}w !"#$%&'()+,-./012345
M ASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY
Problematika vysokého zatížení bezdrátových sítí standardu 802.11b/g D IPLOMOVÁ PRÁCE
Petr Šlinz
Brno, 2012
Prohlášení Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým puvodním ˚ autorským dílem, které jsem vypracoval samostatnˇe. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem pˇri vypracování používal nebo z nich cˇ erpal, v práci rˇ ádnˇe cituji s uvedením úplného odkazu na pˇríslušný zdroj.
Vedoucí práce: Mgr. David Rohleder ii
Podˇekování Rád bych podˇekoval svému vedoucímu práce Mgr. Davidu Rohlederovi za možnost pracovat na této práci, odborné vedení a jeho rady a pˇripomínky k práci. Taktéž bych rád podˇekoval panu Ing. Tomáši Dulíkovi za nasmˇerování do problematiky, a Univerzitˇe Tomáše Bati ve Zlínˇe za pˇrístup do jejích laboratoˇrí. Podˇekování patˇrí rovnˇež mé rodinˇe za podporu a trpˇelivost bˇehem celého studia.
iii
Shrnutí Tato práce se vˇenuje problematice bezdrátových sítí standardu 802.11. Shrnuje historii a vývoj standardu˚ rodiny 802.11 vˇcetnˇe nejnovˇejšího pˇrírustku ˚ 802.11n. Popisuje základní principy pˇrenosu dat zaˇrízeními tohoto standardu. Pˇri nasazení bezdrátových sítí mohou nastat kapacitní problémy, tato práce problémy identifikuje a navrhuje rˇ ešení. Pro kontrolu správnosti jsou provedeny simulace a mˇerˇ ení v laboratoˇri.
iv
Klíˇcová slova 802.11, bezdrátové sítˇe, vysokorychlostní nasazení, CCA, adjacent channel rejection, OPNET, simulace
v
Obsah 1 2
3
4
Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezdrátové sítˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Standardy 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 802.11 legacy (IEEE 1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 802.11b (IEEE 1999) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 802.11a (IEEE 1999) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 802.11g (IEEE 2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Topologie sítí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Ad hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Infrastrukturní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Fyzická vrstva 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1 SS (Spread Spectrum) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) . . . . . . 2.3.1.3 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) . . . 2.3.1.4 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) 2.3.1.5 Zpˇetná kompatibilita 802.11g . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Spojová vrstva 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1 Koordinaˇcní funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2 Detekce nosné frekvence . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Fyzická vrstva 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.1 Vícecestné šíˇrení (Spatial Multiplexing Mode) . . . 2.4.1.2 MIMO (Multiple Input Multiple Output) . . . . . . 2.4.1.3 Modulace a rozšíˇrený kanál . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Spojová vrstva 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.1 Agregace rámcu˚ (Frame aggregation) . . . . . . . . 2.4.2.2 Blokové potvrzování (block acknowledgement) . . 2.4.2.3 Zpˇetná kompatibilita (mixed mode) . . . . . . . . . Frekvenˇcní koexistence zaˇrízení standardu 802.11 . . . . . . . . . . . . . 3.1 Odolnost vuˇ ˚ ci rušení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Adjacent channel rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Koexistence 802.11b/g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimalizace bezdrátového pˇrenosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 ACK timeout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Vypnutí zpˇetné kompatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 802.11g only . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 802.11n only . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 RTS/CTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 3 3 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 7 8 8 9 10 10 11 11 12 12 12 13 13 14 14 16 16 17 18 20 21 22 22 24 25 25 26 vi
4.4 Odpojování podle síly signálu . . . . . . 4.5 Retry limit – HW retries . . . . . . . . . 4.6 Preambule mode . . . . . . . . . . . . . 4.7 Parametry agregace . . . . . . . . . . . . 4.8 Úprava párovacích rychlostí . . . . . . . 4.9 Zmˇena šíˇrky pásma . . . . . . . . . . . . 5 Simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 OPNET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Project editor . . . . . . . . . . . 5.1.2 Prvky . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Definice aplikace . . . . . . . . . 5.1.4 Definice chování stanic . . . . . . 5.1.5 Rozmístˇení stanic . . . . . . . . . 5.2 Podmínky simulace . . . . . . . . . . . . 5.3 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Mˇerˇení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Testovaná zaˇrízení . . . . . . . . . . . . 6.2 Testovací prostˇredí . . . . . . . . . . . . 6.3 Mˇerˇ ení EVM . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Režim pˇri mˇerˇ ení . . . . . . . . . 6.3.2 Broadcaster . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Výsledky mˇerˇ ení EVM . . . . . . 6.4 Mˇerˇ ení CCA . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Testovací podmínky . . . . . . . 6.4.2 Automatická volba kanálu . . . . 6.4.3 Výsledky mˇerˇ ení CCA . . . . . . 6.5 Mˇerˇ eni pˇrijímací cˇ ásti . . . . . . . . . . . 6.5.1 Výsledky mˇerˇ ení pˇrijímací cˇ ásti . 6.6 Mˇerˇ ení pˇrenosových rychlostí . . . . . . 6.6.1 Mˇerˇ ené hodnoty a scénáˇre . . . . 6.6.2 Podmínky testu . . . . . . . . . . 6.6.3 Výsledky mˇerˇ ení rychlostí . . . . 7 Závˇer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Pˇríloha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27 27 29 29 29 30 33 33 34 34 34 36 36 36 37 39 39 39 42 43 44 44 45 46 47 47 48 49 49 49 50 51 53 56 57
vii
Kapitola 1
Úvod Potˇreba pˇrenosu dat se v informaˇcní spoleˇcnosti stává zcela bˇežnou záležitostí. Pro pˇrenos využíváme poˇcítaˇcových sítí, které se snaží vyhovˇet narustajícím ˚ požadavkum. ˚ V mnoha pˇrípadech je však zajištˇení pˇrístupu k síti komplikováno fyzickými pˇrekážkami. At’ již jde o zavedení sítˇe v historických budovách, rozsáhlých areálech s malou hustotou uživatelu˚ cˇ i ˇ jde jen o doˇcasné rˇ ešení. Castým požadavkem uživatelu˚ také bývá mobilita. Svˇet sítí se na zaˇcátku 21. století rozdˇelil na drátové a bezdrátové. V oblasti telekomunikací již v 80. a 90. letech pˇredznamenal tento trend nástup mobilních telefonu. ˚ Uživatelé pˇripojení do drátové sítˇe mají pouze omezený okruh pusobnosti ˚ a jejich schopnost pohybu je dramaticky snížena. Jedním z rˇ ešení je nasazení bezdrátové sítˇe. Umožnují ˇ nám napojení na stávající infrastrukturu v místech, kam se konvenˇcními kabelovými prostˇredky bud’ nelze dostat, nebo je nerentabilní vybudování standardní strukturované kabeláže. Navíc pˇri požadavku na mobilitu klientu˚ a pˇripojení specifických zaˇrízení, napˇr. ruˇcních scanneru, ˚ umožnuje ˇ jinými prostˇredky nezajistitelnou službu. Hlavní dvˇe výhody tohoto typu sítí by se daly shrnout do slov mobilita a flexibilita. V roce 1997 byl ustaven standard pro poˇcítaˇcové bezdrátové sítˇe IEEE 802.11, který se postupem cˇ asu stal nejúspˇešnˇejším.[1] Postupnˇe byl inovován až do dnešní podoby oznacˇ ované IEEE 802.11b/g/n. Zaˇrízení tohoto standardu jsou dnes bˇežnou souˇcástí všech notebooku˚ a chytrých telefonu˚ a na pokrytí signálem narazí cˇ lovˇek témˇerˇ kdekoli. Jedním z významných parametru˚ poˇcítaˇcových sítí je pˇrenosová kapacita, odezva a jitter (ˇcasový neklid). U bezdrátových sítí je také duležitým ˚ údajem dosah a poˇcet zaˇrízení, které jsou schopny obsloužit. Pˇri návrhu je také duležité ˚ zahrnout pˇredpokládané použití. Shrnutím tˇechto parametru˚ a popisem standardu˚ z rodiny 802.11 se zabývá první cˇ ást práce. Obsahuje teoretický popis, pˇredpokládané hodnoty parametru˚ a jejich význam pˇri nasazení. Duraz ˚ je kladen na výhody nového standardu 802.11n. Jako podklad pro pˇredpokládané zatížení modelové situace vysokorychlostního nasazení a simulaci je provedena analýza dat o pˇrenosech získaných od ISP (Internet Service Provider). Pˇredpokládané hodnoty však ovlivnuje ˇ mnoho faktoru, ˚ napˇr. rušení a koexistence sítí, a ty je potˇreba obsáhnout a zohlednit pˇri nasazení. Tyto vlivy jsou charakterizovány v další cˇ ásti a jsou z nich vybrány ty nejpodstatnˇejší. Každý z tˇechto vlivu˚ lze alesponˇ cˇ ásteˇcnˇe eliminovat. V práci nastinuji ˇ 3 nejduležitˇ ˚ ejší vlivy a jejich rˇ ešení. Zda jsou tato rˇ ešení vhodná, je ovˇerˇ ováno simulací a reálným testem. Simulace je provedena v prostˇredí programu OPNET, který umožnuje ˇ simulaci poˇcítacˇ ových sítí pˇred reálným nasazením. 1
1. Ú VOD Cílem této práce je navrhnout rˇ ešení problému˚ v zatížených bezdrátových sítích 802.11 a ovˇerˇ it jejich použitelnost v praxi.
2
Kapitola 2
Bezdrátové sítˇe Bezdrátová sít’ je typem poˇcítaˇcové sítˇe, ve které je spojení mezi uživateli sítˇe umožnˇeno pˇrenosem energie étherem. Pˇrenos je provádˇen elektromagneticky, v našem pˇrípadˇe pomocí rádiových vln. Tak jako se klasické drátové sítˇe dˇelí dle svého rozsahu, je toto dˇelení analogické i v sítích bezdrátových. V této práci se rozsahem zabývám sítˇemi LAN (Local Access Network), nasazených v rámci budovy, pˇrípadnˇe instituce. Omezený rozsah tˇechto sítí je dán útlumem prostˇredí a množstvím pˇrekážek. U bezdrátových síti nelze mluvit o pˇresném rozsahu pokrytí, sít’ není ostˇre ohraniˇcena. Tento pˇresah mimo budovu je nutné zohlednit pˇri zabezpeˇcení sítˇe.
2.1
Standardy 802.11
IEEE 802.11 je skupina standardu˚ pro realizaci bezdrátové sítˇe. V této práci jsou popisovány standardy 802.11b a 802.11g jako stávájící a velmi rozšíˇrené rˇ ešení, dále 802.11a jako alternativa v pásmu 5 GHz a jako novinka 802.11n. Dále je popsán 802.11e v kapitole 4 jako jediný standard pro zajištˇení QoS (Quality of Service). V práci se zabývám pouze využitím v bezlicenˇcních frekvenˇcních pásmech 2,4 GHz a 5 GHz. Tato pásmo jsou pro stavbu bezdrátových sítí uvolnˇena témˇerˇ celosvˇetovˇe.[6] Rádiová pásma pro vývoj, prumysl ˚ a lékaˇrství jsou rádiová pásma mezinárodnˇe vyhrazená pro jinou než rádiovou komunikaci. Pˇríkladem aplikací v tˇechto pásmech jsou zaˇrízení pro vytápˇení, mikrovlnné trouby a ruzná ˚ lékaˇrská zaˇrízení. Výkony tˇechto zaˇrízení emitují elektromagnetické rušení do okolí, proto byla vyhrazena pásma, do kterých lze pˇrebyteˇcnou energii vyzáˇrit. Proto komunikaˇcní zaˇrízení pracující v tˇechto pásmech musí toto rušení tolerovat a nemají žádnou zákonnou ochranu proti interferencím.[1][30] 2.1.1
802.11 legacy (IEEE 1997)
Standard 802.11 je puvodním ˚ rˇ ešením pro bezdrátové sítˇe v pásmu 2,4 GHz a IR (infraˇcervené záˇrení, dále v této práci neuvažováno). Pˇrístupovou metodou byla zvolena CSMA/CA a souˇcástí standardu je definice celé fyzické vrstvy (PHY). Umožnoval ˇ pouze 2 párovací rychlosti (rate), a to 1 Mbit a 2 Mbit. Ve využití elektromagnetického spektra umožnoval ˇ výrobci volbu mezi FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) a DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) [1][8]. Tato možnost volby zapˇríˇcinila nekompatibilitu mezi jednotlivými zaˇrízeními téhož standardu. Pro pˇrenos je využíván kanál šíˇrky 22 MHz. 3
2.1. STANDARDY 802.11 2.1.2
802.11b (IEEE 1999)
Pro vylepšení pˇrenosových rychlostí a lepší kompatibilitu zaˇrízení byl v roce 1999 ustaven 802.11b. Umožnuje ˇ vyšší pˇrenosové rychlosti - pˇribyly párovací rychlosti 5,5 Mbit a 11 Mbit, jako pˇrístup ke spektru bylo napevno ustaveno DSSS. Modulaˇcní schéma je použito CCK (Complementary Code Keying), které umožnilo nárust ˚ pˇrenosové rychlosti. 802.11b slaví komerˇcní úspˇech pod znaˇckou Wi-Fi, která je pozdˇeji pˇrejata i pro další rozšíˇrení 802.11. Použitým pásmem zustává ˚ 2,4 GHz, nemˇení se ani šíˇrka kanálu. Výrobci sdruženi kolem Texas Instruments vydávají 802.11b+, který umožnuje ˇ párovací rychlost 22 Mbit. Tato zaˇrízení jsou kompatibilní s 802.11b, plné pˇrenosové rychlosti však dosahují pouze pˇri komunikaci se zarˇ ízením tohoto typu. Nelze mluvit o standardu, protože IEEE toto rozšíˇrení nepˇrijala do rodiny 802.11. [9] 2.1.3
802.11a (IEEE 1999)
Kvuli ˚ velmi intenzivnímu využití pásma 2,4 GHz zaˇrízeními nejen pro pˇrenos dat (viz. kapitola 5), byl uveden v roce 1999 standard 802.11a. Fyzická vrstva (PHY) zustala ˚ zachována, zmˇenila se však metoda pˇrístupu ke spektru na OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). Ta rozdˇeluje kanál na 52 podkanálu, ˚ ve kterých jsou pˇrenášeny rámce. Tato zmˇena s použitím vyšších modulaˇcních schémat QAM a nižšího poˇctu redundantnˇe pˇrenášených dat umožnila jako maximální párovací rychlost zvolit 54 Mbit. Ke zvýšení reálné pˇrenosové kapacity došlo také vypuštˇením zpˇetné kompatibility se standardy 802.11b a 802.11 legacy, a to hlavnˇe z duvodu ˚ využití jiného frekvenˇcního pásma. V pásmu 5 GHz je celosvˇetovˇe povoleno 12/13 nepˇrekrývajících se kanálu, ˚ šíˇrka kanálu je zmenšena na 20 MHz. [13] V Evropˇe je povolena úprava 802.11h pro vnˇejší použití, která však kvuli ˚ svým specifickým nárokum ˚ nebyla implemetována v žádném z bˇežnˇe dostupných zaˇrízení na trhu (bráno Cisco, Ubiquity, Mikrotik, Ovislink 2011) a dnes je i pro vnˇejší podmínky využíváno zaˇrízení 802.11a s omezeními proti rušení meteorologických radaru. ˚ 2.1.4
802.11g (IEEE 2003)
Jedná se o vylepšený standard 802.11b. Vznikl v roce 2003 a pracuje na stejné frekvenci (2,4 GHz) jako 802.11b, kanálování zustalo ˚ zachováno. Nejpodstatnˇejším rozdílem je použití modulaˇcního schématu s rozprostˇreným spektrem OFDM (Orthogonal Frequency Fivision Multiplexing). Kvuli ˚ zachování kompatibility se standardem 802.11b jsou použity i mechanismy CCK a režim kompatibility. Díky výše uvedenému modulaˇcnímu schématu dosahuje rychlosti 54 Mbps na úrovni vrstvy PHY. 2.1.5
802.11n
Organizace IEEE v lednu 2004 vytvoˇrila novou skupinu 802.11 TGn za úˇcelem vyvinout novou úpravu standardu 802.11 s vyšší pˇrenosovou kapacitou. Hlavním cílem byla zvýšená 4
2.2. TOPOLOGIE SÍTÍ rychlost pˇrenosu – až 540 Mbit, dalším z cílu˚ bylo prodloužení dosahu pomocí zvýšení zisku zpracování (processing gain). Pˇri vývoji 802.11n vznikly 2 konkurenˇcní návrhy a to Tgn Sync, zastoupené spoleˇcnostmi Intel a Philips, a WwiSE zastupující ostatní výrobce s firmou Broadcom v cˇ ele. Oba tábory poslaly své návrhy ke standardizaci do IEEE koncem roku 2005. Rozhodnutí pro jeden z nich a následné dokonˇcení procesu bylo oˇcekáváno v druhé polovinˇe roku 2006. [20] Touto dobou již byla na trhu poptávka po zaˇrízeních s vyšší kapacitou a výrobci potˇrebovali jistotu kompatibility s novým standardem. V rámci urychlení procesu bylo založeno bezdrátové konsorcium EWC (Enhanced Wireless Consortium), které prosazovalo vzájemnou kompatibilitu zaˇrízení.[1] Aby se pˇredešlo znejistˇení trhu, bylo zvoleno vícestupnové ˇ zavádˇení nového standardu a pˇrijat tzv. Draft 1.0 – prestandard. Zaˇrízení splnující ˇ tuto normu mˇela zaruˇceno, že budou schopna komunikace se stanicemi výsledné normy. Do dokonˇcení stadardizace byla vydána v roce 2007 ještˇe norma 802.11 Draft 2.0. K pevnému ustavení 802.11 došlo 7.9. 2009. Norma zavádí nové rozšíˇrení pˇri pˇrenosu a to technologii MIMO (Multiple Input – Multiple Output), která umožnuje ˇ navýšení rychlosti pomocí fázového posunu vysílání. Odrazu, ˚ které pˇredchozím standardum ˚ pusobilo ˚ problémy, je využito ke zvýšení pˇrenosové rychlosti.[1]
2.2
Topologie sítí
Pˇri návrhu bezdrátových sítí se setkáváme s ruznými ˚ požadavky na zapojení sítˇe, jsme cˇ asto omezováni prostorovými podmínkami a požadavky zadavatele. V 802.11 jsou k dispozici 2 základní režimy pro vybudování sítˇe: ad hoc a infrastrukturní. Ad hoc sítˇe pˇrinášejí jednoduchost v podobˇe sítˇe bez pevnˇe stanoveného centrálního rˇ ídícího prvku, infrastrukturní pak poskytuje pevnou hierarchii díky rozdˇelení zaˇrízení na pˇrístupové body sítˇe (access pointy) a klienty (station). 2.2.1
Ad hoc
Tento typ bezdrátové sítˇe spoˇcívá v propojení klientu˚ p2p (peer-to-peer), všechny klientské stanice jsou si rovny. Ke vzájemné komunikaci není tˇreba pˇrístupový bod, stanice komunikují pˇrímo, duležitou ˚ a nutnou podmínkou však je, aby všechny stanice v jedné ad hoc sítí byly v rádiovém dosahu. Roli hlavního poˇcítaˇce hraje první spuštˇený klient, který vytvoˇrí imaginární pˇrístupový bod a má tudíž na starosti komunikaci ostatních klientu. ˚ Ostatní stanice sice komunikují navzájem bez hlavního klienta, ovšem v pˇrípadˇe jeho odstavení cˇ i vypnutí se sít’ rozpadne a role imaginárního pˇrístupového bodu se ujímá další stanice. Tento zpusob ˚ propojení se využívá jen zˇrídka, avšak výhodou této sítˇe je rychlé a jednoduché sestavení (napˇr. vytvoˇrení sítˇe pro rychlý pˇrenos dokumentu˚ mezi úˇcastníky konference), nevýhodou je s rostoucím poˇctem pˇripojených stanic klesající propustnost kvuli ˚ kolizím. Ve standardu 802.11n již není tento režim zahrnut, nˇekteˇrí výrobci (Atheros) jej však pˇresto stále podporují.[1] 5
2.3. 802.11 2.2.2
Infrastrukturní
Druhým a nejˇcastˇeji využívaným typem topologie je infrastrukturní režim. Pˇrístupový bod (Access point) tvoˇrí základovou stanici, která vysílá BSSID a veškerá komunikace je jím rˇ ízena. V praxi tvoˇrí most mezi bezdrátovými stanicemi a metalickým vedením, komunikace stanic mezi sebou prochází pouze pˇres pˇrístupový bod. Infrastrukturní režim umožnuje ˇ vysokou škálovatelnost rˇ ešení, pˇripojení stanic do rozlehlých sítí apod. [1]
2.3
802.11
Standard 802.11 upravuje dvˇe vrstvy modelu ISO OSI, a to vrstvu linkovou (spojovou) a fyzickou. Použití tohoto schématu je výhodné vzhledem k zachování stejných protokolu˚ na vyšších vrstvách, napˇr. http, ftp atd. V praxi se tyto vrstvy cˇ asto oznaˇcují jako L1 a L2.
Obrázek 2.1: Vrstvová struktura 802.11 [1]
2.3.1
Fyzická vrstva 802.11
Nejníže položená je fyzická vrstva, která realizuje samotné vysílání a pˇríjem dat bezdrátovým prostˇredím. Je definováno nˇekolik pˇrenosových metod dle standardu 802.11. Seznam pˇrenosových metod s dosažitelnými rychlostmi pro bˇežný kanál šíˇrky 22 MHz (20 MHz pro pásmo 5 GHz a modulace OFDM) je v tabulce na obrázku 2.2. [1][2] Ve všech standardech 802.11 je fyzická vrstva rozdˇelena do dvou podvrstev – PLCP a PMD. PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) – v této podvrstvˇe se k datovým rámcum ˚ podvrstvy MAC (Medium Access Control) pˇrikládají informace o použitém pˇrenosovém mechanismu a modulaci. Tato podvrstva zajišt’uje datovým rámcum ˚ nezávislost na použitém médiu. Dále je obsažena funkce CCA (Clear Channel Assessment), která poskytuje odezvu pro MAC podvrstvu o pˇripravenosti pˇrenosového média. [1] PMD (Physical Medium Dependent) – tato podvrstva už je pˇrímo navázána na médium a zajišt’uje pˇrenos mezi jednotlivými vysílaˇci a pˇrijímaˇci. Z PLCP jsou data v závislosti na použitém pˇrenosovém mechanismu ve vysílaˇci vysílána do bezdrátového prostˇredí, kde jsou na stranˇe pˇrijímaˇce pomocí PMD zachycena a pˇredávána podvrstvˇe PLCP k dalšímu zpracování. [1] 6
2.3. 802.11
Obrázek 2.2: Pˇrenosové rychlosti standardu˚ 802.11 pˇri 20 MHz kanále
2.3.1.1 SS (Spread Spectrum)
Komunikací s rozprostˇreným spektrem se rozumí vysílání signálu s mnohem vˇetší šíˇrkou frekvenˇcního pásma, než je minimální šíˇrka pásma potˇrebná k pˇrenesení požadované informace. Rozdíl mezi úzkopásmovým rádiovým pˇrenosem a rádiovým pˇrenosem pomocí rozprostˇreného spektra je v rozložení vysílací energie. U úzkopásmového pˇrenosu je nejvˇetší cˇ ást vysílací energie soustˇredˇena kolem své stˇrední frekvence, zatímco u pˇrenosu rozprostˇreným spektrem je stejnˇe velká vysílací energie rozložena na mnohem širším frekvenˇcním pásmu. To zajišt’uje nižší dosah nežádoucího pˇrekryvu a nižší požadavky na kvalitu vysílacích zaˇrízení (napˇr. použití všesmˇerových a jednoduchých antén v zaˇrízeních). V tomto pˇrípadˇe pak nemluvíme pouze o svorkovém výkonu vysílaˇce, ale také o hustotˇe vyzáˇreného výkonu na MHz pásma. Tyto výkony jsou pak definovány v FCC, VO-R cˇ i jiných normách povolujících provoz zaˇrízení. Tato problematika je rˇ ešena v kapitole 3. Informace vysílaná technikou rozprostˇreného spektra se stává nedetekovatelnou úzkopásmovými pˇrijímacími technikami, protože užiteˇcná informace je pod hranicí šumu, a úzkopásmové pˇrijímaˇce nedokáží slabý signál zpracovat. V praxi to znamená, že tyto systémy jsou mnohem odolnˇejší proti interferencím generovaných jinými vysílaˇci ve stejném frekvenˇcním pásmu. Neznamená to však, že by k interferencím nedocházelo, pouze je díky redundanci jejich vliv na pˇrenos nižší. Pˇri interferenci nedochází k výpadku celého pˇrenosu jako u úzkopásmového pˇrenosu, ale pouze k porušení cˇ ásti informace. Kmitoˇctové pásmo není však efektivnˇe využito, plýtvání je vyváženo odolnˇejším pˇrenosem. Systém pracující s rozprostˇreným spektrem musí splnovat ˇ podmínku, že vysílací šíˇrka pásma musí být nejménˇe desetkrát vˇetší, než je šíˇrka pásma pˇrenášené informace. Pˇrenášená informace je pomocí matematické transformace zpracována v cˇ ásti modulu nazývané rozmetaˇc (spreader). Pro pˇrenosy v 802.11 se tato metoda nevyužívá, ale je základem pro DSSS. [1][12] 7
2.3. 802.11
Obrázek 2.3: Kódování DSSS v rozmetaˇci [14] 2.3.1.2 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Pˇrímá sekvence DSSS spoˇcívá v tom, že jednotlivé bity jsou pˇrenášeny pomocí chipu. ˚ Chipem rozumíme bitovou pseudonáhodnou sekvenci používanou rozmetaˇcem. V jednom chipu lze pˇrenést 1, 2, 4 nebo 8 bitu˚ podle zvolené rychlosti pˇrenosu. Chipy samotné nepˇrenáší nutnˇe jen uživatelská data, ale i data servisní a protokol zabezpeˇcující. Chipy jsou generovány mnohem rychleji než data a rozmetaˇc je potˇrebuje pro neustálé rozprostírání informace do spektra (majáky apod.). Sekvence bitu˚ je vysílána jako celek. Pˇrenosový kód tzv. Barker’s word má délku 11 bitu, ˚ a kódy pro reprezentaci 1 a 0 jsou vzájemnˇe inverzní. Tento fakt zaruˇcuje pˇrímé sekvenci rozprostˇreného spektra vˇetší odolnost vuˇ ˚ ci rušení. Použití odlišných sekvenˇcních kódu˚ umožnuje ˇ umístˇení více systému˚ do jednoho místa. Pro urˇcení pˇrenosové rychlosti je duležitým ˚ údajem pomˇer mezi kódovanými daty a množstvím chipu˚ nutných k tomuto pˇrenosu, tzv. spreading ratio. Dále nastavení tohoto pomˇeru ovlivnuje ˇ zisk ve zpracování, který vylepšuje charakteristiky pˇrenosu redundancí.[1] Jinou technikou je napˇríklad použití FEC (Forward Error Correction). Tento mechanismus se používá u standardu˚ 802.11b a 802.11a/g – u nˇej pro jednotlivé podnosné frekvence viz níže. [1][8][12] 2.3.1.3 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Metoda pˇreskakování FHSS (Frequency hopping spread spectrum) je metoda pˇrenášení rádiových signálu, ˚ pˇri které dochází k pˇrepínání nosného kmitoˇctu mezi mnoha kanály za použití pseudonáhodné sekvence známé pˇrijímaˇci i vysílaˇci. Jejím cílem je souˇcasná komunikace více zaˇrízení na stejném stanovišti. Existují dvˇe varianty pˇreskoku˚ frekvencí. Rychlé pˇreskoky FFH (Fast Hopping ), u kterých dochází k pˇreskokum ˚ i v prubˇ ˚ ehu pˇrenosu jednoho bitu, a pomalé pˇreskoky SFH (Slow Hopping), pˇri kterých dojde ke zmˇenˇe frekvence až po pˇrenosu nˇekolika bitu. ˚ Ve standardu 8
2.3. 802.11 802.11 je využíván pouze SFH. [2] Vysílaný signál je pˇrenášen na urˇcité frekvenci o šíˇrce 1 MHz po dobu pˇribližnˇe 100–200 ms (pˇreskoky se realizují minimálnˇe 2,5 krát za sekundu); tuto dobu oznaˇcujeme výrazem „dwell time”. Pro dobu pˇreskoku existuje výraz “hop time” a její pˇribližná hodnota je 200–300 µs. Pˇreskoky, tzv. hops rozumíme pˇreladˇení na jiný kanál. Jednotlivých kanálu˚ muže ˚ být až 79. Pˇri pˇreskoku však musí být vzdálenost nosných frekvencí kanálu˚ vˇetší než 6 MHz. Vysoké spolehlivosti je dosaženo díky faktu, že nepotvrzené, chybnˇe pˇrenesené rámce jsou pˇrenášeny s jinou nosnou frekvencí v dalším pˇreskoku. Tato metoda dovoluje umístˇení více systému˚ v jednom místˇe díky použití ruzných ˚ sekvencí v každém systému, teoreticky 26, prakticky 15. [1][6] Systém FHSS je typickým pˇríkladem úzkopásmového vysílání s vysokou selektivitou, systém si nepamatuje zarušené kanály [1], a to muže ˚ velmi snadno snižovat jeho propustnost. Díky pˇreskakování je pˇripojení nového úˇcastníka k pˇrístupovému bodu problematické, musí existovat logika pro vysílání majáku˚ (beacon) a rˇ ešení zarušení tˇechto potkávacích bodu. ˚ Nevýhodou FHSS oproti využití pevného kanálu s technikou SS je menší propustnost, protože je tˇreba urˇcitý cˇ as na pˇreskok a synchronizaci na jinou frekvenci.[1][12]
Obrázek 2.4: Pˇreskakování frekvence v závislosti na cˇ ase pˇri použití metody FHSS [14]
2.3.1.4 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Technika OFDM pracuje rovnˇež s rozprostˇreným spektrem, jak tomu bylo u pˇredešlých systému, ˚ ale vysílací kanál je rozdˇelen do mnoha subkanálu. ˚ Kódovací mechanismus OFDM je využit u standardu˚ 802.11g a 802.11a. Základem této techniky je rozložení frekvenˇcního spektra na menší cˇ ásti. Pˇrenášená data jsou prubˇ ˚ ežnˇe rozkládána do subkanálu˚ a signál je pˇrenášen na více nezávislých frekvencích. Tento fakt zvyšuje odolnost vuˇ ˚ ci interferencím. Použitých nosných kmitoˇctu˚ mohou být stovky i tisíce dle šíˇrky zabraného pásma. V 802.11a/g je využito 52 subkanálu, ˚ tyto kanály jsou dále modulovány modulacemi BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM.[13] Tento mechanismus je témˇerˇ imunní vuˇ ˚ ci chybám, které jsou zpusobeny ˚ vícecestným šíˇrením a ruznými ˚ odrazy. [1][3] 9
2.3. 802.11
Obrázek 2.5: Signál modulovaný OFDM – zde 802.11n v pásmu 5 GHz 2.3.1.5 Zpˇetná kompatibilita 802.11g Zavedením jiné modulace pro nový standard vznikl problém ochrany stávajících instalací. Zaˇrízení 802.11b nezvládnou demodulovat rámce 802.11g. Pro možnost pˇripojení byl zaveden smíšený mód, samotný smíšený režim však nezajistí rovné postavení stanic 802.11b v soutˇežení o vysílací cˇ as. Pˇri zavedení ochrany je využito vysílání majáku pomocí DSSS a RTS/CTS algoritmu z vyšší vrstvy. V hlaviˇcce je odvysílán cˇ as, po který bude médium obsazeno a o tuto hodnotu si stanice upraví svuj ˚ NAV vektor (viz spojová vrstva). Tím je zabránˇeno kolizím ze strany zaˇrízení 802.11b. Aby se mohla stanice 802.11b dostat k vysílání, je zde druhá nepovinná cˇ ást ochrany. Nazývá se G-protection, využívá RTS/CTS algoritmu. Pˇred svým vysíláním zašle 802.11b zaˇrízení CTS rámec modulací DSSS (po cˇ as uvedený v rámci ostatní stanice nevysílají), cˇ ímž si zajistí cˇ as pro své vysílání. 2.3.2
Spojová vrstva 802.11
Zatímco fyzická vrstva rˇ ešila pˇrímý pˇrístup ke spektru a modulaci vysílaných dat do pˇrenosových obrazcu, ˚ spojová vrstva zajišt’uje pˇrístup k médiu (Medium Access Control) a 10
2.3. 802.11 obsluhu požadavku˚ stanic na vysílání. Používá metodu mnohonásobného pˇrístupu ke sdílenému médiu CSMA/CA. V odborných textech je tato metoda také oznaˇcována jako DCF (Distributed Coordination Function), zajišt’uje pˇrístup k médiu v režimu best-effort. Je to základní metoda, která je založena na principu detekce nosné frekvence a pˇredcházení kolizím, na rozdíl od CSMA/CD, která kolize detekuje. Pro použití CSMA/CD by bylo tˇreba zavést možnost zárovenˇ vysílat a pˇrijímat data, komunikace ve standardu 802.11 je však poloduplexní.[26] 2.3.2.1 Koordinaˇcní funkce Princip koordinaˇcní distribuované funkce spoˇcívá v pˇrístupu k médiu s tzv. oknem soutˇežení. Velikost tohoto okna je pro každou stanici a tˇrídu dána intervalem CWmin a CWmax. V pˇrípadˇe, že má stanice nachystaná data k odeslání, tak detekuje, zda je volné médium. Pokud je médium volné, vygeneruje se náhodné cˇ íslo v uzavˇreném intervalu 0 až w-1, kde w je rovno CWmin. Poté zaˇcne od tohoto náhodného cˇ ísla odpoˇcítávat. Bˇehem celého odpoˇctu stále kontroluje, zda je médium volné. Pokud není, odpoˇcítávání je zastaveno. [5] Pro lepší využití pˇrenosového pásma a zmenšení pravdˇepodobnosti kolizí je cˇ as rozdˇelen na diskrétní úseky. V pˇrípadˇe, že dojde ke shodné hodnotˇe dvou nebo více stanic, dojde kvuli ˚ rozdˇelení na diskrétní úseky ke stejnému odpoˇctu a tedy ke kolizi. Kolize je detekována a rˇ ešena algoritmem, který pˇreruší vysílání. Aby se další kolizi pˇredcházelo, je zvoleno nové náhodné cˇ íslo, avšak z vˇetšího intervalu w = 2n, kdy n udává poˇcet pˇredchozích neúspˇešných pokusu. ˚ Odpoˇcítávání poté pokraˇcuje stejným zpusobem. ˚ [5] 2.3.2.2 Detekce nosné frekvence Ve standardu 802.11 jsou využity dva zpusoby ˚ detekce nosné, a tím i detekce obsazeného nebo volného média. Jde o metody virtuální a fyzické (naslouchání médiu). Fyzickou detekci nosné zajišt’uje fyzická vrstva, za virtuální detekci nosné je zodpovˇedná MAC vrstva. Základem metody virtuální detekce nosné je pˇredávání informací o dobˇe pˇrenosu a udržování této informace každou stanicí ve vnitˇrní promˇenné zvané NAV (Network Allocation Vector). Informace o dobˇe obsazení média se pˇredává rámci RTS (Request To Send) a CTS (Clear To Send). Tyto rámce v poli Duration obsahují informaci o délce cˇ asového intervalu, potˇrebné pro pˇrenos následujícího datového rámce a ihned následujícího potvrzení ACK o pˇrijetí.[3] Ovlivnˇením fyzické detekce nosné CCA se zabývám v kapitole 6. Pro zajištˇení QoS v rozšíˇrení 802.11e doznaly pˇrístupové mechanismy k bezdrátovému médiu rˇ ady zmˇen. Základní DCF je nahrazen hybridní koordinaˇcní funkcí, která umožnuje ˇ pˇrístup k médiu rˇ ízený pˇrístupovým bodem. Vylepšená funkce pˇrístupu k distribuovanému kanálu rozšiˇruje distribuovanou koordinaˇcní funkci o možnost zavést kategorie pˇrístupu a soutˇežení o médium nejen na úrovni sítˇe, ale i každé bezdrátové stanice jako takové. [5] MAC vrstva také muže ˚ rˇ ešit problém skrytých uzlu˚ za pomoci RTS/CTS. Nasazení tohoto algoritmu je nepovinné. Problém skrytých uzlu˚ vzniká pˇri pˇripojení stanic k jednomu AP tak, že díky prostorovému rozmístˇení nezachytí svá vysílání a dochází ke kolizím. Proto 11
2.4. 802.11N stanice nejdˇríve vyšle RTS zprávu, aby zjistila, je-li volný kanál. Pokud dostane od AP potvrzení ve formˇe zprávy CTS, muže ˚ vysílat data a médium je pro stanici rezervované. Pokud pˇrijímací stanice data pˇrijala, pošle zprávu ACK. Komunikace pomocí RTS/CTS je naznacˇ ena na obr. 2.4. Využití RTS/CTS efektivnˇe zabranuje ˇ kolizím, pˇrináší však nárust ˚ režie. V kapitole 4 se zabývám vhodností tohoto rozšíˇrení.
Obrázek 2.6: Prubˇ ˚ eh komunikace s využitím RTS/CTS MAC vrstva dále obsluhuje kontrolu správnosti pˇrenesených dat pomocí CRC (cyklický kontrolní souˇcet) a fragmentaci dat pro pˇrenos. Každý vysílaný rámec je opatˇren kontrolním souˇctem CRC a tím je zajištˇeno, že za jeho pomoci bude pˇrijímací strana schopna zjistit pˇrípadnou chybu rámce pˇri pˇrenosu. Fragmentace rámcu˚ dˇelí dlouhé datové jednotky na menší cˇ ásti, které postupnˇe vysílá. Dˇelení se provádí kvuli ˚ dodržení maximálního poˇctu slotu˚ v pˇrenosových rámcích. [10] Druhá podvrstva spojové vrstvy, též známá jako standard IEEE 802.2. LLC podvrstva, má na starosti MAC adresaci, rˇ ízení toku dat, vytváˇrení rámcu˚ a kontrolu chyb. [13]
2.4
802.11n
2.4.1
Fyzická vrstva 802.11n
Zvýšení rychlosti pˇrenosu v 802.11 je na úrovni fyzické vrstvy založeno na technologii vícenásobného vstupu a vícenásobného výstupu (MIMO). Snahou pˇri využití MIMO je maximalizovat možný odstup signál-šum a vylepšit dosah zaˇrízení. 2.4.1.1 Vícecestné šíˇrení (Spatial Multiplexing Mode) Koncept prostorových datových proudu˚ se vztahuje k možnosti vysílat a pˇrijímat více rádiovými cˇ ástmi. Více vysílaˇcu˚ a pˇrijímaˇcu˚ umožnuje ˇ pˇrístupovému bodu vyslat nezávislé proudy dat. Princip je podobný dálnici, kde s pˇridáním více pruhu˚ vzrustá ˚ kapacita, pˇres12
2.4. 802.11N tože zábor území není o mnoho vyšší. Stejnˇe tak možnost vyslat více proudu˚ dat ve stejný cˇ as navyšuje maximální možnou kapacitu spoje. Pˇrenášená data jsou rozdˇelena do proudu˚ a pˇrenášena ruznými ˚ rádii rozdílnými cestami prostˇredím. Pokud tyto signály dorazí na antény pˇrijímaˇce z dostateˇcnˇe ruzných ˚ prostorových smˇeru, ˚ tak muže ˚ pˇrijímaˇc oddˇelit tyto proudy do (témˇerˇ ) paralelních kanálu. ˚ Na obrázku je znázornˇen takový pˇrenos, standard 802.11n umožnuje ˇ využít maximálnˇe 4 proudy, zaˇrízení certifikovaná Wifi Alliance musí podporovat alesponˇ 2 proudy. Pro každý proud musí být zaˇrízení osazeno alesponˇ jednou vysílací a pˇrijímací cˇ ástí, pˇrenos se provádí nejvyšším poˇctem proudu, ˚ který je podporován obˇema stranami pˇrenosu. Maximální kapacita jednoho proudu je 150 Mbit pˇri 40 MHz šíˇrce kanálu.[2] 2.4.1.2 MIMO (Multiple Input Multiple Output) Na rozdíl od tradiˇcních 802.11a/b/g rádiových prvku, ˚ které využívají jeden vstup a jeden výstup, 802.11n rádia využívají MIMO technologii pro zvýšení propustnosti zvýšením poˇctu vysílacích spojení (chain). Pˇrístupový bod cˇ i stanice mohou mít až 4 vysílací a pˇrijímací antény, stanice a pˇrístupový bod nemusí mít nutnˇe shodný poˇcet tˇechto prvku. ˚ Prvky jsou znaˇceny Rx x Tx, kde Rx je poˇcet pˇrijímacích a Tx poˇcet vysílacích rádií, napˇr. MIMO 3x3. Pˇri pˇrenosu je volen nejvhodnˇejší anténní vstup vzhledem k odstupu signál – šum, a vysílací cˇ ásti umožnují ˇ pro zvˇetšení zisku a úpravu pokrytí využít formování vysílaného signálu (beamforming). [1][27] Data jsou vysílána ruznými ˚ rádiovými cˇ ástmi, a tím je umožnˇen nárust ˚ pˇrenosové rychlosti, vždy je ale vysílací cˇ as pˇridˇelen jednotce jako celku. Dále lze využít pro tradiˇcní pˇrenosy nepˇríznivých interferencí pro lepší pˇrijetí signálu. V budoucnu by mˇelo být také využito kódování dat do cˇ asového posunu, v roce 2011 však není dostupný prvek s implementací této technologie.[27] 2.4.1.3 Modulace a rozšíˇrený kanál Pˇrenosové standardy 802.11a/g pro využití plné šíˇrky pásma používají OFDM modulaci a rozdˇelení kanálu na podkanály. 802.11n se drží také tohoto konceptu a pro zvýšení pˇrenosové rychlosti rozšiˇruje poˇcet datovˇe využitelných podkanálu˚ z 48 na 52. V tabulce 2.7 je výˇcet nových párovacích rychlostí vˇcetnˇe využitých modulaˇcních schémat, zahrnuty jsou rychlosti jak pro 20 MHz tak i 40 MHz kanál. Nˇekteˇrí výrobci neoznaˇcují rychlosti podle jejich pˇrenosové kapacity, ale dle kódovacího schématu MSC 0–14. Další nárust ˚ kapacity je umožnˇen využitím pˇrídavného kanálu (extension channel, rozebráno v kapitole 6.9), který zdvojnásobuje zabranou a využitelnou šíˇrku pásma na 40 MHz. Puvodní ˚ šíˇrka pásma je znaˇcena HT20, rozšíˇrená HT40. Poˇcet nosných podkanálu˚ je 108 v režimu HT40, v pˇrípadˇe využití smíšeného režimu (mixed mode) je 104. [27] Poslední úpravou je zmenšení ochranného intervalu (Guard Interval) mezi rámci, který zajišt’uje, aby pˇri zpoždˇeném pˇríchodu rámce zpusobeného ˚ napˇríklad odrazy, nedošlo k jeho poškození dalším vysílaným rámcem. Snížený interval má délku 400 µs, jeho nasazením 13
2.4. 802.11N
Obrázek 2.7: Modulaˇcní schémata MCS 802.11n [2] klesá odolnost vuˇ ˚ ci odrazum, ˚ u nejvyšší párovací rychlosti však roste rychlost z 130 na 145 Mbit. 2.4.2
Spojová vrstva 802.11n
Stejnˇe jako fyzická vrstva, tak i MAC vrstva 802.11n doznala úprav oproti dˇrívˇejším verzím 802.11. Hlavním motivem bylo zvýšení rychlosti odbouráním vysoké režie pˇrenosu. Vrstva MAC obsahuje množství režie duležité ˚ pro funkci bezdrátové sítˇe, velikost hlaviˇcek rámcu˚ pˇri využití dalších rozšíˇrení (802.11e, WMM) narostla. Proto aby nedošlo ke stavu, kdy hlaviˇcky tvoˇrí více než 50 % pˇrenášených informací, je standardem definována úprava s názvem agregace rámcu, ˚ jejímž cílem je tyto náklady na režii snížit. 2.4.2.1 Agregace rámcu˚ (Frame aggregation) Vysílané rámce obsahují pevnou režii, úvodní cˇ ást a rámcové pole. Tyto snižují propustnost celé sítˇe. Za úˇcelem zamezení tohoto problému byla vyvinuta metoda agregace rámcu, ˚ která se snaží náklady na režii redukovat. Principem je vkládání dvou nebo více rámcu˚ do jednoho pˇrenosu s jednou hlaviˇckou. Velikost rámcu˚ byla zvˇetšena, z puvodních ˚ 2,3 kB na maximální velikost 64 kB. 14
2.4. 802.11N Výsledné agregované rámce však musí být pˇri vysílání zaslány do stejného místa. To znamená, že všechny rámce uvnitˇr agregovaného rámce musí být smˇerovány k jedinému koncovému zaˇrízení. Další podmínkou této metody je, že všechny rámce, které jsou agregovány, musí být pˇred vysíláním pˇripraveny ve stejném cˇ ase. [25] Agregace multicast rámcu˚ je rˇ ešena zvlášt’ protokolem Double Piggyback Mode Multicast Protocol (DPMM). Pro agregaci multicast rámcu˚ je totiž potˇreba vyˇrešit problém, na jaké rychlosti fyzické vrstvy daná data vysílat. Agregace rámcu˚ existuje ve dvou variantách, MSDU (MAC Service Data Units Aggregation) a MPDU (Mac Protocol Data Units Aggregation). [9] A-MSDU (Aggregate MAC Service Data Units) Pˇri tomto druhu agregace dochází k agregování ethernetových rámcu˚ a jejich obalení spoleˇcnou hlaviˇckou 802.11n. Nedochází tedy k pˇrekladu ethernetových rámcu, ˚ ty mají menší hlaviˇcky, a je zde potenciálnˇe menší režie. Ve smˇeru od pˇripojené stanice mohou být agregovány všechny rámce, pˇri vysílání pˇrístupového bodu musí mít všechny agregované rámce shodný cíl. Podmínkou použití této metody je, že všechny rámce musí být na stejné úrovni kvality služeb. V pˇrípadˇe A-MSDU není podporována plná délka agregaˇcního rámce, maximální délka je 8 kB.
Obrázek 2.8: Agregace MSDU [27]
A-MPDU (Aggregate MAC Protocol Data Unit Aggregation) Tento mechanismus na rozdíl od MSDU agreguje rámce 802.11 a dává jim jeden obalový 802.11n rámec. Ethernetové pˇríchozí rámce jsou zbaveny hlaviˇcek a ty jsou nahrazeny hlaviˇckami 802.11. Použití této agregace je rovnˇež podmínˇeno tím, že všechny rámce musí mít stejnou úrovenˇ kvality služeb. Tato technika se muže ˚ zdát ménˇe efektivní, využívá však blokového potvrzování (block acknowledgement), díky nˇemuž dochází k opakování pouze skuteˇcnˇe porušených rámcu˚ uvnitˇr agregaˇcního rámce. [9] 15
2.4. 802.11N
Obrázek 2.9: Agregace MPDU [27] 2.4.2.2 Blokové potvrzování (block acknowledgement) Jelikož metoda agregace A-MPDU vyžaduje potvrzování každého rámce zvlášt’, byl vyvinut mechanismus blokového potvrzování, který sestavuje všechna potvrzení všech rámcu˚ agregovaných metodou A-MPDU do jediného rámce. Ten je jako potvrzení pˇríjemcem zasílán odesílateli. Blokové potvrzování není omezeno pouze na agregované rámce, lze blokovˇe potvrzovat i více neagregovaných rámcu, ˚ cˇ ímž vzniká optimalizace pˇrenosu i v pˇrípadˇe rozdílných druhu˚ provozu pro jednu stanici. Tento mechanismus umožnuje ˇ opˇetovné selektivní vysílání rámcu, ˚ které nebyly potvrzeny. Uplatnˇení nachází v problémových, zarušených oblastech, kde zvyšuje efektivitu a celkovou propustnost. [29] 2.4.2.3 Zpˇetná kompatibilita (mixed mode) Mechanismus zpˇetné kompatibility 802.11n vychází z mechanismu zpˇetné kompatibility standardu 802.11g se standardem 802.11b. Zachovává stejný princip ochrany. Vysílání 802.11n není možné dekódovat pomocí zaˇrízení starších standardu, ˚ vysílaˇc 802.11n je však schopný vysílat i v tzv. módu smíšeném (mixed mode). Tento mód pˇrenáší úvodní cˇ ást rámce a signální pole, kterým standardy 802.11a a 802.11g rozumí a mohou je dekódovat. Tyto postaˇcí starším zaˇrízením, aby zjistili informaci o chování rádiového pˇrenosu. Zbytek rámce nový standard vysílá již ve formˇe 802.11n pomocí metody vícecestného šíˇrení.
16
Kapitola 3
Frekvenˇcní koexistence zaˇrízení standardu 802.11 Zaˇrízení standardu 802.11 využívají pro svuj ˚ provoz volných pásem dle Všeobecného oprávnˇení cˇ . VO-R/12/09.2010-12 [10], a to konkrétnˇe pásmo 2,4 a 5 GHz. Tato pásma jsou uvolnˇena pro volné použití za dodržení výkonnostních a kanálových omezení a lze je využívat bez ohlašovací povinnosti. Dále pásmo 2,4 GHz je tzv. ISM pásmem [11] (dle VOR/12/09.2010-11), což zpusobuje ˚ nejen zatížení datovým provozem rádiových spoju, ˚ ale také ruznými ˚ kamerovými nebo dohledovými systémy a nespecifikovanými obˇcanskými instalacemi. Pˇri návrhu sítí uvnitˇr budov a jejich vysokokapacitním nasazení jsou hlavními zdroji interferencí pˇrístupové body sobˇe navzájem a drobné pˇrenosy uživatelu, ˚ napˇríklad BlueTooth. Drobné pˇrenosy nelze pˇredpovídat a ani nelze interferencím z tohoto smˇeru zabránit, vzájemné rušení pˇrístupových bodu˚ a uživatelu˚ pˇripojených k síti však lze zkoumat a pˇredcházet mu. Pˇresahy venkovních sítí lze pˇri instalaci v budovˇe zanedbat, pokud je budova postavena z materiálu s dostateˇcným útlumem. Takovým materiálem je napˇr. cihla, beton. Naopak materiály mající malý útlum jsou napˇr. sádrokarton a dˇrevo. Tyto parametry je potˇreba zohlednit i pˇri vlastním návrhu sítˇe, a to z duvodu ˚ odhadu dosahu a pˇresahu pˇrístupových bodu. ˚ V této kapitole se zabývám vzájemným rušením zaˇrízení celé rodiny standardu˚ 802.11 a také odolností vuˇ ˚ ci náhodnému rušení. Pásmo 2,4 GHz je dle VO-R pásmo v rozsahu 2400,0–2483,5 MHz a kanálování není dané. Dle IEEE je rozdˇeleno na 13 kanálu˚ ve vˇetšinˇe státu˚ EU a 11 kanálu˚ v USA. Šíˇrka kanálu je 22 MHz pro modulaci pomoci DSSS, respektive 20 MHz pro OFDM. Odstup stˇredových frekvencí jednotlivých kanálu˚ je 5 MHz. Z toho plyne, že celé pásmo lze rozdˇelit na nejvýše 3 nepˇrekrývající se kanály a to jak v Evropˇe, tak v USA. Pokud bychom požadavek zmˇekˇcili na pˇrekryv pouze v hlavní cˇ ásti modulované v kanálu, lze v EU dosáhnout 4 nerušících se kanálu. ˚ Možnost zmˇekˇcení jsem otestoval v kapitole 6. Na obr. cˇ . 3.1 je znázornˇeno kanálování v tomto pásmu pro DSSS, pro OFDM je obrázek 3.2. Kanál 14 je v EU a USA nedostupný, je uvolnˇen pouze v Japonsku pro spoje modulované DSSS a v této práci s ním nepracuji. Nepˇrekrývajícími se kanály pˇri nastavení pro USA jsou tedy kanály 1, 6, 11; v pˇrípadˇe EU 1, 5, 9 a 13. V praxi ovšem není využíváno pouze tˇechto kanálu, ˚ ale uživatelské instalace nesou veškeré kanály. V cˇ ásti zaˇrízení je implementována funkce „auto“, „smart control“, „Carrier Busy Test“ apod., které samy vybírají nejvhodnˇejší kanál na základˇe okamžitého zatížení pásma. Tento výbˇer je proveden pˇri startu zaˇrízení a kanál je zafixován po celou dobu provozu až do dalšího restartu. Test funkce je proveden v této kapitole na zaˇrízení Cisco AP 1200 series a Compex WP54AG. Využití kanálu˚ není ovšem ostˇre ohraniˇceno, dle norem ETSI 300 328 a FCC part 15 jsou 17
ˇ RUŠENÍ ˚ CI 3.1. ODOLNOST V U
Obrázek 3.1: Kanálování v pásmu 2,4GHz pˇri využití DSSS [27]
Obrázek 3.2: Kanálování v pásmu 2,4GHz pˇri využití OFDM [27] pro vysílání stanoveny vysílací masky (spectral mask), které vyjadˇrují maximální možné využití kanálu a množství vyzáˇreného výkonu v okolních frekvencích pomodulaˇcními zbytky. Podle tˇechto norem by každé zaˇrízení vysílající v pásmu 2,4 GHz a 5 GHz dle VO-R (ˇci pˇríslušných jiných norem dle státu použití) mˇelo udržet pˇri vysílání v jakémkoli cˇ ase tuto masku a nepˇrenášet výkon do okolí. Tato maska však definuje pouze obecné využití. Pˇri použití zaˇrízení 802.11 je dle IEEE stanoveno pˇrísnˇejší kritérium, a to právˇe kvuli ˚ lepšímu využití pásma. Na obrázku 3.3 je maska pro 802.11b a na 3.4 dle normy IEEE pro 802.11a/g. Rozdíl v maskách je kvuli ˚ použití jiné modulace (DSSS u 802.11b proti OFDM u 802.11g a novˇejším). DSSS využívá masku typického tvaru funkce (sin x)/ x, u OFDM modulace by ideální vyzaˇrovací diagram mˇel tvar konstantní funkce na intervalu (f-9; f+9). Z duvod ˚ u˚ cˇ astého dovozu zaˇrízení z USA a neznalosti uživatelu˚ je kanál a 12 a 13 ménˇe využíván kvuli ˚ nemožnosti pˇripojení zaˇrízení s country code US. [6] Kanál 11 bývá rušen zprava ménˇe než ostatní kanály, tuto teorii využiji pˇri mˇerˇ ení, kdy otestuji chování pˇrenosu pˇri cˇ ásteˇcném rušení kanálu˚ pˇrekryvem. U kanálu 1 je z duvodu ˚ ohraniˇcení pásma tímto kanálem nižší rušení zleva, kanál 6 je tedy znevýhodnˇen rušením z obou stran.
