Prof. dr hab. inż. Evgeny Ochin
Wybrane problemy informatyki i sieci komputerowych
802.11n
NetWorld
Sieci kompterowe i telekomunikacja
Nr 05/2008 (146)
www.networld.pl
Częstotliwość fali Długość fali
Ekstremalnie niska ELF <3 kHz >100 km
Bardzo niska VLF 3÷30 kHz 10÷100 km
Niska LF 30÷300 kHz 1÷10 km
Średnia MF 300÷3000 kHz 100÷1000 m
Wysoka HF 3÷30 MHz 10 ÷100 m
Bardzo wysoka VHF 30÷300 MHz 1÷10 m
Ultra wysoka UHF 300÷3000 MHz 10÷100 cm
Super wysoka SHF 3÷30 GHz 1÷10 cm
Ekstra wysoka EHF 30÷300 GHz 1÷10 mm
|
Standard
|
Opis
|
|
802.11
|
Rodzina specyfikacji dotyczących sieci bezprzewodowych (WLAN), a także pierwszy standard oferujący szybkość transmisji na poziomie 1 Mb/s lub 2 Mb/s
|
|
802.11a
|
Specyfikacja IEEE dla sieci pracujących w paśmie 5 GHz z przepustowością do 54 Mb/s
|
|
802. llb
|
Specyfikacja IEEE dla sieci pracujących w paśmie 2,4 GHz z przepustowością do 11 Mb/s
|
|
802. llc
|
Sposób działania mostów pomiędzy sieciami
|
|
802. lld
|
Specyfikacja pozwalająca na zmiany konfiguracji w warstwie kontroli dostępu do mediów
|
|
802. lle
|
Rozszerzenie 802.1 1a i 802.1 1b definiujące mechanizmy QoS
|
|
802. llf
|
Definiuje roaming w sieciach przy zastosowaniu protokołu IAPP
|
|
802. llg
|
Specyfikacja IEEE dla sieci pracujących w paśmie 2,4 GHz z przepustowością do 54 Mb/s
|
|
802. llh
|
Europejski odpowiednik 802.1 1a w paśmie 5 GHz, z użyciem(DCS/DFS) oraz TPC
|
|
802. lli
|
Specyfikacja bezpieczeństwa dla sieci 802.11, wprowadzenie WPA
|
|
802. llj
|
Standard 802.1 1a zmieniony na potrzeby Japonii
|
|
802. llk
|
Opisuje protokół wymiany informacji pomiędzy punktami dostępowymi a ich klientami zawierających opis ich możliwości
|
|
802. llm
|
Grupa robocza pracująca nad poprawieniem błędów w dotychczas zatwierdzonych standardach i nowelizacjach
|
|
802. lln
|
Umożliwia zwiększenie prędkości i niezawodności oraz dystansu na jakim może pracować sieć, przepustowość do 540 Mb/s. Niezatwierdzony.
|
|
802. llp
|
Określa zasady pracy sieci Wi-Fi w środkach komunikacji (autobusy, samoloty itp.). Niezatwierdzony.
|
|
802. llr
|
Specyfikacja pozwalająca na zmniejszenie czasu przełączania pomiędzy punktami dostępowymi.
|
|
802. llxx
|
Sposób działania inteligentnego zarządzania pakietami XXJE2R.
|
Spis standardów IEEE 802.11
802. 11n
Organizacja IEEE na początku roku 2004 ogłosiła rozpoczęcie prac nad stworzeniem nowego standardu 802.11n. Obecnie planowana data zakończenia prac to rok 2010. Ma się on charakteryzować większym zasięgiem i szybszą transmisją danych od sieci obecnie stosowanych.
