Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. История развития Wi-Fi сетей

2. Основные элементы сети Wi-Fi

3. Преимущества и недостатки Wi-Fi

4. Классификация беспроводных технологий

5. Области применения Wi-Fi

6. Особенности используемого в Wi-Fi сетях Ethernet-стандарта (802.11)

6.1 Стек протоколов IEEE 802.11

6.2 Уровень доступа к среде стандарта 802.11

6.3 Кадр mac-подуровня

6.4 Стандарты IEEE 802.11

7. Роуминг в Wi-Fi сетях

8. Перспективы развития беспроводных сетей

8.1 Беспроводная технология WIMAX

8.1.1 Цели и задачи WIMAX

8.1.2 Принципы работы

8.1.3 Режимы работы

8.1.3.1 Fixed WiMAX

8.1.3.2 Nomadic WiMAX

8.1.3.3 Portable WiMAX

8.1.3.4 Mobile WiMAX

8.2 Беспроводная технология WiBro

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Беспроводные сети широко распространены в западных странах. Там они, как правило, применяются как корпоративные сети внутри зданий, на территории промышленного предприятия, а так же для связи удаленных отделений между собой.

Типичные заказчики решений такого рода - больницы, кафе, рестораны, складские и торговые организации. Сюда относятся также временные сети, развертываемые на период каких-либо мероприятий (выставок или семинаров).

В Украине ситуация принципиально иная. Здесь большинство беспроводных сетей работает вне зданий, обеспечивая услугами скоростной передачи данных пользователей, разбросанных на расстоянии в несколько километров и даже десятков километров. Беспроводная локальная сеть зачастую является единственным экономически оправданным решением - когда кабельная система отсутствует или низкого качества, что наблюдается в нашей стране.

Средства и системы беспроводной связи используются, как правило, в сетях, включающих также и проводные (кабельные) средства, и дают возможность удобно, быстро и экономично решить проблемы, возникающие в процессе решения и модернизации чисто кабельных сетей. Поэтому беспроводные средства связи следует считать не полной альтернативой кабельным сетям, а лишь альтернативной технологией для реализации отдельных сегментов (или целых уровней) в проектируемой, расширяемой или модернизируемой локальной компьютерной сети.

1. История развития Wi-Fi сетей

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi -- Вик Хейз (Vic Hayes) находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g. В 2003 году Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. 802.11abg all-in-one чипсет от Agere (кодовое имя: WARP) плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года [1].

Данная технология передачи информации по радиоканалу была разработана и применена в основном в локальных сетях крупных корпораций и компаний Силиконовой долины США. Связь с мобильным абонентом (обычно это был сотрудник компании, снабжённый ноутбуком с беспроводным сетевым адаптером) была организована через «точки доступа», подключённые к кабельной инфраструктуре компании. При этом в радиусе действия каждой такой точки (несколько десятков метров) могло находиться до 20 абонентов, одновременно использующих ресурсы сети. Первоначально термин «Wi-Fi» использовался только для обозначения технологии, обеспечивающей связь в диапазоне 2,4 ГГц и работающей по стандарту IEEE 802.11b (скорость передачи информации - до 11 Мбит/с). Однако в настоящее время этот термин всё чаще используется и применительно к другим технологиям беспроводных локальных сетей. Наиболее значимые среди них определены стандартами IEEE 802.11a и 802.11g (скорость передачи - до 54 Мбит/с, частотные диапазоны, соответственно, 5 ГГц и 2,4 ГГц) [2].

Разработка технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity) началась более 15 лет назад. Инициатором и координатором работ выступил комитет по стандартизации локальных сетей IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers). В 1990 году по указанию комитета была организована специальная рабочая группа, в задачи которой входила разработка первого полноценного стандарта беспроводных локальных сетей. На создание готового продукта потребовалось целых семь лет, и лишь в 1997 году новоиспеченный стандарт IEEE 802.11 был представлен широкой публике. Впрочем, потребители встретили первую версию Wi-Fi без особого энтузиазма - проблема заключалась в том, что на разработку технологии ушло непростительно много времени, и к моменту презентации стандарт успел заметно устареть. Помимо весьма низкой пропускной способности, не превышающей 2 Мбит/с (что тогда уже было просто смешно для локальной сети), мало кого могло устроить посредственное качество связи, чрезмерная медлительность и весьма низкая дальнобойность стандарта, при этом цена на оборудование могла запросто зашкаливать за несколько тысяч долларов [3].

