Основы технологии Wi-Fi

Вадим Еремеев11.03.2014

vy@nstel.ru

ведущий:

Основы радиотехники

Элементы приёмопередатчика

-Передатчик-Приёмник-Антенно-фидерные устройства (АФУ)

Единицы измерения

Единица измерения мощности - Ватт (W), милливатт (mW).В радиотехнике используют логарифмически зависимые:

- Относительные dBdB=10log(P1/P2)

P1=100W, P2=10W, ∆P=10log(100/10)=10dBP1=100W, P2=50W, ∆P=10Log(100/50)=3dB

- Абсолютные dBm, dBi.PdBm=10log(Pmw)

P=100mW, PdBm=10log(100)=20dBmP=1mW, PdBm=10log(1)=0dBm

Единицы измерения

dBi (дБи) – изотропный дБ, выражает к-т усиления антенны относительно изотропного излучателя.

KdBi=10log(Pant/Piso)

Изотропный излучатель – антенна, излучающая одинаково во всех направлениях. Существует только в теории, на практике невозможно создать из-за конструктивных особенностей антенны.

SOM - System Operating Margin - бюджет радиолинии. Определяет разницу между принимаемым сигналом и минимальным пороговым значением. Разные скорости работы используют различные технологии модуляции и методы кодирования, что определяет уровни пороговой чувствительности приёмника. Чем выше скорость работы - выше кратность модуляции - тем ниже порог чувствительности.

5.5 M 6 M 9 M 11M 12M 18M 24M 36M 48M 54M

-92 dBm

-86 dBm

-86 dBm

-90 dBm

-86 dBm

-86 dBm

-84 dBm

-80 dBm

-75 dBm

-71 dBm

Бюджет радиолинии

Поляризация антенн

определяется плоскостью электрического полясовпадает с физической ориентацией антенны

Зона Френеля

Зона Френеля - имеет форму эллипса, центром которого является воображаемой линией прямой видимости между двух антенн. Теоретически существует бесконечное количество зон. На практике интересна только первая. Для устойчивого соединения не более 20 % первой зоны Френеля может быть закрыта.

Затухание сигнала в различных средах

Таблица для сигнала 2.4 ГГц

Препятствие Ослабление (dB)

Эффективная дальность

Открытое пространство 0 100 %

Стекло 3 70 %

Стекло (металлические жалюзи, краска)

5-8 50 %

Тонкая стена 5-8 50 %

Средняя стена (древесина) 10 30 %

Толстая стена (кирпич 15-20 см)

15-20 15 %

Толстая стена (кирпич 30 см)

20 -25 10 %

Пол/потолок 15-20 15 %

Толстый пол/потолок 20-25 10 %

RF-Математика

Правило 3-х: при добавлении 3 dB, уровень сигнала увеличивается в двое, и наоборот:

dBm + 3 = mW * 2; dBm – 3 = mW ÷ 2

Правило 10-ти: при добавлении 10 dB, уровень сигнала увеличивается в десять раз, и наоборот

dBm + 10 = mW * 10; dBm – 10 = mW ÷ 10

При увеличении уровня сигнала на 6 dB, расстояние увеличивается вдвое, и наоборот:

dBm +6 = L * 2; dBm – 6 = L ÷ 2

Основы Wi-Fi

Стандарты Wi-Fi

IEEE 802.11 - самый первый стандарт WLAN, 1997 г, 1 Mbps и 2 Mbps, 2.4 GHz RF. В настоящее время часть 802.11bIEEE 802.11a - стандарт 1999 г, 54 Mbps, 5 GHz RF IEEE 802.11b - расширение 802.11, 5.5 and 11 Mbps (1999), 2.4 GHz IEEE 802.11e - расширение для использования средств мультимедиа (2005) IEEE 802.11g - стандарт 2003 г, 54 Mbit/s, 2.4 GHz (обратно совместим с b) IEEE 802.11i - расширение для использования шифрования WPA2 (2004) IEEE 802.11n - стандарт сентябрь 2009 г, увеличение скорости передачи до 600 Mbps, 2.4 & 5 Ghz RFIEEE 802.11s - расширение для использования технологии Mesh NetworkingIEEE802.11 ac – стандарт финальная версия – январь 2014г, скорость передачи до 3 GHz, 5 GHz RF, 8x8 MU-MIMO, полоса до 160 MHz.

Технология распределённого спектра

Метод частотных скачков (FHSS):– Используется в 802.11 – Ограниченная пропускная способность (<2 Мбит/с) – Одна информационная несущая – Устойчивость к многолучевой интерференции – В наст. время используется в Bluetooth (802.15)

Технология распределённого спектра

Метод прямой последовательности (DSSS): – Высокая пропускная способность– Простота реализации – Более высокая скорость кодирующей

последовательности обеспечивает устойчивость к интерференции

– Реализуются различные методы модуляции несущих – В настоящее время используется в 802.11 WLAN

2.4 GHz Band

Технология распределённого спектра

DSSS использует 11 битное избыточное кодирование Кодом Баркера. Каждый бит информации кодируется 11-ю битами кода. DSSS используется в 802.11, получаемые скорости 1 и 2 Мбит/с.

