Создание системы доступа к сети Интернет с использованием технологии Wi-Fi в административном здании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное учреждение Калининградской области

профессиональная образовательная организация

«Технологический колледж»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Создание системы доступа к сети Интернет с использованием технологии Wi-Fi в административном здании

Выполнил Кривоногов Артур Анатольевич

33К программа подготовки специалистов среднего звена по специальности 09.02.02 Компьютерные сети Форма обучения очная

Руководитель курсовой работы преподаватель Самсонов Е.В.

Советск, 2020 г.



Содержание

Введение

1. Обзор технологии беспроводного доступа Wi-Fi

1.1 Особенности развития технологий беспроводного доступа

1.2 Беспроводные локальные сети WLAN

1.3 История развития

1.4 Основные стандарты

1.5 Топология беспроводных сетей Wi-Fi

1.6 Беспроводное оборудование, применяемое в Wi-Fi сетях

1.7 Wi-Fi адаптеры

2. Создание системы доступа к сети Интернет с использованием технологии Wi-Fi в административном здании

2.1 Выбор оборудования, выбор точки доступа

2.2 Выбор беспроводного коммутатора

Заключение

Список использованной литературы



Введение

беспроводный доступ сеть коммутатор

Во всем мире стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере бизнеса и IT технологий. Пользователи с беспроводным доступом к информации всегда и везде могут работать гораздо более производительно и эффективно, чем их коллеги, привязанные к проводным телефонным и компьютерным сетям, так как существует привязанность к определенной инфраструктуре коммуникаций.

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях, требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity - беспроводная связь) - стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11 разработанный в 1997г. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Беспроводные сети обладают, по сравнению с традиционными проводными сетями, немалыми преимуществами, главным из которых, конечно же, является:

- Простота развёртывания;

- Гибкость архитектуры сети, когда обеспечивается возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени;

- Быстрота проектирования и реализации, что критично при жестких требованиях к времени построения сети;

- Так же, беспроводная сеть не нуждается в прокладке кабелей (часто требующей дробления стен).

В то же время беспроводные сети на современном этапе их развития не лишены серьёзных недостатков. Прежде всего, это зависимость скорости соединения и радиуса действия от наличия преград и от расстояния между приёмником и передатчиком. Один из способов увеличения радиуса действия беспроводной сети заключается в создании распределённой сети на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании таких сетей появляется возможность превратить здание в единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения вне зависимости от количества стен (преград). Аналогично решается и проблема масштабируемости сети, а использование внешних направленных антенн позволяет эффективно решать проблему препятствий, ограничивающих сигнал.

Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в административном здании.



1. Обзор технологии беспроводного доступа Wi-FI

1.1 Особенности развития технологий беспроводного доступа

На заре развития радиотехники термин "беспроводный" (wireless) использовался для обозначения радиосвязи в широком смысле этого слова, т. е. буквально во всех случаях, когда передача информации осуществлялась без проводов. Позже это толкование практически вышло из обращения, и "беспроводный" стало употребляться как эквивалент термину "радио" (radio) или "радиочастота" (RF - radio frequency). Сейчас оба понятия считаются взаимозаменяемыми в том случае, если речь идет о диапазоне частот от 3 кГц до 300 ГГц. Тем не менее термин "радио" чаще используется для описания уже давно существующих технологий (радиовещание, спутниковая связь, радиолокация, радиотелефонная связь и т. д.). А термин "беспроводный" в наши дни принято относить к новым технологиям радиосвязи, таким, как микросотовая и сотовая телефония, пейджинг, абонентский доступ и т. п.

Различают три типа беспроводных сетей: WWAN (Wireless Wide Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WPAN (Wireless Personal Area Network)

Рисунок 1.1 Радиус действия персональных, локальных и глобальных беспроводных сетей

При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA - Broadband Wireless Access) применяются сходные технологии. Ключевое различие между ними (рис. 1.2) - диапазон рабочих частот и характеристики радиоинтерфейса. Сети WLAN и WPAN работают в нелицензионных диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, т. е. при их развертывании не требуется частотного планирования и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне. Сети BWA (BroadbandWirelessAccess) используют как лицензионные, так и нелицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).

