Организация принципов построения сети Wi-Fi
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ералы У.А.
Организация принципов построения сети Wi-Fi
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Допущен к защите:
Заведующий кафедрой
PhD, ассист-профессор
___________Е.А. Дайнеко
_____ ___________2019 г.
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Организация принципов построения сети Wi-Fi
Организация принципов построения сети Wi-Fi в метро
по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Студент:
гр. РЭТ-1502 У.А.Ералы
____ ________2019 г.
_____________
(подпись)
Научный руководитель:
Ассистент-профессор
Е.А.Бахтиярова
____ ________2019 г.
___________
(подпись)
Рецензент:
К.т.н, асс-профессор кафедры Телекоммуникационные системы Алматинский университет энергетики К.С.Чежимбаева
____ ________2019 г.
___________
(подпись)
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, Электроника и Телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Задание на дипломный проект
Ералы Умитжан Айтақынұлы
Тема проекта Организация принципов построения сети Wi-Fi
Утверждено приказом № ______ МУИТ от ____ _______________ 2019 г.
Срок сдачи студентом законченного проекта __ _______________ 2019 г.
Исходные данные к проекту : частоты - 2.4ГГц,5ГГц, мощность передатчика - 26дБм,20дБм, коэффициенты усиления - 16, 3,длина волны - 0.125, 0.06м
Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
1. Общие понятия беспроводного доступа Wi-Fi (характеристики, стандарты)
2. Выбор оборудования системы беспроводного доступа
3. Расчет зоны покрытия точек доступа
4. Экономическое обоснование дипломного проекта
5. Охрана труда и промышленной экологий
Лазерный CD диск с текстом дипломного проекта и приложениями
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.
Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата
Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
и.о.профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.
ОТ и ПЭ
Ассистент-
профессор, PhD
Малгаждарова М.К.
Нормоконтроль
И.о. ассоц-профессор, к.т.н. Жаксылык А.
Дата выдачи задания: 3 декабря 2018 г.
Руководитель ___________________________________ ___ Е.А.Бахтиярова
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ___ У.А.Ералы
(подпись)
Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент ______ группа ________ курс _____
Международный Университет Информационных Технологий
___________________________________ _________________________
(Ф.И.О)
Тема: ___________________________________ ________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ________________________
№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание
1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру
Ноябрь
2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь
3.
Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение
Январь-Февраль
4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель
5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля
6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры
21-25 Января
5-16 Февраля,
1-5 Апреля
7.
Предзащита
8-12 Апреля,
13-17 Мая
20-23 Мая
8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
22 Мая - 5 Июня
9.
Составление доклада для ГАК
25 Мая - 8 Июня
10.
Презентация ДП для ГАК
28 Мая - 11 Июня
Руководитель___________________________________ __________ Е.А.Бахтиярова
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ______ У.А.Ералы
(подпись)
Дата выдачи задания 3 декабря 2018 г.
АҢДАТПА
Берілген дипломдық жұмысында "Метрополитен" КМК-де Wi-Fi (IEEE-802.11n) стандартының негізінде сымсыз кеңжолақты байланыс желісін құру жоспары мен негіздемесі қарастырылған.
Жобада стандарттың сипаттамалары, оның басқа стандарттардан ерекшеліктері, жабдықтардың құрамы және желіні құру сұлбасы ұсынылған. Жобада, сондай-ақ, жабдықтарды пайдалану кезіндегі өміртіршілік қауіпсіздігі мәселелері қарастырылған. Осы жобаны енгізудің техника-экономикалық негіздемесі жасалды.
Дипломдық жұмыстың көлемі 78 беттен тұрады, онда 27 сурет, 13 кесте, 17 әдебиет көзі бар.
Түйінді сөздер: сымсыз кеңжолақты байланыс, Wi-Fi, коммутатор, бағыт диаграммасы.
АННОТАЦИЯ
В данной дипломной работе рассмотрен план и обоснование построения сети беспроводной связи на основе стандарта Wi-Fi (IEEE-802.11n) в КГП "Метрополитен" г. Алматы.
В дипломе так же представлены характеристики стандарта, отличие его от других стандартов, состав оборудования и схема построения сети. В проекте разработано технико-экономическое обоснование внедрения данного проекта. Также описаны меры безопасности жизнедеятельности.
Объем дипломной работы 78 страниц, он содержит 27 рисунков, 13 таблиц, 17 источников литературы.
Ключевые слова: широкополосный доступ, Wi-Fi, коммутатор, диаграмма направленности.
ABSTRACT
This thesis discusses the plan and rationale for the construction of a wireless network based on the standard Wi-Fi (IEEE-802.11n) in the MSE "metro" Almaty.
The diploma also presents the characteristics of the standard, its difference from other standards, the composition of the equipment and the network construction scheme. The project developed a feasibility study for the implementation of this project. Life safety measures are also described.
The volume of the thesis 78 pages, it contains 27 figures, 13 tables, 17 sources of literature.
Keywords: broadband wireless access, Wi-Fi, switch, antenna patterns.
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
10
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
12
1
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI ... ...
13
1.1
Особенности развития технологий беспроводного доступа ... ... ... .
13
1.2
Классификация стандартов 802.11 ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
15
1.3
Увеличение физической скорости передачи данных стандарта 802.11n ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
24
1.4
Топологии беспроводных сетей Wi-Fi ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
27
1.5
Обоснование постановки задачи
30
2
РЕАЛИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА ... ... ... ... ... ... ..
31
2.1
Место реализации проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
2.2
Техническое решение проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
32
2.3
Характеристика объекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
33
2.4
Описаниевивхарактеристикаввыбранног о оборудования ... ... ... ...
33
2.5
Разработка структурной схемы организации сети ... ... ... ... ... ... .
41
3
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
43
3.1
Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности ... ... ... ... .
43
3.2
Расчет чувствительности приемника ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
43
3.3
Расчет зоны покрытия точек доступа ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
45
3.4
Влияние эффекта Доплера на частоту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
47
4
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
53
4.1
Бизнес идея ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
53
4.2
Анализ рынка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
54
4.3
Маркетинговая стратегия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
54
4.4
Финансовый анализ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
55
4.5
Выводы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
63
5
ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ ... ... ... ... ..
64
5.1
Характеристика производстенного объекта ... ... ... ... ... ... ... ... .
64
5.2
Анализ опасных и вредных производственных факторов ... ... ... ...
65
5.3
Производственная санитария и гигиена труда ... ... ... ... ... ... ... ..
66
5.4
Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
67
5.5
Пожаробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
67
5.6
Техника безопасности при работе с оборудованием ... ... ... ... ... .. .
69
5.7
Расчеты ,подтверждающие или обеспечивающие безопасные условия труда ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
72
5.8
Aнтропогенное воздействие объекта на окружающую среду и мероприятия по экологической безопасности ... ... ... ... ... ... ... ...
73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ... ... ... ... ... ... . .
78
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной дипломной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
WiFi (Wireless Fidelity) - беспроводная точность;
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - Всемирная функциональная совместимость для микроволнового доступа;
WLAN (Wireless Local Area Network) - Беспроводной доступ к локальной сети;
WPAN (Wireless Personal Area Network) - Беспроводные персональные сети;
WWAN (Wireless Wide Area Network) - Беспроводная глобальная вычислительная сеть;
AP (Access Point) - Точка доступа;
BSS (Basic Service Set) - Основная зона обслуживания;
BPSK (Binary Phase Shift Keying) - Двоичная фазовая манипуляция;
BTS (Base Transceiver Station) - Приемопередатчик базовой станций;
BWA (Broadband Wireless Access) - Широкополосный беспроводной доступ;
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - Прямая ппоследовательность расширения спектра;
ESS (Extended Service Set) - Расширенная зона обслуживания;
FDD (Feature Driven Development) - Разработка, управляемая функциональностью;
IBSS (Independent Basic Service Set) - Эпизодическая сеть;
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров электротехники и электроники;
IP (Internet Protocol) - Интернет-протокол;
MESH (Medical Subject Headings) - Компьютерные сети с ячеистой структурой;
MIMO (Multiple Input Multiple Output) - Метод пространственного кодирование сигнала;
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов;
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - Квадратурная амплитудная модуляция;
QoS (Quality of Service) - Качество обслуживания;
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - Квадратурная фазовая манипуляция;
SSID (Service set Identifier) - Идентификатор сети;
TDD (Test-driven Development) - Разработка через тестирование;
TDMA (Time Division Multiple Access) - Множественный доступ с разделением по времени;
БС - Базовая станция;
ГОСТ - Государственный стандарт;
ДИП - Дымовой извещатель пожарный;
ТД - точка доступа;
КТД - Контроллер Точек Доступа;
ИТ - Информационная Технология;
НДС - Налог на добавленную стоимость;
ПК - Персональный компьютер;
ПУЭ - Правила устройства электроустановок;
ПЭВМ - Персональная электронно вычислительная машина;
СВЧ - Сверх высокой частоты;
СНиП - Строительные нормы и правила;
СПС - Сеть подвижной связи;
ТБ - Техника безопасности;
ФОТ - Фонд оплаты труда;
ЭИИМ - Эффективная изотропная излучаемая мощность;
ВВЕДЕНИЕ
Во всем мире спрос на беспроводную связь быстро растет, особенно в сферах бизнеса и ИТ-технологий. Пользователи с беспроводным доступом в Интернет всегда могут работать более эффективно и результативно, чем где бы то ни было, например, с подключениями к проводным коммуникациям и компьютерным сетям, точно так же, как подключения к конкретной инфраструктуре связи.
