wireless basics

Сегодня 1е января 2012 года. До конца 2011 планировал закончить писать о звездочке, в результате ничего не успел. Ну что же буду совмещать, начинаю глубже копать беспроводную связь.
Вообще год закончился ужасно. Вспомним Булгакова:
«Электричество, которое в прежнее время гасло 2 раза за 20 лет, в нынешнее время аккурат гаснет 2 раза в день.»
Спасибо ребятам энергетикам за такие подарки под елочку мне, вывалить один из винтов в рейде, каждый день тренировать UPS. Я понимаю, что проще бабло распилить и не вкладывать их в инфраструктуру, но до коле…???
Надеюсь этот год будет лучше предыдущего:)
UPD(03.01.12): Опять вырубали электричество, меняли провода, надеюсь все наладилось:))))
Отбросим всю эту прелюдию и вернемся к основам беспроводных сетей.

Dura lex sed lex — «суров закон, но это закон!»
На Украине использование Wi-Fi без разрешения УДЦР (Український державний центр радіочастот) возможно лишь в случае использования точки доступа с стандартной всенаправленной антенной (<6 Дб, мощность сигнала ≤ 100 мВт на 2.4 ГГц и 200мВт 5ГГц) для внутренних потребностей организации (Решение Национальной комиссии по регулированию связи Украине № 914 от 2007.09.06) В случае большей мощности либо предоставления услуг доступа в Интернет к каким-либо ресурсам необходимо регистрировать передатчик получить лиценцию УДЦР. Виды беспроводных сетей: WPAN(wireless personal-area network) Характеризуется: - Короткие расстояния 5-10м - 8 активных устройств - не требует лицензирования 2,4ГГц - называется пикосеть(piconet) Ярким представителем WPAN является Bluetooth(IEEE 802.15) Bluetooth использует Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) WLAN - 2.4-ГГц 5-ГГц частоты - бОльший радиус действия(до 300м) точки до клиента - Используется более мощный антены - персональная технологи, ожидается, что точкой будут пользоваться много клиентов - очень гибкая технология, поддерживается устройств WMAN (wireless metropolitan-area Имеет большой охвата Характеристики: - При увеличении скорость падает - Достаточно высокие скорости доступа - как бекбон, точка-точка, точка-многоточка - основном известна WiMax(802.16b) WWAN (Awireless wide-area Охватывает большие площади Характеристики: - Низкая оплата за использование - высокая стоимость внедрения Примеры: Global System for Mobile Communication (GSM) Code Division Multiple Access (CDMA). Wi-fi топологии Ad-hoc Децентрализованные беспроводные сети, имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются "на лету", образуя собой сеть. Для передачи одном компьютере устанавливается название группы параметры Basic Service Set (BSS), а другие их используют. BSS также можно причислить режиму инфраструктуры. Когда же маршрутизатор отсутствует двум устройствам нужен роутер общения то это Independent (IBSS).

Infrastructure mode(режим инфраструктуры)

В этом режиме у нас есть некое устройство(точка доступа, AP), которое позволяет нам связываться с другими устройствами-клиентами(station, STA) втч через Ethernet(если есть порт)
У стандартного Ethernet кадра есть мак источника и мак отправителя. у wi-fi кадра есть 3-4 мака: отправителя, получателя, мак точки доступа, NEXT_HOP адрес если вы используете workgroup bridge (WGB)
Зону которую покрывает точка доступа называют — Basic Service Area (BSA).
distribution system — основная сеть в которой расположены рабочие станции, сервера, шлюзы, грубо говоря проводная сеть
Когда к distribution system подключено более 1 точки доступа, то зона охвата называется — Extended Service Area (ESA).

Зачем устанавливать более одной АР:

— Для улучшения покрытия больших территорий
— Пользователи смогут перемещаться из зоны покрытия одной точки в зону покрытия другой и попрежнему оставаться в одной сети
— при увеличении к-ва АР мы увеличиваем пропускную способность на пользователя
Процесс перехода пользователя из зоны действия одной АР в зону действия другой называется — roaming (Роуминг). Для успешной реализации роуминга зоны покрытия точек должны пересекаться, иметь одинаковый SSID и находиться на разных каналах.

В точке доступа, сеть ассоциируется с МАС адресами. Эта сеть или рабочая группа, к которой подключаются ваши клиенты, называется Service Set Identifier (SSID). Другими словами в Точке доступа SSID = сетевое имя + МАС.
Когда точка обслуживает только одну сеть, то это называется Basic Service Set Identifier (BSSID).
Когда точка обслуживает много сетей, то это называется Multiple Basic Service Set Identifier (MBSSID).
Если нет возможности проложить кабель, а соединить два проводных участка сети ой как надо, то используют беспроводные мосты(WGB).
Если нам нужно расширить зону покрытия беспроводной сети, но нет возможности подвести кабель ко всем точкам, то используют режим репитера. Одна точка выбирается головной, а остальные к ней подключаются, для нормальной работы необходимо перекрытие зоны основной точки и зоны репитера на уровне 50%. Следует заметить, что в режиме репитера теряется 50% пропускной способности, на каждом повторении.

