В IEEE 802.11: технология беспроводной локальной сети

Аннотация

Сетевые технологии традиционно основаны на проводных решениях. Но внедрение стандартов IEEE 802.11 оказало огромное влияние на рынок, так что ноутбуки, ПК, принтеры, мобильные телефоны и телефоны VoIP, MP3 – плееры в наших домах, офисах и даже в общественных местах включили технологию беспроводной локальной сети.

Беспроводные широкополосные технологии в настоящее время обеспечивают неограниченный широкополосный доступ к пользователям, которые ранее предлагались только проводным пользователям. В этом документе мы рассмотрим и обобщим одну из новых беспроводных широкополосных технологий, то есть IEEE 802.11, которая представляет собой набор стандартов физического уровня для реализации беспроводной связи в локальной сети в полосе частот 2,4,3,6,5 и 60 ГГц. Они устраняют проблемы с технологией или добавляют функциональность, которая, как ожидается, будет необходимых для будущих приложений. Хотя некоторые из более ранних версий этих технологий устарели (например, HiperLAN), но все же мы включили их в этот обзор ради полноты.

Ключевые слова: беспроводная связь, IEEE 802.11, HiperLAN, WLAN, Wi-fi.

1. Введение

Технологии беспроводной широкополосной связи были разработаны с целью предоставления услуг, сопоставимых с услугами, предоставляемыми проводным сетям. Сотовые сети теперь обеспечивают поддержку передачи данных с высокой пропускной способностью для многочисленных мобильных пользователей одновременно. В дополнение к этому, они также обеспечивают поддержку мобильности для голосовой связи. Беспроводные сети передачи данных можно разделить на несколько типов в зависимости от области покрытия. Это:

WLAN: беспроводная локальная сеть, в зоне с радиусом ячейки до ста метров, в основном в домашних и офисных условиях.

WMAN: беспроводная городская сеть; как правило, охватывают более широкие районы, такие как целые города.

WWAN: беспроводная глобальная сеть с радиусом ячейки около 50 км, площадь покрытия больше, чем город.

Однако из всех этих стандартов WLAN и недавние разработки в технологии WLAN будут нашей основной областью изучения в этой статье. IEEE 802.11 – это наиболее широко используемая технология WLAN на сегодняшний день. Другим хорошо известным является cтандарт HiperLAN от ETSI. Обе эти технологии объединены в рамках альянса Wireless Fidelity (Wi-fi). В литературе, IEEE802.11 и Wi-fi используются взаимозаменяемо, и мы также будем следовать тому же соглашению в этой статье.

Типичная сеть WLAN состоит из точки доступа (AP) в центре, и к этой центральной точке доступа (AP) подключено несколько станций (STA). Теперь существуют в основном два режима, в которых может осуществляться связь. В централизованном режиме связи связь с / из STA всегда переносится на точки доступа. Существует также децентрализованный режим, при котором связь между двумя STA может осуществляться непосредственно без требования AP в специальная мода. Сети WLAN обеспечивают покрытие до 50-100 метров. Первоначально Wi-Fi обеспечивал совокупную пропускную способность 11 Мбит / с, но последние разработки увеличили пропускную способность до 54 Мбит / с. В результате его высокого проникновения на рынок были разработаны или в настоящее время разработаны несколько поправок к базовому стандарту IEEE 802.

В этом документе мы рассмотрим стандарт IEEE 802.11 и рассмотрим технический контекст его расширений. В разделе 2 мы кратко обсудим историю развития стандарта. Раздел 3 посвящен функциям семейства IEEE 802, которые уже реализованы. В следующем разделе 4 мы рассмотрим другие стандарты, помимо IEEE 802.11a; IEEE 802.11b / g. В разделе 5 обсуждаются некоторые из предстоящих стандартов и некоторые открытые проблемы с IEEE 802.11 стандарт приведен в разделе 6. HiperLAN и его стандарты обсуждались в разделах 7 и 8. В разделе 9 мы изложим причины отказа HiperLANs по сравнению с IEEE 802.11. Наконец, мы завершаем нашу работу в разделе 10.

2. Разработка IEEE 802.11

Физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) в основном были нацелены на проект IEEE 802. Когда идея беспроводной локальной сети (WLAN) была впервые задумана, просто подумалось о другом PHY одного из доступных стандартов. Первым кандидатом, который считался для этого, был самый известный стандарт 802.3 IEEE.

Однако более поздние результаты показали, что радиосредство вело себя совсем по – другому, чем обычный хорошо проводящий провод. Поскольку было затухание даже на коротких расстояниях, столкновения не могли быть обнаружены. Следовательно, не может применяться метод множественного доступа с просслушиванием несущей 802.3 и обнаружением коллизий (CSMA / CD).

