Sieci Dostępowe Bezprzewodowe Podstawy telekomunikacji i releinformatyki dla nie-inżynierów mgr inż. Ewa Obarska 2.12.2017
Czym się zajmiemy? Bezprzewodowe Systemy Dostępowe: Podstawy Bezprzewodowej Transmisji Informacji Rodzaje Sieci Bezprzewodowych Topologie Sieci Bezprzewodowych Urządzenia Sieci Bezprzewodowych Przegląd Standardów 2
Dlaczego sieci bezprzewodowe? Dominujący trend w technice przesyłania danych dla sieci różnego zasięgu: od globalnych sieci dużego zasięgu po sieci personalne. Zalety: Mobilność terminale mogą się przemieszczać Możliwość redukcji okablowania, obsługi linii przewodów i konieczności sprawdzania połączeń Łatwość instalacji Elastyczność w rozbudowie Różnorodny zasięg od kilku metrów do kilkudziesięciu kilometrów Szybka rozbudowa i modyfikacja struktury sieci Szybka rekonfiguracja sprzętu Zmniejszenie kosztów połączeń. 3
Ale systemy bezprzewodowe to też problemy Konieczność przestrzegania regulacji dotyczących wykorzystania zakresów częstotliwości Problemy dużych zakłóceń i interferencji od innych systemów Zmienne parametry kanału transmisyjnego Problem bezpieczeństwa przesyłanych danych Współdzielony kanał transmisyjny
Geneza powstania sieci bezprzewodowych Gugliemo Marconi (1874-1937) 12 grudnia 1901 jako pierwszy na świecie przeprowadził transmisje radiową przez Ocean Atlantycki Konstruktor anteny. 1895 przesłanie po raz pierwszy sygnału (literę S w alfabecie Morse a) poza swój dom 1909 otrzymał wraz z Karlem Braunem nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rozwój telegrafii bez drutu. Nikola Tesla (1856-1943) od 1943 uznawany za twórcę radia. Hans Christian Ørsted (1777-1851) odkrywca elektromagnetyzmu. Michael Faraday (1791-1867) odkrywca elektromagnetyzmu. Aleksander Popow, (1859-1906) rosyjski fizyk, pionier łączności radiowej. W latach 1895 1897 zbudował radiotelegraf niezależnie od Gugliemo Marconiego, 1897 uzyskał łączność radiową na odległość 5 km. Jest jednym z wynalazców radia. 5
Podstawy bezprzewodowej transmisji informacji
Podstawowy schemat systemu transmisji danych Transmisja danych: Pomiędzy Nadawcą A Odbiorcą treść Zapisana wspólnym, zrozumiałym językiem kodem lub alfabetem Przenoszona w medium bezprzewodowym 7
Zastosowanie fal radiowych PNM nie licencjonowane pasmo Przemysłowe, Naukowe, Medyczne dla urządzeń radiowych (W Europie 2,4 GHz) 8
Zakres długości fal i częstotliwości 9
Regulacje dotyczące wykorzystania pasma (1) O przydziale pasma na konkretne zastosowanie decyduje organizacja międzynarodowa ITU (agenda ONZ). W Europie dodatkowo obowiązują regulacje wprowadzane przez ETSI (European Telecommunication Standarts Institute), a w Polsce odpowiada za to UKE. Większa część widma przeznaczona została na konkretne systemy i jest sprzedawane na aukcjach (pasma tzw. licencjonowane). telewizja, radio, telefonia komórkowa 10
Regulacje dotyczące wykorzystania pasma (2) Obok pasma licencjonowanego, istnieje również pasmo nielicencjonowane: Najważniejsze to pasmo ISM (Industrial, Scientific & Medical): 900 MHz (902 928) 2.4 GHz (2.400 2.485) 5.8 GHz (5.725 5.850) Sieci WPAN i WLAN wykorzystują pasmo nielicencjonowane. Korzystanie z takiego pasma wiąże się z problemem interferencji pochodzących od innych systemów. 11
Propagacja fali radiowej Zagadnienie rozchodzenia się fal radiowych ma zasadnicze znaczenie i jest nazywane propagacją fal radiowych. Podstawowy problem związany jest z częstotliwością na jakiej nadajemy im wyższa częstotliwość, tym krótszy zasięg. Zjawiska wpływające na tłumienie fal radiowych: dyfrakcja (załamanie fali), refrakcja (ugięcie fali), odbicia od przeszkód, rozproszenie, wielodrogowość, odbicia od powierzchni ziemi lub jonosfery. 12
Rozchodzenie się fal radiowych w wolnej przestrzeni PR moc w odbiorniku [W] : PT moc nadajnika [W] : GR sprawność anteny odbiorczej [W] : PT GT 2GR PR 2 4 R 4 Zakładając: GR GT 1 L[dB ] 10 log10 GT sprawność anteny nadawczej [W] : R odległość od anteny nadawczej [m] : długość fali [m] : mamy: PT 32,44 20 log10 R[km ] 20 log10 f [ MHz ] PR 13
