+7 (3812) 66 01 25

Карта сайта

Интеллектуальные решения для промышленной автоматизации

Технология WiFi 802.11


Описание стандарта беспроводных сетей Wi-Fi

Highslide JS

Введение

Торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

 

Описание стандарта

История и происхождение названия

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi — Вик Хейз (Vic Hayes) находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g. В 2003 году Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. 802.11abg all-in-one-чипсет Agere (кодовое имя: WARP) плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с[2]. С 2011 по 2013 разрабатывался стандарт IEEE 802.11ac, окончательное принятие стандарта пришлось на начало 2014 года. Скорость передачи данных при использовании 802.11ac может достигать нескольких Гбит/с. Большинство ведущих производителей оборудования уже выпускают устройства поддерживающие данный стандарт. IEEE 802.11s входит в состав стандарта IEEE 802.11, позволяет организовать иерархические беспроводные ad hoc сети с мобильными и статическими узлами (mesh-сети), расширяет функциональность беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки доступа с охватом на порядок более высоким, чем у привычных хот-спотов.

Термин «Wi-Fi» изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя «намёком» на Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECA фигурировало словосочетание «Wireless Fidelity» («беспроводная точность»)[4], на данный момент от такой формулировки отказались, и термин «Wi-Fi» никак не расшифровывается.

Беспроводные самоорганизующиеся сети на основе WiFi

Сети ad hoc, не требующие инфраструктуры, в рамках базового стандарта IEEE 802.11 являются одноранговыми сетями, в которых каждая станция находится в зоне непосредственного радиоприема всех остальных станций. В 2007 году впервые была выпущена черновая версия стандарта 802.11s, определяющего основные характеристики самоорганизующихся сетей на основе WiFi.

В отличии от традиционных сетей WiFi, в которых существует только два типа устройств - «точка доступа» и «терминал», стандарт 802.11s предполагает наличие так называемых «узлов сети» и «порталов сети». Узлы могут взаимодействовать друг с другом и поддерживать различные службы. Узлы могут быть совмещены с точками доступа, порталы же служат для соединения с внешними сетями.

На основе уже существующих стандартов 802.11 можно строить MANET-сети (мобильные самоорганизующиеся сети), отличительной чертой которых можно назвать большую зону покрытия (несколько квадратных километров).

Сети MANET и WiFi Mesh

Сети MANET (англ.: Mobile Ad hoc NETwork – мобильная децентрализованная сеть) представляют собой сети, координация которых осуществляется на сетевом уровне, а доступ к каналу осуществляется с помощью одной из уже существующих технологий, допускающей построение децентрализованных сетей. Наибольшее развитие и известность получили сети MANET, построенные на базе технологии Wi-Fi ad hoc, и использующие для многошаговой доставки пакетов протоколы маршрутизации, работающие на сетевом (IP) уровне.

Для повышения эффективности протоколов маршрутизации в сетях MANET потребовалось снабдить их информацией о канальном уровне, например, о качестве соединений с помощью метрики маршрутизации. Такой подход следует устоявшейся парадигме, что маршрутизация должна выполняться на сетевом уровне. Однако при его воплощении в жизнь разработчики сталкиваются с проблемой межуровневого взаимодействия: для повышения пропускной способности и отказоустойчивости многошаговой сети необходимо, чтобы протоколы маршрутизации использовали весьма специфичную информацию с канального уровня и управляли передачей пакетов на канальном уровне. Таким образом, протоколы должны учитывать возможности сетевых карт определенного производителя и определенной марки. Устранить проблему межуровневого взаимодействия можно, решая задачу маршрутизации на канальном уровне. По этому пути пошел комитет по стандартам IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee. В 2004 г. этот комитет создал отдельную группу для разработки стандарта беспроводных многошаговых самоорганизующихся сетей. В стандарте IEEE 802.11s, опубликованном в конце 2011 г., такие сети получили название сетей Wi-Fi Mesh.

