. В виду популярности этой технологии и большой насыщенности мест вещания, пользователи могут сталкиваться с некоторыми трудностями в работе. Большое скопление беспроводных сетей может вызвать эффект накладывая частот друг на друга, что вызывает уменьшение скорости передачи или потерю соединения вовсе. Этот весомый недостаток, вызванный популяризацией беспроводной технологии, был одним из громких звоночков в WECA для внедрения стандарта IEEE 802.11ac.

При покупке 5ГГц роутера слово DualBand (Двухдиапазонный) отвлекает наше внимание от более важной сути, стандарта Wi-Fi, использующего несущую 5ГГц. В отличие от стандартов использующих несущую 2.4ГГц, уже давно знакомых и понятных, 5ГГц устройства могут использоваться в комплексе с 802.11n или 802.11ac стандартами (в дальнейшем AC стандарт и N стандарт).

Группа стандартов Wi-Fi IEEE 802.11 эволюционировала довольно динамично, от IEEE 802.11a, который обеспечивал скорости до 2 Мбит/с , через 802.11b и 802.11g, которые давали скорости до 11 Мбит/с и 54 Мбит/с соответственно. Затем появился стандарт 802.11n или просто n-стандарт. N-стандарт был настоящим прорывом, так как теперь через одну антенну можно было передавать трафик на немыслимой по тем временам скорости 150Мбит . Это достигалось за счёт использования передовых технологий кодирования (MIMO), более тщательного учёта особенностей распространения ВЧ волн, технологии удвоенной ширины канала, не статичный защитный интервал определяемый таким понятием как индекс модуляции и схемы кодирования.

Принципы функционирования 802.11n

Уже привычный 802.11n может применяться в одном из двух диапазонов 2.4ГГц и 5.0 ГГц. На физическом уровне кроме усовершенствованной обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны , через каждую антенну можно пропустить до 150Мбит/с , т.е. это теоретически 600Мбит. Однако, учитывая, что одновременно антенна работает либо на приём либо на вещание, то скорость передачи данных в одну сторону не превысит 75Мбит/с на антенну.

Многоканальный вход/выход (MIMO)

Впервые поддержка этой технологии появилась в стандарте 802.11n. MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output, что в переводе - многоканальный вход многоканальный выход.

С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема и передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, а не одну.

Стандарт 802.11n определяет различные конфигурации антенн от "1х1" до "4х4". Также возможны несиметричные конфигурации, например, "2х3", где первое значение означает количество передающих, а второе количество принимающих антенн.

Очевидно, максимальную скорость приёма передачи возможно достичь только при использовании схемы "4х4". На самом деле количество антенн не увеличивает скорость само по себе, однако это позволяет применять различные усовершенствованные методы обработки сигналов, которые автоматически выбираются и применяются устройством, в том числе и исходя из конфигурации антенн. Например, схема "4х4" с модуляцией 64-QAM обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, схема "3х3" и 64-QAM обеспечивает скорость до 450 Мбит/с, а схемы "1х2" и "2х3" до 300 Мбит/с.

Ширина полосы пропускания канала 40 МГц

Особенностью стандарта 802.11n является удвоенная ширина 20МГц канала, т.е. 40 МГц .Возможность поддержки 802.11n устройствами работающих на несущих 2.4ГГц и 5ГГц. В то время как стандарт 802.11b/g работает только на 2.4 ГГц, а 802.11a работает на частоте 5 ГГц. В полосе частот 2.4 ГГц для беспроводных сетей доступны всего 14 каналов, из них первые 13 разрешены в СНГ, с интервалами 5 МГц между ними. Устройства использующие стандарт 802.11b/g используют каналы шириной 20 МГц. Из 13 каналов 5 пересекающихся. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Т.е. не пересекающимися будут только три канала на полосе 20 МГц: 1, 6 и 11.

Режимы работы 802.11n

Стандарт 802.11n предусматривает работу в трёх режимах: High Throughput (читый 802.11n), Non-High Throughput (полная совместимость с 802.11b/g) и High Throughput Mixed (смешанный режим).

