Проектирование беспроводной Wi-Fi сети в офисе

Размещено на http://allbest.ru

Специальность 11.02.10. Радиосвязь, радиовещание и телевидение

КУРСОВАЯ РАБОТА

МДК.01.02. Технология монтажа и обслуживания направляющих систем радио и оптической связи

Студента Голова Елисея Григорьевича

Группы 3-РРТ 9-12

На тему: «Проектирование беспроводной Wi-Fi сети в офисе »

Руководитель:

Процюк А.В.

Москва 2022



«УТВЕРЖДАЮ»

Зам. директора по ОУП

___________ И.Г.Бозрова

«___» сентября 2022 г.

ЗАДАНИЕ

к выполнению курсовой работы студента

Адамского Г. А.

на тему: «Проектирование беспроводной Wi-Fi сети в офисе»

Тема курсовой работы утверждена Приказом директора № ______ от __

Цель работы: Получить основные навыки разработки Wi-Fi сети в офисе



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI

1.1 Особенности развития технологий беспроводного доступа

1.2 История развития

1.3 Основные стандарты

2 РЕАЛИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА

2.1 Место реализации проекта

2.2 Описание и характеристика выбранного оборудования

2.4. Разработка структурной схемы организации сети

2.5 Программирование

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности

3.2 Расчет зоны действия сигнала

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Во всем мире стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере бизнеса и IT технологий. Пользователи с беспроводным доступом к информации всегда и везде могут работать гораздо более производительно и эффективно, чем их коллеги, привязанные к проводным телефонным и компьютерным сетям, так как существует привязанность к определенной инфраструктуре коммуникаций.

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity -- беспроводная связь) -- стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11 разработанный в 1997г. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Беспроводные сети обладают, по сравнению с традиционными проводными сетями, немалыми преимуществами, главным из которых, конечно же, является:

-- Простота развёртывания;

-- Гибкость архитектуры сети, когда обеспечивается возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени;

-- Быстрота проектирования и реализации, что критично при жестких требованиях к времени построения сети;

-- Так же, беспроводная сеть не нуждается в прокладке кабелей (часто требующей дробления стен).

В то же время беспроводные сети на современном этапе их развития не лишены серьёзных недостатков. Прежде всего, это зависимость скорости соединения и радиуса действия от наличия преград и от расстояния между приёмником и передатчиком. Один из способов увеличения радиуса действия беспроводной сети заключается в создании распределённой сети на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании таких сетей появляется возможность превратить здание в единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения вне зависимости от количества стен (преград). Аналогично решается и проблема масштабируемости сети, а использование внешних направленных антенн позволяет эффективно решать проблему препятствий, ограничивающих сигнал.

Целью данной работы является проектирование сети беспроводного доступа в общежитии № 2 Алматинского Института Энергетики и Связи, с целью повышения уровня информатизации, предоставления современных услуг связи: высокоскоростной доступ в Интернет, компьютерная сеть, на базе технологии Wi-Fi.



1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА Wi-FI

1.1 Особенности развития технологий беспроводного доступа

На заре развития радиотехники термин «беспроводный» (wireless) использовался для обозначения радиосвязи в широком смысле этого слова, т. е. буквально во всех случаях, когда передача информации осуществлялась без проводов. Позже это толкование практически вышло из обращения, и «беспроводный» стало употребляться как эквивалент термину «радио» (radio) или «радиочастота» (RF -- radio frequency). Сейчас оба понятия считаются взаимозаменяемыми в том случае, если речь идет о диапазоне частот от 3 кГц до 300 ГГц. Тем не менее термин «радио» чаще используется для описания уже давно существующих технологий (радиовещание, спутниковая связь, радиолокация, радиотелефонная связь и т. д.). А термин «беспроводный» в наши дни принято относить к новым технологиям радиосвязи, таким, как микросотовая и сотовая телефония, пейджинг, абонентский доступ и т. п.