HR-DSSS (высокоскоростная DSSS технология) использует 8-ми битное избыточное кодирование CCK (Complementary Code Keying). CCK используется в 802.11b. CCK позволяет кодировать 4 бита данных 8-ми битным кодом – 5.5 Мбит/с, 6 бит данных 8-ми битным кодом – 11 Мбит/с.

Технология OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing

(ортогональное частотное мультиплексирование) – технология, используемая в 802.11а стандарте, позволяет передавать данные до 54 Мбит/с. OFDM не является технологией расширенного спектра, но обладает похожими свойствами: низкая мощность передачи, использование более широкой полосы, чем требуется для передачи данных. OFDM использует 52 субчастоты, 48 используется для передачи данных, 4 – служебные.

ERP-OFDM – Extended Rate Physical OFDM – расширение OFDM для диапазона 2.4 ГГц. Используется в 802.11g стандарте, также позволяет передавать данные до 54 Мбит/с.

В стандарте 802.11n используется 52 субчастоты для передачи данных, за счёт чего получают скорость 65 Мбит/с.

Технология OFDM

Частотные каналы 2.4 ГГц

Число каналов, разрешённые различными организациями:FCC 11 каналовETSI 13 каналовJapan 14 каналов

По стандарту между несущими должен быть разнос не менее 25 МГц, т.о. в 802.11 b/g может быть 3 непересекающихся канала – обычно 1, 6, 11.

Частотные каналы 2.4 ГГц

№ ch 1 2 3 4 5 6 7 8 9

F, GHz 2,412

2,417

2,422

2,427

2,432

2,437

2,442

2,447

2,452

№ ch 10 11 12 13 14

F, GHz 2,457

2,462

2,467

2,472

2,484

Частотные каналы 5 ГГц

MIMO

MIMO – Множественный ввод, множественный вывод

Spatial Multiplexing – N информационных потоков

Diversity coding – 1 информационный поток

Beamforming

Использует фазированную антенную решёткуФормирует ДНА в сторону клиентаПреимущество - увеличение главного лепестка (К-т усиления антенны)

Преимущество – уменьшение боковых лепестков (Увеличение SNR)

Modulation Coding Scheme

MCSindex

Spatialstreams

Modulationtype Codingrate

Data rate (Mbit/s)

20 MHz channel 40 MHz channel

800 ns GI 400 ns GI 800 ns GI 400 ns GI

0 1 BPSK 1/2 6.50 7.20 13.50 15.00

1 1 QPSK 1/2 13.00 14.40 27.00 30.00

2 1 QPSK 3/4 19.50 21.70 40.50 45.00

3 1 16-QAM 1/2 26.00 28.90 54.00 60.00

4 1 16-QAM 3/4 39.00 43.30 81.00 90.00

5 1 64-QAM 2/3 52.00 57.80 108.00 120.00

6 1 64-QAM 3/4 58.50 65.00 121.50 135.00

7 1 64-QAM 5/6 65.00 72.20 135.00 150.00

8 2 BPSK 1/2 13.00 14.40 27.00 30.00

9 2 QPSK 1/2 26.00 28.90 54.00 60.00

10 2 QPSK 3/4 39.00 43.30 81.00 90.00

11 2 16-QAM 1/2 52.00 57.80 108.00 120.00

12 2 16-QAM 3/4 78.00 86.70 162.00 180.00

13 2 64-QAM 2/3 104.00 115.60 216.00 240.00

14 2 64-QAM 3/4 117.00 130.00 243.00 270.00

15 2 64-QAM 5/6 130.00 144.40 270.00 300.00

16 3 BPSK 1/2 19.50 21.70 40.50 45.00

17 3 QPSK 1/2 39.00 43.30 81.00 90.00

18 3 QPSK 3/4 58.50 65.00 121.50 135.00

19 3 16-QAM 1/2 78.00 86.70 162.00 180.00

20 3 16-QAM 3/4 117.00 130.00 243.00 270.00

21 3 64-QAM 2/3 156.00 173.30 324.00 360.00

22 3 64-QAM 3/4 175.50 195.00 364.50 405.00

23 3 64-QAM 5/6 195.00 216.70 405.00 450.00

24 4 BPSK 1/2 26.00 28.80 54.00 60.00

25 4 QPSK 1/2 52.00 57.60 108.00 120.00

26 4 QPSK 3/4 78.00 86.80 162.00 180.00

27 4 16-QAM 1/2 104.00 115.60 216.00 240.00

28 4 16-QAM 3/4 156.00 173.20 324.00 360.00

29 4 64-QAM 2/3 208.00 231.20 432.00 480.00

30 4 64-QAM 3/4 234.00 260.00 486.00 540.00

31 4 64-QAM 5/6 260.00 288.80 540.00 600.00

Modulation Coding Scheme

Терминология WLAN

BSS – Basic Service Set (комплект базовой службы) – точка доступа и клиент/клиенты. Базовый означает только одна ТД/”одна сота” BSS относится к “инфраструктурному режиму” --режим, который требует ТД. Весь беспроводной трафик проходит через точку доступа. Прямой обмен клиент-клиент не допускается. BSS имеет уникальный SSID

