Wi-Fi: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить - Щербаков А. К.

В упомянутом стандарте должны появиться и другие новшества. Так, для поддержки 100-Мбит/с скорости передачи данных на значительные расстояния потребуется существенно изменить MAC-уровень 802.11, что чревато возникновением проблем с обратной совместимостью беспроводных устройств. Следите за развитием стандарта 802.11n и за появлением на рынке поддерживающих его устройств. Они будут высокопроизводительными и (благодаря некоторым перспективным антеннам) «интеллектуальными».

Функционирование устройств Wi-Fi на физическом уровне

Осенью 1999 г. была создана организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance (сейчас её название Wi-Fi Alliance), которой принадлежит бренд Wi-Fi. На проведённой ею в то время пресс-конференции представитель этой организации назвал технологию Wi-Fi беспроводным аналогом Ethernet (wireless Ethernet). Когда же один из журналистов усомнился в правильности такого сравнения, ему было сказано, что технологии Wi-Fi и Ethernet очень похожи, поскольку в них предусмотрен конкурентный доступ узлов сети к среде передачи данных и имеется много общего в реализации канального уровня.

Однако сходство названных технологий на этом и заканчивается. Они существенно отличаются друг от друга на физическом уровне. Если трафик сетей Ethernet локализован в более или менее защищённых от воздействия внешней среды электрических и оптических кабелях, то трафик систем Wi-Fi передаётся по радиоволнам и при этом подвержен влиянию помех и атмосферных осадков, которые могут парализовать работу системы.

Производители средств Wi-Fi стараются не афишировать возможные проблемы в их работе, связанные с их физическим уровнем. Вместо этого они подчёркивают простоту инсталляции и сетевой интеграции оборудования Wi-Fi. Вам следует знать об этих проблемах и, чтобы успешно управлять большими беспроводными ЛВС (БЛВС), нужно ещё разбираться в основах радиотехники. Здесь вполне уместно провести аналогию с сетями Ethernet, для эффективного администрирования которых необходимы знания в области структурированных кабельных систем.

Подобно модемам для коммутируемых линий и кабельным модемам, устройства Wi-Fi модулируют передаваемые сигналы. С помощью разных методов модуляции они преобразуют получаемые от компьютера цифровые сигналы в аналоговые радиочастотные. Скорость передачи данных с помощью модулированной несущей зависит от ряда факторов, в том числе от ширины полосы пропускания канала связи и типа используемого метода модуляции. По сравнению с простыми методами (или схемами) модуляции (например, BPSK, реализуемый 1-Мбит/с устройствами БЛВС), сложные методы модуляции (например, 64-QAM, поддерживаемый 54-Мбит/с оборудованием) обеспечивают более высокую скорость передачи данных. Но при использовании сложных методов модуляции устойчивость работы радиосистемы к воздействию шума снижается.

Поскольку по мере распространения в атмосфере радиосигнал затухает, разработчикам и пользователям радиосистем приходится искать компромисс между скоростью передачи данных и дальностью связи. Радиоволны в атмосфере затухают быстрее, чем радиочастотные сигналы, передаваемые кабельными модемами по гибридным (оптоволоконным и коаксиальным) кабельным системам.

Сети Wi-Fi работают в нелицензируемых (в США) частотных диапазонах 2,4-2,4835 (ISM-диапазон); 5,15-5,35 и 5,725-5,825 ГГц (UNII-диапазоны). Ширина полосы пропускания радиоканала систем Wi-Fi равна 22 МГц.

Устройства, предназначенные для работы в нелицензируемых диапазонах, должны быть спроектированы таким образом, чтобы сводить к минимуму вероятность негативного влияния (на их функционирование) взаимных помех. По этой причине устройства Wi-Fi имеют небольшую выходную мощность и устойчивы к воздействию не очень сильных помех, которые создаются другими устройствами, функционирующими в том же диапазоне.

Помехоустойчивость устройств Wi-Fi обеспечивается расширением спектра передаваемых сигналов. Хотя системы, реализующие технологии расширения спектра, работают довольно надёжно, почти невозможно создать многосотовую БЛВС, не столкнувшись с проблемами в работе её устройств, вызванными помехами.

