Персональные компьютеры intel. Intel NUC как он есть. Энергопотребление, температурные показатели, шум

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

Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

Стандарт
Частотный диапазон, ГГц			2,4 или 5,0
Метод передачи
Скорость, Мбит/с
Совместимость
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM
Дальность связи в помещении, м
Дальность связи вне помещения, м

1.3.1 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3.2 Стандарт IEEE 802.11а

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

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

Рисунок 1.3 - Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

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

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

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

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

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

Таблица 1.2 - Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость сверточного кодирования	Количество битв одном символе в одном подканале	Общее количество бит в символе (48 подканало)	Количество информационных бит в символе

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

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

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

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

1.3.3 Стандарт IEEE 802.11n

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

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

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

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

– совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

– большая мощность потребления;

– два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

– усложненная и более габаритная аппаратура.

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

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

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

Рисунок 1.4 - Принцип реализации технологии MIMO

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

Унаследованный режим (legacy mode).

Смешанный режим (mixed mode).

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, обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режимы работы станций MIMO.

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

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

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

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

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

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

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

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

Методы повышения быстродействия.

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

Таблица 1.3 - Скорость передачи данных при различных типах модуляции

Передатчики и приемники 802.11n

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

Рисунок 1.5 - Общая структура передатчика MIMO-OFDM

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

Рисунок 1.6 - Общая структура приемника MIMO-OFD

Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4……2,483 ГГц и в нескольких полосах вблизи 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможны несколько вариантов топологий:

• независимые базовые зоны обслуживания (independent basic sets, IBSSs),
• базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSSs),
• расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESSs).

Рис. 4.8. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Рис. 4.9. Беспроводная локальная сеть с инфраструктурой

Рис. 4.10. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети

Стандарт 802.11 имеет 3 варианта: 802.11a, b и g. Во всех вариантах передачу информации ведут в пакетном режиме, отдельными кадрами (пакетами).

Аппаратура стандарта 802.11b работает в диапазоне 2,4….2,483 ГГц

В классическом варианте 802.11b информацию передают в виде символов со скоростью 1 Мсимв/с. При модуляции 2-ФМ скорость передачи информации в кадре составляет 1 Мбит/с, а при 4-ФМ 2 Мбит/с. При применении прямого расширения спектра каждый символ заполняют чиповой m-последовательностью из 11 чипов (код Баркера): +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1,

-1, -1 . Чиповая скорость в радиоканале составляет 11 Мчип/с, а ширина радиоканала – 22 МГц. В диапазоне 2,4 ГГц фиксированы центральные частоты 13 радиоканалов: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467 и 2472 МГц. При приеме сигнал подвергают корреляционной обработке, что существенно снижает влияние помех, как в стандартах сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Устройства стандарта 802.11a работают в трех поддиапазонах на 5 ГГц. В поддиапазоне 5,15….5,25 ГГц мощность передачи ограничена 50 мВт, в поддиапазоне 5,25…. 5,35 ГГц – 250 мВт, а в поддиапазоне 5,725….5,825 ГГц – 1 Вт. В этих диапазонах выделено 12 каналов шириной 20 МГц.

Достоинством стандарта 802.11а в сравнении с 802.11b является повышенная скорость передачи данных в кадре: от 6 до 54 Мбит/с. Для этого в стандарте 802.11а применяют модуляцию OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Этот метод применяют для того, чтобы при высокой скорости передачи данных устранить межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения сигналов (рис. 4.11).

Рис.4.11. Многолучевое распространение сигналов

Идея, положенная в основу OFDM: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни, тысячи!), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц и десятков миллисекунд.

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 4.12а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 4.12б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T g , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T b увеличивается по сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT b /(T b +T g) раз.

u цис (t)

n инф.символов

u 1 t

u 2 t

u k t

u n t

Рис. 4.12. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальные созвездия при различных видах модуляции представлены на рис. 4.13.

Рассмотрим пример с передачей символов при модуляции 16-КАМ (рис. 4.14).

Рис. 4.13. Созвездия сигналов, используемых в Wi-Fi, WiMA, LTE

Рис.4.14. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S k , передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

.

