Висновок (WI-FI)

Загальний опис

WiFi - це сучасна бездротова технологія з'єднання комп'ютерів в локальну мережу і підключення їх до Internet. Саме завдяки цій технології Internet стає мобільним і дає користувачеві свободу переміщення не лише в межах кімнати, але і по всьому світу. Абревіатура "Wi-Fi" (від англійського словосполучення "Wireless Fidelity", яку можна дослівно перекласти як "висока точність бездротової передачі даних") є назвою для стандарту бездротового (радіо) зв'язку передачі даних, який об'єднує декілька протоколів та ґрунтується на сімействі стандартів IEEE 802.11.

Стандарти IEEE 802.11.

IEEE 802.11 — набір стандартів для комунікації в бездротовій локальній мережевій зоні (WLAN) частотних діапазонів 2.4, 3.6 і 5 ГГц. 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 і логічної передачі даних LLC 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.

802.11b

Завдяки високій швидкості передачі даних (до 11 Мбіт/с), практично еквівалентна пропускній спроможності звичайних дротяних ЛС 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.

802.11g

Однією із важливих особливостей стандарту IEEE 802.11 є те, що всі безпровідні мережі на канальному рівні мають однакову архітектуру, а фізичний рівень для різних стандартів є різним. Саме на фізичному рівні визначаються можливості швидкості з'єднання, методів модуляції та кодування при передачі даних. Стандарт IEEE 802.11g передбачає різні швидкості для передачі даних: 1; 2; 5,5; 6; 9; 11; 12; 18; 22; 24; 33; 36; 48 и 54 Мбит/с. Один із стандартів є обовязковим (основним), а всі інші — допустимі, крім того для різних швидкостей застосовуються різні методи модуляції сигналу. Під час розробки стандарту 802.11g розглядались дві основних технології кодування: метод ортогонального частотного мультиплексування OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), який був запозичений із стандарту 802.11a, та метод двійкового пакетного згорткового кодування PBCC(Packet Binary Convolutional Coding). У результаті стандарт 802.11g містить: у якості базової застосовуються технології OFDM та CCK(Complementary Code Keying, додаткової кодової модуляції), а у якості допоміжної передбачено використання технології PBCC.

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.

Фізичний рівень

Якщо розглядати сигнал як функцію часу, то він може бути або аналоговим, або цифровим. Аналоговим називається сигнал, інтенсивність якого в часі змінюється поступово. Іншими словами, в сигналі не буває пауз або розривів. Цифровим називається сигнал, інтенсивність якого протягом деякого періоду підтримується на постійному рівні, а потім також змінюється на постійну величину (це визначення ідеалізовано)

Фундаментальним аналоговим сигналом є синусоїда. У загальному випадку такий сигнал можна визначити трьома параметрами:

• максимальною амплітудою А;
• частотою f;
• фазою φ.

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.

Модуля́ція (рос. модуляция, англ. modulation, нім. Modulation f) — змінювання в часі за заданим законом параметрів (характеристик) якогось з регуляторних фізичних процесів. Практичне значення має модуляція коливань — накладання низькочастотного інформаційного сигналу на високочастотний сигнал-носій для передачі на великі відстані.

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).

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 2 \cdot 2 = 4 станів. При використанні чотирирівневої модуляції (тобто чотирьох різних рівнів амплітуди, 4QAM) об'єднаний потік буде знаходитися в одному з 4 \cdot 4 = 16 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.

Канальний рівень

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).

Алгоритм CSMA/CA

Алгоритм CSMA/CA 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.

Режим централізованої координації

У режимі PCF (Point Coordination function) - один з вузлів мережі (точка доступу) є центральним і називається центром координації (Point Coordinator, PC). Центр координації управляє колективним доступом всіх інших вузлів мережі і до середовища передачі даних на основі певного алгоритму опитування або виходячи з пріоритетів вузлів мережі. PCF повністю виключає конкуруючий доступ до середовища і унеможливлює виникнення колізій. Для роботи в режимі PCF станції повинні підписатися на цю послугу при реєстрації в мережі.

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.

FC – Керування кадром.

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.

Принцип роботи

Зазвичай схема Wi-Fi мережі містить не менш однієї точки доступу та може легко масштабуватись. Також можливо підключення двох клієнтів в режимі точка-точка (Ad-hoc), коли точка доступу не використовується, а клієнти з'єднуються за участю мережевих адаптерів «напряму». Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) з допомогою спеціальних сигнальних пакетів на швидкості 0,1 Мбіт/с кожні 100 мс. Тому 0,1 Мбіт/с — найменша швидкість передачі даних для Wi-Fi. Знаючи SSID мережі, клієнт може вияснити, чи можливо підключення до даної точки доступу. При потраплянні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на основі даних про рівень сигналу. Стандарт Wi-Fi дає клієнту повну свободу при виборі критеріїв для з'єднання. Однак, стандарт не описує всі аспекти побудови безпровідних локальних мереж Wi-Fi. Тому кожен виробник устаткування вирішує цю задачу по-своєму, застосовуючи ті підходи, які він вважає за якнайкращі з тієї або іншої точки зору. Тому виникає необхідність класифікації способів побудови безпровідних локальних мереж.

За способом об'єднання точок доступу в єдину систему можна виділити:

• Автономні точки доступу (називаються також самостійні, децентралізовані, розумні)
• Точки доступу, що працюють під управлінням контролера (називаються також «легковагі», централізовані)
• Безконтролерні, але не автономні (керовані без контролера)

За способом організації і управління радіоканалами можна виділити безпровідні локальні мережі:

• Із статичними налаштуваннями радіоканалів
• З динамічними (адаптивними) налаштуваннями радіоканалів
• З «шаруватою» або багатошаровою структурою радіоканалів

Перейти до Технологія WI-FI