Moderní bezdrátové sítě IEEE 802.11n, WiMAX
Pavel Eisinger TE-OV 189390
Celá řada firem i domácností využívá dnes pro připojení k Internetu bezdrátové technologie. V současné době je nejpoužívanější a také nejlevnější technologie založená na bázi Wi-Fi. Tento standard však nebyl původně navržen pro venkovní spoje, ale pouze jako náhrada kabelových rozvodů v kancelářích a budovách. Jako reakce na tento stav byl vyvinut standard WiMAX, který částečně pracuje na podobných principech, ale je již cíleně zaměřen na venkovní bezdrátové spoje a nabízí se jako řešení poslední míle. WiMAX WiMAX je zkratka anglického označení „Worldwide Interoperability for Microwave Access - celosvětová spolupráce při mikrovlnném přístupu“. WiMAX je první otevřené řešení pro bezdrátový přístup v pásmech 2–11 GHz, které díky vyspělým technologiím, vyššímu vysílacímu výkonu a použití směrových antén nabízí velký dosah signálu, teoreticky kolem 50 km při přímé viditelnosti a několik kilometrů v městské zástavbě. Výhodou je rovněž kapacita připojení do 75 Mb/s, kterou lze rozdělit mezi desítky klientů a každému z nich garantovat stabilní přenosovou rychlost. Další vlastností je zabudovaná podpora QoS – řízení kvality služeb. Řízení kvality služeb umožňuje na WiMAXových spojích provozovat například IP telefonii nebo přenášet video v reálném čase a v dostatečné kvalitě. Hlavním účelem WiMAXu je nasazení vyspělých funkcí v jednotné technologii a snížení nákladů na zařízení výrobců, kteří jsou členy skupiny WiMAX Forum. Historie Prapočátky standardu IEEE 802.16 jsou v roce 1998, ale většina práce na tomto standardu proběhla v letech 2000 - 2003. Cílem bylo vytvořit standard pro levnější a jednoduše rozšířitelný širokopásmový bezdrátový přístup k internetu – standard pro metropolitní bezdrátové sítě. První verze standardu byla publikována v roce 2002 přímo pod číslem IEEE 802.16 a definovala přístupovou technologii s nutností přímé viditelnosti (LOS – Line of Sight, linie pohledu) a pro frekvenční pásma 10-66 GHz. V dubnu 2003 byla publikovaná další verze standardu pod označením IEEE 802.16a. Ta definuje frekvence v rozsahu 2-11 GHz, tedy jak licencované, tak bezlicenční frekvence. Dosah dle této specifikace je 40-70 km a zatímco u původního standardu IEEE 802.16 byla přenosová rychlost až 134 Mb/s, v případě IEEE 802.16a klesá zhruba na polovinu, tedy 70 Mb/s. Přesunem do nižšího frekvenčního pásma a využitím přenosové techniky OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením), pracuje IEEE 802.16a v režimu NLOS, tedy nevyžaduje přímou viditelnost mezi základnovou stanicí a klientským adaptérem. Novinkou je také podpora samoorganizující se topologie, tedy „mesh“ architektury. Další rozvoj standardu probíhá ve dvou větvích: Standard IEEE 802.16c/d publikovaný v lednu 2003 se zaměřuje na interoperabilitu (schopnost systémů vzájemně si poskytovat služby a efektivně spolupracovat) tím, že zavádí systémové profily zařízení, v nichž jsou
•
specifikovány funkce a vlastnosti pro základní testy interoperability. WiMAX fórum prezentovalo první testy v červenci 2003 a v průběhu léta – podzimu 2004 se objevily první hotové materiály. Zatímco IEEE 802.16c se vztahuje k testovacím protokolům a postupům, IEEE 802.16d postihuje vlastnosti nezachycené v IEEE 802.16c definici a definuje profily zařízení. • Standard 802.16e přináší do WiMAXu mobilitu a pracuje na něm především společnost Nokia. Zatím není specifikován a specifikace se očekává v roce 2006.