На современном этапе формирования сетевой технологии технология беспроводной сети Wi-Fi считается более удобной в условиях, требующих мобильности, простоты установки и использования. Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity - Wireless) - это стандарт широкополосной беспроводной связи серии 802.11, разработанный в 1997 году. Помимо принципов, технология Wi-Fi также используется в организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также при формировании так называемых точек доступа к высокоскоростному Интернету.
По сравнению с традиционными проводными сетями беспроводные сети имеют значительные преимущества, и, конечно же, их основными преимуществами являются:
- отсутствие проводов;
- высокая мобильность и высокая скорость передачи данных на рабочем месте;
- скорость проектирования и реализации, что имеет решающее значение для установления строгих временных требований к сети;
- минимальные строительно-монтажные работы.
В то же время развитие беспроводных сетей на данном этапе не решило каких-либо серьезных дефектов. Во-первых, это зависимость скорости и дальности соединения от наличия препятствий и расстояния между приемником и передатчиком. Единственный способ увеличить радиус воздействия беспроводной сети - это сформировать распределенную сеть на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании такой сети, независимо от количества стен (препятствий), вы можете нарисовать здание в единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения. Проблема масштабируемости сети решается аналогичным образом, а использование внешней направленной антенны позволяет эффективно регулировать проблему препятствия, ограничивающего сигнал.
Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в КГП "Метрополитен" г. Алматы, с целью повышения уровня информатизации, предоставления современных услуг связи: высокоскоростной доступ в Интернет, на базе технологии Wi-Fi.
1 ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI
Особенности развития технологий беспроводного доступа
С Wi-Fi сложилась несколько запутанная ситуация, поэтому для начала определимся с используемой терминологией.
Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network -- WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постоянно совершенствовался, и в настоящее время существует целое семейство, к которому относят спецификации IEEE 802.11 с буквенными индексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Однако только четыре из них (а, b, g и i) являются основными и пользуются наибольшей популярностью у производителей оборудования, остальные же (с-f, h-n) представляют собой дополнения, усовершенствования или исправления принятых спецификаций.
В свою очередь, Институт электроники и электротехники (IEEE) только разрабатывает и принимает спецификации для стандартов, перечисленных выше. В его обязанности не входит работа по тестированию оборудования разных производителей на совместимость.
Для продвижения на рынке оборудования для беспроводных локальных сетей (WLAN) была создана группа, которая получила название Wi-Fi Alliance. Этот альянс контролирует сертификацию оборудования различных производителей и выдает разрешения членам альянса на использование логотипа бренда Wi-Fi. Наличие логотипа Wi-Fi на оборудовании гарантирует надежную работу и совместимость оборудования при построении беспроводной локальной сети (WLAN) на оборудовании различных производителей. В настоящее время Wi-Fi-совместимым является IEEE 802.11a, b и g-совместимое оборудование (оно также может использовать IEEE 802.11i для обеспечения безопасного соединения). Кроме того, наличие логотипа Wi-Fi на оборудовании означает, что оборудование работает в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Поэтому под Wi-Fi следует понимать совместимость оборудования разных производителей, предназначенного для построения беспроводных локальных сетей, с учетом вышеуказанных ограничений.
Различают три типа беспроводных сетей (См. рис. 1.1): PAN (Personal Area Network), LAN (Local Area Network) и MAN (Metropolitan Area Network).
Стандарт IEEE 802.11 является первым стандартом для продуктов WLAN от независимых международных организаций. Однако к моменту выпуска стандарта скорость передачи данных, изначально включенная в стандарт, оказалась недостаточной. Это причина для дальнейшего улучшения, поэтому сегодня мы можем обсудить набор стандартов.
Рисунок 1.1 - Радиус действия персональных, локальных и глобальных беспроводных сетей
При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA - Broadband Wireless Access) применяются аналогичные технологии. Основное различие между ними (См. рис. 1.2) заключается в диапазоне рабочих частот и характеристиках радиоинтерфейса. WLAN и WPAN работают в нелицензированных полосах частот 2,4 ГГц и 5 ГГц, то есть их развертывание не требует планирования частот и координации с другими радиосетями, работающими в той же полосе. Сети BWA (широкополосного беспроводного доступа) используют как лицензионные, так и нелицензионные полосы (от 2 до 66 ГГц).
Рисунок 1.2 - Классификация беспроводных технологий
Основной целью беспроводной локальной сети (WLAN) является организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Второй наиболее важной областью применения является организация общественных коммерческих точек доступа (горячих точек) в людных местах - гостиницах, аэропортах, кафе и временных сетях во время мероприятий (выставок, семинаров).
Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети также известны как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам Wi-Fi не определен в стандарте, бренд Wi-Fi стал наиболее широко используемым брендом в мире.
Стандарт IEEE 802.11 является первым стандартом для продуктов WLAN от независимых международных организаций. Однако к моменту выпуска стандарта скорость передачи данных, изначально включенная в стандарт, оказалась недостаточной. Это причина для дальнейшего улучшения, поэтому сегодня мы можем обсудить набор стандартов.
1.2 Классификация стандартов 802.11
В настоящее время широко используется преимущественно три стандарта группы IEEE 802.11 представлены в таблице 1.1.
802.11
802.11b
802.11a
802.11g
802.11n
802.11ac
802.11ax
Год ратификации
1997
1999
1999
2003
2009
2014
2017-2019
Рабочая частота
2.4 ГГц
2.4 ГГц
5 ГГц
2.4 ГГц
2.45 ГГц
5 ГГц
2.45 ГГц
Частотные каналы
20 МГц
20 МГц
20 МГц
20 МГц
2040 МГц
204080160 МГц
204080160 МГц
Пиковая физическая скорость
2 Мбитс
11 Мбитс
54 Мбитс
54 Мбитс
600 Мбитс
6.8 Гбитс
10 Гбитс
Модуляция
DSSS,FHSS
DSSS, CCK
OFDM
OFDM
OFDM
OFDM
OFDM, OFDMA
Разнесение субтонов
NA
NA
312.5кГц
312.5кГц
312.5кГц
312.5кГц
78.125кГц
Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11
Макс тип и скорость кодирования
DQPSK
CCK
64-QAM,34
64-QAM,34
64-QAM,56
256-QAM,56
1024-QAM,56
Макс кол тонов OFDM
NA
NA
64
64
128
512
2048
Продолжение таблицы 1.1
1.2.2 Стандарт IEEE 802.11n
Стандарт был утвержден 11 сентября 2009 года. Скорости передачи 802.11n сравнимы с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз выше, чем у классического Wi-Fi.
Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:
- большая скорость передачи данных (около 300 Мбитс);
- равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;
- совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.
Недостатки:
- большая мощность потребления;
- два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);
- усложненная и более габаритная аппаратура.
Во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 МГц до 40 МГц, а во-вторых, благодаря внедрению технологии MIMO, скорость передачи в стандарте IEEE 802.11n повышается.
Технология MIMO (несколько входов и несколько выходов) предполагает использование нескольких передающих и приемных антенн. По аналогии, обычная система, система с одной передающей антенной и одной приемной антенной, называется SISO (один вход имеет один выход).
Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Многие из реализованных технических деталей взяты из стандарта 802.11a, но стандарт IEEE 802.11n определяет полосы частот, используемые стандартом IEEE 802.11a, и полосы частот, используемые стандартом IEEE 802.11b g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в диапазоне 5 или 2,4 ГГц.
Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность - каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число. (См. рис.1.3).
Рисунок 1.3 - Принцип реализации технологии MIMO
Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии.Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:
- Унаследованный режим (legacy mode).
- Смешанный режим (mixed mode).
- Режим зеленого поля (green field mode).
Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы -служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO.
Режимы работы станций MIMO:
1.Унаследованный режим. Этот режим используется для переключения между двумя станциями с одной антенной. Передача информации происходит по протоколу 802.11a. Если передатчик является станцией MIMO, а приемник - обычной станцией, в системе передачи используется только одна антенна, и процесс передачи такой же, как и в предыдущей версии стандарта Wi-Fi. Если направление передачи меняется на противоположное - от обычной станции к многоантенной станции, станция MIMO использует много приемных антенн, но в этом случае скорость передачи не является максимальной. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как структура преамбулы в версии 802.11a.
2.Смешанный режим. В этом режиме переключение происходит между системами MIMO и обычными станциями. В связи с этим система MIMO генерирует пакеты двух типов в зависимости от типа получателя. На традиционных рабочих станциях они работают медленнее, потому что они не поддерживают высокоскоростную работу, но намного быстрее между MIMO, но с более низкой скоростью передачи, чем зеленый режим работы. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, как преамбула в стандарте 802.11a, и она слегка модифицирована в пакете MIMO. Если передатчик является системой MIMO, каждая антенна не передает всю преамбулу, а вместо этого циклически сдвигается. Следовательно, энергопотребление станции снижается, а канал используется более эффективно.