Для построения отказоустойчивой беспроводной сети используют Mesh Networks(802.11s) — это аналог STP в проводных сетях.
Для работы таких сетей нужен специальный контроллер сети. точки могут быть объединены как с помощью проводов так и по беспроводу(в режиме репитера).

Wi-Fi Alliance осуществляет аттестацию оборудования на совместимость с оборудованием других производителей

Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) измеряется в (dBm) = Transmitter Power (dBm) + Maximum Gain (dBi) — потери в кабеле(который соединяет антенну и передатчик)
На основании этих параметров можно определить приблизительную зону охвата нашей точки доступа
В Америке за это дело отвечает FCC максимум 36(dbm) TP max 30(dbm) + MG 6(dbi)
В Европе ETSI в Европе максимум 20 (dBm)
С законами у меня сложно, поэтому этот пункт был написан скорее для дальнейшего дополнения:(

Перевод милиВатт в dBm
dBm = (10Lg(mW))

Перевод dBm в милиВатт
mW = 10^(dBm/10)

Почему CSMA/CA
По сути, точка доступа это как хаб, а у хабов у нас бывают коллизии(когда многие одновременно хотят передать данные). Но в проводных сетях у нас есть jam сигнал который сообщает всем компам, что у нас коллизия и пора врубить таймер и подождать! в беспроводной сети, точка не может себе такого позволить. Если у нас точка без MIMO тогда нам бы пришлось приделать ей вторую антенну которой бы она ловила эти jam сигналы. у точек с MIMO уже есть много антен, но незадача она передает несколькими антеннами, в результате мы бы просто не услышали бы jam сигнал. Поэтому в беспроводных сетях сначала слушаем потом передаем!
Если канал пустой, устройство посылает сигнал сообщая другим, что оно собирается передавать данные и что они не должны отправить. Затем передающий снова слушает среду перед отправкой. Также можно использовать механизм RTS(request to send -запрос на передачу) CTS(clear to send очистки для отправки). Отправитель использует RTS пакет, а точка доступа CTS. Это говорит другим устройствам пока попридержать коней и не передавать.

Вообще идея передачи по радио: отправить столько данных, насколько это возможно и как можно быстрее.
Во время своей работы точки доступа используя dynamic rate shifting (DRS). могут понижать/повышать скорость передачи данных, в зависимости от параметров среды(уровень сигнала/зашумленность итд)

Рассмотрим диапазоны работы Wi-Fi:
Первый диапазон 2.4000 — 2.4835 GHz.

802.11b Ширина каждого канала 22 МГц. DSSS модуляция.
802.11g/n Ширина каждого канала 20МГц. 16,25 используется для под-несущих. OFDM модуляция.
802.11n Ширина канала 40МГц. 33,75 используется для под-несущих. OFDM модуляция.
Вставлю сюда картиночку из википедии:

В США используется только 11 каналов, не пересекающиеся: 1,6,11
В Японии 14 каналов(причем смещение 14 отличается от первых 13)
У нас используется 13 каналов, не пересекающиеся: 1, 5, 9, 13

1* 2412 (не пересекающийся в США)
2 2417
3 2422
4 2427
5* 2432
6 2437 (Не пересекающийся в США)
7 2442
8 2447
9* 2452
10 2457
11 2462 (Не пересекающийся в США)
12 2467
13* 2472
14 2484 (только в Японии)

Второй диапазон 3.6 ГГц (в США, оборудование не видел у нас не применимо)

Третий диапазон 5ГГц (802.11a, 802.11n)
На частотах в 5,0 ГГц доступно 23 непересекающихся каналов, ширина каналов 20МГц. Какие частоты разрешены в Украине сказать не могу, у кого есть информацию прошу в комменты!

Теперь перейдем к вопросу модуляции
Модуляция процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.
Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

Форма сигнала состоит из трех частей:
Амплитуды: Сила сигнала
Фазы: время между пиками сигнала(разница между двумя волнами одной частоты)
Частоты: шаг сигнала(как часто мы видим нашу синусоиду)

Длина волны расстояние между соседними гребнями волн.(Period на рисунке).
Для того чтобы понимать, как эта длинна считается следует запомнить или записать формулу
c=f*lambda ,
с=3*10^8 (м/с) — скорость света в вакууме(константа-не изменяется никогда)
f — частота нашего сигнала (Гц) 1 Гц = 1/с
lambda — длинна волны (м)

Есть несколько простых правил, которые могут быть полезны при построении беспроводных сетей:

— чем больше длина волны, тем дальше она идет;
— чем больше длина волны, тем лучше проходит через препятствия;
— чем короче длина волны, тем больше она несет данных.

