с 6-го по 10-й семестры / 7 семестр / Сети ЭВМ и телекоммуникации / Задание на Курсовую Работу / D-Link Courses / Materials / WiFi / Wi-Fi

Wi – Fi

История беспроводных технологий передачи информации началась в конце XIX века с передачей первого радиосигнала и появлением в 20-х годах ХХ века первых радиоприемников с амплитудной модуляцией. В 30-е годы появилось радио с частотной модуляцией и телевидение. В 70-е годы созданы первые беспроводные телефонные системы как естественный итог удовлетворения потребности в мобильной передаче голоса. Сначала это были аналоговые сети, а начале 80-х был разработан стандарт GSM, ознаменовавший начало перехода на цифровые стандарты, как обеспечивающие лучшее распределение спектра, лучшее качество сигнала, лучшую безопасность. Весьма перспективно и развитие беспроводных локальных сетей (WLAN), Bluetooth (сети средних и коротких расстояний). Беспроводные сети развертываются в аэропортах, университетах, отелях, ресторанах, предприятиях. История разработки стандартов беспроводных сетей началась в 1990 году, когда был образован комитет 802.11 всемирной организацией IEEE (Институт инженеров по электричеству и электронике). Значительный импульс развитию беспроводных технологий дала Всемирная паутина и идея работы в Сети при помощи беспроводных устройств. К середине первого десятилетия XXI века счет пользователей беспроводного Интернет – сервиса пошел на десятки миллионов. С появлением беспроводной Интернет - связи на первый план вышли вопросы обеспечения безопасности. Основные проблемы при использовании беспроводных сетей это перехват сообщений спецслужб, коммерческих предприятий и частных лиц, перехват номеров кредитных карточек, кража оплаченного времени соединения, вмешательство в работу коммуникационных центров. Эти проблемы решаются усовершенствованием стандартов связи.

Что же такое Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная точность) ? – это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их в Интернет. (слайд 2,3)

Основы передачи данных в беспроводных сетях (слайды 8 и т.д.)

Аналоговый сигнал может представлять речь, а цифровой – набор двоичных единиц и нулей.

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо аналоговым, либо цифровым. Аналоговым называется сигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно. Другими словами, в сигнале не имеется пауз или разрывов. Цифровым называется сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем изменяется также на постоянную величину (это определение идеализировано). На самом деле переход от одного уровня напряжения к другому не может быть моментальным, а происходит в течение некоторого переходного периода. Тем не менее, на практике цифровые сигналы являются хорошим приближением к идеальной модели с постоянными уровнями напряжения и мгновенными переходами. (слайд 10,11). Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. (слайд 12,13,14).

В общем случае (слайд 15,16,17,18,19) такой сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой А (Гц), частотой f (=1/Т, 1/с) и фазой φ (2 π радиан = 360° = 1 период). Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (количество циклов изменения амплитуды за единицу времени) (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, Т= 1/ f . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.

Существует простое соотношение между двумя синусоидальными сигналами, один из которых изменяется во времени, а другой — в пространстве. Определим длину волны (слайд 20) сигнала λ как расстояние, занимаемое одним периодом или, иными словами,как расстояние между двумя точками равных фаз двух последовательных циклов. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью v. Тогда длина волны связана с периодом следующим соотношением: λ = vT, что равносильно f λ = v. Особое значение для нашего изложения имеет случай v = с, где с — скорость света в вакууме.

• Вторая частота кратна первой. (слайд 22,23,24,25) Если все частотные составляющие сигнала кратны одной частоте, то последняя называется собственной частотой.

• Период суммарного сигнала равен периоду сигнала собственной частоты. Период составляющей sin(2 ) ft π равен Т= 1/ f , и, как можно увидеть на рис. В), период сигнала s(t) также равен Т.

В общем случае (слайд 27,28,29) аналоговые данные являются функцией времени и занимают ограниченный спектр частот. Такие данные можно непосредственно представить электромагнитным сигналом, имеющим аналогичный спектр. Наиболее наглядный пример — передача речи. Речь, представляя собой звуковые волны, содержит частотные составляющие в области 20 Гц - 20 кГц. Однако большая часть энергии речи находится в намного более узком диапазоне. Стандартный спектр речевых сигналов — 300-3400 Гц, и этого диапазона вполне хватает для разборчивой и четкой передачи речи. Именно такой диапазон обрабатывает телефонный аппарат. Все поступающие звуковые колебания в диапазоне 300-3400 Гц преобразуются в электромагнитный сигнал с подобными амплитудами и частотами. В другом аппарате выполняется обратный процесс: электромагнитная энергия преобразуется в звук. Цифровые данные также можно представить аналоговыми сигналами, применив с этой целью модем (модулятор/демодулятор). Модем преобразует последовательность двоичных (принимающих два значения) импульсов напряжения в аналоговый сигнал, модулируя их несущей частотой. Получившийся в результате сигнал занимает определенный спектр частот с центром на несущей частоте и может распространяться в среде, подходящей для этой несущей частоты. Наиболее распространенные модемы представляют цифровые данные в спектре частот, совпадающем со спектром речи, позволяя, таким образом, передавать эти данные по обычным телефонным линиям. На другом конце линии другой модем демодулирует сигнал и восстанавливает исходные данные.

