У всьому світі стрімко росте потреба в бездротових з’єднаннях, особливо у сфері бізнесу. Користувачі з бездротовим доступом до інформації — завжди і скрізь можуть працювати набагато більш продуктивно і ефективно, чим їх колеги, прив’язані до дротяних телефонних і комп’ютерних мереж.
Зазвичай бездротові мережеві технології групуються в три типи, що розрізняються за масштабом дії їх радіосистем, але всі вони з успіхом застосовуються в бізнесі.
PAN (персональні мережі) — це мережі з радіусом дії до 10 м , які зв’язують ПК і інші пристрої: КПК, мобільні телефони, принтери і тому подібне. За допомогою таких мереж реалізується проста синхронізація даних, усуваються проблеми з великою кількістю кабелів в офісах, реалізується простий обмін інформацією в невеликих робочих групах. Найбільш перспективний стандарт для PAN — це Bluetooth.
WLAN (бездротові локальні мережі) — радіус дії до 100 м. З їх допомогою реалізується бездротовою доступ до групових ресурсів в будівлі, університетському кампусі і тому подібне. Зазвичай такі мережі використовуються для продовження дротяних корпоративних локальних мереж. У невеликих компаніях WLAN можуть повністю замінити дротяні з’єднання. Основний стандарт для WLAN — 802.11.
WWAN (бездротові мережі широкої дії) — бездротовий зв’язок, який забезпечує мобільним користувачам доступ до їх корпоративних мереж і Інтернету. Поки тут немає домінуючого стандарту, але найактивніше упроваджується технологія GPRS — найшвидше в Європі і з деяким відставанням в США.
На сучасному етапі розвитку мережевих технологій, технологія бездротових мереж Wi-Fi є найбільш зручною в умовах тих, що вимагають мобільність, простоту установки і використання. Wi-Fi (від англ. wireless fidelity – бездротовий зв’язок) – це один із способів організації доступу до Інтернет. Його особливість – використання радіоканалів для передачі цифрових даних, тобто це бездротове з’єднання. Іншими словами, технологія WiFi дозволяє передавати дані через високочастотний радіоканал (2,4 Ггц) стандарту IEEE 802.11.
Бездротові ЛВС — найдинамічніший сектор комунікаційних технологій.
IEEE 802.11
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 – це стандарт організації бездротових комунікацій на обмеженій території в режимі локальної мережі, тобто коли декілька абонентів мають рівноправний доступ до загального каналу передач.
802.11 – перший промисловий стандарт для бездротових локальних мереж (Wireless Local Area Networks ), або WLAN. Стандарт був розроблений Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 може бути порівняний із стандартом 802.3 для звичайних дротяних мереж Ethernet.
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 визначає порядок організації бездротових мереж на рівні управління доступом до середовища (MAC-рівні) і фізичному (PHY) рівні. У стандарті визначений один варіант MAC (Medium Access Control) рівня і три типи фізичних каналів.
Подібно до дротяного Ethernet, IEEE 802.11 визначає протокол використання єдиного середовища передачі, що отримав назву carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вірогідність колізій бездротових вузлів мінімізується шляхом попереднього посилання короткого повідомлення ready to send (RTS), воно інформує інші вузли про тривалість майбутньої передачі і адресата. Це дозволяє іншим вузлам затримати передачу на якийсь час, рівне оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція повинна відповісти на RTS посилкою clear to send (CTS). Це дозволяє вузлу, що передає, дізнатися, чи вільне середовище і чи готовий приймальний вузол до прийому. Після отримання пакету даних приймальний вузол повинен передати підтвердження (ACK) факту безпомилкового прийому. Якщо ACK не отримане, спроба передачі пакету даних буде повторена.
У стандарті передбачено забезпечення безпеки даних, яке включає аутентифікацію для перевірки того, що вузол, що входить в мережу, авторизований в ній, а також шифрування для захисту від підслуховування.
На фізичному рівні стандарт передбачає два типи радіоканалів і один інфрачервоного діапазону. У основу стандарту 802.11 покладена стільникова архітектура. Мережа може складатися з однієї або декількох осередків (стільник). Кожна стільника управляється базовою станцією, званою точкою доступу (Access Point, AP). Точка доступу і що знаходяться в межах радіусу її дії робочі станції утворюють базову зону обслуговування (Basic Service Set, BSS). Точки доступу багатостільникової мережі взаємодіють між собою через розподільну систему (Distribution System, DS), що є еквівалентом магістрального сегменту кабельних ЛМ. Вся інфраструктура, що включає точки доступу і розподільну систему, утворює розширену зону обслуговування (Extended Service Set). Стандартом передбачений також одностільниковий варіант бездротової мережі, який може бути реалізований і без точки доступу, при цьому частина її функцій виконується безпосередньо робочими станціями.
Різновиди стандарту IEEE 802.11
В даний час існує безліч стандартів сімейства IEEE 802.11:
802.11
Первинний основоположний стандарт. Підтримує передачу даних по радіоканалу з швидкостями 1 і 2 (опціонально) Мбіт/с.
