Cursus Wi-Fi Technologie

Cursus Wi-Fi Technologie Introductie Overzicht Voorbeelden

SpectrumConsult

SpectrumConsult Commodity Wireless Technologies and Radio Regulations

Introductie Doelstelling Wi-Fi netwerken zijn een vast onderdeel geworden van elk huishouden, elke organizatie. Het functioneren van deze netwerken steunt op twee pijlers: Local Area Networks en radio data transmissie. De eerste geniet brede bekendheid en er is veel literatuur beschikbaar. De tweede pijler is minstens zo belangrijk want die bepaalt de mogelijkheden en de prestaties van Wi-Fi technologie maar het ontbreekt aan geschikt educatief materiaal. De doelstelling van deze cursus is een globaal inzicht geven in de essentiële eigenschappen van Wi-Fi technologie en in de achtergronden daarvan zoals regelgeving en standaardisatie.

Doelgroep De voornaamste doelgroep van deze cursus zijn mensen die in de dagelijkse praktijk te maken hebben met Wi-Fi netwerken, met name bij werkzaamheden als planning aanschaf, installatie, en onderhoud. Daarnaast kan het materiaal ook voor gebruikers nuttig zijn.

Opzet De opzet van deze cursus is een serie van 4 modules die ieder bestaan uit theoretisch en informatief materiaal: 1. 2. 3. 4.

Achtergrond Standaard en Technologie De praktijk Planning en Beheer

Het belangrijkste onderscheid tussen bedrade netwerken en Wi-Fi netwerken is de signaalvoortplanting in de gebruiksruimte en de invloed daarvan op het functioneren van het Wi-Fi transmissieprotocol. Dit bepaalt het gedrag van netwerkverbindingen en het bepaalt wat de gebruikers van het netwerk ervaren. Deze materie is zowel technisch uitdagend als soms contra-intuïtief. Daarom richt deze cursus zich op de praktische kanten van de Wi-Fi techniek en gebruik zonder de theorie uit het oog te verliezen. Waar mogelijk is wiskundige analyse of onderbouwing vermeden maar een paar basisbegrippen en wetmatigheden op het gebied van signaalvoortplanting worden in het begin uitgelegd en in het verdere verloop gebruikt.

Overzicht Hieronder volgt een kort overzicht van de inhoud van de cursus Wi-Fi Technologie. De detaillering van de presentatie van de modules hangt af van het gokozen nivo: het meest uitgebreid is nivo T2, het meest compact is de versie voor nivo M; nivo T1 ligt daar tussen in.

juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 2 van 9


Module 1 Deze module van de cursus behandelt een aantal onderwerpen die noodzakelijk zijn voor het begrip van de Wi-Fi technologie maar niet specifiek daarvoor zijn. Het schetst in kort bestek de ontwikkeling van draadloze communicatie en laat zien dat Wi-Fi daar een logisch deel van is. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de regelgeving rond Wi-Fi en van de voornaamste eigenschappen van het radio spectrum. Voortbouwend op deze basis wordt uitgebreider ingegaan op the fysica van draadloze communicatie: signaalvoortplanting en de invloed van de omgeving, de modulatie van digitale zenders en ontvangers, waaronder OFDM, MIMO, beamforming zowel als antennes en de relatie tussen vermogen en afstand komen aan bod. Daarnaast wordt kort ingegaan op protocollen, kanaaltoegang en transmissiebeveiliging.

