Технология Wi-Fi. Разработка программы расчета дальности распространения сигнала Wi-Fi

Как работает Wi-Fi

На заре развития радиотехники термин «беспроводный» (wireless) использовался для обозначения радиосвязи в широком смысле этого слова, т. е. буквально во всех случаях, когда передача информации осуществлялась без проводов. Позже это толкование практически вышло из обращения, и «беспроводный» стало употребляться как эквивалент термину «радио» (radio) или «радиочастота» (RF — radio frequency). Сейчас оба понятия считаются взаимозаменяемыми в том случае, если речь идет о диапазоне частот от 3 кГц до 300 ГГц. Тем не менее термин «радио» чаще используется для описания уже давно существующих технологий (радиовещание, спутниковая связь, радиолокация, радиотелефонная связь и т. д.). А термин «беспроводный» в наши дни принято относить к новым технологиям радиосвязи, таким, как микросотовая и сотовая телефония, пейджинг, абонентский доступ и т. п.

Различают три типа беспроводных сетей (рис. 1): WWAN (Wireless Wide Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WPAN (Wireless Personal Area Network).

При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA — Broadband Wireless Access) применяются сходные технологии. Ключевое различие между ними (рис. 2) — диапазон рабочих частот и характеристики радиоинтерфейса. Сети WLAN и WPAN работают в нелицензионных диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, т. е. при их развертывании не требуется частотного планирования и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне. Сети BWA (Broadband Wireless Access) используют как лицензионные, так и нелицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).

Беспроводные локальные сети WLAN.

Основные назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) — организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения — это организация общественных коммерческих точек доступа (hot spots) в людных местах — гостиницах, аэропортах, кафе, а также организация временных сетей на период проведения мероприятий (выставок, семинаров).

Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети известны также как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам термин Wi-Fi, в стандартах явным образом не прописан, бренд Wi-Fi получил в мире самое широкое распространение.

Технология Wi-Fi — беспроводной аналог стандарта Ethernet, на основе которого сегодня построена большая часть офисных компьютерных сетей. Он был зарегистрирован в 1999 году и стал настоящим открытием для менеджеров, торговых агентов, сотрудников складов, основным рабочим инструментом которых является ноутбук или иной мобильный компьютер.

Wi-Fi — сокращение от английского Wireless Fidelity, обозначающее стандарт беспроводной (радио) связи, который объединяет несколько протоколов и имеет официальное наименование IEEE 802.11 (от Institute of Electrical and Electronic Engineers — международной организации, занимающейся разработкой стандартов в области электронных технологий).

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity — беспроводная связь) — стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11 разработанный в 1997 г. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.

Строго говоря, фраза Wi-Fi, когда ее придумали, никак не расшифровывалась. Это гораздо позже придумали расшифровку ранее составленных букв: Wireless Fidelity, что в переводе с английского — беспроводная точность. Изначально же аббревиатура была придумана как что-то созвучное модному слову «ХАЙ ФАЙ». Стоит так же отметить, что есть и более длинное название термина: EEE 802.11b. Зародился Wi-Fi в 1985 году, в США, после того как была открыта частотная часть радиоканала для использования без специального разрешения.

Самым первым стандартом, получившим наибольшее распространение, стал стандарт IEEE 802.11b. Оборудование, соответствующее стандарту 802.11b, появилось ещё в 2001 году, и до сих пор большинство беспроводных сетей по-прежнему работает с использованием этого стандарта, а также выпускается множество беспроводных Wi-Fi устройств с поддержкой 802.11b.

Радиоволны, которые используются для Wi-Fi связи очень похожи на радиоволны используемые в рациях, приемниках, сотовых телефонах и других устройствах. Но Wi-Fi имеет несколько заметных отличий от других радиоприборов.

Связь ведется на частотах 2,4 — 5 Ггц. Эта частота намного выше, чем частоты, пригодные для мобильных телефонов, портативных радиостанций и телевидения. Чем выше частота сигнала, тем большее количество информации передается.