Любое устройство Wi-Fi, будь то плата PC Card, беспроводной сетевой адаптер для настольного ПК или точка доступа, функционирует как приёмопередатчик, т. е. передаёт и принимает радиосигналы. Стоит отметить, что 5-ГГц радиосигналы устройств стандарта 802.11a затухают сильнее, чем 2,4-ГГц сигналы, особенно когда на пути их распространения встречаются стены или другие объекты.

Мало того что приёмникам приходится работать с очень слабыми сигналами, они ещё испытывают воздействие радиочастотных шумов. К числу их источников относятся высокоскоростной центральный процессор ноутбука и микроволновая печь. Однако современные радиосистемы функционируют даже при очень низком отношении сигнал/шум.

Выходная мощность радиотехнических устройств обычно измеряется в ваттах. В отличие от стереосистем, которые могут иметь выходную мощность 500 Вт, оборудование Wi-Fi излучает значительно менее мощные сигналы — до 200 мВт. Поскольку радиосредства работают с маломощными сигналами, инженеры предпочитают выражать их уровень в логарифмических единицах, называемых децибелами (дБ). При определении уровня сигнала по отношению к одному милливатту используется сокращение «дБм» (dBm). Уровню сигнала в 0 дБм соответствует мощность 1 мВт.

Если мощность сигнала менее 1 мВт, его уровень отрицателен. Например, чувствительность беспроводного сетевого адаптера стандарта 802.11b при пропускной способности 2 Мбит/с может равняться -90 дБм.

Запомните два полезных в инженерной практике правила. Увеличение или уменьшение уровня сигнала на 3 дБ означает увеличение или уменьшение его мощности в два раза. Увеличение же уровня сигнала на 10 дБ соответствует десятикратному увеличению его мощности. Таким образом, если 0 дБм равняется 1 мВт, то 10 дБм — 10, 20 дБм — 100 и 30 дБм — 1000 мВт, или 1 Вт. С помощью этих правил несложно определить, что уровню сигнала в 23 дБм соответствует мощность 200 мВт.

В состав радиопередатчиков входят усилители мощности, повышающие уровень передаваемого сигнала. Для увеличения дальности связи разработчики беспроводного оборудования могут повышать его выходную мощность, но при этом они не должны выходить за пределы налагаемых (регулирующими органами) ограничений на характеристики этого оборудования. И ещё, чем выше выходная мощность, тем больше потребляется электроэнергии (что сокращает срок службы батареи ноутбука) и рассеивается тепла (ноутбук нагревается сильнее).

Дальность связи можно повысить и за счёт применения направленных антенн. Такая антенна фокусирует передаваемый сигнал в определённом направлении и обеспечивает повышение уровня принимаемого сигнала.

Чтобы беспроводная сеть функционировала нормально, суммарное усиление взаимодействующих устройств должно быть выше затухания передаваемого радиосигнала. Затухание радиосигнала в атмосфере (по причине его рассеивания в ней) называется потерями в свободном пространстве.

В зданиях, где работают БЛВС, имеют место и другие виды потерь, в том числе потери, обусловленные поглощением (стенами, межэтажными перекрытиями и дверями), рассеиванием (из-за хаотических отражений от различных поверхностей) и рефракцией (изменением направления распространения волны при прохождении её через объект, например, стеклянную стену) радиоволн. Уровень потерь зависит от частоты радиосигнала. Например, 5-ГГц радиосигнал поглощается межэтажными перекрытиями и стенами сильнее, чем 2,4-ГГц.

Хотя возможность установления радиосвязи зависит в первую очередь от параметров оборудования и потерь передаваемого сигнала, на работу БЛВС влияет и такой фактор, как многолучевое распространение радиоволн, вызванное их отражением от разных предметов. В результате этого один и тот же переданный радиосигнал многократно (с разной временной задержкой) поступает на вход приёмника, что может значительно ослабить принимаемый сигнал.