3.Режим зеленого поля. Эта модель в полной мере использует систему MIMO. Передача возможна только между несколькими антенными станциями с обычными приемниками. Когда система MIMO передает, обычная станция ожидает освобождения канала, чтобы избежать коллизий. В режиме зеленого поля сигналы могут приниматься от систем, работающих в первых двух сценариях, но не передаваться им. Это сделано, чтобы исключить одноканальные станции из обмена и таким образом увеличить скорость работы. Пакет сопровождается преамбулой, поддерживаемой только станцией MIMO. Все эти меры позволяют максимизировать возможности вашей системы MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть обеспечена защита от воздействия операций соседней станции, чтобы предотвратить искажение сигнала. На физическом уровне модели OSI для этой цели используются специальные поля в структуре преамбулы, которые информируют станцию о конкретной задержке, которая отправлена и необходима. Уровень ссылки принимает некоторые методы защиты. Режимы работы классифицируются в соответствии с используемой полосой пропускания:
1.Унаследованный режим. Этот режим должен соответствовать предыдущим версиям Wi-Fi. По аппаратному обеспечению и пропускной способности он очень похож на 802.11ag, что составляет 20 МГц.
2.Режим двойного наследования. Эти устройства используют полосу 40 МГц, и одни и те же данные отправляются в верхний и нижний каналы (каждый шириной 20 МГц) с фазовым сдвигом 90 °. Структура пакета ориентирована на тот факт, что приемник является обычной станцией. Репликация сигнала уменьшает искажения и увеличивает скорость передачи.
3.Режим высокой пропускной способности. Эти устройства поддерживают две полосы частот - -20 и 40 МГц. В этом режиме станция обменивается только пакетами MIMO. Сеть самая быстрая.
4.Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина полосы 40 МГц. На сайте можно обменять любой пакет.
5.Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина полосы 40 МГц. Станция также может обменять любой пакет.
В стандарте IEEE 802.11n точки доступа и беспроводные адаптеры позволяют использовать до четырех антенн. Обязательный режим означает поддержку двух антенн в точке доступа, а также антенны и беспроводного адаптера. Стандарт IEEE 802.11n предусматривает стандартный канал связи с шириной 20 МГц и канал с двойной шириной. Общая блок-схема передатчика (См. рис. 1.4). Переданные данные проходят через скремблер, который вставляет дополнительный ноль или 1 в код (так называемое маскирование псевдослучайного шума), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные делятся на N потоков и отправляются в кодер прямого исправления ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, и если используются три или четыре канала передачи, то N =2.
Рисунок 1.4 - Общая структура передатчика MIMO-OFDM
Кодирующая последовательность делится на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке чередуются (для устранения ошибок блока) и затем модулируются. Затем формируется пространственно-временной поток, который проходит через блок обратного быстрого преобразования Фурье и достигает антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогична структуре передатчика (См. рис. 1.5), но все действия выполняются в обратном порядке.
Рисунок 1.5 - Общая структура приемника MIMO-OFD
1.2.3 Стандарт IEEE 802.11ас
Стандарт IEEE 802.11ac, часто называемый просто 11ac, является невероятным прорывом. Все любят пробовать новые и привлекательные технологии, а Wi-Fi - номер один. Впервые поставщики выпустили точку доступа корпоративного уровня в четвертом квартале 2012 года. С тех пор точки доступа, поддерживающие 11ac, были ликвидированы с мгновенной скоростью. Из-за жесткой конкуренции на рынке маркетинговый ажиотаж вокруг стандарта 11ac невелик. Некоторые люди даже говорят, что точки доступа, которые поддерживают 11ac, могут полностью покрывать небольшие здания.
Многие владельцы инфраструктуры 11n уже много лет находятся в своем текущем развертывании и решили дождаться выхода второй волны продуктов 11ac с технологией до выхода на рынок. Сеть 11n - 2x2:2, 3x3:2 или 3x3:3 - оптимизирована в большинстве случаев для повышения производительности и соответствует требованиям большинства современных корпоративных развертываний. Недостаток традиционных сетевых развертываний 11n состоит в том, что обновления кода больше не поддерживают многие из ранних моделей точек доступа 11n, что ограничивает их безопасность и производительность.
Технология 11ac работает на частоте 5 ГГц, т.е. приложение IEEE 802.11ac не описывает его использование в диапазоне ISM 2,4 ГГц. Для использования более широкого канала требуется более широкая полоса частот с шириной полосы 2,4 ГГц 83,5 МГц. Любая реализация спецификации 11ac Physical Layer (PHY) для диапазона 2,4 ГГц является частной.
Технология 11ac включает в себя не только радиосигналы. Точки доступа - это небольшие компьютеры, каждый из которых оснащен процессором, оперативной памятью, флэш-памятью и т. Д. С развитием радиотехнологии следующего поколения мы также получили новые программные функции, некоторые из которых ложатся тяжелым бременем на процессор и контроллер точки доступа. Некоторые новые двойные беспроводные точки доступа 11ac, как правило, оснащены двухъядерными процессорами, массивной оперативной памятью, двумя портами Gigabit Ethernet, а также возможностью разгружать шифрование и многими другими высококачественными функциями. Основываясь на функциональности радиочипсета, технология 11ac производится с двумя волнами (Волна-1 и Волна-2). Разница между методами, реализованными в двух волнах указаны в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Характеристики стандарта 802.11ас
PHYFeature
802.11n
Волна-1 802.11ac
Волна-2 802.11ac
Ширина канала
20, 40 МГц
20, 40 МГц
20, 40, 80, 160 МГц
Пространственные потоки (SS)
1, 2, 3
2, 3
2, 3, 4
Модуляция QAM
64 QAM
256 QAM
256 QAM
Тип MIMO
SU-MIMO
SU-MIMO
MU-MIMO
Поддержка MCS
MCS 0-23 для 1, 2, 3 SS
MCS 0-9 для 1, 2, 3 SS
MCS 0-9 для 1, 2, 3, 4 SS
Максимальная скорость передачи данных
450 Мбитс
1,3 Гбитс
3,467 Гбитс
TxBF
Нет
Переменная
Да
Вариации радиомодуля
2x2:2, 3x3:2, 3x3:3
2x2:2, 3x3:3
4x4:4
Устройства 802.11n поддерживают каналы 20 МГц и 40 МГц. Устройства Wave-1 11ac поддерживают каналы 20, 40 и 80 МГц, а устройства Wave-2 поддерживают каналы 20, 40, 80 и 160 МГц. Из-за отсутствия непрерывного пространства канала в полосе UNII 5 ГГц канал 160 МГц в настоящее время не подходит для развертывания на предприятии, но Комитет ФКС рекомендовал внести изменения в свой отчет и порядок 14-30 апреля 14 2014 года, чтобы разрешить использование Соединенными Штатами. 160 МГц непересекающиеся каналы. В других странах это зависит от регулятора. Следующий эмулятор канала от WiFiChannelSimulator.com показывает доступный спектр, для которого не требуется лицензия после публикации отчета FCC.
Самый простой способ увеличить пропускную способность сети Wi-Fi - это удвоить ширину канала с достаточным количеством широких каналов. Удвоение ширины канала примерно означает, что его пропускная способность удваивается. Однако, как всегда, вы будете платить за дополнительную пропускную способность. При удвоении ширины канала допустимая выходная мощность всего канала уменьшается вдвое. Это может не быть проблемой в некоторых средах, но в других случаях это может создать ненужные технические трудности. Удвоение ширины канала также увеличивает базовый уровень шума на 3 дБ и увеличивает вероятность столкновений. Поэтому каналы 80 МГц и 160 МГц обычно являются динамическими. Точка доступа может использовать механизм защиты (такой как RTS CTS) для очистки каналов 80 и 160 МГц. Если доступна только часть широкого канала, точка доступа уменьшает ширину канала до отдельного канала для достижения максимальной пропускной способности. Тот факт, что вы можете использовать каналы шириной 80 МГц и 160 МГц, не означает, что вы должны это делать. Рекомендуется использовать каналы 20 МГц в средах с высокой плотностью, таких как аудитории, танцевальные залы, выставки, аэропорты и стадионы, поскольку они могут повысить эффективность использования каналов. В средах с низкой плотностью и высокой пропускной способностью, таких как открытые офисные помещения, более разумно использовать канал 40 МГц в диапазоне 5 ГГц, если имеется достаточно каналов для повторного использования. Канал 80 МГц может использоваться, если только одна или две точки доступа развернуты в полевых условиях (например, в филиале) и имеются только минимальные помехи (модулированные и немодулированные). В настоящее время нет диапазона для каналов 160 МГц, за исключением двухточечных высоконаправленных каналов.
Если в конкретной области часто требуется очень высокая полоса пропускания, одна точка доступа может быть настроена на использование канала 80 МГц (если соседние точки доступа не используют какую-либо часть канала).