W planach jest uzyskiwanie maksymalnej przepustowości 540 Mb/s, co w rzeczywistości będzie odpowiadało użytkowej prędkości 200 Mb/s. Większą szybkość transmisji uzyskuje się poprzez zastosowanie technologii MIMO (Multiple Input Multiple Output), która charakteryzuje się wykorzystaniem wielu anten do nadawania/odbioru sygnału. Dodatkowo urządzenia tego typu potrafią wykorzystać kilka kanałów transmisyjnych w celu stworzenia połączenia. Jednak technologia ta nie dokońca sprawdza się w paśmie 2,4 GHz, gdzie dostępne są jedynie trzy nienakładające się na siebie kanały, więc rozważa się wykorzystanie pasma 5 GHz do realizacji tego standardu, gdyż pasmo to dysponuje większą liczbą dostępnych kanałów. Inną technologią wykorzystywaną do zwiększenia prędkości transmisji jest agregacja ramek polegająca na wykorzystaniu losowego czasu między retransmisjami na połączenie ramek. Dzięki temu dochodzi do transmisji dłuższych pakietów, niż normalnie, co przekłada się na większą przepustowość łącza, gdyż urządzenie traci mniej czasu na uzyskiwanie dostępu do kanału transmisyjnego.
Dzięki zastosowaniu modulacji OFDM 802.11n ma być kompatybilne z 802.1 1a oraz 802. 11g. Twórcy standardu zapewniają również, że urządzenia draft-n będą miały możliwość pracy zarówno w paśmie 2,4 GHz, jak i 5 GHz.
MIMO — Multiple Input Multiple Output
(SISO — Single Input Single Output)
Technologia MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) jest technologia transmisji danych, w której wykorzystano nie pojedynczą, ale kilka anten zainstalowanych po stronie nadawczej i odbiorczej oraz wykorzystuje się zjawisko propagacji wielodrogowej fal radiowych w celu zwiększenia wydajności systemu radiokomunikacyjnego.
Na technologię tę składają się głównie trzy techniki radiowe:
Kodowanie wstępne (precoding), dzięki której sygnał z każdej anteny transmitowany jest z odpowiednią wartością przesunięcia fazowego. Przesunięcie jest tak dobrane przez nadajnik, aby wzrost poziomu mocy sygnału w odbiorniku był jak największy, aby operacja ta była możliwa nadajnik na bieżąco uaktualnia informację o stanie kanału, w którym nadaje.
Zwielokrotnienie przestrzenne (spatial multiplexing), w którym strumień danych dzielony jest na kilka strumieni, a każdy z nich nadawany jest z innej anteny z wykorzystaniem tego samego kanału częstotliwościowego. Strumienie są oznaczane przez nadajnik, dzięki czemu odbiornik nie ma problemów z ich identyfikacją. Technika ta idealnie nadaje się, aby znacznie zwiększyć pojemność kanału.
Technika wyboru najlepszego sygnału lub jednoczesnego ich odbioru w celu uniknięcia zaników wielodrogowych (Space-Time diversity coding). Pozwala ona na zwiększenie siły odbieranego sygnału oraz znacząco poprawia wydajność w porównaniu z wykorzystaniem kanałów SISO (Single Input Single Output).
W tradycyjnym systemie radiokomunikacyjnym zjawisko wielodrogowości jest niepożądane. Tymczasem technologia MIMO zjawisko to traktuje jako zaletę, ponieważ dane celowo są wysyłane wieloma drogami, przy wykorzystaniu kilku anten nadawczych. Takie podejście pozwoliło na osiągnięcie wielokrotnie większej szybkości sieci, a także pozwoliło uzyskać większy zasięg. Na bazie tej technologii powstaje obecnie nowy standard 802.11n, który ma zapewniać szybkość transmisji do 540 Mb/s.
Nadajnik wykorzystując wiele modułów radiowych i algorytm kluczowania fazy, co powoduje, że duża część mocy nadanej jest odbierana przez odbiornik. Sygnały wysłane mieszają się ze sobą, aby umożliwić odbiornikowi ich rozróżnienie każda wiązka fal jest oznaczana odpowiednią sekwencj ą bitów. Po stronie odbiornika nie tylko dochodzi do wzmocnienia odbieranego sygnału, ale także redukowane są negatywne skutki wielodrogowości, dzięki łączeniu części sygnałów docierających na różnych częstotliwościach i przesuniętych w fazie.