Tłumienie atmosferyczne Tłumienie fal radiowych w atmosferze powstaje w wyniku: absorbcji energii przez molekuły gazów, rozpraszania wynikającego z niejednorodności atmosfery, zmian wilgotności, ciśnienia i temperatury, w opadzie: tłumienie opadów. 14
Rozchodzenie się fali radiowej (1) β γ α d1 α d2 D Odbicie fali d1 d2 D Załamanie fali 15
Rozchodzenie się fali radiowej (2) Wyróżniamy systemy LOS (Line of Sight) oraz NLOS (Non Line of Sight). W systemie LOS, antena nadawcza i odbiorcza muszą się widzieć (prawie) fala radiowa nie odbija się od przeszkód. Fala radiowa o częstotliwości powyżej ok. 10 GHz nie odbija się od przeszkód (jest absorbowana przez przeszkody) systemy wykorzystujące pasmo powyżej 10 GHz są zawsze systemami LOS. 16
Zjawisko interferencji międzysymbolowej Zjawisko interferencji międzysymbolowej powstaje gdy fala radiowa dochodzi do odbiornika różnymi drogami zjawisko wielodrogowości. Dochodzi do nakładania się fal pochodzących z jednego źródła. W zależności od amplitud i faz sygnał ulega: wzmocnieniu, zanikowi. 17
Modele odniesienia Model odniesienia jest to wzorzec dla protokołów telekomunikacyjnych dzięki któremu producenci sprzętu telekomunikacyjnego mogą opracowywać współistniejące ze sobą rozwiązania. Najpopularniejsze są dwa modele: ISO OSI TCP IP International Standardization Organization Open Systems Interconnection Reference Model (ISO OSI RM) Założony z 7 warstw (ang. layers) współpracujących ze sobą w ściśle określony sposób. Został przyjęty przez ISO w 1984 roku. Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) teoretyczny model warstwowy stworzony w latach 70. XX wieku. Stał się podstawą struktury Internetu. Aplikacji Prezentacji Aplikacji Sesji Transportu Transportu Sieci Internetu Łącza danych Dostępu do sieci Fizyczna 18
Pasmowe modulacje cyfrowe Modulacja proces zmiany parametrów jednego sygnału przez inny sygnał. Sygnał nośnej sygnał podlegający zmianom. Sygnał modulujący sygnał informacyjny, w przypadku modulacji cyfrowych sygnał informacyjny jest ciągiem bitów. Cel: dopasowanie właściwości sygnału wyjściowego do parametrów kanału transmisyjnego czyli umieszczenie przesyłanego sygnału w odpowiednim paśmie. Rodzaje modulacji: amplitudy, częstotliwości, fazy oraz mieszane. Z modulacji mieszanych najpopularniejsza jest modulacja QAM łącząca modulację amplitudy i fazy. 19
Rodzaje stosowanych modulacji Modulacje binarne: Modulacja amplitudy ASK, Modulacja częstotliwości FSK, Modulacja fazy PSK. W modulacjach binarnych mamy dwa sygnały, jeden odpowiadający bitowi 1, a drugi przyporządkowany bitowi 0. Poza modulacjami binarnymi istnieją modulacje wielowartościowe, gdzie mamy wiele sygnałów. Przykładowo modulacja czterowartościowa fazy 4PSK (lub QPSK) oznacza, że mamy 4 sygnały o 4 różnych fazach przyporządkowane sekwencjom bitów: 00, 01, 10 i 11. 20
ASK Modulacja z kluczowaniem amplitudy 21
FSK Modulacja z kluczowaniem częstotliwości 22
PSK - Modulacja z kluczowaniem fazy 23
Metody transmisji w systemach bezprzewodowych Systemy szerokopasmowe (Spread Spectrum): Z rozpraszaniem sekwencją bezpośrednią DS (Direct Sequence), Ze skakaniem w dziedzinie częstotliwości FH (Frequency Hopping). Cel: wzrost odporności na zakłócenia celowe i interferencje pochodzące od innych systemów. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulacja wieloczęstotliwościowa jest najlepszą metodą transmisji zwiększającą odporność systemu na efekt wielodrogowości: Zamiast jednego sygnału o dużej szybkości transmisji wysyła się równolegle wiele strumieni o małej szybkości transmisji. 24
Dupleksacja czyli rozdzielenie kierunków transmisji Typy systemów: W systemie full-duplex rozdzielenie kierunków transmisji odbywa się dwoma metodami: simplex (broadcast) czyli rozsiewczy: transmisja tylko w jednym kierunku, half-duplex: transmisja w obu kierunkach, ale nie jednocześnie, full-duplex. Time Division Duplexing TDD wykorzystywany jest jeden kanał, w którym wydziela się czas na nadawanie i odbiór, Frequency Division Duplexing FDD wykorzystywane są dwa odrębne kanały. Łącze od użytkownika do stacji bazowej określane jest jako łącze w górę (uplink), a łącze od stacji bazowej do użytkownika jako łącze w dół (downlink). 25
Multipleksacja (1) Multipleksacja czyli metody przydziału kanału radiowego wielu użytkownikom. Metody multipleksacji scentralizowanej: Time Division Multiple Access TDMA każdy użytkownik ma swoją szczelinę czasowa, wada konieczność synchronizacji (timing), Frequency Division Multiple Access FDMA każdy użytkownik ma swój fragment pasma, wada strata pasma jeżeli brak ruchu, Code Division Multiple Access CDMA każdy użytkownik ma swój kod, system wykorzystuje Spread Spectrum. Multipleksacja typu polling jedno z urządzeń pełni rolę nadzorcy i przydziela kanał pozostałym użytkownikom wysyłając im odpowiednie komendy: Metoda pomiędzy scentralizowaną a losową Bluetooth. 26
Multipleksacja (2) Metody multipleksacji losowej: Aloha (lata 70-te) użytkownik może nadawać w dowolnym momencie, jeżeli powstanie kolizja odczekuje losowo wybrany czas i ponownie nadaje, Slotted Aloha można nadawać tylko w ściśle określonych szczelinach czasowych, Carrier Sense Multiple Access CSMA można nadawać tylko po stwierdzeniu, że kanał jest wolny: CSMA/CA CSMA z unikaniem kolizji (Collision Avoidance) poprzez stosowanie ramek RTS/CTS zawierających informację o przewidywanym czasie zajętości kanału (standard 802.11). 27
Rodzaje bezprzewodowych sieci dostępowych
Podział ze względu na zasięg 29
Osobiste sieci bezprzewodowe Wireless Personal Area Network (WPAN) WPAN sieć bezprzewodowa, używana do komunikacji między przenośnymi urządzeniami w tym PDA, telefonami komórkowymi, węzłami sensorycznymi, o niewielkim zasięgu kilku metrów. WPAN mogą łączyć węzły bezpośrednio (intrapersonal communication), bądź być urządzeniami dostępowymi do Internetu. Technologie sieciowe: IrDA, Bluetooth, UWB, Z-Wave, ZigBee 30
Body Area Networks Body Area Network (BAN), Wireless Body Area Network (WBAN), Body sensor network (BSN) Sieci złożone z węzłów noszonych przez człowieka. Pozwalają na komunikację między: wieloma węzłami Body Sensor Units (BSU) oraz jednym Body Central Unit (BCU). Zastosowania: Bio-sensory do monitorowania: ruchu, natury, przemysłu, a przede wszystkim zdrowia (mhealth ataki diabetyczne, astmatyczne, zawały serca) 31
Lokalne sieci bezprzewodowe Wireless local area network (WLAN) Sieci umożliwiające tworzenie lokalnych połączeń bezprzewodowych. Wykorzystywany standard IEEE 802.11 Rozróżnia się: Sieci infrastrukturalne (Access Point dołączony do sieci przewodowej np. Ethernet) Sieci Ad-hoc Bardzo popularne, zasięg radiowy rzędu 100m. 32
Miejskie sieci bezprzewodowe Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) Sieci dużego zasięgu przeznaczone do komunikacji między terminalami a punktami dostępowymi w promieniu do 40 km. Wykorzystują WiMAX (WorldWide Interoperability for Microwave Access) oparty na standardzie IEEE 802.16 33
Topologia sieci bezprzewodowych
Topologia gwiazdy, tryb infrastrukturalny Tryb scentralizowany, wymagający węzła zarządzającego (punkt dostępu) Dotychczas najbardziej popularny. Zastosowania: wszystkie sytuacje gdzie można szybko stworzyć infrastrukturę. 35
Topologia kraty Komunikacja między węzłami bezpośrednia bez wykorzystania punktów dostępowych. Możliwe rozszerzenie możliwości komunikacyjnych przez zastosowanie specjalizowanych protokołów routingu. 36
Urządzenia sieci bezprzewodowych
Karty bezprzewodowe Przekształcenie pakietów danych na sygnały, jakie przesyłane są siecią komputerową. Każda ma swój indywidualny adres sprzętowy nazywany adresem. Rodzaje: Wewętrzne Zewnętrzne PC Card (PCMCIA) Mini PCI USB Mini USB Cechy charakterystyczne: Moc nadawana Czułość odbiornika Pasmo częstotliwości Rodzaj i możliwości dołączenia anteny zewnętrznej 38
Punkty dostępowe Serce sieci bezprzewodowej w trybie Infrastrukturalnym Odbiera wszystkie sygnały od kart i steruje przepływem danych Tryby pracy Punkt dostępu Most Klient punktu dostępowego Retranslator punktu dostępu 39
