Наиболее быстро развивающимся сегментом телекоммуникаций сегодня является Беспроводная Локальная Сеть (WiFi). В последние годы виден все больший рост спроса на мобильные устройства, построенные на основе беспроводных технологий.

Стоит отметить, что WiFi продукты передают и получают информацию с помощью радиоволн. Несколько одновременных вещаний могут происходить без обоюдного вмешательства благодаря тому, что радиоволны передаются по разным радиочастотам, известным также как каналы. Для осуществления передачи информации WiFi устройства должны «наложить» данные на радиоволну, также известную как несущая волна. Этот процесс называется модуляцией. Существуют различные типы модуляции, которые мы рассмотрим далее. Каждый тип модуляции имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения эффективности и требований к питанию. Вместе, рабочий диапазон и тип модуляции, определяют физический уровень данных (PHY) для стандартов передачи данных. Продукты совместимы по PHY в том случае, когда они используют один диапазон и один тип модуляции.

Первый стандарт беспроводных сетей 802.11 был одобрен Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и поддерживал скорость передачи данных до 2-х Мбит\с. Используемые технологические схемы модуляции стандарта: псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) и широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum).

Далее, в 1999 году, IEEE одобрила еще два стандарта беспроводных сетей WiFi: 802.11a и 802.11b. Стандарт 802.11a работает в частотном диапазоне 5ГГц со скоростью передачи данных до 54Мбит\с. Данный стандарт построен на основе технологии цифровой модуляции ортогонального мультплексирования с разделением частот (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Стандарт 802.11b использует диапазон частот 2.4 ГГц и достигает скоростей передачи данных до 11Мбит\с. В отличие от стандарта 802.11a, схема стандарта 802.11b построена по принципу DSSS.

Поскольку реализовать схему DSSS легче, нежели чем OFDM, то и продукты, использующие стандарт 802.11b, начали появляться на рынке раньше (с 1999 года). С тех пор продукты, работающие по беспроводному протоколу радиодоступа и использующие стандарт 802.11b, широко использовались в корпорациях, офисах, дома, в загородных коттеджах, в общественных местах (хот-споты) и т.д. На всех продуктах, прошедших сертификацию альянса совместимости беспроводного оборудования Ethernet (WECA - Wireless Ethernet Compatibility Alliance), имеется соответствующая отметка с официально зарегистрированным логотипом WiFi. Альянс WECA (или Wi-Fi Alliance) включает в себя всех основных производителей беспроводных устройств на основе технологии WiFi. Альянс занимается тем, что сертифицирует, маркирует, а также тестирует на совместимость оборудование, применяющее технологии WiFi.

В начале 2001 года Федеральная Комиссия по Коммуникациям Соединенных Штатов (FCC - Federal Communications Commission) ратифицировала новые правила, благодаря которым разрешается дополнительная модуляция в диапазоне 2.4 ГГц. Это позволило IEEE расширить стандарт 802.11b, что привело к поддержке более высоких скоростей для передачи данных. Таким образом, появился стандарт 802.11g, который работает со скоростью передачи данных до 54Мбит\с и разрабатывался с использованием технологии ODFM.

Частоты Wi-Fi

Обеспечить беспроводную связь с Интернет теперь доступно всем. Достаточно подключить у себя в доме, на даче или в офисе систему wifi и можно принимать сигнал не заботясь о бесконечных проводах, телефонных подключениях, модемах и картах связи. Роутер wifi является маршрутизатором, принимающим решение по пересылке пакетных данных для различных модульных сегментов сети. Проще говоря, если у вас в доме находятся один или несколько ноутбуков и все они нуждаются в подключении к сети Интернет, то эту проблему решает маршрутизатор беспроводной связи. Система wifi самостоятельно находит ваши ноутбуки и устанавливает соединение с Интернет. Стандартная схема беспроводного маршрутизатора предусматривает не менее одного соединения. Раздача интернета происходит на различных частотах. Для Российской Федерации предусмотрены и выделены частоты в диапазоне от 5150-5350 МГц до 5650-6425 МГц. Данные частоты являются основными, для работы в указанных диапазонах не требуется специального разрешения. Фиксированный беспроводной доступ 5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц обеспечивает высокую скорость передаваемых данных в сети Интернет. Для поиска свободного канала связи необходимо скоординировать подключение сети с администрациями других сетей. Каждая сеть должна использовать канал-частоту, отделенную от другого канала полосой 25 МГц.

