Wi-Fi

Существует два вида алгоритма BLAST:

Алгоритм BLAST с диагональным распределением временных слотов (D-BLAST).

Достоинством этого  метода является возможность «разброса» данных одного канала не только по пространственным и частотным каналам, но и по временным промежуткам. Подобный алгоритм используется в системах WiMax.

Недостатками этого  алгоритма являются:

• наличие временных потерь в начале и конце передачи
• высокая сложность реализации
• трудности кодирования

Алгоритм BLAST с вертикальным распределением слотов (V-BLAST).

Достоинствами данного  алгоритма являются:

• отсутствие временных потерь
• меньшая сложность
• простая структура кодеков.

Варианты пространственного мультиплексирования

Пространственное разделение подканалов в системах MIMO может быть реализовано следующими способами:

1. Способом разнесения потоков по задержке.
2. Способом разнесения посредством пространственно-временного кодирования (логическое развитие первого способа).
3. Способом ортогонального блочного кодирования (в частности, методом ортогонального блочного кодирования Аламоути).
4. Способом ортогонального кодирования методом прямого расширения спектра DSSS.
5. Способом введения диаграммообразующей схемы (ДОС).
6. Способом ортогонального расположения частот сигналов (несущих) по передающим трактам.

Процесс передачи данных идет независимо. Это значит, что  в направлении «вверх» (UL) каждый пользователь имеет только одну передающую антенну. Два независимых пользователя могут одновременно передавать в том же самом слоте, аналогично тому случаю, когда два потока пространственно мультиплексированы от двух антенн одного пользователя. Такой процесс называется «совместное пространственное мультиплексирование вверх». Когда сообщение отправляется от базовой станции к мобильной, то говорят о направлении «вниз».

В процессе передачи последовательность символов, поступающая на кодер, преобразуется  символьным преобразователем в пространственную форму в соответствии с программой, заложенной в адаптивном преобразователе (например, отражение информации подканалов в пространственный код согласно заданной матрицы).

В методе MIMO необходимо постоянно  запрашивать информацию по идентификации  канала, его состоянию и конкретным параметрам. В зависимости от текущего состояния канала сигналы передаются по разным подканалам. Специальные сигналы используются для преобразования параметров самих подканалов, таких, например, как диаграмма направленности элементов адаптивной антенны, коррекция ошибок, скорость передачи и др. Для коррекции ошибок используется коэффициент ошибок пакетов (Packet Error Rate, PER). Когда канал находится в плохом состоянии, увеличивается значение этого коэффициента и, как следствие, автоматически зона покрытия ограничивается до величины, где может быть выдержано расчетное значение PER. Следует иметь в виду, что SM и STC обеспечивают большой охват независимо от состояния канала, но не повышают пиковую скорость данных.

При декодировании в  приемном устройстве полученные сигналы обрабатываются по определенному закону в соответствии с заданной матрицей, например с помощью алгоритма обратного преобразования Фурье. Таким образом, в приемнике пространственно распределенные сигналы объединяются, и происходит восстановление переданных данных.

Основные параметры 802.11n, разрешенные для использования  в России, приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры стандарта IEEE 802.11n (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Наименование параметра		Значение параметра
Диапазон частот, МГц		2400-2483,5 и/или 5150-5350, 5650-6425
Метод доступа к среде		Множественный доступ с  контролем несущей и предотвращением  коллизий
Число потоков MIMO, не менее		Базовая станция — 2
		Абонентская станция  — 1
Число потоков MIMO, не более		4
Метод расширения спектра		OFDM
Частотный разнос каналов, МГц		20 и/или 40
Количество поднесущих в канале		56 (при ширине канала 20 МГц)
Максимальная мощность передатчика, работающего в диапазоне, МГц	2400-2483,5	Не более 24 дБм (250 мВт)
	5150-5250	Не более 20 дБм (100 мВт)
	5150-5250	Не более 20 дБм (100 мВт)
	5250-5350	Не более 20 дБм (100 мВт)
	5650-5725	Не более 30 дБм (1000 мВт)
	5725-5825	Не более 30 дБм (1000 мВт)

Для стандарта 802.11n в РФ выделены одна полоса с центральной  частотой 2,4 ГГц и две полосы в районе 5 ГГц:

• 2400-2483,5 МГц;
• 5150-5350 МГц;
• 5650-6425 МГц.