Чтобы наглядно увидеть все эти параметры советую посетить
Сайт

На распространение волны(ухудшение сигнала) влияет много факторов:
Абсорбция(поглощение) сигнала — результатом поглощения волны каким либо предметом является его нагревание, это не влияет ни на частоту, ни на длину волны. Сильно абсорбирует металл и вода(пар, вода, туман, листья деревьев)
Отражение сигнала — так же влияет на зону покрытия, волна падающая на обьект отражается под тем же углом, обьекты отражающие волны определенной частоты, могут не отражать волны другой частоты.
Получение отраженного сигнала — когда часть сигнала приходит с опозданием, что вызвано отражением, в результате чего точка получает 2 одинаковых сигнала, один прямой, другой отраженный, этот эффект зависит от длинны волны и расположения получателя. Также отраженный сигнал может прийти в противофазе и в результате наложения прямого и отраженного сигнала мы получим нулевой сигнал.
Рассеивание наблюдается когда проходя преграды наша волна рассеивается на много волн направленных в разные стороны. Аналогия со световым лучом падающим на битое стекло. Рассеяния имеет бОльшее влияния на коротких волнах, и эффект зависит от частоты.
Преломление волны происходит при прохождении волны через обьект с различной плотностью (переход воздух/вода). от преломления в основном страдает внешний сигнал.
Микроволновка вещает на 2500 МГц и теоретически может забивать 13 и 14 каналы. Зеркала ухудшают качество сигнала.

!!! ВАЖНО
Декодирование — представление радиочастотного сигнала в последовательность 0 и 1.
Модуляция — характеристики радоичастотного сигнала которые мы изменяем.

Беспроводные сети используют несколько типов модуляции:
DSSS (802.11b ) для декодирования данных в DSSS(расширение спектра), используется chip-последовательность. chip и бит это одно и тоже, но бит представляет из себя передаваемые данные, а chip используется для декодирования несущей. Иными словами, в DSSS данные сигнала встраивают в заранее определенную последова­тельность битов ( chipping code ). О них мы сейчас и поговорим!

Chipping codes(помехоустойчивое кодирование)
1 = 00110011011
Скорости передачи 1 и 2 Мбит/с используется Barker Code. Каждый бит данных кодируется 11битным кодом Баркера а потом модулируется с помощью DSSS.
Скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с Комплементарные CCK-последовательности. существует 64 уникальных кодовых слова. Одним кодовым словом мы можем задать до 4-8 бит.
Виды модуляций:
1.амплитудная вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда Например +5В это 1, -5В это 0

2. фазовая один из видов модуляции колебаний, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом.

3. Фа́зовая манипуля́ция(PSK) один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения.
В 802.11 используется binary phase-shift keying (BPSK) и quadrature phase-shift keying (QPSK).
При кодировании 180-градусный сдвиг фазы — 1 и 0 градусов фазового сдвига — 0. это бинарный PSK.

QPSK может кодировать 2 за символ.
2-Mbps Баркер кодирование
5,5-Mbps CCK-16 кодирование.
11-Mbps CCK-128 кодирование.

OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Позволяет увеличить скорость передачи данных, а также улучшить помехоустойчивость. OFDM определяет каналы в зависимости от частоты. Эти каналы потом разбиваются на большое количество поднесущих с маленькой скоростью передачи. Ширина канала 20МГц, в нем помещается до 52 поднесущих с шириной -300КГц. Высокая скорость передачи достигается с помощью одновременной передачи на всех поднесущих!

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)
Стандарт требует наличия минимум двух приемных и двух передающих антенн; и как минимум 2 радиопередатчика. Каждый радиопередатчик может пересылать отдельный поток данных используя свою антенну чтобы формировать и управлять лучом.

Это позволяет использовать один и тот же спектр для: удвоения пропускной способности «сырых» данных благодаря наличию двух радиопередатчиков. Преимущество от наличия второй антенны заключается в том что больше энергии фокусируется, и вырабатывается более сильный сигнал который может быть принят на значительно большей дальности; большая чувствительность при приеме сигналов означает что устройство может «слышать» излучение поступающее издалека.

Следует отметить что диаграмма направленности будет не сферической(как в случае без MIMO)

На этом думаю все и под настроение, пилотная серия Футурамы:


Комментарии: