Beamforming - автоматическое формирование луча

В последних моделях Wi-Fi-маршрутизаторов все чаще можно увидеть такую "опцию" как Beamforming. Beamforming, согласно техническим спецификациям современных Wi-Fi-устройств, это технология, позволяющая направлять излучаемый сигнал не во все стороны, как это происходит обычно, а "концентрированно" в сторону абонента. Это увеличивает отношение сигнал/шум, и как следствие - скорость передачи данных:

Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий сигналов и множество других источников радиопомех, работающих в нелицензируемом диапазоне частот 2.4 и 5 ГГц.

Следует отметить, что главной сложностью при внедрении beamforming в устройства является сложность настройки антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. В недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является лишь маркетинговым ходом. Сильно повысить стабильность приема в отдаленных участках помещения не получится. Beamforming стал частью стандарта, начиная с 802.11ac, во втором поколении этих устройств (wave 2).

MCS в Wi-Fi сетях

MCS - это общепринятая аббревиатура ModulationandCodingScheme (модуляция и схема кодирования), которая обозначает сразу несколько параметров передачи сигнала:

· Тип модуляции. Модуляция - это метод передачи данных. Чем сложнее модуляция, тем выше скорость передачи данных. Более сложные модуляции требуют хороших условий передачи, низкого уровня помех и отсутствия препятствий на пути прохождения сигнала.

· Скорость кодирования информации. Этот параметр указывает на то, какая часть потока данных фактически используется для передачи "полезной" информации. Это значение выражается в виде дроби, например, 5/6 или 83,3% используемого потока данных.

· Количество пространственных потоков. Используя технологию MIMO, в настоящее время возможно запускать до 8 пространственных потоков. Фактически это позволяет использовать одну и ту же область частотного пространства для передачи и приема нескольких потоков данных.

· Ширина канала передачи. Это значение определяет, какая ширина канала будет использована для передачи. Ширина канала может быть максимум 40 МГц для диапазона 2.4 ГГц и 160 МГц для диапазона 5 ГГц. В диапазоне 60 ГГц ширина канала может составлять до 2 ГГц (стандарт 802.11ad/ay).

· Длительность защитного интервала. Защитный интервал фактически представляет собой очень короткую паузу между передачей пакетов, чтобы можно было игнорировать любую ложную информацию. Более длительные интервалы защиты обеспечивают более надежную беспроводную связь.

Чем выше индекс MCS, тем "сложнее" вышеперечисленные параметры передачи.

Применение технологии Wi-Fi

Технология Wi-Fi может быть применена для:

• создания беспроводных локальных сетей (WLAN);
• расширения возможностей сетей;
• организации доступа к Интернету.

Создания беспроводных локальных сетей

Существует два основных способа организации беспроводной локальной сети (WLAN) – это режимы инфраструктуры (InfrastructureMode) и точка-точка (Adhoc).

В беспроводной локальной сети, функционирующей в режиме InfrastructureMode (в инфраструктурном режиме Wi-Fi), беспроводные устройства общаются между собой через точку доступа AccessPoint. Точка доступа передаёт идентификатор сети SSID (ServiceSet ID) с помощью специальных сигнальных пакетов. Беспроводные устройства подключаются к AccessPoint, используя ее идентификатор сети SSID, и обмениваются информацией друг с другом. В этом случае AccessPoint используется в качестве центральной точки подключения беспроводных устройств.

В беспроводной локальной сети типа Adhoc связь устанавливается непосредственно между устройствами, оборудованными Wi-Fi- адаптерами, и в этом случае точка доступа вообще не используется. Режим "Adhoc" - это режим "равный-с-равным" (peer-to-peer).

Таким образом, в беспроводной локальной сети в режиме Adhoc беспроводные сетевые адаптеры используется для объединения компонентов сети.

Расширение возможностей локальных сетей (мост AccessPointBridge, беспроводный мост point-to-point, репитер сигнала базовой точки доступа).

Мост AccessPointBridge

Кроме создания беспроводных локальных сетей технология Wi-Fi используется для расширения возможностей проводных локальных или корпоративных сетей. Как правило, беспроводные локальные сети Wi-Fi подключаются к проводным локальным сетям. В этом случае AccessPoint применяется в качестве моста (AccessPointBridge) между проводными и беспроводными сегментами локальной сети. Образец схемы локальной сети представлен на рисунке.