Стандарт 802.11a – Высокая производительность и быстродействие.

Благодаря использованию частоты 5 ГГц и модуляции OFDM у этого стандарта есть два ключевых преимущества перед стандартом 802.11b. Во-первых, это значительно увеличенная скорость передачи данных по каналам связи. Во-вторых, увеличилось число не накладывающихся каналов. Диапазон 5 ГГц (также известный как UNII) фактически состоит из трех субдиапозонов: UNII1 (5.15 – 5.25 ГГц), UNII2 (5.25 – 5.35 ГГц) и UNII3 (5.725 – 5.825 ГГц). При использовании одновременно двух субдиапозонов UNII1 и UNII2 получаем до восьми непересекающихся каналов против всего лишь трех в диапазоне 2.4 ГГц. Также у этого стандарта гораздо больше доступная полоса пропускания. Таким образом, с использованием стандарта 802.11а можно поддерживать большее число одновременных, более продуктивных, неконфликтных беспроводных соединений.

Стоит отметить, что т.к. стандарты 802.11а и 802.11b работают в различных диапазонах, то и продукты, разработанные под эти стандарты не совместимы. Например, точка доступа WiFi, работающая в диапазоне 2.4 ГГц, стандарта 802.11b, не будет работать с беспроводной сетевой картой, рабочий диапазон которой 5 ГГц. Однако, оба стандарта могут и сосуществовать. К примеру, пользователи, подключенные к точкам доступа, применяющим разные стандарты, также могут использовать любые внутренние ресурсы этой сети, но при условии, что эти точки доступа подключены к одной опорной сети.

Еще важно знать, что в Европе и России диапазон 5 ГГц применяется исключительно в военных целях, соответственно в любых иных целях он запрещен к использованию.

802.11g – Высокая скорость в диапазоне 2.4 ГГц.

Стандарт 802.11g несет с собой более высокие скорости передачи данных, при этом поддерживая совместимость с продуктами стандарта 802.11b. Стандарт работает с применением модуляции DSSS на скоростях до 11Мбит\с, но при этом дополнительно используется модуляция OFDM на скоростях выше 11Мбит\с. Таким образом, оборудование стандартов 802.11b и 802.11g совместимо на скоростях, не превышающих 11Мбит\с. Если в диапазоне 2.4 ГГц необходима скорость выше, нежели 11Мбит\с, то нужно использовать оборудование стандарта 802.11g.

Можно сказать, что стандарт 802.11g соединил в себе все лучшее от стандартов 802.11b и 802.11a.

Действительно, несмотря на то что беспроводные сети Wi-Fi получили повсеместное признание и распространение, до настоящего момента за ними числятся три основных недостатка: низкая (по сравнению с проводным Ethernet) реальная скорость передачи данных, сложности с равномерным покрытием (и наличием так называемых мертвых зон - dead spots) и проблемы безопасности данных и несанкционированного доступа. Теперь давайте посмотрим на основные достоинства устройств, созданных по спецификации 802.11n. Это заметно более высокая скорость передачи данных, улучшенная безопасность благодаря введению нового алгоритма шифрования WPA2, а также значительное расширение зоны покрытия и большая помехоустойчивость. Но, разумеется, мы уже давно привыкли к тому, что рекламно-маркетинговые цифры, обещающие многократное улучшение самых разных показателей, конечно же имеют что-то общее с реальными характеристиками, но далеко не всегда совпадают с ними даже по порядку величины. А для того, чтобы правильно оценить новые возможности и их ограничения, всегда имеет смысл представлять, за счет чего, собственно, эти новые возможности достигаются.

Немного теории. Теоретическая скорость соединения для устройств 802.11n cоставляет 300 Мбит/c, а для устройств предыдущего и наиболее сейчас распространенного 802.11g - 54 Мбит/c. Обе цифры соответствуют идеальным, но не существующим в природе условиям. Но все-таки за счет чего может достигаться увеличение скорости больше чем в 5 раз? Если задать этот вопрос любознательному ребенку, который, к своему счастью, еще не обязан демонстрировать глубокие познания в радиофизике, то он определенно выскажется в том духе, что у новых устройств торчит больше антенн, значит, поэтому они и работают быстрее. И в общем-то, примерно так оно и есть, увеличение скорости и зоны устойчивого покрытия достигается во многом благодаря технологии многолучевого распространения (MIMO - Multiple Input Multiple Output), при которой данные разделяются между несколькими передатчиками, работающими на одной и той же частоте.