Они используют сетевые стандарты, такие как 802.11:

• 802.11 a работает с частотой в 5 Ггц и может иметь скорость до 54 Мбит в секунду. Он также использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM), более развитый алгоритм кодирования. Это значительно снижает искажения.
• 802.11 b является самым медленным и наименее дорогим стандартом. В свое время его стоимость сделали стандарт популярным, но теперь этот стандарт считается отсталым, так как быстрее стандарты становятся менее дорогими. 802.11b транслируется на частоте 2,4 ГГц. Он имеет возможность передавать до 11 мегабит. В алгоритме есть код для ускорения передачи данных.
• 802.11 g транслируется с той же частотой в 2,4 ГГц, как 802.11b, но в несколько раз быстрее — он может передать более 54 мегабит информации в секунду. 802.11g скоростной, так как он использует тот же OFDM алгоритм кодирования, как и 802.11a.
• 802.11 n является новейшим стандартом, который широко распространен. Этот стандарт существенно повышает скорость и дальность. Теоретически стандарт 802.11g передает 54 мегабит в секунду, хотя реально скоростью составляет около 24 мегабит в секунду из-за перегрузки сети. 802.11n может достичь скорости 140 мегабит в секунду. Этот стандарт в настоящее время в проекте.

Другие 802,11 стандарты созданы для конкретных беспроводных сетей, например для глобальных сетей (WAN) внутри транспортных средств.

В последнее время активно развивается еще одна группа стандартов для беспроводных сетей — 802.16 или Wi-MAX. Стандарты этой группы предназначены для построения сетей масштаба города. От стандартов 802.11 их отличает увеличенный радиус действия (2−6 км) и скорость передачи данных (от 1 до 134.4 Мбит/сек).

Выбор используемого стандарта и оборудования необходимо проводить с учетом действующего законодательства. Поскольку в разных странах требования к используемым частотам и мощности радиопередатчиков существенно различаются, производители оборудования выпускают различные версии одной и той же модели для разных регионов. В нашей стране нет радиочастот, открытых для свободного использования, поэтому для использования радиоканала необходимо получить соответствующее разрешение.

Принципы функционирования беспроводной связи Wi-Fi.

Беспроводная сеть использует радиоволны точно так же как радиоприемники, мобильные телефоны, телевизоры. На самом деле беспроводная связь Wi-Fi более похожа на двустороннюю радиосвязь. Вот что происходит:

Адаптер Wi-Fi преобразует поток данных в электрический радиосигнал и передает его через антенну.

Wi-Fi маршрутизатор получает радиосигнал и дешифрует его. Маршрутизатор Wi-fi отправляет данные с помощью физических, проводных соединений.

Фактически нам без проводов не обойтись. Но провода находятся только у провайдера. У нас же все красиво, и без лишних кабелей.

Это работает и в обратном направлении, маршрутизатор получает информацию из интернета и переводит его в радиосигнал, отправляя его потом беспроводным адаптером компьютера.

Wi-Fi радио может передаваться по любому из трех диапазонов рабочих частот. Или, они могут менять частоты на ходу. Смена частот помогает снизить помехи.

Для того чтобы работал Wi-Fi необходимо соответствующее оборудование для беспроводной связи, которое сейчас выпускают достаточное количество производителей. Все оборудование можно поделить на:

• § точку доступа;
• § беспроводной роутер.

И у первого и у второго устройства, по сути, одинаковая начинка — приемопередающий модуль. Отличаются они между собой лишь режимами работы. Основное отличие одинаковых беспроводных устройств, выпускаемых разными производителями, это их программное обеспечение.

Беспроводное соединение устанавливается между двумя точками доступа (в качестве второй точки может быть роутер). Каждая беспроводная точка может соединиться только с одной точкой. Беспроводной роутер — это умная точка доступа. Это устройство позволяет обмениваться данными трем и более беспроводным точкам.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Мбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения.

По сути, точка доступа является приёмо-передатчиком радиосигнала и, как у любого такого устройства, у нее есть определенный радиус действия. Обычный WiFi-роутер позволяет передавать сигнал на расстояние до 90 м в зоне прямой видимости. В помещении же все зависит от многих факторов: планировка, толщина и материал стен, наличие других излучателей радиосигнала и др. Но, как правило, мощности передатчика простой точки доступа вполне достаточно для «покрытия» небольшого офиса из трех-четырех кабинетов или квартиры, площадью 150 м². При необходимости зону покрытия можно увеличить, установив в местах слабого приема специальные точки доступа, работающие в режиме «повторителя». Они принимают сигнал от основной точки, усиливают, и передают дальше.

Типы и разновидности соединений Сети стандарта 802.11 могут строиться по любой из следующих топологий:

• § Независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs);
• § Базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs);
• § Расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs).

Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS).

IBSS представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. На рисунке 3 показано, как станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Специальная сеть, или независимая базовая зона обслуживания (IBSS), возникает, когда отдельные устройства-клиенты формируют самоподдерживающуюся сеть без использования отдельной точки доступа (AP — Access Point). При создании таких сетей не разрабатывают какие-либо карты места их развертывания и предварительные планы, поэтому они обычно невелики и имеют ограниченную протяженность, достаточную для передачи совместно используемых данных при возникновении такой необходимости.

Поскольку в IBSS отсутствует точка доступа, распределение времени (timing) осуществляется нецентрализованно. Клиент, начинающий передачу в IBSS, задает сигнальный (маячковый) интервал (beacon interval) для создания набора моментов времени передачи маячкового сигнала (set of target beacon transmission time, TBTT). Когда завершается ТВТТ, каждый клиент IBSS выполняет следующее:

Приостанавливает все несработавшие таймеры задержки (backoff timer) из предыдущего ТВТТ;

Определяет новую случайную задержку;

Базовые зоны обслуживания (BSS).

BSS — это группа работающих по стандарту 802.11 станций, связывающихся одна с другой. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точка доступа AP (Access Point). Точка доступа — это центральный пункт связи для всех станций BSS. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой. Вместо этого они связываются с точкой доступа, а уже она направляет кадры к станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключается к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet). Поэтому BSS иногда называют инфраструктурой BSS. На рисунке 4 представлена типичная инфраструктура BSS.

Расширенные зоны обслуживания (ESS).

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BBS с распределительной системой (Distribution System, DS). Несколько BBS, соединённых между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На рисунке 5 представлен пример практического воплощения ESS. Спецификация стандарта 802.11 оставляет возможность реализации этого канала в виде беспроводного. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной технологии Ethernet.

Инфраструктурное соединение Данная модель используется когда необходимо соединить больше двух компьютеров. Сервер с точкой доступа может выполнять роль роутера и самостоятельно распределять интернет-канал.

Точка доступа, с использованием роутера и модема Точка доступа включается в роутер, роутер — в модем (эти устройства могут быть объединены в два или даже в одно). Теперь на каждом компьютере в зоне действия Wi-Fi, в котором есть адаптер Wi-Fi, будет работать интернет.

Клиентская точка В этом режиме точка доступа работает как клиент и может соединятся с точкой доступа работающей в инфраструктурном режиме. Но к ней можно подключить только один МАС-адрес. Здесь задача состоит в том, чтобы объединить только два компьютера. Два Wi-Fi-адаптера могут работать друг с другом напрямую без центральных антенн.

Соединение мост Компьютеры объединены в проводную сеть. К каждой группе сетей подключены точки доступа, которые соединяются друг с другом по радио каналу. Этот режим предназначен для объединения двух и более проводных сетей. Подключение беспроводных клиентов к точке доступа, работающей в режиме моста невозможно.

Оборудование, предназначенное для работы в стандарте 802.11, в основном делится на два класса — это клиенты и точки доступа (Access Point). Роль клиентов могут играть настольные компьютеры, ноутбуки, КПК, телефоны, принтеры, игровые приставки и прочая портативная и стационарная бытовая техника, оборудованная Wi-Fi-модулем. Если в ПК или КПК изначально отсутствует поддержка беспроводных сетей, то в большинстве случаев это можно с легкостью восполнить приобретением соответствующего адаптера, который может быть реализован в форме практически любой платы расширения. Точки доступа обычно выполнены в виде отдельного внешнего устройства, подключаемого непосредственно к кабелю проводной сети Ethernet или к любому другому совместимому источнику широкополосного доступа в Интернет. Иногда точки доступа комбинируют с каким-либо другим устройством, например, весьма распространены ADSL-модемы, совмещенные с точкой доступа Wi-Fi. На точку доступа возлагается львиная часть работы по обслуживанию беспроводной сети: она должна не только поддерживать радиопередачу со всеми клиентами и связывать сеть с внешним миром, но и регулировать трафик, обрабатывать данные и совершать массу других операций. Также в некоторых случаях может потребоваться и дополнительное оборудование: например, при недостаточном уровне сигнала нужны антенны, а при необходимости соединения между собой двух сетей — мосты.

