Беспроводной режим 802.11. Стандарты Wi-Fi и их отличия друг от друга. Безопасность для здоровья

Протокол беспроводной связи Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная точность) был разработан еще в 1996 году. Изначально он предназначался для построения локальных сетей, но наибольшую популярность приобрел, как эффективный метод соединения с интернетом смартфонов и других портативных устройств.

За 20 лет одноименный альянс разработал несколько поколений соединения, внедряя с каждым годом более скоростные и функциональные его обновления. Они описываются стандартами 802.11, издаваемыми IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники). В группу входит несколько версий протокола, отличающихся скоростью передачи данных и поддержкой дополнительных функций.

Самый первый стандарт Wi-Fi не имел буквенного обозначения. Поддерживающие его устройства обмениваются данными на частоте 2,4 ГГц. Скорость передачи информации составляла всего 1 Мбит/с. Также существовали девайсы с поддержкой скорости до 2 Мбит/с. Он активно использовался всего 3 года, после чего был усовершенствован. Каждый последующий стандарт Wi-Fi обозначается буквой после общего номера (802.11a/b/g/n и т.д.).

Одно из первых обновлений стандарта Wi-Fi, вышедшее в 1999 году. Благодаря удвоению частоты (до 5 ГГц) инженерам удалось добиться теоретических скоростей до 54 Мбит/с. Широкого распространения он не получил, так как сам по себе несовместим с другими версиями. Устройства, поддерживающие его, для работы в сетях на 2,4 ГГц должны иметь двойной приемопередатчик. Смартфоны с Wi-Fi 802.11a распространены слабо.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11b

Второе раннее обновление интерфейса, вышедшее параллельно с версией a. Частота осталась прежней (2,4 ГГц), но скорость увеличили до 5,5 или 11 Мбит/с (в зависимости от устройства). До конца первого десятилетия 2000-х годов это был наиболее распространенный стандарт для беспроводных сетей. Совместимость с более старой версией, а также достаточно большой радиус покрытия, обеспечили ему популярность. Несмотря на вытеснение новыми версиями, 802.11b поддерживается практически всеми современными смартфонами.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11g

Новое поколение протокола Wi-Fi было представлено в 2003 году. Разработчики оставили частоты передачи данных прежними, благодаря чему стандарт оказался полностью совместимым с предшествующим (старые устройства работали со скоростью до 11 Мбит/с). Скорость передачи информации возросла до 54 Мбит/с, что было достаточно вплоть до недавнего времени. Все современные смартфоны работают с 802.11g.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11n

В 2009 году вышло масштабное обновление стандарта Wi-Fi. Новая версия интерфейса получила существенное увеличение скорости (до 600 Мбит/с), сохранив совместимость с предшествующими. Для возможности работы с оборудованием 802.11a, а также борьбы с перегруженностью диапазона 2,4 ГГц, была возвращена поддержка частот 5 ГГц (параллельно 2,4 ГГц).

Были расширены возможности конфигурирования сети и увеличено количество поддерживаемых одновременно соединений. Появились возможность связи в многопоточном режиме MIMO (параллельная передача нескольких потоков данных на одной частоте) и объединение двух каналов для связи с одним устройством. Первые смартфоны с поддержкой этого протокола вышли в 2010 году.

Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac

В 2014 году был утвержден новый стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac. Он стал логичным продолжением 802.11n, предоставляющим десятикратный рост скорости. Благодаря возможности объединения до 8 каналов (по 20 МГц каждый) одновременно – теоретический потолок увеличился до 6,93 Гбит/с. что в 24 раза быстрее, чем 802.11n.

От частоты 2,4 ГГц было решено отказаться, в силу загруженности диапазона и невозможности объединения более 2 каналов. Стандарт Wi-Fi IEEE 802.11ac работает в диапазоне 5 ГГц и обратно совместим с устройствами 802.11n (с частотой 2,4 ГГц), но работа с более ранними версиями не гарантируется. Сегодня еще не все смартфоны поддерживают его (к примеру, поддержки нет у многих бюджетников на MediaTek).