Все 11n устройств поддерживают SU-MIMO, то есть только одну передачу в канале за раз - восходящую или нисходящую линию. Устройство 11ac Wave-1 поддерживает SU-MIMO, а точка доступа Wave-2 будет совместима с технологией MUMIMO.
MU-MIMO - это технология передачи по нисходящей линии связи (от точки доступа к клиенту), которая позволяет множественные одновременные передачи с использованием технологии TxBF для усиления радиосигналов в определенных областях и подавления радиосигналов в других областях. Большинство точек доступа MU-MIMO будут поддерживать 3 или 4 одновременных передачи. Если точка доступа, совместимая с 3SS или 4SS, поддерживает несколько клиентов, совместимых с 1SS, технология MU-MIMO может повысить эффективность протокола MAC.
Пространственный поток - это метод, который разделяет поток данных на части (пространственные потоки) и одновременно передает их по нескольким радиоканалам (См. рис. 1.6) в одном канале.
Рисунок 1.6 - Структура MIMO
Использование многолучевых и цифровых сигнальных процессоров (DSP) позволяет MIMO-совместимым приемникам декодировать пространственные потоки и восстанавливать потоки данных. Устройства 11n и 11ac Wave-1 поддерживают 3SS, но устройства 11ac Wave-2 поддерживают 4SS.
В типичном корпоративном развертывании Wi-Fi клиентские устройства используют в среднем не более 5 Мбитс. Конечно, для конкретного клиента пиковая пропускная способность может быть намного выше, чем 100 Мбит с, но только небольшой процент клиентских устройств Wi-Fi поддерживает высокую пропускную способность в течение длительного времени. Это означает, что большинство современных развертываний 11n обычно подходят для офисных сред с низкой плотностью и аналогичных развертываний. Возврат инвестиций 11ac зависит от модернизации дизайна, развертывания и настройки клиентских устройств 11ac и оптимизации сетей Wi-Fi. Оптимизированная сеть 11n 3x3:3 может превзойти плохо спроектированное развертывание 11ac 3x3:3 и имеет ту же базу установки клиентского устройства.
Важным аспектом развертывания 11ac является то, что точки доступа 11ac (Waves-1 и Waves-2) могут органично сосуществовать с любым типом 11n точки доступа. Доступны следующие отраслевые рекомендации: 11ac точки доступа должны быть расположены в зонах с высокой плотностью большой емкостью, а 11n точки доступа должны быть расположены в зонах с низкой плотностью емкостью. Также широко используется широкий канал для просмотра нескольких точек доступа, в то время как большинство точек доступа в развертывании используют только каналы 20 МГц. Это позволяет эффективно использовать спектр, а также обеспечивает очень высокую пропускную способность в определенных областях. При сосуществовании точек доступа 11n и 11ac следует помнить, что из-за ограничений ОЗУ в процессоре точки доступа 11n эти устройства могут поддерживать разные наборы функций даже от одного и того же производителя. Это означает, что расширенные функции могут быть реализованы только в определенных областях и приводить к ограничениям, например, устройства 11n и 11ac должны быть максимально изолированы друг от друга (например, размещая их в разных зданиях или в разных местах).
1.3 Увеличение физической скорости передачи данных стандарта 802.11n
Первый способ увеличения скорости беспроводной передачи данных заключается в использовании нескольких антенн в качестве передатчиков и приемников. Эта техника называется MIMO с несколькими входами и несколькими выходами. Многие сигналы передаются при их параллельном использовании, что увеличивает общую пропускную способность. В целом, MIMO имеет много преимуществ благодаря одновременной передаче данных по разным каналам. Этот метод использует мультиплексирование с пространственным разделением каналов (SDM), т.е. после того, как принятый сигнал становится высокоскоростным потоком данных, сигнал передается на нескольких разных частотах. Однако для того, чтобы реализовать MIMO на практике, необходимо использовать свои собственные приемопередающие антенны, радиочастотную цепь и АЦП для каждого потока данных. В то же время использование более двух радиочастотных антенных (См. рис. 1.7) цепей может привести к значительному увеличению затрат на оборудование, поэтому разработчики должны соблюдать баланс между скоростью и ценой.
Рисунок 1.7 - Простейшая система MIMO с двумя антенными цепями.
Расширяя диапазон частот, скорость работы сети может быть увеличена относительно недорого и легко. В этом случае нагрузка на ЦСП немного возрастет. При правильной реализации канал 40 МГц может обеспечить более чем удвоенную доступную полосу пропускания старого стандарта 802.11 (См.рис. 1.8). Добавив MIMO, мы сможем создавать мощные, недорогие, высокоскоростные системы.
Рисунок 1.8 - Расширение частотного диапазона приводит к увеличению пропускной способности канала.
Если MIMO используется с каналом 20 МГц, стоимость такой системы возрастет. Дело в том, что нам нужно 100 Мбит с на физическом уровне, который доступен только через три антенные цепи на передатчике и приемнике.
На рисунке ниже показана взаимосвязь между теоретической пропускной способностью OTA и значениями SNR, измеренными после сопряжения каналов. Эффективность уровня MAC составляет 70%, то есть фактические 100 Мбитс преобразуются в теоретические 140 Мбит с. Эта диаграмма (См. рис. 1.9) позволяет сравнить производительность сети на каналах 20 МГц и 40 МГц. На рисунке ниже: 2x2-40 МГц означает два потока данных, две антенные цепи на приемнике и передатчике и канал 40 МГц.
Как вы можете видеть, 2x3-20 достигает лучшего SNR, чем 2x2-20. Это увеличит радиус действия сети с той же скоростью. В то же время на рисунке четко видно, что цель фактической скорости 100 Мбитс не может быть достигнута с двумя потоками MIMO 20 МГц. Для этого вы должны использовать три потока MIMO, как описано выше. Преимущества подхода 2х2-40 очевидны. Обратите внимание, что количество радиочастотных каналов, использующих канал 20 МГц и передающих четыре потока MIMO, удваивается, а производительность ниже, чем у двух каналов 40 МГц. Поэтому переход на канал 40 МГц не только снижает сложность и стоимость системы, но и повышает производительность.
Рисунок 1.9 - Зависимость теоретической пропускной способности от SNR, числа каналов и диапазонов.
Ставки на использование полос частот и технологии MIMO позволяют не только достичь требуемых 100 Мбитс, но и сохранить низкую стоимость оборудования. Например, с развитием функций DSP, использование в будущем каналов 40 МГц и технологии MIMO может даже превысить требования стандарта (Напомним, закон Мура). Устройства 802.11n будут поддерживать каналы 20 и 40 МГц, а канал 40 МГц будет состоять из двух соседних каналов 20 МГц. Поэтому, если спектр перегружен или необходимо связаться в соответствии со старым стандартом, устройство может переключиться на узкий канал 20 МГц. Мы надеемся, что после выпуска стандарта законодательная власть примет соответствующие поправки, разрешающие использование канала 40 МГц, если он в настоящее время запрещен.
Чтобы достичь физической скорости 100 Мбитс, 802.11n должен поддерживать технологию MIMO, а не менее двух потоков. Для этого потребуется по крайней мере две антенные цепи на каждом устройстве 802.11n. При желании устройство сможет поддерживать больше потоков MIMO, но не более четырех.
Кроме того, 802.11n может добавить множество дополнительных решений по расширению полосы пропускания. Они включают в себя увеличение числа антенных цепей, методик адаптивного канала и FEC-кодирования и т.п.
Конечно, если нет эффективного механизма управления физическим уровнем, высокая скорость не может быть достигнута. Хотя уровень MAC напрямую не влияет на физическую скорость передачи, он играет важную роль в выборе режима оптимизации передачи PHY. Сначала соединение будет установлено через физический уровень, а затем со временем будет подключен уровень MAC, который будет определять долгосрочные параметры связи, такие как модуляция, кодирование, конфигурация антенны, диапазон частот канала и т.д.
Эти изменения будут влиять на уровень MAC, который получит новые функции. Важно понимать, что скорость передачи значительно ограничена заголовком PHY и задержкой. К сожалению, их сложно улучшить. Кроме того, заголовок PHY должен делать больше для поддержки нового режима.
В 802.11n режим передачи нескольких кадров MAC будет вводиться в блок данных физического уровня (агрегирование). ACK блока многокадрового запроса (BAR) также происходит. Следовательно, больше нет необходимости запускать процесс передачи отдельно для каждого кадра. Если передача блока не используется, уровень PHY потребует 500 Мбитс для скорости 100 Мбитс.
1.4 Топологии беспроводных сетей Wi-Fi
Сеть 802.11 может быть построена с использованием любой из следующих топологий:
- Эпизодическая сеть (Ad-Hoc или независимый от IBSS базовый набор услуг);
- Основная зона обслуживания Базовый набор услуг (BSS) или Режим инфраструктуры;
- Расширенные сервисные наборы (ESS).
Режим Ad-Hoc - это самая простая структура локальной сети, когда пользовательские станции (ноутбуки или компьютеры) взаимодействуют напрямую друг с другом. Эта структура облегчает экстренное развертывание сети. Чтобы создать его, вам нужно наименьшее ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ералы У.А.