Технические моменты многошаговых сетей Wi-Fi Mesh

Сетевой процессор, логика и беспроводной интерфейс сосредоточены внутри каждого узла — участника сети, поэтому необходимость в централизованной коммутации исчезает. Иными словами, топология ячеистых сетей предусматривает либо прямую связь между образующими их узлами, либо транзитную передачу данных между источником и получателем. Следовательно, перед тем как начать обмен данными, каждый узел должен «решить», будет ли он выполнять функции точки доступа, служить транзитным устройством или сочетать обе роли. Далее индивидуальные узлы определяют своих соседей, используя протокол типа «запрос/ответ». После окончания процедуры обнаружения узлы замеряют характеристики коммуникационных каналов: мощность принимаемого сигнала, пропускную способность, задержку и частоту ошибок. Узлы обмениваются этими значениями, а затем на их основе каждый узел выбирает наилучший маршрут коммуникаций со своими соседями.

Highslide JS

Процессы обнаружения и выбора наиболее благоприятного маршрута выполняются в фоновом режиме, так что каждый узел располагает актуальным списком соседей. В случае недоступности по тем или иным причинам какого-либо узла соседние могут быстро реконфигурировать свои таблицы и вычислить новый оптимальный маршрут. Способность самоконфигурации и самовосстановления делает ячеистые сети очень надежными. Беспроводные ячеистые сети могут состоять из сотен и даже тысяч узлов, что позволяет легко расширять их и обеспечивать необходимую избыточность.

На более коротких расстояниях пропускная способность сети выше. Причиной могут быть помехи и другие влияющие на потерю данных факторы, чье действие накапливается по мере увеличения расстояния. И потому одним из способов повышения пропускной способности сети становится передача данных через несколько узлов, разделенных небольшими расстояниями. Благодаря тому, что для передачи данных на более короткие расстояния требуется меньшая мощность, многоузловая сеть может обеспечить более высокую общую пропускную способность.

Узлы остаются вполне автономными устройствами, способными самостоятельно управлять своим функционированием, и в то же время являются компонентом общей сети, допускающим управление из центральной точки.

Проблемы и недостатки

Проблемы, требующие особого внимания при дальнейшем развитии самоорганизующихся сетей на базе WiFi можно разделить на следующие классы:

  • Возникающие сложности первоначального запуска WiFi Mesh сети;

  • Проблемы масштабируемости сетей, методов доступа к среде у абонентов и маршрутизации внутри сети;

  • Необходимость большого количества участников для эффективной работы сети;

  • Негарантированное качество связи и отсутсвие стабильной пропускной способности.

Несмотря на высокий интерес к многошаговым беспроводным сетям WiFi со стороны исследователей и разработчиков, все еще остается множество открытых задач.

Первая группа задач связана с методом доступа к среде. Хотя MCCA (англ: Mesh coordination function Coordinated Channel Access – Метод доступа для mesh-сетей) и позволяет снизить вред, наносимый скрытыми станциями, он не гарантирует надежную передачу данных, поэтому важно разработать методы, повышающие надежность MCCA. Кроме того, необходимы алгоритмы, позволяющие определить объем ресурсов, которые надо зарезервировать для передачи потоковых данных. Особый интерес представляет передача мультимедийных данных, накладывающая ограничения на время доставки и долю потерянных данных.

Вторая группа задач связана с разработкой протоколов маршрутизации, строящих маршруты с учетом требований к качеств обслуживания передаваемых данных, а также принимающих во внимание тот факт, что доступ к среде может осуществляться разными методами: случайным и детерминированным.

Заключение

Несмотря на все сложности, связанные с разработкой и внедрением Mesh сетей на базе WiFi, уже сейчас в мире работает множество подобных сетей, они имеют разную конфигурацию и топологию, свои надстройки и методы маршрутизации, у них разные задачи и уровень безопасности.



Связь со специалистом

Вы можете задать вопрос. Для этого заполните все поля и отправьте сообщение. Ответ будет отправлен на указанный электронный адрес в ближайшее время.

  

Заказать звонок

Мы перезвоним вам в ближайшее время. Пн-Пт с 9:00 до 18:00 по Мск.