Anteny Prętowe Dipole Anteny paraboliczne Anteny Yagi 40
Bezprzewodowe sieci dostępowe IEEE 802.15
IEEE 802.15 Standardy dla Wireless Personal Area Networks opracowane przez IEEE: 802.15.1 Bluetooth MAC i PHY dla zróżnicowanych sieci WPAN 802.15.2 współistnienie z innymi standardami pasma 2.4 GHz (szczególnie z 802.11). 802.15.3 High Rate WPAN (powyżej 20 Mbit/s) 802.15.4 Low Rate WPAN 802.15.5 Zastosowanie sieci mesh złożonych z sieci WPAN złożenie 802.15.3 i 802.15.4 802.15.6 Body Area Networks (od 2008r) 802.15.7 Visible Light Communications (VLC) 42
802.15.1-2005 czyli Bluetooth Standard komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu pomiędzy różnymi urządzeniami elektronicznymi. W pierwotnej wersji miał zastąpić połączenia przewodowe pomiędzy komputerem a urządzeniami peryferyjnymi (drukarki, skanery) oraz służyć do przesyłania sygnału mowy (telefon i słuchawki). Grupa SIG Bluetooth powstała w 1994 (Ericsson, IBM, Nokia, Intel, Toshiba). W wyniku jej prac w 2002r opublikowana została pierwsza wersja standardu 802.15.1. 43
802.15.1 Architektura sieci Podstawowa jednostka piconet: 1 węzeł master do 7 węzłów active slave do 255 zsynchronizowanych węzłów w stanie uśpienia, oczekujących na komendę aktywacji Kilka sieci piconet może utworzyć większą sieć scatternet System dostępu TDM zarządzany przez węzeł Master. Komunikacja tylko Master-Slave 44
802.15.1 zasięg, moc, przepływności Zasięg kl I (moc 100 MW) do 100m kl II (moc 2,5 MW) do 10m kl III (moc 1 MW) do 1m Przepływności: Bluetooth 1.1 1 Mbit/s Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) 2 Mbit/s i 3 Mbit/s Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) 24 Mbit/s 45
Bluetooth architektura systemu Application Layer Applications/Profiles LLC RFcomm Telephony Audio Service Discovery Control Logical link control adaptation protocol Link Manager Middleware Layer Data Link Layer Baseband Physical Radio Phy Layer 46
Bluetooth warstwa fizyczna Metoda transmisji: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Liczba skoków: 1600 na sekundę Liczba kanałów: 79 po 1MHz każdy pomiędzy: 2,400MHz a 2,483 MHz (wliczając kanały ochronne) Modulacja: GFSK (binarna) - co daje szybkość transmisji 1 Mbit/s. Sekwencję skoków wyznacza węzeł master na podstawie własnego unikalnego adresu BD_ADDR (48-bitowy). 47
Bluetooth kanał komunikacyjny Kanał podzielony został na szczeliny czasowe o długości 625 μs. W szczelinach parzystych nadaje master, a w szczelinach nieparzystych urządzenia slave. Ramki mogą mieć długość jednego, trzech lub pięciu szczelin czasowych. Master decyduje, które urządzenie może nadawać w następnej szczelinie, wysyłając mu odpowiednią komendę. Każda ramka jest transmitowana przez kanał logiczny, nazywany po angielsku link, pomiędzy masterem i urządzeniem slave. Istnieją dwa rodzaje kanałów logicznych: ACL (Asynchronous Connection-Less) - używany do przesyłania danych SCO (Synchronous Connection Oriented) - stosowany do przesyłania głosu w standardzie telefonii stacjonarnej PCM o szybkości 64 kbit/s, urządzenie slave może korzystać jednocześnie z maksymalnie trzech kanałów typu SCO. 48
Bluetooth kanał komunikacyjny (przykład) 625 s Master t Slave 1 Slave 2 Slave 3 t 625 s 3-slot packet t Slave 1 Slave 2 t 49
Bluetooth praktyczne szybkości transmisji W standardzie podstawowym (1 Mbit/s) użytkownik może uzyskać maksymalnie szybkość 723.2 kbit/s. W wersji Buetooth 2.0 + EDR dodano dwa rodzaje modulacji: DQPSK i 8DPSK, co zwiększyło szybkości transmisji do odpowiednio: 2 Mbit/s i 3 Mbit/s. Pozwala to przesyłać dane z szybkościami maksymalnymi odpowiednio: 1448.5 kbit/s i 2178.1 kbit/s. 50
Bluetooth najnowsza wersja 4.0 (+ Low Energy) Najnowsza wersja standardu Bluetooth została opracowana z myślą o przesyłaniu danych pomiędzy sensorami i nie jest kompatybilna z poprzednimi wersjami. Możliwość posiadania nieograniczonej liczby węzłów w jednej sieci piconet. Szybkość transmisji 1 Mbit/s.
IEEE 802.15.4-2015 IEEE 802.15.4 jest standardem opisującym warstwę fizyczną i MAC dla sieci o małych przepływnościach (low-rate wireless personal area networks LRWPANs). Stanowi podstawę dla specyfikacji : ZigBee, WirelessHART, MiWi oraz może być użyty dla 6LoWPAN i standardowego stosu protokołów Internetu dla urządzeń o małych rozmiarach (Wireless Embedded Internet). Protokół koncentruje się na nisko kosztowych możliwościach komunikacji o niewielkich przepływnościach. Cechy: Zasięg: 10m, Przepływność: 20, 40, 250 kbit/s. Nastawienie na maksymalizację oszczędności energii Metoda wielodostępu: CSMA/CA 52
802.15.4 warstwa fizyczna Usługa transmisji danych pracująca na 3 możliwych pasmach nie licencjonowanych: 868.0-868.6 MHz: Europa, 1 kanał komunikacyjny 902-928 MHz: Ameryka Północna, do 10 kanałów 2400-2483.5 MHz: w różnych rejonach świata, do 16 kanałów Cechy: Wykorzystanie Direct Seqence Spread Spectrum (DSSS) dla 868/915 MHz (przepływności 20 i 40 kbit/s) oraz dla 2450 MHz (przepływności 250 kbit/s) 53
802.15.4 warstwy wyższe Długość ramki mniejsza od 127 bajtów. W jednej sieci może pracować do 216 terminali. Warstwy wyższe nie zostały zdefiniowane w standardzie IEEE, natomiast specyfikacje przemysłowe oferują stosowne rozwiązania (ZigBee, TinyOS, Unison RTOS). 54
Sieć 802.15.4 Dwa typy węzłów: full-function device (FFD) - węzeł zarządzający siecią PAN. Ma zaimplementowane wszystkie moduły komunikacyjne, w tym zdolność pośredniczenia w przekazywaniu wiadomości. reduced-function devices (RFD) - węzły o bardzo prostej budowie i ograniczonych zasobach, mogą komunikować się tylko z węzłami FFD. Topologia sieci: Topologia Peer-to-peer (point-to-point) jest ograniczona do zasięgu radiowego węzłów. Standard nie wspiera bezpośrednio konkretnych protokołów routingu. Topologia gwiazdy węzeł koordynujący jest węzełem centralnym. Sieci takie powstają gdy węzeł FFD tworzy nową sieć PAN, ustala się koordynatorem i nadaje unikalny identyfikator sieci PAN (adres 64-bitowy). 55
Standard ZigBee ZigBee Alliance zdefiniowało trzy specyfikacje: ZigBee PRO, ZigBee RF4CE zdalne sterowanie urządzeniami, ZigBee IP przesyłanie pakietów IP poprzez łącza 802.15.4. Przykładowe zastosowania: Buiding Automation, Home Automation, Health Care, Smart Energy, Retail Services. 56
Bluetooth vs ZigBee Bluetooth ZigBee Data powstania 1998 2003 Zasięg 100m, 10m, 1m 10m Rodzaj transmisji Dookólna Dookólna Maksymalna szybkość transmisji 1Mb/s (do 24Mb/s) 250kb/s Prostota korzystania Średnia Duża Pobór mocy Średni Bardzo mały 57
WBAN 802.15.6-2017 Flavia Martelli, IEEE 802.15.6 STANDARD, Univ di Bolgona
802.15.7-2011 - VLC Visible Light Communications system transmisji danych wykorzystujący pasmo światła widzialnego. Pomimo pracy w zakresie światła widzialnego system nie zakłóca widzenia ludzkiego ani innych systemów optycznych. Wykorzystanie lamp fluoroscencyjnych i diod LED. Detekcja przez elementy foto-czułe. Wiele równoległych kanałów przesyłania danych Pod koniec 2010 przeprowadzono eksperymenty: Zasięg low rate do 2km (10kb/s), Maksymalna osiągnięta dotychczas przepływność 500 Mbit/s. 59
802.15.3-2016 High Data Rate WPAN Standard opracowany do przesyłania sygnałów audio i wideo, na przykład: telewizji HDTV, połączenia komputera PC z projektorem, itp. Praca w paśmie 2.4 GHz z maksymalną szybkością do 55 Mbit/s. Brak zainteresowania standardem spowodował, że w 2009 r IEEE przygotowało standard 802.15.3c działający w nielicencjonowanym paśmie 57 66 GHz i oferujący max. szybkość 5.775 Gbit/s. Był to pierwszy w historii system bezprzewodowy oferujący ponad 1 Gbit/s. 60
Zastosowania sieci 802.15 - podsumowanie Dla sieci małych rozmiarów, przepływności i zasięgu. Może łączyć peryferia komputerowe z jednostkami centralnymi (Bluetooth). Stosowalna w sieciach WPAN, WBAN. Wykorzystywana w bezprzewodowych sieciach sensorów (ZigBee). 61
Bezprzewodowe sieci dostępowe IEEE 802.11
IEEE 802.11 802.11 to grupa standardów IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) dotyczących sieci bezprzewodowych sporządzonych przez grupę 11 z IEEE 802. Rodzina 802.11 obejmuje: Protokoły skupiające się na metodach transmisji (802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ad, 802.11ac) Rozszerzenia usług i poprawki innych standardów (802.11c, 802.11e, 802.11f, 802.11h, 802.11i, 802.11j, ) Obecnie wszystkie standardy zostały umieszczone w jednym dokumencie 802.11-2016. 63
802.11 a model odniesienia 64
802.11 - standardy transmisyjne 65
802.11 - pozostałe standardy IEEE 802.11c sposób działania bezprzewodowych mostów pomiędzy sieciami. IEEE 802.11d sposób implementacji łączności bezprzewodowej w poszczególnych krajach. IEEE 802.11e QoS oraz inteligentne zarządzanie pakietami (ang. packet bursting) w transmisji strumieniowej standardów 802.11a, 802.11g i 802.11h IEEE 802.11f roaming w sieciach 802.11a, 802.11g i 802.11h przy zastosowaniu protokołu IAPP IEEE 802.11h europejski odpowiednik 802.11a w paśmie 5 GHz. IEEE 802.11i (WPA2) rozszerzenie bezpieczeństwa z użyciem szyfrowania IEEE 802.11j modyfikacja 802.11a na potrzeby Japonii zawierająca dodatkowe kanały ponad 4,9 GHz IEEE 802.11k protokół między punktami dostępowymi a terminalami IEEE 802.11r szybki roaming 66
802.11 - podstawowy standard Pierwszym standardem sieci radiowej był IEEE 802.11 (1997). Dwie szybkości transmisji 1 oraz 2 Mbit/s. Wykorzystano pasmo 2.4 GHz, a zastosowaną metodą transmisji było DSSS. Dalsze prace doprowadziły do powstania standardu 802.11b. 67
802.11b Opracowany w 1999 roku. Do poprzednich szybkości transmisji dodano 5.5 oraz 11 Mbit/s. Pojedynczy system potrzebuje 22 MHz pasma co powoduje, że w jednym miejscu mogą pracować jednocześnie 3 systemy (bez nachodzenia na siebie widm z poszczególnych systemów). Pierwszy standard oznaczony certyfikatem organizacji Wireless Fidelity (Wi-Fi). 68
802.11a 802.11a wykorzystuje pasmo 5 GHz (1999). Przepływności: maks. 54 Mbit/s, 48, 36, 34, 18, 12, 9 oraz 6 Mbit/s. Po raz pierwszy w systemach bezprzewodowych zastosowano metodę transmisji OFDM (jeden system wykorzystuje kanał o paśmie 20 MHz). 12 nie zachodzących kanałów, 8 przeznaczonych do pracy w budynkach oraz 4 przeznaczone do pracy między dwoma punktami (ang. point to point). Standard 802.11a nie doczekał się masowego wykorzystania. Wynikało to z problemów z zasięgiem, większego poboru mocy oraz braku kompatybilności ze standardem 802.11 i 802.11b. 69
802.11g W 2003 roku powstał standard 802.11g. Pracuje on podobnie jak 802.11b w paśmie 2.4 GHz, ale pozwala na transfer z szybkością do 54 Mbit/s (sposób transmisji i kodowanie zastosowane w 802.11a przeniesiono w pasmo 2.4 GHz). Standard 802.11g jest całkowicie zgodny w dół ze standardem 802.11b, jednak wykorzystanie starszych urządzeń powoduje w praktyce redukcję szybkości do 11 Mbit/s. Poprawiono algorytmy zarządzania ruchem pakietów radiowych, co poprawiło sprawność protokołu. Niestety nie wszystkie urządzenia sieciowe pozwalają na pełne wykorzystanie tych możliwości. 70
802.11n Prace nad standardem ukończono w 2009 roku. Pierwszy standard mogący pracować w paśmie 2.4 GHz i 5 GHz, jeden system może wykorzystywać kanał 20 MHz lub 40 MHz. Przepływności do 600 Mbit/s. Po raz pierwszy w systemach bezprzewodowych zastosowano technikę Multiple Input Multiple Output (MIMO) wykorzystującą wiele anten do nadawania i odbioru sygnału (standardowo 2x2, max. 4x4). 802.11n wykorzystuje wiele kanałów transmisyjnych do stworzenia jednego połączenia. 71
802.11 - System Dystrybucyjny System Dystrybucyjny system komunikacji między kilkoma punktami dostępowymi, który zapewnia wymianę ramek między nimi i dostarczenie ich do miejsca przeznaczenia. Punkt dostępowy urządzenie służące do zamiany ramek na standard 802.11.
802.11 - System Usługowy Podstawowy System Usługowy (ang. Basic Service Set) zespół komunikujących się ze sobą stacji wewnątrz tzw. basic service area definiowanego przez charakterystykę rozchodzenia się medium radiowego. Dzieli się na: Niezależny (IBSS Independent BSS) Strukturalny
802.11 - Rozszerzony Obszar Usługowy Extended Service Set obszar złożony z wielu BSS połączonych za pomocą sieci szkieletowej.
802.11 AP - Terminal a Usługi Sieciowe
Wyzwania dla protokołu MAC 76
Tryb dostępu i sposób koordynowania kanału DCF (Distributed Coordination Function) rozproszona koordynacja dostępu do wspólnego medium. Węzły rywalizują o medium wykorzystując CSMA/CA. Zaletą jest brak konieczności synchronizacji zegarów (tak było w Bluetooth) wynikającą z nadawania w szczelinach. Wadą są problemy z minimalizowaniem występowania kolizji wiele węzłów może rozpocząć nadawanie w tym samym momencie.