802.11n — kanał o szerokości 40 MHz w paśmie 5 GHz
Signal radiowy
Aby zrozumieć działanie MIMO (Multiple Input Multiple Output), konieczne jest przypomnienie kilku pojęć z zakresu technologii radiowych. W „tradycyjnych" systemach radiowych (SISO - Single Input Single Output), złożonych z pojedynczego wyjścia (nadajnika) i pojedynczego wejścia (odbiornika) ilość informacji, jaką da się przenieść, wykorzystując sygnał radiowy, zależy od różnicy poziomów sygnału odbieranego (RSSI - Rece-ived Signal Strength Identifier) i szumu „słyszanego" przez odbiornik. Wielkość ta jest wyrażana typowo w decybelach (dB) jako SNR (Signal-to-Noise Ratio - odstęp sygnału od szumu).
Podstawowym założeniem MIMO jest jednoczesne wykorzystanie kilku odbiorników i nadajników (pracujących na jednym zakresie częstotliwości) dla podniesienia jakości odbieranego sygnału. Stosuje się w tym celu kilka technik.
Pierwszą z nich jest formowanie wiązki (transmit beamforming), realizowane przez nadajnik. Technika ta wykorzystuje zjawisko interferencji między sygnałami radiowymi - łatwo sobie wyobrazić, że nakładające się na siebie fale radiowe o tej samej częstotliwości mogą się wzmacniać („interferencja konstruktywna", jeżeli są zgodne w fazie) lub wzajemnie tłumić („interferencja destruktywna", gdy ich faza jest przesunięta).
Przy odpowiedniej synchronizacji sygnału nadawanego z dwóch anten można zatem uzyskać „złożenie" sygnałów w konkretnym miejscu w przestrzeni. Jeżeli tym miejscem jest antena odbiornika -jakość sygnału może się istotnie poprawić. Technika ta - ze względu na złożoność procesu synchronizacji wiązek -jest w praktyce stosowana głównie dla klientów z pojedynczą anteną odbiorczą i w środowiskach z niewielką liczbą przeszkód, utrudniających „składanie" sygnałów. Nie jest też oczywiście łatwa bez informacji „z drugiej strony" - nadajnik musi dysponować informacją zwrotną, umożliwiającą synchronizację sygnałów (a taką informację mogą przesłać tylko odbiorniki zgodne z 802.lin). Uwzględniając niewielką długość fali radiowej (120 mm dla zakresu 2,4 GHz i 55 mm dla 5 GHz), jasne jest także, że czas ważności tej informacji jest niewielki, a wszelkie zmiany w środowisku (np. przemieszczanie się klienta) powodują konieczność rewalidacji parametrów. Poza tym technika ta nie może być wykorzystana do transmisji ruchu rozgłoszeniowego czy multicast (bowiem skupia się na optymalizacji transmisji do konkretnego odbiornika). Formowanie wiązki pozwala w określonych warunkach istotnie zwiększyć odległość między punktem dostępowym a klientem z zachowaniem wyższej prędkości transmisji (jednak nie pozwala na zwiększenie zasięgu tegoż punktu).
Druga z technik wchodzących w skład MIMO wykorzystuje zjawisko wielotorowości sygnałów radiowych i nosi nazwę multipleksacji przestrzennej (spatial multiplexing). W typowych środowiskach, w jakich wdrażane są sieci WLAN, sygnał radiowy bardzo rzadko obiera najkrótszą drogę pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Głównym powodem tego są różne przeszkody (ściany, meble, drzwi, elementy konstrukcyjne), często przesłaniające linię widoczności pomiędzy nimi. Jednocześnie wszystkie te elementy zawierają liczne fragmenty odbijające sygnał radiowy. Wracając do analogii z lampką — nawet jeżeli okno sąsiada nie znajduje się w zasięgu naszego wzroku, ale za to wszystkie rzeczy w naszym otoczeniu zawierają lusterka, to światło generowane przez żarówkę będzie do naszych oczu docierało, odbijając się w tychże zwierciadłach. Będziemy je widzieć w niejednym z nich (często wielokrotnie odbite).