Различают три типа беспроводных сетей (рис. 1.1): WWAN (Wireless Wide Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WPAN (Wireless Personal Area Network)

Рисунок 1.1 -- Радиус действия персональных, локальных и глобальных беспроводных сетей

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 сходные технологии. Ключевое различие между ними (рис. 1.2) -- диапазон рабочих частот и характеристики радиоинтерфейса. Сети WLAN и WPAN работают в нелицензионных диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, т. е. при их развертывании не требуется частотного планирования и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне. Сети BWA (Broadband Wireless Access) используют как лицензионные, так и нелицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).

Рисунок 1.2 -- Классификация беспроводных технологий

Беспроводные локальные сети WLAN.

Основные назначение беспроводных локальных сетей (WLAN) - организация доступа к информационным ресурсам внутри здания. Вторая по значимости сфера применения - это организация общественных коммерческих точек доступа (hot spots) в людных местах - гостиницах, аэропортах, кафе, а также организация временных сетей на период проведения мероприятий (выставок, семинаров).

Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети известны также как Wi-Fi (Wireless Fidelity), и хотя сам термин Wi-Fi, в стандартах явным образом не прописан, бренд Wi-Fi получил в мире самое широкое распространение.

1.2 История развития

В 1990 г. Комитет по стандартам IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers). сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. Это группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2.4 ГГц со скоростями 1 и 2 Мбит/с. Работа по созданию стандарта были завершены через семь лет, и в июне 1997 г. была ратифицирована первая спецификация 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 стал первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации. Однако к моменту выхода стандарта в свет первоначально заложенная в нем скорость передачи данных оказалась недостаточной. Это послужило причиной последующих доработок, поэтому сегодня можно говорить о группе стандартов.

1.3 Основные стандарты

В настоящее время широко используется преимущественно три стандарта группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 1.1)



Таблица 1.1 -- Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

1.3.1 Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью равной 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.

Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек и логических элементов XOR. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере применяется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний.

Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби.

Дибит, формируемый в сверточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно он подвергается фазовой модуляции. Причем в зависимости от скорости передачи возможна двоичная, квадратурная или даже восьмипозиционная фазовая модуляция.

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе 802.11g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже применяется опционально. Вообще, вследствие совместимости протоколов 802.11b и 802.11g технологии кодирования и скорости, предусмотренные протоколом 802.11b, поддерживаются и в протоколе 802.11g. В этом плане до скорости 11 Мбит/с протоколы 802.11b и 802.11g совпадают друг с другом, за исключением того, что в протоколе 802.11g предусмотрены такие скорости, которых нет в протоколе 802.11b.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

Для скорости 22 Мбит/с по сравнению с уже рассмотренной нами схемой PBCC передача данных имеет две особенности. Прежде всего, применяется 8-позиционная фазовая модуляция (8-PSK), то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений, что позволяет в одном символе кодировать уже три бита. Кроме того, в схему, за исключением сверточного кодера, добавлен пунктурный кодер (Puncture).

Смысл такого решения довольно прост: избыточность сверточного кодера, равная 2 (на каждый входной бит приходится два выходных), достаточно высока и при определенных условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовали три выходных. Для этого можно, конечно, разработать соответствующий сверточный кодер, но лучше добавить в схему специальный пунктурный кодер, который будет просто уничтожать лишние биты.

Допустим, пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырех входных бит. Тогда каждым четырем входящим бит будут соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4/3. Если же такой кодер используется в паре со сверточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будут соответствовать три выходных.

Технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM -- обязательной. Для того чтобы понять суть технологии OFDM, рассмотрим более подробно многолучевую интерференцию, возникающую при распространении сигналов в открытой среде.

Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но разные пути распространения отличаются друг от друга по длине, а потому ослабление сигнала будет для них неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой интерференцию многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах, поскольку при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, отмечают два крайних случая. В первом из них максимальная задержка между сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором -- максимальная задержка между сигналами больше длительности одного символа, поэтому в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет именно межсимвольная интерференция. Поскольку символ -- это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, для разных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, а следовательно, восстановить исходный сигнал крайне сложно.

По этой причине высоких скоростях передачи применяется метод кодирования данных, называемый ортогональным частотным разделением каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Суть его заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Благодаря тому, что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время -- достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость.

Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции. Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) -- циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа. Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал -- 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс. В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции -- два информационных бита.

Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с. Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала.

В протоколе 802.11g применяется модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая -- 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с. 1.3.2 Стандарт IEEE 802.11а Стандарт IEEE 802.11а предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогонально частотное мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения сигнала.
В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) -- 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) -- 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала -- в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рисунок 1.3). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 1.3 -- Разделение диапазона UNI I на 12 частотных под диапазонов.

Стандарт IEEE 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные -- для передачи служебной информации (Pilot Тones). По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g.

На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE 802.11а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором -- уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции и числом поднесущих. Поскольку для передачи данных применяются 48 поднесущих, емкость OFDM-символа составляет 48 x Nb, где Nb -- двоичный логарифм от числа позиций модуляции, или, проще говоря, количество бит, которые кодируются в одном символе в одном подканале. Соответственно емкость OFDM-символа составляет от 48 до 288 бит. Последовательность обработки входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом.

Первоначально входной поток данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной. Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с.

При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (таблица 1.2).

Таблица 1.2 -- Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a:

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц.

Рисунок 1.4 -- Принцип реализации технологии MIMO

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. 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. Кроме того, структура преамбулы определяет некоторые первичные задачи приемника, такие как оценка мощности принимаемого сигнала для системы автоматической регулировки усиления, обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режим зеленого поля. В этом режиме полностью используются преимущества систем MIMO. Передача возможна только между многоантенными станциями при наличии унаследованных приемников. Когда идет передача MIMO-системой, обычные станции ждут освобождения канала, чтобы избежать конфликтов. В режиме зеленого поля прием сигнала от систем, работающих по первым двум схемам, возможен, а передача им -- нет. Это сделано для того, чтобы исключить из обмена одноантенные станции и тем самым повысить скорость работы. Пакеты сопровождаются преамбулами, которые поддерживаются только станциями MIMO. Все эти меры позволяют максимально использовать возможности систем MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть предусмотрена защита от влияния работы соседней станции, чтобы предотвратить искажения сигналов. На физическом уровне модели OSI для этого используются специальные поля в структуре преамбулы, которые оповещают станцию о том, что идет передача и необходимо определенное время ожидания. Некоторые методы защиты принимаются и на канальном уровне. В зависимости от используемой полосы пропускания режимы работы классифицируются следующим образом:

1. Наследуемый режим. Этот режим нужен для согласования с предыдущими версиями Wi-Fi. Он очень похож на 802.11a/g как по оборудованию, так и по полосе пропускания, которая составляет 20 МГц.

2. Двойной наследуемый режим. Устройства используют полосу 40 МГц, при этом одни и те же данные посылаются по верхнему и нижнему каналу (каждый шириной 20 МГц), но со смещением фазы на 90°. Структура пакета ориентирована на то, что приемником является обычная станция. Дублирование сигнала позволяет уменьшить искажения, повышая тем самым скорость передачи.

3. Режим с высокой пропускной способностью. Устройства поддерживают обе полосы частот -- 20 и 40 МГц. В этом режиме станции обмениваются только пакетами MIMO. Скорость работы сети максимальна.

4. Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина диапазона 40 МГц. Станции могут обмениваться любыми пакетами.

5. Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина диапазона 40 МГц. Станции также могут обмениваться любыми пакетами.

Методы повышения быстродействия.

Скорость передачи данных зависит от многих факторов (таблица 1.3) и, прежде всего, от полосы пропускания. Чем она шире, тем выше скорость обмена. Второй фактор -- количество параллельных потоков. В стандарте 802.11n максимальное число каналов равно 4. Также большое значение имеют тип модуляции и метод кодирования. Помехоустойчивые коды, которые обычно применяются в сетях, предполагают внесение некоторой избыточности. Если защитных битов будет слишком много, то скорость передачи полезной информации снизится. В стандарте 802.11n максимальная относительная скорость кодирования составляет до 5/6, то есть на 5 битов данных приходится один избыточный. В таблице 3 приведены скорости обмена при квадратурной модуляции QAM и BPSK. Видно, что при прочих одинаковых параметрах модуляция QAM обеспечивает гораздо большую скорость работы.