Однако сама идея беспроводного доступа в Интернет и к ресурсам локальной сети внутри офиса, гостиницы, вокзала или аэропорта была большинством оценена по достоинству. В любом случае, разработчики не собирались прекращать доведение технологии до ума, и осенью 1999 года выпустили сразу две новые спецификации, названные 802.11a и 802.11b, и обеспечивающие максимальную пропускную способность в 54 Мбит/с и 11 Мбит/с соответственно. Первым на прилавки поступило Wi-Fi оборудование, совместимое с 802.11b, и на этот раз народного признания не пришлось долго ждать. В рекордно короткие сроки технологии Wi-Fi удалось выйти на мировую арену и составить серьезную конкуренцию классическим способам организации локальной сети, таким как Ethernet. Этому способствовало резкое падение цен на Wi-Fi оборудование, и, конечно же, избавление от множества "юношеских" проблем технологии Wi-Fi, присущих первой спецификации.

Реальные устройства, поддерживающие стандарт 802.11a, появились в продаже лишь в 2001 году, однако рынок был уже настолько заполнен оборудованием 802.11b, что даже несмотря на практически пятикратно возросшую пропускную способность, первое время новая спецификация оставалась в тени. Следующий виток эволюции технологий Wi-Fi начался летом 2003 года, когда разработчики закончили следующую версию стандарта - 802.11g, совмещающую в себе преимущества предыдущих двух редакций. На данный момент большая часть современного оборудования, ориентированного на работу по Wi-Fi, оснащается модулями 802.11g.

Стандарт 802.11n был утверждён 11 сентября 2009. Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо 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. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 480 Мбит/с. Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4 -- 2,5 или 5,0 ГГц. Позволяет смотреть hd-контент с использованием передачи “по-воздуху”

2. Основные элементы сети Wi-Fi

Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi-адаптеры и точки доступа. Адаптер представляет собой устройство, подключающееся через слот расширения PCI, PCMCI, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. Wi-Fi-адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Благодаря платформе Centrino все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, которые совместимы со многими современными стандартами. Wi-Fi-адаптерами, как правило, снабжены и КПК (карманные персональные компьютеры), что также позволяет подключать их к беспроводным сетям [2].

Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерам. Такая сеть называется беспроводной одноранговой сетью или Ad Hoc (в переводе «к случаю»). Адаптер может также устанавливать связь через специальное устройство - точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой.

Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен либо на использование Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

Точка доступа представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством. Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.

Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого эта точка может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки.

Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа для построения распределенной сети (Wireless Distributed System, WDS). Это режимы беспроводного моста «точка-точка» и «точка-много точек», беспроводный клиент и повторитель.

На рис. 1 и 2 показаны 2 типа подключения в Wi-Fi сетях [6].

Рис. 1 - Тип подключения ad-hoc

Рис. 2 - Тип подключения infrastructure

Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны обслуживания (service set indentifier, SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.

Зоной обслуживания (service set, SS) называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.

Базовая зона обслуживания (basic service set, BSS) - это группа станций, связывающихся одна с другой по беспроводной связи. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точкой доступа (access point).

3. Преимущества и недостатки Wi-Fi

Любая технология имеет свои преимущества и недостатки. Технология
Wi-Fi не исключение. Перечислим её основные преимущества по сравнению с другими сетями связи (кабельные, сотовые и другие) [2]:

· Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. То есть, беспроводная Wi-Fi-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

· Wi-Fi-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;

· Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам. При этом пользователи мобильных устройств, при подключении к локальным беспроводным сетям, могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;

· Скорости современных Wi-Fi-сетей довольно высоки (до 300 Мбит/с), что позволяет их использовать для решения очень широкого спектра задач;

· Wi-Fi-устройства широко распространены на рынке. При этом устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.

· Wi-Fi - это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Эта технология также не лишена и недостатков [1]:

· Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы; во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США. В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

· Высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.

· Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения.

· Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний маршрутизатор Wi-Fi стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Микроволновая печь или зеркало, расположенные между устройствами Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние зависит также от частоты.

· Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi.

· Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.

· Уменьшение производительности сети во время дождя.

· Перегрузка оборудования при передаче небольших пакетов данных из-за присоединения большого количества служебной информации.