3.1
Odolnost vuˇ ˚ ci rušení
Pro zaˇrízení, která pracují na sdílených kmitoˇctech je jednou z duležitých ˚ vlastností odolnost vuˇ ˚ ci interferencím z vnˇejšího prostˇredí. V této práci se nezabývám odolností EMC daných zaˇrízení a ani obecnými zásadami pro návrh elektrických zaˇrízení, ale odolností vuˇ ˚ ci rušení 18
ˇ RUŠENÍ ˚ CI 3.1. ODOLNOST V U
Obrázek 3.3: Maska zaˇrízení pˇri využití DSSS [1]
Obrázek 3.4: Maska zaˇrízení pˇri využití OFDM [27]
pˇricházejícím z pˇrenosového média. Sledovanými parametry jsou ve standardu definované Adjacent channel rejection a Nonadjacent channel rejection. Odolnost vuˇ ˚ ci rušení z vedlejšího a vzdálenˇejšího kanálu je du˚ ležitým ukazatelem kvality pˇrijímací cˇ ásti zaˇrízení. V ideálním pˇrípadˇe by úplná odolnost zajišt’ovala nerušený pˇrenos ve vedlejších kanálech a pˇri plánování by dala volné ruce rozmístˇení jednotek v prostoru. Jediným kritériem by bylo vzájemné nepˇrekrývání pokrytého území. Jak je dále v textu uvedeno, k této teoretické možnosti se snaží technika pˇriblížit, ovˇerˇ ení této snahy mˇerˇ ením jsou v kapitole 6. V dusledku ˚ využití CSMA/CA algoritmu je pro pozorování odolnosti duležitá ˚ i cˇ ást zajišt’ující vysílání. V mé práci se zabývám parametry CCA (Clear Channel Assessment), který zodpovídá za detekci energie pˇred vysíláním. Popudem pro zkoumání CCA je jev, kdy na vlastním pˇrenosovém kanále není zjištˇen žádný nebo jen minimální pˇrenos s nízkou pˇrijímanou energií a pˇresto pˇrenosová rychlost a ztrátovost spojení nejsou na oˇcekávaných hodnotách. V prácích [17] a [18] je popsán útok DoS na CCA algoritmus, který znemožnuje ˇ vysílání všech zaˇrízení, která jsou v dosahu rušení. Podstatou útoku je neustálý zábor pásma 19
3.2. ADJACENT CHANNEL REJECTION pomocí vysílaˇce a nepˇrítomnost cˇ asovaˇce pˇri opakovaných pokusech o odvysílání. Zaˇrízení v dosahu pouze vyˇckávají na vhodnou pˇríležitost k vysílání, která však v dusledku ˚ neustálé detekce obsazenosti média (medium busy) nenastane. Pˇri tomto druhu útoku na odolnost zaˇrízení vuˇ ˚ ci rušení je nutno rozlišovat 2 možnosti. Pokud by útoˇcník provedl rušení zaˇrízením s velkým výkonem (ˇrádovˇe desítky Wattu), ˚ jistˇe ˇ by neušel pozornosti regulaˇcního úˇradu (v našem pˇrípadˇe CTÚ) a jeho konání by nemˇelo dlouhého trvání. Navíc vysílání vysokých výkonu˚ v pásmu 2,4 GHz skrývá pro potenciálního útoˇcníka také nebezpeˇcí a to v podobˇe zdravotního ohrožení díky rozkmitu molekul vody. Tento pˇrípad moje práce nezohlednuje, ˇ zejména kvuli ˚ obtížnosti provedení. Druhý a pro sítˇe 802.11 nebezpeˇcnˇejší útok je založen na témž principu, ale je pouze lokální. Jde o pˇrestavbu bˇežného zaˇrízení na rušiˇcku krátkého dosahu. K tomu lze snadno využít ve všech ovladaˇcích dostupného módu ad-hoc a jeho bezstavové konfigurace. Pokud tomto módu zaˇcneme vysílat packety vyšší IP vrstvy (napˇríklad ping) na adresu všesmˇerového vysílání, dojde k odvysílání rámcu˚ s tímto obsahem a to i pˇres to, že v dané ad hoc síti není žádná jiná stanice dostupná. Tˇechto vlastností jsem využil pˇri generování rušení v kapitole 6. Tato popsaná situace pˇri útoku je však možná i pˇri bˇežném provozu zaˇrízení a to zvláštˇe ve velmi exponovaných lokalitách. Proto v této práci mˇerˇ ím úroven, ˇ pˇri které je odloženo vysílání a to jak ve využívaném, tak i vedlejším kanále.
3.2
Adjacent channel rejection
Jak již bylo výše zmínˇeno, kanál pro pˇrenosy dat dle standardu 802.11a/g má šíˇrku 20 MHz. To urˇcuje, že pˇri vysílání je zabráno 18 MHz v plném vysílacím výkonu s potlaˇcením nosné frekvence, na obou okrajích je 1 MHz ochranného pásma s potlaˇcením výkonu. U staršího 802.11b a legacy je zabraný kanál širší – 22 MHz, na rozdíl od 802.11g má však maska jiný tvar a výkonový prubˇ ˚ eh. Vždy však vznikají pomodulaˇcní zbytky, které pˇrenáší nežádoucí výkon z vysílaˇce do prostˇredí. Snahou vývojáˇru˚ a návrháˇru˚ hardware je omezit tento výkon na minimum. Na obrázku 3.4 je maska pro signály v modulaci OFDM. Potlaˇcení nežádoucích výkonu˚ je dle normy minimálnˇe 20 dB ve vzdálenosti 11 MHz od stˇredové frekvence kanálu. Utlumení pak dále pokraˇcuje až do útlumu 40 dB a více. Tento výkon pˇresto ovlivnuje ˇ pˇrenos ve vedlejším kanále. Dle IEEE 802.11 legacy a 802.11b je jako vedlejší kanál (adjacent channel) definován takový kanál, jehož nosná frekvence je vzdálena 30 MHz od nosné hlavního kanálu. Pokud uvažujeme modulace OFDM a tedy normy 802.11a/g/n, je tato vzdálenost snížena na 25 MHz. Aby pojítko vyhovˇelo, musí pˇri testu propustnosti vydržet rušení na vedlejším kanále pˇri stanovených rozdílech signálu. Ovlivnˇení se testuje pouze jako rušení z jedné strany – nepoˇcítá se s rušením z obou stran. Rozdíl výkonu v hlavním a vedlejším kanálu, pˇri kterém musí ještˇe docházet k pˇrenosu stanovené kvality (viz níže), je stanoven pro každou párovací rychlost. V tabulce 3.1 jsou tyto hodnoty vypsány, pro 802.11b je stanoven minimální odstup pro všechny rychlosti stejný z duvodu ˚ použití modulaˇcní strategie DSSS, která s rostoucí pˇrenášenou kapacitou nezvyšuje hustotu zabraného spektra.[1] 20
3.3. KOEXISTENCE 802.11B/G párovací rychlost (Mbit) 1 11 6 9 12 18 24 36 48 54
ACR (dB) 35 35 16 15 13 11 8 4 0 -1
Non-ACR (dB) 32 31 29 27 24 20 16 15
Tabulka 3.1: Požadavky na parametry pˇrijímací cˇ ásti [1] V praxi však není využita normou stanovená rozteˇc 30 MHz, respektive 25 MHz. Pˇri této rozteˇci by se do pásma širokého v Evropˇe 84,5 MHz vešly pro vyšší modulace 3, pro nižší pouze 2 nepˇrekrývající se kanály. V pˇrípadˇe využití pouze kanálu˚ 1 – 11 by to znamenalo omezení na 2 kanály bez rozdílu˚ použité modulace. Proto jsem provedl mˇerˇ ení v plném obsazení – tzn. využité kanály, resp. jejich stˇredové kmitoˇcty byly od sebe ve vzdálenosti 20 MHz. To by umožnilo v Evropˇe rozprostˇrení kanálu˚ 1, 5, 9, 13 a využití algoritmu cˇ tyˇrbarevného obarvení pro výpoˇcet rozmístˇení kanálu˚ v prostoru. Popis mˇerˇ ení je uveden v kapitole 6 a 7. Rozdíl mezi prakticky využívaným kanálovým rozmístˇením a standardem danými minimálními hodnotami je zhodnocen v závˇeru této práce.
3.3
Koexistence 802.11b/g
Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.4, protokol 802.11 již v sobˇe obsahuje metody pro zamezení interferencí mezi zaˇrízeními. Zaˇrízení naslouchá pˇred vysíláním a pomocí NAV vektoru pˇredpovídá, kdy bude pásmo volné. Tento mechanismus pˇredpokládá, že na daném kanále operují zaˇrízení kompatibilní s 802.11 a všechna využívají CSMA/CA. Pokud si odmyslíme okolní náhodné rušení, je tento pˇredpoklad správný pouze ve chvíli, kdy všechna zaˇrízení operují v nepˇrekrývajících se kanálech. Pokud však zaˇrízení operuje s jinou stˇrední frekvencí, jeví se pro naslouchající zaˇrízení tento signál jako šum a není schopno odhadnout, jak dlouho toto vysílání bude trvat. Záleží na dané implementaci ovladaˇce bezdrátového zaˇrízení, zda vyhodnotí toto vysílání pouze jako bˇežný šum a zaˇcne vysílat, a nebo bude cˇ ekat náhodný cˇ as na uvolnˇení média.
21
Kapitola 4
Optimalizace bezdrátového pˇrenosu Bezdrátové pˇrístupové body umožnují ˇ rˇ adu nastavení, která mají ruzný ˚ vliv na prubˇ ˚ eh pˇrenosu. Ne všechna nastavení jsou dostupná u všech výrobku˚ 802.11, v této kapitole jsou však popsány podstatné parametry, které mohou zlepšit bezdrátový pˇrenos. U každého je popsáno, na kterou cˇ ást pˇrenosu má vliv a jaký je oˇcekávaný pˇrínos. Pokud má dané rˇ ešení i zápornou stránku, je to taktéž zmínˇeno.
4.1
ACK timeout
Jak je zmínˇeno v kapitole 2, pˇrenášené rámce jsou ihned potvrzovány rámci ACK. Pˇri bˇežném použití v interiéru je doba, za kterou bezdrátové vlny urazí vzdálenost mezi vysílaˇcem a pˇripojenou stanicí v rˇ ádu desítek mikrosekund. Pokud nejsou v cestˇe pˇrekážky, je tato doba témˇerˇ konstantní. K prodloužení této doby dochází vlivem odrazu, ˚ pohybu jednotlivých stanic a zmˇenˇe fáze pˇri pruchodu ˚ materiálem. Potvrzovací rámec musí být odeslán ihned po pˇrijetí a zpracování pˇríchozích dat. Po vyhodnocení stavu je krátký ACK rámec vyslán zpˇet ke stanici. ACK timeout definuje dobu, po kterou zaˇrízení cˇ eká na potvrzení vyslaného rámce a po vypršení této doby bez pˇrijetí ACK je považován za ztracený. Pro urˇcení ACK timeout existují 2 strategie – automatické a manuální. Manuální je vhodné ve venkovním prostˇredí a stacionární instalaci, kdy jsou známy vzdálenosti mezi pˇrístupovým bodem a stanicemi, a nejvyšší možná vzdálenost se nemˇení. Výpoˇcet je založen na rychlosti šíˇrení vln, která se blíží rychlosti svˇetla. Dále je nutné vždy vyˇckat, aby protistrana mˇela cˇ as svuj ˚ rámec odvysílat vˇcetnˇe všech ochranných intervalu˚ (SIFS a DIFS). Z toho je vidˇet, že délka preambule výraznˇe ovlivnuje ˇ délku ACK timeout a je její hlavní složkou.[15] Proto pro 802.11a hodnota ACK = 21 + 2 * (vzdálenost / 300) mikrosekund. [13] V pˇrípadˇe nastavení vypršení ACK na pˇríliš krátkou dobu dojde ke dvˇema možným jevum. ˚ Pokud je nˇekterá stanice za hranicí vzdálenosti, kam reálnˇe rámce mohou dorazit a být potvrzeny, nebude tato stanice schopna žádného provozu (ani asociace s pˇrístupovým bodem). Pokud je vzdálenostní rozdíl vysoký, dojde vždy pouze k pˇripojení stanice k pˇrístupovému bodu a jeho následném odpojení pro ztrátu komunikace. V pˇrípadnˇe malého pˇrekroˇcení nastane nedeterministické chování a ztrátovost spoje. Druhým jevem je vysoká hodnota opakovaných rámcu˚ v pˇrípadˇe, že prostˇredí poskytuje velké množství odrazu˚ a vícecestného šíˇrení, kdy hlavní energie vlnˇení dorazí s jistým zpoždˇením oproti pˇrímému šíˇrení. Výjimeˇcným problémem muže ˚ být pˇríliš velká doba zpraco22
4.1. ACK TIMEOUT vání rámce u stanice. Tento problém se v dnešní dobˇe již nevyskytuje, karty mají na sobˇe tyto funkce implementovány a trvají pevnˇe stanovenou dobu pro zpracování. Pokud není rámec v této dobˇe rozkódován, je považován za neopravitelný. Tato doba je již zapoˇcítána ve výpoˇctu viz výše. [15] Nastavení vypršení ACK na vysokou hodnotu je bˇežným jevem zapnutého kompatibilního módu b/g, kdy tato hodnota je spoleˇcná pro všechny asociované stanice. Rozdíl v délce trvání preambule je rozebrán v následující kapitole. Automatická volba ACK probíhá ze strany pˇrístupového bodu, kdy poˇcáteˇcní komunikace je provedena na nejdelší možný a po prvním pˇrenosu všech pˇripojených stanic je nastavena na nejdelší zjištˇenou hodnotu v daném rozložení stanic. Velkou výhodou této metody je udržení spojení pˇri zjištˇení nedostupnosti nˇekteré ze stanic zmˇenou polohy a to prodloužením ACK na maximální hodnotu a nového ustavení. Vede však k neefektivitˇe, protože ACK je ustaveno na zaˇcátku pˇrenosu a je jistou dobu udržováno. Není tedy okamžitˇe zohlednˇena prostorová zmˇenˇe rozmístˇení stanic, pˇrípadnˇe zmˇena vlivu, ˚ které ovlivní dobu pˇrenosu napˇr. pˇrekážky. V pˇrípadˇe ideálního prostˇredí bez rušení je vliv vypršení ACK na rychlost pˇrenosu minimální, protože rámce docházejí vždy neporušeny a cˇ as od reálného pˇrijetí ACK do jeho potenciálního vypršení není nikdy aktivnˇe vyˇckáván. Pˇri ztracení rámce pˇri cestˇe ke stanici nebo v pˇrípadˇe ztracení ACK pˇri cestˇe zpˇet má však tento cˇ as velký vliv na dobu pˇrenosu. V následující tabulce je tento rozdíl vyjádˇren v úbytku maximální pˇrenosové rychlosti dostupné pro daný pˇrístupový bod a poˇcet opakování vysílání (kolik opakování nastane na 10 pˇrenášených rámcu). ˚
reálná vzdálenost 100 100 1900 100 18900
ACK (µ) 23 60 60 400 400
bez opakování 27,38 27,38 24,14 27,38 9,32
1 opakování 24,74 24,55 19,72 22,88 8,82
3 opakování 21,53 21,09 17,75 17,73 7,96
Tabulka 4.1: Vliv vzdálenosti a ACK na snížení pˇrenosové rychlosti
Doba potvrzení rámcu˚ má tedy i vliv na pˇrenosovou rychlost a se zvyšující se vzdáleností klesá propustnost spoje. Po odeslání rámce a pˇri vyˇckávání na pˇríchod potvrzení nastává cˇ as aktivního cˇ ekání, který lineárnˇe roste se vzdáleností. Za každých 300 metru˚ vzdálenosti se musí ACK zvýšit o 1 µs. V pˇrípadˇe vnitˇrního nasazení však není tento faktor rozhodující, protože stanice pˇripojené k bodu jsou ve vzdálenostech limitovaných jejich vysílacím výkonem a ziskem anténního systému. ACK je zaokrouhlováno nahoru na celé µs. 23
ˇ 4.2. VYPNUTÍ ZP ETNÉ KOMPATIBILITY
4.2
Vypnutí zpˇetné kompatibility
Jak již je uvedeno v kapitole 2, pro soubˇežný provoz zaˇrízení normy 802.11b /g na jednom pˇrístupovém bodu je nutné zavést strategii ochrany tˇechto zaˇrízení. Nejˇcastˇeji se setkáváme s oznaˇcením G-protection. S ústupem starších zaˇrízení z provozu bývá tato položka zvláštˇe u nových zaˇrízení normy n vynechána. Vliv na výkon je závislý na poˇctu kooperujících zaˇrízení na bodu a použitého druhu ochrany. Pˇri modelovém pˇrípadu 10 pˇripojených stanic na pˇrístupový bod provedu výpoˇcet pro tˇri scénáˇre, a to: •
pˇripojený klient v b normˇe je pouze pˇripojen s minimální aktivitou (1),
•
pˇripojený klient v b normˇe provádí pˇrenosy se stejnou intenzitou jako ostatní klienti pˇripojení k pˇrístupovému bodu (2),
•
pˇripojený klient v b normˇe provádí pˇrenosy v plné jemu dostupné šíˇrce pˇrenosového pásma (3). vytížení stanicí 802.11b 1 2 3
max. rychlost (Mbit) 10,6 7,36 6,2
Tabulka 4.2: Hodnoty maximální pˇrenosové rychlosti pˇri využití G-protection Pˇri výpoˇctu bude použita CTS to self metoda. Duvodem ˚ je využívání tohoto algoritmu jako výchozího u produktu˚ Intel a Atheros. Jak je vidˇet z tabulky cˇ . 4.2, pˇri velmi nízkém zatížení klienty se staršími zaˇrízeními dojde k neúmˇernému snížení kapacity pˇrístupového bodu, i když není pˇrenos narušován cˇ astými kolizemi s rychlejšími zaˇrízeními. Pˇri stejnomˇerném nebo vysokém využití kapacity zaˇrízeními 802.11b dochází k pˇriblížení pˇrenosové rychlosti standardu 802.11b. Je to zpusobeno ˚ tím, že hlavní složkou pˇrenosu je preambule každého rámce pˇrenášená na rychlosti nejvýše 2 Mbit, a to i u zaˇrízení podporujících vyšší párovací rychlosti. Následná doba pˇrenosu uživatelských dat u rychlých zaˇrízení tvoˇrí pouze 26 % z celkového cˇ asu pˇrenosu vˇcetnˇe režijních nákladu. ˚ [1] Vypnutím této ochrany lze získat pˇrenosovou kapacitu bˇežnou pro 802.11a a zachovat možnost pˇrenosu i pro starší zaˇrízení. Zaˇrízení standardu 802.11g zvládají v režimu b/g dekódovat data vyslaná starším klientem a prodloužit si NAV vektor o odpovídající cˇ as. Tato vlastnost však není dostupná pro klienty 802.11b, kteˇrí detekují rámce modulované OFDM pouze jako jistou úrovenˇ energie v kanále a odkládají vysílání o náhodný cˇ as. Zde pak záleží na zatížení pˇrístupového bodu a rozmístˇení pˇripojených stanic. Vypnutí režimu kompatibility je vhodné v sítích, které mají velké požadavky na pˇrenosovou rychlost, ale nikoli trvalé zatížení, a pˇresto chtˇejí umožnit pˇripojení všem klientum ˚ bez 24
ˇ 4.2. VYPNUTÍ ZP ETNÉ KOMPATIBILITY ohledu na verzi bezdrátového rozhraní v jejich pˇrístroji. Typickým pˇredstavitelem tohoto typu pˇrístupového bodu je sít’ v prostorách univerzit. O vypnutí režimu jako takového má dále smysl uvažovat u pˇrístupových bodu˚ s vyžadovaným šifrováním na úrovni WPA a vyšší. Toto šifrování není obsaženo v definici 802.11b, a proto ani potenciální klient vybavený starším zaˇrízením nebude mít možnost se pˇripojit. [1] K využití párovacích rychlostí standardu 802.11b by tedy došlo pouze zaˇrízením v režimu b/g pˇri zhoršených pˇrenosových podmínkách. Je však otázkou, zda daný klient má zatížit bod nejen svými pravdˇepodobnˇe pomalými pˇrenosy, ale dále také nutností využít ochrany stanic. Ta by v tomto pˇrípadˇe dále zpomalovala pˇrenos všech ostatních stanic daného bodu. Touto otázkou se zabývám v dalších odstavcích této kapitoly. Zachování režimu ochrany je tedy vhodné hlavnˇe na pˇrístupových bodech náhodného pˇrístupu, kde umožní komunikaci všem pˇripojeným klientum ˚ v minimální kvalitˇe a rychlosti dané 802.11b, a novˇejším zaˇrízením zprostˇredkuje možnost pˇrenášet svá data až rychlostí o 130 % vyšší než v pˇrípadˇe, že by bod byl provozován pouze v režimu b. 4.2.1
802.11g only
V rámci kompatibility standardu 802.11b s 802.11g je bˇežnˇe provozován a užit ve výchozím nastavení vˇetšiny pˇrístupových bodu˚ režim 802.11b/g, kdy jsou povoleny všechny párovací rychlosti obou standardu. ˚ Zapnutím režimu 802.11g (ˇcasto oznaˇcován jako g-only) zamezíme pˇrístupu starších zaˇrízení k AP a zbavíme se možnosti využít G-protection. Dané zaˇrízení pˇrestane vysílat preambule v režimu long cˇ i short, bude je modulovat pouze v OFDM na rychlosti 6 Mbit. Ve výsledku se dané zaˇrízení zaˇcne chovat stejnˇe jako zaˇrízení 802.11a bez jakýchkoli rozdílu˚ v pˇrenosové rychlosti. Bude pouze využívat jiné frekvenˇcní pásmo. Výhoda v nárustu ˚ rychlosti je zˇrejmá, zapnutí tohoto režimu však pˇrináší i nevýhody. Bod pˇrestane demodulovat rámce na stejném kanále vysílané pomocí DSSS a zaˇcne tuto energii brát pouze jako šum a odkládat vysílání pouze o náhodný cˇ as bez možnosti prodloužit NAV vektor o známou dobu pˇrenosu rámce. Toto nastavení tedy není vhodné v prostˇredí, kde je velké zatížení provozem modulovaným DSSS. Daleko výhodnˇejší se jeví nechat zapnutý b/g režim s výbˇerem párovacích rychlostí (viz 4.8). Ovlivnˇení stávajících spoju˚ DSSS zaˇrízením 802.11g není rˇ ešitelné. I v pˇrípadˇe využití b/g režimu a pˇripojení pouze stanic podporujících oba standardy, jsou rámce vysílány pouze v OFDM, a pouze maják (beacon) je vysílán na nejnižší rychlosti 1 Mbit. 4.2.2
802.11n only
V nejnovˇejším standardu je zaveden nový pojem – HT Greenfield, který znaˇcí, že provoz bezdrátové sítˇe je omezen pouze na 802.11n. Pˇrináší vypnutí zpˇetné kompatibility jak se standardy 802.11 b/g, tak i 802.11a, pokud je sít’ provozována v pásmu 5 GHz. Pro provoz v režimu HT Greenfield s využitím plné kapacity je potˇreba cˇ isté prostˇredí bez možnosti kolize se staršími zaˇrízeními. Stejnˇe jako u 802.11g dochází k neˇcitelnosti 25
4.3. RTS/CTS rámcu˚ od starších zaˇrízení, zbyteˇcnému soutˇežení o médium v dobˇe, kdy probíhá pˇrenos, a pádu pˇrenosové rychlosti obou soubˇežnˇe provozovaných sítí. Dalším úskalím je provoz mnoha zaˇrízení s podporou pouze Draft verze 802.11n, a to jak Draft 1.0, tak i Draft 2.0. Tato zaˇrízení mohou mít problém využít 802.11n only pˇrístupových bodu. ˚ Na základˇe tˇechto komplikací je HT Greenfield provoz vhodný do uzavˇrených dobˇre odstínˇených prostor, kde není žádný jiný provoz v daném frekvenˇcním pásmu, praktické využití se nabízí ve skladech apod. Pro využití v exponovaných místech nebo místech s velkým náhodným pˇrístupem je tato optimalizace nevhodná.