В примере на рис. 4.14,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(4.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F 1 : F k = kF 1 , а частота F 1 жестко связана с длительностью символа: F 1 = 1/T b . Следовательно, на временном отрезке T b укладывается k волн поднесущей часоты F k . Каждый символ S k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F k . Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u OFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 4.15 показаны поднесущие с частотами F 1 и F 2 и нулевыми начальными фазами на временном интервале T b .

Рис.4.15. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 4.16). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.4.16. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

Рассмотрим, как работает приёмник k -ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(4.2)

На частоте F k = kF 1

На любой другой поднесущей F p = pF 1

Поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.4.17), а на интервале T b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды.

Рис.4.17. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (4.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью точка доступа (АР) в радиоканале вниз и и терминал абонента в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные сигналы , т.е. заранее известные комплексные числа С(n) , принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

В защитном интервале T g между символами (рис.4.12) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T g (рис. 4.18).

Рис. 4.18. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (4.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒T b , нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (4.3), а интегралы (4.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T g , на интервале интегрирования T b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (4.4) равны нулю.

В стандарте 802.11а для передачи информации используют 48 поднесущих (всего 52). На 4 поднесущих передают опорные сигналы. Длительность символа T s =3,2 мкс, длительность паузы T p =0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц. При модуляции 2-ФM на каждой поднесущей скорость передачи данных (без защитного кодирования)

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с,

Мбит/с.

Основные характеристики стандарта 802.11а приведены в табл. 4.4.

Тема работы:

"Планирование беспроводной сети Wi - Fi стандарта 802.11 n "

Выполнила:

студентка группы 218

Асеева Елена

1 часть: введение.

2 часть: анализ функциональных возможностей и систематизация пакетов ПО для планирования радиосетей стандартов IEEE 802.11.

3 часть: демонстрация приёма планирования радиосети IEEE 802.11 n для произвольного помещения с помощью любого из рассмотренных пакетов ПО.

Введение

У каждой эпохи есть своё лицо с присущими ей технологическими чертами. К ак известно, Wi-Fi (сокращённо от англ. Wireless Fidelity - беспроводная точность) представляет собой популярную технологию передачи данных между электронными устройствами посредством их беспроводного соединения в сеть или подключения к Интернету . Фундаментальной основой такой передачи служат высокочастотные радиоволны.

Wi-Fi технология возникла благодаря принятию решения федеральной комиссии по связи Соединенных Штатов Америки (FCC, 1985 год) об открытии нескольких полос беспроводного спектра для использования без государственной лицензии. Эти полосы уже использовались для всякого рода оборудования, такого как, например, микроволновые печи. Для работы в этих частотах, устройства должны использовать технологию «распространения спектра». Благодаря этой технологии, радио сигнал распространяется в более широком диапазоне частот, делая сигнал менее чувствительным к помехам и трудно перехватываемым. Изначально устройства Wi-Fi были предназначены для корпоративных пользователей, чтобы заменить традиционные кабельные сети. Для проводной сети требуется тщательная разработка топологии сети и прокладка вручную многих сотен метров кабеля.

Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в офисном здании с целью повышения уровня информатизации, предоставления современных услуг связи : высокоскоростного доступа в Интернет, компьютерной сети на базе технологии Wi - Fi (стандарт IEEE 802.11n ) .

Актуальность данной работы подтверждается тем, что в настоящее время в области телекоммуникаций наблюдается стремительный рост интереса к использованию техники широкополосного доступа. Использование технологий Wi-Fi в России позволит ускорить процесс внедрения современных инфокоммуникаций и, что особенно важно, обеспечить в короткие сроки возможность подключения к сети Интернет сельских школ и жителей отдаленных районов нашей страны.

1 Теоретические основы беспроводных сетей Wi - Fi

1.1 Обзор сетей беспроводного доступа

Существует принятая классификация основных видов сетей радиодоступа (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Классификация сетей беспроводного доступа

1.1.1 Персональные беспроводные сети доступа WPAN

Сети WPAN предназначены для беспроводного соединения в пределах рабочего места. Примером такой технологии является Bluetooth, разработанный в 1998 г. группой компаний Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. В 2003 г. ГКРЧ (Государственная комиссия по радиочастотам) России приняла решение о свободном использовании Bluetooth в полосе частот 2400-2483,5 МГц, что способствовало широкому распространению устройств с модулями Bluetooth.

1.1.2 Беспроводные локальные сети WLAN

Основное назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) - организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения - это организация общественных коммерческих точек доступа в людных местах - гостиницах, аэропортах, кафе. Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11.

1.1.3 Распределенные беспроводные сети WirelessAccess

и городские сети WMAN

В отличие от сетей Wi - Fi , изначально предназначавшихся для внутри-офисного использования. Это сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Access Network ) или региона, сети операторского класса. Технология распределенных сетей, в отличие от WLAN и Wi-Fi, изначально использует неколлизионный метод доступа, позволяющий предоставлять клиенту фиксированный канал передачи данных с фиксированной задержкой, что является необходимым условием для построения сетей операторского класса.

1.2 Основные классы сетей Wi-Fi

Существуют три основных класса сетей Wi-Fi:

● беспроводные сети организаций в пределах одного здания;

● хоспоты (публичные беспроводные сети);

● домашние беспроводные сети (например, сеть внутри квартиры или в небольшом магазине).

Публичные беспроводные сети Wi-Fi развертываются в местах большого скопления людей. Для этого в соответствующих местах устанавливаются базовые станции. Клиент, располагающий ноутбуком или КПК с адаптером Wi-Fi и находящийся в зоне обслуживания базовой станции, может подключиться к беспроводной сети и получить необходимый ему сервис. При этом оператор связи сам решает, когда следует ограничить скорость доступа, чтобы подключить большее число клиентов и обеспечить устойчивость связи. За рубежом хоспоты предоставляют своим клиентам интернет-доступ со скоростями от 64 кбит/с до 5 Мбит/с.

1.3 Группа стандартов Wi-Fi IEEE 802.11

Разработкой стандартов Wi-Fi 802.11 занимается организация IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers).

IEEE 802.11 – базовый стандарт для сетей Wi-Fi, который определяет набор протоколов для самых низких скоростей передачи данных.

IEEE 802.11b – описывает бо льшие скорости передачи и вводит больше технологических ограничений.Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Утверждён в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: DSSS. Модуляции: DBPSK и DQPSK. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps.

IEEE 802.11a – описывает значительно более высокие скорости передачи чем 802.11b.Используются частотные каналы в частотном спектре 5GHz. Протоколне совместим с 802.11b. Утверждён в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: OFDM. Модуляции:BPSK,QPSK,16-QAM,

64-QAM. Максимальные скорости передачи данных в канале: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54Mbps.

IEEE 802.11g – описывает скорости передачи данных эквивалентные 802.11а.Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 802.11b. Утверждён в 2003 году. Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM. Модуляции: DBPSK и DQPSK. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11Mbps на DSSS и
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

IEEE 802.11n – самый передовой коммерческий Wi-Fi-стандарт, на данный момент, официально разрешенный к ввозу и применению на территории РФ. В 802.11n используются частотные каналы в частотных спектрах Wi-Fi 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11a/11g. Сам стандарт Wi-Fi 802.11n вышел 11 сентября 2009 года.
Поддерживаются частотные каналы Wi-Fi шириной 20MHz и 40MHz (2x20MHz). Используемая радиочастотная технология: OFDM.

В Таблице 1 указаны основные характеристики стандартов.

Таблица 1 - Сводная таблица Wi-Fi стандартов

Стандарт	802.11b	802.11a	802.11g	802.11n
Рабочая частота	2.4 GHz	5 GHz	2.4GHz	2.4 GHz и 5 GHz
Скорость беспроводного соединения	1, 2, 5.5, 11Mbps	6, 9, 18, 24, 36, 48, 54Mbps	1, 2, 5.5, 11Mbps - DSS 6, 9, 18, 24, 36, 48, 54Mbps - OFDM	600Mbps
Реальная скорость передачи данных	4~6 Mbps	15~22Mbps	15~22Mbps	480Mbps
Дальность действия внутри помещения	30~50 м	30~50 м	30~50 м	Более 150 м
Совместимые стандарты	802.11g	Нет	802.11b	802.11 n, 802.11b/g
Преимущества	Совместимость с 802.11g, дешевый	Снижены взаимные помехи, больше не перекрываемых каналов	C овместимость с 802.11b, высокая скорость передачи данных	Совместимость с 802.11b/g, значительное увеличение скорости и дальности по сравнению с 802.11g
Возможность организации hot spot ("горячая точка")	Да	Нет	Да	Да

1.3.1 Технические особенности сетей 802.11n

Для того чтобы добиться пропускной способности в несколько сотен Мбит/с в стандарт 802.11n включены такие технологии как MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), сдвоенные 40-МГц частотные каналы, объединение пакетов данных для сокращения накладных расходов.

Технология MIMO. Системы 802.11n оснащают несколькими антеннами и приемо-передатчиками. Общий поток информации разбивается на несколько потоков, каждый из которых передается через определенную антенну. Чем больше антенн и чем дальше они разнесены, тем выше потенциальная скорость передачи данных.

Сдвоенные частотные каналы. Современные беспроводные сети 802.11a/b/g используют частотные каналы шириной 20 МГц. В то время как оборудование сетей 802.11n позволяет объединять два 20 МГц канала в один 40 МГц. Делая спектр сигнала более широкополосным, но при сохранении ограничений на излучаемую мощность. Это позволяет повысить пропускную способность частотного канала в два раза. Наиболее эффективно такое объединение в диапазоне 5 ГГц, где может быть организовано до 19 частотных каналов, в то время как в диапазоне 2,4 ГГц только три.

Объединение пакетов данных. Технология 802.11n увеличивает эффективность использования частотных каналов, помещая несколько пакетов с данными приложений в один кадр, передаваемый радиопередатчиком. Данная технология позволяет существенно сократить накладные расходы при передаче большого числа пакетов малого размера.

Преимущества решений 802.11n:

• Повышение пропускной способности беспроводных сетей Wi-Fi до десяти раз, особенно в диапазоне 5 ГГц.
• Повышение нагрузочной способности - большее число беспроводных пользователей может одновременно работать с одной точкой доступа 802.11n.
• Расширение зоны уверенного приемы за счет более эффективной антенной системы.

Недостатки решений 802.11n:

• Исключительно широкополосный сигнал потенциально может создать помехи работе других беспроводных устройств - особенно в перегруженном диапазоне 2,4 ГГц.
• Усложнение антенных систем приводит к увеличению габаритов устройств.
• Увеличение числа передатчиков приведет к уменьшению времени работы от батарей портативных устройств.

Список используемой литературы :

1. «Беспроводные сети. Первый шаг» / Джим Гейер. – М.: Издательство: Вильямс, 2005

2. Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Чирков Д. Н. Беспроводные сети Wi-Fi -М : БИНОМ.:Лаборатория знаний, 2007.

3. Интернет-ресурсы: http:// www .wi-life.ru/

4. «WLAN: практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» / Томас Мауфер. – М.: КУДИЦ-Образ, 2005

IEEE 802.11 -- набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9; 2,4; 3,6 и 5 ГГц.

Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию в мобильных электронно-вычислительных устройствах: КПК и ноутбуках.

Институт инженеров по электротехнике и электронике -- IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E -- «Ай трипл и») -- международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

Стандарт	Частотный диапазон	Пропускная способность	Типичная скорость	Технологии
		300/600 Мбит/с	150/300 Мбит/с
		6,93 Гбит/с		OFDM, MIMO, Beamforming

Стандарт	Частотная полоса	Скорость передачи потока, Мбит/с	Число потоков
		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
		6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
		7,2; 14,4; 21,7; 28,9; 43,3; 57,8; 65; 72,2
	15; 30; 45; 60; 90; 120; 135; 150
	20/40/80/160 МГц	65; 130; 195; 260; 390; 520; 585; 650; 780; 866.7

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и, опционально, на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей -- IEEE 802.11a -- определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с брутто. Рабочий диапазон стандарта -- 5 ГГц.

Вопреки своему названию, принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b не является продолжением стандарта 802.11a, поскольку в них используются различные технологии: DSSS (точнее, его улучшенная версия HR-DSSS) ,технология DSSS (расширение спектра радиосигнала по принципу прямой последовательности), в 802.11b против OFDM, OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing -- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), в 802.11a. Стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

Долгое время IEEE 802.11b был распространённым стандартом, на базе которого было построено большинство беспроводных локальных сетей. Сейчас его место занял стандарт IEEE 802.11g, постепенно вытесняемый высокоскоростным IEEE 802.11n.

Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость соединения до 54 Мбит/с (брутто) и превосходя, таким образом, стандарт IEEE 802.11b, который обеспечивает скорость соединения до 11 Мбит/с. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость соединения будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость может достигать 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

Массовость беспроводных технологий связи в наше время просто поражает. Отдельной темы заслуживает технология IEEE 802.11. В городе практически невозможно найти место, где ноутбук или планшет «не нашел» хотя бы одну Wi-Fi сеть. В любом кафе, многоэтажном доме или офисе можно обнаружить несколько вещаний. Очень трудно недооценить ту нотку удобства, которую нам предоставляет эта технология.

Тот Wi-Fi, который мы используем сегодня, проделал большой и тернистый путь для удобства пользователя, к которому мы все с вами привыкли. Множество стандартов со своими особенностями передачи и частотными диапазонами сформировали то, без чего жизнь IT-шника или просто современного человека трудно представить. Не будем окунаться в историю, а только отметим, что на данный момент активно эксплуатируются стандарты 802.11g и 802.11n, которые работают в диапазоне 2,4 ГГц. В быту существует множество источников помех для беспроводных сетей, однако не они являются основной проблемой. Виновником большинства неудобств является сама точка Wi-Fi, а если быть точнее, то их большое количество вблизи друг друга. В виду популярности этой технологии и большой насыщенности мест вещания, пользователи могут сталкиваться с некоторыми трудностями в работе. Большое скопление беспроводных сетей может вызвать эффект накладывая частот друг на друга, что вызывает уменьшение скорости передачи или потерю соединения вовсе. Этот весомый недостаток, вызванный популяризацией беспроводной технологии, был одним из громких звоночков в WECA для внедрения стандарта IEEE 802.11ac.

Стандарты беспроводных сетей

Сегодня мы рассмотрим все существующие стандарты IEEE 802.11 , которые предписывают использование определенных методов и скоростей передачи данных, методов модуляции, мощности передатчиков, полос частот, на которых они работают, методов аутентификации, шифрования и многое другое.

С самого начала сложилось так, что некоторые стандарты работают на физическом уровне, некоторые - на уровне среды передачи данных, а остальные — па более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем .

Существуют следующее группы стандартов:

IEEE 802.11а, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac дописывают работу сетевого оборудования (физический уровень).
Стандарт IEEE 802.11d, IEEE 802.11e, IEEE 802.11i, IEEE 802.11j, IEEE 802.11h и IEEE.
802.11r — параметры среды, частоты радиоканала, средства безопасности, способы передачи мультимедийных данных и т. д..
IEEE 802.11f IEEE 802.11с- принцип взаимодействия точек доступа между собой, работу радиомостов и т. п.

IEEE 802.11

Стандарт IE ЕЕ 802.11 был «первенцем» среди стандартов беспроводной сети. Работу над ним начали еще в 1990 году. Как и полагается, этим занималась рабочая группа из IEEE, целью которой было создание единого стандарта для радиооборудования, которое работало на частоте 2,4 ГГц. При этом ставилась задача достичь скорости 1 и 2 Мбит/с при использовании методов DSSS и FHSS соответственно.