· Малая пригодность для работы приложений использующих медиа-потоки в реальном времени (например протокол RTP, применяемый в IP-телефонии): качество медийного потока непредсказуемо из-за возможных высоких потерь при передаче данных, обусловленных целым рядом неконтролируемых пользователем факторов (атмосферные помехи, ландшафт и иное, в частности перечисленное выше). Несмотря на данный недостаток, выпускается масса VoIP оборудования на базе устройств 802.11b\g, которое ориентировано в том числе и на корпоративный сегмент: однако в большинстве случаев документация к подобным устройствам содержит оговорку, гласящую, что качество связи определяется устойчивостью и качеством радиоканала.

4. Классификация беспроводных технологий

Классификация чего бы то ни было -- задача неблагодарная, поскольку и критериев классификации можно разработать достаточно много, и реальные объекты могут не укладываться в четкие границы определенного класса, да и по мере развития устоявшиеся системы классификации могут устаревать. Все это справедливо и для беспроводных сетей передачи информации (БСПИ). Поэтому остановимся на наиболее популярных способах ранжирования различных беспроводных систем. Обычно БСПИ подразделяют:

· по способу обработки первичной информации -- на цифровые и аналоговые;

· по топологии: «точка-точка», «точка-многоточка»;

· ширине полосы передачи -- на узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные;

· по локализации абонентов -- на подвижные и фиксированные;

· по географической протяженности (по дальности действия) -- на персональные (пример, Bluetooth), локальные (пример, Wi-Fi), региональные (городские) (пример, WiMAX) и глобальные;

· по виду передаваемой информации -- на системы передачи речи, видеоинформации и данных

· По области применения можно выделить:

o Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети -- создаваемые компаниями для собственных нужд.

o Операторские беспроводные сети -- создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Вполне справедливы и системы градации на основе используемой технологии (спутниковые сети, атмосферные оптические линии и т. п.), по назначению и др.

5. Области применения Wi-Fi

Wi-Fi сеть может использоваться:

? для беспроводного подключения пользователей к сети;

? для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;

? для подключения к сетям провайдера интернет-услуги вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

К основным областям применения сетей Wi-Fi относяться [4]:

· Крупные хот-споты в городах (улицы, площади, пляжи);

· Сети доступа в Интернет (загородные посёлки, студенческие городки, сельская связь;

· Сети технологической связи (железнодорожные станции и терминалы, морские порты, аэропорты, таможенные терминалы, промышленные районы);

· Беспроводные локальные сети в помещениях (офисы, склады, заводские цеха, аэропорты, супермаркеты);

Кроме этого, Wi-Fi сети нашли широкое коммерческое и некоммерческое использование, применение в промышленности и игровой индустрии (все современные игровые консоли и КПК поддерживают Wi-Fi).

Технология Wi-Fi поддерживается всеми современными операционными системами семейства Unix, Mac Os, Windows.

6. Особенности используемого в Wi-Fi сетях Ethernet-стандарта (802.11)

Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) сформировал рабочую группу по стандартам им беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Мбит/с. Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.I I являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей.

6.1 Стек протоколов IEEE 802.11

Естественно, что стек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и канального уровня с подуровнями управления доступом к среде MAC (Media Access Control) и логической передачи данных LLC (Logical Link Control). Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11 определяется нижними двумя уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC. а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции.



Рис. 3 - Стек протоколов IEEE 802.11

На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отличаются используемым частотным диапазоном, методом кодирования и как следствие - скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом уровня MAC, но некоторые временные параметры уровня MAC зависят от используемого физического уровня.

6.2 Уровень доступа к среде стандарта 802.11

В сетях 802.11 уровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде (рис. 3): распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function); централизованный режим PCF (Point Coordination Function).

1) Распределенный режим доступа DCF.

Рассмотрим сначала, как обеспечивается доступ в распределенном режиме DCF. В этом режиме реализуется метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распознавания коллизий по методу CSMA/CD, здесь используется их косвенное выявление. Для этого каждый переданный кадр должен подтверждаться кадром положительной квитанции. посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не поступает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия.

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 та проблема решается достаточно элегантно временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра (рис. 4). Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.

Рис. 4 - Режим доступа DCF

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля за активностью в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том. что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS/CTS содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи всем сообщает, на какое время оно резервирует канал. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (IFS). Если после истечения ITS среда все еще свободна, то начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно начать передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. Номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW]. где CW означает Contention Window (конкурентное окно).