802.11a
Він є найбільш “широкосмуговим” з сімейства стандартів 802.11, передбачаючи швидкість передачі даних до 54 Мбіт/с (редакцією стандарту, затвердженою в 1999 р., визначено три обов’язкові швидкості – 6, 12 і 24 Мбіт/с і п’ять необов’язкових – 9, 18, 36, 48 і 54 Мбіт/с). Реальна швидкість зазвичай розташовується в межах 22-26 Мб/с. На відміну від базового стандарту, орієнтованого на область частот 2,4 Ггц, специфікаціями 802.11а передбачена робота в діапазоні 5 Ггц. Як метод модуляції сигналу вибрано ортогональне частотне мультиплексування (OFDM). Найбільш істотна відмінність між цим методом і радіотехнологіями DSSS і FHSS полягає в тому, що OFDM припускає паралельну передачу корисного сигналу одночасно по декількох частотах діапазону, тоді як технології розширення спектру передають сигнали послідовно. В результаті підвищується пропускна спроможність каналу і якість сигналу. До недоліків 802.11а відносяться вища споживана потужність радіопередавачів для частот 5 Ггц, а так само менший радіус дії (устаткування для 2,4 Ггц може працювати на відстані до 300м, а для 5ГГц – біля 100м). Підводячи короткий підсумок відзначимо, що дана версія є як би “бічною гілкою” основного стандарту 802.11. Для збільшення пропускної спроможності каналу тут використовується діапазон частот передачі 5,5 Ггц. Для передачі в 802.11a використовується метод множини що несуть, коли діапазон частот розбивається на підканали з різними частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), що несуть, по яких потік передається паралельно, розбитим на частини. Використання методу квадратурної фазової модуляції дозволяє досягти пропускної спроможності каналу 54 Мбіт/сек.
802.11b
Завдяки високій швидкості передачі даних (до 11 Мбіт/с), практично еквівалентна пропускній спроможності звичайних дротяних ЛМ Ethernet, а також орієнтації на “освоєний” діапазон 2,4 Ггц, цей стандарт завоював найбільшу популярність у виробників устаткування для безпровідних мереж. У остаточній редакції стандарт 802.11b, відомий також як Wi-Fi (wireless fidelity), був прийнятий в 1999р. Як базова радіотехнологія в ньому використовується метод DSSS з 8-розрядними послідовностями Уолша. Оскільки устаткування, що працює на максимальній швидкості 11 Мбіт/с має менший радіус дії, чим на нижчих швидкостях, то стандартом 802.11b передбачено автоматичне пониження швидкості при погіршенні якості сигналу. Як і у разі базового стандарту 802.11, чіткі механізми роумінгу специфікаціями 802.11b не визначені. Цей стандарт є найбільш популярним на сьогоднішній день і, власне, він носить торгову марку Wi-Fi. Як і в первинному стандарті IEEE 802.11, для передачі в даній версії використовується діапазон 2,4 Ггц. Він не зачіпає канальний рівень і вносить зміни до IEEE 802.11 тільки на фізичному рівні. Для передачі сигналу використовується метод прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum), при якому весь діапазон ділиться на 5 піддіапазонів, що перекривають один одного, по кожному з яких передається інформація. Значення кожного біта кодуються послідовністю додаткових код (Complementary Code Keying). Пропускна спроможність каналу при цьому складає 11 Мбіт/сек.
802.11з
Цей стандарт регламентує роботу бездротових мостів. Дана специфікація використовується виробниками бездротових пристроїв при розробці точок доступу.
802.11d
Прагнучи розширити географію розповсюдження мереж стандарту 802.11, IEEE розробляє універсальні вимоги до фізичного рівня 802.11 (процедури формування каналів, псевдовипадкові послідовності частот, додаткові параметри для MIB і так далі). Відповідний стандарт 802.11d поки знаходиться у стадії розробки. Стандарт визначає вимоги до фізичних параметрів каналів (потужність випромінювання і діапазони частот) і пристроїв безпровідних мереж з метою забезпечення їх відповідності законодавчим нормам різних країн.
802.11e
Специфікації стандарту 802.11е дозволяють створювати мультисервісні безпровідні ЛМ, орієнтовані на різні категорії користувачів, як корпоративних так і індивідуальних. При збереженні повної сумісності стандартами 802.11а і b, він дозволяє розширити їх функціональність за рахунок підтримки потокові мультимедіа-дані і гарантованої якість послуг (QOS). Створення даного стандарту зв’язане з використанням засобів мультимедіа. Він визначає механізм призначення пріоритетів різним видам трафіку – таким, як аудіо і відео.
802.11f
Специфікація 802.11f описують протокол обміну службовою інформацією між точками доступу (Inter-Access Point Protocol, IAPP), що необхідне для побудови розподілених безпровідних мереж передачі даних. Даний стандарт, пов’язаний з аутентифікацією, визначає механізм взаємодії точок зв’язку між собою при переміщенні клієнта між сегментами мережі. Інша назва стандарту – Inter Access Point Protocol.