Организация принципов построения сети Wi-Fi
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Допущен к защите:
Заведующий кафедрой
PhD, ассист-профессор
___________Е.А. Дайнеко
_____ ___________2019 г.
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Организация принципов построения сети Wi-Fi
Организация принципов построения сети Wi-Fi в метро
по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Студент:
гр. РЭТ-1502 У.А.Ералы
____ ________2019 г.
_____________
(подпись)
Научный руководитель:
Ассистент-профессор
Е.А.Бахтиярова
____ ________2019 г.
___________
(подпись)
Рецензент:
К.т.н, асс-профессор кафедры Телекоммуникационные системы Алматинский университет энергетики К.С.Чежимбаева
____ ________2019 г.
___________
(подпись)
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, Электроника и Телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Задание на дипломный проект
Ералы Умитжан Айтақынұлы
Тема проекта Организация принципов построения сети Wi-Fi
Утверждено приказом № ______ МУИТ от ____ _______________ 2019 г.
Срок сдачи студентом законченного проекта __ _______________ 2019 г.
Исходные данные к проекту : частоты - 2.4ГГц,5ГГц, мощность передатчика - 26дБм,20дБм, коэффициенты усиления - 16, 3,длина волны - 0.125, 0.06м
Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
1. Общие понятия беспроводного доступа Wi-Fi (характеристики, стандарты)
2. Выбор оборудования системы беспроводного доступа
3. Расчет зоны покрытия точек доступа
4. Экономическое обоснование дипломного проекта
5. Охрана труда и промышленной экологий
Лазерный CD диск с текстом дипломного проекта и приложениями
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.
Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата
Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
и.о.профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.
ОТ и ПЭ
Ассистент-
профессор, PhD
Малгаждарова М.К.
Нормоконтроль
И.о. ассоц-профессор, к.т.н. Жаксылык А.
Дата выдачи задания: 3 декабря 2018 г.
Руководитель ___________________________________ ___ Е.А.Бахтиярова
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ___ У.А.Ералы
(подпись)
Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент ______ группа ________ курс _____
Международный Университет Информационных Технологий
___________________________________ _________________________
(Ф.И.О)
Тема: ___________________________________ ________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ________________________
№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание
1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру
Ноябрь
2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь
3.
Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение
Январь-Февраль
4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель
5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля
6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры
21-25 Января
5-16 Февраля,
1-5 Апреля
7.
Предзащита
8-12 Апреля,
13-17 Мая
20-23 Мая
8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
22 Мая - 5 Июня
9.
Составление доклада для ГАК
25 Мая - 8 Июня
10.
Презентация ДП для ГАК
28 Мая - 11 Июня
Руководитель___________________________________ __________ Е.А.Бахтиярова
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ______ У.А.Ералы
(подпись)
Дата выдачи задания 3 декабря 2018 г.
АҢДАТПА
Берілген дипломдық жұмысында "Метрополитен" КМК-де Wi-Fi (IEEE-802.11n) стандартының негізінде сымсыз кеңжолақты байланыс желісін құру жоспары мен негіздемесі қарастырылған.
Жобада стандарттың сипаттамалары, оның басқа стандарттардан ерекшеліктері, жабдықтардың құрамы және желіні құру сұлбасы ұсынылған. Жобада, сондай-ақ, жабдықтарды пайдалану кезіндегі өміртіршілік қауіпсіздігі мәселелері қарастырылған. Осы жобаны енгізудің техника-экономикалық негіздемесі жасалды.
Дипломдық жұмыстың көлемі 78 беттен тұрады, онда 27 сурет, 13 кесте, 17 әдебиет көзі бар.
Түйінді сөздер: сымсыз кеңжолақты байланыс, Wi-Fi, коммутатор, бағыт диаграммасы.
АННОТАЦИЯ
В данной дипломной работе рассмотрен план и обоснование построения сети беспроводной связи на основе стандарта Wi-Fi (IEEE-802.11n) в КГП "Метрополитен" г. Алматы.
В дипломе так же представлены характеристики стандарта, отличие его от других стандартов, состав оборудования и схема построения сети. В проекте разработано технико-экономическое обоснование внедрения данного проекта. Также описаны меры безопасности жизнедеятельности.
Объем дипломной работы 78 страниц, он содержит 27 рисунков, 13 таблиц, 17 источников литературы.
Ключевые слова: широкополосный доступ, Wi-Fi, коммутатор, диаграмма направленности.
ABSTRACT
This thesis discusses the plan and rationale for the construction of a wireless network based on the standard Wi-Fi (IEEE-802.11n) in the MSE "metro" Almaty.
The diploma also presents the characteristics of the standard, its difference from other standards, the composition of the equipment and the network construction scheme. The project developed a feasibility study for the implementation of this project. Life safety measures are also described.
The volume of the thesis 78 pages, it contains 27 figures, 13 tables, 17 sources of literature.
Keywords: broadband wireless access, Wi-Fi, switch, antenna patterns.
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
10
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
12
1
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI ... ...
13
1.1
Особенности развития технологий беспроводного доступа ... ... ... .
13
1.2
Классификация стандартов 802.11 ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
15
1.3
Увеличение физической скорости передачи данных стандарта 802.11n ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
24
1.4
Топологии беспроводных сетей Wi-Fi ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
27
1.5
Обоснование постановки задачи
30
2
РЕАЛИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА ... ... ... ... ... ... ..
31
2.1
Место реализации проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
2.2
Техническое решение проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
32
2.3
Характеристика объекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
33
2.4
Описаниевивхарактеристикаввыбранног о оборудования ... ... ... ...
33
2.5
Разработка структурной схемы организации сети ... ... ... ... ... ... .
41
3
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
43
3.1
Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности ... ... ... ... .
43
3.2
Расчет чувствительности приемника ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
43
3.3
Расчет зоны покрытия точек доступа ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
45
3.4
Влияние эффекта Доплера на частоту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
47
4
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
53
4.1
Бизнес идея ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
53
4.2
Анализ рынка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
54
4.3
Маркетинговая стратегия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
54
4.4
Финансовый анализ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
55
4.5
Выводы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
63
5
ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ ... ... ... ... ..
64
5.1
Характеристика производстенного объекта ... ... ... ... ... ... ... ... .
64
5.2
Анализ опасных и вредных производственных факторов ... ... ... ...
65
5.3
Производственная санитария и гигиена труда ... ... ... ... ... ... ... ..
66
5.4
Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
67
5.5
Пожаробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
67
5.6
Техника безопасности при работе с оборудованием ... ... ... ... ... .. .
69
5.7
Расчеты ,подтверждающие или обеспечивающие безопасные условия труда ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
72
5.8
Aнтропогенное воздействие объекта на окружающую среду и мероприятия по экологической безопасности ... ... ... ... ... ... ... ...
73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ... ... ... ... ... ... . .
78
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной дипломной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
WiFi (Wireless Fidelity) - беспроводная точность;
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - Всемирная функциональная совместимость для микроволнового доступа;
WLAN (Wireless Local Area Network) - Беспроводной доступ к локальной сети;
WPAN (Wireless Personal Area Network) - Беспроводные персональные сети;
WWAN (Wireless Wide Area Network) - Беспроводная глобальная вычислительная сеть;
AP (Access Point) - Точка доступа;
BSS (Basic Service Set) - Основная зона обслуживания;
BPSK (Binary Phase Shift Keying) - Двоичная фазовая манипуляция;
BTS (Base Transceiver Station) - Приемопередатчик базовой станций;
BWA (Broadband Wireless Access) - Широкополосный беспроводной доступ;
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - Прямая ппоследовательность расширения спектра;
ESS (Extended Service Set) - Расширенная зона обслуживания;
FDD (Feature Driven Development) - Разработка, управляемая функциональностью;
IBSS (Independent Basic Service Set) - Эпизодическая сеть;
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров электротехники и электроники;
IP (Internet Protocol) - Интернет-протокол;
MESH (Medical Subject Headings) - Компьютерные сети с ячеистой структурой;
MIMO (Multiple Input Multiple Output) - Метод пространственного кодирование сигнала;
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов;
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - Квадратурная амплитудная модуляция;
QoS (Quality of Service) - Качество обслуживания;
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - Квадратурная фазовая манипуляция;
SSID (Service set Identifier) - Идентификатор сети;
TDD (Test-driven Development) - Разработка через тестирование;
TDMA (Time Division Multiple Access) - Множественный доступ с разделением по времени;
БС - Базовая станция;
ГОСТ - Государственный стандарт;
ДИП - Дымовой извещатель пожарный;
ТД - точка доступа;
КТД - Контроллер Точек Доступа;
ИТ - Информационная Технология;
НДС - Налог на добавленную стоимость;
ПК - Персональный компьютер;
ПУЭ - Правила устройства электроустановок;
ПЭВМ - Персональная электронно вычислительная машина;
СВЧ - Сверх высокой частоты;
СНиП - Строительные нормы и правила;
СПС - Сеть подвижной связи;
ТБ - Техника безопасности;
ФОТ - Фонд оплаты труда;
ЭИИМ - Эффективная изотропная излучаемая мощность;
ВВЕДЕНИЕ
Во всем мире спрос на беспроводную связь быстро растет, особенно в сферах бизнеса и ИТ-технологий. Пользователи с беспроводным доступом в Интернет всегда могут работать более эффективно и результативно, чем где бы то ни было, например, с подключениями к проводным коммуникациям и компьютерным сетям, точно так же, как подключения к конкретной инфраструктуре связи.