802.11 - stan kanału i wektor alokacji sieci Stan kanału rozpoznawany jest na dwa sposoby: NAV - wektor alokacji sieci. Wykorzystuje pole duration w ramce rezerwującej nośnik na określony czas. Fizycznie lub wirtualnie Wysyłający szacuje NAV, a inne stacje odliczają NAV do 0. NAV jest umieszczany w ramce RTS, a następnie przesyłany do wszystkich słuchających w ramce CTS.
802.11e WiFi Multimedia W 2005r IEEE stworzyło ulepszoną wersję MAC umożliwiającą przesyłanie sygnałów wideo oraz rozmów telefonicznych voip: utworzono 8 kategorii ruchu. W wersji podstawowej, każda stacja po stwierdzeniu, że kanał transmisyjny jest wolny odczekiwała pewien czas DIFS i gdy po tym czasie kanał nadal nie był zajęty, wysyłała ramkę z danymi lub RTS. W nowej wersji czas oczekiwania po pierwszym nasłuchu kanału może mieć różną długość, w zależności od przydzielonej kategorii: czas oczekiwania musi być co najmniej równy DIFS dla zapewnienia kompatybilności z poprzednimi standardami.
802.11 struktura ramki MAC Addr1 adres docelowy Addr2 adres źródłowy Addr3 adres odbiornika Addr4 adres nadajnika 80
802.11 standardy Very High Throughput (VHT) Grupa 802.11 w 2007 roku opracowała dwa standardy oferujące szybkości transmisji powyżej 1 Gbit/s. 802.11.ac: Pracuje w paśmie 5 GHz, System może wykorzystać kanał o szerokości: 20, 40, 80 lub 160 MHz, Szybkość transmisji do 6933 Mbit/s. 802.11.ad: Pracuje w paśmie nielicencjonowanym 60 GHz, zasięg do 10 m, wykorzystuje kanał o szerokości 2160 MHz, Szybkość transmisji do 6775 Mbit/s. 81
Standardy 60 GHz Gigabit W 2012 roku organizacja ITU zaaprobowała dwa standardy wykorzystujące pasmo 60 GHz i umożliwiające transmisję z szybkością wielu Gbit/s jako standardy przeznaczone do przesyłania sygnałów wideo (wireless HDMI). Standard 802.11ad dostał wsparcie organizacji Wireless Gigabit Alliance WiGig (obecnie części Wi-Fi Alliance). Standard 802.15.3 popiera utworzone konsorcjum WirelessHD. 82
Bezprzewodowe sieci dostępowe 802.16 83
Broadband Wireless Access BWA Systemy BWA mają zapewnić możliwość transmisji dużej liczbie użytkowników na dużym obszarze z dużą szybkością transmisji. W połowie lat 90-tych pojawiło się wiele systemów oferujących stacjonarny dostęp bezprzewodowy i będących propozycją systemów tzw. ostatniej mili. W USA organizacja Davic, zrzeszająca producentów sprzętu wideo oraz operatorów sieci kablowych, stworzyła dwa systemy: LMDS i MMDS. Oba te systemy powstały na bazie istniejących systemów dostarczających sygnał telewizyjny do abonentów. 84
Broadband Wireless Access BWA - zastosowanie 85
LMDS i MMDS czyli systemy LOS i NLOS LMDS (Local Multipoint Distribution System) pracował w paśmie 28 29 GHz i oferował szybkość około 36 Mbit/s. MMDS (Multipoint Microwave Distribution System) był podobny do LMDS, ale pracował w paśmie 2.5 2.7 GHz. Oba te systemy różni właściwie tylko wykorzystywane pasmo, ale: Sygnały o częstotliwości większej niż 10 GHz nie dają odbić (są pochłaniane przez przeszkody), co oznacza, że antena odbiornika musi widzieć antenę nadajnika systemy LOS (Line Of Sight). Wiele systemów (np. telefonia komórkowa) pracuje często wyłącznie na sygnale odbitym systemy NLOS (Non Line Of Sight). 86
802.16 rodzina standardów W 1999r. IEEE stworzyło grupę 16, której celem miało być opracowanie otwartego standardu, mogącego zastąpić system LMDS. W 2001r. zatwierdzono pierwszy standard 802.16, pracujący w paśmie od 10 do 66 GHz. Po dzień dzisiejszy ta propozycja nie znalazła aprobaty wśród producentów sprzętu. Następna wersja 802.16d, przeznaczona do pracy w paśmie od 2 do 10 GHz spotkała się z aprobatą powstałej w międzyczasie organizacji WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) Forum. W 2005 powstała mobilna wersja systemu 802.16e, a w 2010 stworzono standard 802.16m, będacy propozycją systemu 4G (WirelessMan_Advanced air interface for BWA systems). 87
Fixed WiMAX Organizacja WiMAX Forum na bazie standardów 802.16 opracowała profile dla dwóch typów systemów: stacjonarnego i mobilnego (oba mogą wykorzystywać pasmo licencjonowane i nielicencjonowane). Dostęp stacjonarny Fixed WiMAX: Bezprzewodowy system dostępowy ostatnia mila Nazywany często WiFi na sterydach Alternatywa dla dostępu DSL i modemów kablowych Wykorzystuje OFDM (802.16d), zasięg od 5 do 50 km Dla kanału 20 MHz szybkość transmisji do 75 Mbit/s 88