Таблица 1.3 -- Скорость передачи данных при различных типах модуляции

Передатчики и приемники 802.11n

В стандарте IEEE 802.11n допускается использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного адаптера. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенн у точки доступа и одной антенны и беспроводного адаптера. В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Общая структурная схема передатчика изображена на рисунке 1.5. Передаваемые данные проходят через скремблер, который вставляет в код дополнительные нули или единицы (так называемое маскирование псевдослучайным шумом), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные разделяются на N потоков и поступают на кодер с прямой коррекцией ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, а если используются три или четыре передающих канала, то N = 2

Рисунок 1.5 -- Общая структура передатчика MIMO-OFDM

Кодированная последовательность разделяется на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке перемеживаются (для устранения блочных ошибок), а затем модулируются. Далее происходит формирование пространственно-временных потоков, которые проходят через блок обратного быстрого преобразования Фурье и поступают на антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогичная структуре передатчика изображена на рисунке 1.6, но все действия выполняются в обратном порядке.

Рисунок 1.6 -- Общая структура приемника MIMO-OFD



2. РЕАЛИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРВОДНОГО ДОСТУПА

2.1 Место реализации проекта

Предприятием на основе которого будет внедряется этот проект выбрано ОАО «Ростелеком», так как на сегодняшний день ОАО «Ростелеком» является лидером телекоммуникационных услуг на территории всей РФ. Место реализации беспроводного доступа офис компании E&N.

Основными видами деятельности ОАО «Ростелеком» являются:

Предоставление услуг местной телефонной связи;

Предоставление услуг междугородной и международной связи;

Предоставление доступа к сетям передачи данных;

Услуги интеллектуальной сети;

Задачи проекта:

Развертывание сети беспроводного доступа Wi-Fi в офисе E&N Удовлетворение существующего и прогнозируемого спроса на услуги телекоммуникаций. Область применения технологий беспроводного доступа Wi-Fi: Экономическая нецелесообразность подключения по проводной линии; Быстрый захват потенциальных абонентов. Обеспечение высокой скорости передачи данных.

2.2 Техническое решение проекта

Проект «Беспрводной доступ Wi-Fi в офисе E&N» базируется на оборудовании c поддержкой стандарта 802.11n, получившим сертификат Wi-Fi. Wi-Fi покрывает всю территорию общежития и обьединяет всех пользователей в единую сеть с доступом в интернет. Сеть осуществляется установленными по всей территории общежития беспроводными унифицированными точками доступа, управляемыми беспроводным коммутатором.

2.3 Описание и характеристика выбранного оборудования

Точка доступа D-Link DWL-8600AP -- унифицированная беспроводная точка доступа следующего поколения, соответствующая стандарту IEEE 802.11n. Гибкая в управлении и мощная, данная точка доступа предназначена для развертывания сетей в режиме автономной беспроводной точки доступа или в режиме управляемой точки доступа, управление которой осуществляется при подключении к беспроводному коммутатору.

Предприятия могут начать работу с организации сети с помощью одной интеллектуальной точки доступа DWL-8600AP, предоставляющей ряд расширенных функций LAN, а затем в любое время перейти к централизованной системе управления после подключения аналогичной точки доступа DWL-8600AP к унифицированному проводному/беспроводному коммутатору D-Link. Стандарт 802.11n увеличивает пропускную способность в 6 раз больше по сравнению с сетями стандарта 802.11a/g. Точка доступа DWL-8600AP является обратно совместимой с устройствами стандарта 802.1a/b/g и позволяет настройку 2Ч2:2* в обоих направлениях Tx/Rx.

Технология Multiple In Multiple Out (MIMO) и каналы с увеличенной пропускной способностью увеличивают физическую скорость передачи данных при использовании стандарта 802.11n. MIMO обеспечивает одновременную передачу нескольких сигналов с помощью нескольких антенн вместо одной. Использование DWL-8600AP на предприятии подготавливает платформу для будущего поколения беспроводных устройств и мобильных приложений. DWL-8600AP поддерживает функцию APSD (Автоматический переход в режим сохранения энергии) по расписанию и вне расписания. Выполняемая вне расписания функция APSD (U-APSD) является более эффективным методом управления питанием по сравнению с функцией Power Save Polling 802.11.

Основным преимуществом функции U-APSD является возможность синхронизации передачи и получения голосовых фреймов с точкой доступа, таким образом, устройство может переходить в режим сохранения энергии в случае, когда не выполняется отправка или прием пакетов. DWL-8600AP является полностью совместимой с устройствами стандарта 802.3af даже в режиме максимально потребляемой мощности. В отличие от точки доступа стандарта 802.11n других производителей, которым требуется PoE или 802.3at при работе обеих частот, DWL-8600AP обеспечивает непрерывную поддержку энергосберегающей технологии D-Link Green.

Вид DWL-8600AP представлен на рисунке 20. Рисунок 2.1 - беспроводная точка доступа DWL-8600AP Коммутаторы DWS-4026 автоматически настраивают каждую подключенную точку доступа DWL-8600AP, таким образом, во время установки не требуется настройка. При замене DWL-8600AP выполняется автоматическая настройка точки доступа с теми же параметрами, что и у предыдущего устройства, что значительно упрощает процесс замены. DWL-8600AP поддерживает набор встроенных функций, позволяющий администраторам организовать защищенную сеть и подключиться к любому коммутатору и маршрутизатору, совместимому с устройствами Ethernet. Расширенные функции беспроводной сети, поддерживаемые точкой доступа, включают:

WEP-шифрование данных, безопасность WPA/WPA2, фильтрация MAC-адресов, балансировка нагрузки между точками доступа, QoS/WMM (Wireless Media) и обнаружение несанкционированных точек доступа. DWL-8600AP поддерживает возможность локального хранения настроек безопасности.

Можно расширить беспроводные подключения путем добавления нескольких точек доступа DWL-8600AP к другим точкам доступа с поддержкой стандарта 802.11a/g/n. Благодаря функции AP Clustering можно объединить до 8 точек доступа для удобства управления и настройки всех точек доступа.

Предприятия, не требующие сложной сетевой инфраструктуры, могут использовать DWL-8600AP для установки беспроводной сети без дополнительного аппаратного обеспечения. В качестве альтернативного варианта DWL-8600AP может работать совместно с унифицированным проводным/беспроводным коммутатором. В данном режиме несколько точек доступа DWL-8600AP могут быть подключены непосредственно или опосредованно к одному из данных коммутаторов для обеспечения высокого уровня безопасности и беспроводной мобильности.

При подключении к этим коммутаторам каждая точка доступа DWL-8600AP автоматически настраивается на оптимальный радиочастотный канал и выходную мощность передатчика, обеспечивая беспроводных клиентов сигналом наилучшего качества как в полосе 2,4ГГц, так и в полосе 5ГГц, предоставляя непрерывное беспроводное соединение.

DWL-8600AP обеспечивает максимальную скорость беспроводного соединения для каждого из частотных диапазонов. При одновременной работе в двух диапазонах частот можно создать две сети, использующие полную полосу пропускания беспроводного канала, что позволит повысить общую производительность беспроводной сети.

Кроме того, DWL-8600AP остается полностью обратно совместимой с оборудованием стандарта 802.11b, работающим на частоте 2,4ГГц. Большинство из существующих контролеров сети LAN осуществляет централизованную обработку трафика, что иногда вызывает его неоправданную задержку. Точка доступа DWL-8600AP - при подключении к коммутатору DWS-4026 - предоставляет администраторам ряд дополнительных функций. В зависимости от беспроводного приложения, беспроводной трафик может направляться обратно к коммутатору в целях обеспечения общей безопасности или локально перенаправляться к точке доступа для оптимальной производительности.