2) Централизованный режим доступа PCF

В том случае, когда в ceти имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может применяться также централизованный режим доступа PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды.

Режим доступа PCF в сетях 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов (рис. 5).

Рис .5 - Сосуществование режимов PCF и DCF

После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:

· короткий межкадровый интервал (Short IFS, SIFS);

· межкадровый интервал режима PCF (PIFS).

· межкадровый инк-риал режима DCF (DIFS).

Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течение времени, равного или большего, чем D1FS. То есть в качестве IFS в режиме DCF нужно использовать интервал DIFS -- самый длительный период из трех возможных, что дает этому режиму самый низкий приоритет.

Межкадровый интервал SIFS имеет наименьшее значение, он служит для первоочередного захвата среды ответными CTS-кадрамн или квитанциями, которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра.

Значение межкадрового интервала PIFS больше, чем SIFS. но меньше, чем DIFS. Промежутком времени между завершением PIFS и DIFS пользуется арбитр среды. В этом промежутке он может передать специальный кадр, который говорит всем станциям, что начинается контролируемый период. Получив нот кадр, станции, которые хотели бы воспользоваться алгоритмом DCF для захвата среды, уже не могут этого сделать, они должны дожидаться окончания контролируемого периода. Длительность этого периода объявляется в специальном кадре, но этот период может закончиться и раньше, если у станций нет чувствительного к задержкам трафика. В этом случае арбитр передает служебный кадр, после которого по истечении интервала DIFS начинает работать режим DCF.

На управляемом интервале реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить каждой такой станции право на использование среды, направляя ей специальный кадр. Станция, получив такой кадр, может ответить другим кадром, который подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные (либо по адресу арбитра для транзитной передачи, либо непосредственно станции).

Для того чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничена. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр и начинается неконтролируемый период.

Каждая станция может работать в режиме PCF, для этого она должна подписаться на эту услугу при присоединении к сети.

6.3 Кадр mac-подуровня

На рис. 6 изображен формат кадра IEEE 802.11. Приведенная общая структура используется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях.

Рис. 6 - Формат кадра MAC IEEE 802.11

Перечислим поля общего кадра:

· Управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация (объясняется ниже).

· Идентификатор длительности/соединения. Если используется поле длительности, указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC. В некоторых кадрах управления в этом поле указывается идентификатор ассоциации, или соединения.

· Адреса. Число и значение полей адреса зависит от контекста. Возможны следующие типы адреса: источника, назначения, передающей станции, принимающей станции.

· Управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между данными приемником и передатчиком.

· Тело кадра. Содержит модуль данных протокола LLC или управляющая информация MAC.

· Контрольная последовательность кадра. 32-битовая проверка четности с избыточностью.

сеть роуминг беспроводной ethernet

6.4 Стандарты IEEE 802.11

Из всех существующих стандартов беспроводной передачи данных IEEE 802.11, на практике наиболее часто используются всего три, определенных Инженерным институтом электротехники и радиоэлектроники (IEEE), это: 802.11b, 802.11a и 802.11g.

В стандарте IEEE 802.11b благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных локальных сетей Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

Стандарт IEEE 802.11a имеет большую ширину полосы из семейства стандартов 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с.

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11a предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

К недостаткам 802.11a относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия.

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. 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 в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с, поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались две несколько конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM и метод двоичного пакетного сверочного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC. О технологиях CCK и OFDM расскажем чуть позже.

Набор стандартов 802.11 определяет целый ряд технологий реализации физического уровня (Physical Layer Protocol, PHY), которые могут быть использованы подуровнем 802.11 MAC. В этой главе рассматривается каждый из уровней PHY:

· Уровень PHY стандарта 802.11 со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц.

· Уровень PHY стандарта 802.11 с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц.

· Уровень РНУ стандарта 802.11b с комплиментарным кодированием в диапазоне 2,4 ГГц.

· Уровень PHY стандарта 802.11а с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM) в диапазоне 5 ГГц.

· Расширенный физический уровень (Extended Rate Physical Layer, ERP) стандарта 802.11g в диапазоне 2.4 ГГц.