Работа над созданием стандарта закончилась через 7 лет. Цель была достигнута но скорость. которую обеспечивал новый стандарт, оказалась слишком малой дли современных потребностей. Поэтому рабочая группа из IEEE начала разработку новых, более скоростных, стандартов.
Разработчики стандарта 802.11 учитывали особенности сотовой архитектуры системы.

Почему сотовой? Очень просто: достаточно вспомнить, что волны распространяются в разные стороны на определенный радиус. Получается, что внешне зона напоминает соту. Каждая такая сота работает под управлением базовой станции, в качестве которой выступает точка доступа. Часто соту называют базовой зоной обслуживания .

Чтобы базовые зоны обслуживания могли общаться между собой, существует специальная распределительная система (Distribution System. DS). Недостатком распределительной системы стандарта 802.11 является невозможность роуминга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает работу компьютеров без точки доступа, в составе одной соты. В этом случае функции точки доступа выполняют сами рабочие станции.

Этот стандарт разработан и ориентирован на оборудование, функционирующее в полосе частот 2400-2483,5 МГц. При этом радиус соты достигает 300 м, не ограничивая топологию сети.

IEEE 802.11а

IEEE 802.11a это один из перспективных стандартов беспроводной сети, который рассчитан на работу в двух радиодиапазонах - 2,4 и 5 ГГц. Используемый метод OFDM позволяет достичь максимальной скорости передачи данных 54 Мбнт/с. Кроме этой, спецификациями предусмотрены и другие скорости:

• обязательные 6. 12 н 24 Мбнт/с;
• необязательные - 9, 18.3G. 18 и 54 Мбнт/с.

Этот стандарт также имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ можно отметить следующие:

• использование параллельной передачи данных;
• высокая скорость передачи;
• возможность подключения большого количества компьютеров.

Недостатки стандарта IEEE 802.1 1a такие:

• меньший радиус сети при использовании диапазона 5 ГГц (примерно 100 м): J большая потребляемая мощность радиопередатчиков;
• более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием других стандартов;
• для использования диапазона 5 ГГц требуется наличие специального разрешения.

Для достижения высоких скоростей передачи данных стандарт IEEE 802.1 1a использует в своей работе технологию квадратурной амплитудной модуляции QAM .

IEEE 802.11b

Работа над стандартом IEEE 802 11b (другое название IFEE 802.11 High rate, высокая пропускная способность) была закончена в 1999 году, и именное ним связано название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность).

Работа данного стандарта основана на методе прямого расширения спектра (DSSS) с использованием восьмиразрядных последовательностей Уолша. При этом каждый бит данных кодируется с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). Это позволяет достичь скорости передачи данных 11 Мбит/с.

Как и базовый стандарт, IEEE 802.11b работает с частотой 2.4 ГГц, используя не более трех не перекрывающихся каналов. Радиус действия сети при этом составляет около 300 м.

Отличительной особенностью этого стандарта является то, что при необходимость (например, при ухудшении качества сигнала, большой удаленности от точки доступа. различных помехах) скорость передачи данных может уменьшаться вплоть до 1 Мбнт/с. Напротив, обнаружив, что качество сигнала улучшилось, сетевое оборудование автоматически повышает скорость передачи до максимальной Этот механизм называется динамическим сдвигом скорости.

Кроме оборудования стандарта IEEE 802.11b. часто встречалось оборудование IEEE 802.11Ь* . Отличие между этими стандартами заключается лишь в скорости передачи данных. В последнем случае она составляет 22 Мбит/с благодаря использованию метода двоичного пакетного свёрточного кодирования (Р8СС).

IEEE 802.11d

Стандарт IEEE 802.11d определяет параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Этот стандарт очень важен, поскольку для работы сетевого оборудования используются радиоволны. Если они не будут соответствовать указанным параметрам. То могут помешать другим устройствам. работающим в этом или близлежащем диапазоне частот.

IEEE 802.11е

Поскольку но сети могут передаваться данные разных форматов и важности, существует потребность в механизме, который бы определял их важность и присваивал необходимый приоритет. За это отвечает стандарт IEEE 802.11е, разработанный с целью передачи потоковых видео- или аудиоданных с гарантированным качеством и доставкой.