Точка доступа данной серии предоставляет администраторам максимальную гибкость управления, благодаря опциям перенаправления гостевого трафика к коммутатору для централизованного управления безопасностью и перенаправления VoIP-трафика непосредственно к точке доступа для оптимальной производительности. Более того, DWL-8600AP поддерживает функции AP Clustering и Wireless Distribution System (WDS). Функция WDS позволяет точке доступа работать в режиме беспроводного моста, объединяя две различные сети без необходимости подключения кабеля.

DWL-8600AP непрерывно сканирует оба диапазона частот и связанные с ними каналы для обнаружения несанкционированных подключений, обеспечивая при этом соединение для мобильных клиентов.

Если обнаружено несанкционированное подключение, точка доступа отправляет отчет коммутатору DWS-4026, который ей управляет. Используя управляющую консоль, администратор может определить несанкционированную точку доступа и предпринять соответствующие действия. DWL-8600AP поддерживает такие функции как 64/128/152-битное WEP-шифрование данных,

WPA/WPA2 и Multiple SSID для каждого радиочастотного канала. При подключении к коммутатору DWS-4026 эти функции наряду с фильтрацией MAC-адресов и запретом широковещания SSID могут использоваться для настройки параметров безопасности и ограничения доступа во внутреннюю сеть извне. DWL-8600AP поддерживает 802.1Q VLAN Tagging и WMM (Wi-Fi Multimedia) для передачи данных таких приложений как VoIP и потоковое аудио/видео с заданным приоритетом.

2.4 Разработка структурной схемы организации сети

Беспроводная сеть, которую планируется реализовать, будет основана на новом стандарте IEEE 802.11n. Сеть будет управляться сервером с помощью беспроводного коммутатора.

Так как беспроводной коммутатор и точки доступа распространяют сигнал сферически, планируется установить по три точки доступа на втором и четвёртом этажах по всей площади общежития, а беспроводной коммутатор -- на третьем этаже, в центре, для охвата каждой точки доступа.

Схема беспроводной сети представлена на рисунке 2.4 Организация сети доступа Организовать сеть беспроводного доступа, для чего приобрести и установить 6 точек доступа DWL-8600AP по 3 точки на втором и четвертом этажах. Беспроводной коммутатор DWS-4026 разместить в рабочем помещении на третьем этаже.

Настроить беспроводной коммутатор, определить точки доступа. Обеспечить мониторинг и защиту сети. Организация подключения к сети Internet. Доступ к сети Internet организовать через широкополосный /DSL модем.

Рисунок 2.4 - Схема беспроводной сети

2.5 Программирование

При проектировании беспроводной сети Wi-Fi была разработана программа расчёта эффективной изотропной излучаемой мощности для удобства проведения расчетов. Приложение разработано на языке Delphi 7

Вид программы расчёта эффективной изотропной излучаемой мощности представлен на рисунке 2.5. Код показан в приложении E.

Рисунок 2.5 - Вид программы



3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности

Эффективная изотропная излучаемая мощность определяется по формуле:

EIRP = РПРД -- WАФТпрд + GПРД, (3.1)

где

РПРД -- выходная мощность передатчика, дБм; WАФТпрд -- потери сигнала в АФТ передатчика, дБ;

GПРД -- усиление антенны передатчика, дБи. Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности одной точки доступа (данные представлены в таблице 3.1)

Таблица 3.1 - Параметры данных

По формуле (3.1) эффективная изотропная излучаемая мощность составляет:

EIRP = 18 - 6 + 24 = 36 дБм



3.2 Расчет зоны действия сигнала

Эта методика позволяет определить теоретическую дальность работы беспроводного канала связи, построенного на оборудовании D-LINK. Следует сразу отметить, что расстояние между антеннами, получаемое по формуле - максимально достижимое теоретически, а так как на беспроводную связи влияет множество факторов, получить такую дальность работы, особенно в черте города, увы, практически невозможно.

Для определения дальности связи необходимо рассчитать суммарное усиление тракта и по графику определить соответствующую этому значению дальность. Усиление тракта в дБ определяется по формуле:

(3.2)

где

- мощность передатчика;

- коэффициент усиления передающей антенны;

- коэффициент усиления приемной антенны;

- реальная чувствительность приемника;

По графику, приведённому на рисунке 3.1, находим необходимую дальность работы беспроводного канала связи.