Module 2 Module 2 behandelt de ontwikkeling en belangrijkste kenmerken van de technische standaard door de IEEE en van het certificatie programma van de Wi-Fi Alliance dat op die standaard gebaseerd is. De naam Wi-Fi is een commercieel label voor een technologie die slechts een deel van de volledige IEEE standaard implementeerd. Het correct functioneren van producten wordt geverifiëerd door het certificatie-programma van de Wi-Fi Alliance. Vandaar dat men veelal spreekt van Wi-Fi en niet van “IEEE 802.11” Een goed begrip van de standaard – of beter van de belangrijkste elementen van de standaard - is essentiëel voor het begrijpen van het functioneren, van de prestaties en van de beperkingen van de Wi-Fi technologie. Met name de air-interface – het samenspel van de zender-ontvanger en het transmissie protocol – en de interactie daarvan met de fysieke omgeving bepalen het gedrag en de mogeliujkheden van een Wi-Fi netwerk. Dit deel grijpt terug op achtergrond materiaal uit de eerste module – met name het gedrag van radiogolven. Een belangrijk aspect van de Wi-Fi air interface is het protocol voor kanaaltoegang – ook wel spectrum etiquette genoemd. De datacommunicatieprocedures van Wi-Fi maken gebruik van bovenstaande maar vormen een apart hoofdstuk dat onderwerpen beslaat van de framestructuur tot frame aggregatie en associatie van client apparaten aan Wi-Fi access points. Tenslotte bespreekt dit deel de beveiligingsfuncties van de standaard en wat daar in de praktijk van gebruikt wordt.

Module 3 Deze module gaat over het gedrag van Wi-Fi netwerken in de praktijk, over hoe en waarom praktische zaken zoals het gedrag en de prestaties van Wi-Fi apparatuur beïnvloeden. Het uitgangspunt hierbij is dat een goed begrip van de onderliggende factoren gebruikers en beheerders helpt de juiste keuzes te maken bij aanschef en gebruik van Wi-Fi apparatuur. De nadruk ligt in het volgende op RF- en protocol gebied en niet op de organisatorische aspecten zoals gebruikers aantallen en toegangsrechten. Het RF gedrag en de RF omstandigheden bepalen wat maximaal mogelijk is. In het hoofdstuk Prestaties worden de relaties behandeld tussen een aantal factoren die tezamen het gedrag van een Wi-Fi netwerk bepalen. Aan bod komen: robustheid, transmissiesnelheid en –fouten, protocol efficientie, de contentie periode en de contentie drempel, capaciteit, dekking en adaptief spectrum gebruik. juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 3 van 9


Bovenstaande factoren spelen veelal een rol bij problemen die in de praktijk optreden – met name als er sprake is van complexe gebouwen en een uitgebreide / heterogene clientpopulatie. In een apart hoofdstuk wordt uitgelegd waarom en hoe Wi-Fi apparatuur het storen van radarsystemen moet verhinderen en wat de operationele gevolgen hiervan zijn. Als afsluiting dient een overzicht van praktische aspecten van de beveiliging van een Wi-Fi netwerk.

Module 4 Module 4 gaat over het plannen, installeren en beheren van Wi-Fi netwerken. , over hoe een draadloos netwerk tot stand komt – van voorbereiding via planning tot installatie en beheer – en over troubleshooting. De praktijk is niet altijd ordelijk en overzichtelijk maar het is goed om uit te gaan van een systematische benadering want de problematiek is ingewikkeld. Aan bod komen netwerk modellen, analyse van de eisen van gebruikers, het kiezen van Wi-Fi apparatuur. Vervolgens wordt aandacht besteed aan het ontwerpproces waaronder de site survey en het gebruik van planning software met voorbeelden uit de praktijk en gevolgd door een overzicht van aandachtspunten bij de installatie en configuratie van een Wi-Fi netwerk. Netwerkbeheer, met aandacht voor auditing en troubleshooting – met aandacht voor veel gebruikte tools – sluiten de module af.

Cursusmateriaal Het cursusmateriaal bestaat uit Powerpoint presentaties en een bijbehorend boekwerkje. Het presentatiemateriaal is beschikbaar in 3 nivo’s van toenemende technische complexiteit die alle drie hetzelfde gebied en dus dezelfde onderwerpen dekken. De nivo’s zijn M, T1 en T2. Uitgebreide tekstuele ondersteuning wordt in PFD-vorm ter beschikking gesteld van cursisten. Het boekwerkje combineert presentatiemateriaal en uitleg en beslaat ~140 bladzijden. Dit boekje is gratis voor deelnemers aan de T2 cursus; voor anderen is het beschikbaar tegen vergoeding.