Другие стандарты

Существуют версии IEEE 802.11, маркированные другими буквами. Но они или вносят небольшие поправки и дополнения к перечисленным выше стандартам, или добавляют специфические функции (вроде возможности взаимодействия с другими радиосетями или безопасность). Выделить стоит 802.11y, использующий нестандартную частоту 3,6 ГГц, а также 802.11ad, рассчитанный на диапазон 60 ГГц. Первый создан для обеспечения дальности связи до 5 км, за счет использования чистого диапазона. Второй (он также известен как WiGig) – предназначен для обеспечения максимальной (до 7 Гбит/с) скорости связи на сверхмалых расстояниях (в пределах комнаты).

Какой стандарт Wi-Fi для смартфона лучше

Все современные смартфоны оборудованы модулем Wi-Fi, рассчитанным на работу с несколькими версиями 802.11. Как правило, поддерживаются все взаимно совместимые стандарты: b, g и n. Однако работа с последним нередко может быть реализована только на частоте 2,4 ГГц. Устройства, которые способны работать в сетях 802.11n 5 ГГц, также отличаются поддержкой 802.11a, как обратно совместимого.

Рост частоты способствует увеличению скорости обмена данными. Но, вместе с тем, уменьшается длина волны, ей сложнее проходить сквозь препятствия. Из-за этого теоретическая дальность связи 2,4 ГГц будет выше, чем у 5 ГГц. Однако на практике ситуация обстоит немного иначе.

Частота 2,4 ГГц оказалась свободной, поэтому бытовая электроника использует именно ее. Помимо Wi-Fi, в этом диапазоне работают Bluetooth-устройства, приемопередатчики беспроводных клавиатур и мышек, в нем же излучают магнетроны СВЧ-печей. Поэтому в местах, где функционирует несколько сетей Wi-Fi, количество помех нивелирует преимущество в дальности. Сигнал будет ловиться и за сотню метров, но скорость окажется минимальной, а потери пакетов данных – большими.

Диапазон 5 ГГц более широк (от 5170 до 5905 МГц), меньше загружен. Поэтому волны хуже преодолевают препятствия (стена, мебель, тело человека), зато в условиях прямой видимости обеспечивают более устойчивую связь. Неспособность эффективно преодолевать стены оборачивается преимуществом: вы не сможете поймать соседский Wi-Fi, зато и вашему роутеру или смартфону он мешать не будет.

Однако, следует помнить, что для достижения максимальной скорости – необходим и роутер, работающий с таким же стандартом. В остальных случаях получить больше 150 Мбит/с все равно не выйдет.

Многое зависит от роутера и его типа антенны. Антенны адаптивного типа разработаны так, что они определяют местонахождение смартфона и подают на него направленный сигнал, достающий дальше, чем у других типов антенн.

Также вам понравятся:

Возможности настройки смартфона через инженерное меню

Если вы ищите самый быстрый WiFi, вам нужен 802.11ac, здесь все просто. По сути, 802.11ас - ускоренная версия 802.11n (текущий стандарт WiFi, который используется на вашем смартфоне или ноутбуке), предлагающий ускорение ссылок от 433 мегабит в секунду (Мбит/с), и до нескольких гигабит в секунду. Чтобы достичь скорости, которая в десятки раз выше 802.11n, 802.11ac работает исключительно в диапазоне 5ГГц, использует огромную пропускную способность (80-160МГц), работает с 1-8 пространственными потоками (MIMO), и использует своеобразную технологию, называемую "beamforming" (формирование луча). Дополнительные сведения о том, что такое 802.11ac, и как оно со временем заменит проводной гигабитную Ethernet домашнюю и рабочую сеть, мы поговорим дальше.

Как работает 802.11ac.

Несколько лет назад, 802.11n представил некоторую интересную технологию, которая значительно увеличила скорость, по сравнению с 802.11b и g. 802.11ac работает практически так же, как и 802.11n. Например, в то время, как стандарт 802.11n поддерживал до 4 пространственных потоков, и ширину канала до 40МГц, 802.11aс может использовать 8 каналов, и ширину до 80МГц, а их комбинирование может вообще выдать 160МГц. Даже если все остальное останется по-прежнему (а оно не останется), это означает, что 802.11ac оперирует 8х160МГц пространственных потоков, по сравнению с 4х40МГц. Огромная разница, которая позволит выжимать огромные объемы информации из радиоволн.