Рисунок 3.1 - График для определения дальности работы беспроводного канала связи

По графику (кривая для 2.4 GHz) определяем соответствующую этому значению дальность. Получаем дальность равную ~300 метрам.

Без вывода приведём формулу для расчёта дальности. Она берётся из инженерной формулы расчёта потерь в свободном пространстве:

где FSL (free space loss) - потери в свободном пространстве (дБ);

F - центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц);

D - расстояние между двумя точками (км).

FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:

Суммарное усиление = Мощность передатчика (дБмВт) + | Чувствительность приёмника (-дБмВт)(по модулю) | + Коэф. Уисления антенны передатчика + Коэф усиления антенны приёмника - затухание в антенно-фидерном тракте передатчика - затухание в антенно-фидерном тракте приёмника - SOM

Для каждой скорости приёмник имеет определённую чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2 мегабита) чувствительность наивысшая: от -90 дБм Вт до -94 дБм Вт. Для высоких скоростей, чувствительность намного меньше.

В зависимости от марки радио-модулей максимальная чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для разных скоростей максимальная дальность будет разной.

SOM (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи (дБ). Учитывает возможные факторы отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:

температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика; всевозможные погодные аномалии: туман, снег, дождь; рассогласование антенны, приёмника, передатчика с антенно-фидерным трактом.

Параметр SOM берётся равным 15 дБ. Считается, что 15-ти децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета.

В итоге получим формулу дальность связи:

D=0.25km = 250м .



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В своей курсовой работе я произвел обоснование проекта «Проектирование беспроводной сети Wi-Fi на основе стандарта 802.11n в офисе компании E&N». В работе был сделан анализ сети беспроводного доступа Wi-Fi. В качестве выбора оборудования для реализации проекта было отдано предпочтение в пользу фирмы D-Link. Обоснование выбора оборудования производилось с учетом: технических характеристик, возможности применения, стоимости и так далее. В технической части проекта рассмотрен вариант построения сети беспроводного доступа с установлением шести точек доступа. Выбор обусловлен условиями технических параметров оборудования. В расчетной части курсовой работы произведены расчеты эффективной изотропной излучаемой мощности и зона покрытия сети. В экономической части дипломного проекта был произведен анализ рынка связи и представлен бизнес-план проектируемой системы с указанием срока окупаемости проекта.

беспроводная сеть точка доступ покрытие



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник. - Санкт-Петербург, Питер, 2001.

2. Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. - М.: Кудиц - Образ, 2000

3 «Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Практическое руководство по изучению, разработке и использованию беспроводных ЛВС стандарта 802.11» / Педжман Рошан, Джонатан Лиэри. - М.: Cisco Press Перевод с английского Издательский дом «Вильямс»,2004

4. «Современные технологии беспроводной связи» / Шахнович И. - М.: Техносфера, 2004

5. «Сети и системы радиодоступа» / Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. - М.: Эко-Трендз, 2005

6. «Анатомия беспроводных сетей» / Сергей Пахомов. - Компьютер-Пресс, №7, 2002

7. «WLAN: практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» / Томас Мауфер. - М.: КУДИЦ-Образ, 2005

8. «Беспроводные сети. Первый шаг» / Джим Гейер. - М.: Издательство: Вильямс, 2005

9. «Секреты беспроводных технологий» / Джек Маккалоу. - М.: НТ-Пресс, 2005

10. «Современные технологии и стандарты подвижной связи» / Кузнецов М.А., Рыжков А.Е. - СПб.: Линк, 2006

11. «Базовые технологии локальных сетей» / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 1999

12. Сайт компании Aperto Networks.: http://www.Aperto Networks..com

13. Шахнович С. Современные беспроводные технологии. -- ПИТЕР, 2004

14. Голубицкая Е.А., Жигуляская Г.М. Экономика связи. - М.: Радио и связь, 1999.

15. Баклашов Н.И., Китаева Н.Ж., Терехов Б.Д. Учебник. - Радио и связь, 1989.

...