Wifi komunikační standardy. Bezdrátové standardy. Osobní bezdrátové sítě

Bezdrátový komunikační protokol Wi-Fi (Wireless Fidelity) byl vyvinut již v roce 1996. Původně byl určen pro budování lokálních sítí, ale největší oblibu si získal jako efektivní způsob připojení chytrých telefonů a dalších přenosných zařízení k internetu.

Za 20 let vyvinula stejnojmenná aliance několik generací připojení a každý rok zavádí rychlejší a funkčnější aktualizace. Jsou popsány standardy 802.11 publikovanými IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Skupina zahrnuje několik verzí protokolu, které se liší rychlostí přenosu dat a podporou dalších funkcí.

Vůbec první standard Wi-Fi neměl písmenné označení. Zařízení, která jej podporují, komunikují na frekvenci 2,4 GHz. Rychlost přenosu informací byla pouze 1 Mbit/s. Existovala i zařízení, která podporovala rychlost až 2 Mbit/s. Aktivně byl používán pouze 3 roky, poté byl vylepšen. Každý následující standard Wi-Fi je označen písmenem za společným číslem (802.11a/b/g/n atd.).

Jedna z prvních aktualizací standardu Wi-Fi, vydaná v roce 1999. Zdvojnásobením frekvence (až 5 GHz) byli inženýři schopni dosáhnout teoretické rychlosti až 54 Mbit/s. Nebyl široce používán, protože sám o sobě není kompatibilní s jinými verzemi. Zařízení, která jej podporují, musí mít duální transceiver, aby fungovala v sítích 2,4 GHz. Smartphony s Wi-Fi 802.11a nejsou rozšířené.

Wi-Fi standard IEEE 802.11b

Druhá časná aktualizace rozhraní, vydaná souběžně s verzí a. Frekvence zůstala stejná (2,4 GHz), ale rychlost byla zvýšena na 5,5 nebo 11 Mbit/s (v závislosti na zařízení). Až do konce prvního desetiletí 2000 to byl nejběžnější standard pro bezdrátové sítě. Oblibu mu zajistila kompatibilita se starší verzí a také poměrně velký rádius pokrytí. Přestože je 802.11b nahrazeno novými verzemi, je podporováno téměř všemi moderními smartphony.

Wi-Fi standard IEEE 802.11g

Nová generace Wi-Fi protokolu byla představena v roce 2003. Frekvence přenosu dat vývojáři ponechali stejné, díky čemuž je standard plně kompatibilní s předchozím (stará zařízení pracovala rychlostí až 11 Mbit/s). Rychlost přenosu informací se zvýšila na 54 Mbit/s, což bylo donedávna dostačující. Všechny moderní smartphony pracují s 802.11g.

Wi-Fi standard IEEE 802.11n

V roce 2009 byla vydána rozsáhlá aktualizace standardu Wi-Fi. Nová verze rozhraní se dočkala výrazného navýšení rychlosti (až 600 Mbit/s), a to při zachování kompatibility s předchozími. Aby bylo možné pracovat s vybavením 802.11a a také bojovat proti přetížení v pásmu 2,4 GHz, byla vrácena podpora frekvencí 5 GHz (paralelně s 2,4 GHz).

Rozšířily se možnosti konfigurace sítě a zvýšil se počet současně podporovaných připojení. Stalo se možné komunikovat v režimu multi-stream MIMO (paralelní přenos několika datových toků na stejné frekvenci) a kombinovat dva kanály pro komunikaci s jedním zařízením. První smartphony podporující tento protokol byly vydány v roce 2010.

Wi-Fi standard IEEE 802.11ac

V roce 2014 byl schválen nový standard Wi-Fi IEEE 802.11ac. Stalo se logickým pokračováním 802.11n, poskytující desetinásobné zvýšení rychlosti. Díky možnosti kombinovat až 8 kanálů (každý 20 MHz) současně se teoretický strop zvýšil na 6,93 Gbit/s. což je 24krát rychlejší než 802.11n.

Bylo rozhodnuto opustit frekvenci 2,4 GHz z důvodu přetížení dosahu a nemožnosti kombinovat více než 2 kanály. Wi-Fi standard IEEE 802.11ac funguje v pásmu 5 GHz a je zpětně kompatibilní se zařízeními 802.11n (2,4 GHz), ale není zaručeno, že bude fungovat se staršími verzemi. Dnes to nepodporují všechny smartphony (například mnoho levných smartphonů na MediaTeku podporu nemá).