Основное назначение физических уровней стандарта 802.11 - обеспечить механизмы беспроводной передачи для подуровня MAC. а также поддерживать выполнение вторичных функций, таких как оценка состояния беспроводной среды и сообщение о нем подуровню MAC. Уровни MAC и PHY разрабатывались так, чтобы они были независимыми. Именно независимость между MAC и подуровнем PHY и позволила использовать дополнительные высокоскоростные физические уровни, описанные в стандартах 802.11b, 802.11а и 802.11g.

Каждый из физических уровней стандарта 802.11 имеет два подуровня.

· Physical Layer Convergence Procedure (PLCP). Процедура определения состояния физического уровня.

· Physical Medium Dependent (PMD). Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи.

На рис. 7 показано, как эти подуровни соотносятся между собой и с вышестоящими уровнями в модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI).



Рис. 7 - Подуровни уровня PHY

Подуровень PLCP по существу является уровнем обеспечения взаимодействия, на котором осуществляется перемещение элементов данных протокола MAC (MAC Protocol Data Units, MPDU) между МАС-станциями с использованием подуровня PMD, на котором реализуется гот или иной метод передачи и приема данных через беспроводную среду. Подуровни PLCP и PMD отличаются для разных вариантов стандарта 802.11.

Перед тем как приступить к рассмотрению физических уровней рассмотрим одну из составляющих физического уровня, до сих пор не упомянутую, а именно скремблирование.

Одна из особенностей, лежащих в основе современных передатчиков, благодаря которой данные можно передавать с высокой скоростью, -- это предположение о том, что данные, которые предлагаются для передачи, поступают, с точки зрения передатчика, случайным образом. Без этого предположения многие преимущества, получаемые за счет применения остальных составляющих физического уровня, остались бы нереализованными.

Однако вполне вероятно и часто происходит на практике, что принимаемые данные не вполне случайны и на самом деле могут содержать повторяющиеся наборы и длинные последовательности нулей и единиц.

Скремблирование (перестановка элементов) - это метод, посредством которого принимаемые данные делаются более похожими на случайные; достигается это путем перестановки битов последовательности таким образом, чтобы превратить ее из структурированной в похожую на случайную. Эту процедуру иногда называют отбеливание потока данных. Дескремблер приемника затем выполняет обратное преобразование этой случайной последовательности с целью получения исходной структурированной последовательности. Большинство из способов скремблирования относится к числу самосинхронизирующихся; это означает, что дескремблер способен самостоятельно синхронизироваться со скремблером.

7. Роуминг в Wi-Fi сетях

Роуминг - это возможность радиоустройства перемещаться за пределы действия базовой станции и, находясь в зоне действия « гостевой» станции, иметь доступ к «домашней» сети (рис. 8).

Рис. 8 - Роуминг

При его организации все точки доступа, обеспечивающие роуминг, конфигурируются на использование одинакового идентификатора зоны обслуживания (SSID). Все точки доступа относятся к одному широковещательному домену, или одному домену роуминга [2].

Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в стандарте 802.11, и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. Наиболее простой широко распространенный алгоритм переключения заключается в том, что адаптер взаимодействует с одной точкой вплоть до момента, когда уровень сигнала не упадет ниже допустимого уровня. После этого осуществляется поиск точки доступа с одинаковым SSID и максимальным уровнем сигнала, и переподключение к ней.

Роуминг включает значительно больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться. Опишем некоторые из задач, которые должны решаться в ходе роуминга на канальном уровне:

? Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия.

? Предыдущая точка доступа должна буферизовать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг.

? Новая точка доступа должна показать предыдущей, что клиент успешно переместился в ее зону.

? Предыдущая точка доступа должна послать буферизованные данные новой точке доступа.

? Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия.

? Точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента.

8. Перспективы развития беспроводных сетей.

8.1 Беспроводная технология WIMAX

8.1.1 Цели и задачи WIMAX

При всем богатстве выбора сетевых подключений сложно одновременно соблюсти три основных требования к сетевым соединениям: высокая пропускная способность, надёжность и мобильность. Решить подобную задачу может следующее поколение беспроводных технологий WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), стандарт IEEE 802.16 [2].