802.11g
Специфікації 802.11g, є розвитком стандарту 802.11b і дозволяють підвищити швидкість передачі даних в безпровідних ЛМ до 22 Мбіт/с (а можливо, і вище) завдяки використанню ефективнішої модуляції сигналу. З декількох пропозицій по базовій радіотехнології для стандарту робоча група IEEE недавно вибрала рішення компанії Intersil, засноване на методі OFMD. Однією з переваг стандарту є зворотна сумісність з 802.11b.
802.11h
Робоча група IEEE 802.11h розглянула можливість доповнення існуючих специфікацій 802.11 MAC (рівень доступу до середовища передачі) і 802.11a PHY (фізичний рівень в мережах 802.11a) алгоритмами ефективного вибору частот для офісних і вуличних безпровідних мереж, а також засобами управління використанням спектру, контролю за випромінюваною потужністю і генерації відповідних звітів. Вирішення цих завдань базується на використанні протоколів Dynamic Frequency Selection (DFS) і Transmit Power Control (TPC), запропонованих Європейським інститутом стандартів по телекомунікаціях (ETSI). Вказані протоколи передбачають динамічне реагування клієнтів безпровідної мережі на інтерференцію радіосигналів шляхом переходу на інший канал, зниження потужності або обома способами. Розробка даного стандарту пов’язана з проблемами при використанні 802.11а в Європі, де в діапазоні 5 Ггц працюють деякі системи супутникового зв’язку. Для запобігання взаємним перешкодам стандарт 802.11h має механізм “квазіінтелектуального” управління потужністю випромінювання і вибором частоти передачі, що несе.
802.11i
До травня 2001 р. стандартизація засобів інформаційної безпеки для безпровідних мереж 802.11 відносилася до робочої групи IEEE 802.11e, але потім ця проблематика була виділена в самостійний підрозділ. Стандарт 802.1X, що розробляється, покликаний розширити можливості протоколу 802.11 MAC, передбачивши засоби шифрування передаваних даних, а також централізованої аутентифікації користувачів і робочих станцій. В результаті масштаби безпровідних локальних мереж можна буде нарощувати до сотень і тисяч робочих станцій. У основі 802.1X лежить протокол аутентифікації Extensible Authentication Protocol (EAP), що базується на PPP. Сама процедура аутентифікації припускає участь в ній трьох сторін – що викликає (клієнта), викликається (точки доступу) і сервера аутентифікації (як правило, сервера RADIUS). В той же час новий стандарт, судячи з усього, залишить на розсуд виробників реалізацію алгоритмів управління ключами. Засоби захисту даних, що розробляються, повинні знайти застосування не тільки в безпровідних, але і в інших локальних мережах – Ethernet і Token Ring. Стандарт отримав номер IEEE 802.1X, а його розробку група 802.11i веде спільно з комітетом IEEE 802.1. Метою створення даної специфікації є підвищення рівня безпеки безпровідних мереж. У ній реалізований набір захисних функцій при обміні інформацією через безпровідні мережі – зокрема, технологія AES (Advanced Encryption Standard) – алгоритм шифрування, що підтримує ключі завдовжки 128, 192 і 256 біт.
802.11j
802.11j – це поправка до IEEE 802.11, яка розширює бездротовий зв’язок та сигналізацію на смуги частот 4, 9 ГГц і 5 ГГц в Японії. IEEE 802.11j полегшує зв’язок для зовнішніх, внутрішніх та мобільних додатків, які відповідають нормам бездротової локальної мережі (WLAN).
IEEE 802.11j також відомий як IEEE 802.11j-2004.
IEEE 802.11j додає канали та частоти до японських діапазонів 4, 9 ГГц і 5 ГГц для поліпшення продуктивності та потужності та зменшення перешкод для співіснуючих сигналів. IEEE 802.11j також визначає правила та рекомендації, що пред’являють вимоги до потужності передавальних вузлів, режимів роботи, вирівнювання каналу та небажаних рівнів сигналу частоти.
802.11n
Цей стандарт був затверджений 11 вересня 2009 року. Стандарт 802.11n підвищує швидкість передачі даних практично вчетверо в порівнянні з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт/с або близько 20 Мбіт/с), за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі даних до 600 Мбіт/с, застосовуючи передачу даних відразу за чотирма антен. Однією антеною – до 150 Мбіт/с. Пристрої 802.11n працюють в діапазонах 2,4-2,5 або 5,0 ГГц. Крім того, пристрої 802.11n можуть працювати в трьох режимах:
- успадкований (Legacy), в якому забезпечується підтримка пристроїв 802.11b/g/a;
- змішаному (Mixed), в якому підтримуються пристрої 802.11b/g/a/n;
- «чистому» режимі – 802.11n (саме в цьому режимі і можна скористатися перевагами підвищеної швидкості і збільшеною дальністю передачі даних, забезпечуваними стандартом 802.11n).
