3.2 Безпроводові локальні мережі
Безпроводові локальні мережі передачі інформації (WLAN) розвиваються в останні десять років неймовірно швидко. Простота розгортання таких мереж обмежена тільки необхідністю оформлення дозвільної документації (у тих країнах, де це потрібно). По пропускній здатності вони не поступаються виділеним мідним лініям. Завадостійкість, надійність і захищеність сучасних протоколів передачі зробили WLAN явищем повсюдним, а устаткування для них - масовим продуктом. Відзначимо, що поняття „локальні мережі передачі інформації” досить умовно. Технології локальних мереж з успіхом застосовують і на відстанях до декількох десятків кілометрів. Сучасні стандарти в цій області наочно демонструють, наскільки тісно зливаються сьогодні дві телекомунікаційні галузі - традиційна телефонія і системи передачі даних. У даному підрозділі коротко розглядаються два найбільш масові пули стандартів в області локальних мереж - IEEE 802.11 і DECT.
3.2.1 Локальні мережі стандарту IEEE 802.11
Стандарт IEEE 802.11 був розроблений інститутом інженерів електротехніки і електроніки в червні 1997 року. Базовий стандарт розроблявся протягом семі років. Технологія IEEE 802.11 продовжує розвиватися: IEEE удосконалює специфікацію, щоб забезпечити її більш широке застосування. У найменуванні нових версій стандарту є буква, що відповідає робочій групі, яка вирішує поставлену задачу.
802.11a. У даній версії основного стандарту 802.11 для збільшення пропускної здатності каналу використовується діапазон частот 5-6 ГГц. Для передачі в 802.11a використовується метод множини несучих, коли діапазон частот розбивається на підканали з різними несучими частотами OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по яких потік передається паралельно, розбитим на частині. У IEEE 802.11a кожен пакет передається за допомогою 52 ортогональних несучих, кожна із шириною смуги порядку 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного каналу 20 МГц. Несучі модулюють за допомогою BPSK, QPSK, 16- і 64-QAM. У сукупності з різними швидкостями кодування (1/2 і 3/4, для 64-QAM 2/3 і 3/4) утвориться набір швидкостей передачі 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 і 54 Мбіт/с.
802.11b. Цей стандарт є найбільш популярним на сьогоднішній день і, власне, він носить торговельну марку Wi-Fi. Як і в початковому стандарті IEEE 802.11, для передачі в цій версії використовується діапазон 2,4 ГГц. Він не торкається канального рівня і вносить зміни в IEEE 802.11 тільки на фізичному рівні. Для передачі сигналу використовується метод прямої послідовності DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), при якому весь діапазон поділяється на 5 піддіапазонів, по кожному з яких передається інформація. Значення кожного біта кодуються послідовністю додаткових кодів ССК або РВСС. Стандарт передбачє швидкості обміну до 11 Мбіт/с (а опційно до 33 Мбіт/с). Передача даних на швидкостях 5,5 і 11 Мбіт/с відбувається за допомогою модуляції комплементарних кодових послідовностей ССК, а робота на швидкостях 22 і 33 Мбіт/с за допомогою пакетного бінарного згорточного кодування (РВСС).
802.11c. Стандарт, що регламентує роботу безпроводових мостів. Ця специфікація використовується виробниками безпроводових пристроїв при розробці точок доступу.
802.11d. Стандарт визначав вимоги до фізичних параметрів каналів (потужність випромінювання та діапазони частот) і пристроїв безпроводових мереж з метою забезпечення їхньої відповідності законодавчим нормам різних країн.
802.11e. Створення цього стандарту пов'язано з використанням засобів мультимедіа. Він визначає механізм призначення пріоритетів різним видам трафіка - таким, як аудіо- і відеопотоки.
802.11f. Даний стандарт, пов'язаний з аутентифікацією, визначає механізм взаємодії точок доступу між собою при переміщенні клієнта між сегментами мережі. Інша назва стандарту - Inter Access Point Protocol.
802.11g. Метою розробки даного стандарту було підвищення пропускної здатності каналу до 54 Мбіт/с за умови сумісності з початковими версіями (використання діапазону 2,4 ГГц). Можна вважати, що стандарт g з'явився симбіозом стандартів a і b. Для сумісності в даному методі обов'язковим є як кодування за допомогою ССК, так і мультиплексуванням частот за допомогою OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В якості додаткових (необов'язкових) можливостей передбачається використання таких схем модуляції, як CCK-OFDM і РВСС Пряма і зворотна сумісність передбачає можливість роботи пристроїв стандарту 802.11g у мережах 802.11b і навпаки.
802.11h. Розробка цього стандарту пов'язана з проблемами при використанні 802.11а в Європі, де в діапазоні 5,4 ГГц працюють деякі системи супутникового зв'язку. Для запобігання взаємних перешкод стандарт 802.11h має механізм "квазіінтелектуального" керування потужністю випромінювання і вибором несучої частоти передачі.