На современном этапе формирования сетевой технологии технология беспроводной сети Wi-Fi считается более удобной в условиях, требующих мобильности, простоты установки и использования. Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity - Wireless) - это стандарт широкополосной беспроводной связи серии 802.11, разработанный в 1997 году. Помимо принципов, технология Wi-Fi также используется в организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также при формировании так называемых точек доступа к высокоскоростному Интернету.
По сравнению с традиционными проводными сетями беспроводные сети имеют значительные преимущества, и, конечно же, их основными преимуществами являются:
- отсутствие проводов;
- высокая мобильность и высокая скорость передачи данных на рабочем месте;
- скорость проектирования и реализации, что имеет решающее значение для установления строгих временных требований к сети;
- минимальные строительно-монтажные работы.
В то же время развитие беспроводных сетей на данном этапе не решило каких-либо серьезных дефектов. Во-первых, это зависимость скорости и дальности соединения от наличия препятствий и расстояния между приемником и передатчиком. Единственный способ увеличить радиус воздействия беспроводной сети - это сформировать распределенную сеть на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании такой сети, независимо от количества стен (препятствий), вы можете нарисовать здание в единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения. Проблема масштабируемости сети решается аналогичным образом, а использование внешней направленной антенны позволяет эффективно регулировать проблему препятствия, ограничивающего сигнал.
Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в КГП "Метрополитен" г. Алматы, с целью повышения уровня информатизации, предоставления современных услуг связи: высокоскоростной доступ в Интернет, на базе технологии Wi-Fi.
1 ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI
Особенности развития технологий беспроводного доступа
С Wi-Fi сложилась несколько запутанная ситуация, поэтому для начала определимся с используемой терминологией.
Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network -- WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постоянно совершенствовался, и в настоящее время существует целое семейство, к которому относят спецификации IEEE 802.11 с буквенными индексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Однако только четыре из них (а, b, g и i) являются основными и пользуются наибольшей популярностью у производителей оборудования, остальные же (с-f, h-n) представляют собой дополнения, усовершенствования или исправления принятых спецификаций.
В свою очередь, Институт электроники и электротехники (IEEE) только разрабатывает и принимает спецификации для стандартов, перечисленных выше. В его обязанности не входит работа по тестированию оборудования разных производителей на совместимость.
Для продвижения на рынке оборудования для беспроводных локальных сетей (WLAN) была создана группа, которая получила название Wi-Fi Alliance. Этот альянс контролирует сертификацию оборудования различных производителей и выдает разрешения членам альянса на использование логотипа бренда Wi-Fi. Наличие логотипа Wi-Fi на оборудовании гарантирует надежную работу и совместимость оборудования при построении беспроводной локальной сети (WLAN) на оборудовании различных производителей. В настоящее время Wi-Fi-совместимым является IEEE 802.11a, b и g-совместимое оборудование (оно также может использовать IEEE 802.11i для обеспечения безопасного соединения). Кроме того, наличие логотипа Wi-Fi на оборудовании означает, что оборудование работает в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Поэтому под Wi-Fi следует понимать совместимость оборудования разных производителей, предназначенного для построения беспроводных локальных сетей, с учетом вышеуказанных ограничений.
Различают три типа беспроводных сетей (См. рис. 1.1): PAN (Personal Area Network), LAN (Local Area Network) и MAN (Metropolitan Area Network).
Стандарт IEEE 802.11 является первым стандартом для продуктов WLAN от независимых международных организаций. Однако к моменту выпуска стандарта скорость передачи данных, изначально включенная в стандарт, оказалась недостаточной. Это причина для дальнейшего улучшения, поэтому сегодня мы можем обсудить набор стандартов.
Рисунок 1.1 - Радиус действия персональных, локальных и глобальных беспроводных сетей
При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA - Broadband Wireless Access) применяются аналогичные технологии. Основное различие между ними (См. рис. 1.2) заключается в диапазоне рабочих частот и характеристиках радиоинтерфейса. WLAN и WPAN работают в нелицензированных полосах частот 2,4 ГГц и 5 ГГц, то есть их развертывание не требует планирования частот и координации с другими радиосетями, работающими в той же полосе. Сети BWA (широкополосного беспроводного доступа) используют как лицензионные, так и нелицензионные полосы (от 2 до 66 ГГц).
Рисунок 1.2 - Классификация беспроводных технологий
Основной целью беспроводной локальной сети (WLAN) является организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Второй наиболее важной областью применения является организация общественных коммерческих точек доступа (горячих точек) в людных местах - гостиницах, аэропортах, кафе и временных сетях во время мероприятий (выставок, семинаров).
Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети также известны как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам Wi-Fi не определен в стандарте, бренд Wi-Fi стал наиболее широко используемым брендом в мире.
Стандарт IEEE 802.11 является первым стандартом для продуктов WLAN от независимых международных организаций. Однако к моменту выпуска стандарта скорость передачи данных, изначально включенная в стандарт, оказалась недостаточной. Это причина для дальнейшего улучшения, поэтому сегодня мы можем обсудить набор стандартов.
1.2 Классификация стандартов 802.11
В настоящее время широко используется преимущественно три стандарта группы IEEE 802.11 представлены в таблице 1.1.
802.11
802.11b
802.11a
802.11g
802.11n
802.11ac
802.11ax
Год ратификации
1997
1999
1999
2003
2009
2014
2017-2019
Рабочая частота
2.4 ГГц
2.4 ГГц
5 ГГц
2.4 ГГц
2.45 ГГц
5 ГГц
2.45 ГГц
Частотные каналы
20 МГц
20 МГц
20 МГц
20 МГц
2040 МГц
204080160 МГц
204080160 МГц
Пиковая физическая скорость
2 Мбитс
11 Мбитс
54 Мбитс
54 Мбитс
600 Мбитс
6.8 Гбитс
10 Гбитс
Модуляция
DSSS,FHSS
DSSS, CCK
OFDM
OFDM
OFDM
OFDM
OFDM, OFDMA
Разнесение субтонов
NA
NA
312.5кГц
312.5кГц
312.5кГц
312.5кГц
78.125кГц
Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11
Макс тип и скорость кодирования
DQPSK
CCK
64-QAM,34
64-QAM,34
64-QAM,56
256-QAM,56
1024-QAM,56
Макс кол тонов OFDM
NA
NA
64
64
128
512
2048
Продолжение таблицы 1.1
1.2.2 Стандарт IEEE 802.11n
Стандарт был утвержден 11 сентября 2009 года. Скорости передачи 802.11n сравнимы с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз выше, чем у классического Wi-Fi.
Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:
- большая скорость передачи данных (около 300 Мбитс);
- равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;
- совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.
Недостатки:
- большая мощность потребления;
- два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);
- усложненная и более габаритная аппаратура.
Во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 МГц до 40 МГц, а во-вторых, благодаря внедрению технологии MIMO, скорость передачи в стандарте IEEE 802.11n повышается.
Технология MIMO (несколько входов и несколько выходов) предполагает использование нескольких передающих и приемных антенн. По аналогии, обычная система, система с одной передающей антенной и одной приемной антенной, называется SISO (один вход имеет один выход).
Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Многие из реализованных технических деталей взяты из стандарта 802.11a, но стандарт IEEE 802.11n определяет полосы частот, используемые стандартом IEEE 802.11a, и полосы частот, используемые стандартом IEEE 802.11b g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в диапазоне 5 или 2,4 ГГц.
Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность - каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число. (См. рис.1.3).
Рисунок 1.3 - Принцип реализации технологии MIMO
Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии.Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:
- Унаследованный режим (legacy mode).
- Смешанный режим (mixed mode).
- Режим зеленого поля (green field mode).
Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы -служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO.
Режимы работы станций MIMO:
1.Унаследованный режим. Этот режим используется для переключения между двумя станциями с одной антенной. Передача информации происходит по протоколу 802.11a. Если передатчик является станцией MIMO, а приемник - обычной станцией, в системе передачи используется только одна антенна, и процесс передачи такой же, как и в предыдущей версии стандарта Wi-Fi. Если направление передачи меняется на противоположное - от обычной станции к многоантенной станции, станция MIMO использует много приемных антенн, но в этом случае скорость передачи не является максимальной. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как структура преамбулы в версии 802.11a.
2.Смешанный режим. В этом режиме переключение происходит между системами MIMO и обычными станциями. В связи с этим система MIMO генерирует пакеты двух типов в зависимости от типа получателя. На традиционных рабочих станциях они работают медленнее, потому что они не поддерживают высокоскоростную работу, но намного быстрее между MIMO, но с более низкой скоростью передачи, чем зеленый режим работы. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, как преамбула в стандарте 802.11a, и она слегка модифицирована в пакете MIMO. Если передатчик является системой MIMO, каждая антенна не передает всю преамбулу, а вместо этого циклически сдвигается. Следовательно, энергопотребление станции снижается, а канал используется более эффективно.