Количество поднесущих в канале определено равным 56 при  ширине канала 20 МГц и 114 — при  ширине канала 40 МГц. Частотный разнос каналов разрешен как для 20, так  и для 40 МГц. В стандарте 802.11n в соответствии с нормативами РФ допускается использование до четырех каналов передачи данных. Подразумевается, что не менее двух каналов могут быть у Wi-Fi-точки доступа и не менее одного канала должно быть у беспроводной абонентской станции. Оборудование Wi-Fi в стандарте 802.11n может работать в трех режимах:

• режим предыдущих версий (Legacy), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11a, b, g (нет поддержки 802.11n);
• смешанный режим (Mixed), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11a, b, g и частичная поддержка 802.11n;
• высокоскоростной режим (High Throughput, HT), в котором обеспечивается только полная поддержка 802.11n и не поддерживаются полностью все предыдущие версии.

Следует подчеркнуть, что только в режиме High Throughput можно в полной мере пользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, достигнутыми в стандарте 802.11n. В режиме с высокой пропускной способностью (High Throughput) при ширине канала в 20 МГц применяются 56 частотных подканалов, из которых 52 задействуются для передачи данных, а четыре являются служебными. При использовании 40-МГц канала и режима с высокой пропускной способностью применяются 114 частотных подканалов, из которых 108 — информационные, а шесть — управляющие.

Еще один параметр, влияющий на скорость передачи, — это длительность охранного интервала GI, введенная  в стандарте 802.11a. В стандарте 802.11 длительность охранного интервала  может принимать два значения: 800 и 400 нс. Скорости передачи данных определяются комбинацией рассмотренных выше параметров. Всего таких комбинаций в стандарте 802.11n может быть 76. В таблице 6 приведены значения скоростей передачи в стандарте 802.11n, рассчитанные для четырех пространственных потоков, при использовании в каждом потоке разной схемы мультиплексирования и при частотном разносе каналов 40 МГц.

Список стандартов IEEE 802.11

Кроме рассмотренных  выше основных стандартов 802.11a, b, g, n, существует ряд вспомогательных, описывающих сервисные функции различных Wi-Fi-изделий:

При описании стандарта, в скобках указан год его принятия.