Следующим стандартом считался 802.4. В тот момент времени его скоординированный доступ к среде, то есть концепция маркерной шины, как полагают, превосходит схему конкуренции на основе 802.3. Следовательно, WLAN началась с 802.4L. Позже в 1990 году стало очевидным, что обработка токенов в радиосетях была довольно сложной. Орган по стандартизации осознал необходимость стандарта беспроводной связи, который будет иметь свой собственный уникальный MAC. Наконец, 21 марта 1991 года был утвержден проект 802.11 (рис.1).

3. Семейство IEEE 802.11

Наиболее широко распространенный стандарт 802.11 имеет много расширений, и многие другие в настоящее время разрабатываются. Впервые представленный в 1999 году, стандарты IEEE 802.11 были разработаны в первую очередь с учетом домашнего и офисного окружения для беспроводной локальной связи. Первоначальные стандарты дали максимальную скорость передачи данных 2 Мбит / с на AP, которая увеличилась до 11 Мбит / с на AP с развертыванием IEEE 802.11b [2]. Новые расширения, такие как IEEE 802.11g и IEEE 802.11a, обеспечивали максимальную скорость передачи данных 54 Мбит / с на AP с использованием различных методы повышения максимальной скорости передачи данных [3-5]. Устройства WLAN на базе стандарта IEEE 802.11g в настоящее время предлагают скорость передачи данных 100-125 Мбит / с [4].

Аналогично, относительно новый стандарт IEEE 802.11n обеспечивает максимальную скорость передачи данных около 540 Мбит / с [25]. Кроме того, в дополнение к этому было развернуто несколько других стандартов, которые позволили решить многие проблемы QoS и безопасности, связанные с более ранними стандартами. Были введены дополнительные механизмы для исправления QoS-поддержки и проблем безопасности в IEEE 802.11e [12] и IEEE 802.11i. В стандарте IEEE 802.11n, о котором мы говорили ранее, также были введены усовершенствования MAC для преодоления ограничения уровня MAC в действующих стандартах [28]. Стандартная IEEE 802.11s добавила поддержку топологии сетки для IEEE 802.11 [34]. IEEE 802.11u улучшил межсетевое взаимодействие с внешними сетями не 802.11. IEEE 802.11w был добавлен в 802.11i, охватывающий защиту фреймов управления.

Стандарт IEEE 802.11ad добавляет функцию «быстрой передачи сеанса», позволяя беспроводным устройствам беспрепятственно осуществлять переход между устаревшими полосами 2,4 ГГц и 5 ГГц и полосой частот 60 ГГц [41]. Ожидается, что стандарт IEEE 802.11ac, который все еще находится в стадии разработки, обеспечит пропускную способность нескольких станций WLAN не менее 1 Гбит / с и пропускную способность по одной линии не менее 500 Мбит / с [45].

3.1. Физический (PHY) уровень

IEEE 802.11 использует различные уровни PHY с целью увеличения совокупной пропускной способности сети. Стандарт IEEE 802.11 включает три уровня PHY, а именно:

1. FHSS (Спектр распространения частотных скачков)

2. DSSS (прямой спектр распространения спектра)

3. ИК (инфракрасный)

В дополнение к этим 802.11b использует новый PHY-уровень, DSSS высокой скорости [1] .IEEE 802.11a и 802.11g основаны на OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением); что значительно увеличивает общую пропускную способность АР [2-4]. Различные методы модуляции OFDM суммированы в таблице 1. 802.11n также использует метод модуляции OFDM, но в сочетании с механизмом MIMO (многопозиционный многовыходный выход) [28]. Частотный диапазон работы большинства расширений IEEE 802.11 составляет 2,4 ГГц с 14 различных каналов. Доступность этих каналов варьируется от одной страны к другой. Из них последний канал был специально разработан для Японии, который был основной особенностью, включенной в расширение IEEE 802.11j.

Расширение IEEE 802.11a использует несколько каналов в диапазоне от 36 – 161 в зависимости от полосы частот (5.15-5.825 ГГц), хотя она работает с центральной частотой центрального канала 5 ГГц. В диапазоне частот для стандарта IEEE в U.S. и 19 неперекрывающихся каналах в Европе имеется 12 неперекрывающихся каналов [3]. Напротив, в случае 802.11b [2] имеется только 3 из 14 неперекрывающихся. IEEE 802.11n использует перекрывающиеся каналы с полосой пропускания канала 20 и 40 МГц [19]. Полоса пропускания канала 20 МГц включена в каждое устройство 802.11n, канал 40 МГц является дополнительным.

Соединение точка - точка (P2P) соединение WLAN может быть установлено с помощью направленных антенн в радиусе нескольких километров. Типичная точка доступа WLAN (AP) использует всенаправленные антенны с диапазоном 30 – 50 м (в помещении) и 100 м (на открытом воздухе). На этот диапазон сильно влияют препятствия между AP и STA. IEEE 802.11a страдает повышенным диапазоном и ослаблением по сравнению с сетями IEEE 802.11b / g, поскольку он работает в более высокочастотном диапазоне 5 МГц. Использование секционированных антенн вместо всенаправленных антенн увеличивает совокупную скорость передачи данных WLAN в данной области до 2- 3 раза [6].