logo technologie WiMAX Princip technologie WiMAX Sítě založené na technologii WiMAX se více než klasickým Wi-Fi sítím podobají mobilním sítím. Proto se příliš nehodí pro vytváření spojení point-to-point (bod - bod), ale spíše pro point-to-multipoint (bod - více bodů). Na úrovni fyzické vrstvy je použito několik různých způsobů kódování dat pro různou kvalitu signálu. Díky tomu lze vždy zaručit optimální využití přenosového pásma. Využívá se také pokročilých technik, jako je směrování vlnového toku pouze přímo k příjemci (beamforming), technika diversitního vysílání a příjmu nazývaná MIMO a podobně. Další velmi dobrou vlastností je možnost využití takzvaných mesh sítí, které počítají s využitím pevných stanic jako retranslačních bodů. Díky tomu lze zvětšit dosah jedné základnové stanice bez nutnosti zvětšovat vysílací výkon.
Princip technologie WiMAX V reálném nasazení lze dosáhnout pro jednoho uživatele rychlostí v řádech jednotek megabitů za sekundu, při malé vzdálenosti je možné překročit hranici 10 Mb/s. Spolehlivou funkcí lze zajistit i bez přímé viditelnosti, ovšem uživatelská rychlost je zde nižší než u spojů s přímou viditelností při využití stejné šířky frekvenčního pásma. V České republice se nejčastěji využívají frekvence okolo 3,5 GHz, avšak není vyloučeno ani využití pásma 2,5 GHz, jehož část je rezervována pro sítě třetí generace provozované mobilními operátory. Nižší frekvence mají lepší propagační vlastnosti, samo o sobě to ale nestačí. Proto IEEE 802.16a přidává podporu OFDM, ortogonálního frekvenčního dělení multiplexu. OFDM je méně náchylné k vícecestným interferencím, protože každý přenášený symbol trvá na dílčí nosné déle, což eliminuje vliv zpoždění delší cestou. Při OFDM modulaci, se celá šířka pásma rozdělí na více úzkých pásem, případně ortogonálních podkanálů. Původně širokopásmový signál je následně rozdělen a přenášen po těchto úzkých pásmech paralelně pomocí inverzní diskrétní Fourierovy transformace (IDFT). IEEE 802.16a specifikuje tři možnosti pro OFDM s tím, že ponechává do budoucna otevřená vrátka pro přidání dalších variant OFDM: 1. OFDM s 256 podkanálů – to je také jediná varianta zakomponovaná do ETSI standardu HiperMAN. Proto je HiperMAN podmnožinou WiMAXu. 2. OFDMA s 2048 podkanály (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 3. OFDM s jedním kanálem pro výrobce, kteří mají jiné řešení pro potlačení vícecestných interferencí.
Certifikace WiMAX K zajištění vzájemné kompatibility a interoperability zařízení WiMAX vyráběné různými výrobci vznikla v roce 2001 nezisková organizace WiMAX Forum. Jejím cílem je sdružit všechny výrobce WiMAXových zařízení a prosadit WiMAX forum Certified Program. Celý certifikační proces je rozdělen do několika vln, z nichž každá řeší určitou část vlastností WiMAXových produktů. Každá vlna bude obsahovat nové certifikační profily nebo nové funkcionality, případně podporu nových frekvencí či přístupových technik. Certifikace produktů bývá často vnímána černobíle – produkt je buď certifikován, nebo ne, ale realita je o mnoho složitěji. Produkt bude certifikován jen pro některou funkcionalitu. Jako příklad může sloužit první vlna certifikace, která nezahrnuje vlastnosti QoS. Výsledkem je, že dva certifikované produkty mohou spolupracovat v základní konfiguraci, ale nejsou kompatibilní v oblasti QoS. To bude limitující faktor pro poskytovatele služeb, pro něž je nabídka služeb vyžadujících QoS (např. VoIP) hlavním důvodem k pořízení technologie WiMAX. První část je závislá na rádiových parametrech, a vychází tedy z Air protocol interoperability, ale definice přenosových parametrů (kapacit, priorit a dalších) se realizuje pomocí systému QoS. Z toho důvodu lze očekávat, že v této fázi vývoje produktů a certifikace spolu budou moci reálně spolupracovat (přenášet užitečná data) pouze základnová stanice a klientské jednotky od stejného výrobce. Alternativa WiMAXu Firmy podporující technologii WiMax nejsou jediné společnosti, které pracují na vývoji rychlého bezdrátového připojení. Na světě je konkurenční technologie LTE (Long Term Evolution), která pro WiMax představuje největšího a nejpřímějšího konkurenta. LTE vyvíjejí především firmy Verizon a AT&T. Verizon přitom tvrdí, že by novou technologii měl ve Spojených státech spustit již v příštím roce. Pravdou ale je to, že LTE je ve vývoji oproti WiMaxu přece jenom pozadu, a když si uvědomíme, jak dlouho trvá, než výrobci začnou svými produkty podporovat novou technologii, nasazení LTE ještě chvíli potrvá. Společnost Clearwire, založená pionýrem v oblasti telekomunikací Craigem McCawem, sebevědomě prohlašuje, že za WiMaxovou technologií stojí nejméně 80 výrobců periférií, od Samsungu přes Motorolu až po Nokii. Pro Clearwire a LTE ale platí stejná povinnost – překonat hlavní problém – přesvědčit výrobce periférií, aby připravili a začali prodávat dostatečnou nabídku výrobků pro novou technologii. Výrobci ale často vyčkávají na chvíli, kdy nová technologie začne být komerčně úspěšná. Důvody, proč společnosti jako Clearwire prosazují WiMax, jsou jasné – technologie slibuje mimořádně širokou platformu, od telefonování přes internet, domácí a mobilní broadband až po videokonference. Verizon se zatím snaží konkurovat systémem G3 EV-DO. Ten ale funguje jen někde a není zadarmo. Lze jej používat třeba ve vlaku z Washingtonu do New Yorku, a je zapotřebí mít speciální kartu pro notebook (Verizon ji někdy nabízí zdarma, jindy si
nechá zaplatit) a měsíční plán za 60 dolarů. Připojení není nijak mimořádně rychlé, ale funguje. WiFi IEEE 802.11n Wi-Fi (nebo také Wi-fi, WiFi, Wifi, wifi) je standard pro lokální bezdrátové sítě (Wireless LAN, WLAN) a vychází ze specifikace IEEE 802.11. Původním cílem Wi-Fi sítí bylo zajišťovat vzájemné bezdrátové propojení přenosných zařízení a dále jejich připojování na lokální (např. firemní) sítě LAN. S postupem času začala být využívána i k bezdrátovému připojení do sítě Internet v rámci rozsáhlejších lokalit a takzvaných hotspotů. Wi-Fi zařízení jsou dnes prakticky ve všech přenosných počítačích a i v některých mobilních telefonech. Úspěch Wi-Fi přineslo využívání bezlicenčního pásma, což má negativní důsledky ve formě silného zarušení příslušného frekvenčního spektra a dále častých bezpečnostních incidentů. V dnešní době Wi-Fi zaštiťuje množství samostatných norem, které se značí jednotlivými písmeny latinské abecedy. Nejpoužívanějšími a zároveň i nejznámějšími z nich jsou standardy „a“, „b“ a „g“, přičemž každý z nich má svá určitá specifika jako konkrétní přenosovou rychlost, frekvenci či používanou modulaci. Kompatibilitu zařízení zaručuje certifikační proces; zařízení, která tuto certifikaci získala, bývají označena logem Wi-Fi aliance.
