1.2 Беспроводной ШПД. 1.2.1 Технология Wi-Fi

1. 2 Беспроводной ШПД

БШПД обеспечивает доступ пользователей к мультисервисным сетям в любом месте. Кроме того, беспроводная «последняя миля», в отличие от проводных технологий ШПД, может быть развернута за короткий срок, требует меньших капитальных затрат на построение и подходит для регионов, где внедрение проводных широкополосных сетей доступа экономически нецелесообразно. Другие сферы применения БШПД: подключение удаленных узлов операторов связи, высокоскоростная передача данных для мобильных пользователей, создание резервных каналов, организация инфраструктуры при чрезвычайных ситуациях и для временного использования.

Особенности распространения радиоволн не позволяют создать технологию БШПД, которая удовлетворяла бы всем требованиям, таким, например, как обеспечение передачи на дальние и короткие расстояния, в любой местности. Поэтому для систем БШПД различают три уровня охвата пользователей:

Персональный уровень (Personal Area) доступа имеет самый малый радиус действия – до нескольких десятков метров. Он служит для образования так называемого бесшнурового информационного соединения между близко расположенными оборудованием и абонентом. Это персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Network);

Местный или локальный уровень (Local Area) охватывает компьютерные сети, от домашних до корпоративных, оборудование которых сосредоточено в определенной локации одного здания или ряда зданий и окружающей их местности. Это локальные сети WLAN (Wireless Local Area Network);

Городской уровень (Metropolitan Area) охватывает покрытие радиосистемой некой местности, которая может быть городом или его частью, кампусом, промышленным центром и даже административным районом. Это зоновые сети WМAN (Wireless Metropolitan Area Network).

1. 2. 1 Технология Wi-Fi

Рабочая группа по стандартам для беспроводных локальных сетей 802. 11 была сформирована комитетом по стандартам IEEE 802 в 1990 г. Группа занималась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2, 4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Мбит/с. Таким образом, в 1997 г. была ратифицирована первая спецификация 802. 11, после чего началось стремительное развитие стандарта, освещенного в таблице 3.

Заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей, и разработчики вынуждены были создать расширение для стандарта 802. 11. Так, в сентябре 1999 г. появилась спецификация IEEE 802. 11b (802. 11 High rate), предусматривавшая работу в диапазоне 2, 4 – 2, 4835 ГГц при помощи технологии расширения спектра методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) со скоростями передачи информации 5, 5 – 11 Мбит/с. При передаче данных в стандарте используется двоичная относительная фазовая модуляция DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) и ее квадратурный аналог DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying).

Стандарт IEEE 802. 11a, ориентированный на работу в диапазоне 5 ГГц (от 5, 15 до 5, 35 ГГц и от 5, 725 до 5, 825 ГГц) со скоростями передачи до 54 Мбит/с, использующий технологию ортогонального частотного разделения с мультиплексированием OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), был создан с целью устранения недостатков стандарта 802. 11b. При использовании технологии DSSS на частотах около 2, 4 ГГц возникали проблемы из-за помех, порождаемых другими бытовыми беспроводными устройствами. Кроме того, объемы передаваемых по сети данных требовали большей пропускной способности, чем было заложено в стандарте 802. 11b. В стандарте 802. 11a используются те же методы фазовой модуляции, но не дифференциальные – BPSK и QPSK. Нововведением является квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), используемая для передачи на высоких скоростях. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, 64-QAM – на скоростях 48 и 54 Мбит/с. Отличительной особенностью стандарта 802. 11a является его несовместимость с 802. 11b.

Стандарт IEEE 802. 11g был ратифицирован в 2003 г., и предусматривает различные скорости соединения: 1; 2; 5, 5; 6; 9; 11; 12; 18; 22; 24; 33; 36; 48 и 54 Мбит/с. Одни из них являются обязательными для стандарта (1; 2; 5, 5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с), другие – опциональными (33 Мбит/с и выше). При этом для различных скоростей соединения применяются разные методы модуляции сигнала. При разработке стандарта 802. 11g рассматривались две конкурирующих технологии: метод ортогонального частотного разделения (OFDM), заимствованный из стандарта 802. 11a, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC (Packet Binary Convolutional Coding), реализованный в качестве дополнительного в стандарте 802. 11b. В результате для стандарта 802. 11g было принято компромиссное решение: технологии OFDM и DSSS применяются в качестве базовые, а использование технологии PBCC предусмотрено опционально. Данным стандартом, как и стандартом 802. 11b, предусмотрен частотный диапазон от 2, 4 до 2, 4835 ГГц, а при передаче данных на низких скоростях используются технологии DBPSK и DQPSK. Кроме того, поскольку в стандарте 802. 11b обязательными являются не только скорости 1 и 2 Мбит/с, но и 5, 5 и 11 Мбит/с, для обеспечения совместимости эти скорости обязательны и в стандарте 802. 11g. В этом случае вместо шумоподобных последовательностей Баркера применяются комплементарные коды CCK (Complementary Code Keying).

    На сегодняшний день одним из передовых стандартов Wi-Fi является 802. 11n, утвержденный в 2009 г. По сравнению с устройствами предыдущих стандартов 802. 11n включает в себя множество усовершенствований. Устройства 802. 11n могут работать в одном из двух диапазонов: 2, 4 или 5 ГГц. В стандарте используются проверенные технологии OFDM и QAM, усовершенствованные для достижения высоких скоростей передачи данных (теоретическая реализуемая скорость достигает значения 600 Мбит/с). Одной из основных особенностей 802. 11n является поддержка технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), с помощью которой предусмотрена способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн вместо одной. Чем больше устройство 802. 11n использует антенн для работы, тем выше будет максимальная скорость передачи данных. Стоит отметить, что увеличение скорости передачи происходит не только за счет количества антенн, но и за счет продвинутого метода обработки сигнала, определяющего принцип работы MIMO-устройства при использовании нескольких антенн. Конфигурация «4× 4» при использовании модуляции 64-QAM обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, конфигурация «3× 3» при использовании 64-QAM обеспечивает 450 Мбит/с, а конфигурации «2× 3» и «1× 2» реализуют скорость передачи до 300 Мбит/с.

Наиболее передовым из всех существующих стандартов 802. 11 является так называемый «Гигабитный Wi-Fi», финальная версия спецификации которого была принята в 2014 г. Новоявленный стандарт 802. 11ac главным образом отличается от укрепившегося на рынке 802. 11n шириной каналов, составляющей 80 и 160 МГц, что позволяет удвоить/учетверить результаты 802. 11n. Оптимизация модуляции и методов передачи пакетов позволяет получить скорость в теории в восемь раз превышающую показатели стандарта 802. 11n. Помимо существенного увеличения скорости передачи данных, 802. 11ac включает в себя еще два ключевых улучшения: Beamforming и MU-MIMO. Beamforming – возможность динамически изменять ДНА, позволяя зоне покрытия точки доступа оптимально подстраиваться под текущее расположение клиентов, а технология MU-MIMO (Multi-User MIMO) позволяет обслуживать несколько пользователей одновременно, что было невозможно ранее, поскольку технология MIMO, использованная в стандарте 802. 11n, могла быть задействована только для коммуникации с одним пользователем в каждый конкретный момент времени.  

Таблица 3 – Сравнение стандартов 802. 11