Не отказались разработчики и еще от одного простого и понятного способа увеличения скорости - использования двух частотных каналов вместо одного. Если в 802.11g задействуется один частотный канал шириной 20 МГц, то в 802.11n применяется технология, связывающая два расположенных рядом друг с другом канала в один шириной 40 МГц (сведения об использовании двух каналов вместо одного нам очень пригодятся на практике при настройке устройств на максимальную производительность).

Одна из причин, по которой реально наблюдаемая скорость в сетевых приложениях всегда меньше заявленной производителем, состоит в том, что кроме собственно передаваемых данных устройства обмениваются также служебной информацией через все тот же канал связи. Таким образом, скорость сетевого соединения на уровне приложений всегда меньше, чем на физическом уровне. Ну а на коробке по понятным причинам принято указывать большее по абсолютной величине значение без каких-либо дополнительных уточнений. Соответственно еще одна возможность для увеличения реальной скорости передачи данных - это оптимизация «накладных расходов», т. е. объема пересылаемых служебных данных, в первую очередь за счет объединения на физическом уровне нескольких кадров данных в один.

Разумеется, это только некоторые из основных нововведений в стандарте 802.11n. Но, строго говоря, полной и окончательной спецификации устройств 802.11n не существует до сегодняшнего дня. И в этом еще одна, значительно менее радостная причина пристального внимания к новому стандарту и большого числа разговоров о нем. Принятие его окончательной спецификации IEEE 802.11n откладывается уже несколько лет и в настоящий момент запланировано на вторую половину 2008 г., но нет никаких гарантий того, что утверждение документа не будет в очередной раз отложено. В то же время многие производители попытались в числе первых представить на рынок устройства на основе предварительных версий стандарта, что в какой-то момент привело к появлению сырых и плохо совместимых между собой устройств, которые, кроме того, зачастую проигрывали в скорости по сравнению с нестандартизованными решениями других производителей (см. «Draft-N:не спешите со скоростью», «Мир ПК», ). С тех пор была утверждена предварительная версия стандарта 802.11n Draft 2.0, за сертификацию, не дожидаясь официального утверждения IEEE 802.11n, взялась организация Wi-Fi Alliance, а у разработчиков было достаточно времени для того, чтобы устранить недочеты, характерные для первых моделей устройств. Список устройств, прошедших сертификацию, доступен на сайте www.wifialliance.org , и именно на этот список мы ориентировались, планируя тестирование первых устройств стандарта 802.11n Draft 2.0.

Практика. Как обычно, из восьми сертифицированных устройств, производители которых представлены в России, реально оказались доступными только три комплекта оборудования, состоящих из точки доступа и соответствующего адаптера, - DIR-655 и DWA-645 от D-Link, WNR854T и WN511T от Netgear, а также BR-6504n и EW-7718Un компании Edimax. Очень кстати каждый из рассматриваемых маршрутизаторов оказался оснащен четырьмя портами Gigabit Ethernet, и проводное соединение, таким образом, заведомо никак не ограничивало измеряемую нами скорость соединения (подробности измерений см. во врезке «Как мы тестировали»). Вряд ли стоит подробно останавливаться на внешнем виде и комплектации каждого из устройств (вся подобная информация представлена на соответствующих веб-сайтах производителей). Разумеется, внешний облик - далеко не главное качество маршрутизатора, но и не такое уж незначительное, ведь для наилучшего распространения сигнала логично располагать это устрой-ство на высоком и видном месте. Наибольшее внимание здесь наверняка привлечет модель Netgear - у нее отсутствуют внешние антенны. Из наблюдений во время настройки маршрутизаторов стоит, пожалуй, упомянуть довольно полезную функцию автоматического выбора наиболее свободного частотного канала, реализованную в D-Link DIR-655. Заметим, что перед установкой может иметь смысл загрузить с сайта производителя последнюю версию драйверов - так, например, первоначально адаптер Netgear принципиально не хотел устанавливать соединения по стандарту 802.11n с маршрутизаторами других производителей, но обновление драйверов полностью решило эту проблему. Упомянем и о том, что указанные маршрутизаторы могут занимать один или два канала. При этом устройство D-Link по умолчанию настроено на работу с каналом шириной 20 МГц, а модели Netgear и Edimax - со сдвоенным. Для измерения максимальной производительности мы, разумеется, использовали режим с полосой 40 МГц, но в таком случае возможно ухудшение работы других беспроводных сетей, находящихся в непосредственной близости. Кстати, прежде чем обсуждать производительность, напомним, что до появления сетей Wi-Fi диапазон 2,4 ГГц относился к так называемым мусорным диапазонам (garbage bands) из-за большого числа помех самого разного характера, а с тех пор ситуация если и изменилась, то не в лучшую сторону. И до определенной степени именно этим можно объяснить существенные различия в скорости передачи данных от одного измерения к другому. Разумеется, чтобы уменьшить случайную ошибку измерений, мы сделали их довольно много и провели соответствующую статистическую обработку результатов. Но в любом случае можем с уверенностью утверждать, что встречающиеся время от времени рассуждения о том, что одно устройство лучше другого, потому что скорость копирования файлов у него оказалась на несколько мегабит в секунду выше, просто лишены всякого смысла без многократных измерений и необходимой обработки результатов.