Kiedy wiązka radiowa biegnie do odbiornika różnymi drogami, czas jej przybycia (a w efekcie przesunięcie fazowe sygnału) zależy od drogi, jaką przebyła. Na początku „zjawi się" wiązka bezpośrednia, za mą kolejne kopie (echo) sygnału. Różnice w czasie będą oczywiście niewielkie (sygnał ma prędkość zbliżoną do prędkości światła, co daje różnice na poziomie pojedynczych nanosekund), ale wystarczające do zaistnienia interferencji i istotnej degradacji jakości odbieranego sygnału. Zjawisko wielotorowości było dotąd (dla 802.11a/b/g) dużym problemem - MIMO przekształca je w zaletę. Wykorzystując kilka równolegle działających nadajników i anten, transmitowanych jest wiele sygnałów - każdy z nich nosi nazwę strumienia przestrzennego (spatiai stream). Ponieważ każda antena ma nieco inne położenie, każdy sygnał biegnie trochę inną drogą (zjawisko dywersyfikacji przestrzennej - spatiat diversity). Stacja docelowa jest również wyposażona w kilka równolegle działających anten i odbiorników. Każdy z nich, niezależnie od pozostałych, przetwarza odebrane sygnały, a wyniki są między sobą korelowane (z wykorzystaniem bardzo złożonych algorytmów matematycznych). W rezultacie uzyskiwany jest sygnał o znacznie wyższej jakości (SNR) w porównaniu z odbiornikiem z pojedynczą anteną czy nawet z formowaniem wiązki.
Dodatkowym mechanizmem wykorzystywanym przez MIMO jest możliwość jednoczesnej transmisji poszczególnych części wiadomości w różnych strumieniach przestrzennych. Każdy system wykorzystujący MIMO jest oznaczany dwoma tajemniczymi cyferkami z ,,x" w środku - np. 1x2 czy 3x3, Oznaczają one liczbę nadajników (pierwsza cyfra) i odbiorników (druga). 802.lin definiuje pewną ilość kombinacji, począwszy od 2x1 (realizującym formowanie wiązki), a kończąc na 4x4. Wzrost SNR jest oczywiście zależny od liczby użytych nadajników i odbiorników, aczkolwiek nie liniowo — różnice są bardzo duże przy przejściu z 2x1 na 2x2 i potem na 2x3. Kolejne elementy oczywiście poprawiają wydajność, ale już znacznie mniej spektakularnie.
Dodatkowym mechanizmem wykorzystywanym przez MIMO jest możliwość jednoczesnej transmisji poszczególnych części wiadomości w różnych strumieniach przestrzennych. Każdy system wykorzystujący MIMO jest oznaczany dwoma tajemniczymi cyferkami z ,,x" w środku - np. 1x2 czy 3x3, Oznaczają one liczbę nadajników (pierwsza cyfra) i odbiorników (druga). 802.lin definiuje pewną ilość kombinacji, począwszy od 2x1 (realizującym formowanie wiązki), a kończąc na 4x4. Wzrost SNR jest oczywiście zależny od liczby użytych nadajników i odbiorników, aczkolwiek nie liniowo — różnice są bardzo duże przy przejściu z 2x1 na 2x2 i potem na 2x3. Kolejne elementy oczywiście poprawiają wydajność, ale już znacznie mniej spektakularnie.
Interferencja
Odbicie falej radiowuch
WLAN
WWAN