Чтобы повысить пропускную способность еще больше, 802.11ac также представил модуляцию 256-QAM (по сравнению с 64-QAM в 802.11n), которая буквально сжимает 256 разных сигналов одной частоты, смещая и переплетая каждый из них в иную фазу. Теоретически, это увеличивает спектральную эффективность 802.11ac в 4 раза, по сравнению с 802.11n. Спектральная эффективность - это мера того, как хорошо беспроводной протокол или метод мультиплексирования использует пропускную способность, доступную для него. В диапазоне 5ГГц, в котором каналы достаточно широкие (20МГц+), спектральная эффективность не так важна. В сотовых диапазонах, тем не менее, каналы чаще всего и есть 5МГц шириной, что делает спектральную эффективность крайне важной.

802.11ac также вводит стандартизированное формирование луча (у 802.11n оно было, но не было стандартизировано, что делало интероперабельность проблемой). Формирование луча, по существу, передает радиосигналы таким образом, что они направлены на конкретное устройство. Это может повысить общую пропускную способность, и сделать его более последовательным, а также снизить энергопотребление. Сформировать луч можно при помощи смарт-антенны, которая физически двигается в поиске устройства, или путем модуляции амплитуды и фазы сигналов, так что они деструктивно интерферируют друг с другом, оставляя узкий, не интерферирующий луч. 802.11n использует второй метод, который может быть применен и роутерами и мобильными устройствами. Наконец, 802.11ac, как и предыдущие версии 802.11, полностью обратно совместим с 802.11n и 802.11g, так что вы можете сегодня купить роутер 802.11ac, и он будет отлично работать с вашими устройствами с более старыми WiFi устройствами.

Диапазон 802.11ac

Теоретически, при частоте 5МГц, и использовании сформированного луча, 802.11ac должен обладать таким же, как у 802.11n, или еще лучшим диапазоном (бел лучеобразования). Диапазон 5МГц, благодаря меньшей проникающей способности, обладает не таким диапазоном, как 2.4ГГц (802.11b/g). Но это компромисс, на который мы вынуждены пойти: нам просто не хватит спектральной пропускной способности в массивно используемом диапазоне 2.4ГГц, чтобы допустить максимальную скорость 802.11ac, достигающую гигабитного уровня. Пока ваш роутер находится в идеальном расположении, или у вас их несколько, не стоит переживать. Как всегда, более важным фактором является передача мощности ваших устройств, и качество антенны.

Насколько быстр 802.11ac?

И наконец, вопрос, ответ на который хотят знать все: насколько быстр стандарт WiFi 802.11ac? Как обычно, есть два ответа: теоретически достижимая в лаборатории скорость, и практический предел скорости, которым вы, скорее всего, будете довольствоваться в домашних условиях реального мира, окруженные кучей подавляющих сигнал препятствий.

Теоретическая максимальная скорость 802.11ac - 8 каналов 160МГц 256-QAM, каждый из которых способен на 866.7Мбит/с, что дает нам 6.933Мб/с, или скромные 7Гбит/с. Скорость передачи 900 мегабайт в секунду - это быстрей, чем передача на SATA 3 диск. В реальном мире, благодаря засоренности канала, вы, скорее всего, не получите больше 2-3 160МГц каналов, потому максимальная скорость остановится где-то на 1.7-2.5Гбит/с. По сравнению с теоретической максимальной скоростью 802.11n в 600Мб/с.

Apple Airport Extreme на 802.11ac, разобранный самым производительным роутером iFixit сегодняшнего дня (апрель 2015), включает D-Link AC3200 Ultra Wi-Fi Router (DIR-890L/R), Linksys Smart Wi-Fi Router AC 1900 (WRT1900AC), и Trendnet AC1750 Dual-Band Wireless Router (TEW-812DRU), как сообщает сайт PCMag. C этими роутерами, вам определенно стоит ожидать впечатляющих скоростей от 802.11ac, но пока что не откусывайте свой Gigabit Ethernet кабель.