Терминология WLAN

ESS – комплект расширенной службы – определяет два или более BSS соединенных через распределительную сеть. Все пакеты в ESS должны проходить через одну из ТД.

Терминология WLAN

SSID – чувствительное к регистру уникальное имя WLAN (от 2 до 32 символов) SSID устанавливаются администратором на ТД (м.б. несколько SSID на ТД) SSID включается во все пакеты на WLAN (в т.ч. в кадры beacon, probe request, probe response) Только устройства с равными SSID могут обмениваться информацией На клиентской станции необходимо указать с каким SSID (с какой WLAN) она будет работать

Терминология WLAN

IBSS – независимый комплект базовой службы – не имеет ТД. Покрывает одну ячейку и имеет один SSID.IBSS известна как ad-hoc сеть (равный с равным). Для передачи данных вне IBSS один из клиентов должен действовать как шлюз или маршрутизатор.

Пассивное сканированиеТД шлют beacons со след. информацией:

– SSID, канал, синхронизация, поддерживаемые скорости и др. Клиенты пассивно сканируют радиоканалы для приема beacons. Клиенты выбирают ТД с “правильным” SSID и пробуют ассоциироваться с ней. Если несколько ТД используют один SSID, то выбирается соединение с наилучшими параметрами (сила сигнала, минимальные ошибки и т.п.).

Клиенты остаются в режиме сканирования (для обеспечения роуминга/ хэндовера к другой ТД).

Активное сканирование

Станции шлют probe запрос со след. информацией:

– SSID, канал, поддерживаемые скорости и др;– SSID м.б. Broadcast SSID.Если указан конкретный

SSID, то отвечает ТД с этим SSID, если указан broadcast SSID, то отвечать будут все станции в зоне досягаемости станции.

После определения ТД, через которую станция подключится к сети, начинается процесс аутентификации и ассоциации.

Методы аутентификации

802.1x & EAP – 802.1x – реализует схему взаимной аутентификации

клиента и ТД. Схема использует сервер аутентификации и протокол аутентификации;

– EAP представляет и обрабатывает пользовательские мандаты ( цифровой сертификат, имя-пароль, ID и т.п.). EAP-MD-5, LEAP, EAP-TLS, EAP-TTLS, EAP-SRP, EAP-SIM – различные реализации EAP. WPA (Wi-Fi Protected Access)/WPA2 (802.11i) – метод защиты и целостности данных использующий управление ключами и новейшие математические методы шифрования WPA(WPA2) -PSK – SOHO аутентификация

Dynamic Rate Shifting (DRS)

Dynamic Rate Shifting (DRS) или Adaptive Rate Selection (ARS) – метод динамического уменьшения скорости передачи на WLAN станции.

Изменение скорости происходит при ухудшении уровня принимаемого сигнала.

Скорость устанавливается к заданным дискретным значениям.

Эволюция Wi-Fi систем

Enterprise wireless gateways• Central AP mgmt for 1st gen. WLAN• VPN+Stateful Firewall• 802.1x/EAP/LDAP/AD• Role Based Policies• Guest Access• Basic QoS

Traditional AP• Stand Alone• Poor security• Manual RF survey• Retains config info• Individual mgmt

Secure Centralized WLANAdditional: • RF-Intrusion Prevention• Role Based Policies• Stateful Firewall• NAC/Endpoint integrity support• Basic Guest Access

Centralized WLAN• Thin AP architecture• AP retains no info• Dynamic RF • Zero config AP• Central configuration• No complex surveys• QoS for voice, etc.

I поколение

II поколение

III поколение

IV поколение

Эволюция Wi-Fi систем

V поколение – облачный Wi-Fi

Маршрутизируемаясеть

КонтроллерvWLAN

Role X Role Y

ControlUntagged

UserTagged, Vlan X

UserTagged, Vlan Y

HypervisorHypervisor

Основные технические характеристики и условия использования устройств малого радиуса действия в сетях беспроводной передачи данных

Требования ГРЧЦ для оборудования Wi-Fi

Москва, аэропорт Домодедово

Результаты тестов публичного Wi-Fi

Амстердам, аэропорт Shiphol

Москва, форум Русская неделя Интернета

Спасибо за внимание!

? ? ? ? ?

Вадим Еремеевvy@nstel.ruyvv2003@rambler.ru