4.3
RTS/CTS
Zavedením RTS/CTS do sítˇe lze eliminovat problém skrytých uzlu. ˚ Skrytý uzel je taková stanice v síti, která pˇrijímá rádiové vlny od pˇrístupového bodu a muže ˚ s ním komunikovat, ostatní úˇcastníci komunikaci od této stanice nezachytí a reciproˇcnˇe – skrytý uzel nezachytí vysílání ostatních stanic. Dochází tedy ke kolizím, které není schopen algoritmus CSMA/CA ošetˇrit. V práci [3] je popsán vliv skrytých uzlu˚ na chod sítˇe, propustnost uzlu tohoto typu klesá na 0,1 – 1 % pˇrenosové rychlosti ostatních uzlu˚ sítˇe. Stanice tedy není schopna témˇerˇ žádného pˇrenosu, pouze její vysílání zpusobuje ˚ kolize a snižuje pˇrenosovou kapacitu ostatním uzlum. ˚ Nasazení RTS/CTS je však provázeno úskalími, která vycházejí ze standardu. RTS/CTS je implementováno jak v 802.11 b, tak i v 802.11g, je však pouze doplnkovou ˇ a volitelnou strategií pro rˇ ízení pˇrístupu k médiu. Nastavení se však neprovádí pouze na vysílaˇci, hodnota maximální délky rámce odbaveného bez RTS/CTS se nastavuje na každé pˇrijímací stanici. Základním nastavením v ovladaˇci všech bezdrátových adaptéru˚ dle normy je 2347 bajtu, ˚ což je maximální délka 802.11 rámce. V takovémto pˇrípadˇe není RTS/CTS nikdy využíváno a pˇrenosy jsou rˇ ízeny pouze CSMA/CA. Pro ideální funkˇcnost je vhodné mít na každé stanici nastavenu stejnou hodnotu RTS threshold. V pˇrípadˇe, že v síti je pˇripojena alesponˇ jedna stanice, která bude mít nastaveno RTS na menší hodnotu než 2347 bajtu˚ a bude chtít pˇrenášet rámec této délky, pˇrístupový bod jí vyhradí pˇrenosový cˇ as a v tuto dobu jsou ostatní stanice umlˇceny. Pokud však ostatní stanice nevyužívají RTS/CTS, je tato stanice znevýhodnˇena tím, že vyˇckává na pokyn CTS, který však v pˇrípadˇe ztráty RTS není vyslán a stanice soupeˇrí s ostatními stanicemi, které využívají CSMA/CA. Vhodné nastavení velikosti RTS se odvíjí od délky typicky pˇrenášených dat a parametru Fragment Threshold, který urˇcuje, jaký nejdelší rámec je odvysílán v jednom kuse, pˇrípadnˇe zda bude rozdˇelen na více rámcu. ˚ Na základˇe simulací a mˇerˇ ení v pracích [3][20] je rozsah vhodný pro 30–50 pˇripojených klientu˚ 100–300 bajtu, ˚ pˇri 10 a ménˇe stanicích je vhodné volit vyšší až do hodnoty 1600 (ˇcastá délka rámce pro 1500 bajtové packety). Nízká hodnota RTS zajistí také spravedlivˇejší pˇrístup k médiu pˇri využití velkého pásma pro odesílání dat smˇerem od klientských stanic, zvláštˇe pˇri užití agresivních protokolu˚ vyšších vrstev posta26
4.4. ODPOJOVÁNÍ PODLE SÍLY SIGNÁLU vených na UDP. Vzhledem k nemožnosti ovlivnˇení tohoto parametru ze strany správcu˚ vˇetšiny otevˇrených bezdrátových sítí není dále s touto strategií v této práci poˇcítáno, v pˇrípadˇe simulace 802.11 g s protekcí je využito základního nastavení. RTS/CTS je vhodné pro stacionární nasazení bezdrátové sítˇe v pˇrípadˇe, že kontrola nad pˇripojenými jednotkami a jejich nastavením je plnˇe v kompetenci správce dané sítˇe. V ostatních pˇrípadech zpusobuje ˚ zapnuté RTS/CTS nedeterministické chování bez pˇridané hodnoty pro stanice využívající tento režim.
4.4
Odpojování podle síly signálu
Pokrytí pˇrístupových bodu˚ uvádí výrobce vždy jako maximální možnou vzdálenost pˇrenosu, neuvádí však, jak rychlý tento pˇrenos bude. Typickým údajem je 100 metru˚ v uzavˇrených a 300 metru˚ v otevˇrených prostorech, údaje jsou v ideálním prostˇredí pˇri možnosti využít citlivosti bezdrátových adaptéru. ˚ Zachycení SSID umožnuje ˇ klientum ˚ pokusit se pˇripojit k takto zachycenému bodu a získat pˇrístup k síti. Pokud dojde k ustavení spojení a klientovi není zaslán odhlašovací rámec, muže ˚ probíhat komunikace podle scénáˇre, který je nastínˇen v pˇredchozích kapitolách. V pˇrípadˇe vysokorychlostního nasazení však klienti pˇripojení s nízkou úrovní signálu a využívající nízkých párovacích rychlostí zabírají velkou cˇ ást cˇ asu pˇrístupového bodu. Proto je v nˇekterých AP implementována možnost odpojit klienty s nedostateˇcným signálem. Tˇemto klientum ˚ je pak pˇri žádosti o pˇripojení zaslán rámec o odpojení. Vhodnou úrovenˇ pro odpojení je tˇreba stanovit na základˇe hustoty pˇrístupových bodu˚ a požadavcích na plynulost roamingu. Pokud je sít’ bodu˚ hustá, je dobré udržet všechny pˇripojené stanice na maximální pˇrenosové rychlosti, tj. 54 Mbit u 802.11g a 150 Mbit u 802.11n. Citlivost zaˇrízení pro tuto rychlost je pˇri dodržení normy nejménˇe -68 dBm.[4] Pˇri menší hustotˇe pokrytí je dobré se vyvarovat provozu klientu˚ s nejnižšími rychlostmi a signálovými úrovnˇemi na hranˇe udržení spojení. Úrovenˇ signálu by ani v tomto pˇrípadˇe nemˇela být horší než -80 dBm.
4.5
Retry limit – HW retries
Pˇrenos rámcu˚ prostˇredím není vždy bezchybný a doruˇcení rámce muže ˚ selhat. V pˇrípadˇe chyby probˇehne opakované vysílání rámce. Hodnota retry limit (pˇrípadnˇe HW-retries u operaˇcního systému Mikrotik) urˇcuje, kolikrát je rámec opakován na jedné párovací rychlosti, než dojde k jejímu snížení. Pokud zaˇrízení vysílá na nejnižší možné rychlosti (bud’ vysílání na všech vyšších selhalo, nebo to signálové podmínky neumožnují), ˇ nebere se na hodnotu retry limit ohled – poˇcet opakování je nastaven pevnˇe na 3. Pokud ani po tˇrech pokusech není rámec doruˇcen, je vysílání pˇrerušeno na dobu nazývanou on-fail-retry-time. Poté je pˇrenos opˇet zopakován, opakované vysílání provádí pˇrístupový bod až do koneˇcného doruˇcení, vypršení odpojovacího intervalu nebo vypršení platnosti pˇrenášených rámcu.[7] ˚ 27
4.5. RETRY LIMIT – HW RETRIES Z definice plyne, že poˇcet opakování ovlivnuje ˇ dobu pˇrenosu rámce. Vzhledem k rychlosti pˇrenosu a latenci je zde jistý vztah. Pokud bude cˇ ítaˇc nastaven na nízkou hodnotu, dojde cˇ asto k pˇrechodu na nižší párovací rychlost. Pˇri pˇrenosu nižší rychlostí trvá pˇrenos rámce delší dobu, s vˇetší pravdˇepodobností však bude pˇrenesen bez porušení.[1][7] Pˇri základním nastavení a využití všech pˇrenosových rychlostí záleží na agresivitˇe vnitˇrního algoritmu pro urˇcovaní párovací rychlosti.[24] Na obrázku 4.1 jsou možnosti volby u zaˇrízení s operaˇcním systémem AirOS.
Obrázek 4.1: Volba algoritmu pro výbˇer párovacích rychlostí v AirOS Volba algoritmu není cˇ astou možností, nastavení poˇctu opakování je rozšíˇreno i v bˇežných spotˇrebních pˇrístupových bodech. Pˇri porušeném pˇríjmu nejsou postupnˇe zkoušeny všechny rychlosti, dochází ke strmˇejšímu snižování.[24] K upravení chování lze využít nastavení rychlostí podle kapitoly 4.8. Retry limit nabývá hodnoty od 3 po 15 a nejvíce se pˇri nastavení zohlednuje ˇ zarušení prostˇredí. [24] Empiricky se ukazuje, že ve vnˇejším prostˇredí je vhodné nastavit hodnotu 8 a vyšší. [16] Toto nastavení je i matematicky podepˇrené, protože pokud se pˇri nejvýše 8 opakováních povede rámec pˇrenést na vyšší rychlosti (napˇr. 54 Mbit), je cˇ as strávený tímto pˇrenosem nižší, než pokud by došlo ke 4 opakováním a následném úspˇešném pˇrenosu na rychlosti 24 Mbit (1928 µs pˇri 54 Mbit a 2910 µs pˇri 24 Mbit). 28
4.6. PREAMBULE MODE Pˇri vysokých hodnotách však muže ˚ u nˇekterého typu provozu (typicky VOIP), docházet ke zdržení vyššímu než je pro daný úˇcel vhodné. Zde je pak tˇreba upravit jak retry limit, tak i maximální párovací rychlost, aby došlo k pˇrenosu v požadovaném cˇ ase a rozptylu. [30] V souvislosti s pˇrenosovou rychlostí lze tedy rˇ íci, že vyšší retry limit zvyšuje propustnost pˇrístupového bodu, toto zvýšení je však vykoupeno vyšším rozptylem.
4.6
Preambule mode
Volitelná délka preambule je doménou staršího 802.11b, pˇresto má vliv i na pˇrenos 802.11g, a to v pˇrípadˇe využití ochrany stanic ve smíšeném režimu. V roce 2011 již pravdˇepodobnˇe nejsou bˇežnými uživateli provozována stará zaˇrízení schopná pouze módu 802.11 legacy. Proto striktní využívání dlouhé preambule je vhodné pouze pro venkovní aplikace v plném prostˇredí, kde je zapotˇrebí dosáhnout zaruˇcené synchronizace. Využitím short preambule dochází ke zkrácení režie na každém rámci z 192 µs na 96 µs, což se projeví nárustem ˚ pˇrenosové rychlosti v 802.11b témˇerˇ k 7 Mbit, v mixed režimu s využitím G-protection je tento nárust ˚ díky dvojímu vysílání RTS/CTS ještˇe znatelnˇejší. Zvyšuje pˇrenosový rozdíl mezi cˇ istým využitím starší b-normy a nové ve smíšeném režimu. Z bˇežnˇe dostupných nastavení pˇrístupových bodu˚ pˇrináší nejvyšší nárust ˚ rychlosti. [21]
4.7
Parametry agregace
Rozšíˇrením délky rámce až na 64KB v režimu agregace se ve standardu 802.11n objevila možnost zvolit si, kolik rámcu˚ se má agregovat a jaká je maximální délka výsledného rámce. Jak již jsem psal v kapitole 2.4, vlivem agregace dochází ke zpoždˇení rámcu˚ a vzniká rozptyl v jejich odvysílání. Nˇekteré aplikace (VOIP apod.) mohou být na tento rozptyl citlivé, a proto lze volit délku rámce dle uživatelských preferencí. Volba malého poˇctu agregovaných rámcu˚ (napˇr. 4) pˇrinese neznatelný nárust ˚ zpoždˇení, ale režie se zmenší o ACK smˇerem od cílové stanice a smˇerem k místu urˇcení je modulována nízkou rychlostí pouze jedna hlaviˇcka, hlaviˇcky agregovaných rámcu˚ jsou pˇrenášeny na plné rychlosti. Poˇcet agregovaných rámcu˚ má rozsah 2–32, velikost agregaˇcního rámce je omezena na 2304 až 65535 bajtu. ˚ [2] Provedl jsem ovˇerˇ ení vlivu agregace na rychlost pˇrenosu, shrnutí výsledku˚ je v kapitole 6.
4.8
Úprava párovacích rychlostí
V základním nastavení jak u klientu, ˚ tak u pˇrístupových bodu, ˚ jsou povoleny všechny párovací rychlosti (data rate), jejich soupis je v kapitole 2.4. Pˇrístupový bod urˇcuje pro jednotlivé rámce párovací rychlost dle signálových pomˇeru˚ dané stanice, stejnou volbu provádí stanice pˇri odesílání svých dat a ACK. Pro jednotlivé rychlosti je vyžadována v normˇe urˇcitá 29
ˇ ˇ 4.9. ZM ENA ŠÍ RKY PÁSMA citlivost pˇrijímaˇce. Jak jsem již napsal v podkapitole 4.5, pˇrepínání rychlostí zpusobuje ˚ jistou prodlevu pˇri vysílání a v ideálním pˇrípadˇe všechny stanice zustávají ˚ na nejvyšší (54 Mbit) rychlosti, pouze ACK jsou vysílány na rychlosti 24 Mbit a zaˇcátek preambule je pˇrenášen nejnižší možnou rychlostí (6 Mbit). Ne každý pˇrístupový bod umožnuje ˇ volbu, které rychlosti lze využít. Mnou testované zaˇrízení Cisco umožnuje ˇ jednotlivé rychlosti vypnout, povolit nebo vyžadovat. Podobné možnosti nastavení mají i pˇrístupové body s operaˇcním systémem Mikrotik, u firmy Ubiquity lze pouze volit maximální použitou párovací rychlost. V rámci zpˇetné kompatibility je vhodné ponechat nejnižší rate, ale to pouze v pˇrípadˇe bodu˚ 802.11b. U 802.11g jsou již všechny rychlosti souˇcástí základního vybavení a proto není nutné ponechávat rychlost 6 Mbit aktivní. Vypínáním jednotlivých rychlostí lze docílit ménˇe cˇ astého pˇrepínání rychlostí a v pˇrípadˇe, že bod neumožnuje ˇ odpojovat klienty s nižší než stanovenou úrovní signálu, tak zamezit jejich pˇripojení. Zde je však nutné si uvˇedomit, že citlivost jednotlivých zaˇrízení se liší a chování je též ovlivnˇeno nastavením ovladaˇcu. ˚ Proto nelze vypnutím napˇr. rychlostí 6, 9, 12 Mbit deterministicky zabránit pˇripojování klientum, ˚ kteˇrí neudrží tuto párovací rychlost. Pro nasazení ve vysokokapacitním použití s hustou sítí bodu˚ je výhodným rˇ ešením vypnout rychlosti 6, 9, 12, pˇrípadnˇe 18 Mbit, zvláštˇe vzhledem k rostoucí úrovni šumu v éteru, který nedovoluje využití plné citlivosti karet. V pˇrípadˇe nutnosti pˇripojení i vzdálených klientu˚ v rušném prostˇredí je vhodné ponechat nˇekterou z nízkých rychlostí aktivní. Rychlost 6 Mbit je sice nejodolnˇejší z normy 802.11g, je však srovnatelná kapacitnˇe s rychlostí 5,5 Mbit v 802.11b, která je mnohem odolnˇejší na rušení z vedlejšího kanálu. Aby byl nárust ˚ rychlosti srovnatelný s maximem 802.11b a ospravedlnil využití pouze 802.11g, je vhodné využít párovací rychlosti 9 nebo 12 Mbit vzhledem k jejich parametrum ˚ (citlivosti -87 a -85 dBm u bˇežných karet – CM9, Intel apod.). Dále se odolností jednotlivých párovacích rychlostí na rušení z vedlejšího kanálu zabývám v kapitole 6.