High Throughput(НТ) - режим с высокой пропускной способностью.

Точки доступа 802.11n используют режим High Throughput. Данный режим абсолютно исключает совместимость с предыдущими стандартами. Т.е. усройства не поддерживающие n-стандарт подключиться не смогут. Non-High Throughput(Non-HT) - режим с невысокой пропускной способностью Чтобы устаревшие устройства могли подключиться, все кадры отправляются в формате 802.11b/g. В этом режиме используется ширина канала 20 МГц для обеспечения обратной совместимости. При использовании этого режима данные передаются со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством, подключённым к данной точке доступа (или Wi-Fi роутеру).

High Throughput Mixed - смешанный режим с высокой пропускной способностью. Смешанный режим позволяет устройству работаь одновременно по стандарту 802.11n и 802.11b/g. Обеспечит обратную совместимость устаревших устройств, и устройств использующих стандарт 802.11n. Однако, пока старое устройство осуществляет прием-передачу данных, устаройство поддерживающее 802.11n ждёт своей очереди, и это сказывается на скорости. Также очевидно, что, чем больше трафика будет идти по стандарту 802.11b/g, тем меньшую производительность сможет показать 802.11n устройство в режиме High Throughput Mixed.

Индекс модуляции и схемы кодирования (MCS)

Стандарт 802.11n определяет понятие "Индекс модуляции и схемы кодирования"(Modulation and Coding Scheme). MCS - это простое целое число, присваиваемое варианту модуляции (всего возможно 77 вариантов). Каждый вариант определяет тип модуляции радиочастоты (Type), скорость кодирования (Coding Rate), защитный интервал (Short Guard Interval) и значения скорости передачи данных. Сочетание всех этих факторов определяет реальную физическую (PHY) скорость передачи данных, начиная от 6,5 Мбит/с до 600 Мбит/с (данная скорость может быть достигнута за счет использования всех возможных опций стандарта 802.11n).

Некоторые значения индекса MCS определенны и показаны в следующей таблице:

Расшифруем значения некоторых параметров.

Короткий защитный интервал SGI (Short Guard Interval) определяет интервал времени между передаваемыми символами. В устройствах стандарта 802.11b/g используется защитный интервал 800 нс, а в устройствах 802.11n есть возможность использования паузы всего в 400 нс. Короткий защитный интервал (SGI) повышает скорость передачи данных на 11 процентов. Чем короче этот интервал тем большее количество информации можно передать в единицу времени, однако, при этом точность определения символов падает, поэтому разработчиками стандарта подобрано оптимальное значение этого интервала.

MCS значения от 0 до 31 определяют тип модуляции и схемы кодирования, которые будут использоваться для всех потоков. MCS значения с 32 по 77 описывают смешанные комбинации, которые могут быть использованы для модуляций от двух до четырех потоков.

Точки доступа 802.11n должны поддерживать MCS значения от 0 до 15, в то время как 802.11n станции должны поддерживать MCS значения от 0 до 7. Все другие значения MCS, в том числе связанные с каналами шириной 40 МГц, коротким защитным интервалом (SGI), являются опциональными, и могут не поддерживаться.

Особенности AC стандарта

В реальных условиях ни одному стандарту не удалось добиться максимума своей теоретической производительности, поскольку на сигнал влияет множество факторов: электромагнитные помехи от бытовой техники и электроники, препятствия на пути сигнала, отражения сигнала, и даже магнитные бури. Из-за этого производители и продолжают работать над созданием еще более эффективных вариантов стандарта Wi-Fi, более приспособленного не только для домашнего, но и активного офисного использования, а также построения расширенных сетей. Благодаря этому стремлению, совсем недавно, родилась новая версия IEEE 802.11 — 802.11ac (или просто AC стандарт ).