Bronnen Deze cursus is onwikkeld door Jan Kruys van SpectrumConsult op basis van zijn ervaring – sinds 1989 - met en deelname aan de ontwikkeling van de IEEE 802.11 standaard zowel als producten gebaseerd op deze standaard. Het bronmateriaal is dan ook voornamelijk deze standaard en andere publicaties op dit gebied. Waar relevant is vermeld dat beeld of tekst materiaal van derden is gebruikt. De firma Lumiad (www.Lumiad.com) is behulpzaam geweest bij de samenstelling en correctie van het cursusmateriaal. juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 4 van 9


Overzicht van onderwerpen Deel 1 - Introductie Korte geschiedenis draadloze data communicatie Overzicht van draadloze communicatie technieken Introductie van regelgeving tbv radio toepassingen Basisbegrippen: Propagatie Modulatie en Signaal-ruisafstand Antennes en bereik, Zendvermogen en link budget Zender en ontvanger diversiteit, MIMO and beamforming Communicatie protocollen Communicatiebeveiliging Deel 2 – Wi-Fi Technologie Overzicht van IEEE 802.11/ Wi-Fi Alliance Wi-Fi architectuur Wi-Fi Transceivers (a/b/g/n/ac) Modulaties/stoorafstanden, etc DFS – spectrum delen met radar systemen Wi-Fi medium toegang – CSMA/CA Listen before talk, HT Protection Signalling, RTS/CTS, Back-off Starvation QoS Framestructuur, Associatie en hand-off Power Save, Fragmentatie en Aggregatie Direct Link Beveiliging Deel 3 – Wi-Fi prakijk Straling en Gezondheid Prestaties - Nuttige transmissiesnelheden Dekking en capaciteit DFS in de praktijk Kanaaloverlap Hidden node effecten Smartphones QoS instellingen Deel 4 – leanning en beheer Wi-Fi Netwerken Het belang van planning RF Analyse en optimalizatie Planning tools Voorbeeld: Optimalizatie mbv Wituners Installatie van Access Points Het belang van netwerkbeheer Troubleshooting en gereedschap juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 5 van 9


Voorbeelden van het tekstboek De Transceiver (PHY layer) De IEEE standaard definiëert de volgende eigenschappen van de tranceiver: 

Frequentiebanden: 800MHz, 2.4GHz, 3.6GHz, 5.x GHz, 60GHz



Kanaalbreedte en – afstanden: 5 / 10 / 20 /40 / 80 / 160 MHz



Transmissiesnelheden: 1 Mb/s tot 6.93Gb/s



Zender- en ontvangermasker



Nabuurkanaalstoring



Gevoeligheid & detectiedrempel



Modulatievormen

De WFA certificatie selecteerd hieruit een subset. De meest gebruikte modulatie (a/g/n/ac) is OFDM – orthogonal frequency division multiplex. In plaats van één breed modulatiespectrum produceert OFDM een groot aantal van zulke spectra maar dan veel smaller. Zoals onderstaande grafiek laat ziet kan op die manier het maximaal toegestane zendvermogen optimaal benut worden. Minstens evenzo belangrijk is dat het OFDM signaal veel beter bestand is tegen fading en dat digitale verwerking eenvoudiger is.

Figuur 2.8: Single Carrier en OFDM transmitter spectra Regelgeving bepaald het maximale uitgestraalde vermogen: – < 100mW in de 2400-2483MHz band (CEPT) – < 200mW in de 5150-5350MHz band (bij < 50% kanaalbelasting) – < 1000mW in de 5470-5725MHz band (bij < 50% kanaalbelasting) IEEE 802.11 a/g/n maakt gebruik van multicarrier OFDM met 48 (51) data carriers in een 20MHz kanaal: juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 6 van 9


– Voor een 20MHz kanaalraster is het subcarriervermogen: 50mW / aantal subcarriers ~ 1mW – Voor een 40MHz kanaalraster is het subcarriervermogen: 50mW / aantal subcarriers ~ .5mW IEEE 802.11 ac maakt gebruik van multi-user OFDM met 234(468) carriers in een 80/160MHz kanaal. Het vermogen per subcarrier is dan ook heel laag: .2mW (.1mW)

