Расчет зоны обслуживания сети доступа Wi-Fi в ТЦ АУРА

1. Обзор стандартов  радиодоступа

1.1 Типы беспроводных  сетей

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 (рис. 1): 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.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 (Broadband Wireless Access) используют как лицензионные, так и нелицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).

 

Рисунок 1.2 - Классификация беспроводных технологий

1.2 Беспроводные  локальные сети WLAN

Основные назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) – организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения – это организация общественных коммерческих точек доступа (hot spots) в людных местах – гостиницах, аэропортах, кафе, а также организация временных сетей на период проведения мероприятий (выставок, семинаров).

Беспроводные локальные сети создаются  на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети известны также как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам термин Wi-Fi, в стандартах явным образом не прописан, бренд Wi-Fi получил в мире самое широкое распространение.

 Преимущества Wi-Fi:

Одно из основных преимуществ сетей WLAN, как следует из их названия, заключается в том, что они являются беспроводными. Это позволяет ускорить процесс создания сети и отказаться от использования кабелей, что, в свою очередь, положительно отражается на финансовых затратах. Кроме того, в отличие от сотовой связи, беспроводные сети Wi-Fi используют нелицензируемый (в большинстве стран) и, соответственно, бесплатный диапазон частот, а, следовательно, не требуют получения разрешения.

В настоящее время на рынке представлен широчайший спектр оборудования для сетей WLAN. За совместимостью продуктов различных производителей следит Wi-Fi форум, занимающийся проведением соответствующих испытаний. Это гарантирует, что клиентские устройства, приобретенные в одной стране, будут без проблем работать в сетях Wi-Fi, развернутых на противоположной стороне земного шара.

Стандарт IEEE 802.11 также предусматривает  средства обеспечения безопасности. Сетям, в частности, присваивается  уникальное имя, возможна фильтрация абонентов  по МАС-адресам (физическим адресам устройств) и шифрование. При этом существуют два стандарта шифрования - Wired Equivalent Privacy (WEP) и Wi-Fi Protected Access (WPA). Первый, несмотря на то, что поддерживается всем сертифицированным оборудованием, имеет серьезные уязвимости и поэтому не обеспечивает должной защиты беспроводных каналов связи. Стандарт WPA считается намного более надежным. При этом сохраняется возможность одновременной работы в сети клиентов WPA и WEP, а также использующих другие, проприетарные протоколы защиты. Часть старого оборудования можно модернизировать под WPA путем обновления микропрограммы ("прошивки").

Немаловажным достоинством сетей WLAN является возможность динамичной смены точек доступа. Современные  устройства со встроенными контроллерами Wi-Fi начинают поиск нового хот-спота при ухудшении связи и автоматически переключаются на новую точку доступа. Это предоставляет пользователю возможность перемещаться, не отрываясь от работы.

            Недостатки Wi-Fi:

Одной из основных проблем, характерных для сетей Wi-Fi, является, пожалуй, интерференция, то есть, пересечение зон приема от различных станций. По причине того, что передача сигнала ведется на свободной частоте, качество связи может значительно понижаться из-за помех от любительского радиооборудования и бытовых приборов, например, микроволновых печей. Кроме того, условия приема и передачи ухудшают стены, железобетонные перекрытия, металлические перегородки и пр.

Несмотря на появление  стандарта безопасности WPA, на многих точках доступа применяется оборудование, совместимое исключительно с WEP. Такие потенциально уязвимые хот-споты теоретически могут представлять угрозу для пользователей, чья конфиденциальная информация может попасть в руки злоумышленников.

Нельзя не упомянуть  проблему относительно высокого энергопотребления. Она особенно актуальна для владельцев ноутбуков и карманных компьютеров, поскольку при активном использовании беспроводной связи существенно сокращается время работы портативных устройств от аккумуляторных батарей.

Наконец, к недостаткам WLAN можно отнести ограниченный радиус действия, который не превышает 300 метров в зоне прямой видимости и 70 метров при передаче информации в зданиях.

1.2.1 Основные стандарты

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

 

1.2.2 Стандарт IEEE 802.11g

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 (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC).

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). 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.

1.2.3 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 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 Tones).

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. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM — на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

1.2.4 Принцип работы MIMO в стандарте 802.11n

Для повышения пропускной способности  сети самое простое решение —  увеличение числа каналов передачи. В стандарте 802.11n это реализовано  путем использования принципа MIMO и мультиплексирования с ортогональным  частотным разделением канала (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — OFDM).

В самом широком смысле MIMO —  это система, имеющая «много входов и много выходов» (Multiple Input Multiple Output). Применительно к беспроводным сетям и системам связи в целом это означает, что сигнал передается и принимается не одной, а несколькими антеннами одновременно (см. рис. 1).

Рис. 1.4. Принцип работы системы 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:

1. Унаследованный режим (legacy mode).

2. Смешанный режим (mixed mode).

3. Режим зеленого поля (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 (АРУ), обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

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.