3.Режим зеленого поля. Эта модель в полной мере использует систему MIMO. Передача возможна только между несколькими антенными станциями с обычными приемниками. Когда система MIMO передает, обычная станция ожидает освобождения канала, чтобы избежать коллизий. В режиме зеленого поля сигналы могут приниматься от систем, работающих в первых двух сценариях, но не передаваться им. Это сделано, чтобы исключить одноканальные станции из обмена и таким образом увеличить скорость работы. Пакет сопровождается преамбулой, поддерживаемой только станцией MIMO. Все эти меры позволяют максимизировать возможности вашей системы MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть обеспечена защита от воздействия операций соседней станции, чтобы предотвратить искажение сигнала. На физическом уровне модели OSI для этой цели используются специальные поля в структуре преамбулы, которые информируют станцию о конкретной задержке, которая отправлена и необходима. Уровень ссылки принимает некоторые методы защиты. Режимы работы классифицируются в соответствии с используемой полосой пропускания:
1.Унаследованный режим. Этот режим должен соответствовать предыдущим версиям Wi-Fi. По аппаратному обеспечению и пропускной способности он очень похож на 802.11ag, что составляет 20 МГц.
2.Режим двойного наследования. Эти устройства используют полосу 40 МГц, и одни и те же данные отправляются в верхний и нижний каналы (каждый шириной 20 МГц) с фазовым сдвигом 90 °. Структура пакета ориентирована на тот факт, что приемник является обычной станцией. Репликация сигнала уменьшает искажения и увеличивает скорость передачи.
3.Режим высокой пропускной способности. Эти устройства поддерживают две полосы частот - -20 и 40 МГц. В этом режиме станция обменивается только пакетами MIMO. Сеть самая быстрая.
4.Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина полосы 40 МГц. На сайте можно обменять любой пакет.
5.Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина полосы 40 МГц. Станция также может обменять любой пакет.
В стандарте IEEE 802.11n точки доступа и беспроводные адаптеры позволяют использовать до четырех антенн. Обязательный режим означает поддержку двух антенн в точке доступа, а также антенны и беспроводного адаптера. Стандарт IEEE 802.11n предусматривает стандартный канал связи с шириной 20 МГц и канал с двойной шириной. Общая блок-схема передатчика (См. рис. 1.4). Переданные данные проходят через скремблер, который вставляет дополнительный ноль или 1 в код (так называемое маскирование псевдослучайного шума), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные делятся на N потоков и отправляются в кодер прямого исправления ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, и если используются три или четыре канала передачи, то N =2.
Рисунок 1.4 - Общая структура передатчика MIMO-OFDM
Кодирующая последовательность делится на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке чередуются (для устранения ошибок блока) и затем модулируются. Затем формируется пространственно-временной поток, который проходит через блок обратного быстрого преобразования Фурье и достигает антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогична структуре передатчика (См. рис. 1.5), но все действия выполняются в обратном порядке.
Рисунок 1.5 - Общая структура приемника MIMO-OFD
1.2.3 Стандарт IEEE 802.11ас
Стандарт IEEE 802.11ac, часто называемый просто 11ac, является невероятным прорывом. Все любят пробовать новые и привлекательные технологии, а Wi-Fi - номер один. Впервые поставщики выпустили точку доступа корпоративного уровня в четвертом квартале 2012 года. С тех пор точки доступа, поддерживающие 11ac, были ликвидированы с мгновенной скоростью. Из-за жесткой конкуренции на рынке маркетинговый ажиотаж вокруг стандарта 11ac невелик. Некоторые люди даже говорят, что точки доступа, которые поддерживают 11ac, могут полностью покрывать небольшие здания.
Многие владельцы инфраструктуры 11n уже много лет находятся в своем текущем развертывании и решили дождаться выхода второй волны продуктов 11ac с технологией до выхода на рынок. Сеть 11n - 2x2:2, 3x3:2 или 3x3:3 - оптимизирована в большинстве случаев для повышения производительности и соответствует требованиям большинства современных корпоративных развертываний. Недостаток традиционных сетевых развертываний 11n состоит в том, что обновления кода больше не поддерживают многие из ранних моделей точек доступа 11n, что ограничивает их безопасность и производительность.
Технология 11ac работает на частоте 5 ГГц, т.е. приложение IEEE 802.11ac не описывает его использование в диапазоне ISM 2,4 ГГц. Для использования более широкого канала требуется более широкая полоса частот с шириной полосы 2,4 ГГц 83,5 МГц. Любая реализация спецификации 11ac Physical Layer (PHY) для диапазона 2,4 ГГц является частной.
Технология 11ac включает в себя не только радиосигналы. Точки доступа - это небольшие компьютеры, каждый из которых оснащен процессором, оперативной памятью, флэш-памятью и т. Д. С развитием радиотехнологии следующего поколения мы также получили новые программные функции, некоторые из которых ложатся тяжелым бременем на процессор и контроллер точки доступа. Некоторые новые двойные беспроводные точки доступа 11ac, как правило, оснащены двухъядерными процессорами, массивной оперативной памятью, двумя портами Gigabit Ethernet, а также возможностью разгружать шифрование и многими другими высококачественными функциями. Основываясь на функциональности радиочипсета, технология 11ac производится с двумя волнами (Волна-1 и Волна-2). Разница между методами, реализованными в двух волнах указаны в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Характеристики стандарта 802.11ас
PHYFeature
802.11n
Волна-1 802.11ac
Волна-2 802.11ac
Ширина канала
20, 40 МГц
20, 40 МГц
20, 40, 80, 160 МГц
Пространственные потоки (SS)
1, 2, 3
2, 3
2, 3, 4
Модуляция QAM
64 QAM
256 QAM
256 QAM
Тип MIMO
SU-MIMO
SU-MIMO
MU-MIMO
Поддержка MCS
MCS 0-23 для 1, 2, 3 SS
MCS 0-9 для 1, 2, 3 SS
MCS 0-9 для 1, 2, 3, 4 SS
Максимальная скорость передачи данных
450 Мбитс
1,3 Гбитс
3,467 Гбитс
TxBF
Нет
Переменная
Да
Вариации радиомодуля
2x2:2, 3x3:2, 3x3:3
2x2:2, 3x3:3
4x4:4
Устройства 802.11n поддерживают каналы 20 МГц и 40 МГц. Устройства Wave-1 11ac поддерживают каналы 20, 40 и 80 МГц, а устройства Wave-2 поддерживают каналы 20, 40, 80 и 160 МГц. Из-за отсутствия непрерывного пространства канала в полосе UNII 5 ГГц канал 160 МГц в настоящее время не подходит для развертывания на предприятии, но Комитет ФКС рекомендовал внести изменения в свой отчет и порядок 14-30 апреля 14 2014 года, чтобы разрешить использование Соединенными Штатами. 160 МГц непересекающиеся каналы. В других странах это зависит от регулятора. Следующий эмулятор канала от WiFiChannelSimulator.com показывает доступный спектр, для которого не требуется лицензия после публикации отчета FCC.
Самый простой способ увеличить пропускную способность сети Wi-Fi - это удвоить ширину канала с достаточным количеством широких каналов. Удвоение ширины канала примерно означает, что его пропускная способность удваивается. Однако, как всегда, вы будете платить за дополнительную пропускную способность. При удвоении ширины канала допустимая выходная мощность всего канала уменьшается вдвое. Это может не быть проблемой в некоторых средах, но в других случаях это может создать ненужные технические трудности. Удвоение ширины канала также увеличивает базовый уровень шума на 3 дБ и увеличивает вероятность столкновений. Поэтому каналы 80 МГц и 160 МГц обычно являются динамическими. Точка доступа может использовать механизм защиты (такой как RTS CTS) для очистки каналов 80 и 160 МГц. Если доступна только часть широкого канала, точка доступа уменьшает ширину канала до отдельного канала для достижения максимальной пропускной способности. Тот факт, что вы можете использовать каналы шириной 80 МГц и 160 МГц, не означает, что вы должны это делать. Рекомендуется использовать каналы 20 МГц в средах с высокой плотностью, таких как аудитории, танцевальные залы, выставки, аэропорты и стадионы, поскольку они могут повысить эффективность использования каналов. В средах с низкой плотностью и высокой пропускной способностью, таких как открытые офисные помещения, более разумно использовать канал 40 МГц в диапазоне 5 ГГц, если имеется достаточно каналов для повторного использования. Канал 80 МГц может использоваться, если только одна или две точки доступа развернуты в полевых условиях (например, в филиале) и имеются только минимальные помехи (модулированные и немодулированные). В настоящее время нет диапазона для каналов 160 МГц, за исключением двухточечных высоконаправленных каналов.
Если в конкретной области часто требуется очень высокая полоса пропускания, одна точка доступа может быть настроена на использование канала 80 МГц (если соседние точки доступа не используют какую-либо часть канала).