IEEE 802.11f

Стандарт IEEE 802.11f разработан с келью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter-Access Point Protocol) , который необходим для передачи данных между точками доступа При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

IEEE 802.11g

Вторым по популярности на сегодняшний день стандартом можно считать стандарт IEEE 802.11g. Целью создания данного стандарта было достижение скорости передачи данных 54 Мбит/с .
Как и IEEE 802.11b. стандарт IEEE 802.11g разработан для работы в частотном диапазоне 2,4 ГГц. IEEE 802.11g предписывает обязательные и возможные скорости передачи данных:

• обязательные -1;2;5,5;6; 11; 12 и 24 Мбит/с;
• возможные - 33;36;48 н 54 Мбит/с.

Для достижения таких показателен используется кодирование с помощью последовательности дополнительных кодов (ССК). метод ортогонального частотною мультиплексирования (OFDM), метод гибридного кодирования (ССК-OFDM) и метод двоичною пакетного свёрточного кодирования (РВСС).

Стоит отметить, что одной и той же скорости можно достичь разными методами, однако обязательные скорости передачи данных достигаются только с помощью методов ССК п OFDM , а возможные скорости с помощью методов ССК-OFDM и РВСС.

Преимуществом оборудования стандарта IEEE 802.11g является совместимость с оборудованием IEEE 802.11b. Вы сможете легко использовать свои компьютер с сетевой картой стандарта IEEE. 802.11b для работы с точкой доступа стандарта IEEE 802.11g. и наоборот. Кроме того, потребляемая мощность оборудования этого стандарта намного ниже, чем аналогичного оборудования стандарта IEEE 802.11а.

IEEE 802.11h

Стандарт IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде МАС (Media Access Control, управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11a.

В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами н т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети.

Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том. что при обнаружении отраженных сигналов (интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

IEEE 802.11i

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции зашиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

• AES (Advanced Encryption Standard, передовой алгоритм шифрования данных) - алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128. 15)2 и 256 бит;
• RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service, служба дистанционной аутентификации пользователя) — система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими. включающая в себя алгоритмы проверки ПОДЛИННОСТИ пакетов и т.д.;
• TKIР (Temporal Key Integrity Protocol, протокол целостности временных ключей) - алгоритм шифрования данных;
• WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) - алгоритм шифрования данных;
• ССМР (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) - алгоритм шифрования данных.

IEEE 802.11 j

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования беспроводных сетей в Японии, а именно для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4.9-5 ГГц. Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4.9 ГГц.

На данный момент частота 4,9 ГГц рассматривается как дополнительный диапазон для использования в США. Из официальных источников известно, что этот диапазон готовится для использования органами общественной и национальной безопасности.
Данным стандартом расширяется диапазон работы устройств стандарта IEEE 802.11a.

IEEE 802.11n

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n самый распространенный из всех стандартов, касающихся беспроводных сетей.

В основе стандарта 802.11n:

• Увеличение скорости передачи данных;
• Расширение зоны покрытия;
• Увеличение надежности передачи сигнала;
• Увеличение пропускной способности.

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.

Одним из основных моментов стандарта 802.11n является поддержка технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output, Многоканальный вход/выход).
С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, вместо одной.

Стандарт 802.11n определяет различные антенные конфигурации «МхN», начиная с «1х1» до «4х4 » (самые распространенные на сегодняшний день это конфигурации «3х3» или «2х3»). Первое число (М) определяет количество передающих антенн, а второе число (N) определяет количество приемных антенн.

Например, точка доступа с двумя передающими и тремя приемными антеннами является «2х3» MIMO -устройством. В дальнейшем я более подробно опишу этот стандарт

IEEE 802.11г

Ни в одном беспроводном стандарте толком не описаны правила роуминга, то есть перехода клиента от одной зоны к другой. Это намереваются сделать в стандарте IEEE 802.11г.

Стандарт IEEE 802.11ac

Он обещает гигабитные беспроводные скорости для потребителей.

Первоначальный проект технической спецификации 802.11ac подтвердили рабочей группой (TGac) в прошлом году. В то время как ратификация Wi-Fi Alliance ожидается в конце этого года. Несмотря на то, что стандарт 802.11ac пока в стадии проекта и еще должен быть ратифицирован Wi-Fi Alliance и IEEE . Мы уже начинаем видеть продукты гигабитного Wi-Fi, доступные на рынке.

Характеристики стандарта нового поколения Wi-Fi 802.11ac:

WLAN 802.11ac использует целый ряд новых методов для достижения огромного прироста производительности к теоретически поддерживает гигабитный потенциал и обеспечение высоких пропускных способностей, таких как:

• 6GHz полоса
• Высокая плотность модуляции до 256 QAM.
• Более широкие полосы пропускания — 80MHz для двух каналов или 160MHz для одного канала.
• До восьми Multiple Input Multiple Output пространственных потоков.

Многопользовательские MIMO низкого энергопотребления 802.11ac ставят новые проблемы для разработки инженеров, работающих со стандартом. Далее мы обсудим эти проблемы и доступные решения, которые помогут разработке новых продуктов, основанных на этом стандарте.

Более широкая полоса пропускания:

802.11ac имеет более широкую полосу пропускания 80 MHz или даже 160 MHz по сравнению с предыдущим до 40 MHz в стандарте 802.11n. Более широкая полоса пропускания приводит к улучшению максимальной пропускной способности для цифровых систем связи.

Среди наиболее сложных задач проектирования и производства — генерация и анализ сигналов широкой полосы пропускания для 802.11ac. Потребуется тестирование оборудования, способного обрабатывать 80 или 160 MHz для проверки передатчиков, приемников и компонентов.

Для генерации 80 MHz сигналов, многие генераторы RF сигналов не имеют достаточно высокой частоты дискретизации для поддержки типичного минимума 2X соотношения пере дискретизации, которые дадут в результате необходимые образы сигналов. Используя правильные фильтрации и пере дискретизации сигнала из Waveform файла, возможно генерировать 80 MHz сигналы с хорошими спектральными характеристиками и EVM.

Для генерации сигналов 160 MHz , в широком диапазоне генератор волновых сигналов произвольной формы (AWG). Такие как Agilent 81180A, 8190A можно использовать для создания аналоговых I/Q сигналов.

Эти сигналы можно применить к внешнему I/Q. Как входы векторного генератора сигналов для преобразования частоты RF. Кроме того, можно создать 160 MHz сигналы с использованием 80 +80 MHz режима поддерживающего стандарт для создания двух сегментов 80 MHz в отдельных MCG или ESG генераторах сигнала, объединив затем радиосигналы.

MIMO:

MIMO является использованием нескольких антенн для повышения производительности системы связи. Вы могли видеть некоторые Wi-Fi точки доступа, имеющие более одной антенны. Которые торчат из них, — эти маршрутизаторы используют технологию MIMO.

Проверкой MIMO конструкций является изменение. Многоканальный генерации и анализ сигналов можно использовать для представления о производительности устройств MIMO. И оказания помощи в устранении неполадок и проверки проектов.

Усилитель Линейности:

Усилитель Линейности является характеристикой и усилителем. С помощью которого выходной сигнал усилителя остается верным входному сигналу по мере возрастания. Реально усилители линейности линейны только до предела, после которого выход насыщается.

Есть много методов для улучшения линейности усилителя. Цифровой предыскажения является одним из таких технику. Автоматизация проектирования программного обеспечения, как SystemVue обеспечивает приложение. Которое упрощает и автоматизирует цифрового дизайна предыскажений для усилителей мощности.

Совместимость с предыдущими версиями

Хотя стандарт 802.11n используется уже в течение многих лет. Но до сих пор также работают многие маршрутизаторы и беспроводные устройства более старых протоколов. Таких как 802.11b и 802.11g, правда их реально мало. Также и при переходе к 802.11ac, будут поддерживаться старые Wi-Fi стандарты и обеспечиваться обратная совместимость.

Пока это все. Если у Вас еще есть вопросы, можете смело написать мне в,