Рисунок 1.2 Классификация беспроводных технологий

1.2 Беспроводные локальные сети WLAN

WLAN - это технология создания беспроводных локальных сетей, в которой используется алгоритм ортогонального мультиплексирования с разделением частот (OFDM) (за исключением версии 11b). В зависимости от конкретной спецификации максимальная дальность передачи лежит в диапазоне от нескольких до 100 метров. Сети WLAN работают в полосах частот (2,4 ГГц и 5 ГГц). Технология WLAN прекрасно приспособлена для использования сетевых протоколов IP и Ethernet. Поэтому она идеально подходит для организации беспроводного доступа в Интернет.

Технологии WLAN базируются на семействе стандартов 802.11. Многие организации и домашние пользователи используют Wi-Fi (Технологии WLAN, базирующиеся на семействе стандартов 802.11, часто обозначают термином Wi-Fi. Изначально данный термин был введен организацией Wi-Fi Alliance, для обозначения продуктов серии стандарта 802.11b, однако сегодня этот термин применятся для продуктов, соответствующих любому стандарту из семейства 802.11) как альтернативу проводным локальным сетям.

1.3 История развития

В 1990 г. Комитет по стандартам IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers). сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. Это группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2.4 ГГц со скоростями 1 и 2 Мбит/с. Работа по созданию стандарта были завершены через семь лет, и в июне 1997 г. была ратифицирована первая спецификация 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 стал первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации. Однако к моменту выхода стандарта в свет первоначально заложенная в нем скорость передачи данных оказалась недостаточной. Это послужило причиной последующих доработок, поэтому сегодня можно говорить о группе стандартов.



1.4 Основные стандарты

В настоящее время широко используется преимущественно три стандарта группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 1.1)

Таблица 1.1

Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

Стандарт	802.11g	802.11a	802.11n
Частотный диапазон, ГГц	2,4-2,483	5,15-5,25	2,4 или 5,0
Метод передачи	DSSS,OFDM	DSSS,OFDM	MIMO
Скорость, Мбит/с	1-54	6-54	6-300
Совместимость	802.11 b/n	802.11 n	802.11 a/b/g
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, 64-QAM
Дальность связи в помещении, м	20-50	10-20	50-100
Дальность связи вне помещения, м	250	150	500

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью равной 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.

Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний.

Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби.

Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно он подвергается фазовой модуляции. Причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная фазовая модуляция.

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе 802.11g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов 802.11b и 802.11g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом 802.11b, поддерживаются и в протоколе 802.11g. В этом плане до скорости 11 Мбит/с протоколы 802.11b и 802.11g совпадают друг с другом, за исключением того, что в протоколе 802.11g предусмотрены такие скорости, которых нет в протоколе 802.11b.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже три бита. Кроме того, в схему, за исключением сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture). Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных. Для этого можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных бит. Тогда каждым четырем входящим бит будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.

Технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM -- обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде.

Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но разные пути распространения отличаются друг от друга по длине, а потому ослабление сигнала будет для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, отмечают два крайних случая. В первом из них максимальная задержка между сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором -- максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку символ -- это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

По этой причине при высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть его заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время -- достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) -- циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа.

Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал -- 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции -- два информационных бита. Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g применяется модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая -- 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогонально частотное мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения сигнала.

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) -- 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) -- 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала -- в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рисунок 1.3). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 1.3 Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Стандарт IEEE 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные -- для передачи служебной информации (Pilot Тones).

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE 802.11а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором -- уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции и числом поднесущих. Поскольку для передачи данных применяются 48 поднесущих, емкость OFDM-символа составляет 48 x Nb, где Nb -- двоичный логарифм от числа позиций модуляции, или, проще говоря, количество бит, которые кодируются в одном символе в одном подканале. Соответственно емкость OFDM-символа составляет от 48 до 288 бит.

Последовательность обработки входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом. Первоначально входной поток данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной. Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с. При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (таблица 1.2).

Таблица 1.2

Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость сверточного кодирования	Количество бит в одном символе в одном подканале	Общее количество бит в символе (48 подканало)	Количество информационных бит в символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

После сверточного кодирования поток бит подвергается операции перемежения, или интерливинга. Суть ее заключается в изменении порядка следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу бит в OFDM-символе (NCBPS). Далее по определенному алгоритму производится двухэтапная перестановка бит в каждом блоке. На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как записывались, но из транспонированной матрицы). В результате такой операции первоначально соседние биты будут передаваться на несмежных поднесущих.

