Стандарты беспроводных сетей

Сегодня мы рассмотрим все существующие стандарты IEEE 802.11, которые предписывают использование определенных методов и скоростей передачи данных, методов модуляции, мощности передатчиков, полос частот, на которых они работают, методов аутентификации, шифрования и многое другое.

С самого начала сложилось так, что некоторые стандарты работают на физическом уровне, некоторые — на уровне среды передачи данных, а остальные — па более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI.

Существуют следующее группы стандартов:

IEEE 802.11а, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac дописывают работу сетевого оборудования (физический уровень):
IEEE 802.11d. IEEE 802.11e. IEEE 802.11i. IEEE 802.11j. IEEE 802.11h и IEEE
802.11r — параметры среды, частоты радиоканала, средства безопасности, способы передачи мультимедийных данных и т. д.;
IEEE 802.11f IEEE 802.11с— принцип взаимодействия точек доступа между собой, работу радиомостов и т. п.

IEEE 802.11

Стандарт IE ЕЕ 802.11 был «первенцем» среди стандартов беспроводной сети. Работу над ним начали еще в 1990 году. Как и полагается, этим занималась рабочая группа из IEEE, целью которой было создание единого стандарта для радиооборудования, которое работало на частоте 2,4 ГГц. При этом ставилась задача достичь скорости 1 и 2 Мбит/с при использовании методов DSSS и FHSS соответственно.

Работа над созданием стандарта закончилась через 7 лет. Цель была достигнута но скорость. которую обеспечивал новый стандарт, оказалась слишком малой дли современных потребностей. Поэтому рабочая группа из IEEE начала разработку новых, более скоростных, стандартов.
Разработчики стандарта 802.11 учитывали особенности сотовой архитектуры системы. Почему сотовой? Очень просто: достаточно вспомнить, что волны распространяются в разные стороны на определенный радиус. Получается, что внешне зона напоминает соту. Каждая такая сота работает под управлением базовой станции, в качестве которой выступает точка доступа. Часто соту называют базовой зоной обслуживания.

Чтобы базовые зоны обслуживания могли общаться между собой, существует специальная распределительная система (Distribution System. DS). Недостатком распределительной системы стандарта 802.11 является невозможность роуминга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает работу компьютеров без точки доступа, в составе одной соты. В этом случае функции точки доступа выполняют сами рабочие станции.

Этот стандарт разработан и ориентирован на оборудование, функционирующее в полосе частот 2400-2483,5 МГц. При этом радиус соты достигает 300 м, не ограничивая топологию сети.

IEEE 802.11а

IEEE 802.11a это один из перспективных стандартов беспроводной сети, который рассчитан на работу в двух радиодиапазонах — 2,4 и 5 ГГц. Используемый метод OFDM позволяет достичь максимальной скорости передачи данных 54 Мбнт/с. Кроме этой, спецификациями предусмотрены и другие скорости:

обязательные 6. 12 н 24 Мбнт/с;
необязательные — 9, 18.3G. 18 и 54 Мбнт/с.

Этот стандарт также имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ можно отметить следующие:

использование параллельной передачи данных;
высокая скорость передачи;
возможность подключения большого количества компьютеров.

Недостатки стандарта IEEE 802.1 1a такие:

меньший радиус сети при использовании диапазона 5 ГГц (примерно 100 м): J большая потребляемая мощность радиопередатчиков;
более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием других стандартов;
для использования диапазона 5 ГГц требуется наличие специального разрешения.

Для достижения высоких скоростей передачи данных стандарт IEEE 802.1 1a использует в своей работе технологию квадратурной амплитудной модуляции QAM.

IEEE 802.11b

Работа над стандартом IEEE 802 11b (другое название IFEE 802.11 High rate, высокая пропускная способность) была закончена в 1999 году, и именное ним связано название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность).

Работа данного стандарта основана на методе прямого расширения спектра (DSSS) с использованием восьмиразрядных последовательностей Уолша. При этом каждый бит данных кодируется с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). Это позволяет достичь скорости передачи данных 11 Мбит/с.

Как и базовый стандарт, IEEE 802.11b работает с частотой 2.4 ГГц, используя не более трех не перекрывающихся каналов. Радиус действия сети при этом составляет около 300 м.

Отличительной особенностью этого стандарта является то, что при необходимость (например, при ухудшении качества сигнала, большой удаленности от точки доступа. различных помехах) скорость передачи данных может уменьшаться вплоть до 1 Мбнт/с. Напротив, обнаружив, что качество сигнала улучшилось, сетевое оборудование автоматически повышает скорость передачи до максимальной Этот механизм называется динамическим сдвигом скорости.

Кроме оборудования стандарта IEEE 802.11b. часто встречалось оборудование IEEE 802.11Ь*. Отличие между этими стандартами заключается лишь в скорости передачи данных. В последнем случае она составляет 22 Мбит/с благодаря использованию метода двоичного пакетного свёрточного кодирования (Р8СС).

IEEE 802.11d

Стандарт IEEE 802.11d определяет параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Этот стандарт очень важен, поскольку для работы сетевого оборудования используются радиоволны. Если они не будут соответствовать указанным параметрам. То могут помешать другим устройствам. работающим в этом или близлежащем диапазоне частот.

IEEE 802.11е

Поскольку но сети могут передаваться данные разных форматов и важности, существует потребность в механизме, который бы определял их важность и присваивал необходимый приоритет. За это отвечает стандарт IEEE 802.11е, разработанный с целью передачи потоковых видео- или аудиоданных с гарантированным качеством и доставкой.

IEEE 802.11f

Стандарт IEEE 802.11f разработан с келью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter-Access Point Protocol), который необходим для передачи данных между точками доступа При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

IEEE 802.11g

Вторым по популярности на сегодняшний день стандартом можно считать стандарт IEEE 802.11g. Целью создания данного стандарта было достижение скорости передачи данных 54 Мбит/с.
Как и IEEE 802.11b. стандарт IEEE 802.11g разработан для работы в частотном диапазоне 2,4 ГГц. IEEE 802.11g предписывает обязательные и возможные скорости передачи данных:

обязательные —1;2;5,5;6; 11; 12 и 24 Мбит/с;
возможные — 33;36;48 н 54 Мбит/с.

Для достижения таких показателен используется кодирование с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). метод ортогонального частотною мультиплексирования (OFDM), метод гибридного кодирования (ССК-OFDM) и метод двоичною пакетного свёрточного кодирования (РВСС).

Стоит отметить, что одной и той же скорости можно достичь разными методами, однако обязательные скорости передачи данных достигаются только с помощью методов ССК п OFDM, а возможные скорости с помощью методов ССК-OFDM и РВСС.

Преимуществом оборудования стандарта IEEE 802.11g является совместимость с оборудованием IEEE 802.11b. Вы сможете легко использовать свои компьютер с сетевой картой стандарта IEEE. 802.11b для работы с точкой доступа стандарта IEEE 802.11g. и наоборот. Кроме того, потребляемая мощность оборудования этого стандарта намного ниже, чем аналогичного оборудования стандарта IEEE 802.11а.

IEEE 802.11h

Стандарт IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде МАС (Media Access Control, управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11a.

В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами н т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети.

Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том. что при обнаружении отраженных сигналов ( интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

IEEE 802.11i

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции зашиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

AES (Advanced Encryption Standard, передовой алгоритм шифрования данных) — алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128. 15)2 и 256 бит;
RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service, служба дистанционной аутентификации пользователя) — система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими. включающая в себя алгоритмы проверки ПОДЛИННОСТИ пакетов и т.д.;
TKIР (Temporal Key Integrity Protocol, протокол целостности временных ключей) — алгоритм шифрования данных;
WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) — алгоритм шифрования данных;
ССМР (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) — алгоритм шифрования данных.

IEEE 802.11 j

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования беспроводных сетей в Японии, а именно для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4.9-5 ГГц. Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4.9 ГГц.
На данный момент частота 4,9 ГГц рассматривается как дополнительный диапазон для использования в США. Из официальных источников известно, что этот диапазон готовится для использования органами общественной и национальной безопасности.
Данным стандартом расширяется диапазон работы устройств стандарта IEEE 802.11a.

IEEE 802.11n

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n самый распространенный из всех стандартов, касающихся беспроводных сетей.

В основе стандарта 802.11n:

Увеличение скорости передачи данных;
Увеличение зоны покрытия;
Увеличение надежности передачи сигнала;
Увеличение пропускной способности.

Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц.

На физическом уровне (PHY) реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.

На сетевом уровне (MAC) реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g (в настоящее время эти устройства уже считаются устаревшими).

В реальности, производительность беспроводной локальной сети зависит от многочисленных факторов, таких как среда передачи данных, частота радиоволн, размещение устройств и их конфигурация. При использовании устройств стандарта 802.11n, крайне важно понять, какие именно усовершенствования были реализованы в этом стандарте, на что они влияют, а также как они совмещаются и сосуществуют с сетями устаревшего стандарта 802.11a/b/g беспроводных сетей. Важно понять, какие именно дополнительные особенности стандарта 802.11n реализованы и поддерживаются в новых беспроводных устройствах.

Одним из основных моментов стандарта 802.11n является поддержка технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output, Многоканальный вход/выход).
С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, вместо одной.

Стандарт 802.11n определяет различные антенные конфигурации «МхN», начиная с «1х1» до «4х4» (самые распространенные на сегодняшний день это конфигурации «3х3» или «2х3»). Первое число (М) определяет количество передающих антенн, а второе число (N) определяет количество приемных антенн. Например, точка доступа с двумя передающими и тремя приемными антеннами является «2х3» MIMO-устройством. В дальнейшем я более подробно опишу этот стандарт

IEEE 802.11г

Ни в одном беспроводном стандарте толком не описаны правила роуминга, то есть перехода клиента от одной зоны к другой. Это намереваются сделать в стандарте IEEE 802.11г.

Стандарт IEEE 802.11ac

Он обещает гигабитные беспроводные скорости для потребителей.

Первоначальный проект технической спецификации 802.11ac был подтвержден рабочей группой (TGac) в прошлом году, в то время как ратификация Wi-Fi Alliance ожидается в конце этого года. Несмотря на то, что стандарт 802.11ac пока в стадии проекта и еще должен быть ратифицирован Wi-Fi Alliance и IEEE, мы уже начинаем видеть продукты гигабитного Wi-Fi, доступные на рынке.

Характеристики стандарта нового поколения Wi-Fi 802.11ac:

WLAN 802.11ac использует целый ряд новых методов для достижения огромного прироста производительности к теоретически поддерживает гигабитный потенциал и обеспечение высоких пропускных способностей, таких как:

6GHz полоса
Высокая плотность модуляции до 256 QAM.
Более широкие полосы пропускания — 80MHz для двух каналов или 160MHz для одного канала.
До восьми Multiple Input Multiple Output пространственных потоков.

Многопользовательские MIMO низкого энергопотребления 802.11ac ставят новые проблемы для разработки инженеров, работающих со стандартом. Далее мы обсудим эти проблемы и доступные решения, которые помогут разработке новых продуктов, основанных на этом стандарте.

Более широкая полоса пропускания:
802.11ac имеет более широкую полосу пропускания 80 MHz или даже 160 MHz по сравнению с предыдущим до 40 MHz в стандарте 802.11n. Более широкая полоса пропускания приводит к улучшению максимальной пропускной способности для цифровых систем связи.

Среди наиболее сложных задач проектирования и производства — генерация и анализ сигналов широкой полосы пропускания для 802.11ac. Потребуется тестирование оборудования, способного обрабатывать 80 или 160 MHz для проверки передатчиков, приемников и компонентов.

Для генерации 80 MHz сигналов, многие генераторы RF сигналов не имеют достаточно высокой частоты дискретизации для поддержки типичного минимума 2X соотношения пере дискретизации, которые дадут в результате необходимые образы сигналов. Используя правильные фильтрации и пере дискретизации сигнала из Waveform файла, возможно генерировать 80 MHz сигналы с хорошими спектральными характеристиками и EVM.

Для генерации сигналов 160 MHz, в широком диапазоне генератор волновых сигналов произвольной формы (AWG), такие как Agilent 81180A, 8190A могут быть использованы для создания аналоговых I/Q сигналов. Эти сигналы могут быть применены к внешнему I/Q. Как входы векторного генератора сигналов для преобразования частоты RF. Кроме того, можно создать 160 MHz сигналы с использованием 80 +80 MHz режима поддерживающего стандарт для создания двух сегментов 80 MHz в отдельных MCG или ESG генераторах сигнала, объединив затем радиосигналы.

MIMO:
MIMO является использованием нескольких антенн для повышения производительности системы связи. Вы могли видеть некоторые Wi-Fi точки доступа, имеющие более одной антенны, торчащие из них, — эти маршрутизаторы используют технологию MIMO.

Проверкой MIMO конструкций является изменение. Многоканальный генерации и анализ сигналов могут быть использованы для представления о производительности устройств MIMO и оказания помощи в устранении неполадок и проверки проектов.

Усилитель Линейности:
Усилитель Линейности является характеристикой и усилителем с помощью которого выходной сигнал усилителя остается верным входному сигналу по мере возрастания. Реально усилители линейности линейны только до предела, после которого выход насыщается.

Есть много методов для улучшения линейности усилителя. Цифровой предыскажения является одним из таких технику. Автоматизация проектирования программного обеспечения, как SystemVue обеспечивает приложение, которое упрощает и автоматизирует цифрового дизайна предыскажений для усилителей мощности.

Совместимость с предыдущими версиями
Хотя стандарт 802.11n используется уже в течение многих лет, до сих пор также работают многие маршрутизаторы и беспроводные устройства более старых протоколов 802.11b и 802.11g. Также и при переходе к 802.11ac, будут поддерживаться старые Wi-Fi стандарты и обеспечиваться обратная совместимость.

Пока это все. Если у Вас еще есть вопросы, можете смело написать мне в, Twitter, или Google+ или в Facebook, или задать их в разделе комментариев ниже.