• 802.11 — Изначальный 1 Мбит/с и 2 Мбит/c, 2,4 ГГц и ИК стандарт (1997)
• 802.11a — 54 Мбит/c, 5 ГГц стандарт (1999, выход продуктов в 2001)
• 802.11ac — Новый, разрабатываемый IEEE стандарт. Скорости передачи данных до 1.3 Гбит/c, энергопотребление по сравнению с 802.11n снижено до 6 раз. Обратная совместимость с 802.11a/b/g/n. Финальная версия стандарта ожидается к концу 2012 года, а устройства, реализующие новый стандарт уже представлены.
• 802.11ad — Модификация стандарта 802.11ac, работающая в 60Ghz.
• 802.11b — Улучшения к 802.11 для поддержки 5,5 и 11 Мбит/с (1999)
• 802.11c — Процедуры операций с мостами; включен в стандарт IEEE 802.1D (2001)
• 802.11d — Интернациональные роуминговые расширения (2001)
• 802.11e — Улучшения: QoS, включение packet bursting (2005)
• 802.11F — Inter-Access Point Protocol (2003)
• 802.11g — 54 Мбит/c, 2,4 ГГц стандарт (обратная совместимость с b) (2003)
• 802.11h — Распределенный по спектру 802.11a (5 GHz) для совместимости в Европе (2004)
• 802.11i — Улучшенная безопасность (2004)
• 802.11j — Расширения для Японии (2004)
• 802.11k — Улучшения измерения радио ресурсов
• 802.11l — Зарезервирован
• 802.11m — Поддержание эталона; обрезки
• 802.11n — Увеличение скорости передачи данных (600 Мбит/c). 2,4-2,5 или 5 ГГц. Обратная совместимость с 802.11a/b/g . Особенно распространён на рынке в США в устройствах D-Link, Cisco и Apple. (сентябрь 2009)
• 802.11o — Зарезервирован
• 802.11p — WAVE — Wireless Access for the Vehicular Environment (Беспроводной Доступ для Транспортной Среды, такой как машины скорой помощи или пассажирский транспорт)
• 802.11q — Зарезервирован, иногда его путают с 802.1Q
• 802.11r — Быстрый роуминг
• 802.11s — ESS Mesh Networking (англ.) (Extended Service Set — Расширенный Набор Служб; Mesh Network — Ячеистая Сеть)
• 802.11T — Wireless Performance Prediction (WPP, Предсказание Производительности Беспроводного Оборудования) — методы тестов и измерений
• 802.11u — Взаимодействие с не-802 сетями (например, сотовые сети)
• 802.11v — Управление беспроводными сетями
• 802.11x — Зарезервирован и не будет использоваться. Не нужно путать со стандартом контроля доступа IEEE 802.1X
• 802.11y — Дополнительный стандарт связи, работающий на частотах 3,65-3,70 ГГц. Обеспечивает скорость до 54 Мb/с на расстоянии до 5000 м на открытом пространстве.
• 802.11w — Protected Management Frames (Защищенные Управляющие Фреймы)

В заключение следует  отметить, что технология Wi-Fi является одним из наиболее бурно развивающихся направлений беспроводной связи. В настоящее время оборудование для Wi-Fi выпускают многие компании. Только в составе Wi-Fi Alliance [14] насчитывается около 320 фирм, среди которых Intersil, Texas Instruments, Samsung, Broadcom, 3Com, Atheros, Cisco, Alcatel-Lucent, Nokia, Intel, Samsung, Microsoft, Sony, Apple, MSI, Motorola, The Boeing, Electrobit (EB), Huawei, Hitachi, Ford Motor Company, ST-Ericsson, Murata, NXP, HP, OKI, Garmin, LG, Epson, Sharp, Sierra Wireless, Philips, Canon, Ricon, Microchip, Panasonic, Toshiba, NETGEAR, NEC, Logitech, Mitsumi, Lexmark, Alcatel, ROHM, Trimble Navigation, Kodak, Symbol Technologies, Airgo Networks и др.

Эти фирмы ведут между  собой очень жесткую конкурентную борьбу и стараются убедить покупателей, что именно их продукт является наилучшим. При этом зачастую ведущие фирмы — производители Wi-Fi-чипсетов выходят за рамки принятых стандартов IEEE и выпускают на рынок собственные разработки, не одобренные Wi-Fi Alliance. В качестве примера можно привести технологию Super G, разработанную фирмой Atheros для увеличения эффективной пропускной способности. В основу технологии положен так называемый метод «связывания каналов»: два радиоканала связываются таким образом, чтобы они казались одним каналом как для передатчика, так и для приемника. Теоретически это позволяет увеличить скорость передачи данных в стандарте 802.11g в два раза и довести ее до 108 Мбит/с.

Кроме того, теоретически должен увеличиваться радиус действия сети. Однако по другим данным эффект связывания каналов сильно зависит от расстояния и уменьшается с его увеличением [15]. В настоящее время, несмотря на то, что технология Super G не стандартизована IEEE, она используется такими фирмами, как Airlink101, Clipsal, D-Link, Intelbras, NETGEAR, Nortel Networks, Planex, SMC, Sony, TRENDnet, SparkLAN, Toshiba и ZyXEL. На мировом рынке также можно встретить оборудование, поддерживающее технологию Super G под иными торговыми марками, например 108G Technology, 108Mbit/s 802.11g, Xtreme G.