В тесте Anandtech 2013 года, они испытывали роутер WD MyNet AC1300 802.11ac (до трех потоков) в паре с рядом устройств на 802.11ac, которые поддерживали 1-2 потока. Самая быстрая скорость передачи была достигнута ноутбуком Intel 7260 с беспроводным адаптером 802.11ac, который использовал два потока для получения 364Мб/с на расстоянии всего 1.5м. На 6м и через стену, тот же ноутбук был самым быстрым, но максимальная скорость составила 140Мб/с. Зафиксированный предел скорости для Intel 7260 составил 867Мб/с (2 потока по 433Мб/с).

В ситуации, когда вам не нужна максимальная производительность и надежность проводной GigE, 802.11ac поистине привлекателен. Вместо того, чтобы загромождать свою гостиную Ethernet кабелем, проведенным к домашнему кинотеатру из ПК под телевизором, более разумно использовать 802.11ac, который обладает достаточной пропускной способностью, чтобы беспроводным сигналом высочайшей четкости передать контент вашему HTPC. Для всех, кроме особо требовательных случаев, 802.11ac является очень достойной заменой Ethernet.

Будущее 802.11ac

Стандарт 802.11ac будет становиться еще быстрее. Как мы упоминали ранее, теоретическая максимальная скорость 802.11ac составляет скромные 7Гбит/с, и пока мы не добьемся этого в реальном мире, не стоит удивляться отметке в 2Гбит/с в ближайшие несколько лет. При 2Гбит/с, вы получите скорость передачи 256Мб/с, и внезапно Ethernet будут использоваться все меньше и меньше, пока не исчезнут. Чтобы достичь таких скоростей, производители чипсетов и устройств должны будут выяснить, как реализовать четыре или больше каналов для 802.11ac, учитывая как программное обеспечение, так и аппаратное.

Мы представляем, как Broadcom, Qualcomm, MediaTek, Marvell и Intel уже делают уверенные шаги в обеспечении 4-8 каналов для 802.11ac, ради интеграции самых последних роутеров, точек доступа, и мобильных устройств. Но пока спецификация 802.11ac не будет завершена, вторая волна чипсетов и устройств вряд ли появится. Производителям устройств и чипсетов нужно будет сделать много работы, чтобы убедиться в том, что продвинутые технологии вроде лучеобразования, соответствуют требованиям стандарта, и являются полностью совместимыми с другими устройствами стандарта 802.11ac.

Существует несколько разновидностей WLAN-сетей, которые различаются схемой организации сигнала, скоростями передачи данных, радиусом охвата сети, а также характеристиками радиопередатчиков и приемных устройств. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac и другие.

Первыми в 1999 г. были утверждены спецификации 802.11a и 802.11b, тем не менее наибольшее распространение получили устройства, выполненные по стандарту 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11b

Стандарт 802.11b основан на методе широкополосной модуляции с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Весь рабочий диапазон делится на 14 каналов, разнесенных на 25 МГц для исключения взаимных помех. Данные передаются по одному из этих каналов без переключения на другие. Возможно одновременное использование всего 3 каналов. Скорость передачи данных может автоматически меняться в зависимости от уровня помех и расстояния между передатчиком и приемником.

Стандарт IEEE 802.11b реализует максимальную теоретическую скорость передачи 11 Мбит/с, что сравнимо с кабельной сетью 10 BaseT Ethernet. Следует учитывать, что такая скорость возможна при передаче данных одним WLAN-устройством. Если в среде одновременно функционирует большее число абонентских станций, то полоса пропускания распределяется между всеми и скорость передачи данных на одного пользователя падает.

Стандарт Wi-Fi 802.11a

Стандарт 802.11a был принят в 1999 году, тем не менее нашел свое применение только с 2001 года. Данный стандарт используется, в основном, в США и Японии. В России и в Европе он не получил широкого распространения.

В стандарте 802.11a применяется схема модуляции сигнала - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Основной поток данных разделяется на несколько параллельных субпотоков с относительно низкой скоростью передачи, и затем для их модуляции применяется соответствующее число несущих. Стандартом определены три обязательные скорости передачи данных (6, 12 и 24 Мбит/с) и пять дополнительных (9, 18, 24, 48 и 54 Мбит/с). Также имеется возможность одновременного использования двух каналов, что повышает скорость передачи данных в 2 раза.