Для продвижения и развития технологии WiMAX был сформирован WiMAX-форум: http://www.wimaxforum.org на базе рабочей группы IEEE 802.16, созданной в 1999 году. В форум вошли такие фирмы, как Nokia, Harris Corporation, Ensemble, Crosspan и Aperto. К маю 2005 года форум объединял уже более 230 участников. В том же году Всемирный съезд по вопросам информационного сообщества (World Summit on Information Society, WSIS) сформулировал следующие задачи, которые были возложены на технологию WiMAX:

1) Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий для небольших поселений, удалённых регионов, изолированных объектов, учитывая при этом, что в развивающихся странах 1,5 миллиона поселений с числом жителей более 100 человек не подключены к телефонным сетям и не имеют кабельного сообщения с крупными городами.

2) Обеспечить при помощи WiMAX доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий более половины населения планеты в пределах своей досягаемости, учитывая при этом, что общее число пользователей Интернета в 2005 году составляло приблизительно 960 млн. человек, или около 14,5 процента всего населения Земли.

Цель технологии WiMAX заключается в том, чтобы предоставить универсальный беспроводный доступ для широкого спектра устройств (рабочих станций, бытовой техники «умного дома», портативных устройств и мобильных телефонов) и их логического объединения - локальных сетей. Надо отметить, что технология имеет ряд преимуществ:

1) По сравнению с проводными (xDSL или широкополосным), беспроводными или спутниковыми системами сети WiMAX должны позволить операторам и сервис-провайдерам экономически эффективно охватить не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.

2) Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к сети Интернет), а также технологии «последней мили» (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы.

3) Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.

4) Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах.

5) Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

6) Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.

7) Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

8.1.2 Принципы работы

Система WiMAX состоит из двух основных частей:

1) Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте: здании или вышке.

2) Приёмник WiMAX: антенна с приёмником (рис. 9).

Рис. 9 - Архитектура WiMAX

Соединение между базовой станцией и клиентским приёмником производится в низкочастотном диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует наличия прямой видимости между станцией и пользователем. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.

Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на «последней миле» - конечном участке между провайдером и пользователем, так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным.

Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием сверхвысокой частоты 10-66 ГГц радиосвязи прямой видимости. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Ограничение по условию прямой видимости, разумеется, не является плюсом, однако оно накладывается только на базовые станции, участвующие в цельном покрытии района, что вполне возможно реализовать при размещении оборудования.

Как минимум, одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надёжность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счёт сотовой топологии.

На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу. Подобные разработки планируется включить в следующую версию стандарта. Ожидается, что эти изменения позволят существенно поднять скорость (рис. 10).

Рис. 10 - Покрытие WiMAX

По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, при этом их также не обязательно устанавливать на вышках. Для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet-кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта 802.11 Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.

Это позволяет сохранить существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей при переходе с кабельного доступа на WiMAX. Это позволяет также максимально упростить развёртывание сетей, позволяя использовать знакомые технологии для подключения компьютеров.

8.1.3 Режимы работы

Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы [2]:

1) Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

2) Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

3) Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

4) Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Рассмотрим все эти режимы подробнее.

8.1.3.1 Fixed WiMAX

Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1, т.п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала (рис. 11).

Рис. 11 - Режим Fixed WiMAX

С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с. Фиксированный режим включался в версию стандарта 802.16d-2004 и уже используется в ряде стран. Однако большинство компаний, предлагающих услуги Fixed WiMAX, ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем мобильный WiMAX.

8.1.3.2 Nomadic WiMAX

Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

8.1.3.3 Portable WiMAX

Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.).

Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК (рис. 12). В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном режиме WiMAX. Считается, что до 2008 года внедрение и продвижение на рынок именно этого режима будет приоритетным.

Рис. 12 - Режим Portable WiMAX

8.1.3.4 Mobile WiMAX

Был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.

Основные достижения этого режима:

1) Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам.

2) Масштабируемая пропускная способность канала.

3) Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать асимметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами.

4) Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования.

5) Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования.

6) Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя.

7) Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.

8) Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

? достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;

? гибкого распределения радиочастот;

? низкого потребления энергии портативными устройствами;

? быстрого переключения между каналами.

9) Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).

10) Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями.

11) Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).

8.2 Беспроводная технология WiBro

WiBro (сокращение от Wireless Broadband) -- технология беспроводного подключения к интернету, разработанная южнокорейскими телекоммуникационными компаниями. Технически это международный стандарт IEEE 802.16e (mobile WiMAX).