Все 11n устройств поддерживают SU-MIMO, то есть только одну передачу в канале за раз - восходящую или нисходящую линию. Устройство 11ac Wave-1 поддерживает SU-MIMO, а точка доступа Wave-2 будет совместима с технологией MUMIMO.
MU-MIMO - это технология передачи по нисходящей линии связи (от точки доступа к клиенту), которая позволяет множественные одновременные передачи с использованием технологии TxBF для усиления радиосигналов в определенных областях и подавления радиосигналов в других областях. Большинство точек доступа MU-MIMO будут поддерживать 3 или 4 одновременных передачи. Если точка доступа, совместимая с 3SS или 4SS, поддерживает несколько клиентов, совместимых с 1SS, технология MU-MIMO может повысить эффективность протокола MAC.
Пространственный поток - это метод, который разделяет поток данных на части (пространственные потоки) и одновременно передает их по нескольким радиоканалам (См. рис. 1.6) в одном канале.
Рисунок 1.6 - Структура MIMO
Использование многолучевых и цифровых сигнальных процессоров (DSP) позволяет MIMO-совместимым приемникам декодировать пространственные потоки и восстанавливать потоки данных. Устройства 11n и 11ac Wave-1 поддерживают 3SS, но устройства 11ac Wave-2 поддерживают 4SS.
В типичном корпоративном развертывании Wi-Fi клиентские устройства используют в среднем не более 5 Мбитс. Конечно, для конкретного клиента пиковая пропускная способность может быть намного выше, чем 100 Мбит с, но только небольшой процент клиентских устройств Wi-Fi поддерживает высокую пропускную способность в течение длительного времени. Это означает, что большинство современных развертываний 11n обычно подходят для офисных сред с низкой плотностью и аналогичных развертываний. Возврат инвестиций 11ac зависит от модернизации дизайна, развертывания и настройки клиентских устройств 11ac и оптимизации сетей Wi-Fi. Оптимизированная сеть 11n 3x3:3 может превзойти плохо спроектированное развертывание 11ac 3x3:3 и имеет ту же базу установки клиентского устройства.
Важным аспектом развертывания 11ac является то, что точки доступа 11ac (Waves-1 и Waves-2) могут органично сосуществовать с любым типом 11n точки доступа. Доступны следующие отраслевые рекомендации: 11ac точки доступа должны быть расположены в зонах с высокой плотностью большой емкостью, а 11n точки доступа должны быть расположены в зонах с низкой плотностью емкостью. Также широко используется широкий канал для просмотра нескольких точек доступа, в то время как большинство точек доступа в развертывании используют только каналы 20 МГц. Это позволяет эффективно использовать спектр, а также обеспечивает очень высокую пропускную способность в определенных областях. При сосуществовании точек доступа 11n и 11ac следует помнить, что из-за ограничений ОЗУ в процессоре точки доступа 11n эти устройства могут поддерживать разные наборы функций даже от одного и того же производителя. Это означает, что расширенные функции могут быть реализованы только в определенных областях и приводить к ограничениям, например, устройства 11n и 11ac должны быть максимально изолированы друг от друга (например, размещая их в разных зданиях или в разных местах).
1.3 Увеличение физической скорости передачи данных стандарта 802.11n
Первый способ увеличения скорости беспроводной передачи данных заключается в использовании нескольких антенн в качестве передатчиков и приемников. Эта техника называется MIMO с несколькими входами и несколькими выходами. Многие сигналы передаются при их параллельном использовании, что увеличивает общую пропускную способность. В целом, MIMO имеет много преимуществ благодаря одновременной передаче данных по разным каналам. Этот метод использует мультиплексирование с пространственным разделением каналов (SDM), т.е. после того, как принятый сигнал становится высокоскоростным потоком данных, сигнал передается на нескольких разных частотах. Однако для того, чтобы реализовать MIMO на практике, необходимо использовать свои собственные приемопередающие антенны, радиочастотную цепь и АЦП для каждого потока данных. В то же время использование более двух радиочастотных антенных (См. рис. 1.7) цепей может привести к значительному увеличению затрат на оборудование, поэтому разработчики должны соблюдать баланс между скоростью и ценой.
Рисунок 1.7 - Простейшая система MIMO с двумя антенными цепями.
Расширяя диапазон частот, скорость работы сети может быть увеличена относительно недорого и легко. В этом случае нагрузка на ЦСП немного возрастет. При правильной реализации канал 40 МГц может обеспечить более чем удвоенную доступную полосу пропускания старого стандарта 802.11 (См.рис. 1.8). Добавив MIMO, мы сможем создавать мощные, недорогие, высокоскоростные системы.
Рисунок 1.8 - Расширение частотного диапазона приводит к увеличению пропускной способности канала.
Если MIMO используется с каналом 20 МГц, стоимость такой системы возрастет. Дело в том, что нам нужно 100 Мбит с на физическом уровне, который доступен только через три антенные цепи на передатчике и приемнике.
На рисунке ниже показана взаимосвязь между теоретической пропускной способностью OTA и значениями SNR, измеренными после сопряжения каналов. Эффективность уровня MAC составляет 70%, то есть фактические 100 Мбитс преобразуются в теоретические 140 Мбит с. Эта диаграмма (См. рис. 1.9) позволяет сравнить производительность сети на каналах 20 МГц и 40 МГц. На рисунке ниже: 2x2-40 МГц означает два потока данных, две антенные цепи на приемнике и передатчике и канал 40 МГц.
Как вы можете видеть, 2x3-20 достигает лучшего SNR, чем 2x2-20. Это увеличит радиус действия сети с той же скоростью. В то же время на рисунке четко видно, что цель фактической скорости 100 Мбитс не может быть достигнута с двумя потоками MIMO 20 МГц. Для этого вы должны использовать три потока MIMO, как описано выше. Преимущества подхода 2х2-40 очевидны. Обратите внимание, что количество радиочастотных каналов, использующих канал 20 МГц и передающих четыре потока MIMO, удваивается, а производительность ниже, чем у двух каналов 40 МГц. Поэтому переход на канал 40 МГц не только снижает сложность и стоимость системы, но и повышает производительность.
Рисунок 1.9 - Зависимость теоретической пропускной способности от SNR, числа каналов и диапазонов.
Ставки на использование полос частот и технологии MIMO позволяют не только достичь требуемых 100 Мбитс, но и сохранить низкую стоимость оборудования. Например, с развитием функций DSP, использование в будущем каналов 40 МГц и технологии MIMO может даже превысить требования стандарта (Напомним, закон Мура). Устройства 802.11n будут поддерживать каналы 20 и 40 МГц, а канал 40 МГц будет состоять из двух соседних каналов 20 МГц. Поэтому, если спектр перегружен или необходимо связаться в соответствии со старым стандартом, устройство может переключиться на узкий канал 20 МГц. Мы надеемся, что после выпуска стандарта законодательная власть примет соответствующие поправки, разрешающие использование канала 40 МГц, если он в настоящее время запрещен.
Чтобы достичь физической скорости 100 Мбитс, 802.11n должен поддерживать технологию MIMO, а не менее двух потоков. Для этого потребуется по крайней мере две антенные цепи на каждом устройстве 802.11n. При желании устройство сможет поддерживать больше потоков MIMO, но не более четырех.
Кроме того, 802.11n может добавить множество дополнительных решений по расширению полосы пропускания. Они включают в себя увеличение числа антенных цепей, методик адаптивного канала и FEC-кодирования и т.п.
Конечно, если нет эффективного механизма управления физическим уровнем, высокая скорость не может быть достигнута. Хотя уровень MAC напрямую не влияет на физическую скорость передачи, он играет важную роль в выборе режима оптимизации передачи PHY. Сначала соединение будет установлено через физический уровень, а затем со временем будет подключен уровень MAC, который будет определять долгосрочные параметры связи, такие как модуляция, кодирование, конфигурация антенны, диапазон частот канала и т.д.
Эти изменения будут влиять на уровень MAC, который получит новые функции. Важно понимать, что скорость передачи значительно ограничена заголовком PHY и задержкой. К сожалению, их сложно улучшить. Кроме того, заголовок PHY должен делать больше для поддержки нового режима.
В 802.11n режим передачи нескольких кадров MAC будет вводиться в блок данных физического уровня (агрегирование). ACK блока многокадрового запроса (BAR) также происходит. Следовательно, больше нет необходимости запускать процесс передачи отдельно для каждого кадра. Если передача блока не используется, уровень PHY потребует 500 Мбитс для скорости 100 Мбитс.
1.4 Топологии беспроводных сетей Wi-Fi
Сеть 802.11 может быть построена с использованием любой из следующих топологий:
- Эпизодическая сеть (Ad-Hoc или независимый от IBSS базовый набор услуг);
- Основная зона обслуживания Базовый набор услуг (BSS) или Режим инфраструктуры;
- Расширенные сервисные наборы (ESS).
Режим Ad-Hoc - это самая простая структура локальной сети, когда пользовательские станции (ноутбуки или компьютеры) взаимодействуют напрямую друг с другом. Эта структура облегчает экстренное развертывание сети. Чтобы создать его, вам нужно наименьшее ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