Mobile WiMAX Dostęp mobilny Mobile WiMAX: Konkurent systemów telefonii komórkowej Wykorzystuje OFDMA (802.16e), zasięg od 2 do 5 km Dla kanału 2x20 MHz szybkość transmisji do 128 Mbit/s 89
Systemy 4G W 2010 ITU zatwierdziła,że systemami spełniającymi wymagania 4G są: LTE_Advanced WiMAX_Advanced System WiMAX_Advanced w kanale 2x20 MHz daje szybkości ok. 360 Mbit/s. Oba systemy 4G wykorzystują podobne techniki pozwalające zwiekszyć szybkość transmisji i poprawić jej jakość: OFDMA, MIMO, HARQ Możliwość łączenia kanałów aż do 100 MHz 90
Zastosowanie standardu WiMAX Standard WiMAX przegrał walkę z LTE o panowanie na rynku systemów komórkowych, ale znalazł inne zastosowania: AeroMACS WiGRID System AeroMACS (Aeronautical Mobile Airport Communication System) pracujący w paśmie 5 GHz ma docelowo zastąpić pracujący obecnie na lotniskach system ACARS. System WiGRID wykorzystuje wiele firm do nadzoru rurociągów z gazem i ropą naftową (odczytywanie parametrów, ochrona, monitorowanie). 91
Bezprzewodowe sieci dostępowe IEEE 802.20
IEEE 802.20 Mobile-Fi Mobile Broadband Wireless Access (802.20) jest standardem IEEE przeznaczonym dla sieci dostępowych. Standard jest skoncentrowany na obsłudze przemieszczających się terminali w środowisku miejskim (WAN). Standard oparty jest o transmisję pakietową Pracuje w paśmie 3.5 GHz Optymalizowany dla użytkowników poruszających się z prędkościami do 250 km/h Na standard składają się rozwiązania warstwy Fizycznej oraz Łącza danych (MAC). 93
IEEE 802.20 Usługi 802.20 jest pierwszym standardem obsługującym wysoką mobilność w granicach prędkości do 250 km/h Zapewnia: Dostęp bezprzewodowy dla użytkowników mobilnych Optymalizowany dla integracji środowisk pracy, domu i mobilnych Mobile Broadband Wireless Access Home Domain Video Streaming Conferencing Apps Video Streaming Conferencing Apps Field Service Apps Portable Remote Access Services Work Domain Portable Office Seamless Ubiquitous Experience High BW Connectivity Hotel/Motel Mobile Office (Voice and Data Apps) Mobile Domain Portable Services Reservations-Listings Directions Services Mobile Commerce Services Video Streaming Conferencing Apps IEEE 802.20 System Requirement V1.0, P802.20-PD-06r1
IEEE 802.20 cel nowego standardu Celem jest umożliwienie rozmieszczenia taniej i dostępnej infrastruktury sieci dostępowej, która by współistniała z istniejącymi rozwiązaniami. Celem prac są: Specyfikacja warstwy fizycznej i MAC Praca w paśmie licencjonowanym poniżej 3,5 GHz Optymalizacja dla transportu danych IP Maksymalna szybkość transmisji danych do użytkownika ponad 1Mbps Wspieranie mobilności do 250 km/h w środowisku MAN From Mission and Scope, http://ieee802.org/20/index.html
IEEE 802.20 : Oferowane Usługi 802.20 oferuje wsparcie dla: Transmisji sygnałów wideo, wyszukiwania graficznego, e-mail, przesyłania plików, streamingu wideo i audio. IP Multicast Serwisów lokalizacyjnych Sieci VPN VoIP Gier On-line From IEEE 802.20 System Requirement V1.0, P802.20-PD-06r1, [1]
802.20: przykład zastosowania - kolej 802.20 based Broadband Railroad Digital Network BRDN Zastosowanie w usługach M-commerce dla pociągów z dostępnym Wi-Fi From IEEE 802.20 Based Broadband Railroad Digital Network - The Infrastructure for M-Commerce on the Train, [10]
IEEE 802.20 - charakterystyka Cecha Wartość Mobilność Vehicular mobility classes up to 250 km/hr (as defined in ITU-R M.10341) Efektywność Widmowa > 1 b/s/hz/cell Przepływność do użytkownika (Downlink (DL)) > 1 Mbps* Przepływność do użytkownika (Uplink (UL)) > 300 kbps* Przepływność do użytkowników w komórce (DL) > 4 Mbps* Przepływność do użytkowników w komórce (UL) > 800 kbps* Szerokość Pasma 1.25 MHz, 5 MHz Pasmo użyteczne < 3.5 GHz Organizacja dostępu Wspiera FDD (Frequency Division Duplexing) oraz TDD (Time Division Duplexing) Dostęp do pasma Licencjonowany From IEEE 802.20 System Requirement V1.0, P802.20-PD-06r1, [1]