Средние скорости передачи данных по протоколу TCP/IP представлены на диаграмме 1, изучив которую можно сделать следующий вывод: в среднем скорость соединения по 802.11n составляет порядка 50 Мбит/c, что примерно в 2,5 раза больше, чем скорость соединения по 802.11g. Кроме того, хотя, как и следовало ожидать, использование точки доступа и адаптера одного и того же производителя приводит к наилучшим скоростным показателям, устройства всех трех производителей демонстрируют довольно неплохую совместимость друг с другом.

Во второй серии испытаний мы измеряли скорость работы беспроводной сети вблизи сильнодействующего источника помех, в качестве которого использовалась работающая СВЧ-печь. Полученные результаты говорят сами за себя: если для стандартного 802.11g-соединения скорость падает на порядок и составляет около 2 Мбит/c, то устройства, соответствующие 802.11n, демонстрируют устойчивую работу со средней скоростью более 10 Мбит/c, т. е., как минимум в 5 раз быстрее.

Соответственно, основываясь на серии проведенных измерений, приходим к заключению: устройства 802.11n обеспечивают реальную скорость соединения по протоколу TCP/IP около 50 Мбит/c, демонстрируют существенно лучшую работу беспроводной сети в случае сильнодействующих помех, а кроме того, устройства разных производителей (во всяком случае, как минимум трех - D-Link, Netgear и Edimax) уже довольно хорошо взаимодействуют друг с другом.

Как мы тестировали

К исследуемой точке доступа по проводному Ethernet подключался компьютер на базе процессора Intel Extreme Edition 955 c 1-Гбайт ОЗУ и жестким диском WD4000КВ, работающий под управлением Windows XP SP2. С помощью беспроводного соединения к точке доступа подключался ноутбук Acer TravelMate 3300, работающий под управлением Windows XP SP2, оснащенный процессором Intel Pentium M 1,7 ГГц, ОЗУ объемом 512 Мбайт и жестким диском Hitachi TravelStar 4K120. Скорость соединения измерялась с помощью пакетa Netperf (www.netperf.org). Для оценки производительности беспроводной сети измерялась скорость передачи нисходящего потока данных (downlink) TCP/IP от стационарного компьютера к ноутбуку. Скорость нисходящего соединения при подключении компьютеров по сети Ethernet 1 Гбит/c составила порядка 350 Мбит/c. При настройке точки доступа выбирался частотный канал, наиболее удаленный от других источников сигнала и соответственно обеспечивающий максимальную пропускную способность. Для исключения возможного влияния расположения точки доступа и других случайных факторов каждое измерение проводилось 20 раз.