logo Wi-Fi Alliance
Standard
Pásmo [GHz]
Maximální rychlost [Mbit/s] 2 54 11 54
původní IEEE 802.11 2,4 IEEE 802.11a 5 IEEE 802.11b 2,4 IEEE 802.11g 2,4 IEEE 802.11n 2,4 nebo 5 600 zatím není standardizován Přehled standardů IEEE 802.11
Fyzická vrstva DSSS OFDM DSSS OFDM OFDM, MIMO
Na první pohled tyto standardy vypadají poměrně dobře a i rychlost se zdá být dobrá, ovšem kdyby nebyla pouze teoretická. Této hodnoty v praxi nikdy nedosáhnete. Skutečnou rychlost ovlivňuje veliké množství faktorů od místního zarušení, vlivu počasí, překážek na cestě signálu až po samotnou fyzickou vzdálenost komunikujících klientů. Obzvláště zarušení zde sehrává obrovskou roli, protože v důsledku toho, že je ve většině případů využíváno bezlicenčního pásma, může toto spojení využívat opravdu kdokoliv. Reálná propustnost, bývá typicky o něco více než třetinová oproti přenosové rychlosti. Na tom má vliv také mnohem vyšší režie linkové vrstvy ISO/OSI modelu, který se pro standardizaci počítačových sítí bere jako referenční, a jakožto takový byl v roce 1984 přijat jako mezinárodní norma ISO 7498. Oproti metalickým sítím je tato režie až několikanásobně vyšší a spotřebuje pro sebe až 30 – 40% celkové kapacity. Svou vlastní režii má také protokol TCP/IP. Další zpoždění představuje také fakt, že už z principu komunikace v bezdrátových sítích funguje tato jako pouhý half duplex a je i tak navržena, čili buď se vysílá, nebo se přijímá, ale nikdy ne obojí najednou. Full Duplex by sice bylo teoreticky možné použít, ovšem za cenu dvojnásobné šířky zabraného kmitočtového pásma - vysílat by se muselo současně na jiných kanálech s dostatečným odstupem, aby se přijímač nezahltil. Nezbytné by byly dvě antény, duplexer nebo podobné zařízení. IEEE 802.11g oproti normě IEEE 802.11b využívá přenosovou techniku s rozprostřeným spektrem OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), které rozdělí přenosový kanál na překrývající se subkanály. Díky použití vícestavových modulací a paralelního přenosu dat je poté také lépe využit.
princip frekvenčního dělení OFDM Data se jednoduše rozdělí do několika paralelních front a jejich celý objem je následně přenesen po několika úzkopásmových kanálech, každý na jiném kmitočtu. Tímto způsobem je také lépe dosaženo menšího zarušení. Konkrétní podporovaná rychlost klienta pracujícího v pásmu IEEE 802.11g závisí především na použité modulaci, přičemž podporovaných rychlostí je oproti IEEE 802.11b daleko více. Díky zpětné kompatibilitě mezi „béčkovou“ a „géčkovou“ normou navíc můžeme k IEEE 802.11g připočíst i rychlosti podporované starším standardem. Ty však vyžadují použití metody DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), čili techniky přímého rozprostření spektra, která se u této starší normy využívá.
