Исходные данные к проекту:
Максимальное количество абонентов в сети: 35
Радиус зоны обслуживания: 150 м
Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях: 2Мбит/с
Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ
Тип местности: городская застройка
Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 5*10-7
Мощность излучения подвижной станции Ризл АС : < 0,2 Вт
Рекомендуемая технология передачи: OFDM
В качестве примера, где создаётся локальная радиосеть возьмём предприятие, в котором сотрудники нуждаются в постоянном контакте между собой и доступе в локальную сеть предприятия. Не менее важным для сотрудников является необходимость доступа в интернет, для этого обеспечивается соединение INTERNET через маршрутизатор провайдера.
Для дальнейшего проектирования необходимо выбрать конфигурацию сети, так как она определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. С этой точки зрения WLAN имеет два совершенно разных подхода к реализации(Структурированная сеть и Ad Hoc), но я остановлюсь на первом подходе, так как из ТЗ сеть должна быть реализована на примере сети IEEE 802.11n :
Рис.1. Пример структурированного типа построения сети
Так как сотрудники будут перемещаться по предприятию с абонентским оборудованием (ноутбуки) для сбора информации, локальную радиосеть реализуем на основе структурированной сети с наличием точки доступа . Точка доступа связывается с модемами пользователей через радиоинтерфейс, с базой данных по магистральной линии связи, а также имеет канал в Интернет через Ethernet.
Основная задача сети - обеспечение двухстороннего обмена данными между терминалами абонентов. Также перечислим услуги, которые должна предоставлять сеть:
- · Передача данных между абонентами этой сети;
- · Передача коротких сообщений;
- · Доступ к сети Internet (может выступать как дополнительная услуга);
- · Возможность отправлять данные нескольким абонентам.
Базовые положения стандарта IEEE 802.11n для сетей Wi-Fi
В основе стандарта 802.11n:
- Увеличение скорости передачи данных;
- Увеличение зоны покрытия;
- Увеличение надежности передачи сигнала;
- Увеличение пропускной способности.
Стандарт 802.11n включает в себя множество усовершенствований по сравнению с устройствами стандарта 802.11g. Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц. На физическом уровне (PHY) реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.
На сетевом уровне (MAC) реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g (в настоящее время эти устройства уже считаются устаревшими).
В реальности, производительность беспроводной локальной сети зависит от многочисленных факторов, таких как среда передачи данных, частота радиоволн, размещение устройств и их конфигурация. При использовании устройств стандарта 802.11n, крайне важно понять, какие именно усовершенствования были реализованы в этом стандарте, на что они влияют, а также как они совмещаются и сосуществуют с сетями устаревшего стандарта 802.11a/b/g беспроводных сетей. Важно понять, какие именно дополнительные особенности стандарта 802.11n реализованы и поддерживаются в новых беспроводных устройствах:
Многоканальный вход/выход (MIMO)
В технологии MIMO применяются несколько антенн различного рода, настроенных на одном и том же канале. Каждая антенна передает сигнал с различными пространственными характеристиками. Таким образом, технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Каждый wi-fi приемник «прислушивается» ко всем сигналам от каждого wifi передатчика, что позволяет делать пути передачи данных более разнообразными. Таким образом, несколько путей могут быть перекомбинированы, что приведет к усилению требуемых сигналов в беспроводных сетях.
Еще один плюс технологии MIMO в том, что данная технология обеспечивает пространственное деление мультиплексирования (Spatial Division Multiplexing (SDM)). SDM пространственно уплотняет несколько независимых потоков данных одновременно (в основном, виртуальных каналов) внутри одной спектральной полосы пропускания канала. В сущности, несколько антенн передают различные потоки данных с индивидуальной кодировкой сигналов (пространственные потоки). Эти потоки, двигаясь параллельно по воздуху «пропихивают» больше данных по заданному каналу. На приемнике каждая антенна видит разные сочетания сигнальных потоков и приемник «демултиплексирует» эти потоки для их использования. MIMO SDM может значительно увеличить пропускную способность для передачи данных, если увеличить число пространственных потоков данных. Каждому пространственному потоку необходимы свои собственные передающие / принимающие (TX / RX) антенные пары на каждом конце передачи. Работа системы представлена на рис.2
Рисунок 2.Технология MIMO
Между операционной системой и антенной радиоинтерфейса 802.11 должен выполняться ряд задач. При передаче кадра, основная задача преобразование Фурье, обратимое преобразование кодированного сигнала в частотной области в кодированный сигнал во временной области, и усиление сигнала до антенны, в разрешенном диапазоне. На приемной стороне процесс должен быть обратным. Сразу после приема сигнала, антенны усиливают слабый сигнал, принятый с достаточной мощностью чтобы работать с ним и выполнять преобразование Фурье для извлечения поднесущих.
Ширина полосы пропускания канала 40 МГц
Другой дополнительной особенностью стандарта 802.11n является увеличение ширины канала с 20 до 40 МГц.
В беспроводных сетях используются два частотных диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц.