Чорнову версію стандарту 802.11n (DRAFT 2.0) підтримують багато сучасних мережевих пристроїв. Підсумкова версія стандарту (DRAFT 11.0), яка була прийнята 11 вересня 2009 року, забезпечує:
- швидкість до 300 Мбіт/с;
- багатоканальний вхід/вихід, відомий як MIMO;
- більше покриття.
Станом на сьогодні, більшість сучасних пристроїв підтримують даний стандарт.
802.11r
Даний стандарт передбачає створення універсальної і сумісної системи роуминга для можливості переходу користувача із зони дії однієї мережі в зону дії інший.
Новий стандарт Wi-Fi 6
Wi-Fi 6 — це маркетингова назва стандарту 802.11ax, який був представлений Wi-Fi Alliance у 2018 році. Його попередник Wi-Fi 5 (802.11ac) був запущений у 2013 році. Так історично склалось, що людям легше асоціювати рівень/якість технологій за простими назвами. Наприклад, всі знають, що 4G краще за 3G, мало хто розбирається в технічних деталях. Так само склалося і з Wi-Fi.
Одне з покращень технології — перехід до більш щільної модуляції — 1024-QAM (квадратно-амплітудна модуляція). Ось як цей параметр змінювався в технології Wi-Fi:
Крім цього, Wi-Fi 6 використовує OFDMA — ортогональний множинний доступ з частотним поділом. Цей метод також використовується в мобільному протоколі LTE (4G). Завдяки OFDMA точка доступу може обмінюватись даними з декількома клієнтами одночасно, шляхом виділення різної частоти для різних клієнтів. Загалом в стандарті також досягнене більш ефективне використання частоти та часу, що збільшує продуктивність передачі даних. Зокрема це стало можливим завдяки властивості точки доступу компенсувати, скільки спектру вона використовує для передачі потоків даних нижчої швидкості або вищої швидкості різним клієнтам відповідно до їхніх потреб даних.
Можливості у сфері IoT
В IoT є відомі протоколи та технології, для рівня квартири/дому: Z-Wave, ZigBee, BLE; для рівня району/міста: Weightless, LoRaWAN. На відміну від попередніх технологій Wi-Fi використовується зі значно меншою кількістю датчиків або в тих місцях, де можна обійтись без автономної роботи датчиків (заводи, склади, ферми). Це обумовлено тим, що наявність Wi-Fi модулю значно зменшує час роботи автономного джерела живлення датчика і в більшості випадків потребує зовнішнього джерела живлення. Також варто враховувати, що процес розводки кабелів живлення тягне за собою фінансові та часові витрати. Відповідно, інші протоколи, про які було згадано вище, набули більшого розповсюдження, ніж Wi-Fi, у сфері IoT.
Вендори також виходили на цей конкурентний ринок і випускали точки доступу з підтримкою не тільки Wi-Fi, а і Zigbee, BLE та Thread. Завдяки економному використанню енергії період експлуатації деяких пристроїв (датчиків) може коливатись від року до п’яти, в залежності від частоти передачі та обсягу даних, кліматичних умов тощо.
Новий стандарт 802.11ax також надає можливість значної економії електроенергії у підключеного пристрою. Замість того, щоб радіо IoT-пристрою перебувало весь час для прослуховування пакета, через точку доступу девелопер може встановити для клієнта параметр Target-Wakeup Time (максимальний час — до 5 років). Таким чином IoT-пристрій може перевести радіомодуль в сплячий режим до цього часу.
STA — IoT пристрій/станція
Таким чином, Wi-Fi 6 робить серйозну заявку на розширення своєї частки в IoT-мережах. Зокрема є потенціал розширення шляхом використання інфраструктури, яка вже працює, — комутаційного обладнання, мережі PoE. Проникнення Wi-Fi інфраструктури в цільових ринках (підприємства/організації, заводи, торговельні/офісні центри, HoReCa, житлові комплекси) значно більше, ніж інших IoT-технологій. Зараз м’яч на боці вендорів та виробників датчиків. Якщо вони швидко підхоплять цей тренд і почнуть випускати автономні датчики з Wi-Fi модулями, то ми скоро можемо побачити нові стартапи в цій сфері. Розробникам, у свою чергу, відкриваються можливості зі створення застосунків для IoT з використанням популярної технології та управління параметром Target-Wakeup Time.
Переваги Wi-Fi 6 для VR/AR та real-time застосунків
Вага контенту, яка постійно зростає, і різноманітність застосунків, які потребують все більше трафіку та ресурсів не тільки телефону, а й віддалених серверів, формують нові вимоги до швидкості. Wi-Fi 6 забезпечує максимальну швидкість 4,8 Gbps на каналі 80 MHz з використанням 8 × 8 MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output), в той час як Wi-Fi 5 показує максимальну швидкість 3,5 Gbps в тому ж стані. Таким чином, Wi-Fi 6 приблизно на 40% швидше та має низьку затримку (< 10 ms). Такі параметри дозволяють створювати девелоперам якісні застосунки з мультиплеєром, 4K відео або Ultra HD.