В представленной сети КПК, ноутбук и принтер оснащены Wi-Fi - адаптерами и подключаются к беспроводной точке доступа, которая соединена с проводной локальной сетью, состоящей из четырех ПК. Таким образом, AccessPoint используется в качестве моста между проводной и беспроводной частями сети, чем достигается расширение возможностей LAN.

Применения AccessPoint в качестве беспроводного моста point-to-point между проводными сегментами сети позволяет одной беспроводной точке доступа обмениваться данными с другой точкой доступа, поддерживающей режим беспроводного моста. Таким образом, два сегмента локальной сети или две локальной сети соединяются друг с другом с помощью двух точек доступа.

 

Ретранслятор (репитер) сигнала беспроводной точки доступа

Кроме того, точка доступа может использоваться в качестве беспроводного ретранслятора (репитера) сигнала базовой точки доступа, расширяя ее зону покрытия за счет повтора сигнала. В данном режиме репитер работает как приемо-передатчик или ретранслятор. Он принимает слабый сигнал от базовой точки доступа, усиливает его и передает на той же частоте дальше, тем самым расширяя зону радиопокрытия. В этом случае вся зона покрытия выглядит так, как будто она "покрыта" одной точкой доступа.

Таким образом, AccessPoint может применяться в качестве моста как между проводными и беспроводными сегментами локальных сетей, так и между проводными сегментами сети, а также в качестве репитера сигнала базовой точки доступа. Кроме того, точка доступа может использоваться в режиме репитер-мост.

Режим повторителя используется в ситуации, когда необходимо связать Wi-Fiточки доступа между собой, но их радиуса действия не хватает для этого. В таком случае между ними устанавливается еще одна или несколько точек, работающих в режиме повторителя. Такие точки доступа принимают сигнал, усиливают его и передают дальше к следующей точке.

 

 

Организация доступа к Интернету

Hotspot - публичная зона беспроводного доступа (Wi-Fi-зона)

Технология Wi-Fi может обеспечить доступ к ресурсам сети Интернет по беспроводному протоколу радиодоступа Wi- Fi в радиусе действия точки доступа. Такие общественные точки доступа называются Hotspot или местом, где имеется высокоскоростной беспроводный доступ в сеть Интернет.

Хотспот или публичная зона беспроводного доступа - это территория (помещения вокзала, офиса, учебных аудиторий, кафе и т.д.), покрытая беспроводной сетью Wi-Fi, на которой пользователь, имеющий устройство с беспроводным адаптером стандарта Wi-Fi, может подключиться к Интернет.

Для расширения зоны радиопокрытия Hotspot или увеличения радиуса действия беспроводной сети можно устанавливать репитеры (ретрансляторы Wi-Fi) через какое-то расстояние от базовой точки доступа, которые будут повторять сигнал базовой точки доступа. В качестве ретранслятора можно использовать точку доступу в режиме репитер. Кроме того, для расширения зоны радиопокрытия Hotspot можно применить специальные выносные Wi-Fi антенны (панельные, параболические и т.д.).

В общем случае для организации хотспота точка доступа подключается к провайдеру, используя один из стандартных способов: технологию ADSL, 3G или локальную сеть FastEthernet.

Необходимо отметить, что при подключении к точке беспроводного доступа мобильного телефона с интегрированной поддержкой Wi-Fi и сервиса VoIP стоимость международных звонков значительно снижается по сравнению с традиционной и сотовой телефонией.

Для организации на большой территории публичной зоны беспроводного доступа, т.е. хотзоны, целесообразно использовать не одну точку доступа, а несколько точек доступа. Для объединения точек доступа, расположенных на большой территории, можно применить стекируемые коммутаторы, а для централизованного управления ими контроллер точек беспроводного доступа.

Беспроводные сети SOHO

Технологию Wi-Fi можно использовать для создания беспроводных сетей типа SOHO (Smalloffice/homeoffice - малый офис/домашний офис) с выходом в Интернет. Для создания беспроводных сетей с выходом в Интернет нашли широкое применение интегрированные устройства, включающее в себя точку доступа (приёмопередатчик, выполняющий роль беспроводного сетевого концентратора, для клиентов беспроводной сети), маршрутизатор с функцией преобразования IP-адресов (NAT), DHCP-сервер, сетевой коммутатор LAN, межсетевой экран и т.д.