Принципиальных отличий от N в новом стандарте не слишком много, но все они направлены на увеличение пропускной способности беспроводного протокола. В основном разработчики пошли путём улучшения преимуществ стандарта N. Самое заметное — расширение каналов MIMO с максимальных трех до восьми. Это значит, что вскоре мы сможем увидеть в магазинах беспроводные маршрутизаторы с восемью антеннами. А восемь антенн — это теоретическое удвоение пропускной способности канала до 800 Мбит/с, это не говоря о возможных шестнадцатиантенных устройствах.

Устройства стандартов 802.11abg работали на каналах шириной пропускания 20 МГц, а чистый N предполагает каналы шириной 40 МГц. В новом стандарте предусмотренно, что AC роутеры имеют каналы на 80 и 160 МГц, а это означает удвоение и учетверение канала удвоенной ширины.

Стоит отметить предусмотренную в стандарте улучшенную реализацию технологии MIMO — технологию MU-MIMO. Старые версии протоколов, совместимые со стандартом N, поддерживали полудуплексную передачу пакетов от устройства к устройству. То есть в момент, передачи пакета одним устройством, другие устройства могут работать только на прием. Соответственно, если одно из устройств подключается к роутеру, используя старый стандарт, тогда и другие будут работать медленнее из-за увеличившегося времени передачи пакетов устройству использующему старый стандарт. Это может быть причиной понижения качества характеристик беспроводной сети в случае, если к ней подключено много таких устройств. Технология MU-MIMO решает эту проблему, создавая многопоточный канал передачи, при использовании которого остальные устройства не ждут своей очереди. В то же время AC роутер должен быть обратносовместим с предыдущими стандартами.

Однако, конечно же есть и ложка дёгтя. В настоящее время по прежнему абсолютное большинство ноутбуков, планшетов, смартфонов не поддерживают не только AC стандарт Wi-Fi, а даже не умеют работать на несущей 5ГГц. Т.е. и 802.11n на 5ГГц им недоступна. Также сами AC роутеры и точки доступа могут в несколько раз превышать по стоимости роутеры ориентированные на использование стандарта 802.11n.

Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4……2,483 ГГц и в нескольких полосах вблизи 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможны несколько вариантов топологий:

независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Рис. 4.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Рис. 4.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Рис. 4.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Стандарт 802.11 имеет 3 варианта: 802.11a, b и g. Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1,

-1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения сигналов (рис. 4.11).

Рис.4.11. Многолучевое распространение сигналов

Идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни, тысячи!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц и десятков миллисекунд.

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 4.12а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 4.12б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T g , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T b увеличивается по сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT b /(T b +T g) раз.

u цис (t)

n инф.символов

u 1 t

u 2 t

u k t

u n t

Рис. 4.12. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальные созвездия при различных видах модуляции представлены на рис. 4.13.

Рассмотрим пример с передачей символов при модуляции 16-КАМ (рис. 4.14).

Рис. 4.13. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi, WiMA, LTE

Рис.4.14. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S k , передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

В примере на рис. 4.14,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(4.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F 1 : F k = kF 1 , а частота F 1 жестко связана с длительностью символа: F 1 = 1/T b . Следовательно, на временном отрезке T b укладывается k волн поднесущей часоты F k . Каждый символ S k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F k . Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u OFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 4.15 показаны поднесущие с частотами F 1 и F 2 и нулевыми начальными фазами на временном интервале T b .

Рис.4.15. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 4.16). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.4.16. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

Рассмотрим, как работает приёмник k -ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(4.2)

На частоте F k = kF 1

На любой другой поднесущей F p = pF 1

Поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.4.17), а на интервале T b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды.

Рис.4.17. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (4.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью точка доступа (АР) в радиоканале вниз и и терминал абонента в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные сигналы , т.е. заранее известные комплексные числа С(n) , принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В защитном интервале T g между символами (рис.4.12) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T g (рис. 4.18).

Рис. 4.18. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (4.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒T b , нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (4.3), а интегралы (4.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T g , на интервале интегрирования T b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (4.4) равны нулю.

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). На 4 поднесущих передают опорные сигналы. Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)