У кожного з нас з собою уже мінімум 2-3 пристрої, що використовують передачу даних, кількість їх буде тільки зростати. І тут також зіграють свою роль переваги Wi-Fi 6. На відміну від попередніх версій, стандарт може забезпечити гарну якість підключення в області з високою щільністю, навіть коли кількість користувачів на точку доступу збільшується.
Безумовно така картина підсилює інтерференцію. В попередніх версіях технології був закладений алгоритм доступу до середовища передачі з обов’язковим механізмом запиту на відправку та дозволу на відправку (RTS/CTS). Відповідно клієнтам «важче» розпізнати, що їм можна передавати дані, незважаючи на інших клієнтів, що спричиняє затримки в роботі. В безпровідних мережах при досягненні певної щільності/кількості клієнтів це викликало падіння швидкості передачі і збільшення часу очікування. Щоб розв’язувати цю проблему, у Wi-Fi 6 існує забарвлення BSS (Basic Service Set). BSS coloring — це спосіб диференціювати BSS в одному і тому ж каналі за допомогою номера BSS (кольору) в PHY заголовку. Таким чином, клієнти можуть ігнорувати трафік, який має колір «іншого клієнта».
Вам не потрібно турбуватися про сумісність. Пристрій Wi-Fi 6 повинен підтримувати попередні режими Wi-Fi. Точка доступу Wi-Fi 6 також може зв’язуватися з попередньою версією пристроїв Wi-Fi. Тому Wi-Fi 6 може співіснувати з попередніми версіями та пристроями, що їх підтримують. Але попередні версії пристроїв не можуть скористатися перевагами Wi-Fi 6. Наразі виробники почали працювати над підтримкою нового стандарту в кінцевих пристроях, зокрема смартфон Galaxy S10 вже підтримує Wi-Fi 6.
Wi-Fi 6 — програмований, а це означає, що відкривається цілий новий світ застосунків та бізнес-можливостей. Ці зміни відбудуться швидко, тому розробникам, мережевим та ІТ-провайдерам потрібно зараз розпочати підготовку до нових можливостей та викликів. Зокрема у сфері IoT розробникам треба бути готовими до роботи та взаємодії з датчиками та сенсорами, використовуючи стандарт 802.11ax, і враховувати в тому числі можливість управління параметрами Target-Wake Time. Новий стандарт значно покращує ефективність технології Wi-Fi, зокрема через збільшення швидкості, зменшення затримки та зростання кількості клієнтів, з якими може взаємодіяти точка доступу.
Доступний рівень ефективності дозволить використовувати технологію для передачі та обробки значно більшої кількості даних, що виведе якість застосунків, які використовують VR/AR/MR та Ultra HD, на новий рівень. Це дозволить збільшити проникнення цих технологій у сфери навчання, охорони здоров’я, муніципальної інфраструктури та розважального сектору. Відповідно стають затребуваними нові програми/застосунки/рішення, що будуть надавати новий користувацький досвід з урахуванням всіх переваг нового стандарту.
Стек протоколів IEEE 802.11
Стек протоколів IEEE 802.11 відповідає загальній структурі стандартів комітету 802, тобто складається з фізичного рівня і канального рівня з підрівнями управління доступом до середовища MAC (Media Access Control) і логічної передачі даних LLC ( Logical Link Control ). Як і у всіх технологій сімейства 802, технологія 802.11 визначається двома нижніми рівнями, тобто фізичним рівнем і рівнем MAC, а рівень LLC виконує свої стандартні загальні для всіх технологій LAN функції.
На фізичному рівні існує кілька варіантів специфікацій, які відрізняються використовуваним частотним діапазоном, методом кодування і як наслідок – швидкістю передачі даних. Всі варіанти фізичного рівня працюють з одним і тим же алгоритмом рівня MAC, але деякі часові параметри рівня MAC залежать від використовуваного фізичного рівня.
Передача даних
Періодичні сигнали
Визначимо дані як об’єкти, що передають сенс, чи інформацію. Сигнали – це електромагнітне подання даних. Передача – процес переміщення даних шляхом поширення сигналів по передавальної середовищі і їх обробки.
Аналогові та цифрові дані
Поняття “аналогові дані” і “цифрові дані” досить прості. Аналогові дані приймають безперервні значення з деякого діапазону. Наприклад, звукові сигнали і відеосигнали являють собою безперервно змінюються величини. Цифрові дані, навпаки, приймають тільки дискретні значення; приклади – текст і цілі числа.
Аналогові та цифрові сигнали
У системі зв’язку інформація поширюється від однієї точки до іншої за допомогою електричних сигналів. Аналоговий сигнал являє собою електромагнітну хвилю, що безперервно змінюється, яка може поширюватися через безліч середовищ, залежно від частоти; як приклади таких середовищ можна назвати провідні лінії, такі як кручена пара і коаксіальний кабель, оптоволокно; цей сигнал також може поширюватися через атмосферу або космічний простір. Цифровий сигнал являє собою послідовність імпульсів напруги , які можуть передаватися по провідній лінії; при цьому постійний позитивний рівень напруги може використовуватися для представлення двійкового нуля, а постійний негативний рівень – для представлення двійковій одиниці.