Такие интегрированные устройства получили название "беспроводные маршрутизаторы" (wirelessrouter). К ним можно подключать не только беспроводных, но и проводных клиентов. Для подключения к Интернет маршрутизаторы должны быть оснащены одним из портов: Ethernet WAN портом, портом для ADSL-модема или 3G WAN портом.

Для стандартного Ethernet подключения к провайдеру маршрутизатор должен быть с Ethernet WAN портом. Для ADSL подключения к Интернет ADSL-модем должен быть совмещен с точкой доступа Wi-Fi. Если для доступа к Интернет применяются технологии мобильной связи 3G, то маршрутизатор должен иметь 3G WAN порт. В качестве примера на рисунке представлен беспроводной маршрутизатор LinksysWRT160N (в режиме работы - Шлюз), на базе которого реализована беспроводная сеть SOHO с выходом в Интернет.

 

Беспроводной широкополосный маршрутизатор LinksysWRT160N - это программно-аппаратное устройство, интегрирующие в себе функции сетевого адаптера с Ethernet WAN портом для подключения к глобальной сети, точки доступа в виде приёмопередатчика, выполняющего роль беспроводного сетевого концентратора или коммутатора для клиентов WLAN, коммутатора на 4 порта для клиентов кабельной сети LAN, сетевого моста, связывающего WLAN и LAN, маршрутизатора с межсетевым экраном SPI и функцией преобразования IP-адресов (NAT), DHCP-сервера.

Брандмауэр SPI обеспечивает защиту от атак через Интернет. DHCP-сервер назначает динамические частные IP-адреса компьютерам локальных сетей (WLAN и LAN) в диапазоне 192.168.1.100 - 192.168.1.149. Маршрутизатор (локальный IP-адрес - 192.168.1.1) с функцией преобразования IP-адресов (NAT) обеспечивает преобразование частных IP-адресов локальных сетей (WLAN и LAN) во внешний глобальный IP-адрес.

 

В развернутом виде приведенная схема сети SOHO выглядит так:

Встроенная беспроводная точка доступа маршрутизатора поддерживает стандарты 802.11b, 802.11g и 802.11n. Встроенный коммутатор стандарта 10/100 Ethernet на 4 порта, работающий в полнодуплексном режиме, предназначен для соединения устройств Ethernet через проводную сеть.

Встроенный мост обеспечивает обмен информацией (общий доступ к папкам и файлам) между notebook (HOME) и desktop (MY), которые подключены к WLAN и LAN сетям соответственно. Кроме того, встроенный в LinksysWRT160N маршрутизатор с функцией преобразования IP-адресов (NAT), подключенный через Ethernet WAN порт к сети Интернет, обеспечивает компьютерам (HOME и MY) совместный доступ в Интернет по одному и тому же IP-адресу, выделенному провайдером. Внутренние IP-адреса компьютерам (HOME и MY) локальных сетей WLAN и LAN назначает встроенный DHCP-сервер.

Дальность действия

 

Дальность действия Wi-Fi устройств зависит от мощности установленного в них передатчика (можно узнать в документации к Wi-Fi устройству), а также от типа используемой антенны. Не последнюю роль в дальности действия Wi-Fi устройств играет место их расположения. Если точка доступа расположена на открытой местности то она запросто может передавать сигнал на 200 метров, но если же она расположена в помещении то ее сигнал может существенно затухать проходя через элементы конструкции здания. Так, например обычное окно может снизить радиус действия точки доступа на 30%, гипсокартонные межкомнатные стены на 50-70%, а бетонные или железобетонные конструкции могут ослабить сигнал более чем на 90% или же привести к его полному затуханию.

 

Надежность

 

Хотя технология Wi-Fi является довольно надежной, все же не рекомендуется использовать ее в качестве основной технологии передачи данных. Сеть Wi-FI может быть очень сильно подвержена воздействию различных электромагнитных помех.

 

Преимущества Wi-Fi

 

- Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

- Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

- Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

- Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке.

- В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

 

Недостатки Wi-Fi

- В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.

- Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.

- Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

- Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

- Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало возможным применение более безопасной схемы связи, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.

- В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.