- Зачем вам в Решётах нубук?
- Чтоб безразмерно использовать возможности блюпупа, и коммутироваться с другими абонентами по всему региону Россия с помощью Ви-Фи!
(С) Уральские Пельмени

Впервые рабочая группа IEEE 802.11 была анонсирована в 1990 году и вот уже 25 лет идёт непрекращающаяся работа над беспроводными стандартами. Основным трендом является постоянное увеличение скоростей передачи данных. В данной статье я попробую проследить путь развития технологии и показать, за счёт чего обеспечивалось увеличение производительности и чего стоит ждать в ближайшем будущем. Предполагается, что читатель знаком с основными принципами беспроводной связи: видами модуляции, глубиной модуляции, шириной спектра и т.д. и знает основные принципы работы Wi-Fi сетей. На самом деле существует не так много способов увеличения пропускной системы связи и большинство из них было реализовано на разных этапах совершенствования стандартов группы 802.11.

Рассмотрению будут подвергнуты стандарты, определяющие физический уровень, из взаимно совместимой линейки a/b/g/n/aс. Стандарты 802.11af (Wi-Fi на частотах эфирного телевиденья), 802.11ah (Wi-Fi в диапазоне 0.9 МГц, предназначенный для реализации концепции IoT) и 802.11ad (Wi-Fi для скоростной связи периферийных устройств наподобие мониторов и внешних дисков) несовместимы друг с другом, имеют различные сферы применения и не подходят для анализа эволюции технологий передачи данных на большом интервале времени. Кроме того, вне рассмотрения останутся стандарты, определяющие стандарты безопасности (802.11i), QoS (802.11e), роуминга (802.11r) и т.д., так как они только косвенно влияют на скорость передачи данных. Здесь и далее речь идёт о канальной, так называемой брутто-скорости, которая является заведомо большей, чем фактическая скорость передачи данных из-за большого количества служебных пакетов в радиообмене.

Первым стандартом беспроводной связи был 802.11 (без буквы). Он предусматривал два типа среды передачи: радиочастота 2.4 ГГц и инфракрасный диапазон 850-950 нм. ИК-устройства не были широко распространены и в будущем развития не получили. В диапазоне 2.4 ГГц было предусмотрено два способа расширения спектра (расширение спектра является неотъемлемой процедурой в современных системах связи): расширение спектра методом скачкообразного изменения частоты (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). В первом случае все сети используют одну и ту же полосу частот, но с различными алгоритмами перестроения. Во втором случае уже появляются частотные каналы от 2412 МГц до 2472 МГц с шагом 5 МГц, сохранившиеся по сей день. В качестве расширяющей последовательности используется последовательность Баркера длиной 11 чипов. При этом максимальная скорость передачи данных составляла от 1 до 2 Мбит/с. В то время даже с учётом того, что в самых идеальных условиях полезная скорость передачи данных по Wi-Fi не превышает 50% канальной, такие скорости выглядели весьма привлекательно в сравнении со скоростями модемного доступа к сети Интернет.

Для передачи сигнала в 802.11 использовалась 2-х и 4-х позиционная манипуляция, что обеспечивало работу системы даже в неблагоприятных условиях сигнал/шум и не требовало сложных приёмо-передающих модулей.
Например, для реализации информационной скорости 2 Мбит/с каждый передаваемый символ заменяется на последовательность из 11 символов.

Таким образом чиповая скорость составляет 22 Мбит/с. За один такт передачи передаются 2 бита (4 уровня сигнала). Таким образом скорость манипуляции составляет 11 бод и основной лепесток спектра при этом занимает 22 МГц, величину, которую применительно к 802.11, часто называют шириной канала (на самом деле спектр сигнала является бесконечным).

При этом согласно критерию Найквиста (число независимых импульсов в единицу времени ограничено удвоенной максимальной частотой пропускания канала) для передачи такого сигнала достаточно полосы 5.5 МГц. Теоретически устройства формата 802.11 должны удовлетворительно работать и на каналах, отстоящих друг от друга на 10 МГц (в отличии от более поздних реализаций стандарта, требующих вещания на частотах, отстоящих друг от друга не менее, чем на 20 МГц).