Etc. Wi-Fi Bereik De praktische beperking van de haalbare SNR bepaalt ook het bereik van Wi-Fi. Onderstaande grafiek laat dat zien als functie van de transmissiesnelheid voor 802.11a (rode curves) en 802.11g (groene curves). De curves voor 802.11n in de twee frequentie banden zijn nagenoeg gelijk. Ook de invloed van een fading marge van 7dB, voor een omgeving waarin de verzwakking toeneemt met de afstand to de zender, is er in verwerkt. Voor hogere MIMO configuraties geldt ruwweg hetzelfde verloop. Het verloop van de verzwakking is 6dB/octaaf1 tot 8mtr en 10dB/octaaf daarboven. Verder is ook hier een fading marge van 7dB gebruikt.

Figuur 2.14 : Wi-Fi Bereik – MIMO 1x1. Etc. 1

juni 2013 versie 4

Octaaf wordt hier gebruikt als term voor afstandsverdubbeling.

©SpectrumConsult

Pagina 7 van 9


Gevoeligheid van de ontvanger Naast het transmitterspectrum is de ontvangergevoeligheid een belangrijke factor voor de planning en goede werking van een Wi-Fi netwerk. Die gevoeligheid wordt bepaald door de eigen (voornamelijk thermische) ruis van de ontvanger en de implementatieverliezen deze bepalen samen de zogenaamde ruisvloer. Een signaal zal hier bovenuit moeten komen om goed ontvangen te worden – hoeveel hangt af van de gewenste transmissiesnelheid en de verliezen veroorzaakt door storing en signaalvervorming. Uiteindelijk is het de netto energie per bit - de zogenaamde Eb/No – die de haalbare transmissiesnelheid bepaald. Voor een goede Wi-Fi implementatie ligt de ruisvloer op – 95dBm en ligt de minimaal bruikbare signaalsterkteop -90dBm – en dat is dan voor 6Mb/s. Nabuurkanaalstoring Als we uitgaan van een zendervermogen van 17dBm – 50mW – dan betekent dat dat tussen twee stations die op aanliggende kanalen werken een forse signaalverzwakking moet optreden willen beiden de volle capaciteit van hun kanaal realiseren. In figuur 2.16 is dat weergegeven: om de volledige kanaalcapaciteit te benutten mag het stoorsignaal uit een nabuurkanaal hooguit -95dBm zijn en dat vereist 43dB verzwakking.

Figuur 2.16 : Nabuurkanaalstorings In veel gevallen komt dat overeen met een afstand van 32 tot 64 meter. Voor het tweede aanliggende kanaal is dat nog altijd 20 meter. Het nabuurkanaal wordt niet als signaal gezien maar als energie en de detectiedrempel daarvoor ligt 20dB hoger dan voor het Wi-Fi signaal. Dat reduceert de afstanden aanzienlijk – tot ~12m (voor 23dB) en tot ~2m (voor 6dB).

juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 8 van 9


Bovenstaande geldt voor de nominale waarden. In de praktijk zijn Wi-Fi zenders meestal beter en produceren ze minder vermogen in de nabuurkanalen dan de nominale transmittermaskers aangeven – e.g. 17dB – en dat verkleint zowel de detectie- afstanden als de storingsafstanden. Bovenstaande geldt voor de nominale waarden. In de praktijk zijn Wi-Fi zenders meestal beter en produceren ze minder vermogen in de nabuurkanalen dan de nominale transmittermaskers aangeven – e.g. 17dB – en dat verkleint zowel de detectie- afstanden als de storingsafstanden. Zie onderstaande tabel.

Aanliggend kanaal Tweede aanliggend kanaal

Nominale stoorafstand 43dB/64m 26dB/14m

Nominale CCA detectieafstand 23dB/10m 6dB/2m

Praktische stoorafstand 26dB/14m 9dB/4m

Praktische CCA detectieafstand 6dB/2m -

Tabel 2.17 : Nominale en praktische nabuurkanaalstoringsniveaus en-afstanden

juni 2013 versie 4

©SpectrumConsult

Pagina 9 van 9

Cursus Wi-Fi Technologie

Recommend Documents