У бездротової технології використовуються цифрові дані і аналогові сигнали , так як цифрові сигнали загасають сильніше , ніж аналогові.
Модуляція сигналів
Види модуляції: А – амплітудна, Ч – частотна, Ф – фазова
Історично модуляція почала застосовуватися для аналогової інформації, і тільки потім – для дискретної.
Необхідність в модуляції аналогової інформації виникає, коли потрібно передати низькочастотний (наприклад, голосовий) аналоговий сигнал через канал, що знаходиться в високочастотної області спектра.
Для вирішення цієї проблеми амплітуду високочастотного несучого сигналу змінюють (модулюють) відповідно до зміни низькочастотного сигналу.
У бездротової технології в процесі модулювання задіяні одна або кілька характеристик несучого сигналу: амплітуда, частота і фаза. Відповідно, існують три основні технології кодування або модуляції, що виконують перетворення цифрових даних в аналоговий сигнал (рис. 3):
- амплітудна модуляція (Amplitude – Shift Keying – ASK);
- частотна модуляція (Frequency – Shift Keying – FSK);
- фазова модуляція (Phase – Shift Keying – PSK).
Амплітудна модуляція
При амплітудної модуляції два довічних значення представляються сигналами несучої частоти з двома різними амплітудами. Одна з амплітуд, як правило, вибирається рівною нулю ; тобто одне двійкове число представляється наявністю несучої частоти при постійній амплітуді, а інша – її відсутністю.
Частотна модуляція
Найбільш поширеною формою частотної модуляції є бінарна (Binary FSK – BFSK) , в якій два довічних числа представляються сигналами двох різних частот, розташованих близько несучої
Бінарна частотна модуляція менш сприйнятлива до помилок , ніж амплітудна модуляція.
Більш ефективною, а й більш схильною помилок, є схема багаточастотної модуляції (Multiple FSK – MFSK), в якій використовується більше двох частот. У цьому випадку кожна сигнальна посилка являє більше одного біта.
Для зменшення займаної смуги частот в модуляторах сигналів з фазовою модуляцією застосовують згладжуючі фільтри. Застосування таких фільтрів призводить до збільшення ефективності використання смуги, але в той же час через згладжування зменшується відстань між сусідніми сигналами, що призводить до зниження завадостійкості.
Фазова модуляція
При фазовій модуляції для представлення даних виконується зсув несучого сигналу.
Найпростішою фазовою модуляцією є дворівнева модуляція (Binary PSK , BPSK), де для подання двох двійкових цифр використовуються дві фази (рис. 3 Ф).
Диференційна фазова модуляція
Альтернативною формою дворівневої PSK є диференційна PSK (DPSK), приклад якої наведено на рис. 4. У даній системі двійковий 0 представляється сигнальним пакетом, фаза якого збігається з фазою попереднього посланого пакета, а двійкова 1 представляється сигнальним пакетом з фазою, протилежній фазі попереднього пакета. Така схема називається диференціальної, оскільки зсув фаз виконується щодо попереднього переданого біта, а не щодо якогось еталонного сигналу. При диференціальному кодуванні передана інформація подається не сигнальними посилками, а змінами між послідовними сигнальними посилками. Схема DPSK робить зайвим суворе узгодження фази місцевого гетеродина приймача і передавача. До тих пір поки попередня отримана фаза точна, точний і фазовий еталон.
Квадратурна амплітудна модуляція
Квадратурна амплітудна модуляція (Quadrature Amplitude Modulation – QAM) є популярним методом аналогової передачі сигналів, використовуваним в деяких бездротових стандартах.
Дана схема модуляції поєднує в собі амплітудну і фазову модуляції. У методі QAM використані переваги одночасної передачі двох різних сигналів на одній частоті, але при цьому, задіяні дві копії несучої частоти, зсунуті відносно один одного на 90 градусів. При квадратурно-амплітудній модуляції обидві несучі є амплітудно-модульованими. Отже, два незалежних сигналу одночасно передаються через одне середовище. У приймачі ці сигнали демодулюються, а результати об’єднуються з метою відновлення вихідного двійкового сигналу.
При використанні дворівневої квадратурної амплітудної модуляції (2QAM) кожен з двох потоків може знаходитися в одному з двох станів, а об’єднаний потік – в одному з 
станів. При використанні чотирирівневої модуляції (тобто чотирьох різних рівнів амплітуди, 4QAM) об’єднаний потік буде знаходитися в одному з 
станів . Вже реалізовані системи, що мають 64 або навіть 256 станів. Чим більше число станів, тим вище швидкість передачі даних, можлива при певній ширині смуги. Зрозуміло, як вказувалося раніше, чим більше число станів, тим вище потенційна частота виникнення помилок внаслідок перешкод або поглинання.