3.2 Уровень управления доступом к среде (MAC)

IEEE 802.11 использует схему, основанную на конфликтах, известную как Distributed Coordinated Function (DCF). В этом методе STA, связанная с AP, сканирует воздушный интерфейс для доступности канала. Если интерфейс неактивен, STA отправляет данные в пункт назначения через AP. Если, однако, воздушный интерфейс занят или более одной STA пытается получить доступ к одной и той же точке доступа; происходит столкновение. В IEEE 802.11 для предотвращения столкновений используется метод множественного доступа / предотвращения столкновений (CSMA / CA) с поддержкой несущей. IEEE 802.11 использует другую технологию MAC, известную как функция координаты точки (PCF) [18]. Этот механизм разделен на две части. В первой части AP просматривает все свои STA с помощью циклического режима и проверяет, имеет ли какой-либо из STA какие-либо пакеты для отправки. Если какой-либо из STA не будет опрошен в течение текущего периода, он будет помещен в очередь для опроса в течение следующего периода опроса. Отсканированная часть использует схему, основанную на конкуренции, и такую же, как DCF.

Более того, из-за механизма опроса в PCF суммарная пропускная способность сети IEEE 802.11 уменьшается. DCF – это метод MAC по умолчанию, используемый в стандарте IEEE 802.11. Хотя стандарт включает в себя как методы MAC, PCF включен в стандарт Wi-Fi альянса и, следовательно, не так популярен, как DCF [17]. В обоих методах MAC в этом методе используется механизм автоматического ответа на запрос. Любое устройство в сети, принимающее данные, отправит сигнал подтверждения (ACK) обратно отправителю. Если получатель получает поврежденный пакет данных, он выдает NAK (отрицательное подтверждение), и отправитель повторно передает пакет данных. Существует задержка в оба конца, поскольку отправителю приходится ждать, пока ACK передаст следующий пакет данных в очереди.

3.3 Запрос на отправку / разрешение для отправки (RTS / CTS)

В схеме, основанной на конкуренции, называемой DCF, если более двух STA одновременно пытаются получить доступ к воздушному интерфейсу, происходит столкновение. Во избежание такого столкновения CSMA / CA может привести к неправильной информации о среде. Это называется проблемой скрытого узла, в которой невозможно обнаружить конфликт в некоторой части сети [15]. Если какие-либо две STA не могут напрямую взаимодействовать, AP вызывает механизм RTS / CTS. Для каждой передачи исходная STA выдает сообщение RTS. Конечный STA отвечает на это, отправив сообщение CTS. После приема сообщения CTS исходная STA начинает передачу данных. Предполагается, что среда используется в сообщении, когда они получают сообщение RTS и / или CTS. В PCF с использованием RTS / CTS уменьшается пропускная способность сети.

3.4 Аутентификация и шифрование

Безопасность также обрабатывается на уровне MAC. Чтобы избежать несанкционированного доступа от других STA, использовалось несколько методов шифрования. Одним из ранних механизмов шифрования был Wired Equivalent Piracy (WEP). Но метод шифрования имел уязвимости безопасности, и Wi-Fi Alliance разработал другой метод шифрования с именем Wi-Fi protection Access (WPA).

Стандарт IEEE 802.11i включает расширенную версию WPA (WPA2) [20]. В IEEE 802.11i также были затронуты проблемы безопасности, связанные с методами аутентификации, такими как аутентификация с открытым стандартом и общим ключом и встроенный метод аутентификации IEEE 802.1X, который теперь используется во всех более поздних версиях семейных стандартов IEEE 802. В этом методе пользователи могут аутентифицировать свои идентификаторы с помощью сервера RADIUS или диаметра.

3.4.1 Кадр управления

Существующие стандарты 802.11 определяют типы «фреймов» для использования в управлении и управлении беспроводными каналами. TGw реализовал стандарт IEEE 802.11w для реализации защищенных фреймов управления. TGw все еще работает над улучшением уровня MAC IEEE 802.11. Безопасность может быть повышена за счет обеспечения конфиденциальности данных фреймов управления. Эти расширения будут иметь взаимодействие с IEEE 802.11r, а также IEEE 802.11u

3.5. Режимы работы

IEEE 802.11 поддерживает два режима работы. Это:

1. Режим работы инфраструктуры

2. Независимый режим работы.

В режиме работы инфраструктуры STA взаимодействуют друг с другом через точку доступа. В этой схеме STA необходимо подключить к точке доступа в сети, чтобы поговорить с другой STA (рис. 2).

Однако в автономном режиме STA могут напрямую взаимодействовать друг с другом. В этом режиме исходная STA формирует специальную ссылку непосредственно со станцией назначения STA (Рис.3).