Оборудование Для построения беспроводной ЛВС необходимо оборудование следующих типов:

• § Точки доступа (Access Point, AP), используются для подключения пользователей к ЛВС по радиоканалу;
• § Беспроводные мосты (Wireless Brigde), используются для объединения двух и более ЛВС по радиоканалу;
• § Внешние антенны, используются для усиления радиосигнала и/или для изменения направления распространения сигнала;
• § Сетевые радио-карты для клиентов (Wireless Netcard), используются для подключения компьютера клиента к АР;
• § Контроллеры беспроводной сети (Wireless LAN Controllers), используются для централизованного управления всей беспроводной сетью предприятия.

Точки доступа подразделяются на автономные (Autonomous) и упрощенные (Lightweight).

Отличие упрощенных точек доступа заключается в необходимости использования контроллера беспроводной сети. В этом случае весь интеллект сосредотачивается в контроллере, а точка доступа выступает только в роли радиоприемника/передатчика. Контроллер обеспечивает:

• § Автоматическое получение точками доступа текущей конфигурации;
• § Автоматический выбор канала и мощности каждого передатчика для обеспечения оптимальной зоны покрытия и предотвращения помех, вызванных перекрытием зон покрытия передатчиков с одинаковым радиоканалом;
• § Централизованное применение политик безопасности и качества обслуживания (QoS);
• § Обеспечение роуминга мобильных пользователей.

Применять упрощенные точки доступа целесообразно в сетях с большим количеством точек доступа и зоной охвата сложной геометрической формы.

Автономные точки доступа обычно применяются в случаях, когда их число невелико, например для организации радиоканала между зданиями или для беспроводных сетей с небольшой зоной покрытия, для обеспечения которой достаточно 1−2 точек.

а б в г Рис. 6 Виды точек доступа: а, б — внутренние; в, г — внешние

В некоторых случаях устройства могу совмещать в себе функции AP и Wireless Bridge, например Cisco Aironet 1300, причем, при наличии двух радиопередатчиков, устройство может одновременно выполнять обе функции.

Для подключения к беспроводной сети Wi-Fi достаточно обладать ноутбуком или карманным персональным компьютером (КПК) с подключенным Wi-Fi адаптером.

Любой беспроводной Wi-Fi адаптер должен соответствовать нескольким требованиям:

• § необходима совместимость со стандартами;
• § работа в диапазоне частот 2,4 ГГц — 2,435 ГГц (или 5 ГГц);
• § поддерживать протоколы WEP и желательно WPA;
• § поддерживать два типа соединения «точка-точка», и «компьютер сервер»;
• § поддерживать функцию роуминга.

Существует три основных разновидности Wi-Fi адаптеров, различаемых по типу подключения:

• § Подключаемые к USB порту компьютера. Такие адаптеры компактны, их легко настраивать, а USB интерфейс обеспечивает функцию «горячего подключения»;
• § Подключаемые через PCMCIA слот (CardBus) компьютера. Такие устройства располагаются внутри компьютера (ноутбука) и поддерживают любые стандарты, позволяющие передавать информацию со скоростью до 108 Мбит/с;
• § Устройства, интегрированные непосредственно в материнскую плату компьютера. Самый перспективный вариант. Такие адаптеры устанавливаются на ноутбуки серии Intel Centrino. И, в настоящее время используются на подавляющем большинстве мобильных компьютеров. Все виды беспроводных адаптеров представлены на рисунке 7.

а б в Рис. 7 Беспроводные адаптеры: а — с USB портом, б — формата PCMCIA, в — встроенный в материнскую плату

Преимущества Wi-Fi.

• § 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. А устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.
• § Wi-Fi — это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Недостатки Wi-Fi.

• § 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 Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.
• § Высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.
• § Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, который проверяет пользователей сети через сервер и задействует 128-битные ключи шифрования и динамические ключи сессии для обеспечения защиты беспроводной сети, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены.
• § Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний маршрутизатор Wi-Fi стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи.
• § Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа.
• § Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.
• § Уменьшение производительности сети во время дождя.

Перегрузка оборудования при передаче небольших пакетов данных из-за присоединения большого количества служебной информации.

Малая пригодность для работы приложений, использующих медиа-потоки в реальном времени (например, протокол RTP, применяемый в IP-телефонии): качество медийного потока непредсказуемо из-за возможных высоких потерь при передаче данных, обусловленных целым рядом неконтролируемых пользователем факторов (атмосферные помехи, ландшафт и иное, в частности перечисленное выше).