Пропускна здатність каналу
Існує безліч факторів, здатних спотворити або пошкодити сигнал. Найбільш поширені з них – перешкоди або шуми, що представляють собою будь-який небажаний сигнал, який змішується з сигналом, призначеним для передачі або прийому, і спотворює його.
Існує чотири поняття , які ми спробуємо зв’язати воєдино.
- Швидкість передачі даних – бітрейт в секунду (біт/с) , швидкість з якою можуть передаватися дані;
- Ширина смуги – ширина смуги переданого сигналу, яку обмежує передавачем і природою передавальної середовища. Виражається в періодах в секунду, або герцах (Гц);
- Шум . Середній рівень шуму в каналі зв’язку;
- Рівень помилок – частота появи помилок. Помилкою вважається прийом 1 при переданому 0 і навпаки.
Режими доступу
На MAC-рівні в стандарті IEEE 802.11 визначено два режими колективного доступу до середовища передачі даних:
1. Розподілений режим DCF (Distributed Coordination Function);
2. Централізований режим PCF (Point Coordination Function).
Режим розподіленої координації
Режим DCF(Distributed Coordination Function) – заснований на методі колективного доступу з виявленням несучої і механізмом уникнення колізій (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA / CA). Для вирішення проблеми прихованих вузлів, функція DCF передбачає можливість використання алгоритму RTS / CTS.
Алгоритм CSMA/CA
Коротко алгоритм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) можна описати наступним чином. Перед передачею кадру, станція прослуховує середовище, якщо середовище не зайняте, станція передає кадр. Якщо середовище зайняте, станція очікує коли воно звільниться і починає передачу кадру. Якщо одержувач прийняв кадр неспотвореним, то він підтверджує отримання, посилаючи службовий кадр ACK – квитанцію про доставку. Якщо передавальна станція не отримала пакет ACK, передбачається, що сталася колізія і через випадковий проміжок часу кадр передається знову.
Більш детальне представлення алгоритму CSMA/CA полягає в наступному. Перед захопленням середовища для передачі даних, “Відправник” посилає короткий службовий кадр RTS (Request To Send). “Одержувач” прийнявши кадр RTS відправляє у відповідь службовий кадр CTS (Clear To Send). Отримавши кадр CTS “Відправник” посилає кадр даних. За допомогою кадру CTS “Одержувач” оповіщає прихований термінал про захоплення середовища “Відправником”.
Порядок передачі кадру в режимі DCF
Після передачі чергового кадру станції перевіряють зайнятість середовища в міжкадровому інтервалі DIFS (DCF Interframe Spacing). Після закінчення DIFS станції починають відлік тимчасових інтервалів фіксованоюї тривалості (тимчасові слоти). Станція може почати передачу кадру тільки в кінці одного з слотів. Якщо середовище вільне на протязі всіх слотів включаючи вибраний, станція починає передачу кадру.
Режим централізованої координації
У режимі PCF (Point Coordination function) – один з вузлів мережі (точка доступу) є центральним і називається центром координації (Point Coordinator, PC).
Структура кадру MAC рівня
На схемі поданій нижче зображено формат MAC кадру 802.11. Наведена загальна структура застосовується для всіх інформаційних і керуючих кадрів, хоча не всі поля використовуються у всіх випадках.
D/I – Ідентифікатор тривалості / з’єднання.
SC – Керування черговістю.
Поля кадру мають наступні призначення:
- Управління кадром. Вказує тип кадру і надає керуючу інформацію
- Ідентифікатор тривалості / з’єднання. Якщо використовується поле тривалості, вказується час (у мікросекундах ), на який потрібно виділити канал для успішної передачі кадру MAC. У деяких кадрах управління в цьому полі вказується ідентифікатор асоціації або з’єднання.
- Адреса. Число і значення полів адреси залежить від контексту. Можливі наступні типи адреси : джерела, призначення, передавальної станції , приймаючої станції.
- Управління черговістю. Містить 4 – бітове підполе номера фрагмента , що використовується для фрагментації і повторної збірки, і 12 – бітовий порядковий номер, який використовується для нумерації кадрів , переданих між приймачем і передавачем.
- Тіло кадру. Містить модуль даних протоколу LLC або керуючу інформацію MAC.
- Контрольна послідовність кадра.
Типи і різновиди з’єднань у WI-FI
1. З’єднання Ad-Hoc (точка-точка).