Затем следует этап второй перестановки битов, цель которого заключается в том, чтобы соседние биты не оказались одновременно в младших разрядах групп, определяющих модуляционный символ в сигнальном созвездии. То есть после второго этапа перестановки соседние биты оказываются попеременно в старших и младших разрядах групп. Делается это с целью улучшения помехоустойчивости передаваемого сигнала.

После перемежения последовательность бит разбивается на группы по числу позиций выбранного типа модуляции и формируются OFDM-символы.

Сформированные OFDM-символы подвергаются быстрому преобразованию Фурье, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы, которые затем подвергаются стандартной обработке -- модуляции.

Стандарт IEEE 802.11n

Этот стандарт был утверждён 11 сентября 2009. 802.11n по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз превышает производительность классического Wi-Fi.

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

- большая скорость передачи данных (около 300 Мбит/с);

- равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;

- совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

- большая мощность потребления;

- два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

- усложненная и более габаритная аппаратура.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц.

Рисунок 1.4 Принцип реализации технологии MIMO

Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность -- каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число. Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии.Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:

- Унаследованный режим (legacy mode).

- Смешанный режим (mixed mode).

- Режимзеленогополя (green field mode).

Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы -- служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO. Кроме того, структура преамбулы определяет некоторые первичные задачи приемника, такие как оценка мощности принимаемого сигнала для системы автоматической регулировки усиления, обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режимы работы станций MIMO.

Унаследованный режим. Этот режим предусмотрен для обеспечения обмена между двумя станциями с одной антенной. Передача информации осуществляется по протоколам 802.11а. Если передатчиком является станция MIMO, а приемником -- обычная станция, то в передающей системе используется только одна антенна и процесс передачи идет так же, как и в предыдущих версиях стандарта Wi-Fi. Если передача идет в обратном направлении -- от обычной станции в многоантенную, то станция MIMO использует много приемных антенн, однако в этом случае скорость передачи не максимальная. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как в версии 802.11а.

Смешанный режим. В этом режиме обмен осуществляется как между системами MIMO, так и между обычными станциями. В связи с этим системы MIMO генерируют два типа пакетов, в зависимости от типа приемника. С обычными станциями работа идет медленно, поскольку они не поддерживают работу на высоких скоростях, а между MIMO -- значительно быстрее, однако скорость передачи ниже, чем в режиме зеленого поля. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, что и в стандарте 802.11а, а в пакете MIMO она немного изменена. Если передатчиком выступает система MIMO, то каждая антенна передает не целую преамбулу, а циклически смещенную. За счет этого снижается мощность потребления станции, а канал используется более эффективно. Однако не все унаследованные станции могут работать в этом режиме. Дело в том, что если алгоритм синхронизации устройства основан на взаимной корреляции, то произойдет потеря синхронизации.

Режим зеленого поля. В этом режиме полностью используются преимущества систем MIMO. Передача возможна только между многоантенными станциями при наличии унаследованных приемников. Когда идет передача MIMO-системой, обычные станции ждут освобождения канала, чтобы избежать конфликтов. В режиме зеленого поля прием сигнала от систем, работающих по первым двум схемам, возможен, а передача им -- нет. Это сделано для того, чтобы исключить из обмена одноантенные станции и тем самым повысить скорость работы. Пакеты сопровождаются преамбулами, которые поддерживаются только станциями MIMO. Все эти меры позволяют максимально использовать возможности систем MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть предусмотрена защита от влияния работы соседней станции, чтобы предотвратить искажения сигналов. На физическом уровне модели OSI для этого используются специальные поля в структуре преамбулы, которые оповещают станцию о том, что идет передача и необходимо определенное время ожидания. Некоторые методы защиты принимаются и на канальном уровне. В зависимости от используемой полосы пропускания режимы работы классифицируются следующим образом:

1. Наследуемый режим. Этот режим нужен для согласования с предыдущими версиями Wi-Fi. Он очень похож на 802.11a/g как по оборудованию, так и по полосе пропускания, которая составляет 20 МГц.

2. Двойной наследуемый режим. Устройства используют полосу 40 МГц, при этом одни и те же данные посылаются по верхнему и нижнему каналу (каждый шириной 20 МГц), но со смещением фазы на 90°. Структура пакета ориентирована на то, что приемником является обычная станция. Дублирование сигнала позволяет уменьшить искажения, повышая тем самым скорость передачи.

3. Режим с высокой пропускной способностью. Устройства поддерживают обе полосы частот -- 20 и 40 МГц. В этом режиме станции обмениваются только пакетами MIMO. Скорость работы сети максимальна.

4. Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина диапазона 40 МГц. Станции могут обмениваться любыми пакетами.

5. Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина диапазона 40 МГц. Станции также могут обмениваться любыми пакетами.

Методы повышения быстродействия.

Скорость передачи данных зависит от многих факторов (таблица 1.3) и, прежде всего, от полосы пропускания. Чем она шире, тем выше скорость обмена. Второй фактор -- количество параллельных потоков. В стандарте 802.11n максимальное число каналов равно 4. Также большое значение имеют тип модуляции и метод кодирования. Помехоустойчивые коды, которые обычно применяются в сетях, предполагают внесение некоторой избыточности. Если защитных битов будет слишком много, то скорость передачи полезной информации снизится. В стандарте 802.11n максимальная относительная скорость кодирования составляет до 5/6, то есть на 5 битов данных приходится один избыточный. В таблице 3 приведены скорости обмена при квадратурной модуляции QAM и BPSK. Видно, что при прочих одинаковых параметрах модуляция QAM обеспечивает гораздо большую скорость работы.

Таблица 1.3

Скорость передачи данных при различных типах модуляции

Передатчики и приемники 802.11n

В стандарте IEEE 802.11n допускается использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного адаптера. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенн у точки доступа и одной антенны и беспроводного адаптера. В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Общая структурная схема передатчика изображена на рисунке 1.5. Передаваемые данные проходят через скремблер, который вставляет в код дополнительные нули или единицы (так называемое маскирование псевдослучайным шумом), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные разделяются на N потоков и поступают на кодер с прямой коррекцией ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, а если используются три или четыре передающих канала, то N = 2.

Рисунок 1.5 Общая структура передатчика MIMO-OFDM

Кодированная последовательность разделяется на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке перемеживаются (для устранения блочных ошибок), а затем модулируются. Далее происходит формирование пространственно-временных потоков, которые проходят через блок обратного быстрого преобразования Фурье и поступают на антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогична структуре передатчика изображена на рисунке 1.6, но все действия выполняются в обратном порядке.

Рисунок 1.6 Общая структура приемника MIMO-OFD

Факторы более высокой скорости передачи данных стандарта 802.11n

Cтандарт 802.11n применяет три основных механизма для увеличения скорости передачи данных:

- применение нескольких приемопередатчиков и специальных алгоритмов передачи и приема радиосигнала, известный по аббревиатуре MIMO;

- увеличение полосы частот сигнала с 20 до 40 МГц;

- оптимизация протокола уровня доступа к сети.

Рассмотрим каждый из этих механизмов немного подробнее.



Рисунок 1.7 Первый фактор увеличения скорости передачи данных

Первый фактор. С применением MIMO появляется возможность одновременно передавать несколько потоков данных в одном и том же канале, а затем при помощи сложных алгоритмов обработки восстанавливать их на приеме. Проводя аналогию с автодорогами, можно сказать, что ранее существовал только 1 путь, соединяющий точки А и Б. Теперь таких путей несколько и общая пропускная способность системы увеличилась.

Рисунок 1.8 Второй фактор увеличения скорости передачи данных

Второй фактор - увеличение доступной ширины полосы частот. Теоретически достижимая пропускная способность канала связи напрямую зависит от ширины занимаемой им полосы частот. В новом стандарте появилась возможность объединять соседние каналы по 20 МГц и таким образом увеличивать пропускную способность практически в 2 раза. По аналогии с автомагистралями можно считать, что вдвое увеличивается количество доступных для движения полос.

Рисунок 1.9 Третий фактор увеличения скорости передачи данных

Первые два фактора относились к физическому каналу. Третий важный фактор увеличения производительности - оптимизация протокола передачи данных на уровне доступа к среде. В предыдущих версиях прием каждого переданного кадра (порции данных) должен был подтверждаться приемной стороной. В новой версии введена возможность блокового подтверждения. Приемник информации передает одно подтверждение сразу на несколько успешно принятых кадров, что уменьшает загрузку общей пропускной способности канала служебными сообщениями. Кроме того, уменьшен временной промежуток между кадрами, что также позволило повысить полезную пропускную способность. Проводя аналогии с повседневной жизнью, можно сравнить кадры с контейнерами для перевозок грузов. Новые правила 802.11 n позволили уменьшить дистанцию между контейнерами и позволили диспетчеру подтверждать не каждый груз в отдельности, а сразу партию грузов.

1.5 Топологии беспроводных сетей Wi-Fi

Сети стандарта 802.11 могут строиться по любой из следующих топологий:

·Независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs);

·Базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs);

·Расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs).

·Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS)

IBSS представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. На рисунке 1.10 показано, как станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рисунок 1.10 Ad-Hoc сеть (IBSS)

Специальная сеть, или независимая базовая зона обслуживания (IBSS), возникает, когда отдельные устройства-клиенты формируют самоподдерживающуюся сеть без использования отдельной точки доступа (AP - Access Point). При создании таких сетей не разрабатывают какие-либо карты места их развертывания и предварительные планы, поэтому они обычно невелики и имеют ограниченную протяженность, достаточную для передачи совместно используемых данных при возникновении такой необходимости.

Поскольку в IBSS отсутствует точка доступа, распределение времени (timing) осуществляется нецентрализованно. Клиент, начинающий передачу в IBSS, задает сигнальный (маячковый) интервал (beacon interval) для создания набора моментов времени передачи маячкового сигнала (set of target beacon transmission time, TBTT). Когда завершается ТВТТ, каждый клиент IBSS выполняет следующее:

Приостанавливает все несработавшие таймеры задержки (backoff timer) из предыдущего ТВТТ;

Определяет новую случайную задержку;

Базовые зоны обслуживания (BSS)

BSS -- это группа работающих по стандарту 802.11 станций, связывающихся одна с другой. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точка доступа AP (Access Point). Точка доступа - это центральный пункт связи для всех станций BSS. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой. Вместо этого они связываются с точкой доступа, а уже она направляет кадры к станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключается к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet). Поэтому BSS иногда называют инфраструктурой BSS. На рисунке 1.11 представлена типичная инфраструктура BSS.



Рисунок 1.11 Инфраструктура локальной беспроводной сети BSS

Расширенные зоны обслуживания (ESS)

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BBS с распределительной системой (Distribution System, DS). Несколько BBS, соединённых между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На рисунке 1.12 представлен пример практического воплощения ESS. Спецификация стандарта 802.11 оставляет возможность реализации этого канала в виде беспроводного. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной технологии Ethernet.

Рисунок 1.12 Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной сети

1.6 Беспроводное оборудование, применяемое в Wi-Fi сетях

Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

Точки доступа Wi-Fi.

Все точки доступа можно разделить по способу подключения: через USB порт и порт подключения Ethernet - RJ45. Последние пользуются наибольшим успехом, так как наиболее просты в настройке и управлении, а также обладают большей скоростью передачи в локальную сеть. Точки доступа могут быть комнатного (in door) и всепогодного (out door) исполнения. Для создания беспроводной сети внутри помещений используют комнатный вариант прибора. Он обладает меньшей стоимостью и, как правило, большим эстетическим видом. Работают такие точки доступа в пределах одной или нескольких комнат. На открытых участках местности (прямая видимость) возможна работа на расстоянии до 300 метров с использованием стандартных всенаправленных антенн. Точки доступа всепогодного исполнения предназначены для создания радиосети между зданиями. В зависимости от типов антенн такие устройства способны организовывать каналы связи на расстоянии порядка 3-5 км. Максимальная дальность беспроводного канала связи заметно увеличивается при использовании усилителей. В этом случае длина радиоканала достигает 8-10 км. Устройства типа точка доступа представлены на рисунке 1.13.

Комбинированные устройства.

Большой интерес вызывают беспроводные точки доступа, объединяющие в себе функции других устройств, например, высокоскоростного беспроводного широкополосного маршрутизатора со встроенным коммутатором Fast Ethernet. Маршрутизатор позволяет быстро и легко настроить общий доступ к Интернет для проводной или беспроводной сети или организовать совместное использование широкополосного канала связи и кабельного/DSL модема дома или в офисе.