Musíme se zde také zmínit, že někteří výrobci umožňují s použitím stejných prvků dosáhnout vyšších přenosových rychlostí, než jaké udává konkrétní norma. Příkladem může být například technologie SuperG (g+), která pracuje se zařízeními osazenými čipsety Atheros a umožňuje jim využití až teoretické rychlosti 108 Mb/s. Bohužel není tato technika standardizována, a tak může být praktické spojení různých hardwarových řešení velmi problematické, avšak v některých případech i tak skutečně možné. IEEE 802.11n IEEE 802.11n je WiFi standard, který si klade za cíl upravit fyzickou vrstvu a podčást linkové vrstvy, takzvanou Media Access Control (MAC) podvrstvu tak, aby se docílilo reálných rychlostí přes 100 Mbit/s. Maximální fyzická rychlost může být až 600 Mbit/s při MAC rychlosti až 400Mbit v konfiguraci 4X4 MIMO. Zvýšení rychlosti se dosahuje použitím MIMO (multiple input multiple output) technologie, která využívá vícero vysílacích a přijímacích antén. Historie Vývoj nového standardu byl spuštěn již v roce 2003, avšak až o rok později podali členové Wi-Fi Alliance základní návrhy na jeho vytvoření, a to s cílem vyrovnat se tehdejšímu maximu ethernetové sítě, čili rychlosti 100 Mb/s. Základ nové normy IEEE 802.11n byl tedy na světě. Prvních požadavků se nashromáždilo rovnou více než 60, což rozhodně další jednání neulehčovalo. Na úplném začátku roku 2005 byly v úvahu z původní hromady technických řešení pouze návrhy dva – konkurenční řešení kandidátů WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency) a TGn Sync (Task Group N). V obou se využívala myšlenka použití tzv. chytrých antén, avšak každý z táborů prosazoval jinou šíři používaných kanálů a různou rychlost přenášených dat stejně jako různé techniky pokročilých kódování. TGn Sync prosazoval šířku komunikačního kanálu 40 MHz, což by ale v pásmu 5 GHz znamenalo snížení celkového počtu přenosových kanálů. Kvůli zpětné slučitelnosti se ale nakonec přešlo zpět k původním 20 MHz. Maximální navrhovaná rychlost s využitím technologie MIMO potom byla až 600 Mb/s. WWiSE by naopak nejraději zůstala u stávajícího členění na 20 MHz kanály, což by znamenalo zvýšení teoretické rychlosti přenosu na celých 135 Mb/s a již v základu počítala s nasazením technologie MIMO. Maximální teoretické rychlosti dosahovaly v návrhu až 540 Mb/s. Do dnešní doby prošel standard velkým množstvím úprav, přičemž jednou z nejvýznamnějších byla první „mezispecifikace“, tzv. Draft 1.0. Připomínek k ní přišlo velice mnoho (cca 12 000), a proto byla v březnu roku 2007 přijata její inovovaná verze - Draft 2.0. Velkou výhodu pak představovala teoretická možnost přejít u stávajících produktů pomocí jednoduché aktualizace firmwaru z Draft 1.0 na verzi 2.0.
O několik měsíců později členové skupiny jednali o novém v pořadí již třetím návrhu nového standardu bezdrátových sítí. Výsledkem shromáždění bylo úspěšné schválení návrhu. V květnu roku 2008 se podařilo v městě Jacksonville na Floridě (USA) schválit čtvrtý koncept. Prozatím poslední z návrhů s pořadovým číslem D5.0, byl schválen v červenci 2008. Navíc bylo konečné vydání celého standardu IEEE 802.11n ještě o několik měsíců oddáleno, a to z července 2009 až na listopad 2009. Během jednání bylo nashromážděno z oběhu hlasovacího lístku celkem 1112 komentářů. Z těch bude připraven návrh D6.0. Podpora výrobců je dnes také poměrně dobrá, a tak například nedávno uvedená platforma Intel Centrino 2 nabízí také využití bezdrátových sítí IEEE 802.11n včetně standardu WiMAX. Stejně tak konkurenční AMD Puma s využitím standardů 802.11a/b/g/n počítá též. Využití a perspektivy standardu IEEE 802.11n Jak již bylo uvedeno výše, zvýšení rychlosti je asi desetinásobné. To pro mnoho uživatelů bude znamenat, že bude možné posílat si velké objemy dat podstatně rychleji. Bude to znamenat i větší použitelnost v multimédiích - stahování filmů, hudby nebo třeba televize přes internet. A právě od většího nasazení v multimédiích si výrobci hodně slibují. Do budoucna se počítá s tím, že jednotlivá zařízení v domácnostech budou mezi sebou schopna komunikovat bezdrátově. To třeba znamená, že si na počítači pustíte film, bezdrátově se připojíte k dataprojektoru nebo TV. Zní to jako samozřejmost, ale doposud to bezdrátovou cestou pomocí Wi-Fi nebylo možné. Potenciál nového standardu je zřejmý. Zlepšení přenosu dat, zvýšení rychlosti, zvýšení pokrytí. Multimédia a přenos obrazu i bezdrátově. Technologie bude nejvíce využita v aplikacích, které budou velmi náročné na šíři přenosového pásma, kde se prozatím uplatňuje technologie QoS pro zajištění kvality používaných služeb. Takovými oblastmi může být především sledování videa - IPTV (Internet Protocol TeleVision), HDTV a další.