Ad-hoc (Крапка-крапка). З’єднання двох пристроїв безпосередньо з використанням вбудованого або додатково встановленого в кожному з них Wi-Fi адаптера. Таке підключення називається “Крапкою-крапкою”. Цими пристроями можуть бути будь-які електронні апарати, наприклад настольні ПК, ноутбуки, КПК, смартфони і тому подібне Wi-Fi мережа типу Ad-hoc аналогічна звичайній дротяній локальній мережі з топологією “лінія”, тобто одноранговій мережі, в якій перший комп’ютер сполучений з другим, другий з третім і так далі Для організації з’єднання безпровідної мережі такого типу застосовуються вбудовані або встановлювані адаптери Wi-Fi, наявність якого необхідна в кожному вхідному в мережу пристрої. З вбудованими адаптерами все зрозуміло: він встановлений десь усередині, і нам про нього необхідно знати тільки те, є він там чи ні. Зі встановлюваними адаптерами цікавіше. Вони можуть підключатися до пристрою по внутрішніх (PCI, PCI-E, mini-PCI) або зовнішніх (USB, PCMCIA, CompactFlash, SD). До настільного комп’ютера WiFi-адаптеры підключаються за допомогою інтерфейсів PCI, PCI-E і USB. Останній зручніше з причини можливості гарячого підключення (можна буде вставляти адаптер при включеному комп’ютері без ризику спалити устаткування) і вищою швидкістю передачі даних.
2. Інфраструктурне з’єднання.
Всі комп’ютери оснащені бездротовими картами і підключаються до точки доступу. Яка, у свою чергу, має можливість підключення до дротяної мережі. Іnfrastructure. Підключення мережі типу Ad-hoc до інтернету або іншої мережі Ad-hoc. Для організації цього підключення використовується точка доступу (Wireless Access Point). Вона оснащується одним роз’ємом LAN для підключення кабелю доступу до інтернету і, як правило, декількома такими ж роз’ємами для підключення до неї комп’ютерів для утворення дротяної локальної мережі. Точка доступу цілком може бути замінена комп’ютером (сервером) зі встановленими в ньому мережевою картою і Wi-Fi картою. Перша служитиме для підключення сервера до інтернету, друга забезпечить зв’язок з комп’ютерами по безпровідній локальній мережі. По функціональності отримаємо приблизно одне і те ж в обох випадках. Проте використання точки доступу переважно комп’ютера. По-перше, її придбання обійдеться набагато дешевшим. По-друге, вона простіше в настройці.
3. Точка доступу, з використанням роутера і модема.
Точка доступу включається в роутер, роутер — в модем (ці пристрої можуть бути об’єднані в два або навіть в одне). Тепер на кожному комп’ютері в зоні дії Wi-Fi, в якій є адаптер Wi-Fi, працюватиме інтернет.
4. Клієнтська точка.
У цьому режимі точка доступу працює як клієнт і може з’єднуватися з точкою доступу, яка працює в інфраструктурному режимі. Але до неї можна підключити тільки одину МАС-адресу. Тут завдання полягає в тому, щоб об’єднати тільки два комп’ютери. Два Wi-Fi-адаптера можуть працювати один з одним безпосередньо без центральних антен.
5. Мостове з’єднання.
Комп’ютери об’єднані в дротяну мережу. До кожної групи мереж підключені точки доступу, які з’єднуються один з одним по радіо каналу. Цей режим призначений для об’єднання двох і більше дротяних мереж. Підключення бездротових клієнтів до точки доступу, що працює в режимі моста неможливо.
6. Репітер.
Точка доступу просто розширює радіус дії іншої точки доступу, що працює в інфраструктурному режимі. Wi-Fi peпітер – окремий пристрій, який доповнює роутер. Задача репітера – збільшити дальність розповсюдження сигналу, який передає роутер. Підсилювачі використовують в офісах, різних організаціях і в великий приватних будівлях. В загалі в тих місцях де сигнал транслюється не всюди. Робота репітера приймати сигнал від маршрутизатора і передавати його розширюючи зону Wi-Fi мережі. Пристрій не створює нову мережу. У вас є налагоджена мережа «Wi-Fi 1» з деяким паролем. Репітер робить копію мережі з всією переданою інформацією і розширить її. Ім’я та пароль мережі не зміняться. Всі пристрої, які були підключені до роутера та репітера знаходяться в одній мережі. Це значить що користувачі можуть зробити налагодження локального з’днання, DLNA-сервера, або ж транслювати контент по бездротовій мережі з ноутбуку на телевізор.
Різновиди:
- Пасивні моделі. Встановлюються на роутер. Головна задача – збільшити потужність сигналу і змінити напрямок.Пристрій з’єднують з маршрутизатором через спеціальний кабель.
- Активні моделі. Активний підсилювач – більш популярний варіант. Модель не прив’язана до роутера і може бути розташована в будь-якій частині приміщення. Налаштування мережі здійснюється одночасним натисканням кнопок WPS на маршрутизаторі та підсилювачі. Пристрій здатен передавати сигналь на великі відстані, на відміні пасивного пристрою.
Питання для обговорення:
- дайте “книжне” і “понятійне” визначення для абревіатур:
DSSS, FHSS, BSS, SSID, OFDM, OFDMA, QMA, MU-MIMO - Зробіть порівняльний аналіз технологій 802.11 b/g/n
- Wi-Fi 6, що заховано під цією назвою
- 802.11 AC/AD/AH/AX