Стандарт Wi-Fi 802.11g

Стандарт 802.11g окончательно был утверждён в июне 2003г. Он является дальнейшим усовершенствованием спецификации IEEE 802.11b и реализует передачу данных в том же частотном диапазоне. Главным преимуществом этого стандарта является повышенная пропускная способность - скорость передачи данных в радиоканале достигает 54 Мбит/с по сравнению с 11 Мбит/с у 802.11b. Как и IEEE 802.11b, новая спецификация функционирует в диапазоне 2,4 ГГц, однако для повышения скорости используется та же схема модуляции сигнала, что и в 802.11a - ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

Стандарт 802.11g совместим с 802.11b. Так адаптеры 802.11b могут работать в сетях 802.11g (но при этом не быстрее 11 Мбит/с), а адаптеры 802.11g могут снижать скорость передачи данных до 11 Мбит/с для работы в старых сетях 802.11b.

Стандарт Wi-Fi 802.11n

Стандарт 802.11 n был ратифицирован 11 сентября 2009. Он увеличивает скорость передачи данных практически в 4 раза по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Максимальная теоретическая скорость передачи данных составляет 600 Мбит/с, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне – до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n функционируют в частотных диапазонах 2,4 – 2,5 или 5,0 ГГц.

В основе стандарта IEEE 802.11n лежит технология OFDM-MIMO. Большинство функционала позаимствовано из стандарта 802.11a, тем не менее в стандарте IEEE 802.11n имеется возможность применения как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. Таким образом, устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут функционировать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается за счет: удвоения ширины канала с 20 до 40 МГц, а также вследствие реализации технологии MIMO.

Стандарт Wi-Fi 802.11ac

Стандарт 802.11ас представляет собой дальнейшее развитие технологий, введенных в стандарт 802.11n. В спецификациях устройства стандарта 802.11ас отнесены к классу VHT (Very High Throughput) – с очень высокой пропускной способностью. Сети стандарта 802.11ас работают исключительно в диапазоне 5 ГГц. Полоса радиоканала может составлять 20, 40, 80 и 160 МГц. Возможно также объединение двух радиоканалов 80 + 80 МГц.

Сравнение 802.11n и 802.11ac

802.11 n	802.11ас
Полоса пропускания 20 и 40 МГц	Добавлена ширина канала 80 и 160 МГц
Диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц	Только 5 ГГц
Поддерживает модуляции 2-ФМ, 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ	К модуляциям 2-ФМ, 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ добавлена 256-КАМ
Однопользовательская передача MIMO	Многопользовательская передача MIMO
Агрегация МАС-фреймов: A-MSDU, A-MPDU	Расширенные возможности агрегации МАС-фреймов

Источники:

1. А.Н. Степутин, А.Д. Николаев. Мобильная связь на пути к 6G . В 2 Т. – 2-е изд. - Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. – 804с. : ил.

2. А.Е. Рыжков, В. А. Лаврухин Гетерогенные сети радиодоступа: учебное пособие. - СПб. : СПбГУТ, 2017. – 92 с.

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешёвой, а главное, удовлетворяющей современным жёстким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как , , и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте .

Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости "втыкать" сетевой провод в свой компьютер. По прогнозам, к 2003 году в мире будет насчитываться более миллиарда мобильных устройств, а стоимость рынка продукции WLAN к 2002 году прогнозируется более чем в 2 миллиарда долларов.

Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 1). Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Рис. 1. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования — клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети — режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры — infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Рис. 2. Архитектура сети "клиент/сервер".

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) — это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 3). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Рис. 3. Архитектура сети "Ad-hoc".

Физический уровень 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один — в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

Для модуляции сигнала FHSS использует технологию Frequency Shift Keying (FSK). При работе на скорости 1 Mbps используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Mbps — четвёртого уровня.

Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Mbps используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Mbps — дифференциальная квадратичная PSK модуляция.

Заголовки физического уровня всегда передаются на скорости 1 Mbps, в то время как данные могут передаваться со скоростями 1 и 2 Mbps.

Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR)

Реализация этого метода в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Вместо направленной передачи, требующей соответствующей ориентации излучателя и приёмника, передаваемый ИК сигнал излучается в потолок. Затем происходит отражение сигнала и его приём. Такой метод имеет очевидные преимущества по сравнению с использованием направленных излучателей, однако есть и существенные недостатки — требуется потолок, отражающий ИК излучение в заданном диапазоне длин волн (850 — 950 нм); радиус действия всей системы ограничен 10 метрами. Кроме того, ИК лучи чувствительны к погодным условиям, поэтому метод рекомендуется применять только внутри помещений.

Поддерживаются две скорости передачи данных — 1 и 2 Mbps. На скорости 1 Mbps поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости 2 Mbps метод модуляции немного отличается — поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырёх импульсов. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.

Метод FHSS

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно.

Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приёмопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. Это ограничение вызвано тем, что под один канал выделяется ровно 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц. Это означает, что должно происходить частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.

Метод DSSS

Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов (в США доступно только 11 каналов). Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надёжность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна, он в большинстве случаев всё равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Изменения, внесённые 802.11b

Основное дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт — это поддержка двух новых скоростей передачи данных — 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумлённых сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Mbps, но в том случае, если повысится уровень помех, или пользователь удалится на большое расстояние, мобильное устройство начнёт передавать на меньшей скорости — 5,5, 2 или 1 Mbps. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнёт передавать с более высокой скоростью. Сдвиг скорости — механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия.

MAC уровень 802.11 очень похож на реализованный в 802.3, где он поддерживает множество пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет носитель перед доступом к нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна обладать способностью и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи.

Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым.

CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI — метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

Рис. 4. Иллюстрация проблемы "скрытой точки".

Другая специфичная проблема MAC-уровня — это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 4). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт RTS и ждёт ответа точки доступа с CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, сигнал CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Так как RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя носитель, он обычно используется только для пакетов очень большого объёма, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей.

Наконец, MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчёта CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселённых" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть повреждёнными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети. MAC уровень ответственен за сборку полученных фрагментов, делая этот процесс "прозрачным" для протоколов более высокого уровня.

Подключение к сети

MAC уровень 802.11 несёт ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на её частоту (рис. 5).

Рис. 5. Подключение к сети и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа.

Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как её главное назначение — распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу (Рис. 5).

Поддержка потоковых данных

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF). В противоположность Distributed Coordination Function (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В том случае, если установлен BSS с включенной PCF, время равномерно распределяется промежутками для работы в режиме PCF и в режиме CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Так как PCF даёт возможность каждой станции передавать в определённое время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы является то, что точка доступа должна производить опрос всех станций, что становится чрезвычайно неэффективным в больших сетях.

Управление питанием

Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, MAC уровень 802.11 поддерживает энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает два режима потребления энергии, называемые "режим продолжительной работы" и "сберегающий режим". В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио периодически включается через определённые промежутки времени для приёма "маячковых" сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в "спящий" режим.

Безопасность

802.11b обеспечивает контроль доступа на MAC уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешённых MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

Безопасность для здоровья

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

Дальнейшее развитие

В настоящее время разрабатываются два конкурирующих стандарта на беспроводные сети следующего поколения — стандарт IEEE 802.11a и европейский стандарт HIPERLAN-2. Оба стандарта работают во втором ISM диапазоне, использующем полосу частот в районе 5 ГГц. Заявленная скорость передачи данных в сетях нового поколения составляет 54 Mbps.

Производители устройств 802.11b

На сегодняшний день наиболее известными и популярными производителями на рынке WaveLAN решений являются компании Lucent (серия ORiNOCO) и Cisco (серия Aironet). Помимо них существует достаточно большое количество компаний, производящих 802.11b совместимое оборудование. К их числу можно отнести такие компании, как 3Com (серия 3Com AirConnect), Samsung, Compaq, Symbol, Zoom Telephonics и пр. В следующей части статьи мы рассмотрим характеристики серий ORiNOCO компании Lucent и Aironet компании Cisco, а затем произведём тестирование обоих серий.