а	б	в	г
Рисунок 1.13 Виды точек доступа: а, б - внутренние; в, г - внешние

1.7 Wi-Fi адаптеры

Для подключения к беспроводной сети Wi-Fi достаточно обладать ноутбуком или карманным персональным компьютером (КПК) с подключенным Wi-Fi адаптером.

Любой беспроводной Wi-Fi адаптер должен соответствовать нескольким требованиям:

1. необходима совместимость со стандартами;

2. работа в диапазоне частот 2,4 ГГц - 2,435 ГГц (или 5 ГГц);

3. поддерживать протоколы WEP и желательно WPA;

4. поддерживать два типа соединения "точка-точка", и "компьютер сервер";

5. поддерживать функцию роуминга.

Существует три основных разновидности Wi-Fi адаптеров, различаемых по типу подключения:

Подключаемые к USB порту компьютера. Такие адаптеры компактны, их легко настраивать, а USB интерфейс обеспечивает функцию "горячего подключения";

Подключаемые через PCMCIA слот (CardBus) компьютера. Такие устройства располагаются внутри компьютера (ноутбука) и поддерживают любые стандарты, позволяющие передавать информацию со скоростью до 108 Мбит/с;

Устройства, интегрированные непосредственно в материнскую плату компьютера. Самый перспективный вариант. Такие адаптеры устанавливаются на ноутбуки серии Intel Centrino. И, в настоящее время используются на подавляющем большинстве мобильных компьютеров.

а	б	в

Рисунок 1.14 Беспроводные адаптеры: а - с USB портом, б - формата PCMCIA, в - встроенный в материнскую плату



2. Создание системы доступа к сети Интернет с использованием технологии Wi-Fi в административном здании

2.1 Выбор оборудования, Выбор точки доступа

Для нашей сети мы выбираем D-Link DWL-8600AP - унифицированная беспроводная точка доступа следующего поколения, соответствующая стандарту IEEE 802.11n. Данная точка доступа предназначена для развертывания сетей в режиме автономной беспроводной точки доступа или в режиме управляемой точки доступа, управление которой осуществляется при подключении к беспроводному коммутатору. Предприятия могут начать работу с организации сети с помощью одной интеллектуальной точки доступа DWL-8600AP, предоставляющей ряд расширенных функций LAN, а затем в любое время перейти к централизованной системе управления после подключения аналогичной точки доступа DWL-8600AP к унифицированному проводному/беспроводному коммутатору.

Точка доступа DWL-8600AP является обратно совместимой с устройствами стандарта 802.1a/b/g и позволяет настройку 2x2:2* в обоих направлениях Tx/Rx. Технология Multiple In Multiple Out (MIMO) и каналы с увеличенной пропускной способностью увеличивают физическую скорость передачи данных при использовании стандарта 802.11n. MIMO обеспечивает одновременную передачу нескольких сигналов с помощью нескольких антенн вместо одной. Вид DWL-8600AP представлен на рисунке 7.

DWL-8600AP обеспечивает максимальную скорость беспроводного соединения для каждого из частотных диапазонов. При одновременной работе в двух диапазонах частот можно создать две сети, использующие полную полосу пропускания беспроводного канала, что позволит повысить общую производительность беспроводной сети. Кроме того, DWL-8600AP остается полностью обратно совместимой с оборудованием стандарта 802.11b, работающим на частоте 2,4ГГц.

DWL-8600AP непрерывно сканирует оба диапазона частот и связанные с ними каналы для обнаружения несанкционированных подключений, обеспечивая при этом соединение для мобильных клиентов. DWL-8600AP поддерживает такие функции как 64/128/152-битное WEP-шифрование данных, WPA/WPA2 и Multiple SSID для каждого радиочастотного канала. При подключении к коммутатору DWS-4026 эти функции наряду с фильтрацией MAC-адресов и запретом широковещания SSID могут использоваться для настройки параметров безопасности и ограничения доступа во внутреннюю сеть извне. DWL-8600AP поддерживает 802.1Q VLAN Tagging и WMM (Wi-Fi Multimedia) для передачи данных таких приложений как VoIP и потоковое аудио/видео с заданным приоритетом.