Очень быстро скоростей 1-2 Мбит/с стало не хватать и на смену 802.11 пришёл стандарт 802.11b, в котором скорость передачи данных была увеличена до 5.5, 11 и 22 (опционально) Мбит/с. Увеличение скорости было достигнуто путём уменьшения избыточности помехоустойчивого кодирования с 1/11 до ½ и даже 2/3 за счёт внедрения блочных (CCK) и сверхточных (PBCC) кодов. Кроме того, максимальное число ступеней модуляции было увеличено до 8-и на один передаваемый символ (3 бита на 1 бод). Ширина канала и используемые частоты не изменились. Но при уменьшении избыточности и увеличении глубины модуляции неизбежно выросли требования к соотношению сигнал/шум. Так как увеличение мощности устройств невозможно (ввиду экономии энергии мобильных устройств и законодательных ограничений), то это ограничение проявилось в небольшом сокращении зоны обслуживания на новых скоростях. Площадь обслуживания на унаследованных скоростях 1-2 Мбит/с не изменилась. От способа расширения спектра методом скачкообразной перестройки частоты было решено полностью отказаться. Больше в семействе Wi-Fi он не использовался.

Следующий шаг увеличения скорости до 54 Мбит/с был реализован в стандарте 802.11a (данный стандарт начал разрабатываться раньше, чем стандарт 802.11b, но финальная версия была выпущена позже). Увеличение скорости в основном было достигнуто за счёт увеличения глубины модуляции до 64 уровней на один символ (6 бит на 1 бод). Кроме того, была радикально пересмотрена радиочастотная часть: расширение спектра методом прямой последовательности было заменено на расширение спектра методом разделения последовательного сигнала на параллельные ортогональные поденсущие (OFDM). Использование параллельной передачи на 48 подканалах позволило снизить межсимвольную интерференцию за счёт увеличения длительности отдельных символов. Передача данных осуществлялась в диапазоне 5 ГГц. При этом ширина одного канала составляет 20 МГц.

В отличие от стандартов 802.11 и 802.11b, даже частичное перекрытие этой полосы может привести к ошибкам передачи. К счастью в диапазоне 5 ГГц расстояние между канали составляет эти самые 20 МГц.

Стандарт 802.11g не стал прорывом в плане скорости передачи данных. Фактически этот стандарт стал компиляцией 802.11a и 802.11b в диапазоне 2,4 ГГц: в нём поддерживались скорости обоих стандартов.

Однако данная технология требует высокого качества изготовления радио части устройств. Кроме того, данные скорости принципиально не реализуемы на мобильных терминалах (основной целевой группе стандарта Wi-Fi): наличие 4-х антенн на достаточном разнесении не может быть реализовано в малогабаритных устройствах как по соображениям отсутствия места, так и из-за отсутствия достаточного на 4 приёмопередатчика энергии.

В большинстве случаев скорость 600 Мбит/с является не более, чем маркетинговой уловкой и нереализуема на практике, так как фактически её можно добиться только между стационарными точками доступа, установленными в пределах одной комнаты при хорошем соотношении сигнал/шум.

Следующий шаг в скорости передачи был выполнен стандартом 802.11ac: максимальная скорость, предусмотренная стандартом, составляет до 6,93 Гбит/с, однако фактически такая скорость ещё не достигнута ни на одном оборудовании, представленном на рынке. Увеличение скорости достигнуто за счёт увеличения полосы пропускания до 80 и даже до 160 МГц. Такая полоса не может быть предоставлена в диапазоне 2,4 ГГц, поэтому стандарт 802.11ac функционирует только в диапазоне 5 ГГц. Ещё один фактор увеличения скорости – увеличение глубины модуляции до 256 уровней на один символ (8 бит на 1 бод) К сожалению, такая глубина модуляции может быть получена только вблизи точки из-за повышенных требований к соотношению сигнал/шум. Указанные улучшения позволили добиться увеличения скорости до 867 Мбит/с. Остальное увеличение получено за счёт ранее упомянутых потоков MIMO 8x8:8. 867х8=6,93 Гбит/с. Технология MIMO была усовершенствована: впервые в стандарте Wi-Fi информация в одной сети может передаваться двум абонентам одновременно с использованием различных пространственных потоков.

В более наглядном виде результаты в таблице:

В таблице перечислены основные способы увеличения пропускной способности: «-» - метод не применим, «+» - скорость была увеличена за счёт данного фактора, «=» - данный фактор остался без изменений.