802.11е. Метою створення даної специфікації є підвищення якості сервісу (QoS)безпроводової мережі стандарту ІЕЕЕ 802.11.
802.11і. Метою створення даної специфікації є підвищення рівня безпеки безпроводових мереж. Реалізований набір захисних функцій при обміні інформацією через безпроводові мережі - зокрема, технологія AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрування, що підтримує ключі довжиною 128, 192 і 256 біт. Передбачається сумісність усіх існуючих пристроїв - зокрема, Intel Centrino сумісне з 802.11i-мережами.
802.11j. Специфікація призначена для Японії і розширює стандарт 802.11а додатковим каналом 4,9 ГГц.
802.11n. Перспективний стандарт, що знаходиться на сьогоднішній день у розробці, що дозволить підняти пропускну здатність мереж до 100 Мбіт/с. Вперше цей протокол було запропоновано в 2003 році. Заявлена швидкість передачі даних буде реалізована завдяки застосуванню множних антен і організації множних потоків даних в одному каналі (технологія МІМО).
802.11r. Даний стандарт передбачає створення універсальної і сумісної системи роумінгу для можливості переходу користувача з зони дії однієї мережі в зону дії іншої.
802.11s. Цей стандарт описує побудову перспективних Mesh-мереж. Це самоконфігурируемі стільникові системи, у яких кожен вузол може передавати повідомлення з доручення інших, що збільшує дальність зв'язку і доступну смугу пропускання. Розробку стандарту почали 2004 року. Перша редакція стосувалася використання Mesh-мережі в офісах і житлових приміщеннях. Єдині специфікації для Меsh-мереж створюють такі організації як SEEMesh і Wi-Mesh Alliance. Стандарт 802.11s спирається на стандарти IEEE 802.11a/b/g, IEEE 802.11і і сумісні з ними. Він додає додаткові функції, що дозволять безпроводовим вузлам виявляти один одного, аутентифіковувати і встановлювати зв'язкок між собою, виробляючи найбільш ефективний маршрут для рішення конкретної задачі. Mesh-мережа сама визначає оптимальні маршрути передачі і компенсує вихід з ладу окремих вузлів. Технологія припускає використання концепції гарантованої якості обслуговування. Такий рівень самоконфігурування і знання середовища дозволяє не тільки створювати ефективні безпроводові мережі, але й автоматизувати весь процес установки і реконфігурації цих мереж. Досліджується можливість створення mesh-порталів - пристроїв, що знають, як з'єднати одну mesh-мережу з іншими, можливо, не mesh-системами, такими як класичні мережі 802.11, нові стандарти типу 802.11n, вузли широкосмугового доступу, інші безпроводові технології і мобільні джерела даних. Безпроводові точки доступу Меsh-мережі одночасно виконують функції роутерів і повторювачів сигналу.
Стандарт IEEE 802.11 передбачає передачу сигналу одним із двох методів - прямої послідовності DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) і частотних стрибків FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Обидві ці широкосмугові технології пропонуються в двох частотних діапазонах: однієї в районі частоти 915 МГц, іншої в діапазоні 2400-2483,5 МГц. Але саме діапазон 2,4 ГГц знайшов широке застосування в безпроводових мережах, тому що він дозволяє використовувати більш широку смугу частот.
У режимі FHSS весь діапазон 2,4 ГГц використовується як одна широка смуга частот з 79 підканалами. Метод FHSS передбачає зміну несучої частоти сигналу при передачі інформації. Це відбувається синхронно на передавачі і приймачі в заздалегідь зафіксованої псевдовипадкової послідовності. При зростанні числа одночасних передач зростає імовірність колізій, коли два передавачі одночасно використовують одну частоту. При використанні FHSS конструкція прийомопередавача виходить дуже простою, але цей метод застосовується, тільки при пропускній здатності не більш 2 Мбіт/с. Ця проблема стала однієї з головних причин створення нових версій стандарту.
У режимі DSSS цей же діапазон розбитий на кілька широких DSSS-каналів, яких одночасно може бути використано не більш трьох. Смуга частот одного каналу поділяється на 11 підканалів. Кожен переданий біт інформації кодується в послідовність з 11 біт, що передається одночасно і паралельно, використовуючи всі 11 підканалів. При прийомі, отримана послідовність біт декодується з використанням того ж алгоритму, що і при її кодуванні. Завдяки 11-кратній надмірності передачі досить застосовувати сигнали малої потужності.
На MAC-рівні визначаються базові складової архітектури мережі і перелік послуг, наданих цим рівнем. Передбачено два типових варіанти архітектури безпроводових мереж:
- незалежна конфігурація «ad-hoc», коли станції можуть зв'язуватися безпосередньо друг із другом. Площа такої мережі і функціональних можливостей обмежені;
- інфраструктурна конфігурація, при якій станції зв'язуються через точку доступу, або працюючу автономно, або підключену до кабельної мережі. Стандарт визначає інтерфейс радіоканалу між станціями і точкою доступу. Точки доступу можуть з'єднуватися між собою за допомогою радіомостів або сегментів кабельної мережі.