В технологии использует временное мультиплексирование, ортогональное разделение частот, ширина канала в 8,75 МГц. Предполагалось достичь большей скорости передачи данных, чем могут использовать мобильные телефоны (как в стандарте CDMA 1x) и обеспечить мобильность для широкополосных подключений.

В феврале 2002 г. корейское правительство выделило 100 МГц-полосу в диапазоне 2,3-2,4 ГГц, а в 2004 г. спецификации были зафиксированы в корейском стандарте WiBro Phase 1, которые затем были внесены в международный стандарт IEEE 802.16e (Mobile WiMAX). Услуги в этом стандарте предоставляют две южнокорейские компании: KT и SK Telecom, тариф около 30 долларов США.

Базовые станции этого стандарта обеспечивают суммарную пропускную способность до 30-50 Мбит/с на каждого оператора и могут покрывать радиус от 1 до 5 км. Подключение сохраняется для движущихся объектов при скорости до 120 км/ч, что значительно лучше, чем у локальных беспроводных сетей -- их ограничение приблизительно равно скорости пешехода, но хуже, чем сетей сотовой связи -- до 250 км/ч. Реальное тестирование сети в г. Пусан во время проведения саммита АТЭС показало, что реальные скорости и ограничения значительно ниже, чем в теории.

Стандарт поддерживает QoS -- приоритеты в передаче данных разного типа, что позволяет надежно передавать видеопотоки и другие данные, чувствительные к задержкам в канале. В этом заключаются преимущества стандарта перед стационарным WiMAX (802.16d). Также его требования значительно больше проработаны в деталях, чем в стандарте WiMAX.

Заключение

В заключении, можно сказать, WiMAX подходит для решения следующих задач:

· Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

· Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

· Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

· Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в масштабах целых городов.

Стандарт WiMAX на данный момент находится на стадии тестирования. Единственная конкурентоспособная версия стандарта, для которой существует лицензия на оборудование, - это Fixed WiMAX. Однако провайдеры не спешат заменять дорогостоящее, но уже работающее оборудование на новое, ибо это требует существенных инвестиций без возможности поднять производительность (и как следствие, цену на услуги) и вернуть вложенные средства быстро.

Развёртывание WiMAX-сетей там, где доступа к Интернету ещё не было ранее, приводит к вопросу о наличии в малонаселенных или удалённых регионах достаточного числа потенциальных пользователей, обладающих оборудованием или денежными средствами на его приобретение. Та же проблема возникает при переходе на Mobile WiMAX после его лицензирования, так как, помимо затрат провайдеров на модернизацию операторского оборудования, следует учитывать затраты пользователей на модернизацию клиентского оборудования: приобретение WiMAX-карт, обновление портативных устройств.

Вторым останавливающим фактором является убеждённость многих специалистов, которые считают недопустимым использование сверхвысоких частот радиосвязи прямой видимости из-за вреда, наносимого при этом здоровью человека. Наличие вышек на расстоянии десятков метров от жилых объектов (а базовые станции рекомендуется устанавливать на крышах домов) может пагубно сказаться на здоровье жителей, особенно детей. Однако результатов медицинских экспериментов, способных чётко доказать наличие или высокую вероятность вреда, пока не опубликовано.

Третьим останавливающим фактором является, как ни странно, быстрое развитие стандарта. Появление новых, принципиально различных версий стандарта WiMAX приводит к вопросу о неизбежной смене оборудования через несколько лет. Так, станции, сейчас работающие в режиме Fixed WiMAX, не смогут поддерживать Mobile WiMAX. При переходе на следующий стандарт понадобится обновление части оборудования, что отпугивает крупных провайдеров. На данный момент внедрение и использование Fixed WiMAX на коммерческой основе могут позволить себе только небольшие компании, которые не планируют значительного расширения (в том числе территориального) и используют новизну технологии для привлечения клиентов.

И, наконец, четвертым фактором является наличие конкурентного стандарта широкополосной связи, использующего близкие диапазоны радиочастот - WiBro. Этот стандарт тоже до конца не лицензирован, однако он уже получил определённую известность. А потому всегда существует вероятность, что через несколько лет предпочтительным окажется не WiMAX, а WiBro. И компании, вложившие средства в разработку и внедрение WiMAX-систем, серьёзно пострадают. Впрочем, из-за схожести стандартов существует также вероятность слияния и в дальнейшем использования оборудования, поддерживающего оба стандарта одновременно.