Ресурсы уменьшения избыточности уже исчерпаны: максимальная скорость помехоустойчивого кода 5/6 была достигнута в стандарте 802.11a и с тех пор не увеличивалась. Увеличение глубины модуляции теоретически возможно, но следующей ступенью является 1024QAM, которая является очень требовательной к соотношению сигнал/шум, что предельно снизит радиус действия точки доступа на высоких скоростях. При этом возрастут требования к исполнению аппаратной части приёмопередатчиков. Уменьшение межсимвольного защитного интервала также вряд ли будет направлением совершенствования скорости – его уменьшение грозит увеличением ошибок, вызванных межсимвольной интерференцией. Увеличение полосы канала сверх 160 МГц так же вряд ли возможно, так как возможности по организации непересекающихся сот будут сильно ограничены. Ещё менее реальным выглядит увеличение количества MIMO-каналов: даже 2 канала являются проблемой для мобильных устройств (из-за энергопотребления и габаритов).

Из перечисленных методов увеличения скорости передачи большая часть в качестве расплаты за своё применение забирает полезную площадь покрытия: снижается пропускная способность волн (переход от 2,4 к 5 ГГц) и повышаются требования к соотношению сигнал шум (увеличение глубины модуляции, повышение скорости кода). Поэтому в своём развитии сети Wi-Fi постоянно стремятся к уменьшению площади, обслуживаемой одной точкой в пользу скорости передачи данных.

В качестве доступных направлений совершенствования могут использоваться: динамическое распределение OFDM поднесущих между абонентами в широких каналах, совершенствование алгоритма доступа к среде, направленное на уменьшение служебного траффика и использование техник компенсации помех.

Подводя итог вышесказанному попробую спрогнозировать тенденции развития сетей Wi-Fi: вряд ли в следующих стандартах удастся серьёзно увеличить скорость передачи данных (не думаю, что больше, чем в 2-3 раза), если не произойдёт качественного скачка в беспроводных технологиях: почти все возможности количественного роста исчерпаны. Обеспечить растущие потребности пользователей в передаче данных можно будет только за счёт увеличения плотности покрытия (снижения радиуса действия точек за счёт управления мощностью) и за счёт более рационального распределения существующей полосы между абонентами.

Вообще тенденция уменьшения зон обслуживания, похоже, является основным трендом в современных беспроводных коммуникациях. Некоторые специалисты считают, что стандарт LTE достиг пика своей пропускной способности и не сможет далее развиваться по фундаментальным причинам, связанным с ограниченностью частотного ресурса. Поэтому в западных мобильных сетях развиваются технологии оффлоада: при любом удобном случае телефон подключается к Wi-Fi от того же оператора. Это называют одним из основных способов спасения мобильного Интернета. Соответственно роль Wi-Fi сетей с развитием сетей 4G не только не падает, а возрастает. Что ставит перед технологией всё новые и новые скоростные вызовы.

Стандарты беспроводных сетей

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

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

Существуют следующее группы стандартов:

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

IEEE 802.11

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

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

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

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

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

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

IEEE 802.11а

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

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

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

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

Недостатки стандарта IEEE 802.1 1a такие:

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

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

IEEE 802.11b

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

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

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

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

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

IEEE 802.11d

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

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

IEEE 802.11е

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

IEEE 802.11f

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

IEEE 802.11g

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

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

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

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

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

IEEE 802.11h

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

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

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

IEEE 802.11i

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

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

IEEE 802.11 j

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

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

IEEE 802.11n

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

В основе стандарта 802.11n:

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

Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц.

На физическом уровне (PHY) реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.

На сетевом уровне (MAC) реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g (в настоящее время эти устройства уже считаются устаревшими).

В реальности, производительность беспроводной локальной сети зависит от многочисленных факторов, таких как среда передачи данных, частота радиоволн, размещение устройств и их конфигурация.

При использовании устройств стандарта 802.11n, крайне важно понять, какие именно усовершенствования были реализованы в этом стандарте, на что они влияют, а также как они совмещаются и сосуществуют с сетями устаревшего стандарта 802.11a/b/g беспроводных сетей.

Важно понять, какие именно дополнительные особенности стандарта 802.11n реализованы и поддерживаются в новых беспроводных устройствах.

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

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

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

IEEE 802.11г

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

Стандарт IEEE 802.11ac

Он обещает гигабитные беспроводные скорости для потребителей.