В качестве других примеров «несанкционированного» выхода за рамки стандартов IEEE можно привести технологии 25 High Speed Mode от Broadcom, разработанное Airgo Networks «MIMO-расширение» и Nitro, предлагаемую Conexant. Даже такая солидная фирма, как Texas Instruments, и та вышла за рамки стандартов IEEE, предложив технологию 802.11b+.

Многие участники Wi-Fi-альянса  утверждают, что оборудование с поддержкой Super G и других несогласованных технологий мешает нормальной работе в частотном  диапазоне 2,4 ГГц. Однако, как справедливо отмечается в [15], существует множество изделий, например усилителей мощности и активных антенн, которые могут мешать соседним беспроводным сетям и не имеют никаких механизмов регламентации в зоне действия другого Wi-Fi-оборудования.

С появлением в 2009 г. стандарта 802.11n, вобравшего в себя все самое лучшее из предыдущих версий 802.11, накал спора о том, какой стандарт лучше, должен был бы ослабнуть. Безусловно, стандарт 802.11n сейчас самый быстрый. Но поскольку в мире производится и еще некоторое время будет производиться оборудование, поддерживающее стандарты 802.11a, b, g и Super G, то вопрос, «что выбрать из 802.11», остается открытым. Чтобы найти ответ на него, нужно четко понимать, для каких целей предназначается конкретная Wi-Fi-сеть.

Например, для передачи больших объемов информации на небольшие  расстояния скорость является определяющим фактором. На рис. 5 показаны сравнительные  данные для стандартов 802.11b, g, n [16], и  можно увидеть время, которое  потребуется соответствующему Wi-Fi-оборудованию для того, чтобы перекачать 30-минутный видеофайл с компьютера на переносной проигрыватель. Однако борьба за скорость передачи не всегда оправданна. Например, для телевидения стандартного разрешения вполне хватает 5 Мбит/с, а для разрешения HDTV требуется в среднем около 20 Мбит/с. Для передачи голоса не нужны скорости больше 1 Мбит/с. На самом деле задача должна формулироваться как поддержание оптимальной скорости на необходимом расстоянии. Нельзя забывать и о перегруженности конкретного объема беспроводным оборудованием. Известно, что Wi-Fi-устройства начинают конфликтовать, когда работают в непосредственной близости друг к другу. В закрытых помещениях также существует проблема отражения от стен и массивного оборудования. Стоит также подумать и о выборе частоты. В частотном диапазоне 2,4 ГГц дальность действия больше. Однако перегруженность этого диапазона и наличие помех намного больше, чем в диапазоне 5 МГц. Наилучшим вариантом может быть выбор двух частных диапазонов и попеременная работа в одном из них в зависимости от состояния среды передачи.

Заключение

Применение  технологии Wi-Fi

Технология Wi-Fi может быть применена для:

• создания беспроводных локальных сетей (WLAN);
• расширения возможностей сетей;
• организации доступа к Интернету

Преимущества Wi-Fi

Беспроводной Интернет на пляже

• Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.
• Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.
• Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.
• Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Недостатки Wi-Fi

• В диапазоне 2.4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.
• Реальная скорость передачи данных в Wi-Fi сети всегда ниже максимальной скорости, заявляемой производителями Wi-Fi оборудования. Реальная скорость зависит от многих факторов: наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т.п^[5].
• Количество одновременно-наблюдаемых Wi-Fi сетей в одной точке не может быть больше количества используемых каналов, то есть 13 каналов/сетей (в России данное ограничение всё чаще ощущается в многоквартирных домах).
• Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора^[6].
• Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.^[7]
• Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан^[8] даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.
• В режиме ad-hoc стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b)^[9]. Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.