Jiné normy

Existují verze IEEE 802.11 označené různými písmeny. Ale buď provádějí drobné úpravy a doplňky k výše uvedeným standardům, nebo přidávají specifické funkce (jako je schopnost interakce s jinými rádiovými sítěmi nebo zabezpečení). Za vyzdvihnutí stojí 802.11y, který využívá nestandardní frekvenci 3,6 GHz, a také 802.11ad, určený pro pásmo 60 GHz. První je navržen tak, aby poskytoval komunikační dosah až 5 km pomocí čistého dosahu. Druhý (také známý jako WiGig) je navržen tak, aby poskytoval maximální (až 7 Gbit/s) komunikační rychlost na velmi krátké vzdálenosti (v místnosti).

Který standard Wi-Fi je pro smartphone lepší?

Všechny moderní smartphony jsou vybaveny modulem Wi-Fi navrženým pro práci s několika verzemi 802.11. Obecně jsou podporovány všechny vzájemně kompatibilní standardy: b, g a n. Práce s posledně jmenovaným lze ale často realizovat pouze na frekvenci 2,4 GHz. Zařízení, která jsou schopna provozu v sítích 802.11n v pásmu 5 GHz, také podporují 802.11a jako zpětně kompatibilní.

Zvýšení frekvence pomáhá zvýšit rychlost výměny dat. Zároveň se ale snižuje vlnová délka a tím se ztěžuje průchod přes překážky. Z tohoto důvodu bude teoretický rozsah 2,4 GHz vyšší než 5 GHz. V praxi je však situace trochu jiná.

Frekvence 2,4 GHz se ukázala jako volná, takže ji používá spotřební elektronika. Kromě Wi-Fi pracují v tomto rozsahu zařízení Bluetooth, transceivery bezdrátových klávesnic a myší a v tomto rozsahu vyzařují také magnetrony mikrovlnných trub. Proto v místech, kde funguje několik sítí Wi-Fi, množství rušení kompenzuje výhodu dosahu. Signál bude zachycen i na sto metrů, ale rychlost bude minimální a ztráta datových paketů bude velká.

Pásmo 5 GHz je širší (od 5170 do 5905 MHz) a méně přetížené. Vlny proto hůře překonávají překážky (zdi, nábytek, lidská těla), ale v podmínkách přímé viditelnosti poskytují stabilnější spojení. Neschopnost efektivně překonávat zdi se ukazuje jako výhoda: Wi-Fi souseda nezachytíte, ale nebude to rušit váš router nebo smartphone.

Je však třeba připomenout, že k dosažení maximální rychlosti potřebujete také router, který pracuje se stejným standardem. V ostatních případech stále nebudete moci získat více než 150 Mbit/s.

Hodně záleží na routeru a jeho typu antény. Adaptivní antény jsou navrženy tak, aby detekovaly polohu smartphonu a posílaly mu směrový signál, který dosahuje dále než jiné typy antén.

Existuje několik typů sítí WLAN, které se liší schématem organizace signálu, rychlostí přenosu dat, poloměrem pokrytí sítě a také charakteristikami rádiových vysílačů a přijímacích zařízení. Nejpoužívanější bezdrátové sítě jsou IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac a další.

Jako první byly v roce 1999 schváleny specifikace 802.11a a 802.11b, nejrozšířenější jsou však zařízení vyrobená podle standardu 802.11b.

Wi-Fi standard 802.11b

Standard 802.11b založené na metodě modulace Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Celý provozní rozsah je rozdělen do 14 kanálů s odstupem 25 MHz pro eliminaci vzájemného rušení. Data jsou přenášena jedním z těchto kanálů bez přepínání na jiné. Současně lze používat pouze 3 kanály. Rychlost přenosu dat se může automaticky měnit v závislosti na úrovni rušení a vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem.

Standard IEEE 802.11b implementuje maximální teoretickou přenosovou rychlost 11 Mbps, což je srovnatelné s kabelovou sítí 10 BaseT Ethernet. Vezměte prosím na vědomí, že tato rychlost je možná při přenosu dat s jedním zařízením WLAN. Pokud v prostředí pracuje současně větší počet účastnických stanic, šířka pásma se rozdělí mezi všechny a rychlost přenosu dat na uživatele klesá.