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

Характеристики стандарта нового поколения Wi-Fi 802.11ac:

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

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

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

Более широкая полоса пропускания:

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

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

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

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

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

MIMO:

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

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

Усилитель Линейности:

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

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

Совместимость с предыдущими версиями

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

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

14 сентября Институт инженеров электроники и электротехники (IEEE) наконец-то утвердил окончательную версию стандарта беспроводной связи WiFi 802.11n. Сказать, что процесс принятия спецификаций затянулся – не сказать ничего: устройства с поддержкой первой предварительной версии стандарта можно было купить ещё в конце 2006 года, но работали они не очень стабильно. Распространение получили устройства, поддерживающие вторую предварительную версию стандарта (draft 2.0), избавленную от большинства "детских болезней". В продаже они встречаются уже около двух лет, и на обилие проблем с беспроводной связью их обладатели не жалуются: работают – и работают. Причём довольно быстро и стабильно.

Чем новая версия любимого всеми "вайфая" лучше старой? Максимальная теоретическая скорость для стандарта 802.11b – 11 Мбит/с при частоте полосы 2,4 ГГц, для 802.11a – 54 Мбит/с при 5 ГГц, а для 802.11g – тоже 54 Мбит/с, но при 2,4 ГГц. У 802.11n частота полосы варьируется и может составлять как 2,4 ГГц, так и 5 ГГц, а предельная скорость достигает поражающих воображение 600 Мбит/с. Разумеется, в теории. На практике из 802.11n удается выжать "более приземлённые", но всё же впечатляющие 150 Мбит/с. Отметим также, что благодаря поддержке обоих частотных диапазонов достигается обратная совместимость и с 802.11a, и с 802.11b/g.

Улучшить скоростные показатели позволили несколько технологий. Во-первых, MIMO (Multiple Input Multiple Output), суть которой в оснащении устройств сразу несколькими передатчиками, работающими на одной частоте, и разделении потоков данных между ними. Во-вторых, разработчики задействовали технологию, позволяющую использовать не один, а два частотных канала шириной 20 MГц каждый. При необходимости они работают либо по отдельности, либо вместе, сливаясь в один широкий 40-мегагерцовый канал. Кроме того, в IEEE 802.11n применяется схема модуляции OFDM (ортогональное частотное мультиплексирование) – благодаря ей (если конкретно, то благодаря использованию 52 поднесущих, из которых 48 предназначаются непосредственно для передачи данных, а 4 – для пилотных сигналов) скорость передачи данных по одному пространственному потоку может достигать 65 Мбит/с. Всего таких потоков может быть от одного до четырёх в каждом из направлений.

Значительно улучшилась и ситуация с зонами покрытия и стабильностью приема. Помните известную пословицу "Одна голова - хорошо, а две - лучше"? Так вот, здесь действует тот же принцип: передатчиков теперь несколько, антенн тоже, а значит, и ловить сеть всё это хозяйство будет лучше – оказаться вне зоны точки доступа, расположенной на соседнем этаже, скорее всего уже не получится.

Ситуация в России

Осенью Научно-исследовательский институт радио (НИИР) подготовит нормы применения аппаратуры для эксплуатации в России беспроводного стандарта связи 802.11n. Сейчас поддерживающее его оборудование допустимо использовать только в интранет-сетях, а после принятия НПА его будет возможно использовать и в сетях общего пользования.

По мнению Дмитрия Ларюшина, директора по технической политике компании Intel в России, утверждение стандарта институтом IEEE безусловно сыграет положительную роль в разработке и внедрении регуляторных правил в Российской Федерации, что откроет дорогу для импорта и использования оборудования 802.11n в нашей стране. Стоит отметить, что протокол 11n в версии D2.0 поддерживается WiFi-продуктами компании Intel начиная с 2007 года, но, соблюдая принятые в России правила ввоза и использования радиоэлектронных средств, опцию 11n приходилось отключать. Начиная со следующего года, при условии положительного решения ГКРЧ и внедрении НПА на данную технологию, на российский рынок будут поставляться продукты Intel c поддержкой WiFi 11n в окончательной редакции стандарта.

Далеко не все производители оборудования придерживаются буквы закона: некоторые компании уже давно поставляют в Россию сетевое оборудование, поддерживающее стандарт 802.11n. Ничто не мешает производителям продавать на российском рынке ноутбуки, оборудованные WiFi-модулями с поддержкой 802.11n, которые выпущены "Интелом"