4.9
Zmˇena šíˇrky pásma
Bˇežná šíˇrka kanálu pro bezdrátový pˇrenos je stanovena na 22 MHz cˇ i 20 MHz. S pˇríchodem standardu 802.11n pˇribyla možnost využít bˇežnˇe a bez speciálních rozšíˇrení kanál šíˇrky 40 MHz. Dle ETSI [1] je pro rádiové spoje v pásmech 2,4 a 5 GHz možno využít nejen tohoto bˇežného kanálování, ale i zúžené kanály. Jejich možná šíˇrka je vždy 1/2 nebo 1/4 základní šíˇrky. Již pˇred uvedením 802.11n se objevily pokusy, jak zvýšit propustnost bezdrátového pˇrenosu k magické hranici 100 Mbit. Šlo pouze o útok na úrovni fyzické vrstvy, nikoli využitelné kapacity. Tyto pokusy využívaly dvojnásobnou šíˇrku pásma a tím zdvojnásobily párovací rychlost. Typicky je oznaˇcován tento režim jako „turbo“, maximální párovací rychlost je 108 Mbit. [28] Narozdíl od 802.11n, kde je využití 40 MHz implementováno pomocí funkce extention channel, byly tyto technologie vázány na chipset cˇ i modelovou rˇ adu daného výrobce. Také 30
ˇ ˇ 4.9. ZM ENA ŠÍ RKY PÁSMA uživatelsky není vhodné nasazení, protože zaˇrízení pˇri pˇripojování musí nalézt, v jaké šíˇrce pásma pˇrístupový bod vysílá. To znesnadnuje ˇ plynulý hangover. Navíc interoperabilita tˇechto zaˇrízení neumožnuje ˇ nasazení v hustém prostˇredí. Rámce jsou bˇežnými kartami detekovány pouze jako rušení a dochází pouze k náhodnému odkládání vysílání cˇ i degradaci pˇrijímaných signálu. ˚ V hustˇe obsazeném pásmu 2,4 GHz existuje pouze jeden nepˇrekrývající se kanál, a to kanál 6 [30], a to z duvodu ˚ možnosti využití jak v Evropˇe, tak v USA. Tento kanál je navíc nevhodnˇe umístˇen vzhledem k ostatním 20 MHz kanálum, ˚ a proto navýšení rychlosti na dvojnásobek je spíše reklamním tvrzením. Jak je uvedeno v úvodní kapitole, šum roste s šíˇrkou kanálu, a proto je u „turbo módu“ nutná vyšší signálová úroven, ˇ aby bylo dosaženo pˇrijatelného odstupu signál – šum. To zkracuje dosah takto nasazených pˇrístupových bodu˚ na velmi malý prostor, typicky pouze místnost s vysílaˇcem. V pásmu 5 GHz je tato možnost už více atraktivní, a zvláštˇe u venkovních sítí je cˇ asto využívána u kapacitních point-to-point spoju˚ krátkého dosahu. Velkou výhodou tohoto pásma je též vyšší povolený vyzáˇrený výkon a lze zde dosáhnout snadnˇeji potˇrebného SNR (signalto-noise). Využití pˇrídavného kanálu v 802.11n pˇrináší zpˇetnou kompatibilitu a nárust ˚ pˇrenosové kapacity v pˇrípadˇe potˇreby (viz kapitola o 802.11n). Z hlediska zabraného pásma je využití pˇrídavného kanálu ve vnitˇrních instalacích pˇrínosem, nejvˇetší výhodou kromˇe kompatibility je nezvyšování šumu v pásmu pˇri malých využívaných kapacitách. Ménˇe zatížené body pˇrístupové sítˇe neubírají pásmo pro ty, u kterých je vyžadována velká pˇrenosová rychlost. Jistou nevýhodou této metody je rozhodování o povolení pˇrídavného kanálu. Pokud je k bodu pˇripojena alesponˇ jedna jednotka, která využívá 40 MHz kanál, je pro tuto stanici vždy využit. Pro ostatní je využit pouze 20 MHz základní kanál. Nˇekteré bezdrátové adaptéry a pˇrístupové body pracují s detekcí požadované kapacity a rozhodují o pˇridaní rozšíˇreného kanálu dynamicky. Zde muže ˚ však dojít k nevhodnému pˇrepínání režimu˚ kvuli ˚ jistému zpoždˇení protokolu˚ vyšších vrstev (nejˇcastˇeji TCP). Druhou nevýhodou je v pˇrípadˇe obˇcasného využití pouze stanicemi 802.11n negarantovatelnost pˇrenosu v rozšíˇreném kanále. Protože není využíván stále, jiné jednotky mohou tento kanál detekovat jako volný a využít ho ke své cˇ innosti. Zvláštˇe u automatické volby kanálu˚ bez provázanosti centrálním systémem muže ˚ dojít k paradoxní situaci, kdy pˇrenos s rozšíˇreným kanálem je díky rušení a nutnému opakování rámcu˚ pomalejší než pˇrenos standardním 20 MHz kanálem. V otázce kapacity je použití rozšíˇreného kanálu ménˇe ekonomické k zabrané šíˇrce pásma než pˇri „turbo režimu“, protože z duvod ˚ u˚ zpˇetné kompatibility je nutno vysílat rámce ve dvou samostatných kanálech a pˇri pˇrenosu preambule je potˇreba dodržet ochranné rozestupy mezi kanály. Snížená efektivita využití pásma je znázornˇena na obrázku 4.2. V pˇrípadˇe režimu zpˇetné kompatibility až na úrovenˇ 802.11b pˇri využití rozšíˇreného kanálu je nutné vysílat do obou kanálu˚ CTS-to-self rámce pro zajištˇení volného pˇrenosového pásma. To opˇet vede ke zvýšení režie a obsazení kanálu˚ pouze synchronizaˇcními daty. Zúžené kanály šíˇrky 5 MHz a 10 MHz nacházejí uplatnˇení spíše u instalací pro prumys˚ lová zaˇrízení ve vnitˇrních prostorách (sklady apod.) a pˇri venkovním osazení bezdrátových 31
ˇ ˇ 4.9. ZM ENA ŠÍ RKY PÁSMA
Obrázek 4.2: 40 MHz kanál pˇri využití 802.11n [27] spoju. ˚ K vˇetšímu rozšíˇrení mezi uživateli zatím nedošlo, výrobci bˇežných karet pro spotˇrební elektroniku nezahrnují tuto možnost do ovladaˇcu˚ svých adaptéru. ˚ Pˇrenosová kapacita pˇri zmenšeném pˇrenosovém kanálu je poloviˇcní, resp. cˇ tvrtinová oproti bˇežnému toku na standardním kanále, pˇrestože pomˇer ochranných intervalu˚ a pásma využitého k pˇrenosu je nižší. Je to zpusobeno ˚ snadnˇejším dosažením požadovaného SNR.
32
Kapitola 5
Simulace V teoretické cˇ ásti jsem vybral duležité ˚ parametry standardu 802.11 pro bezdrátový pˇrenos. Pro ovˇerˇ ení, zda dané parametry mají na pˇrenos vliv, jsem se rozhodl kromˇe mˇerˇ ení provést také simulaci. V dnešní dobˇe je dostupné velké množství softwaru, který simuluje chování 802.11. Lze využít bud’ komerˇcního softwaru (NetSim, OPNET, MatLab), nebo nˇekterého s volnou licencí (OMNET ++, nv2). Pˇri výbˇeru vhodného nástroje pro simulaci jsem si stanovil podmínky, které musí nástroj splnovat: ˇ •
Moduly minimálnˇe pro 802.11, 802.11b, 802.11g , 802.11a, výhodou by byl modul pro 802.11n
•
Možnost definovat zátˇež na úrovni aplikací a pˇrenosových protokolu˚
•
Nastavení výkonových parametru˚ bezdrátové sítˇe a práce s pokrytím
•
Dostupnost ve volné nebo akademické licenci
Jako vhodný nástroj jsem zvolil OPNET Modeler ve verzi 14.5 s licencí pro akademické využití zdarma, který byl aktuální a dostupný v dobˇe zaˇcátku vzniku této práce. V dnešní dobˇe (konec roku 2011) již je k dispozici verze 16.5 s podporou 802.11n.
5.1
OPNET
OPNET Modeler (OM) je produktem firmy OPNET Technologies Inc. Jako první sít’ový simulátor byl uveden na trh v roce 1987. Umožnuje ˇ simulaci jakékoli možné sít’ové architektury, protokolu˚ a zaˇrízení. Program je pro operaˇcní systém Microsoft Windows a to jak v 32, tak i 64bitové verzi. Skládá se ze tˇrí editoru, ˚ které pracují na ruzné ˚ hloubce a podrobnosti popisu. Jsou to Project, Node a Proces editor. Pro moji simulaci využiji již definované prvky, a proto vystaˇcím pouze z Project editorem. Na obrázku (OPNET) jsou hlavní obrazovky jednotlivých editoru. ˚ Konfigurace všech prvku˚ v OM je možná bud’ pˇres grafické rozhraní programu, nebo úpravou kódu jednotlivých konfiguraˇcních souboru. ˚ Tato možnost je výhodná zvláštˇe pˇri úpravách chování prvku˚ na nízké úrovni a dávkové tvorbˇe simulací. 33
5.1. OPNET
Obrázek 5.1: Hlavní obrazovky OPNET 5.1.1
Project editor
Pro rozmístˇení prvku˚ v prostoru budovy cˇ i jiného fyzického prostoru slouží Project editor. Jednotlivé prvky jsou zde graficky znázornˇeny, je možné je rozmístit na vestavˇené mapˇe v pˇrípadˇe simulace velmi rozsáhlých sítí. Pˇri vytváˇrení projektu si urˇcíme použité moduly OM. V mém pˇrípadˇe jde o ethernet_adv, wireless_lan_adv a applications. Pˇrípona adv upozornuje ˇ na to, že dané prvky mají plnou škálu možností nastavení. 5.1.2
Prvky
Pro simulaci bˇežné bezdrátové sítˇe malého rozsahu jsem využil pˇreddefinovaných prvku. ˚ Na drátové síti jsem využil šestnácti portového 100 Mbitového pˇrepínaˇce (ethernet16_switch) a servery s osazenými 100 Mbit rozhraní (ethernet_server). Každý server slouží pro obsluhu jednoho druhu služby (http, ftp). Na bezdrátové cˇ ásti jsem využil 2 prvku˚ a to bezdrátového routeru s funkcí pˇrístupového bodu (wlan_ethernet_router) ve variantˇe bez možnosti pohybu a klientské stanice bez pohybu (wlan_wkstn_adv). Tyto stanice jsou schopny spouštˇet kteroukoli z definovaných aplikací. 5.1.3
Definice aplikace
Pro zatížení simulované sítˇe jsem nadefinoval 2 aplikace, které odpovídají bˇežnému provozu sítˇe využívané k pˇripojení k Internetu. Nejˇcastˇejší cˇ inností uživatelu˚ je prohlížení webo34
5.1. OPNET vých stránek s dynamickým obsahem a v dnešní dobˇe velmi populárním vkládaným multimediálním obsahem, druhá cˇ innost je kontinuální pˇrenos dat. V OM je pro vytvoˇrení modelu aplikace použit prvek Aplication Definition. V nˇem se vytváˇrejí veškeré aplikace dostupné pro daný scénáˇr. Na obrázku 5.2 je ukázka volby parametru˚ aplikace. Aplikace muže ˚ být tvoˇrena z více cˇ ástí, které využívají sít’ definovaným zpusobem. ˚ V mé práce jsem si definoval aplikace http a ftp.
Obrázek 5.2: Parametry aplikace v OPNET
Http simuluje náhodné procházení webových stránek, velikost jednotlivých stránek prohlížených uživatelem je od 400 kB po 2 MB, kde stránka je složena z 20 objektu˚ velikosti od 20000 do 100000 bajtu. ˚ Velikost objektu je náhodnˇe vybrána pro každý pˇrenos. Prumˇ ˚ erná velikost webové stránky byla podle služby Alexa 784kB v roce 2011. Do statistiky je poˇcítáno 1000 nejˇcastˇeji navštˇevovaných stránek navštívených uživateli mˇerˇ ení Alexa. Do celkové velikosti stránky se nepoˇcítají pˇrenosy multimediálního obsahu (napˇr. webová stránka youtube), proto jsem zvolil horní mez procházených stránek výraznˇe vyšší než je prumˇ ˚ er. Pro srovnání – velikost úvodní stránky www.idnes.cz dne 22.12.2011 byla 669579 bajtu. ˚ [19] Aplikace ftp simuluje kontinuální pˇrenos souboru náhodné velikosti v rozmezí od 1 po 700 MB. Pro velké zatížení byl zvolen druh provozu best-effort, který výbornˇe zajišt’uje nejkratší možný cˇ as pˇrenosu. Rychlost odesílaných dat ze serveru není nijak limitována. 35
5.2. PODMÍNKY SIMULACE 5.1.4
Definice chování stanic
Aby stanice mohly využívat služeb nabízených aplikacemi v síti, musí být definován profil dané aplikace. V jednotlivých stanicích se pak aktivuje požadovaný druh profilu. Pro tento úˇcel jsou profily nastaveny v položce Profile Definition. Po každou aplikaci lze definovat více profilu˚ a v každé stanici lze využívat více tˇechto profilu. ˚ Profil urˇcuje, jak cˇ asto a po jak dlouhou dobu má být daná aplikace aktivní. Definoval jsem 3 profily a to http_browse, http_heavy_load a ftp_download. Všechny profily aktivují cˇ innost aplikace 30 sekund po zaˇcátku simulace. Http_browse provádí každou minutu jedno naˇctení aplikace http. Tím je simulován provoz poklidného uživatele Internetu. Http_heavy_load provádí start aplikace http každých 10 sekund. Profil ftp_download je spouštˇen náhodnˇe v intervalu 60 minut, k pˇrenosu bˇehem simulace nemusí dojít. Každá ze stanic má nastaven bud’ profil http_browse (brouzdaˇr) nebo http_heavy_load (stahovaˇc) a zárovenˇ ftp_download. 5.1.5
Rozmístˇení stanic
Pro rozmístˇení stanic v prostoru jsem využil scénáˇre Office s rozmˇerem 50 x 50 metru. ˚ K této volbˇe jsem dospˇel na základˇe výpoˇctu pokrytí pˇri nasazení obvyklých pˇrístupových bodu˚ a stanic. Za takováto zaˇrízení jsem bral pˇrístupové body i stanice osazené 5 dBi anténami dodržujícími vyzáˇrený výkon daný VO-R/12 a to 20 dBm. Stanice jsou v prostoru rozmístˇeny náhodnˇe, žádná z nich není definována jako pohyblivá. Ve variantách simulace je stanicím pˇriˇrazena párovací rychlost (data rate) odpovídající jejich umístˇení v prostoru.
5.2
Podmínky simulace
Simulaci jsem rozdˇelil na dva podproblémy – a to simulace pro zjištˇení maximální pˇrenosové rychlosti v ideálních podmínkách a chování v pˇrípadˇe nepˇríznivých podmínkek (signálových a pˇri pˇripojení velkého množství klientu. ˚ Pro simulaci maximální rychlosti jsem nastavil tyto podmínky – signál umožnující ˇ využití maximální párovací rychlosti pro danou normu, rozdˇelení klientu˚ na stahovaˇce a brouzdaˇre v pomˇeru 1:1. •
Simulace cˇ isté 802.11g bez G-protection
•
Simulace cˇ isté 802.11b
•
Simulace 802.11b/g s využitím CTS to self.
Pˇri druhé verzi simulací jsem nastavil vždy jednoho velmi aktivního klienta do signálovˇe nevýhodné situace – používal nejnižší párovací rychlost svého standardu (6 Mbit u 802.11g 36
5.3. VÝSLEDKY a 1 Mbit u 802.11b). Po protokolové stránce zustává ˚ shodné nastavení s pˇredchozím pˇrípadem. Pro simulace rušení a vzájemného pˇrekryvu bunˇek není v OM vhodný balíˇcek, a proto jsem simulace tohoto chování neprovádˇel.
5.3
Výsledky
Pro porovnání výsledku˚ simulací jsem využil výpoˇctu pˇrenosových rychlostí a režie pˇrenosu z knihy. [1] V následujících grafem a tabulce jsou porovnány maximální rychlosti s výsledky simulace. Výsledky simulace potvrdily výkonnostní propad pˇri využití smíšeného užití 802.11b a 802.11g.
bez G-protection CTS-to-self 802.11b
bez pomalé stanice 19,2 9,4 4,7
s pomalou stanicí 16,9 7,7 3,2
max. teoretická rychlost 27,3 13,0 5,7
Tabulka 5.1: Prumˇ ˚ erné rychlosti simulace v porovnání s maximální rychlostí pˇri dané situaci (v Mbit)
Obrázek 5.3: Graf pˇrenosu 802.11g bez G-protection
37
5.3. VÝSLEDKY
Obrázek 5.4: Graf pˇrenosu 802.11g pˇri využití CTS to self
Obrázek 5.5: Graf pˇrenosu 802.11b
38
Kapitola 6
Mˇerˇení V pˇredchozí kapitole jsem nˇekteré z nastínˇených rˇ ešení (kapitola 5) nasimuloval v prostˇredí OPNET, simulací však nelze ovˇerˇ it plnˇení norem ze strany výrobcu˚ a chování pˇrístupových bodu˚ v reálném prostˇredí. Proto jsem se rozhodl nˇekteré návrhy ovˇerˇ it experimentem. Testu jsem podrobil pˇrístupový bod Cisco AP1200 series (dále jen Cisco), který je hojnˇe nasazován v síti Masarykovy Univerzity. Pro porovnání jsem provedl mˇerˇ ení zaˇrízení Bullet2 osazené dnes velmi rozšíˇreným chipsetem AR5007 a využil nˇekterých mˇerˇ ení z práce [21].