Диапазон частот

Табл. 2

общие характеристики оборудования DWL-8600AP

	от 2,4 ГГц до 2,497 ГГц
Модуляция	PSK/CCK, DQPSK, DBPSK, OFDM
Выходная мощность передатчика (Типичная для каждой скорости соединения)	2.4GHz Band/HT-20	2.4GHz Band/HT-40
	17 dBm при MCS0/8 17 dBm при MCS1/9 16 dBm при MCS3/11 16 dBm при MCS4/12 14 dBm при MCS6/14	16 dBm при MCS0/8 16 dBm при MCS1/9 15 dBm при MCS3/11 15 dBm при MCS4/12 13 dBm при MCS6/14
Чувствительность приемника	2.4GHz Band/HT-20	2.4GHz Band/HT-40
	-85 dBm при MCS0/8 -82 dBm при MCS1/9 -77 dBm при MCS3/11 -74 dBm при MCS4/12 -68 dBm при MCS6/14	-82 dBm при MCS0/8 -79 dBm при MCS1/9 -74 dBm при MCS3/11 -71 dBm при MCS4/12 -65 dBm при MCS6/14
Антенны	§ Коэффициент усиления: 4dBi для частоты 2,4 ГГц



2.2 Выбор беспроводного коммутатора

Серия коммутаторов DWS-4026 включает в себя унифицированные проводные/беспроводные коммутаторы Gigabit Ethernet следующего поколения, поддерживающие ряд расширенных функций и стандарт 802.11n. Благодаря возможности управления до 64 беспроводных точек доступа DWL-8600AP и до 256 точек доступа DWL-8600AP в кластере коммутаторов, DWS-4026 является полнофункциональным и экономичным решением для среднего и крупного бизнеса и провайдеров услуг. Вид DWS-4026 представлен на рисунке 4.

Так как DWS-4026 использует различные механизмы, такие как предварительная аутентификация и кэширование ключей, беспроводные клиенты могут свободно перемещаться в зоне действия сети без необходимости повторной аутентификации. Быстрый роуминг осуществляется без разрыва соединения, обеспечивая надежную работу соединения для таких мобильных приложений, как беспроводная IP-телефония и беспроводное подключение КПК. Более того, DWS-4026 поддерживает функцию туннелирования между точками доступа, которая используется для поддержки роуминга уровня 3 для беспроводных клиентов без перенаправления каких-либо данных трафика к унифицированному коммутатору. Это поможет значительно оптимизировать сетевой трафик и сохранить полосу пропускания.

DWS-4026 поддерживает функцию «самовосстановления» сети, увеличивающей отказоустойчивость беспроводной сети. Чтобы восполнить недостаточную зону покрытия в результате выхода из строя точки доступа (например, из-за сбоя питания), коммутатор автоматически увеличивает выходную мощность передатчика соседних точек доступа, чтобы увеличить их зону покрытия. Для обеспечения непрерывного подключения существующих клиентов, коммутатор выполняет балансировку нагрузки между точками доступа, когда сетевой трафик достигает определенного порогового значения. В то же время коммутатор отклоняет подключение новых клиентов к точке доступа для того, чтобы избежать перегрузки полосы пропускания. Благодаря функции «самовосстановления» сети и балансировке нагрузки между точками доступа, коммутатор DWS-4026 может эффективно управлять полосой пропускания, оптимизировать трафик WLAN и обеспечить зону максимального покрытия.

Основные характеристики представлены в таблице 3.

Табл. 3

общие характеристики оборудования DWS-4026

Характеристика	Значение
Функции управления WLAN	До 64 точек доступа, подключенных к коммутатору До 256 точек доступа в кластере До 2048 беспроводных клиентов (1024 пользователей при использовании туннелирования, 2048 пользователей, если туннелирование не используется)
Управляемые точки доступа	DWL-8600AP
Коммутационная матрица:	88 Гбит/с
Макс. скорость передачи пакетов:	65,47 Mpps
Метод коммутации	Store and Forward
Размер буфера пакетов	750 КБ
Размеры	440 (Ш) x 389 (Г) x 44 (В) мм
Вес	6кг
Температура	Рабочая температура: от 0° до 40° C

В качестве возможного абонентского оборудования можно использовать ноутбук, работающий в стандарте 802.11n, или использовать телефон, работающий в том же стандарте.