Logo IEEE. 802.11n (draft) Dle posledních odhadů by příští rok již měl být na trhu bezdrátových sítí zcela ve znamené rychlé WiFi postavené na IEEE 802.11n. Vzhledem k tomu, že Wi-Fi alliance již zahájila certifikační program roste zájem jak koncových uživatelů, tak i firem, přestože jde o stále ještě neschválenou normu standardizační komise IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Technologie MIMO Základem nové normy je technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output), takzvaná technologie chytrých antén, která je jakožto taková poměrně hodně stará. Přišly s ní již zhruba před více než 40 lety Bellovy laboratoře. Navzdory tomu se ale s jejím využitím v počítačové komunikaci počítá teprve až v novém standardu IEEE 802.11n, i když je pravdou, že v některých specifických firemních řešeních se někdy používala i dříve. Technika zjednodušeně pracuje na principu vysílání několika datových signálů naráz různými telekomunikačními cestami, avšak v rámci jednoho přenosového kanálu. U přijímače i vysílače se musí samozřejmě počítat s využitím více antén, jejichž přesný počet ale stanoven není. Velkou výhodou je také skutečnost, že MIMO pracuje na nejnižší síťové vrstvě (vrstvě fyzické), čili ji lze použít bez ohledu na protokoly vyšších vrstev. Maximální propustnost a dokonce i rozsah takto vybudované sítě je pak možné zvýšit jednoduše navýšením počtu připojených antén.
bezdrátový router s podporou technologie MIMO Prakticky je možné využít až 16 antén pro venkovní provoz a až 4 antény pro provoz v bytové zástavbě, i když teoreticky by ke zvyšování mohlo docházet až „do nekonečna“. MIMO se dá kromě zvýšení přenosové rychlosti nebo komunikační vzdálenosti, použít také i pro navýšení počtu komunikujících uživatelů v síti. Technika také zvládá vybrat z několika připojených antén ty, které zajistí průběh signálu s co možná nejnižším zarušením. Velkou výhodou je navíc skutečnost, že nový standard byl již od začátku vyvíjen tak, aby byl zpětně kompatibilní s původními normami stávající bezdrátové sítě IEEE 802.11a/b/g, díky čemuž s nimi bude možné nová zařízení jednoduše propojit, byť za cenu nižší datové propustnosti.
Zdroj: - Wikipedia – http://cs.wikipedia.org - DSL.cz - http://www.dsl.cz/clanky-dsl/clanek-1280/wimax-zatim-nepohrbivat - Programujte.com http://programujte.com/index.php?akce=clanek&cl=2008012601-technologiewimax-pod-drobnohledem - Coprosys NeTron - http://www.netron.cz/?show=document&menu=2&view=36 - Svět hardware - http://www.svethardware.cz/art_doc27EE470F391C1776C12574B0004F01F6.html - Notebook.cz - http://notebook.cz/clanky/technologie/2007/070129-standard80211n - Zivě.cz - http://www.zive.cz/Clanky/Wi-Fi-80211n-dobyva-trh-rychly-a-levnybezdrat/sc-3-a-144945/default.aspx