Беспроводные сети стандарта 802.11b/g работают на частоте 2.4 ГГц, сети стандарта 802.11a работают на частоте 5 ГГц, а сети стандарта 802.11n могут работать как на частоте 2.4 ГГц, так и на частоте 5 ГГц. В полосе частот 2.4 ГГц для беспроводных сетей доступны 13 каналов с интервалами 5 МГц между ними. Для передачи сигнала беспроводные устройства стандарта 802.11b/g используют каналы шириной 20 МГц.
Беспроводное устройство стандарта 802.11b/g использует один из 13 каналов из полосы 20 МГц в пределах частоты 2.4 ГГц, но фактически задействует 5 пересекающихся каналов. Например, если точка доступа использует канал 6, то она оказывает значительные помехи на каналы 5 и 7, а также оказывает помехи на каналы 4 и 8. Когда происходит передача данных устройством, беспроводной сигнал отклоняется от центральной частоты канала +/- 11 МГц. В некоторых случаях происходит отклонение энергии радиочастоты до 30 МГц от центрального канала. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Таким образом, остается всего 3 непересекающихся канала на полосе 20 МГц: 1, 6 и 11.Беспроводные точки доступа, работающие в полосе частот 2.4 ГГц, в пределах одной покрываемой зоны обслуживания должны избегать перекрытия каналов для обеспечения качества беспроводной сети. Одним из основных моментов является вопрос совместимости беспроводных устройств стандарта 802.11n c устройствами 802.11a/b/g.Большинство беспроводных локальных сетей 802.11n используют каналы 40 МГц только в диапазоне частот 5 ГГц. В сетях, использующих полосу частот 5 ГГц (802.11n), проблемы пересекающихся каналов не существует.Устройства стандарта 802.11n могут использовать ширину канала 20 или 40 МГц в любом частотном диапазоне (2.4 или 5 ГГц). При использовании ширины канала 40 МГц (устройства 802.11n) происходит двойное увеличение пропускной способности по сравнению с шириной канала 20 МГц (устройства 802.11b/g).В полосе частот 5 ГГц доступно 19 непересекающихся каналов, которые более пригодны для применения в устройствах стандарта 802.11n, обеспечивающих максимально возможную скорость передачи данных. Сигналы распределяются без взаимного перекрытия каналов с шириной полосы 40 МГц.Однако, при использовании полосы 40 МГц устройствами 802.11n, их работе могут мешать существующие 802.11b/g точки доступа, что приведет к снижению производительности всего сегмента сети.
Рисунок 3.Распределение каналов 2.4 ГГц.
На рисунке 4 представлено сравнение канала 20 МГц и канала 40 МГц 802.11n
Рисунок 4.Сравнение канала 20 МГц и канала 40 МГц 802.11n
Как видно из рисунка 4, в канале шириной 20 МГц дипазон поднесущих от-28 до +28 , где на позициях -21, -7, +7, +21 расположены пилот сигналы, 56 всего поднесущих, 52 используется для передачи информации.
В канале 40 МГц диапазон поднесущих от -57 до +57, где на позициях -53, -25, -11, +11, +25, +53 расположены пилот сигналы, 114 всего поднесущих, 108 используется для передачи информации.
Исходя из этого увеличение пропускной способности канала при полосе 40 МГц в 2 раза.
Режимы работы 802.11n
В стандарте 802.11n предусмотрено два режима передачи: стандартный режим передачи (L) и режим с высокой пропускной способностью (High Throughput, HT). В традиционных режимах передачи используются 52 частотных OFDM-подканала (поднесущих частот), из которых 48 задействуется для передачи данных, а остальные — для передачи служебной информации.
В режимах с повышенной пропускной способностью при ширине канала в 20 МГц применяются 56 частотных подканалов, из которых 52 задействуются для передачи данных, а четыре канала являются пилотными. Таким образом, даже при использовании канала шириной 20 МГц увеличение частотных подканалов с 48 до 52 позволяет повысить скорость передачи на 8%.
При применении канала удвоенной ширины, то есть канала шириной 40 МГц, в стандартном режиме передачи вещание фактически ведется на сдвоенном канале. Соответственно количество поднесущих частот увеличивается вдвое (104 подканала, из которых 96 являются информационными). Благодаря этому скорость передачи увеличивается на 100%.
При использовании 40-мегагерцевого канала и режима с высокой пропускной способностью применяются 114 частотных подканалов, из которых 108 подканалов — информационные, а шесть — пилотные. Соответственно это позволяет увеличить скорость передачи уже на 125%.
Тип модуляции | Скорость сверточного кодирования | Количество бит в одном символе в одном подканале | Общее количество бит в OFDM-символе | Количество информационных бит на символ | Скорость передачи данных | |
GI = 0,8 мкс | GI = 0,4 мкс | |||||
BPSK | 1/2 | 1 | 52 | 26 | 6,5 | 7,2 |
QPSK | 1/2 | 2 | 104 | 52 | 13,0 | 14,4 |
QPSK | 3/4 | 2 | 104 | 78 | 19,5 | 21,7 |
16-QAM | 1/2 | 4 | 208 | 104 | 26,0 | 28,9 |
16-QAM | 3/4 | 4 | 208 | 156 | 39,0 | 43,3 |
64-QAM | 2/3 | 6 | 312 | 208 | 52,0 | 57,8 |
64-QAM | 3/4 | 6 | 312 | 234 | 58,5 | 65,0 |
64-QAM | 5/6 | 6 | 312 | 260 | 65,0 | 72,2 |
Таблица 1. Соотношение между скоростями передачи, типом модуляции и скоростью сверточного кодирования в стандарте 802.11n (канал шириной 20 МГц, HT-режим (52 частотных подканала)).