Аналоговая передача — (слайд 30) это средство передачи аналоговых сигналов, причем передаваемые данные не конкретизируются: сигнал может представлять как аналоговые (например, речь), так и цифровые данные (например, двоичные данные, проходящие через модем). В любом случае аналоговый сигнал испытывает затухание (ослабляется), что ограничивает длину линии передачи. Чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, в аналоговые передающие системы вводятся усилители, повышающие энергию сигнала. К сожалению, усилители также усиливают и шумовые составляющие сигнала. С каждым усилителем, последовательно расположенным на пути следования сигнала, этот сигнал становится все более искаженным. Для аналоговых данных, таких, как речь, небольшое искажение не существенно, и данные остаются понятными, чего нельзя сказать о цифровых данных: в них последовательные усилители вносят ошибки. Цифровая передача данных, наоборот, связана с содержанием сигнала. Цифровой сигнал можно передать только на ограниченное расстояние, пока затухание не нарушит целостности данных. Для передачи цифровых данных на большие расстояния используются ретрансляторы, которые принимают цифровой сигнал, восстанавливают закодированную комбинацию нулей и единиц и передают новый сигнал. Таким образом происходит компенсация затухания. Тот же метод может использоваться и при передаче аналогового сигнала, если он переносит цифровую информацию. Для этого в расположенных соответствующим образом точках передающей системы помещаются не усилители, а ретрансляторы. Такой ретранслятор восстанавливает цифровую информацию из аналогового сигнала и создает новый, чистый аналоговый сигнал, препятствуя, таким образом, накоплению помех.

Основу аналоговой передачи сигналов составляет непрерывный сигнал с постоянной частотой, называемый несущим сигналом. (слайд 31,32,33,34) Частота несущего сигнала выбирается совместимой с используемой передающей средой. Передавать данные с помощью несущего сигнала позволяет модуляция — процесс кодирования исходных данных несущим сигналом с частотой f_с . Все методы модуляции включают операции с одним (или более) из трех фундаментальных параметров частотного представления сигнала, которыми являются амплитуда, частота и фаза. Поступающий сигнал m(t) может быть аналоговым или цифровым и называется модулируемым или немодулированным сигналом. Результат модулирования несущего сигнала называется модулированным сигналом s(t). Как показано на рис. б, сигнал s(t) является сигналом с ограниченной полосой (полосовым сигналом). Положение полосы в спектре связано с частотой f_с ., и обычно полоса центрируется на данной частоте. Отметим, что в этом случае используемая кодировка также выбирается с целью оптимизации каких-либо характеристик передачи.

Цифровые сигналы имеют следующие важные особенности:

• скорость передачи данных — это скорость, с которой цифровые сигналы передают данные через беспроводную сеть. Следовательно, значение скорости передачи цифровых сигналов позволяет оценить время, необходимое для их передачи из одной точки в другую, а также определить полосу пропускания (пропускную способность), которую среда должна обеспечивать для эффективной передачи сигналов. Скорость передачи данных определяется общим количеством битов, переданных в течение времени, потребовавшемся для их передачи. Общепринятой единицей измерения скорости передачи является количество битов, переданных за одну секунду (бит/с). В качестве примера рассмотрим сигнал, способный передать 1 000 000 бит за одну секунду. Скорость передачи данных составит 1 000 000/1 = 1 000 000 бит/с (или 1 Мбит/с);