6.1
Testovaná zaˇrízení
Jako hlavní testovací zaˇrízení jsem využil bod Cisco AP1200 series, pˇresnˇe AIR-AP1231G-EK9. Jde o pˇrístupový bod s jednou radiovou cˇ ástí pro pásmo 2,4 GHz a možností výmˇeny modulu pro využití pásma 5 GHz. K pˇripojení do sítˇe je vybaven ethernetovým portem. Pro nastavení lze využívat konzole operaˇcního systému IOS nebo webového rozhraní. Pro mˇerˇ ení bylo výhodné, že daný bod je vyveden v kovovém provedení, které zabranuje ˇ pˇreslechum ˚ mimo anténní systém. Bod je vybaven 2 anténami pro využití diverzity, pˇri mém mˇerˇ ení jsem využil pouze hlavní výstup, druhý byl zatlumen 80dB útlumovým cˇ lenem. Na obrázku je zachyceno zaˇrízení a detail provedení bezdrátové cˇ ásti. Na mˇerˇ ení 802.11n jsem využil produkt firmy TP-Link TL-WR741ND, plnící normu 802.11n v režimu MIMO 1x1.
6.2
Testovací prostˇredí
Pro opakovatelný experiment je duležité ˚ prostˇredí s minimalizovaným vlivem náhodných jevu, ˚ v pˇrípadˇe bezdrátových sítí je tímto jevem rušení od stanic bezdrátových sítí. Proto jsem využil nabídky pana Ing. Tomáše Dulíka a vlastnosti bezdrátových zaˇrízení standardu 802.11 ovˇerˇ il na jeho testovací soustavˇe v laboratoˇrích FAI UTB. Základem mˇerˇ ící soustavy je kalibrovaný signálový analyzér, v ideálním pˇrípadˇe osazený balíˇcky pro 802.11. UTB disponuje pˇrístrojem Rohde & Schwarz FSV7 s balíˇcky pro analýzu 802.11a/b/g, bohužel v dobˇe mˇerˇ ení nebyl k dispozici balíˇcek pro 802.11n. Pˇrístroj je pˇripojen soustavou vlnovodu˚ a koaxiálních kabelu˚ ke zdroji signálu, v mém pˇrípadˇe k testovaným pˇrístupovým bodum, ˚ generátoru rušení a klientským stanicím. Pro mˇerˇ ení vysílací cˇ ásti zaˇrízení je nejvhodnˇejší mít dané zaˇrízení pˇripojeno pˇrímo k analyzéru a v celé soustavˇe mít zapojen pouze tento jeden zdroj signálu. Pˇri nˇekterých 39
ˇ 6.2. TESTOVACÍ PROST REDÍ
Obrázek 6.1: Jednotka Cisco AP 1200 series
mˇerˇ eních byly pˇripojeny do soustavy další stanice a to z duvodu ˚ pˇrenosu dat pˇres jednu pˇripojenou stanici. V takovém pˇrípadˇe bylo využito odboˇcnice s útlumem 6 dB. Jako odboˇcnici jsem využil Broadband Resistive Power Divider od firmy Aeroflex Weinschel, která vkládá do cesty útlum 6 dB. Díky nízkému PSV a teplotní stabilitˇe nezkresluje výsledky mˇerˇ ení oproti pˇrímˇe metodˇe. S vloženým útlumem je tˇreba poˇcítat pˇri mˇerˇ ení signálové úrovnˇe. Pro mˇerˇ ení algoritmu CCA a zjištˇení odolnosti vuˇ ˚ ci rušení byl do soustavy pˇridán generátor. V první fázi mˇerˇ ení nebyl dostupný pˇrímo kalibrovaný generátor, a tak jsem využil bˇežného bezdrátového adaptéru Bullet2 od firmy Ubiquity. Pro dosažení požadované kvality signálu pro mˇerˇ ení dle [4] jsem využil programu broadcaster [21]. V prosinci 2011 získalo UTB vector signal generator R&S SMBV100A, který má mnohem vˇetší možnosti nastavení výstupu než Bullet2; provedl jsem tedy kontrolní mˇerˇ ení pro porovnání obou mˇerˇ ících 40
ˇ 6.2. TESTOVACÍ PROST REDÍ
Obrázek 6.2: Detail rádiové cˇ ásti – vše odstínˇeno kovem
metod. O využití generátoru a rozdílech ve výsledcích se zminuji ˇ v závˇeru této kapitoly. V modelové síti byly dále zapojeny pevné a nastavitelné útlumové cˇ lánky. Útlum koaxiálních kabelu˚ je nízký (kolem 0,3 dB na metr) a proto by docházelo k pˇrebuzení pˇrijímací cˇ ásti testovaných zaˇrízení. Pevné útlumové cˇ lánky mají útlum 10 a 20 dB, pro testování pˇrijímací cˇ ásti byly použity elektronicky stavitelné cˇ lánky s maximálním útlumem 55 a 103 dB. ˇ Clánky jsou pˇripojeny k PC pomocí USB, skripty pro obsluhu jsem využil z práce [21] a mírnˇe upravil pro snadnˇejší obsluhu. Na schématu 6.3 je znázornˇeno zapojení rádiové sítˇe pro mˇerˇ ení, fotografie 6.4 dokumentuje reálný stav laboratoˇre. V horní cˇ ásti racku je umístˇen analyzér, uprostˇred mˇerˇ ící sít’ s osazenými zaˇrízeními Bullet2 a dole testovací stroje generující provoz.
Obrázek 6.3: Schéma rádiové sítˇe
41
ˇ 6.3. M Eˇ RENÍ EVM
Obrázek 6.4: Mˇerˇ ící rack
6.3
Mˇerˇení EVM
Error vector magnitude neboli amplituda chybového vektoru (dále jen EVM) je mˇerˇ ení, které urˇcuje, jak pˇresný je digitální rádiový vysílaˇc, a jak se liší namˇerˇ ený signál od ideálního. Výstupní signál u ideálního vysílaˇce má všechny konstelaˇcní body v ideálních polohách, u reálného zaˇrízení jsou pozice aktuálního signálu posunuty od ideální polohy. Každý vysílaˇc má své vysílání zatížené chybou, do urˇcité míry je možno tuto chybu tolerovat a pˇrijímaˇc zvládne i chybou zatížený signál dekódovat. Hodnota EVM se liší pro jednotlivé modulace, napˇr. pro 802.11g a párovací rychlost 54 Mbit je akceptovaná hodnota EVM menší nebo rovna 5,62 %. Matematicky je EVM definováno jako stˇrední kvadratická hodnota chybových hodnot jednotlivých stavu˚ v cˇ ase vzorkování. Lze vypoˇcítat dle vztahu 6.5 kde Perror je efektivní hodnota výkonu chybového vektoru a Preference je ideální amplituda signálu. [22][23] EVM je kvalitativním parametrem zaˇrízení a ovlivnuje ˇ kvalitu pˇrenosu. Pˇri vyšším EVM než stanovuje norma již jsou body konstelaˇcního diagramu tˇežko rozlišitelné a dochází 42
ˇ 6.3. M Eˇ RENÍ EVM
Obrázek 6.5: Výpoˇcet EVM ˇ k cˇ astým výpadkum ˚ a retransmisím. Castým jevem u zaˇrízení 802.11 je neudržení parametru EVM pˇri maximálním a velmi nízkém vysílacím výkonu. Je to dáno kvalitou použitých souˇcástek pˇri výrobˇe rádiové cˇ ásti zaˇrízení. Za výslednou kvalitu signálu je zodpovˇedný RF koncový stupen. ˇ Pˇri vysokém výkonu dochází k velkému zkreslení vlivem pˇrebuzení koncových zesilovaˇcu˚ (stejný jev nastává napˇr. u zesilovaˇcu˚ zvuku, kdy pˇri pˇrebuzení dochází ke zkreslení zvuku). Každý zesilovaˇc pˇridává zkreslení do prostupujícího signálu – toto zkreslení je nejmenší v pracovním bodˇe, na který je konstruován. Bˇežná karta pro pásmo 2,4 GHz je nejˇcastˇeji provozována s výkonem kolem 25 – 50 mW, proto pˇri nízkých výkonech (v rˇ ádu jednotek mW) je již koncový stupenˇ buzen jen velmi málo a pouze zkresluje procházející signál.[1] Pro nasazení pˇrístupových bodu˚ uvnitˇr budov je typické osazení všesmˇerovými anténami se ziskem 2–5 dBi, proto jsem otestoval dodaný pˇrístupový bod Cisco AP1200 pˇri výkonu 25 mW (14 dBm) a 50 mW (17 dBm). Tento výkon je maximálním výkonem doporuˇceným výrobcem pro bˇežné nasazení.[30] 6.3.1
Režim pˇri mˇerˇení
Pro rychlé a pˇresné mˇerˇ ení je potˇreba, aby testované zaˇrízení vysílalo dostateˇcné množství rámcu˚ k analýze. Zprovoznˇený pˇrístupový bod bez pˇripojených klientu˚ vysílá pouze majáky na rychlosti 1 nebo 6 Mbit (podle zvolené normy). Pro úˇcely mˇerˇ ení je ideální režim ad hoc, kdy není tˇreba pˇripojené stanice k odvysílání všesmˇerovˇe odeslaných dat. Tento režim však u testovaných zaˇrízení nebyl k dispozici. Aby bylo možné mˇerˇ ení uskuteˇcnit, musel jsem u daných zaˇrízení navodit takový stav, pˇri kterém zaˇrízení vysílají. Dále bylo potˇreba zabránit zanesení jiných rámcu˚ do systému – napˇr. od pˇripojených stanic. Protože jsem jako zdroj dat využil všesmˇerové vysílání (dále jen broadcast) viz níže, musel jsem najít režim zaˇrízení, kdy dojde k rˇ ádnému a cˇ astému vysílání. U zaˇrízení Bullet2 lze využít bˇežného režimu Access Point, kdy i bez pˇripojených stanic jsou všesmˇerovˇe vyslaná data vysílána na párovací rychlosti oznaˇcené ve webovém rozhraní jako „Multicast Rate“. Komplikovanˇejší situace nastala u zaˇrízení Cisco, které bez pˇripojení alesponˇ jedné stanice nevysílá jiné rámce než majáky. Do soustavy jsem tedy musel vˇradit odboˇcnici a pˇripojit zaˇrízení Bullet2 jako klienta. Webové rozhraní Bullet2 jsem pˇresunul do jiné podsítˇe, než ve 43
ˇ 6.3. M Eˇ RENÍ EVM které probíhalo vysílání, a to proto, abych minimalizoval vysílání od klienta a nemožnost odpovˇedi na broadcast. Pˇri prvotním testování jsem pro vysílání používal program ping v záplavovém režimu, ukázalo se však, že i pˇri nastavení dlouhých packetu˚ je množství vysílaných rámcu˚ nízké. Jako náhradu jsem využil programu broadcaster z práce. [21] 6.3.2
Broadcaster
Program broadcaster je aplikace napsaná v jazyce C, která má za úkol dodávat data pro testovací vysílání. Posílá packety volitelné délky nastavenou rychlostí na cílovou adresu. Pˇri mˇerˇ ení parametru˚ CCA (viz níže) je rušení specifikováno na rámce délky 1024 bajtu˚ uživatelských dat pˇri plném zatížení. Broadcaster vysílá rámce kontinuálnˇe s pevnˇe stanovenou mezerou. Snahou pˇri nasazení broadcasteru bylo simulovat generátor; byla-li tato snaha úspˇešná je v závˇeru této kapitoly. 6.3.3
Výsledky mˇerˇení EVM
Provedl jsem mˇerˇ ení parametru EVM na pˇrístupovém bodu Cisco pro výkonové úrovnˇe 14 a 17 dBm. Pˇri certifikaci zaˇrízení ve zkušebnˇe se provádí mˇerˇ ení všech párovacích rychlostí na EVM. V této práci však využívám EVM pouze pro ovˇerˇ ení, zda u testovaných zaˇrízení není odolnost vuˇ ˚ ci rušení a pˇrenosová rychlost ovlivnˇena nekvalitními parametry rádiové cˇ ásti, proto jsem se rozhodl zmˇerˇ it rádiové karty pouze pˇri rychlosti 6 Mbit a 54 Mbit. V tabulce 6.1 jsou hodnoty EVM zaˇrízení Cisco a porovnání s rádiovou kartou R52. Na obrázku 6.6 je ukázka výpisu z analyzéru, v horní cˇ ásti je vidˇet nastavení pˇri mˇerˇ ení – jsou zachytávány rámce rychlosti 54 Mbit modulované 64QAM. Pˇri mˇerˇ ení byl vstup zatlumen o 30 dB, aby nedocházelo k pˇretížení vstupu pˇrístroje. Kontrolnˇe jsem provedl mˇerˇ ení na kanálech 1, 6 a 11, výsledky se lišily pouze zanedbatelnˇe. Kompletní výsledky mˇerˇ ení jsou v pˇríloze. výkon TX (dBm) 5 14 16 17 18 20
R52 1,97 % 2,75 % 4,23 % 4,84 % 6,50 % 7,13 %
Cisco 1,48 % 1,97 % 3,17 % 3,40 % -
Tabulka 6.1: Výsledky mˇerˇ ení EVM pro rychlost 54 Mbit pro ruzné ˚ výkony Bezdrátový pˇrístupový bod splnil parametry EVM s velkou rezervou, zmˇerˇ ené hodnoty leží v rozsahu 3,15 až 3,64 %; v porovnání s kartou R52 je vidˇet, že konstelaˇcní diagram je i pˇri plném výkonu dobˇre cˇ itelný. Prvek Cisco obsahuje kvalitní rádiovou cˇ ást a je vhodný pro nasazení i pˇri vysokých modulacích a využití plné rychlosti. 44
ˇ 6.4. M Eˇ RENÍ CCA
Obrázek 6.6: Záznam mˇerˇ ení EVM Cisco
6.4
Mˇerˇení CCA
Pro pˇrenos dat je potˇreba, aby rámce byly odvysílány do prostˇredí. O kontrolu, zda médium je pˇripravené (volné), se stará (jak již bylo zmínˇeno v kapitole 5) cˇ ást fyzické vrstvy CCA. V práci [21] pˇri vytváˇrení rušení vznikl problém, že nˇekteré karty nejsou schopny se dostat k vysílání. Pˇri zkoumání tohoto chování jsem došel k názoru, že pˇri nasazení zaˇrízení normy 802.11 v radiovˇe hustém prostˇredí není rychlost ovlivnˇena pouze zarušením pˇrijímací stanice, ale množství rušení ovlivnuje ˇ i rychlost vysílání. Fyzická detekce nosné frekvence jako souˇcást fyzické vrstvy má nastaveny parametry, pˇri kterých již je médium indikováno jako obsazené. Pro standard 802.11g je tato hodnota -76 dBm. Pˇri detekci cˇ itelné informace o délce obsazení média na zaˇcátku vysílacího cˇ asu je tato informace využita pro odložení vysílání. Takto mohou zaˇrízení provozovaná na stejném 45
ˇ 6.4. M Eˇ RENÍ CCA kanále koordinovanˇe soupeˇrit o pˇrenosové médium. K ovlivnˇení detekce muže ˚ docházet i kvuli ˚ pˇrekryvu z vedlejšího kanálu, jak znázornuje ˇ obrázek 6.7. Pˇresto, že pˇrekryv je pouze cˇ ásteˇcný a pˇri modulaci OFDM je snaha potlaˇcit postranní produkty modulace, CCA detekuje i tento stav jako obsazené médium. Do jaké míry je tento stav nežádoucí jsem ovˇerˇ il mˇerˇ ením.