У стандарті зафіксований протокол використання єдиного середовища передачі, що одержав назву CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance). Імовірність конфліктів для безпроводових вузлів мінімізується шляхом попереднього відправлення усім вузлам короткого повідомлення RTS (ready to send) про адресата і тривалість майбутньої передачі. Вузли затримують передачу на час, рівний оголошеної тривалості повідомлення. Прийомна станція відповідає на RTS посилкою CTS, по якій передавальний вузол довідається, чи вільні середовище і чи готовий вузол до прийому. Якщо середовище вільне, то відбувається передача пакета даних. Після прийому пакета даних прийомний вузол передає підтвердження ACK безпомилкового прийому. Якщо ACK не отримано, пакет даних буде переданий повторно.
Передбачена стандартом специфікація пропонує розбивку даних на пакети, які мають контрольну і адресну інформацію. Після цієї інформації, що займає близько 30 байт, іде інформаційний блок довжиною до 2048 байт. Потім 4-байта CRC-код інформаційного блоку. Стандарт рекомендує використовувати пакети довжиною 400 байт для фізичного каналу типу FHSS і 1500 або 2048 для каналу DSSS.
У стандарті передбачене забезпечення безпеки даних, що включає аутентифікацію (для перевірки того, що вузол, який входить у мережу, авторизований у ній) і шифрування даних по алгоритму RC4 з 40-розрядним ключем. Для портативних комп'ютерів стандарт передбачає режим енергозбереження: перехід пристрою в „сплячий” режим і виведення його з цього стану на нетривалий час, необхідний для прийому службового сигналу від вузлів мережі, які починають передачу. Передбачений також режим роумінгу, що дозволяє мобільному абонентові пересуватися між точками доступу без втрати зв'язку.
Діапазон 2,4 ГГц перевантажений різними системами - безпроводові телефони, пристрої Bluetooth (IEEE 802.15.1), і численне устаткування стандарту IEEE 802.11b. Згідно [22], порівняльні іспити показали, що в тих самих умовах пристрої IEEE 802.11a по швидкості обміну перевершують устаткування IEEE 802.11b. У США для безліцензійної роботи мереж стандарту IEEE 802.11a в діапазоні 5,1-5,9 ГГц виділені смуги 5,15-5,35 і 5,725-5,825 ГГц. Всього 300 МГц у порівнянні з 83 МГц у діапазоні 2,4 ГГц. Замість трьох каналів, що не перекриваються, у діапазоні 2,4 ГГц для мереж IEEE 802.11b тільки в нижньому піддіапазоні 5,15-5,35 ГГц маються вісім каналів, що не перекриваються (рис. 3.2). Аналогічна ситуація в Європі і Україні (однак у нашій країні відсутні безліцензійні діапазони) — у більш високочастотній області ширина смуги частот ще більше.
Виробники розробили дводіапазонні чіпсети для забезпечення сумісності абонентського устаткування з мережами стандартів ІЕЕЕ 802.11a/b. В Європі був розроблений свій стандарт для діапазону 5-6 ГГц - HiperLan2. Крім того, роботи над стандартом IEEE 802.11b привели до появи нового стандарту - IEEE 802.llg, що передбачає швидкості такі ж, як в ІЕЕЕ 802.11a (до 54 Мбіт/с), а вартість устаткування в 2-3 рази менше.
В стандартах 802.11 g і a ширина одного каналу в діапазоні 2,4 і 5 ГГц схожа - 22 МГц за рівнем -30 і -20 дБ відповідно. Тільки на рівні -28 дБ маска каналу в IEEE 802.11а допускає спектральну смугу шириною 40 МГц.
Пристрої IEEE 802.11g з 2002 року роблять такі компанії, як Buffalo Technologies, Linksys, D-Link, Apple. Пізніше до них приєдналися фірми Netgear, Belkin, Actiontec, Proxim і багато хто інші. Таку можливість їм надали виробники наборів мікросхем для 802.11g (насамперед компанії Intersil, Atheros Communications, Broadcom).
Ще один важливий напрямок розвитку — це удосконалювання захисту інформації і якості сервісу (QoS) у мережах, над чим працюють дослідницькі групи IEEE 802.11i і 802.11e відповідно. Якщо удасться вирішити ці питання, мережі 802.11 можуть стати універсальною платформою, на якій будуть розвиватися безпроводові послуги, включаючи мобільний зв'язок. Очікується й офіційне затвердження нового високошвидкісного стандарту WLAN зі швидкостями обміну вище 100 Мбіт/с - IEEE 802.11n.
Таким чином, розробка специфікацій стандарту 802.11 значно наблизили безпроводові мережі по параметрам до звичайних провідних мереж. Подальший розвиток безпроводових технологій пов'язано ще і з принципово новими стандартами - такими, як 802.15 і 802.16, - які описують пристрої персональних і регіональних безпроводових мереж.