• пропускная способность аналогична скорости передачи данных. Однако при вычислении пропускной способности обычно исключают биты, соответствующие служебным сигналам, добавляемым коммуникационными протоколами. Стандартов на определение пропускной способности не существует, но обычно при ее определении учитывается только реальная информация, передаваемая по сети. Следовательно, пропускная способность — это более точный метод представления истинной производительности и эффективности сети. Это делает показатель пропускной способности важным при сравнении характеристик беспроводных сетей, поскольку он напрямую связан с производительностью. Чем выше пропускная способность, тем выше производительность. Так, скорость передачи данных беспроводных локальных сетей может составлять 11 Мбит/с, но пропускная способность — только 5 Мбит/с. После вычитания служебных сигналов заголовков фреймов, полей контроля ошибок, фреймов подтверждений и времени, затраченного на повторную передачу вследствие ошибок итоговый объем переданной информации существенно уменьшается. Если число пользователей сети возрастает, растет и конкуренция за совместно используемую среду, что еще больше снижает пропускную способность, поскольку компьютерное устройства (если говорить более точно, платы интерфейса сети) должны дольше находиться в режиме ожидания, прежде чем им будет предоставлена возможность передать данные. Такая задержка, являющаяся, наряду со служебными сигналами, одной из разновидностей "накладных расходов" сети, может существенно снизить ее пропускную способность. Что касается беспроводных сетей, то в качестве оценки их параметров принято использовать скорость передачи данных в битах. В действительности беспроводная сеть преобразует двоичные цифровые сигналы в аналоговые, а потом уже передает их через воздушную среду.

Методы кодирования.

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра. (слайд 36,37) Примерами такой ситуация является передача голоса по радио или телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10 кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30 кГц до 300 мГц. Еще более высокие частоты использует телевидение. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя. Для решения этой проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного голосового сигнала. При этом спектр результирующего сигнала попадает в нужный высокочастотный диапазон. Такой тип модуляции называется амплитудной модуляцией (Amplitude Modulation, AM).

В качестве информационного параметра используют не только амплитуду несущего синусоидального сигнала, но и частоту. (слайд 38) В этих случаях мы имеем дело с частотной модуляцией (Frequency Modulation, FM). Заметим, что при модуляции аналоговой информации фаза не применяется как информационный параметр.

ЦИФРОВЫЕ ДАННЫЕ, АНАЛОГОВЫЕ СИГНАЛЫ

В процессе модулирования задействованы одна или несколько характеристик несущего сигнала: амплитуда, частота и фаза. Соответственно, существуют три основные технологии кодирования или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал : амплитудная модуляция (amplitude-shift keying — ASK), частотная модуляция (frequency-shift keying — FSK) и фазовая модуляция (phase-shift keying — PSK). Отметим, что во всех перечисленных случаях результирующий сигнал центрирован на несущей частоте. (слайд 38,39)

Бинарная частотная модуляция (слайд 41) менее восприимчива к ошибкам, чем амплитудная модуляция.

(слайд 42,43) - Для согласования скорости передачи данных с входным потоком битов каждая выходная сигнальная посылка передается в течение Ts = LT секунд, где Т— время передачи бита (скорость передачи данных = 1/T), L — число битов на одну сигнальную посылку. Таким образом, одна сигнальная посылка (представляющая собой тон постоянной частоты) кодирует L бит. (M = 2^L). Входной поток битов кодируется по два бита, после чего передается одна из четырех возможных 2-битовых комбинаций.

Поскольку сдвиг фазы на 180° (π ) эквивалентен умножению синусоиды на -1, может использоваться правая часть выражения. (слайд 44)

Альтернативной формой двухуровневой PSK является дифференциальная PSK (DPSK) (слайд 45,46) . Такая схема называется дифференциальной, поскольку сдвиг фаз выполняется относительно предыдущего переданного бита, а не относительно какого-то эталонного сигнала. При дифференциальном кодировании передаваемая информация представляется не сигнальными посылками, а изменениями между последовательными сигнальными посылками. Схема DPSK делает излишним строгое согласование фазы местного гетеродина приемника и передатчика. До тех пор пока предыдущая полученная фаза точна, точен и фазовый эталон.

Если каждой сигнальной посылкой представить более одного бита, то это позволит эффективнее использовать полосу сигнала. (слайд 47) Например, в распространенной кодировке, известной как квадратурная фазовая модуляция (quadrature phase-shift keying — QPSK), вместо сдвига фазы на 180°, как в кодировке PSK, используются сдвиги фаз, кратные π /2 (90°).

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КАНАЛА

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал.(слайд 49) Наиболее распространенные из них — помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его. Для цифровых данных возникает вопрос: насколько эти искажения ограничивают возможную скорость передачи данных. Максимально возможная при определенных условиях скорость, при которой информация может передаваться по конкретному тракту связи, или каналу, называется пропускной способностью канала. Проблема заключается в следующем: средства связи недешевы и, в общем случае, чем шире их полоса, тем дороже они стоят. Более того, все каналы передачи, представляющие практический интерес, имеют ограниченную ширину полосы. Ограничения обусловлены физическими свойствами передающей среды или преднамеренными ограничениями ширины полосы в самом передатчике, сделанными для предотвращения интерференции с другими источниками. Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную при существующем уровне ошибок скорость передачи данных. Главным ограничением при достижении такой эффективности являются помехи.

Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. (слайд 50)

(слайд 51,52) - К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга. Характерный пример — системы сотовой телефонной связи.

В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) (слайд 53,54) каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории. Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи. Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения — функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

(слайд 55,56) - Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика. Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто аналоговых сетях — даже если исходные данные аналоговые (например, речь), он требует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельного пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплотнения (в проводных сетях) — это метод магистральной передачи телефонного трафика посредством каналов Е1. Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных.

Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. (слайд 62,63,64,65) В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации. В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

(слайд 71,72) – В отличие от метода FHSS весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

(слайд 90) - двоичное символьное свёрточное кодирование со скоростью ½ (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC). В любом свёрточном кодере используются запоминающие ячейки (регистры) и логические элементы XOR (сумма по модулю 2).

(слайд 91) - Эти режимы призваны обеспечить более широкую полосу пропускания при обмене между беспроводными устройствами этой компании и, по ее мнению отлично вписываются в рамки действующей спецификации 802.11g. Режим Super G Turbo Mode базируется на захвате значительно более широкой полосы частот, практически удвоенной, что позволяет во столько же раз увеличить пропускную способность сети.

Turbo Mode может быть использован в двух подрежимах. При Dynamic Turbo устройства отслеживают эфир и анализируют возможные режимы работы взаимодействующих между собой клиентов. Когда условия позволяют, радиолиния переводится в режим расширенной полосы частот, периодически «поглядывая», а не обнаружился ли обычный, не поддерживающий turbo-режимы, 802.11g-клиент. Если да, то система возвращается в типовой режим работы и планка декларируемой максимальной («сырой») скорости опускается до 54 Mbps. Как правило, по умолчанию продукты от D-Link установлены именно в этом режиме.

Более жестко (по отношению к другим обычным устройствам) работает сеть в режиме Static Turbo. Режим расширенного использования частот Wi-Fi-диапазона включен постоянно, причем оборудование, не поддерживающее Turbo Mode, такую сеть может даже не обнаружить. Соответственно, скорость обмена в ней – наивысшая из возможных, так как устройства не усложняют себе работу периодическими откатами к стандартному режиму. Заметим, что этот режим доступен (или остался в новых версиях микрокода) не во всех продуктах от D-Link. Так, он оказался исключенным в последней версии микрокода из перечня настроек шлюза DI-624.

Корпорация Intersil представила свою технологию PRISM Nitro, включающую два основных элемента – защитный механизм и групповую передачу OFDM-пакетов.Защитный механизм не содержит ничего принципиально нового и подразумевает передачу перед каждым OFDM-пакетом пакета CTS. Групповая же передача OFDM-пакетов способна существенно повысить пропускную способность как смешанной 802.11b/g сети, так и однородной.

(слайд 98,99,100,101,102,103) - Технология WDS (Wireless Distribution System – распределенная беспроводная система) позволяет одновременно подключать беспроводных клиентов к точкам доступа, работающим в режиме «беспроводной мост». соединяются только между собой, образуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети через uplink-порты точек. Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал. Поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим. Поскольку режим моста не определяется стандартом и реализуется каждым производителем оборудования самостоятельно, для организации радиомоста используйте точки доступа одной модели и модификации.

- WDS with Access Point (WDS with AP- распределенная беспроводная система, включающая точку доступа). В этом режиме точки доступа соединяются между собой по беспроводной связи, образуя беспроводной мост. Помимо этого, к точкам доступа по беспроводной связи подключаются также и клиенты. Таким образом, каждая точка реализует функции и моста, и точки доступа одновременно. Тем не менее, необходимо помнить, что все устройства в составе одной WDS работают на одной частоте и создают взаимные помехи, что ограничивает количество клиентов до 15-20 узлов. Для увеличения количества подключаемых клиентов можно использовать несколько WDS-сетей, настроенных на разные неперекрывающиеся каналы и соединенные проводами через uplink-порты.

(слайд 107) - Для расширения площади покрытия радиосети можно использовать дополнительные точки доступа в режиме репитера. Необходимо сразу отметить, что применение режима репитера оправдано только в случае, если к месту установки дополнительной точки доступа нет возможности провести Ethernet-кабель. Дело в том, что появление в сети репитера ведет к снижению ее общего быстродействия. Кроме того, подключения через репитер не всегда работают стабильно.

Хот-спот (от англ. hot spot — «горячее пятно») — участок местности (например, помещение офиса, кафе, кампуса, станция метро), где при помощи портативного устройства (ноутбука или наладонника), работающего по беспроводному протоколу радиодоступа Wi-Fi, можно получить доступ к интернету (реже — к корпоративному интранету). Так, многие кафе делают бесплатные хотспоты для привлечения посетителей и как дополнительный сервис.

10