Wi-Fi standard 802.11a

Standard 802.11a byl přijat v roce 1999, své uplatnění však našel až v roce 2001. Tento standard se používá především v USA a Japonsku. V Rusku a Evropě není široce používán.

Standard 802.11a využívá schéma modulace signálu – Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Hlavní datový tok je rozdělen do několika paralelních dílčích toků při relativně nízké bitové rychlosti a k ​​jejich modulaci se pak použije vhodný počet nosných. Standard definuje tři povinné rychlosti přenosu dat (6, 12 a 24 Mbit/s) a pět dodatečných (9, 18, 24, 48 a 54 Mbit/s). Je také možné používat dva kanály současně, což zvyšuje rychlost přenosu dat 2krát.

Wi-Fi standard 802.11g

Standard 802,11 g byla definitivně schválena v červnu 2003. Jedná se o další vylepšení specifikace IEEE 802.11b a implementuje přenos dat ve stejném frekvenčním rozsahu. Hlavní výhodou tohoto standardu je zvýšená propustnost - rychlost přenosu dat v rádiovém kanálu dosahuje 54 Mbit/s oproti 11 Mbit/s u 802.11b. Stejně jako IEEE 802.11b pracuje nová specifikace v pásmu 2,4 GHz, ale pro zvýšení rychlosti využívá stejné schéma modulace signálu jako 802.11a – ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením (OFDM).

Standard 802.11g je kompatibilní s 802.11b. Adaptéry 802.11b tedy mohou pracovat v sítích 802.11g (ale ne rychleji než 11 Mb/s) a adaptéry 802.11g mohou snížit rychlost přenosu dat na 11 Mb/s pro práci ve starších sítích 802.11b.

Wi-Fi standard 802.11n

Standard 802.11 n byla ratifikována 11. září 2009. Zvyšuje rychlost přenosu dat téměř 4krát ve srovnání se standardními zařízeními 802,11 g (jehož maximální rychlost je 54 Mbps), s výhradou použití v režimu 802.11n s jinými zařízeními 802.11n. Maximální teoretická rychlost přenosu dat je 600 Mbit/s při použití přenosu dat přes čtyři antény najednou. Jedna anténa – až 150 Mbit/s.

Zařízení 802.11n pracují ve frekvenčním rozsahu 2,4 – 2,5 nebo 5,0 GHz.

Standard IEEE 802.11n je založen na technologii OFDM-MIMO. Většina funkcí je vypůjčena ze standardu 802.11a, avšak standard IEEE 802.11n má schopnost používat jak frekvenční rozsah přijatý pro standard IEEE 802.11a, tak frekvenční rozsah přijatý pro standardy IEEE 802.11b/g. Zařízení, která podporují standard IEEE 802.11n, tedy mohou pracovat ve frekvenčním rozsahu 5 GHz nebo 2,4 GHz, přičemž konkrétní implementace se v jednotlivých zemích liší. V Rusku budou zařízení IEEE 802.11n podporovat frekvenční rozsah 2,4 GHz.

Zvýšení přenosové rychlosti ve standardu IEEE 802.11n je dosaženo zdvojnásobením šířky kanálu z 20 na 40 MHz a také díky implementaci technologie MIMO.

Wi-Fi standard 802.11ac

Standard 802.11ac je dalším vývojem technologií zavedených ve standardu 802.11n. Ve specifikacích jsou zařízení 802.11ac klasifikována jako VHT (Very High Throughput) – s velmivysoká propustnost. Sítě 802.11ac fungují výhradně v pásmu 5 GHz. Pásmo rádiového kanálu může být 20, 40, 80 a 160 MHz. Je také možné kombinovat dva rádiové kanály 80 + 80 MHz.

Srovnání 802.11n a 802.11ac

Prameny:

1. A.N. Steputin, A.D. Nikolajev. Mobilní komunikace na cestě k 6G . V 2. T. – 2. vyd. - Moskva-Vologda: Infra-Engineering, 2018. – 804 s. : nemocný.

2. A.E. Ryzhkov, V. A. Lavrukhin Heterogenní rádiové přístupové sítě: návod. - Petrohrad. : SPbSUT, 2017. – 92 s.

Mezi nejznámější bezdrátové technologie patří: Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB a relativně nová technologie - ZigBee, která byla původně vyvinuta se zaměřením na průmyslové aplikace.

Obrázek 1 – Bezdrátové standardy

Každá z těchto technologií má jedinečné vlastnosti (viz obrázek 2), které definují jejich příslušné aplikace.

Pokusme se formulovat požadavky, které musí komunikační technologie splňovat pro své úspěšné uplatnění v průmyslu. Řekněme, že existuje určitý průmyslový objekt skládající se z několika pohonů elektrických čerpadel, zařízení pro sběr informací z různých technologických senzorů, například tlakových, teplotních, průtokových senzorů, včetně těch vzdáleně instalovaných, operátorské konzole a velínu. Čerpadla jsou ovládána z operátorské konzole a velín nepřetržitě monitoruje systém.

Obrázek 2 – Hlavní charakteristiky oblíbených standardů bezdrátové komunikace

Je zřejmé, že nejlepší možností z hlediska jednoduchosti a pohodlí by bylo sjednotit všechna zařízení zapojená do výměny informací do jediné informační sítě fungující ve stejném standardu. Vzhledem k tomu, že v průmyslovém zařízení mohou být instalována zařízení s různou složitostí a odpovídajícími náklady, musí být softwarový a hardwarový komplex, který poskytuje každému zařízení přístup k informační síti, poměrně levný. Také komunikační technologie musí poskytovat potřebný dosah a rychlost připojení. A pokud vezmeme v úvahu, že průmyslovou instalaci lze doplnit o nové komponenty (například další čerpadlo nebo zařízení pro sběr informací), pak komunikační technologie vyžaduje schopnost škálování. A samozřejmě komunikační technologie musí zajistit spolehlivost a bezpečnost přenosu informací. Uvažovaný případ je typickým příkladem distribuovaného řídicího systému, kde každý z uzlů, jelikož je inteligentní, plní svůj vlastní úkol místní automatizace a spojení mezi uzly jsou „slabá“ – jde především o provozní řídicí příkazy a změny v nastavení řízených po síti a technologickém procesu se přenášejí zprávy o stavu zařízení. Každý uzel, například založený na frekvenčním měniči, má své vlastní komunikační kanály s procesními senzory a není potřeba přenášet velké datové toky.

Analýza bezdrátových technologií ukazuje, že vysokorychlostní technologie Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB jsou určeny především pro servis počítačových periferií a multimediálních zařízení. Jsou optimalizovány pro přenos velkých objemů informací vysokou rychlostí, pracují převážně na topologii bod-bod nebo hvězda a jsou nevhodné pro realizaci složitých rozvětvených průmyslových sítí s velkým počtem uzlů. Naopak, technologie ZigBee má spíše skromné ​​rychlosti přenosu dat a vzdálenosti mezi uzly, ale má následující důležité výhody z hlediska průmyslového použití.

1.Je zaměřen na primární použití v distribuovaných multimikroprocesorových řídicích systémech se sběrem informací z chytrých senzorů, kde jsou rozhodující otázky minimalizace spotřeby energie a procesorových zdrojů.

2. Poskytuje možnost organizovat samokonfigurující sítě s komplexní topologií, ve které je trasa zprávy automaticky určována nejen počtem provozovaných nebo aktuálně zapnutých/vypnutých zařízení (uzlů), ale také kvalitou komunikace mezi které je automaticky určeno na úrovni hardwaru.

3. Poskytuje škálovatelnost – automatické zprovoznění uzlu nebo skupiny uzlů ihned po přivedení napájení do uzlu.

4. Garantuje vysokou spolehlivost sítě volbou alternativní trasy přenosu zpráv v případě výpadků/výpadků v jednotlivých uzlech.

5.Podporuje vestavěné hardwarové mechanismy šifrování zpráv AES-128, čímž eliminuje možnost neoprávněného přístupu k síti.

Organizace sítě ZigBee

ZigBee je relativně nový standard bezdrátové komunikace, který byl původně vyvinut jako prostředek pro přenos malého množství informací na krátké vzdálenosti s minimální spotřebou energie. Ve skutečnosti tato norma popisuje pravidla pro provoz hardwarového a softwarového komplexu, který implementuje bezdrátovou interakci zařízení mezi sebou.

Protokolový zásobník ZigBee je hierarchický model vybudovaný na principu sedmivrstvého modelu protokolů přenosu dat v otevřených systémech OSI (Open System Interconnection). Sada obsahuje vrstvy IEEE 802.15.4 odpovědné za implementaci komunikačního kanálu a vrstvy softwarové sítě a podpory aplikací definované specifikací ZigBee. . Implementační model komunikačního standardu ZigBee je uveden na obrázku 3.

Obrázek 3 – Víceúrovňový model komunikačního standardu ZigBee

Standard IEEE 802.15.4 definuje dvě spodní vrstvy zásobníku: vrstvu přístupu k médiím (MAC) a fyzickou vrstvu médií propagace (PHY), tedy nižší vrstvy protokolu bezdrátového přenosu dat. . Aliance definuje softwarové vrstvy zásobníku ZigBee od Data Link Control po profily ZigBee. Příjem a přenos dat rádiovým kanálem se provádí na fyzické úrovni PHY, která určuje provozní frekvenční rozsah, typ modulace, maximální rychlost, počet kanálů (tabulka 1). Vrstva PHY aktivuje a deaktivuje transceiver, detekuje energii přijímaného signálu na pracovním kanálu, vybírá fyzický frekvenční kanál, indikuje kvalitu komunikace při příjmu datového paketu a odhaduje volný kanál. Je důležité pochopit, že 802.15.4 je fyzické rádio (čip rádiového transceiveru) a ZigBee je logická síť a softwarový stack, který poskytuje funkce zabezpečení a směrování.

Další ve struktuře zásobníku ZigBee je vrstva řízení přístupu k médiu IEEE 802.15.4 MAC, která provádí vstup a výstup ze sítě zařízení, organizaci sítě, generování datových paketů, implementaci různých bezpečnostních režimů (včetně 128bitového AES šifrování), 16bitové a 64bitové adresování.

Vrstva MAC poskytuje různé mechanismy přístupu k síti, podporu síťových topologií od point-to-point až po síť s více buňkami, garantovanou výměnu dat (ACK, CRC), podporuje streaming a paketový přenos dat.

Pro zamezení nežádoucích interakcí je možné využít časové dělení na základě protokolu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access and Collision Avoidance).

Časové dělení ZigBee je založeno na použití režimu synchronizace, ve kterém se podřízená síťová zařízení, která jsou většinu času ve stavu „spánku“, periodicky „probouzejí“, aby přijala synchronizační signál od síťového koordinátora, což umožňuje zařízením uvnitř buňce místní sítě, aby věděli, v jakém časovém okamžiku provést přenos dat. Tento mechanismus, založený na zjištění stavu komunikačního kanálu před zahájením přenosu, může výrazně snížit (ale ne eliminovat) kolize způsobené přenosem dat několika zařízeními současně. Standard 802.15.4 je založen na poloduplexním přenosu dat (zařízení může data buď vysílat nebo přijímat), což neumožňuje použít metodu CSMA-CA pro detekci kolize – pouze pro zamezení kolize.

Specifikace zásobníku poskytuje tři typy zařízení: koordinátor, směrovač a koncové zařízení. Koordinátor inicializuje síť, spravuje její uzly, ukládá informace o nastavení každého uzlu, nastavuje číslo frekvenčního kanálu a identifikátor sítě PAN ID a během provozu může být zdrojem, přijímačem a přenosem zpráv. Směrovač je zodpovědný za volbu doručovací cesty pro zprávu přenášenou sítí z jednoho uzlu do druhého a během provozu může být také zdrojem, přijímačem nebo přenosem zpráv. Pokud mají směrovače příslušné schopnosti, mohou určit optimalizované trasy do určitého bodu a uložit je pro pozdější použití ve směrovacích tabulkách. Koncové zařízení se nepodílí na správě sítě a předávání zpráv, protože je pouze zdrojem/příjemcem zpráv.

Mezi vlastnostmi ZigBee je třeba zvláště zmínit podporu komplexních topologií sítí. Díky tomu, s relativně krátkým maximálním komunikačním dosahem dvou blízkých zařízení, je možné rozšířit oblast pokrytí sítě jako celku. Tomu napomáhá i 16bitové adresování, které umožňuje sloučit více než 65 tisíc zařízení do jedné sítě.

Obrázek 4 – Topologie sítě ZigBee