Obrázek 6.7: Signál ze dvou zaˇrízení 802.11a ve vedlejším kanále
6.4.1
Testovací podmínky
Jako rušící zaˇrízení z vedlejšího kanálu jsem využil zaˇrízení Bullet2, které vysílá všesmˇerové rámce bez ohledu na stav média. Schéma zapojení je na obrázku 6.3, rušení mezi pˇrijímací stanicí a rušiˇckou je znemožnˇeno vysokým útlumem této trasy – dvojnásobek útlumu smˇerem k pˇrístupovému bodu. Datový tok zajišt’oval program iperf v UDP režimu, kdy k mˇerˇ enému zaˇrízení byl pˇres ethernet pˇripojen iperf server a na pˇripojeném zaˇrízení (bullet2) spuštˇen iperf klient. UDP protokol jsem zvolil proto, aby tok smˇerem k pˇrijímající stanici byl konstantní a vysílání nebylo pˇrerušováno pˇrenosem dalšími ACK (napˇr. od TCP) smˇerem od stanice k testovanému zaˇrízení. Pˇred testem jsem pro každé testované zaˇrízení urˇcil maximální pˇrenosovou rychlost, pˇri které byly pˇreneseny všechny programem iperf odeslané packety, a od této rychlosti jsem pak odeˇcítal ztrátu pˇrenosové kapacity. Pro test jsem vybral 2 zaˇrízení, a to Cisco a bezdrátovou kartu AW-GE780 provozovanou pod systémem Mikrotik. Mˇerˇ ení jsem neprovedl na zaˇrízení standardu 802.11n, duvodem ˚ je nevhodné provedení bezdrátových bodu˚ – jsou dodávány pouze v plastové krabiˇcce a tak by bylo mˇerˇ ení negativnˇe zatíženo chybou vzniklou pˇreslechy mimo mˇerˇ ící sít’. 46
ˇ 6.4. M Eˇ RENÍ CCA 6.4.2
Automatická volba kanálu
Pˇri testu detekce obsazenosti média jsem provedl ještˇe test funkcí pro volbu nejvhodnˇejšího kanálu (Carrier Busy Test v zaˇrízení Cisco a Smart Select v zaˇrízení Compex WP54AG). Jakékoli podrobnosti od algoritmu pro volbu nejsou veˇrejnˇe dostupné, proto jsem se zamˇerˇ il na výstup této funkce. V tabulce 6.2 je výstup pˇri maximálním vytížení prostˇredí pˇrenosem na kanále 5 (2432 MHz) u zaˇrízení Cisco. Na základˇe tohoto výsledku lze rˇ íci, že zaˇrízení detekuje obsazení ve více než 50 % pásma – zabrané kanály 1–9. Jeho logickou volbou pak bylo vysílání na kanále 13, který pˇrístupovému bodu zajistil nejmenší pˇrekryv. I pˇri dalších experimentech vybíral algoritmus nejvhodnˇejší kanál (nejménˇe rušený), výsledky byly témˇerˇ totožné u obou zaˇrízení, a proto ho lze v náhodnˇe obsazeném a nekoordinovaném prostˇredí doporuˇcit k použití. frekvence (MHz) Carrier Busy % frekvence Carrier Busy %
2412 19 2447 92
2417 96 2452 86
2422 95 2457 3
2427 94 2462 1
2432 94 2467 0
2437 89 2472 0
2442 99
Tabulka 6.2: Carrier Busy Test v zaˇrízení Cisco pˇri plnˇe obsazeném 5. kanále
6.4.3
Výsledky mˇerˇení CCA
V této kapitole bych rád shrnul výsledky mˇerˇ ení CCA - mˇerˇ ení jsem provedl pˇri maximální rychlosti (54 Mbit) na stranˇe mˇerˇ eného zaˇrízení, rušení bylo rychlostí 6 Mbit (nejvˇetší doba zabraná vysíláním rámce v modulaci OFDM) a 11 Mbit pro simulaci rušení starším zaˇrízením s modulací DSSS. Pro kontrolu lepší koexistence dvou zaˇrízení s DSSS [21] jsem promˇerˇ il ovlivnˇení pˇri rychlosti 11 Mbit. Potvrdil se problém nastínˇený v práci [21], kdy zaˇrízení AW-GE780 pˇri síle signálu -58 dBm ve vedlejším kanále skokovˇe pˇrestává vysílat a rychlost pˇrenosu padá z 29 Mbit na 9 Mbit (ztráta 69 % odeslaných packetu) ˚ a s pˇribývající intenzitou dochází až k pˇrenosu pouhých 2,5 Mbit pˇri -48 (91 % ztrátovost). Chování se nezmˇenilo ani pˇri rušení pomocí DSSS a proto jsem v testu nepokraˇcoval. Bezdrátový bod Cisco prokázal jiné chování a to pozvolnou ztrátu pˇrenosové kapacity pˇri stoupají úrovni signálu ve vedlejším kanále. Jeho poˇcáteˇcní pˇrenosová rychlost byla mírnˇe nižší (26,5 Mbit), výrazná ztrátovost se pˇri rušení pomocí OFDM objevila až pˇri úrovni -52 dBm (7 % odeslaných dat). V tabulce 6.3 jsou kompletní výsledky mˇerˇ ení pro bod Cisco, v grafu 6.8 je znázornˇen prubˇ ˚ eh úbytku pˇrenosové rychlosti. Výsledky pro porovnání s kartou AW-GE780 jsou v pˇríloze. V prosinci, po dodání generátoru signálu˚ na UTB, jsem provedl další mˇerˇ ení, kdy rušení nebylo generováno bˇežnou jednotkou, ale tímto generátorem. Pˇri tˇechto mˇerˇ eních se ukázalo, že výsledky pˇri mˇerˇ ení CCA se shodují. Proto lze metodiku za práce [21] považovat za 47
ˇ ˇ ˇ 6.5. M Eˇ RENI P RIJÍMACÍ CÁSTI signál -60 -59 -58 -57 -56 -55 -54 -53 -52 -51 -50 -49 -46 -43 -41
54 vs 11 Mbit 0,0 % 0,8 % 2,0 % 5,0 % 11,0 % 18,0 % 25,0 % 30,0 % 35,0 % 45,0 % 50,0 % 55,0 % 63,0 % 78,0 % 94,0 %
54 vs 6 Mbit 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,5 % 1,0 % 1,5 % 2,0 % 4,0 % 7,0 % 12,0 % 30,0 % 55,0 % 90,0 % -
11 vs 11 Mbit 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 7,0 % 22,0 % 56,0 % 61,0 % 63,0 %
Tabulka 6.3: Pokles rychlostí pˇri mˇerˇ ení CCA
vyhovující. Ze zmˇerˇ ených hodnot je vidˇet, že vzájemná interoperabilita je nejvyšší pˇri využití DSSS u obou zaˇrízení. Je to dáno menším zaplnˇením pˇrenosového kanálu u jeho okraju. ˚ Nejhorších výsledku˚ je dosaženo v kombinaci OFDM a DSSS, kdy periodicky se opakující pomodulaˇcní zbytky DSSS nutí CCA algoritmus u OFDM vysílaˇce odkládat vysílání.
6.5
Mˇerˇeni pˇrijímací cˇ ásti
Pˇrijímací cˇ ást zaˇrízení rozhoduje o tom, zda bude informace pˇrenášená médiem rozeznána od ostatního šumu na trase. Úkolem této práce není mˇerˇ it hodnoty odolnosti pro bˇežný šum, ale odolnost vuˇ ˚ ci rušení od ostatních zaˇrízení stejného standardu. Protože kanálu˚ je v pásmu 2,4 GHz nedostatek a vzájemnˇe se pˇrekrývají[1], bylo mou snahou zjistit, jak tento pˇrekryv ovlivnuje ˇ také pˇrijímací cˇ ást zaˇrízení. V normˇe 802.11 [29] jsou stanoveny minimální hodnoty odolnosti na rušení z vedlejšího kanálu. Jak již bylo zmínˇeno v kapitole 3.2, jsou stanoveny pro velký odstup kanálu. ˚ Proto jsem zmˇerˇ il podle metodiky [21] parametry zaˇrízení Cisco pro odstup stˇredových frekvencí 20 MHz. Metodika udává, že pˇrenos pˇri rušení z vedlejšího kanálu je akceptovatelný do ztrátovosti 8 %. V laboratoˇri jsem mˇel možnost nastavit úrovnˇe signálu po minimálním kroku 1 dB. Pokud byla ztrátovost vyšší než 8 %, pˇredchozí mˇerˇ ení s vyšším zatlumením jsem bral jako koneˇcné pro porovnání s normou. 48
ˇ ˇ 6.6. M Eˇ RENÍ P RENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ
Obrázek 6.8: Graf poklesu pˇrenosové rychlosti v závislosti na síle signálu z vedlejšího kanálu 6.5.1
Výsledky mˇerˇení pˇrijímací cˇ ásti
V grafu 6.9 jsou výsledky pro všechny rychlosti. V porovnání s pˇredepsanými hodnotami zaˇrízení Cisco plní normu ve všech hodnotách. Kompletní výsledky jsou v pˇríloze.
6.6
Mˇerˇení pˇrenosových rychlostí
Pro ovˇerˇ ení zmˇerˇ ených parametru˚ pˇrijímaˇce a vysílaˇce a ovˇerˇ ení schématu kanálového rozložení jsem provedl testy pˇrenosových rychlostí. Rychlost pˇrenosu jsem si stanovil jako hlavní parametr pˇri nasazení ve vysokém zatížení, pˇri zapoˇcítání vlivu ostatní optimalizací lze pak pˇri návrhu stanovit maximální poˇcet úˇcastníku˚ pro každý pˇrístupový bod. 6.6.1
Mˇerˇené hodnoty a scénáˇre
Výbˇer mˇerˇ ených situací jsem pˇrizpusobil ˚ praktickému nasazení, jako vzor jsem použil bezdrátovou sít’ na kolejích Klácelova v Brnˇe. Pro pokrytí budovy je využito bodu˚ Cisco, umístˇenými nad sebou v jednotlivých patrech. Pokrytí je realizováno v prostˇredí, kde jednotliví uživatelé jsou oddˇeleni od vysílaˇce nejménˇe jednou stˇenou. Aby bylo dosaženo požadovaného pokrytí, jsou pˇrístupové body vybaveny externími anténami. V takovémto prostˇredí dochází k plnému využití všech kanálu. ˚ Proto jsem se rozhodl zmˇerˇ it pˇrenosové rychlosti, kterých lze na jeden pˇrístupový bod dosáhnout, pokud jsou okolní kanály využity. Pˇrístupové body jsou rˇ ízeny centrálním prvkem WLAN Controller, 49
ˇ ˇ 6.6. M Eˇ RENÍ P RENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ
Obrázek 6.9: Výsledky mˇerˇ ení ACR který obstarává rozložení kanálu˚ a shromažd’uje statistiky o pˇrenosu. Podle informací od správcu˚ využívají kanálování v doporuˇcených vzdálenostech pro americký trh – kanály 1, 6 a 11. Promˇerˇ il jsem následující hodnoty v testovací soustavˇe: •
Pˇrenosová kapacita pˇri provozu bez rušení pro 802.11g a 802.11n
•
Pˇrenosová kapacita pˇri využití kanálu o stˇredové frekvenci + 5 MHz od rušení
•
Pˇrenosová kapacita pˇri využití kanálu o stˇredové frekvenci + 20 MHz od rušení
•
Pˇrenosová kapacita pˇri využití kanálu o stˇredové frekvenci + 25 MHz od rušení
•
Pˇrenosová kapacita pˇri využití kanálu o stˇredové frekvenci + 40 MHz od rušení
6.6.2
Podmínky testu
Pro testy jsem opˇet využil testovací laboratoˇre jako v pˇredchozích pˇrípadech, nˇekterá mˇerˇ ení jsem provedl v uzavˇrených sklepních prostorách bez pˇrítomnosti jiných signálu˚ v mˇerˇ eném pásmu. Tato skuteˇcnost je vždy uvedena u dané tabulky. Pˇrenosovou rychlost jsem pro maximální vytížení mˇerˇ il protokolem UDP programem iperf. Nastavení v pˇrístupovém bodˇe 50
ˇ ˇ 6.6. M Eˇ RENÍ P RENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ zohlednovalo ˇ výše uvedené optimalizace – využití pouze standardu 802.11g, pro ovˇerˇ ení jsem provedl i test pˇri základním nastavení. Signálové úrovnˇe pˇri mˇerˇ ení zohlednovaly ˇ hodnoty zmˇerˇ ené pˇri mˇerˇ ení adjacent channel rejection, aby nedošlo ke zkreslení. 6.6.3
Výsledky mˇerˇení rychlostí
Základním údajem pro vyhodnocení tˇechto mˇerˇ ení byla pˇrenosová rychlost pˇri volném kanálu bez rušení z kteréhokoli smˇeru. V tabulce 6.4 jsou hodnoty namˇerˇ ené v uzavˇrené soustavˇe. Cisco TP-Link
802.11b/g 20,8 27,23
802.11g 26,5 27,43
802.11n bez agregace 29,8
802.11n s agregací 47,06
Tabulka 6.4: Pˇrenosová rychlost bez rušení, TP-Link promˇerˇ en mimo testovací sít’ Z výsledku˚ je vidˇet, že bod Cisco pouze pˇri povolení podpory 802.11b ztrácí na pˇrenosové rychlosti. Snažil jsem se toto chování objasnit, ale ani pˇri zachytávání rámcu˚ s provozem jsem nic netypického nenamˇerˇ il, pouze byl delší ochranný interval po každém rámci. Bez agregace je rychlost standardu 802.11n jen mírnˇe vyšší než 802.11g, nárust ˚ odpovídá navýšení párovací rychlosti z 54 na 65 Mbit. [28] Pˇri využití agregace je rychlost vyšší o 77,5 %. Rušení se stˇredovou frekvencí posunutou o pouhých 5 MHz se projevilo na pˇrenosu rapidním snížením pˇrenosové rychlosti a to až na úroven, ˇ která není použitelná. Ztráta pˇrenosové rychlosti je 90 % (2,9 Mbit) a na spoji se objevila 12 % ztrátovost již pˇri úrovni -80 dBm. rychlost (Mbit) 54 vs 54
-68/-66 dBm 26,35
-68/-60 dBm 6,6
-68/-50 dBm 0
Tabulka 6.5: Rychlosti v Mbit pˇri vzdálenosti stˇredových frekvencí kanálu˚ 20 MHz Rozložení kanálu˚ se vzdáleností stˇredových frekvencí 20 MHz by umožnilo rozšíˇrit poˇcet využitelných kanálu˚ na 4 v Evropˇe. Výsledky tohoto mˇerˇ ení jsou velmi podobné rychlostem dosaženým pˇri mˇerˇ ení ACR, vˇetší snížení pˇrenosové rychlosti je dáno zarušením vysílaˇce. rychlost (Mbit) 54 vs 54
-68/-66 dBm 26,5
-68/-60 dBm 12,4
-68/-50 dBm 4,12
Tabulka 6.6: Rychlosti v Mbit pˇri vzdálenosti stˇredových frekvencí kanálu˚ 25 MHz ˇ Casto doporuˇcované a využívané schéma kanálu˚ 1, 6, 11 [30] má nižší pˇrekryv, vzdálenost stˇredových frekvencí je 25 MHz. Na pˇrenosové rychlosti se tˇechto 5 MHz odstupu 51
ˇ ˇ 6.6. M Eˇ RENÍ P RENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ projevilo velmi pozitivnˇe, k rušení dochází až pˇri vysokých signálových úrovních ve vedlejším kanále. rychlost (Mbit) 54 vs 54
-68/-66 dBm 26,5
-68/-55 dBm 26,4
-68/-50 dBm 26,5
-68/-20 dBm 19,43
Tabulka 6.7: Rychlosti v Mbit pˇri vzdálenosti stˇredových frekvencí kanálu˚ 40 MHz Pro poslední test jsem zvolil odstup 40 MHz, pˇri kterém by nemˇelo docházet ke znatelnému ovlivnování. ˇ Ke snížení pˇrenosové rychlosti došlo až pˇri signálové úrovni -20 dB. Takovémuto pˇreslechu lze zabránit vhodným rozmístˇením jednotek.
52
Kapitola 7
Závˇer Cílem mé práce bylo navrhnout rˇ ešení problému˚ v zatížených bezdrátových sítích a ovˇerˇ it jejich použitelnost v praxi. Ve své diplomové práci jsem shrnul pˇredpoklady vzniku 802.11, jeho vlastnosti a historii. Zahrnul jsem i nejnovˇejší pˇrírustek ˚ v podobˇe standardu 802.11n. Na základˇe tˇechto informací a empirických znalostí z praxe jsem navrhl k ovˇerˇ ení optimalizace pˇri pˇrenosech dat. Pro jejich ovˇerˇ ení jsem provedl simulace v programu OPNET. Výsledky simulací potvrzují výkonnostní propad pˇri zachování zpˇetné kompatibility se starším standardem 802.11b. V návaznosti na práci Methods for interference mitigation in wireless network [21] Ing. Dulíka jsem provedl mˇerˇ ení vysílací a pˇrijímací cˇ ásti zaˇrízení Cisco AP 1200 series. Ovˇerˇ il jsem teorii o útoku na algoritmus CCA a odolnost zaˇrízení na vysílání ve vedlejším kanále. Na základˇe mˇerˇ ení lze v pásmu 2,4 GHz provozovat pˇri plné rychlosti pˇrístupové body ˇ pouze na kanálech 1 a 11, pˇrípadnˇe pˇri využití všech v Ceské republice povolených kanálu˚ je optimální schéma využití kanálu˚ 1, 7 a 13. Využití jiného kanálu rapidnˇe snižuje prostupnost celého systému. Pˇri nedostatku volných kanálu˚ je možné využít stejných kanálu˚ u zaˇrízení s pˇrekryvem, kdy dojde ke spravedlivému soupeˇrení o pásmo prodlužováním NAV vektoru. V exponovaných lokalitách je možné využít pásma 5 GHz, ve kterém je vhodné dodržet stejný kanálový rozestup – vzdálenost 30 MHz stˇredových frekvencí. Další možný smˇer práce vidím v provˇerˇ ení technologií upravujících spojovou vrstvu MAC standardu 802.11, konkrétnˇe nasazení cˇ asového multiplexu.
53
Literatura [1] Gast, M.: 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition, O’Reilly Media, May 2, 2005, 978-0596100520. [2] IEEE: IEEE standard 802.11nTM-2009, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2009, 978-0-7381-6046-7. [3] Sviták, J.: Modelování, simulace a analýza propustnosti protokolu˚ rodiny 802.11, Univerzita Tomáše Bati, 2007,
. [4] Weiss, M.: WLAN Tests According to Standard 802.11a/b/g. Application note 1MA69, Rohde & Schwarz, 2004. [5] Kováˇr, P. a Novotný, V.: Pˇrístupové metody bezdrátových sítí, Vysoké uˇcení technické v Brnˇe, FEKT , 2008, . [6] SIP Solutions, .: Database - Linux Driver, SIP Solutions, 2007, . ˇ [7] Turek, L.: Rízení toku v pˇrístupových bodech bezdrátové sítˇe IEEE 802.11, Univerzita Karlova, Praha, 2009, . [8] Kumaresan, D.: Direct Sequence Spread Spectrum, ELE 436 Communication Systems Lab, 2004, . [9] Vaughan-Nichols, S.: Faster than a speeding 802.11b, CBS Interactive, 2002, . ˇ ˇ [10] CTÚ: VO-R/12/09.2010-12, Ceský telekomunikaˇcní úˇrad, Praha, 2010, . ˇ ˇ [11] CTÚ: VO-R/10/09.2010-11, Ceský telekomunikaˇcní úˇrad, Praha, 2010, . [12] Torrieri, D.: Principles of Spread-Spectrum communication systems, Springer Science & Business Media, Inc, 2005, 0-387-22783-0. [13] IEEE: IEEE: 802.11a - Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification: High Speed Physical Layer in the 5 GHz Band , Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2003, . [14] Gerdes, S.: What is WLAN ?, Pulse, Inc., 2000, . 54
[15] Hart, R.: ACK Timeouts and the effects on distance links, Air-Stream Wireless Inc., Walkerville, 2010, . [16] Rustanovic, N.: Wireless Client and Wireless Access Point Manual, MikroTik, Latvia, 2006, . [17] KimAdeliRobles, T.: Ubiquitous Computing and Multimedia Applications: Second International Conference, Springer, 2011, Korea, 978-3-642-20997-0. [18] AusCERT: Denial of Service Vulnerability in IEEE 802.11 Wireless Devices , AusCERT, The University of Queensland, 2004, . [19] Parimucha, J.: Analýza: Velikost webových stránek rychle roste , two bits s.r.o., Brno, 2011, . [20] YeSheu, F.: The Impact of RTS Threshold on IEEE 802.11 MAC Protocol , TamKang University, Taiwan, 2003, . [21] Dulík, T.: Methods for interference mitigation inwireless networks, Doctoral thesis , FAI UTB, 2011, . [22] Bobek, P.: Systém pro zpracování dat z mˇerˇ ících pˇrístroju˚ , FAI UTB, 2010, . [23] Rouphael, T.: RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio, Newnes, Oxford, 2009, 978-0-7506-8210-7. [24] Ford, M.: Rate Algorithm , Ubiquiti Networks, Inc., 2009, . [25] KimWright, W.: Improving the Performance of Multi-hop Wireless Networks using Frame Aggregation and Broadcast for TCP ACKs, The University of Texas at Austin, 2009, . [26] ZYTRAX: 802.11 MAC (Media Access Control), ZyTrax, Inc., 2012, . [27] Aruba: 802.11n Networks Validated Reference Design, Aruba Networks, Sunnyvale, California, February 2011, . 55
[28] Xiao, Y.: MAC performance analysis and enhancement 100 Mbps data rates for IEEE 802.11, Vehicular Technology Conference, 2003, . [29] IEEE: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications , Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007, . [30] Florwick, J.: Wireless LAN Design Guide for High Density Client Environments in Higher Education , Cisco Public Information, 2011, .
56
Pˇríloha A
Pˇríloha Souˇcástí práce je CD obsahující fotografie mˇerˇ ící soustavy, kompletní výsledky mˇerˇ ení a soubory pro simulaci v prostˇredí OPNET.
57