Ссылки

• — Рабочая группа 802.11
• — WaveLAN на Украине
• — Обзоры, тестирование WaveLAN, правовая информация

Стандарт беспроводных локальных сетей 802.11ac был представлен еще зимой 2011 года, когда специалисты из международной некоммерческой ассоциации IEEE утвердили первую тестовую версию нового высокоскоростного и модернизированного Wi-Fi. Ко всеобщему удивлению, уже в середине ноября производитель Quantenna продемонстрировал дебютный, базовый чипсет, который хорошо работает в одном тандеме с роутерами и другими сетевыми устройствами. В скором времени в специализированных магазинах появились ноутбуки, смартфоны и другие девайсы совместимые с этим стандартом.

Следует отметить и одно из важных мероприятий, которое ускорило развитие скоростного беспроводного Wi-Fi. Ведь именно на выставке CES были анонсированы новые контроллеры американской корпорацией Broadcom, которые захотели внедрить в своем производстве такие крупные IT-компании, как Lenovo, ZTE, Huawei…

Предлагаю рассмотреть какие преимущества имеет стандарт 802.11ac и в чем он отличается от предыдущего собрата 802.11n?

1. Наиболее важное отличие заключается в том, что новый Wi-Fi имеет скорость в три раза больше, что положительно отображается на воспроизведении потокового мультимедийного контента.
   
   Таким образом, передача и воспроизведение видео высокой четкости (HD, FullHD) по беспроводному Wi-Fi каналу при определенных условиях будет без перерывов и до загрузок, если ваше устройство не ограничено аппаратным обеспечением (касается ). Мобильные игры и прочие приложения тем более будут «проходить» по сети на должном уровне.
2. Еще одно полезное свойство гигабайтного Wi-Fi — это расширенный диапазон и стабилизированный сигнал, покрывающий более широкую площадь, что дает возможность при помощи одного маршрутизатора покрыть беспроводным сигналом квартиру внушительных размеров. Это возможно благодаря разработанной технологии направленного формирования сигнала (beamforming).
   
   Стандарт n тоже поддерживал данную технологию, но на уровне опций и к тому же сигнал некорректно формировался. Технология бимформинг определяет месторасположения клиент-устройств (ноутбук, планшет, ) и направляет сигнал прямо на них.
   
   Такой подход помог увеличить качество беспроводного сигнала Wi-Fi.
3. Не для кого не секрет, что электротехника, использующая Wi-Fi стандарт n — работает диапазонной частоте 2.4 Гигагерц. На этой же частоте работают не только планшеты и смартфоны, но и микроволновые печки и прочая бытовая техника. Такое пересечение на частоте приводило , что заставляло искать . Стандарт 802.11ac, представленный Институтом, не имеет проблем с помехами и умеет работать на скорости в 1,3 Гбит/с на эффективной частоте в 5 ГГц.
4. Кроме этого, когда условия не позволяют задействовать широкие каналы, стандарт 802.11ас имеет преимущества над старшим «братом» 802.11n. В чем же оно заключается? Дело в том, что новая модуляция 256-QAM, например, при 40 МГц с двумя потоками, обеспечит 400 Mbps, а ранее разработанный 802.11n давал только 300 Mbps. Кроме этого, на стандарте 802.11n девайсы не способны динамически поменять ширину канала, если того потребуют определенные обстоятельства. А вот в 802.11ac заложена такая возможность, которая проверена специалистами и временем.
   
   К примеру, при благоприятных условиях, клиент и сетевое устройство могут начать с канала 80 МГц, а при изменении условий в худшую сторону, перейти на на 40 или 20 МГц. Переход на более узкие каналы, осуществляется и при условии, что уровень сигнала не дает возможности работать на широком канале. С технической точки зрения, чем уже канал и чем меньше потоки в пространстве, тем меньше возникают требования к уровню сигнала.

К примеру, спецификация Wi -Fi 802.11ас с шириной канала 80 МГц требует, как минимум — 76 dBm, а каналу шириной 20 МГц уже — 82 dBm. Таким образом, планшеты, компьютеры, Smart TV и другие устройства у края зоны покрытия автоматически переходят на более узкие каналы. Международная ассоциация совместно с Wi-Fi Alliance создала специальную специфику, и эксперты в области IT уверяют, что с технологией совместимы более миллиарда устройств.