Еще два обстоятельства, благодаря которым в стандарте IEEE 802.11n увеличивается скорость передачи, — это сокращение длительности охранного интервала GI в OGDM-символах с 0,8 до 0,4 мкс и повышение скорости сверточного кодирования. Напомним, что в протоколе IEEE 802.11a максимальная скорость сверточного кодирования составляет 3/4, то есть к каждым трем входным битам добавляется еще один. В протоколе IEEE 802.11n максимальная скорость сверточного кодирования равна 5/6, то есть каждые пять входных бит в сверточном кодере превращаются в шесть выходных. Соотношение между скоростями передачи, типом модуляции и скоростью сверточного кодирования для стандартного канала шириной 20 МГц приведены в таблице. 1.
Источниками и получателями сообщений являются как терминалы данной локальной радиосети, так и объекты других локальных радиосетей, в том числе и объекты глобальной сети Internet.
Точка доступа является коммутатором и позволяет объединять всех пользователей в единую сеть. Задача точки доступа - координировать обмен данными между всеми клиентами беспроводной сети и обеспечить всем клиентам равноправный доступ к среде передачи данных.
Основными требованиями к способу доставки сообщений являются надёжность доставки от отправителя к получателю и избежание коллизий во время осуществления передачи, что предусмотрено конфигурацией и используемой технологией сети.
Характер трафика: пульсирующий. Возможна передача информационных сообщений отдельными порциями (пакетами) на время предоставления канала терминалу.
Основными элементами необходимыми для ее функционирования сети являются:
- Администратор сети
- Сеть интернет
- Проводная сеть Ethernet
- Точка доступа
- Пользовательские терминалы (ПК, КПК, Ноутбуки)
Рисунок. 5. Функциональная схема сети.
Рассмотрим сценарии функционирования сети.
Данная сеть объединяет ПК, ноутбуки в единую радиосеть через точку доступа, которая подключены к проводной сети Ethernet. АР предоставляет беспроводный доступ компьютерам и другим устройствам, оборудованным беспроводными сетевыми картами. Данная система обслуживается администратором удаленно через сеть Internet, а на его сервере может находиться различная информация - данные абонентов, статистика работы сети.
Функции администратора:
- · Поддержание работоспособности сети и её компонентов;
- · Защита данных (введение режима шифрования данных);
- · Включение и отключение системы, терминалов;
- · Сбор статистических данных о работе сети.
Cтек 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 802.11n определяется двумя нижними уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции .
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.
В сетях 802.11 уровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде:
- распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function);
- централизованный режим PCF (Point Coordination Function).
В данной сети обеспечивается распределенный режим DCF, режим PCF опциональный.
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 эта проблема решается достаточно элегантно - временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра ( рис 7.). 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.
Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля активности 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/CTSсодержится 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 сообщает всем, 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 IFS среда все еще свободна, начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно 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 "Competition Window" (конкурентное окно).
Рисунок 7.Распределенный режим DCF.
Пример:
Предположим, что рабочая станция готова передать данные.Происходит прослушивание канала, если среда свободна , то происходит проверка таймера NAV (вектор распределения сети, в течение которого принимающий узел избегает передачи). Далее происходит генерация задержки (номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW], где CW означает Contention Window (конкурентное окно)). После того, как интервал задержки станет равен нулю, станция может начинать передавать данные. После получения данных ТД проинформирует станцию о том, правильно ли переданы данные или нет.
Рисунок 8.Иллюстрация передачи сообщения.
Пример 2:
Предположим ,что ТД накопила данные для терминала, и хочет передать ему данные. Т и ТД во время соединения обуславливаются о том, что как часто ТД будет передавать данные на Т или Т сообщает ТД, как часто ему нужно доставлять данные, то есть терминал, находясь в режиме энергосбережения получает сообщения-маячки от ТД, в которых содержится информация о наличие трафика. Далее Т должен вступить в борьбу за КС и победить. Далее ТД отправляет данные на Т ,после принимает от него подтверждение приема.
Рисунок 9.Иллюстрация доставки сообщения на терминал.
- Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
- Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
- Локальная радиосеть. Часть 1.1-1.5
- КП "Локальная радиосеть". Часть 1.
- КП "Локальная радиосеть" п. 1,1-1,3. Часть 1.
- Википедия 802.11n
- Базовые положения стандарта IEEE 802.11n для сетей Wi-Fi
- Сети IEEE 802.11
- Способ и устройство для решения проблем слепого узла в беспроводных сетях